技术交流

Technical exchange

如何保证上软下硬砂卵石地层中渣土改良系统的效果
来源:李飞 / 王欢       时间:2016-11-28       人气:1258

摘要:近几年来,全国各大城市轨道交通不断发展,盾构施工运用得越来越广泛,盾构施工技术越来越成熟。但在城市地下进行盾构隧道掘进施工,有时将因为一些盾构自身硬件问题不适应所在地层,从而在施工过程中导致地面沉降过大、地下管线破损、建构筑物坍塌,采取何种措施来改善盾构机硬件问题,从而保证地面沉降、地下管线以及建构筑物安全。本文针对中铁隆工程集团有限公司的S815海瑞克盾构机在成都地铁1号线三期南延线牧华路~华阳站区间右线始发段掘进效率低、地面沉降大等问题,通过对渣土改良系统的优化加以解决,希望能对遇到相同或相近的地层中盾构渣土改良起到借鉴作用。

关键词:盾构 渣土改良 建构筑物 安全

 

1、前言
       城市轨道交通建设所选线路主要区段均在城市的主城区、主干道,因规划和历史原因,地铁隧道线路主要在城市道路下方穿行,或将不可避免的在既有建构筑物或地下重要管线下方穿行。但受盾构施工机理和地质情况的限制,掘进时将引起地面隆起和沉降。若沉降和隆起超过地下管线或建构筑物允许变形值,造成地下管线和建构筑物变形、开裂,甚至建筑物倒塌,造成严重的安全事故,不但影响施工生产和施工安全,还将造成严重的社会不良影响。成都的地表构造为卵石土,就像牛皮糖一样,软的倒可以压碎,硬的却咬不动,因此采用盾构法施工时,刀盘、刀具、刀座的磨损相当大,还容易卡机,稍微渣土改良不好,刀盘还容易结泥饼,如若再遇到上软下硬的砂卵石地层且砂卵石含水量丰富且有粉细砂透镜体,上层砂卵石自稳性差,在扰动时掌子面不稳定,特别是在渣土改良不到位的情况下,土仓内切削下来的渣土不能及时有效的排出,掘进效率低下且切削下来的卵石多次撞击掌子面,掌子面不稳定性更差,造成地面沉降量和沉降速率变化较大,同时下层砂岩裂隙中和卵石中的土粘接到刀盘上形成泥饼。在硬件设计不合理时如何改进,从而确保在地下管线和地面建构筑物的安全的前提下高效施工。

2、成都地铁1号线三期南延线牧华路~华阳站区间右线始发段地质水文情况描述
       (1)详堪地质情况
       华阳站~牧华路站盾构区间设计起讫里程为:YDK26+174.900~YDK27+089.450,右线隧道全长914.550m;隧道埋深10.26~18.26m。区间主要穿越地质为:③82中密卵石、⑤12强风化泥岩、⑤13中等风化泥岩、⑤23中等风化砂岩。右线始发端地层主要为③82中密卵石、⑤23中等风化砂岩,见下图1,从下图看出隧道上半断面在软弱的砂卵石层,下半断面在较硬的中等风化砂岩层。

 
图1右线始发段地质纵断面图

       (2)详堪水文情况
       本区间端头段范围内的地下水主要有两种类型:一是赋存第四系砂卵石地层中的孔隙型潜水,二是基岩裂隙水。第四系孔隙水主要赋存于第四系上更新统(Q3)的粉细砂和卵石土中,具微承压性,卵石土层结构稍密~中密,含水丰富,含水层厚度3.7~17.8m。结合成都地区的降水经验,本区间卵石土渗透系数k为25m/d,为强透水层。本区间结构穿越卵石土层下部,受地下水影响较大。区间范围内基岩为白垩系灌口组紫红色泥岩、砂岩,地下水赋存于基岩风化带裂隙中,含水层透水性及富水性差,水量贫乏。渗透系数k建议值为0.50 m/d,与上部卵石含水层相比,属于弱透水层,对区间施工影响较小。

3、牧华路~华阳站区间右线始发前期掘进参数异常情况
       牧华区间右线采用本单位海瑞克815#盾构机,始发开始到掘进至+6环期间,推力、扭矩异常,且在其他参数基本一致的情况下,推力扭矩逐环加大但掘进速度逐环降低,土仓内渣土温度达60℃,渣土排放不顺,地面沉降预警。具体每环掘进参数见下表1。


 

       为探明仓内情况,在里程YDK27+074.28位置停机开仓检查。根据土仓内情况显示,刀盘面板中心区域、切口区域、螺旋机两侧结饼,见下图2、图3、图4。 

图2刀盘面板中心区域结饼照片


   
图3切口结饼照片

 

图4螺旋机两侧结饼照片


       开仓后观察掌子面地质情况,3点~10点以上为砂层和卵石土层分层,下部为砂岩。开仓过程发现卵石土层中细骨料较少,导致其稳定性降低(受车站降水施工影响),见下图5、6。
 


图5  掌子面上部砂卵石下部砂岩照片

  
图6  砂卵石与砂岩对比照片


       根据开仓观察到掌子面地层情况,为确定刀盘前方地层情况,进行地质补勘,根据补堪取芯资料显示,与详堪报告存在一定差异,在10.2~11m区域存在稍密砂层(即隧顶以上0.8m为稍密砂层),补堪芯样情况如下表2和图7。


     
 


图7现场补堪取芯照片

 

4、原渣土改良系统描述
       本区间盾构机泡沫系统共计8个注入孔,其中刀盘面板1#/3#、2#/5#泡沫注入孔为一泵双管,4#、6#、7#、8#泡沫注入孔为单管单泵,见下图8。


图8  原刀盘面板改良剂注入位置


       开仓前刀盘面板前注入改良剂均为泡沫溶液,在承压墙2、9点位置注入孔加水进行辅助改良;泡沫混合液体每环注入总量约为120L/min,注水量约为4m。

5、渣土改良方案
       掘进效率低、出土异常、地面沉降预警的情况下经过两次开仓,均发现刀盘面板中心区域、切口区域、螺旋机两侧结饼。螺旋机两侧的土体未能快速流动,刀具也不能有效地切削土体,故掘进控制非常困难,造成地面沉降连续报警并引起地下管线变形。上述情况原因分析如下:
       ①、由于砂层地下水丰富,推进过程中加泡沫加水设施未能得到有效利用,导致渣土改良不及时造成刀盘面板、土仓、切口、螺旋机两侧结泥饼严重。
       ②、刀盘面板上均安装为滚刀未安装撕裂刀,且地层下部为砂岩,过多地破碎了卵石和砂岩,形成粉末,渣土改良不及时,更加重了泥饼的形成。
       ③、前期掘进时刀盘面板8个注入孔均注入泡沫未在适当孔位注入水,刀盘中心无注入孔,渣土改良不到位,渣土流塑性差,导致泥饼从圆心逐渐向面板四周堆积和扩散,最终整个面板被“糊”。 
       ④、盾构推进时,刀盘转动对掌子面土体扰动较大, 掘进速度缓慢时(土仓及刀盘面板结泥饼),对掌子面扰动更加严重,从而使刀盘上方土体坍塌,造成地面沉降过大。为改变这种状况,结合刀盘和中心回转接头的结构形式,改进方案如下:
(1)设备改造方面
       1)优化刀盘面板及土仓内渣土改良管路。图9
       ① 、刀盘面板(1#/3#)、(2#/5#)泡沫口为一拖二管路,封堵3#、5#泡沫口。
       ②、1#泡沫口使用增压泵(1号)加水、8#泡沫喷口使用增压泵(2号)加水、6#泡沫口使用原有泡沫泵加水。
       ③、2#、4#、7#泡沫口加泡沫。

 
图9  刀盘面板改良剂注入位置剖面图


       2)土仓内加水:
       在土仓隔板2、9点位置设置加水管路,并使用3号增压泵一拖二向土仓进行辅助加水,见下图10。
 


图10  土仓内加水位置剖面图

       3)改良系统流量控制:
       为增加渣土改良加水流量及压力,选用三台15KW增压泵,并替换相关管路加水。同时为方便操作人员实时管理控制加水注入流量、压力及注入总控量,在每根增压泵管理上安装电动球阀、电磁流量传感器、压力传感器、变频控制器。控制原理:通过变频控制器控制增压泵电机转速及电动球阀开度从而控制管路流量,见下图11、12。

 
图11  管路设计图

 
图12  电气设计图


       4)增加中心加水管路
       海瑞克中心旋转节的中心预留中心加水孔,需打通刀盘上中心加水孔。方法:拆除中心旋转节后用磁力钻钻孔(直径30mm)。见下图13、14
 


图13  中心旋转节剖面图
 


图14  刀盘中心位置预留孔


(2)渣土改良注入参数设置
       改良方式采用泡沫+水进行改良,将现有泡沫剂调整为康达特泡沫剂(分散性)。使用CF=3%的泡沫原液;泡沫膨胀倍率FER=10;注入率FIR=100%,及切削1m土体注入1 m泡沫溶液。刀盘面板注水量初始设定为18m,过程中根据渣土流塑性在承压墙位置向土仓进行辅助加水。
       当土仓压力为1bar时,三路泡沫注入量控制值如下表3,刀盘面板三路注水量控制如下表4

 

       通过适时调整改良剂注入速度,使土仓内渣土流塑性基本保持恒定,掘进过程中采用高压水对牛腿间渣土进行冲刷,保证牛腿间渣土流塑性,防止中心区域“结饼”,根据渣土情况在承压墙2、9点位置进行加水辅助调整。

6、改良后掘进参数描述
       经改良和注水泡沫参数调整后恢复掘进,剩余始发段上软下硬砂卵石地层掘进推力、扭矩正常,出渣顺畅,地面沉降无预警现象发生,14~24环掘进参数如下表5

 

7、总结
       在上软下硬砂卵石地层中通过优化刀盘面板及土仓内渣土改良管路、在适当管路中向土仓内加水、改良管路系统流量控制、增加刀盘中心加水管路、优化渣土改良参数、在掘进参数的管理上严格监控,使盾构机处于匀速掘进状态,并有效控制出渣量,确保盾构施工安全,减小了施工中的安全隐患,保证了地面沉降、地下管线以及建构筑物完好。

 

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