复杂地层盾构施工技术研究
【摘要】在分析工程重难点的基础上,对包括盾构机选型和刀具配置等盾构机主要技术参数进行较深入的探讨。同时,对掘进模式的优选、掘进参数、盾构机姿态的控制和同步注浆参数的设定等方面的技术措施进行了研究,总结出了一套较为成熟的施工技术方法。
【关键词】隧道;冲洪积扇地层;盾构掘进
北京地铁4号线北宫门-龙背村调出井盾构区间所处地质条件比较特殊,穿越永定河冲洪积扇,并受到西北玉泉山和香山等山脉的影响,且局部穿越出露的极硬岩,具有山前冲洪积扇地层的复合特性,施工难度大,
施工技术要求高。对包括盾构机选型和刀具配置等盾构机主要技术参数进行较深入的探讨以及对掘进模式的优选、掘进参数、盾构机姿态的控制和同步注浆参数的设定等方面的技术措施进行了研究,总结出了一套较为成熟的施工技术。
1、工程概况和施工重难点
1.1 工程概况
北京地铁4号线北(宫门)-龙(背村调出井)盾构区间长523.294 m,根据地勘资料,区间穿越第四纪全新世冲洪积层、第四纪晚更新世冲洪积层,局部穿越二迭系红庙岭组。第四纪冲洪积层主要以粉土、粉质黏土、粉细砂、卵石圆砾层为主;二迭系红庙岭组主要以强~中风化砾岩、微风化砾岩、微风化砂岩、强~中风化砾岩为主。
根据详勘和补充勘探报告显示,北-龙区间大约有190m左右的全断面岩石,该段岩石为微风化砾岩和强风化砂岩,单轴抗压强度最大76.8 MPa。其余地层主要为粉质黏土、粉土、中粗砂以及全断面的砂卵石层,有较为严重的软硬不均地层出露,具有山前地区的典型特点。钻孔中实测两层地下水,第一层为潜水,第二层为层间潜水。由于本段地下水不具有承压性,总体上对盾构施工没有太大影响,但是盾构施工对含水的砂层产生一些不利因素,尤其是盾构开挖面上部的砂层容易受到扰动而引起局部坍塌(图1)。
1.2 工程重难点
由于本工程为山前冲洪积扇地形,地质复杂多变,盾构机在复合地层中掘进需要根据不同的地层情况频繁转换盾构机的掘进模式、掘进参数和注浆参数,同时也要及时调整添加材料的种类和数量。在岩石地层中掘进,刀具磨损较为严重,导致换刀频率增加,增加了停机时间,对施工工期将产生较大影响。在上软下硬地层中掘进,如何保证掌子面稳定,以及快速安全的通过是本工程的难点。
2、盾构机主要技术参数
2.1 盾构机选型
根据北京市地铁4号线北龙区间山间冲洪积扇地层的地质特点,对地质断面进行了认真分析,并综合经济合理性的要求,选用了德国海瑞克6.28复合式土压平衡盾构机[1]。其主要性能参数见表1。
值得注意的是盾构机刀盘的驱动扭矩、总推力的大小是决定一台盾构机是否能适合复杂多变地层的关键参数。另外,还有刀盘的刚度强度以及刀具的选配也是至关重要的。
2.2 盾构机工作原理
复合式土压平衡盾构机的工作原理则是向掌子面土体注入泡沫剂和膨润土等塑流性材料,与开挖面切削下来的土体经过充分搅拌,形成具有一定塑流性和透水性低的塑流体,同时通过控制盾构机推进千斤顶速
度与螺旋输送机向外排土的速度相匹配,经舱内塑流体向开挖面传递设定的平衡压力,实现盾构机始终在保持动态平衡的条件下连续向前推进[2]。由于复合式土压平衡盾构机可以根据不同地层的地质条件,设计和配制出与之相适应的泡沫剂等,从而适应各类复杂地层的施工条件,故近年该盾构机型在隧道工程中得到广泛应用。
2.3 刀具配置
由于山前冲洪积扇区段地质情况复杂,为避免在“上软下硬”地段换刀的风险,刀具布置时应按照牙型交错连续排列的原理,确保盾构机刀具的切削轨迹布满开挖全断面,其具有切削阻力小、切削效率高、密封舱内土体流动性好和易搅拌。
盾构机的刀盘采用平面直角形式,全部采用滚刀配置,即边缘区5把双刃滚刀;正面区8把双刃滚刀;中心区6把双刃滚刀。为了减少滚刀在软弱地层掘进的“偏磨”和“糊死”,在中心区和部分正面区滚刀附近加焊了几把齿刀(羊角刀),刀面高度比滚刀刀面低15 mm[3]。滚刀和刮刀分别高出刀盘面板175 mm和140 mm;双刃滚刀的刀刃间距100mm,通过刀盘布局,中心区的刀间距为100 mm,正面区的刀间距100 mm,边缘区的刀间距30 mm。以此可以看出,边缘区的破岩能力是最强的,而中心区的破岩能力最弱。同时,由于在刀盘转动时,边缘区刀具的线速度最大,所以磨损也最快。
3、盾构掘进时的主要技术措施
通过在施工前对该区间进行了较为详细的地质补勘,将探孔尽量设在线路中心附近,加大了钻孔密度(8~12 m/个),认真分析了岩层在断面上的分布情况以及岩性,针对“上软下硬”地层岩面高的特点,采取了许多有效的技术措施,盾构机安全快速地通过了本区段。
3.1 掘进模式的优选
土压平衡盾构机具有敞开式、半敞开式和土压平衡模式三种掘进模式。根据本区间的地质情况,结合不同地层的特征,所选用的掘进模式也不相同。
(1)全断面岩层掘进:采用敞开式掘进模式,使用泡沫剂来改良渣土。
(2)软弱地层掘进:采用土压平衡模式,渣土改良主要采用泡沫和适量的膨润土。土仓压力不需要频繁调节,只需要保证土仓压力略大于掌子面的土压和水压力之和即可。
(3)砂卵石及“上软下硬”地层掘进:此段地层比较复杂,断面上地层差异很大。由于断面上部地层软弱并局部有含水的砂层,所以容易引起上部塌方,所以也采用土压平衡模式掘进。但在这种不良地层掘进时土仓压力不易控制:过高,则盾构推力和扭矩增大,作用在开挖面的有效推力不易掌握;过低,则易引起开挖面坍塌造成地面沉陷[4]。
3.2 掘进参数
盾构施工前,要根据不同的工程地质特性以及隧道的埋置深度计算确定主要的掘进参数,包括:盾构姿态、推力、扭矩、掘进速度、刀盘转速、贯入度、土仓压力,并根据始发掘进试验段的监测情况进行及时的调整[5]。值得强调的是,由于土压平衡模式下实际上是一种通过螺旋机的旋转出土形成的动态平衡,所以在实际操作过程中螺旋机的转速和压力也要引起足够重视[5]。
(1)土仓压力:软弱地层及“上软下硬”地层土仓压力80~100 kPa,砂卵石层土仓压力60~80 kPa,停机拼环土压120 kPa以上。
(2)推力及扭矩:推力6000~10000 kN;设定工作油压18MPa(急停扭矩约3500 kN.m);
(3)刀盘转速:全断面岩层转速1.0~1.5 r/min;其余地层转速0.5~1.0 r/min。
(4)贯入度(切削量):软弱地层20~30mm /rpm;砂卵石层15~25 mm /rpm;全断面岩石10~15 mm
/rpm。
(5)同步注浆压力及注浆量:浆液采用水泥砂浆。软弱地层注浆压力180~280 kPa;砂卵石及岩层注浆压力150~200 kPa。注浆量大于5.8 m3/环。
(6)螺旋机转速:低于8r/min。
3.3 盾构机姿态的控制
