15、盾构砂层掘进作业指导书

盾构砂层掘进作业指导书1.前言1.1工艺工法概况北京地铁9号线04标,其地质详勘报告显示最大卵石粒径不小于600mm，在地质跟踪过程中发现的卵石最大粒径960mm，一般粒径200～240mm，粒径大于20mm的颗粒含量约为总质量的75～200%。

根据前期掘进总结出此种地质的掘进方法。

1.2工艺原理采取半仓掘进，做好同步注浆和二次注浆。

2.工艺工法特点掘进速度在40mm/min-65mm/min,未出现坍塌情况。

3.适用范围砂卵石地层4.应用实例4.1工程简介12.1.1 工程简介北京地铁九号线04标丰台北路站～六里桥站区间为盾构施工区间，起讫里程为：K6+509.548～K7+993.3，左线长度1498.968m，右线长度1483.752m。

盾构施工竖井及区间明挖段长92.9m。

在K7+100处设一座明挖风道，在K7+550处设一座暗挖联络通道，区间线路最大纵坡18‰，最小纵坡2‰，最小平面曲线半径为450m；线间距为10～15m,区间结构平均覆土厚度16.0米。

隧道采用管片拼装式衬砌，错缝拼装，管片用M24弯螺栓连接，环宽1.2m，管片混凝土为C50S10，隧道外径6m，内径5.4m。

12.1.2 工程地质及水文地质本区间隧道主要穿越的地层为卵石⑦层，部分地段的隧道顶部穿越卵石⑤层，隧道结构位于水位线以上。

卵石⑦层特点：杂色，密实，湿-饱和，低压缩性，最大粒径不小于600mm，一般粒径30-120mm，粒径大于20mm颗粒含量约为总质量的60-85%。

亚圆形，中粗砂充填，局部大于200mm的漂石含量约为25-45%。

卵石⑤层特点：杂色，密实，湿，低压缩性，最大粒径不小于420mm，一般粒径20~80mm，粒径大于20mm颗粒含量约为总质量55~75%，亚圆形，中粗砂充填，局部大于200mm的漂石含量约为15-45%。

地质详勘报告显示最大卵石粒径不小于600mm，在地质跟踪过程中发现的卵石最大粒径960mm，一般粒径200～240mm，粒径大于20mm的颗粒含量约为总质量的75～200%。

12.1.3 环境风险源1、丰台北路站～六里桥站盾构区间在里程K7+471.3～K7+986.8范围（长515m）穿越小井村及六里桥村民宅群，共涉及房屋59栋549间，建筑面积24008m2，常住人口1421人。

1）、按使用用途分类：居住用房45栋，仓库6栋，办公房屋6栋，锅炉房2栋。

2）、建筑物特点：建筑物密集陈旧、巷道狭窄，多为村民自建的无基础砖混结构建筑物。

3）、房屋鉴定结果：前期项目部已委托清华大学房屋鉴定室对现有57栋房屋进行了安全性能鉴定，鉴定结果为：●“完好房” 0栋●“一般完好房” 5栋、面积5883m2●“一般损坏房”25栋、面积13539m2●“严重损坏房”24栋、面积2298m2●“危险房” 3栋、面积831m2。

4.2施工情况4.2.1 工程难点及施工措施本区间穿越地层主要为⑤、⑦卵石层，盾构在该地层施工具有以下特点：（1）盾构切削下来的土体较易堆积在土仓下部而难以充满整个土仓，且卵石层的渗透性较大，停机后经常会出现刀盘再次启动困难的问题；（2）同时，卵石粒径过大，较难维持稳定的工作状态，经常出现过载现象、启动困难、刀具磨损严重、易出现崩刀现象；（3）居民区内自渗井较多，导致地层中土体较松散，增加了施工风险，在正常掘进以及开仓检查期间，易造成掌子面塌方、地表塌陷。

因此，盾构穿越卵石层是本工程施工难点。

盾构始发前，针对施工难点制定以下措施：（1）向土舱内注入膨润土泥浆，以降低仓内土体的摩阻力，同时，在保持土压平衡的前提下，通过合理调节螺旋机和各分区千斤顶推力，可使刀盘顺利启动。

（2）使用耐磨及韧性好的刀具，在推进过程中，向刀盘前方注入泡沫剂，加强对刀具的润滑、冷却，改善工作状态，提高切削效率，能大大降低刀具磨损速度，同时改善了土体的和易性和流塑性。

（3）根据地表环境因素，提前确定换刀检修位置，对预定停机位置地表、地下构筑物进行严密勘查与寻访，避免与不利因素遭遇，并制定相应的加固方案，保证刀具检查以及更换作业期间的安全。

4.2.2 试验段确定丰—六区间为二公司首次在砂卵石地层中进行盾构施工，无相关施工经验可供借鉴，且第一次接触海瑞克盾构机，所有人员均无实际操作经验。

同时，该区间地面建筑物密集且年代久远，隧道长距离穿越北京市主干道路万丰路并与雨、污水管并行，为避免因地面沉降而造成经济损失和社会影响，将盾构到达建筑群前的88环隧道作为试验段，试验段终点设置换刀小竖井，对盾构机进行检修，更换磨损严重的刀具。

4.2.3 试验段目的1、对比地质情况是否与地勘报告相符；2、通过试验段施工，总结出适合该地层的掘进参数并进行优化，实现经济效益的最大化；3、结合地表监测记录，确定地层变形特性，确保后期穿越风险源施工安全；4、对设备进行磨合，使员工尽快适应本台盾构机的操作，合理调整施工工序，提高施工进度，确保工期目标的实现；5、考察盾构机对该地层的适应性以及刀具磨损情况，合理制定换刀方案。

4.2.4 试验段施工参数1、土仓压力通过听取专家意见，并查阅相关资料，砂卵石地层中可采取以下两种模式进行掘进：A、满仓保压掘进，保持上部土仓压力0.45~0.6Bar；B、半仓欠压掘进，保持上部土仓压力0.1~0.25Bar.2、渣土改良措施：A、使用泡沫剂进行渣土改良；B、使用泡沫剂和膨润土共同改良；C、使用泡沫剂润滑刀具，膨润土中加入外加剂进行渣土改良。

4.3 试验段施工4.3.1 施工过程及出现问题根据掘进参数的调整，试验段分为以下三种掘进模式：1、采用保压推进，上部土压0.4~0.6Bar，推力为6500~20000KN，推进速度为4~9mm/m，刀盘转速0.5~1rpm，扭矩为3500~5000KNm。

每环注入泡沫约为300m3（发泡率20倍），未注入膨润土。

盾构机推进过程中刀盘扭矩及推力逐渐增大， 6月27日盾构掘进至第4环时，出现刀盘卡死、不能启动现象，进行开仓观察，发现仓内土体被挤压密实，形成板结现象，恢复掘进至第12环时，地面出现坍塌。

2、为提高掘进速度，防止板结，采用欠压掘进，上部土压为0.1～0.25bar,刀盘转速1~1.5 rpm，掘进速度9～31mm/min，刀盘扭矩3400～4000KNm,推力10000～13000KN, 向刀盘前方注入泡沫（20～24m3/环），向土仓内注入膨润土（4～9m3/环）,渣土改良效果较第一阶段有所提高，但半仓掘进时，出土量较难控制，掘进至31环和87环时，因出土超排分别造成地面坍塌。

3、为避免地面沉降过大，第三种模式依然采取保压掘进并对渣土改良方式进行多次试验，使用不同厂家的原材料，泡沫注入量5～120m3/环，膨润土注入量3～12m3/环，并分别试验添加CMC、HHZ和高分子聚合物等外加剂，但均未达到理想效果，多次因刀盘扭矩超过额定值而停机，并在第39环和70环时因刀盘卡死而开仓。

4.3.2 试验段分析总结4.3.2.1 砂卵石地层中满仓掘进有以下几点利弊点：1、满仓掘进速度快，渣土无法与改良材料搅拌均匀，导致舱内渣土挤压密实、结成“泥饼”，致使刀盘扭矩增大、刀盘无法正常转动。

2、土舱内渣土挤压密实刀盘撑子面无法“吃土”到土舱内，致使盾构推力增大，盾构推进困难、形成盾构机在原地“干磨”。

3、土舱内形成“泥饼”后，渣土改良材料更加难以达到改良效果，形成恶性循环，整个土舱内渣土快速板结。

4、盾构一旦形成“干磨”后刀盘对前方土体的扰动极大，盾构出土量几乎无法控制，出现渣土超方，地面很容易坍塌。

5、盾构机在“干磨”时，刀盘和撑子面的土体的温度急剧加升，加快了对刀具的磨损。

6、盾构推进速度缓慢，施工进度难以保证，施工成本急剧增大。

3.2.3、试验段总结1、根据上述对满舱和半舱掘进利弊点的分析，可发现半舱掘进利大于弊，只要将半舱掘进时的出土量控制好，盾构推进是完全受控的。

2、出土量的多少和渣土改良效果有着密切的关系，只要将土舱内的渣土改良好，增加土体的流动性和和易性，出土量完全可以受控。

3、试验段施工时，共出现3次地面坍塌，出现在出土超方以后5~7天，在此期间，如及时进行补充注浆，可避免地面坍塌。

通过试验段施工，确定后期施工将采取半舱掘进模式，施工控制重点为渣土改良和出土量4.3工程结果评价一、技术改良措施4.1 盾构机改造在盾构机到达检修井后进行如下改造：1、在盾构机胸板增设6条高压水路，掘进时，间歇性向土仓内注入高压水，防止渣土板结；2、将中心滚刀全部更换为羊角刀、20把正面滚刀中的8个更换为羊角刀，并将其余磨损严重刀具全部更换。

4.2 掘进参数调整1、土仓压力采用半舱欠压模式掘进，掘进时上部土仓压力控制在0.15～0.25Bar，停机时向土仓内注入高浓度膨润土，使土压保持在0.5Bar以上，对前方土体形成支撑，同时，可避免卵石堆积在土仓底部造成刀盘启动困难。

2、出土量出土超方为地面沉降的主要原因，因此，出土量管理尤为重要，施工中采用尺量体积和称重双重控制，每环出土量不应大于45m3，并在每环掘进结束倾倒渣土时进行称重，再次检验是否存在出土超方现象（出土重量=体积45*密度2.15+水5t+膨润土5*1.15≈107.5t），如出现超方现象，进行详细记录，在该环脱出盾尾后相应增加注浆量。

3、壁后注浆同步注浆采用压力和注浆量双重控制，即注浆终压控制在上部 1.4～1.6Bar、下部2.2～2.4Bar，注浆量不小于6m3，同时，调整浆液初凝时间为6~8小时。

为填补同步注浆收缩后空隙，每环均进行补充注浆，浆液与同步注浆相同，注浆压力不小于4Bar。

补充注浆在同步注浆10小时以后进行，但不应超过24小时。

4、渣土改良①使用优质钠基膨润土并增设2个泥浆存储罐，膨润土泥浆必须经过24小时膨化后才允许使用，使用前，实测泥浆比重和粘度。

掘进时，向刀盘前方注入泡沫剂，注入量为40～50m3/环，土仓内注入膨润土泥浆，注入量为4～6m3/环（根据实际刀盘扭矩及出土情况进行调整），比重为1.08～1.15，粘度为150S。

②掘进时，根据刀盘扭矩情况，每间隔约10分钟向土仓内注入高压水10～15S，防止渣土板结，水压6Bar。

4.3 施工辅助措施因盾构机刀盘开口率及开口形式限制，即使通过以上措施进行渣土改良，仍不可避免出现渣土板结现象，所以将开舱作为常规施工项目。

通过对试验段施工数据分析，如掘进过程中出现推力和刀盘扭矩增大，但掘进速度降低，且出土不流畅现象，则可确认土舱内渣土出现板结，板结土体通常出现在中心回转体处，如不及时处理，将迅速蔓延至整个土舱。

出现此种情况时，立即停止掘进，向刀盘前方注入高浓度膨润土，使掌子面形成泥膜，保持稳定。