盾构机过富水断裂破碎带施工技术

发表时间:2016/3/8   来源:《工程建设标准化》2015年10月供稿   作者:刘永
[导读] 中铁十六局集团有限公司 本文以广州地铁7号线3标谢钟区间富水断裂破碎带盾构掘进施工为背景,浅析在此类地层中盾构施工的技术难点和技术措施。

(中铁十六局集团有限公司,北京,100018)

【摘  要】本文以广州地铁7号线3标谢钟区间富水断裂破碎带盾构掘进施工为背景,浅析在此类地层中盾构施工的技术难点和技术措施,并总结分析盾构施工的施工方法和控制参数,提出盾构机在富水断裂破碎带地层中施工的建议及看法,为类似地层中盾构施工提供参考。
【关键词】盾构隧道;断裂破碎带;富水;施工技术

1 工程概况
        广州市轨道交通七号线一期工程施工三标【谢村~钟村盾构区间】采用两台中铁重工生产的Φ6250土压平衡盾构机,始于谢村站,沿汉溪大道向东穿行,沿线下穿105国道和小山包,从汉溪大道跨线桥北侧通过,最后到达钟村站吊出。区间右线起止里程为YDK6+486.500~YDK8+190.500,全长1704.00m;左线起止里程ZDK6+486.500~ZDK8+190.500(短链9.874m),全长1694.126m。左线最大纵坡为13‰;右线最大纵坡为13‰。详细勘察及补充勘察阶段在里程Y(Z)DK6+850~Y(Z)DK7+150之间揭露到糜棱岩。由于糜棱岩为动力变质岩,且钻孔MGZ3-XZ-19、MGZ3-XZ-23岩芯可见明显的挤压痕迹,结合区域地质资料判定该区域内有小断层发育。
2 地层特点分析
2.1 地表沉降
        断裂破碎带中岩石松散,裂隙发育,虽填充有断层泥、岩粉等松散混杂物,但当地层受到扰动时,易发生振动挤密现象,使地层固结。在富水地区,当隧道开挖面位于地下水位一下,开挖过程将引起地下水流失,引发地层固结沉降。地层损失沉降和地层固结沉降是地表沉降的最主要的表现方式。研究表明:在富水断裂破碎带中,隧道开挖对地层的扰动和地下水流失使地层再固结,易引起地表较大沉降。
地表沉降主要控制技术有如下几点:
        (一)同步注浆。为及早固定衬砌管片,封堵地下水,减小地面沉降,防止隧道坍塌,盾构推进时须同步注浆,当盾尾超出衬砌,推进到位同时完成注浆,完成空隙填充。注浆材料种类、浆液配比和注浆参数须根据地层实际情况而定。
        同步注浆量计算的经验公式为:
       
        式中: V—理论注浆量(m3);L—管片长度(m);D1—刀盘外径(m);D2—管片外径(m);λ—注浆系数。
        当同步注浆未达到预期效果,需根据实际情况对管片背衬二次注浆,控制地表后期沉降。富水断裂破碎带地下水丰富,需要对地下水进行封堵。为使浆液及时填充空隙将地下水封堵在地层中,则要求二次注浆的浆液具有较高的粘度。同时,将浆液的初凝时间调整至1min以内,确保地面沉降的稳定。
        (二)维持土压平衡。土压平衡式盾构施工技术的原理是利用土舱内土体压力平衡开挖面水土压力,维持掌子面的稳定,再依靠千斤顶向前顶进盾构机。在此过程中,保持开挖面的稳定是控制地表沉降的关键。
通过保持压力舱内的泥土压力与外部压力平衡可实现开挖面的稳定。调整土仓压力主要通过控制盾构掘进速度和螺旋输送机出土量,当开挖面上方地表既不隆起也不塌陷时,土仓压力达到适宜值。为更好调整土仓压力,改善土仓土体特性,需向开挖面注入膨润土等土体改良剂,提高土体流动性,使泥土填充土仓以保持与开挖面的土压力相平衡。
        开挖面与土仓之间的土压平衡并非是一个静态平衡,开挖面的水土压力会随着盾构推进速度、刀盘转速等施工参数的变化而改变。因此,盾构掘进时需根据需要及时调整预定压力值。盾构停止推进时,开挖面土压力值即为初始预定压力值,再根据施工过程中开挖面周边土体及排土量来修正初始值。通关过监测土舱压力来判断开挖面是否稳定,再调节螺旋输送机的转速来控制开挖面的土压力,使其保持稳定。
        (三)合理控制盾构参数。盾构推进过程中推进速度、千斤顶顶力、渣土改良效果、排土量等对地层影响较大,若施工过程中控制不当,则易引起地层产生较大沉降,危及周边管线和建筑物的安全。在富水断裂破碎带这种对地层扰动比较敏感的地质环境中施工时,尤其要注意合理设定施工参数。通过施工过程中的精细化管理,对盾构穿越建筑物前进行模拟推进,总结细化各项推进参数,使盾构推进参数与地质参数一致,并在过程中多总结积累经验,根据地质及地面环境的变化对施工参数进行动态化调整来指导施工,可有效地控制沉降,保护周边环境。
2.2 水土突涌
        富水的断裂破碎带裂隙发育,极易发生涌水现象。松散渣土进入土舱后,易与承压水混合形成高压泥浆,从螺旋输送器出土口喷射出来,发生喷涌,严重污染盾构机中后部机体及作业环境,工程被迫停工清理,严重时导致土仓压力骤降而引起较大地面沉降。
针对上述情况需采取下列措施:
(1)盾尾密封隔断水力通道
        管片与围岩之间存在一定的间隙,盾构隧道处于富水断裂地层中时,间隙内储存的水会对管片产生压力,管片处于富水断裂破碎带中长度越长,水力和压力就越大,需采用同步注浆切断土舱与管片周围空隙的水力联系,防止涌水、涌沙现象。为保障盾尾的密封性,需及时向盾尾密封刷灌注足量的油脂,在盾尾8~12m范围灌注双液浆,形成止水环,封堵后方水源。
(2)保持土压平衡
        采用土压平衡模式掘进,减小出土速度,确保土舱内至少半舱土,利用土仓土体挤压土舱内的水,同时需防止土仓压力过高,避免出现开挖面地表隆起、冒浆以及盾尾密封破坏等。当螺旋机的后门压力大于0.3bar时关闭螺旋机,让螺旋机内的压力将渣土排出螺旋机,同时要缩小出土口闸门。掘进时需严格控制掘进速度和出土量,连续均衡快速通过地层;停止掘进时,调整土舱内压力与外界水土压力相平衡,螺旋机出土前,应充分搅拌土舱内的水土混合物,防止喷涌;当渣土太稀、水量偏大或工作面有地下水涌出时,立即关闭螺旋输送机舱门,选择土压平衡模式。
(3)进行土体改良
        土体改良剂材料和配比不是一成不变的,需根据地层条件和出土情况选择相应的材料和配比。高分子聚合物材料的作用是提高土体粘稠度,能够降低渣土的流动性,使其成为塑性流动体,减轻喷涌现象,也可防止刀盘凝结泥饼。只用膨润土易使增大水土比,加剧喷涌风险。
        为提高改良效果,渣土改良剂应以膨润土浆液为主,辅以高分子聚合物。依据掘进速度和刀盘扭矩调节膨润土配比,根据渣土稠度和喷涌的频率调整高分子聚合物使用量,若出现喷涌严重,需提高高分子聚合物混合液浓度或用量,喷涌较轻可适当减小浓度或用量。每环高分子混合液用量一般为土层总体积的6%~12%。
(4)加强预防及抢救措施
        高分子聚合物需准备充足。聚合物对土体的流动性和渗透性没有明显的影响,但可增加土体与盾体及螺旋输送机内壁的摩擦,较好地封闭螺旋输送,减轻喷涌。出现喷涌迹象后,及时通过澎润土系统往土舱内注入聚合物溶液,使土舱内的水形成胶合状,事故防治效果明显。同时需加强地面监测,及时处理反馈信息。
2.3 刀具磨损严重
        盾构机在断层地段掘进时由于某些地段可能软硬突变,对刀具破坏较大。因此,在破碎带等有可能出现软硬不均地层中施工时须结合配置切削型刀具和滚刀,并做好有效措施以便减小切削刀与滚刀的磨损
3 结语
        地铁工程中由水和岩土体相互作用产生的地质灾害数不胜数。地铁开挖后形成的二次应力场改变了原始地应力场分布及地下水渗流场分布,隧道中水与围岩及支护结构之间存在着复杂的相互耦合作用。因而,应根据地质及地面环境的变化对施工参数实行动态化调整,控制地表沉降。

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