超大直径土压平衡盾构针对性设计及风险应对措施.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:国家自然科学基金()国家重点研发计划()中国铁建股份有限公司科技研究开发计划项目()作者简介:吴刚()男湖北钟祥人高级工程师主要从事土木工程施工技术研究方面的工作:.引文格式:吴刚.超大直径土压平衡盾构针对性设计及风险应对措施.铁道建筑技术():.超大直径土压平衡盾构针对性设计及风险应对措施吴 刚(中铁十一局集团有限公司 湖北武汉)摘 要:针对超大直径土压平衡盾构在风化泥岩夹砂岩、圆砾土段和上软下硬地层施工难题依托成渝中线蜀安隧道 标段工程通过现场地质资料分析、工程类比以及专家研讨总结归纳工程施工重难点包括浅覆土超大直径管片上浮控制、隧道近接既有高风险源施工、大直径盾构刀盘结泥饼、长距离掘进刀具管理、盾构隧道穿越微瓦斯段地层等依据研究结果分析复杂地层条件下超大直径土压平衡盾构选型并提出优化设计方案及风险控制措施对超大直径盾构优化设计及施工具有重要参考价值和指导意义关键词:超大直径土压平衡盾构 复杂地层 优化设计 风险控制中图分类号:.文献标识码:./.(.):.:引言盾构法施工相对安全、快速、经济已成为城市隧道等地下工程的主要施工工法 随着我国盾构制造和隧道建造技术日益成熟超大直径盾构施工已成为解决城市道路拥堵的重要手段 目前基于建设规模和设计功能需求特大直径盾构已多次应用于铁路、公路、城市轨道交通、地下管廊等领域隧道工程建设 许多学者也开展了有关超大直径盾构建造技术的研究钱七虎等初步统计了国内外直径在.以上的大盾构工程总结了主轴承失效、管片脱出盾尾后上浮、刀具磨损、刀盘结泥饼等常见问题与风险并从大盾构主轴承密封、管片上浮、常压刀盘与带压刀盘比选、泥饼粘结和渣土滞排、超前地质预报及辅助处理等方面提出了建议 杨钊等依托武汉两湖隧道(南湖段)工程研究岩溶发育区、高黏性土和硬岩等复杂地层条件下大盾构选型技术并进一步提出了大盾构穿越岩溶区地层处理、高黏性地层刀盘泥饼预防、硬岩地层大盾构施工等关键施工技术 郭保和等为解决珠海隧道施工中的高水压进仓作业、浅覆软弱层压力控制以及刀盘结泥饼等难题提出针对性盾构设计方案在珠海隧道施工中应用效果良好 王树英等 针对盾构渣土改良难题从渣土改良剂类型及技术参数、评价指标、确定方法和力学行为等 个方面剖析了目前渣土改良理论及技术发展动态总结既有研究不足之处并进一步指明了渣土改良研究方向 竺维彬等通过试验研究基于坍落度的砂卵石铁道建筑技术 ()吴刚:超大直径土压平衡盾构针对性设计及风险应对措施地层土压盾构渣土改良配方 朱碧堂等开展了富水砾砂 泥质粉砂岩地层条件下的渣土改良试验土压平衡盾构具有施工成本低、占地空间小等突出优势但国内 级复合地层使用超大直径土压盾构的案例鲜有报道 成渝中线蜀安隧道大盾构 标项目为西南地区首次采用超大直径土压平衡盾构也是铁路行业直径最大的盾构隧道之一 结合工程设计及地勘资料梳理项目盾构掘进中潜在的重难点问题分别从盾构针对性设计、盾构掘进过程控制等方面给出应对措施以期为后续类似工程提供借鉴 工程概况及地质条件.工程概况成渝中线铁路正线长度.其中重庆市境内长.四川省境内长.设计行车速度为/并预留提速 /拟在大足石刻至简州段约.线路上开展更高速度相关试验这将是我国建设标准最高、运行速度最快的高速铁路 本项目依托工程为成渝中线铁路(四川段)标工区新建线路长.蜀安隧道盾构区间全长.采用直径 土压平衡盾构施工 较之于业内土压平衡盾构项目本项目盾构法隧道段施工具有四大特点:()盾构直径大:开挖直径达 为铁路行业最大土压平衡盾构之一单头掘进长掘进长度超过.施工技术难度高()地质条件复杂:沿线涉及膨胀土、膨胀性泥岩、风化岩及低瓦斯段等不良地质()近接施工风险高:包括盾构下穿西成高铁北湖特大桥(水平净距仅.)、下穿既有昭青隧道(竖向净距仅.)等 处高风险源以及下穿既有蜀龙路隧道(竖向净距仅.)等 处中风险源安全保障措施要求高(见图)图 成渝中线铁路 工作井盾构区间平面 ()盾构浅覆土接收:接收段最小覆土厚度仅为 管片易上浮管片成型质量控制难施工风险高.工程地质与水文地质区间盾构隧道整体呈“”型坡坡度依次为始发上坡 下坡 下坡 上坡 到达 主要穿越地层包括成都黏土、粗圆砾土、全风化泥岩夹砂岩、强风化泥岩夹砂岩、弱风化泥岩夹砂岩地层及相关参数见表 及图 表 土层物理力学参数岩性代号岩土名称时代成因状态天然密度/(/)压缩模量/渗透系数/(/)单轴天然抗压强度/黏聚力/内摩擦角/()粉质黏土软塑.粉质黏土硬塑.成都黏土硬塑.成都黏土软塑.粉质黏土 硬塑.细砂 稍密.粗圆砾土 中密.泥岩夹砂岩.铁道建筑技术 ()吴刚:超大直径土压平衡盾构针对性设计及风险应对措施图 成渝中线铁路 工作井盾构区间纵断面 地下水主要有三种类型:一是赋存于填土层的上层滞水二是第四系砂砾石层的孔隙水三是基岩裂隙水 工程施工重难点及应对措施.浅覆土超大直径管片上浮控制据统计管片上浮量的 发生于安装后的 之内 管片盾尾脱出后上浮会造成管片裂隙、错台、破损、渗漏等施工病害对运营安全和隧道维护带来挑战 由于盾构机开挖直径比管片外径大在管片外周形成一个环状空间该空间充填了水和同步注入的浆液为管片上浮提供了空间和动力 当隧道上方水土压力和管片自重小于所受浮力易引起结构整体上浮 特别对超大直径盾构在浅覆土施工时管片上浮、变形控制难度更大 为控制好盾构掘进中的管片上浮施工前需考虑盾构掘进姿态预留、管片选型施工中应根据施工信息动态分析 针对性设置多层次组合注浆系统有效布置同步双液浆及二次注浆系统管片脱出盾尾后及时补浆适时调整浆液配合比配备盾尾间隙自动测量系统同时配置管片上浮自动监测系统以达到满足规范及设计要求的管片上浮控制效果.隧道穿越建(构)筑物隧道下穿西成高铁北湖特大桥、既有昭青隧道、既有信号楼、既有轮机诊断所等风险源 盾构下穿过程中需要控制对建(构)筑物及地表沉降的影响避免不均匀沉降影响建(构)筑物使用或道路运营施工风险及地层沉降控制要求高对开挖系统及注浆系统要求高 为保障盾构隧道下穿安全首先提高土仓压力调节精度使精度达到 .可精准进行压力控制刀盘配置超挖滚刀在下穿风险源时减小超挖同时配置可搭载在拼装机上的超前注浆系统根据下穿风险源情况进行超前地质加固设计双液注浆系统对地层起到快速凝固及稳定作用对脱出盾尾处第二环管片进行二次注浆.大直径盾构刀盘防结泥饼盾构机在掘进过程中地层中黏土粒、碎屑含量低于 时泥饼生成机率很小当黏土粒、碎屑含量大于 时结泥饼概率增加 本标段盾构面临长距离高黏度泥岩复合地层掘进难题易结泥饼对盾构渣土改良系统要求高 通过采用带压刀盘增大了刀盘中心开口区域范围使开口率达 同时加强中心部位渣土改良配置与地层特性相适应的改良剂优化各项技术参数合理配置刀盘刀具以增加刀高差(设置滚刀刀高 刮刀刀高 刀高差 )在土仓隔板内设计多个独立搅拌系统对底部渣土进行搅拌以减小结渣搭载可视化系统以及时掌握刀盘工作状态.长距离掘进刀具管理盾构机推进过程中刀具由于长时间接触土体与土体摩擦产生磨损或者遇到地层中坚硬的物体出现崩裂特别是长距离泥岩夹砂岩地层对刀盘刀具、螺旋机、盾尾刷等耐磨设计要求高严重影响盾构推进效率和施工安全为优化刀具管理首先加强对刀盘、盾体的耐磨设计并配备点状、条形磨损检测装置使得刀具具有滚动、旋转、温度检测功能为方便换刀保证掘进过程中突发情况下需要换刀时的可行性设置具有伸缩功能铁道建筑技术 ()吴刚:超大直径土压平衡盾构针对性设计及风险应对措施的主驱动设计可更换壳体的螺旋机方便洞内更换并对螺旋筒壁及叶片加强耐磨措施和磨损检测功能以增强螺旋耐磨能力和指导施工 复杂地质条件下超大直径土压盾构针对性优化设计.刀盘针对性设计()刀具及中心区域:布置 把滚刀 把撕裂刀 把刮刀具带压刀盘中心区域开口较大同时辐条整面配置足够的渣土改良口和高压水喷口可缓解结泥饼问题相对常压刀盘重量较轻可避免在最后段的软弱地层由于刀盘过重而导致的“磕头”()刀盘耐磨设计:在刀盘正面、刀盘外周焊接全覆盖 高铬合金复合钢板刀盘外圈安装合金保护刀、保径刀背面钢结构堆焊耐磨条充分保证刀盘在不同地层掘进时的耐磨性能同时在刀盘外周焊接镶嵌有合金的耐磨环加强对刀盘周边耐磨环和切口环背部的耐磨性能()磨损检测:刀盘设置有液压型磨损检测刀高低差布置可连续检测刀具磨损情况特殊情况下磨损后可实现刀盘背部更换.刀盘防结泥饼设计()针对盾构刀盘中心区域易结泥饼的特性进一步设置中心立体式改良剂口以提升中心渣土改良能力刀盘中心区域设置高压冲水口 个及 个被动搅拌棒并具备高压冲水功能设置 个渣土改良口均为单管单泵设计实现刀盘渣土改良口范围全覆盖()为避免渣土在土仓下部沉积采用土仓可视化设计在刀盘背面配置 个固定式摄像头和 个移动式摄像头实现土仓可视化在土仓隔板中心区域布置热电偶温度传感器对土仓内渣土进行温度监测并实时记录数据()采用气压辅助以半仓渣土掘进的模式可有效应对刀盘结泥饼问题 自动保压系统根据土仓压力变化自动调节进排气阀门开度从而精确控制土仓的进气量和排气量实现掌子面压力.以内的精确控制.螺旋机针对性设计螺旋机配置双闸门前端设计可拆式筒体并增加耐磨措施 在土仓底部设计滤网结构在内部引出管路进行底部排水 在盾体隔板不同位置布置排水孔后部连接排水管路管路安装球阀需要时可以打开球阀进行土仓排水 盾构机在螺旋输送机出土闸门下预留保压泵渣设施接口保证土仓内的土压不会失稳在遇到高含水量的流沙地层时防止喷涌使盾构机正常掘进 进土口及螺旋机筒体上预留膨润土及聚合物注入口缓解喷渣压力.盾尾刷针对性设计()尾刷密封由 道盾尾刷、道钢板束、道止浆板组成 排螺栓固定式钢丝刷 排焊接固定式钢丝刷 排钢板钢丝复合刷能够防止注浆材料和水漏进盾体内部 为使盾尾油脂的空气式加脂泵运作各端口逐个自动加脂或者给特定的位置集中加脂盾尾油脂管路为 路()在特殊工况下方便应急更换盾尾刷在盾尾尾端设计预留有应急聚氨酯等堵漏材料注入通道方便止水应急更换盾尾刷并在前盾、尾盾各设置 个径向注入孔()盾尾配置间隙测量系统将所有的测量值实时自动传输到导向系统和掘进管理系统中并对下一管环拼装点位进行预测 测量及计算数据最终存储在系统数据库中以备分析.注浆系统针对性设计盾尾配置 用 备内置式注浆管和 套双液注浆管路实现单、双液同步注浆 注入管路上配置压力传感器、流量计及气动球阀实现自动注浆并且注浆管路配备清洗功能用于疏通管道 同时盾壳外侧连接注入厚浆管路需要时自动填充开挖后洞壁与盾体外壳间的空隙 单液注浆泵和双液 液泵兼用单液时每台泵有两个出口每个出口均可单独控制并配备计数器监测砂浆注入量双液时两个出口合并为一个实现双液注浆 液的注入连续性 双液的 液泵为螺杆泵盾尾双液管路设置独立的 液通道根据配比和 液混合实现双液注浆用于隧道成型后的壁后补浆和紧急止水等情况使用.超前加固系统针对性设计针对高水压圆砾地层易发生超方喷涌搭载了超前探测系统实时探测前方地层情况 同时盾构设备配置超前钻机盾构机中盾环向设置有 处超前钻探孔每个超前注浆管上设置手动球阀 在拼装机配重上设置超前钻机安装点 盾构下穿危险风险源或不良地质可在安装点安装超前钻机钻机通过平台进行旋转及角度调整实现对掌子面前方松散地段进行超前注浆加固以稳定地层 结论与讨论近年来我国超大直径土压平衡盾构施工技术取得了快速发展但仍面临一些需要进一步突破的挑战本文以在建的成渝中线大盾构为例介绍了施工中的重难点即浅覆土超大直径盾构隧道管片上浮控制难铁道建筑技术 ()吴刚:超大直径土压平衡盾构针对性设计及风险应对措施题、泥岩地层超大直径盾构结泥饼防治、盾构近接高风险源施工等超大直径土压平衡盾构存在的共性问题并提出了针对潜在问题的应对措施以期能够在施工中进一步验证其有效性也可为同类超大直径盾构工程提供一定参考和借鉴参考文献 竺维彬钟长平米晋生等.超大直径复合式盾构施工技术挑战和展望.现代隧道技术():.钱七虎陈健.大直径盾构掘进风险分析及对特大直径盾构挑战的思考.隧道建设(中英文)():.杨钊唐冬云刘朋飞等.城市湖底超大直径盾构隧道施工重难点及关键技术探究:以武汉两湖