论文：全断面砂卵石地层长距离高效掘进施工技术研究.doc

全断面砂卵石地层长距离高效掘进施工技术研究丁修恒（中铁上海工程局城市轨道交通工程分公司，上海，200071）【摘要】以北京地铁10号线两个盾构区间为研究背景。从掘进参数的选择控制，渣土改良材料、工艺的深入实践，结合施工设备的革新和改进，以及通过对施工组织管理程序、模式的创新，围绕全断面砂卵石地层条件下盾构机高效长距离掘进综合技术进行了论述。本文突出解决了连续施工、长距离不换刀等盾构施工中的技术难题，对北京、成都等典型砂卵石地质条件下盾构施工的技术工艺、组织管理具有很好的示范和指导意义。【关键词】 全断面砂卵石地质 长距离 高效 掘进技术0 引言在我国地铁建设中，为确保安全施工、文明施工、环保施工、科技施工，在新线建设的设计当中，盾构法被大量引入。区间施工“能盾则盾”的基本设计理念已经确立，土压平衡盾构法在地铁施工中得到广泛应用。然而，国内的盾构施工在一般的粘性土和砂性土地层掘进成功实例较多，在北京及成都地区全断面砂卵石地层中掘进成功的实例也有，但是依然存在不少问题，亟需解决和提升。根据之前各施工单位在北京地区的施工经验，全断面砂卵石一般在掘进500环左右，刀具已经磨损非常严重，必须进行开仓换刀，而成都地区的掘进距离更短。这不仅影响施工进度，而且增加盾构施工的风险性。本文以北京地铁十号线二期07标为背景，从参数选择、渣土改良工艺的改进、设备革新、组织管理的优化等四个方面，对砂卵石地层盾构长距离高效施工技术进行了研究。1 研究背景区间的工程概况1.1总体概况北京地铁十号线二期07标盾构区间段位于北京市丰台区，主要包括角门东站角门西站区间、角门西站草桥站区间。角门东站角门西站区间盾构隧道右线长1014.778m，左线长1013.663m，单线隧道总长2028.441m。区间隧道主要在角门路下方敷设，沿线穿越旱河、马家堡中路、马家堡路。侧穿中高层居民区（多为6-14层），下穿建筑为平房或临建居民区，6层以上高层建筑状况良好，5层以下低层及平房建筑状况较差。现状道路下方地下管线较多，主要有雨水、污水、上水、电信等类型地下管线，管线特点是：管线多、管径大、压力大、覆土深，对因隧道施工引起的沉降敏感。角门西站草桥站区间右线长1461.853m，左线长1461.824m，双线隧道总长：2923.677。区间线路呈东西向走向，隧道主要敷设于嘉和路、镇国寺北街下方。道路两侧有大量的高层建筑居民区（居民区多为524层高层），状况较好。现状道路下方地下管线较多，主要有污水、雨水、热力等类型的地下管线。1.2工程水文地质概况区间隧道地貌单元主要由古金沟河故道及古漯水河故道组成。位于河流洪冲积扇地形的上部或洪冲积阶地上。 1.2.1工程地质地表层以厚度不匀的人工堆积房渣土、素填土为主，人工堆积层以下为厚度较厚的新近沉积的粘性土、粉土、砂土及卵砾石层，再以下为第四纪沉积的粘性土、粉土、砂卵石互层，并以砂土、卵石土为主。区间隧道洞身基本位于卵石层，局部穿越卵石、圆砾、粘质粉土、粉土粘土1层和细中砂2层。1.2.2水文地质盾构区间场地内地下水主要有三层类型：第一层地下水分布在第层卵石、圆砾中，地下水类型为层间潜水，以大气降水入滲、地下水侧向径流补给方式为主，该层地下水水位面不连续，局部表现为上层滞水特性；第二层地下水主要分布在第层卵石层中，地下水类型为层间滞水，该层地下水以大气降水入滲、地下水侧向径流和“天窗”渗漏补给为主；第三层地下水主要分布在第层卵石及其下卵石层中，地下水类型为潜水，局部略具承压性。角门东站角门西站区间在潜水（二）层中掘进580m左右，角门西站草桥站区间在层间潜水中掘进630m左右。1.3地质工程条件评价线路位于北京平原地区，第四纪冲洪积覆盖厚度约50m左右，场地填土层普遍分布，主要为杂填土层和砂质粉土、粘质粉土素填土1层，为松散土层，力学性质差异较大，稳定性较差。场地浅部新近沉积土层普遍分布，包括砂质粉土、粘质粉土层，粉细砂1层，卵石、圆砾层及细中砂2层。该土层中粉土、砂土以稍密中密为主，标准贯入击数较低，卵石、圆砾层重型动力触探击数离散性较大，土体自稳能力差。区间隧道洞身基本位于卵石、圆砾、卵石层，局部含粉土粘土1层和细中砂2层。以上围岩不稳定、变形较大，开挖后在极短的时间内容易坍塌，引起地面沉降和开挖面塌方，尤其是细中砂2层，在地下水的作用下极易发生潜蚀、流砂等现象。2 长距离全断面砂卵石地层中掘进参数控制技术2.1长距离砂卵石地层掘进动态土压管理通过超前100m土压理论计算控制，超前20m地面累计沉降监测调整土压控制，结合土压控制模式、进土控制模式、推进操作模式，实施动态土压的控制管理，实现地面沉降控制在允许范围内，实现单日最高20环的高效率掘进。2.2各技术参数平衡法掘进通过各项参数的平衡法掘进（如表2-1所示）实现角角、角草区间最长1461m一次性不换刀通过。盾构机出洞时刀盘磨损效果图见图2-1，由图中可以看出刀具磨损不严重。由此为以后的类似盾构施工提供了宝贵的经验。表2-1盾构掘进平衡化参数 图2-1出洞时刀盘磨损效果图2.3合理的同步注浆量和压力控制盾构施工引起的地层损失和盾构隧洞周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结以及地下水的渗透，是导致地表沉降的重要原因。砂卵石地层中，地表沉降的反映时间很短。为了减少和防止沉降，盾构掘进过程中，在管片脱出盾尾后，需要尽快的在管片背后同步注入足量的浆液材料，以充填盾尾环形建筑空隙，支撑管片周围岩体；凝结的浆液将作为盾构施工隧道的第一道防水屏障，增强隧道的防水能力；为管片提供早期的稳定并使管片与周围岩体一体化，有利于盾构掘进方向的控制，并能确保盾构隧道的最终稳定。必要时注双液浆进一步加快管片填充物的固结时间，尽快稳定地层，减少扰动与下沉量。本工程通过同步注浆的有效控制，使得管片外建筑空隙得到及时填充，管片得到初期的固定，有效降低了地层在掘进初期的沉降，在沉降允许范围内降低了二次注浆的频率，有效的节约了施工成本，提高了施工效率。3 砂卵石地层渣土改良技术3.1渣土改良原理砂卵石地层颗粒松散、无粘聚力，颗粒之间的传力方式为点对点。向开挖面土体添加膨润土泥浆，泥浆包围在颗粒周围，形成了一层泥膜，增加了颗粒之间的粘聚力，使得颗粒之间的传力得到扩散，可有效改善土体的受力状况。泡沫的润滑性能优良，向刀盘前方注入泡沫可改善土体粒状构造，同时吸附在颗粒之间的气泡可以减少土体颗粒与刀盘系统的直接摩擦，降低土体的渗透性，又因其比重小，搅拌负荷轻，容易将土体搅拌均匀，从而做到既能平衡开挖面土压，又能连续向外顺畅排土。另外，泡沫的体积极小，与泡沫混合后的膨润土泥浆扩散性得到增强，可以在刀盘的搅拌下迅速渗透到土层中，将砂卵石颗粒包裹起来，降低了土体的密实度，改善了土体的塑流性。采取向刀盘前分区式注入泥浆和泡沫的方法来改良碴土，更有效降低了刀盘及刀具的磨损。与此同时，增加对螺旋输送机内注入量，有利于螺旋输送机形成土塞效应，防止喷涌。3.2渣土改良工艺3.2.1膨润土配比试验在实验室中对钠基与钙基两种膨润土分别与砂卵石进行配比试验，经比较，Ca基膨润土较为合适的配比为800g膨润土/L水，Na基膨润土较为合适的配比为150g膨润土/L水，两种合适配比的膨润土相比，配制相同体积的浆液，Na基膨润土用量为Ca基膨润土用量的1/51/6，而且配制出来的浆液，Na基膨润土较为滑腻，而Ca基膨润土有砂质感，故选取Na基膨润土较为合适。再用不同用量的膨润土与砂卵石进行配比试验，实验结果体现，浆液与卵石较为合适的体积配比为1:（45）。参考实验室的试验结果，工地膨润土搅拌站一般采用的配比为每3方膨润土加入钠基膨润土干料（50kg/袋）910袋。由于地层中还含有少量细颗粒（含量在10%-15%之间），在全断面砂卵石掘进阶段，膨润土的注入率基本控制在15%-20%之间。3.2.2泡沫配比试验经现场泡沫调试、试验，最终确定在掘进过程中泡沫原液混合比一般设为3%5%，发泡倍率一般设为610倍（根据地层中含水量适当增减），泡沫流量一般400L/min500L/min。3.2.3泡沫与膨润土注入配比掘进初期，设立试验段，单独注入泡沫时，对渣土的改良效果较差，除推力、扭矩较大及掘进速度较慢外，螺旋机还有喷涌现象。单独注入膨润土时推力、扭矩大及掘进速度慢的现象依然存在。随后通过实验以及根据盾构厂家及专家提出的膨润土质量、比重及刀盘前注入的要求，经过调研后，除了提高膨润土质量、比重外，采取膨润土与泡沫按一定的比例注入。并通过实际参数对比总结：最佳加入量为泡沫400-500L/min，膨润土为90-110L/min。3.2.4泡沫与膨润分区式注入小松盾构机泡沫系统总共分为四路，分别从刀盘上的7个泡沫孔注入刀盘前方，按照泡沫所注入的区域不同，分为G/F/H/E四个区域，刀盘最外圈区域为G区，次外圈区域为E区，再次为F区，H为中心区域，反应在刀盘上的情况如图3-1所示。图3-1泡沫与膨润土注入示意图根据地层特点，该项目实施过程中，最终确定在G区和E区加注膨润土，在H区和F区加注泡沫，具体注入情况如图3-2所示，蓝色区域为单独膨润土注入区域，橙色区域为单独泡沫注入区域，而混合色区域为膨润土和泡沫混合注入区域，从图中可看出，刀盘中部只注泡沫，可以有效的防止刀盘中部结泥饼，刀盘外周只注膨润土，而中间区域则是膨润土和泡沫混合注入。图3-2膨润土和泡沫注入区域分布3.3小结渣土改良技术的成功应用是盾构机在全断面砂卵石地层中得以长距离掘进的重要保证，细致而彻底的渣土改良方案的落实，有效地减小了刀具的磨损，避免了盾构机掘进过程中结泥饼现象，为长距离不换刀施工提供了保证。4盾构施工设备改进技术4.1垂直运输设备针对龙门吊卷筒窜轴现象，自行设计其加固改进措施，在卷筒端盖处增加斜支撑（如图4-1所示），抵消部分横向力，大大减少了卷筒窜轴现象，提高了龙门吊的有效利用率，从而保证在后配套运输上为盾构施工提供有力的保障。图4-1增加支撑示意图4.2水平运输设备针对电瓶车上导浆设备的改进，体现在结构简单，安装拆解方便，使用维护方便，故障率低，管路不易堵塞，清洗方便，成本较低，从本质上提高了生产效率，节约了施工成本。改进后的设备基本上未出现由于设备原因造成的导浆堵管现象。其改进前后效果图如图4-2所示。 4-2a出厂设备示意图 4-2b 改进后设备示意图4.3膨润土发酵装置新型膨润土发酵装置结构如图4-3a、4-3b所示。图4-3a 膨润土发酵箱图4-3b 膨润土发酵箱此膨润土泥浆搅拌发酵箱，包括箱体1和搅拌装置2，所述箱体1上方中部设置有用于固定搅拌装置1的横梁，箱体1上表面一角设置有进料口3，所述进料口3铺设有过滤网，箱体1的侧壁下方设置有出料口4；所述箱体1的上方设置有纵横交错的走道板7，其一侧设置有爬梯8；所述搅拌装置2包括搅拌电机2-1、通过联轴器2-3连接的搅拌轴2-4以及固定于搅拌轴2-4中部的搅拌叶片2-5，所述搅拌电机2-1与联轴器2-3之间设置有减速机2-2，所述减速机2-2通过螺栓固定于所述走道板7上；所述箱体1的横梁上安装有粘度检测装置5和密度检测装置6。具体实施方式为：未经发酵的膨润土泥浆通过进料口3进入箱体1，颗粒大的泥浆成分经过滤网后过滤掉。通过电气控制箱启动按钮启动两套搅拌装置2进行搅拌，泥浆经过充分搅拌会发酵。最后通过粘度检测装置5，密度检测装置6对泥浆的粘度和浓度进行检测，数据显示在电气控制箱面板上，供工程师参考以判断泥浆效果是否以满足工程应用。泥浆发酵完毕通过出料口4往外输送。发酵完毕，可停止两套搅拌装置2。箱体1上方布置人行通道走道板7和爬梯8供工程技术人员实体检查泥浆效果和维护本装置，如图4-4为现场实物图。 图4-4膨润土发酵箱效果图采用新型膨润土发酵箱的优点在于：（1）结构简单。该装置结构简单，容量根据实际施工需求量调整，使用的材料也都是施工场地常用材料，便于加工制作。（2）方便操作。技术人员安排操作工人将膨润土泥浆放置入箱体，并经过滤得到均匀颗粒的泥浆后，启动搅拌装置进行搅拌发酵，同时查看电气控制箱显示屏显示的当前粘度和比重，判断发酵效果。泥浆达到技术标准，即可通过出料口排除，否则继续搅拌。整个过程操作简单，查看方便。（3）针对性强。该装置用于盾构工地膨润土泥浆搅拌发酵中转，即让膨润土的膨化性和吸附性得以发挥，还起到膨润土泥浆储存中转的作用。4.5砂卵石地层高效掘进施工组织管理研究在工程施工中，材料的运输是整个工程的关键所在，对于盾构施工来说也是一个关键点，在整个施工中只存在两种关键的运输方式，垂直运输和水平运输，在垂直运输中采用龙门吊，在水平运输中采用电瓶车。根据本工程特点，施工平面布局时，设计门吊同时跨越左右线，故采取两台同型号门吊平行运输，一台主要负责渣土倒运工作，一台主要负责施工材料及管片的吊放工作。在一台门吊出现故障时，另一台门吊能同时兼顾渣土倒运与材料及管片吊放工作，能有效降低设备故障导致的停工时间。作为水平运输的主要设备，电瓶车的使用效率直接关系到盾构施工效率，在本工程中通过使用道岔，使两列相同编组的电瓶车有效结合，大大加快了掘进速度，同时对砂浆车的改进使洞内抽浆效率提高，降低故障率，也加快了掘进速度。通过工序衔接方面的量化管理和岗位职责的落实管理实现项目高效的管理。以盾构掘进与电瓶车材料运输为两条主线，精