成都地铁盾构施工技术-杨书江

富水砂卵石地层土压平衡盾构长距离快速施工技术,杨书江中铁隧道股份有限公司,一、简介二、盾构选型三、快速施工四、建构筑物的保护五、监控量测六、对今后施工的建议,简介成都地质以地下水位高、卵石含量高硬度高、漂石含量高且局部密集成群著称。成都地铁1号线盾构4标左线隧道长2328.2米，包括火车南站桐梓林站、桐梓林站倪家桥站、倪家桥站省体育馆站三个区间，区间长度分别为943.5米、888.5米、496.2米。区间隧道下穿火车南站民房、股道群、机场高速立交桥、二环路人南立交桥等建筑物，地下管线密集。隧道主要穿越37卵石土层，部分地段穿越44卵石土层，卵石含量高达5580%，卵石成分主要为中等风化的岩浆岩与变质岩，单轴抗压强度65.5184MPa。卵石粒径以3070mm为主，局部80120mm，地层中粒径大于200mm的漂石含量占022.3%（重量比）且局部密集成群，全线已发现最大漂石粒径达670mm，地下孔隙水主要赋存于砂卵石土层中，含水层总厚度18.223.8m，为强透水层，渗透系数12.5327.4m/d，枯水期地下水位埋深35m，丰水期24m。,盾构选型刀盘结构1)刀盘结构形式刀盘直径6250mm，开挖直径6280mm。面板式结构，中心支撑方式。刀盘转速04.5rpm，可双向旋转。2）刀盘驱动采用液压驱动，由九个液压马达通过九个减速箱来驱动刀盘。主轴承外径为3000mm，设计寿命10000h，最大推力34210kN，额定扭矩6000kNm、脱困扭矩7150kNm。3）刀盘的开口形式开口率28，有8个开口槽，刀盘开口部分加焊非封闭式隔栅，只允许粒径300mm以下的碴块进入土仓。4）碴土改良注入口设计刀盘面板上有8个泡沫注入口，隔仓壁上预留4个泡沫注入口备用。泡沫注入口也可以用来加注水、细粒膨润土和其它添加剂。5）耐磨设计在刀盘面板和外缘进行硬化处理并用进口焊条焊接格栅状的耐磨材料，每个进碴口的周圈进行硬化处理并堆焊耐磨材料。,盾构选型刀具类型及组合初装刀为4把17寸中心双刃滚刀，32把17寸单刃滚刀，28把重型宽刃齿刀，8套刮刀。螺旋输送机采用轴式双螺旋形式，1号螺旋机长度13400mm，2号螺旋机长度8100mm，无极变速，转速022rpm，最大出碴量285m3/h。螺旋直径800mm，节距630mm，螺旋带高度290mm，粒径小于300mm的卵石可直接进入土仓并通过螺旋输送机输出。1号螺旋机前端1/3的螺旋焊接了耐磨块，对前1/3的螺旋筒内壁进行了耐磨处理。,快速施工掘进参数始发段掘进车站围护结构采用直径1500mm的玻璃纤维筋人工挖孔桩，盾构始发时不凿除围护桩，可以避免围护结构凿除时引起的端头土体失稳。1）刀盘转速：刀盘转速控制在1.0rpm，并尽可能选择低速。2）推力：始发段掘进时总推力不宜大于1200t，推进速度不宜大于25mm/min。3）土仓压力：盾构破桩掘进时采用敞开式模式，进入原状土层后采用土压平衡模式掘进，土压力0.61.0bar正常段掘进1）土仓压力：控制3号压力传感器压力1.2-1.3bar，并实时调整，在停机时适当提高土仓压力，避免地面发生较大的沉降。2）刀盘转速及贯入度：刀盘转速在1.01.1r/min，刀具贯入度在50-60mm，掘进速度可保持在50-70mm/min左右。在大粒径砂砾石地层中尽可能采用小转速掘进，可以较好地保护刀具。3）油缸推力及行程：相向两组油缸推力值差一般在50bar以内，四组油缸行程差一般不大于40mm，总推力在12001500t左右。4）掘进姿态：直线段水平姿态控制在05mm以内，曲线段水平姿态控制在010mm以内，掘进时每环姿态调整量控制在10mm以内。,富水砂卵石地层土压平衡盾构长距离快速施工技术,贯通前50米掘进盾构距车站围护桩约50m时，根据盾构姿态测量和洞门复测结果，制定盾构姿态调整方案。土压0.60.1bar，速度40mm/min以内，推力1400t以内，刀盘转速1.0r/min。距离贯通面10m时遵循“小推力，低转速，少出土”的原则逐步降低土仓压力，盾构推进保持匀速、平稳，速度控制在20mm/min以内，土压0.40.1bar，推力1200t以内，刀盘转速0.8r/min。车站围护桩段掘进洞门围护结构采用4根桩径为1500mm的玻璃纤维筋人工挖孔桩，盾构破桩时遵循“小推力、低转速，减小扰动”的原则，确保不对车站端墙造成破坏。掘进模式从土压平衡逐步向敞开式过渡，破桩速度控制在10mm/min以内，推力不大于1000t。,富水砂卵石地层土压平衡盾构长距离快速施工技术,注浆洞门圈处注浆安装完2环管片后，盾尾已完全进入隧道内，停止掘进对洞门圈注浆。洞门圈处总注浆量约10m3，注浆压力不超过0.3MPa。同步注浆1）注浆压力上部压力稳定在0.10.12MPa，下部压力在0.180.2MPa。2）注浆量根据地下铁道工程施工及验收规范(GB502991999)，注浆量应控制在130%180%。根据砂卵石地层的特点，同步注浆量确定为理论间隙的150%200%，即为6.078.09m3/环。补充注浆在局部地段，同步注浆浆液凝固过程中可能存在局部不均匀、浆液凝固收缩或稀释流失，造成注浆不密实，根据检测结果，必要时进行二次补强补充注浆。补充注浆以水泥、水玻璃等材料为主，注浆压力不超过0.3MPa，注浆时以压力控制为主。,富水砂卵石地层土压平衡盾构长距离快速施工技术,碴土改良及出碴量控制碴土改良碴土改良对减少刀具磨耗、提高出碴效率具有关键性的作用。施工中不断摸索总结，采用泡沫剂、泥浆、水相结合的碴土改良工艺，每环泡沫剂用量一般在3045L左右，泥浆加入量每环一般6m3。当碴土较干或碴土中夹有泥岩时可通过膨润土罐或盾构机前体上安装的水管向土仓内加入适量的水。出碴量控制出碴量采用体积和重量双重控制，每环约3.23.5矿车，体积约为5558m3，重量110117t。超出上述基准后必须及时分析原因采取相应处理措施。水平、垂直运输水平运输采用35T电瓶车牵引4节18m3矿车、2节管片车、1节砂浆车组成，车站内设置道岔，便于错车，提高运输效率。垂直运输配备16T、45T门吊各一台，分别负责管片等材料的下放及碴土起吊。,富水砂卵石地层土压平衡盾构长距离快速施工技术,换刀工艺的探讨左线隧道全长2328.2米更换刀具15次，平均145.5米换刀一次，最短换刀距离87米，刀具磨损极其严重。左线隧道换刀过程中进行了多种辅助工艺的试验。,降水DK14+393处隧道底板埋深约15.9m，穿越的地层为密实卵石层。施工3口降水井降水，降水井距隧道中线5.5m，深度2530m，至少提前7d开始降水。开仓后掌子面土体稳定，降水效果很好，安全、成功地实现了刀具检查和更换工作。隧道处于全断面卵石层中，只采用降水方式即可保持换刀工作面的稳定。,富水砂卵石地层土压平衡盾构长距离快速施工技术,降水人工挖孔桩在DK13+810处采取降水井+人工挖孔桩加固方案，在隧道中心线左侧设3口人工挖孔桩，两侧约4.5m处设有4口25m深的降水井，同时2号人工挖孔桩留作换刀和修复刀盘时的辅助降水井和通风井。降水人工挖孔桩高压旋喷注浆在DK14+075采用人工挖孔桩和高压旋喷桩组合的加固方式。在盾构机切口环正上方施工7根直径1200mm的人工挖孔桩，挖孔深度至盾壳上50cm，4号桩不浇注混凝土，作为仓内清碴、更换刀具、检修刀盘时的通风排烟通道。在刀盘前方施工4排高压旋喷桩，直径450mm，呈梅花型布置，共施工30根。为避免旋喷水泥浆液将刀盘刀具糊住，增加仓内清碴困难，控制第一排旋喷桩施工深度至盾构机的轮廓线的深度，其余3排旋喷桩施工深度均为20.5m。,富水砂卵石地层土压平衡盾构长距离快速施工技术,气压法换刀由于砂卵石地层透气性较好，采用气压法换刀关键是保持泥水仓或土仓内压力的稳定，即减少气体的逃逸。对土压平衡盾构而言，采用气压法换刀难度相对较大。停机换刀前，往土仓内注入优质膨润土泥浆，转动刀盘，在气压下浆液会逐步渗透到砂卵石层的孔隙中，进而形成泥膜，一般土仓内压力保持在0.080.1MPa，可以满足换刀的需要。换刀方案评价目前施工中采用气压法换刀，但当刀盘磨损严重或者刀座变形必须使用气割时，在气压法状态下无法实现，仍需采用常规加固方法。采用地表加固地层一方面受地表环境条件的限制，需要大量的协调工作；另一方面实际换刀地点与提前进行地层加固的地点可能不一致，往往造成资源的浪费和工期的延误。成都地铁地层以砂卵石为主，降水后骨架效应较好，可以维持土体的稳定，但在风化泥岩侵入隧道底部或者砂土、黏土层中，降水效果一般，需要在降水基础上辅助其它地层加固工艺。,富水砂卵石地层土压平衡盾构长距离快速施工技术,建(构)筑物的保护过火车南站股道群盾构始发30米后垂直下穿宽60m的火车南站10条股道，隧道顶距道碴底部7.69m。火车南站每天通过的车次共84次，其中货车61次，客车23次。为确保盾构顺利通过火车南站股道，提前对股道进行了扣轨加固。3号线为成昆铁路正线，5号线为预备线，车流量大，运载量重，为确保盾构机开挖过程中线路的安全，3号线用D16m型梁扣轨，梁基础为桩径1.2m的人工挖孔桩，间距15.75m，跨度14.5m。5号线用D24m型梁扣轨，梁基础为桩径1.6m的人工挖孔桩，间距23.75m，跨度19.5m。其余股道用56b型工字钢束梁扣轨，纵梁采用5根工字钢为一束，跨度为12.5米。横抬梁采用两根工字钢为一束，在枕木间连续设置。盾构下穿股道时未对铁路行车造成任何影响，且股道沉降微小，扣轨效果明显。,富水砂卵石地层土压平衡盾构长距离快速施工技术,建(构)筑物的保护成都信息港加固盾构通过成都信息港时，隧道区间已经全断面处于致密卵石地层之中，并且基底距右线隧道顶的距离尚有5.9m，但是考虑到此建筑物为独立扩大基础，整体性不强，为避免盾构通过时产生的不均匀沉降对建筑物基础的影响，在盾构通过前，按间距1.2米施工一排注浆孔，进行注浆加固，同时在靠近建筑物基础一侧施工一排跟踪注浆孔，盾构通过时根据监测情况进行跟踪注浆，及时填充地层受扰动后形成的空隙，确保建筑物基础的稳定和安全。人南立交桥加固二环路人南立交桥桩基距离隧道最近约1.5米，结合盾构掘进以来的地表沉降规律，特别是盾构过机场高速立交桥时的施工措施及地表沉降情况，在距离隧道较近且靠近隧道侧的桩基进行花管注浆加固，在桩边0.5米范围内间隔1.2米采用钢花管垂直打入桥基下2米的地层中，对桥基进行注浆加固。,富水砂卵石地层土压平衡盾构长距离快速施工技术,建(构)筑物的保护,成都信息港加固图,富水砂卵石地层土压平衡盾构长距离快速施工技术,建(构)筑物的保护,人南立交桥加固图,富水砂卵石地层土压平衡盾构长距离快速施工技术,建(构)筑物的保护污水管人民路污水管是成都市主要排污管道，每节管道长2000mm，壁厚100mm，管径1200mm，管底埋深6.88.3米，排污峰值约4000m3/h，钢筋砼带形基础，平口相接，采用水泥砂浆封堵，砂浆内埋入20号1010镀锌铁丝网，铁丝网埋入基础内100mm。左线盾构隧道在ZDK12+695+745段与污水管斜交，管底距离隧道顶部最近距离1.85m。采取的措施如下：1)距离污水管15m处带压进仓检查更换刀具，同时对盾构机各系统进行全面的维修保养，确保盾构连续掘进。2)总推力1500t，掘进速度4060mm/min，刀盘转速小于1.0r/min，土仓压力0.80.9bar，出碴量5558m3，注浆量78m3，并根据情况补注浆。3)加强监控量测，监测信息及时反馈指导施工。4)安排专人24小时对地表及污水管运行情况进行巡查，出现异常情况及时向盾构主司机及项目部领导反馈信息，以便及时采取措施。盾构于2008年5月20日24日顺利通过50米污水管，地表最大沉降6.16mm，污水管线运行正常。,富水砂卵石地层土压平衡盾构长距离快速施工技术,对今后施工的建议盾构选型建议一号线盾构存在的问题一号线选用了7台海瑞克土压平衡盾构机，从使用效果看，主要存在以下问题：1）刀盘7台盾构机刀盘均为面板式结构，开口率在2528。由于刀盘采用中心支撑方式，刀盘中心部位无开口，在泥岩中掘进时易形成泥饼，造成中心刀具磨损严重。刀盘开口率相对较小，不利于卵石顺利进仓，造成卵石的多次破碎，增大了对刀盘面板的磨损，另外刀盘轮缘磨损比较严重。2）刀具主要采用单刃滚刀破岩，由于卵石随着刀盘的转动而移动，卵石破碎比较困难，增加了刀具的磨损和异常损坏。3）螺旋输送机海瑞克盾构采用双螺旋设计，可以有效避免富水地层掘进时的喷涌现象，由于隧道埋身浅，水压较低，大多数标段只保留了1号螺旋机，未再安装2号螺旋机。另外仅1号螺旋机前端1/3段焊接了耐磨块，造成螺旋叶片磨损严重，施工中多次进行了螺旋机叶片的修复工作。,富水砂卵石地层土压平衡盾构长距离快速施工技术,对今后施工的建议盾构选型建议对二号线盾构选型的建议1)卵石以排为主，破碎为辅刀盘采用中间支撑方式，辐条加小面板式结构，刀盘开口率35左右，同时加大刀盘中心部位的开口率。采用直径900mm轴式螺旋输送机，节距630mm，螺旋带高度340mm，可以直接排放大部分的卵石。预留二级螺旋机接口，分段设置检查窗口，以便及时检查修复磨损的螺旋机叶片。2)卵石不破碎，直接排放采用辐条式刀盘，开口率65左右，带式螺旋机排碴。日本在这方面成功经验较多，日立盾构机采用直径1000mm的带式螺旋机，可以输送L725670mm的卵石，直径845mm的带式螺旋机，可以输送L630570mm的卵石，即使在含大漂石的砂卵石地层中易完全适用，但成都地铁地下水位较高，带式螺旋机不易形成土塞效应，实际效果还有待于验证。3)刀盘、螺旋机的耐磨性能必须在一号线的基础上大幅提高。,富水砂卵石地层土压平衡盾构长距离快速施工技术,对今后施工的建议详尽的地质勘察和建（构）筑物管线调查建设单位应提供尽可能详尽的地质勘察资料，尤其古河道、不良地质等，施工单位应根据详勘资料制定地质补勘计划。施工前对盾构掘进影响范围内的建（构）筑物、地下管线现状进行调查，以便制定相应的保护措施。密切关注车站施工进展，了解车站端头水文地质条件，降水时带泥带砂情况。监控量测盾构掘进实际出碴量大于理论出碴量时，地层形成空洞，由于砂卵石地层的拱效应，监测数据往往不能及时反映实际沉降数值，在地面各种荷载的扰动下，土体分层沉降，最终造成地面塌陷。施工中安排专人24小时不间断进行地表巡查，但只能起到事后补救作用。采用地质雷达对