浅议盾构施工中孤石的影响

浅议盾构施工中孤石的影响

1拱顶以上地层和孤石福州地铁1号线开通车辆段香峰站提升段、出、入段均存在孤石现象。新店车辆段~象峰站盾构区间以残积土、全风化和强风化板岩为主,拱顶以上地层主要是耕植土、杂填土、碎卵石、粉(砂)质黏土,本区间出段线掘进至103环先后遇到8块孤石,最大一块位于现在停机位置的刀盘正前方,大约4m×6m,厚度未知;入段线掘进至192环先后5次遇到孤石的情况。根据出、入段线掘进孤石出来的渣样,强度大部分在100MPa以上,部分有风化。2基土板膨润土入段施工出段线盾构掘进至53环时刀盘碰到硬岩,取出渣土样品为花岗岩,在之后的掘进过程中陆续都有碰到花岗岩,其中尤为突出的在掘进53~57环、68~71环、82~83环、86~87环、90~103环;入段线在盾构掘进至36环时刀盘碰到硬岩,在之后的掘进过程中陆续都有碰到花岗岩,其中尤为突出的在掘进36~39环、46~50环、70~104环、170~173环。在掘进这些环的时候推进速度较小而且推力较大、刀盘扭矩很大,经常出现刀盘急停。渣土样品见图1。主要采取的措施:因为在碰到硬岩时,对土体扰动较大,我们一般采用满仓推进,在注入泡沫剂的情况下注入膨润土建压,一是能对刀盘和硬岩进行润滑;二是膨润土和泡沫剂相比保压持续时间更久,不会因为气体流失造成土压快速下降。3付款措施3.1隧道孤石勘探对孤石要做到预处理,那么对孤石的探测显得尤为重要。而目前尚无准确探明孤石的方法,因此采用以钻探为主,多种方法相互印证的办法显得比较科学。在详勘基础上,采用超声波物探沿隧道轴线进行勘探,初步确定存在孤石的区域,再通过地面布设地质探孔取芯的方式进行补勘,进而确定孤石的分布、大小、强度以及与隧道的关系等,并与详勘地质报告进行对照是否与地质情况相符。超声波物探在新店车辆段~象峰站区间还是取得了不错的效果,能判断出哪些区域存在孤石,再通过地质探孔进一步确定孤石的情况,为后续的钻孔爆破提供准确的数据。3.2复合地层的一般掘进特点在孤石地层中掘进时,掘进参数显得尤为重要。合理的掘进参数不仅可以减少对刀具乃至设备的损伤,还可以更好地控制盾构姿态。在复合地层一般按照“小推力、高转速、低扭矩”这么一个指导思想来推进,刀盘转速一般控制在1.5r/s以上,掘进速度一般都在0.5mm/min以内,同时适当增大泡沫注入量。随时注意掘进参数变化,防止刀盘局部过载,造成刀盘变形。从该区间掘进过程、地面沉降数据、进洞后刀具的磨损情况上来看,这样的参数设定是比较合理的,可以有效地保护刀具和保证施工质量。3.3地表钻孔加固法根据盾构机的刀盘直径、埋深和地下水情况设定具体的加固措施。新店车辆段~象峰站区间设定的检查点盾构机埋深为12.6m,为保证加固效果,采用垂直高压旋喷加固法,加固区域宽度为2.4m,长度为9m,加固深度为20m。地表至盾构顶部为12m,盾构掘进端面为12~18m。从地面钻孔进行高压旋喷注浆,平行打孔3排,孔距为80cm,钻孔直径80cm,加固后形成一道坚固的板墙,盾构机要掘进旋喷桩最少80cm才能开仓检查刀具和换刀工作。检查点加固如图2。根据开仓检查刀具时,可以看出刀盘前方掌子面是比较稳定的,具备进仓检查的条件。预先做好检查点可以避免刀具严重损伤造成被迫停机。3.4注浆加固试验在确认孤石群且粒径都不大时,一般采用从地面袖阀管进行注浆将孤石群与周边土体连成一个整体,然后再利用刀盘上的滚刀进行切削,这样小粒径孤石不会被挤压跟随刀盘移动,可以有效减少土体扰动,盾构姿态也比较容易控制。新店车辆段~象峰站区间孤石地段注浆加固范围如图3所示。在该区间入段线的掘进过程中,从我们盾构机的姿态、地面扰动和地面沉降数据可以看出:此加固方式可以有效地保证盾构机在小孤石群地层推进;有效地控制盾构姿态和对土地的扰动造成的地面塌陷。3.5爆破孔的破碎勘探到孤石时,首先查明孤石大小、形状以及分布情况,并依此来制定合理的爆破方案,按照方案从地面上钻孔,在孤石上根据需要钻出所需的爆破孔,然后在爆破孔内安放适量的静态炸药对孤石进行爆破,达到破碎孤石的目的。应根据刀盘开口最大尺寸和螺旋输送机出碴能力,本区间2台盾构机的螺旋机能通过的石块最大尺寸不能超过35cm,因此爆破后石块的单边长度最好控制在30cm以下,以便于石块能顺利从螺旋机出来。3.6孔眼注浆和刀盘加固当地面没有注浆加固的条件时,在确认孤石区域之后,采用小导管超前注浆,我们盾构机设置有12超前地质钻孔,其中底部2个,中部4个,顶部6个。超前小导管的参数:超前地质钻孔孔径ue788100mm,插入ue78842mm的自制带梅花状布置孔眼的袖阀管,长度7m,进入盾构机6.58m可以延伸至刀盘前1.5m,尾端外露0.42m并在尾部焊接止回阀(见图4)。外插角13.5°,采用风枪钻出孔后再将小导管插入,小导管顶端为尖锥型以便导管插入钻好的孔内。在注浆前,必需搅拌适当的膨润土,加入土仓,对土仓进行加压,压力应达到1.7bar,然后启动刀盘进行旋转,转速控制在0.6~1.0转,让膨润土充分在土仓渗透和搅拌均匀。防止在超前注浆时候浆液流入土仓,将刀盘凝固,造成刀盘无法转动,导致加固后无法转动刀盘检修和更换刀具。或采取空气加压法,对土仓进行加压,防止此问题的发生。在新店车辆段~象峰站盾构区间出段线施工时采用了超前注浆加固的方式,此方法可以在刀盘上方形成一个弧形的保护罩,可以在开仓时土压减小的情况下,防止上方土体塌陷或者掉落伤人的情况。4被动中断处理措施4.1高压旋喷桩注浆施工为了确保人员进仓作业安全和现场情况制定合理的旋喷加固方案。本区间出段线加固具体措施和参数如下:此次加固范围为纵向5.44m,横向10.84m,刀盘前端加固3排高压旋喷桩(深度为18m),刀盘后端加固1排高压旋喷桩(深度为10m),刀盘两侧加固2排高压旋喷桩(深度为18m)。旋喷桩单桩尺寸为直径800mm,为保证桩咬合效果,采取孔距和排距均为600mm,桩间咬合200mm。浆液采用425#普通硅酸盐水泥和水配制,水灰比1∶1,采用立式搅拌罐搅拌。注浆作业时自上而下进行喷射注浆,在施工过程中必须时刻注意检查浆液的初凝时间、注浆流量、风量和风压、水量和水压、旋喷管的提升速度及旋转速度等参数是否符合设计要求,并做好记录。注浆参数见表1。当注浆管不能一次提升完毕而需分数次卸管时,卸管后喷射桩体的搭接长度不小于100mm,以保证固结体的整体性。每根桩作业完毕,把泥浆泵、注浆管内的浆液全部排除,防止残存水泥浆将管路堵塞。注浆加固见图5。根据新店车辆段~象峰站盾构区间出段线103环处进行的开仓换刀情况来看,这样的加固效果是比较理想的,掌子面稳定性能满足换刀所需要的时间,确保进仓换刀人员的安全。4.2子面注浆加固换刀结束后,进行二次孤石破碎,破碎完后,根据破碎程度需要进行掌子面注浆固结处理。采用地面注浆或盾体超前注浆管进行加固。采用膨胀水泥进行洞门静态爆破,不仅可以根据换刀需要提供拆装刀的空间,和炸药爆破相比还可以有效的保护刀具以及更少的有害气体,更有利于后续的换刀工作。5施工前孤石处理在孤石地层中施工,首先应探清孤石的大小、形状以及分布情况。对于探明的孤石地面有条件的应进行地面预处理,不具备条件的再采取洞内处理。在孤石处理中,应根据现场条件和孤石的大小、形状等因素来制定最合理的处理方法。总之,在孤石地层盾构施工首先必须熟悉掌握工程地质情况,根据地质情况定制合理的掘进参数,布局合理的检查点,尽量做到有孤石预先处理,掘进中勤检查、勤换刀。经取芯验证加固效果达到要求后,进行开仓处理孤石。将中心撕裂刀具、正面刀具拆除,用手架式风枪进行钻孔,采