高渗透富水砂卵石地层大直径土压平衡盾构刀盘检修施工工法

1成都地层具有“高富水、卵石含量高、卵石强度高”的三高特点，地铁盾构施工在此条件下施工难度极高、施工风险极大。因其砂卵石地层特殊的地质情况，造成盾构机施工过程中盾构刀具磨损较快且易于偏磨，更有甚者造成刀盘异常磨损。土压平衡盾构机于高渗透砂卵石地层采用的换刀方式有带压换刀及常压换刀模式。带压换刀在线路埋深较深时工作压力将过高，进舱风险较大，于该地层泥膜形成难度大，过程控制难度大，无法安全有效进行带压进仓作业。常压进仓于降水后进行开仓作业，土体未进行加固处理或加固效果不佳时，掌子面稳定性差，若降水井出现异常后，水位上涨，砂卵石地层稳定性变差，易造成掌子面失稳，开仓风险大。成都地铁、沈阳地铁、北京地铁等均采用竖井方式进行刀盘修复。所采用施作竖井、人工挖孔或袖阀管注浆加固方式受地面环境限制较大，且工期较长，成本高。根据成都的地质水文条件及环境特点，经项目相关人员研究决定采用降水井+GFRP空心桩进行刀盘检修，优化了常规常压进仓中的施工工艺，减小了施工过程中的风险，提高了施工效率，具有明显的经济效益和推广价值。中交一公局第三工程有限公司针对该工程难点进行研究，在总结高渗透砂卵石地层大直径土压平衡盾构刀盘检修施工技术的基础上，形成工法。该工法经过我项目左右线区间以及临标项目的实践，均取得了较为显著的效益，成功的证明了该工法的可应用性。2工法特点2.1通过降水井+GFRP空心桩工艺有效解决高渗透砂卵石地层下刀盘检修难题；2.2通过临近空心桩盾构掘进参数分析研究，提出临近空心桩降水段微扰动控制技术；2.3施工安全可靠、操作简单、施工速度快，安全、质量保障措施充足；2.4具有较高的经济及社会效益。23适用范围4工艺原理本次高渗透砂卵石地层所采用土压平衡盾构机开挖直径为8634mm,切口环长度为890mm。根据刀盘直径，切口环宽度进行桩基直径及空心桩素桩搭配设计，设计考虑人员检修作业空间及通风要求。施作3根空心桩(用于作业)、结合4根直径为1.2m的玻璃纤维筋桩形成隔断体，其中2根空心桩进行刀盘检修作业，1根空心桩进行抽风排烟。空心桩5.1.1利用GFRP钢筋很高的抗拉强度及较高的静态抗剪强度、动态的低抗剪强度，大5.1.2利用泥浆护壁旋挖钻机成孔GFRP桩基，待混凝土强度达到设计值45%～55%时，检修井施工设计空心桩内径为1.4m,外径为2m。实桩交叉布置隔断土体设计直径为即刀盘磨实桩30cm,磨空桩1.2m后，保证掌子面稳定。同时进行开仓刀盘检修作业，需配合相应降水作业，水位线降至刀盘以下1m后进行作业，本次采用8口降水井+1口观察井兼备用降水井完成降水作业。5.1.4施工方案旋挖钻孔桩施工时应跳孔施工，先将1.2m的桩施工完成，最后施工2.0m的桩。具体施工顺序如下：先施工1#、3#、5#、7#(1.2m玻璃纤维筋桩),再施工2#、4#、6#(2.0m玻璃纤维桩),再施工1.4m空心桩(2#、4#、6#),在灌注成桩邻近桩位钻孔时，必须等到已灌注钻孔桩36h以后方可施工，避免扰动相邻已施工的钻孔桩。降水工程采用8口降水井，井管由多节钢筋混凝土管组成，内径300mm,外径360mm。降水井深度为50m,滤管根数为9根，设置50目滤网。水泵采用18kw水泵，型号为175QJ110-40。8降水井观测井备降水井6#降水井右城廷道中心步4#降水井5.1.5桩基施工工艺采用ZR280旋挖钻机钻孔，分别使用旋挖钻头、筒式钻头进行实桩、空心桩成孔。钻孔灌注桩施工工艺流程见图5.1.5-1。(1)首先对施工区域进行管线探挖，做好管线标记。进行施工场地平整，为了保证旋挖钻机工作平台稳定性，采用4mm钢板铺设钻机平台位置。护筒采用直径为1.2m、2m的护筒，厚度为10mm钢板卷制，护筒长度为3.5m。护筒深度需进入下部原状土不得小于1.5m,护筒中心与桩位中心重合，埋设应保持护筒顶面高出地面30cm为宜，护桩应布置四个点，采用十字相连确定桩基中心，钻孔过程随时校核。(2)化学泥浆护壁成孔a、采用钠基膨润土与高分子材料护壁成桩工艺，主要原理是利用泥浆的粘稠度以及围压，保证孔壁稳定和携带渣土。序号名称1比重秤52粘度/s保证钻头平面偏位在50mm以内，垂直度在1/200以内。桩基垂直度保证1/100以内。钻进过程不断注入高质量化学泥浆，根据钻进参数及c、成孔检查。钻孔到设计深度后，应进行孔深、孔径、垂直度、沉渣厚度检查，保证钻孔深度≤设计深度大于设计桩径3～51(3)玻璃纤维筋笼制作为保证刀盘修复后，盾构机能顺利通过围护桩，钢筋笼上段采用20根HRB400φ25mm作为主筋，HPB300φ12mm作为螺旋箍筋，间距200mm,钢筋笼下段采用20根25mm玻璃纤维筋作为主筋，采用12mm的玻璃纤维筋作为螺旋箍筋，间距200mm。两段钢筋笼主筋之间采用25的U型钢6⑩⑩(a)空心桩配筋图(b)玻璃纤维筋与钢筋搭接大样(4)水下混凝土灌注水下混凝土灌注。围护桩均采用水下C25混凝土，水下混凝土的灌注是在混凝土导管时，首批灌注混凝土的数量必须满足导管初次埋置深度(H≥1.0m)及填充导管底部间隙的需要。灌注水下砼时使用直径φ30cm的导管及容量为4m³及2m³的漏斗。导管采用螺丝扣(5)检修井施工直径2.0m实桩达到凝固强度后，再用1.4m筒式钻头进行钻孔取芯，钻孔之前要求重度。空心桩设置锁口，高于地面50cm。空心桩锁口示意图见图5.1.5-3,刀盘检修井实景见图5.1.4-4。5.1.6降水井施工工艺(1)测放井位：根据井位平面布置示意图测放井位，在施工之前必须调查清楚地下管线，以免施工时破坏其它管线。(2)开挖探坑首先开挖探坑，探坑深不小度3m,探明地下无管线之后方可继续进行下一步施工；若有地下管线，于需要在明确地下管线来源以及确定管线保护方案之后，经技术部门确认后，可调整降水井位置。(3)埋设护口管：护口管底口应插入原状土层中，管外应用粘性土填实封严，防止施工时管外返浆，护口管上部应高出地面0.3m~0.5m。(4)钻机就位：桩机用枕木做机座垫木，并保证机座平稳，在钻进过程中不发生位移和倾斜，要随时检查桩机底盘的水平及钻杆的垂直度。吊放钻机是要轻放，钻机在平台上移动时，速度要慢并注意安全，移动距离较大时采用吊车吊装移位。(5)成孔：降水井开孔一径到底。成孔施工采用孔内自然造浆，钻进过程中泥浆密度控制在1.10~1.15,当提升钻具或停工时，孔内必须压满泥浆，以防止孔壁坍塌。在任何情况下，最大冲程不宜超过6.0m。钻进过程中，如泥浆有损耗、漏失，应予及时补充。8(6)清孔(7)下井管井管采用钢筋混凝土管组成，每节长2.5m,利用汽车吊分节吊放。各节井管之间应同心并焊接严密，下到设计深度，顶部低于地面20cm,地面采用100×100×2cm钢板盖进行(8)填滤料工沿井孔四周均匀连续填入，滤料填至井口位置。滤管部分滤料采用3～7mm的砾石，填充高度应超过过滤管上端5m～10m,下部与底端齐平，其余部分使用原状土回填。(9)洗井完成滤料灌填后，按规定进行洗井。在成井后8h内，将污水泵放入井底反复抽洗，保(10)安装水泵及管路系统b.潜水电机、电缆和接头的绝缘安全可靠，并配(1)计算模型根据明九区间2#中间风井～九江北站盾构区间地勘报告可知，刀盘修复位置地层由上底位于刀盘中心下1m的位置，由于刀盘区域空心桩一侧为土压一侧为刀盘，架设该段为悬9由地勘报告可知，该位置地质主要为砂卵石地层，,选用土体静止压力计算，为了结构计算更加保守，土体重度Y取最大值21kn/m³,土体侧压力系数取最大值0.4,每根桩按照2m受载考虑，每根桩承担2.2m范围内土体侧压力，因此画出土压力分布图如下：桩板墙所受的主动土压力采用公式(1)计算：Ka为主动土压力系数，为计算点深度z处竖向有效应力；c为土体粘聚力，φ为内摩擦角，c=0,φ=35°。卵石土密度为2.7g/cm3。隧道上部位置的主动土压力为：0上=(21×5+11×22)×0.27+10×22=313.69Kpa0下=(21×5+11×26.3)×0.27+10×26.3=369.461Kpa成因度比(直接剪切)(固结剪比力内摩擦角力内摩擦角降水后pWecφcφφ中μ5%0Q118(硬塑)Q5(可塑)(松散-稍密)中砂Q外(中密-密实)2(稍密)经计算，围护桩最大弯矩为3700kN·m(3)空心桩配筋分析承载力的计算公式，仅在《规范》(2002版)第7.2.6条中说明可以套用环形截面正截面受式(7.3.7-2)来表示。a—受压区混凝土截面面积与全截面面积的比值；a—纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值，当a>2/3时，取α=0。现配置20根φ25钢筋，可抵抗弯矩32664kN·m>3700kN·m,成立。5.2临近空心桩大直径土压盾构微扰动技术通过对临近空心桩降水段进行渣土改良、大直径盾构掘进参数控制、大比重浆液注浆，有效控制了大直径盾构临近空心桩施工，对地层的扰动，保证了盾构顺利达到预定检修位置。5.2.1临近空心桩降水段渣土改良盾构临近空心桩掘进过程中，已完成降水作业，位于降水区段掘进需要加强渣土改良，避免刀盘或螺旋机卡死造成超方，避免对桩基安全造成影响。通过刀盘管路注入膨润土(1、3、5、8路)及泡沫(2-10路),通过刀盘回转中心处6路注水管路进行注水，三者共同作用进行渣土改良，从而保证出渣顺畅，顺利掘进。掘进过程中，渣土改良选用钠基膨润土，并掺入适量的泡沫进行改量，其中膨润土泥浆配比为钠基：水=1:6,膨润土泥浆按照渣土重量的7%添加，泡沫用量按照体积25%掺入，从而达到掘进过程所需渣土改良效果，加大泡沫的注入量，进一步提高渣土的流动性，降低刀盘扭矩。5.2.2临近及磨桩盾构掘进参数控制(1)推进过程中要严格控制盾构推进速度，以较为平缓的速度推进，随时关注刀盘扭矩、推力参数，及时加水。磨桩后注意观察空心桩情况，刀盘磨穿壁厚后将因空心桩积水造成喷涌。序号推力(t)速度刀盘转速(rpm)1到达前10环3000以内2刀盘磨桩1500以内10以内(2)在盾构机进入降水区后合理组织好双液浆压注，做好环箍，在刀盘顶上桩基后，于盾尾后5、6、7环施作环箍，阻止管片后方来水。封闭好盾构机与加固土体之间空隙，减(3)距离停机里程0.8m范围后，同步注浆调(4)推进油缸管理行程700mm后同步注浆管采用膨润土保管，盾体外壳上部注入不少于2方膨润土，过程中持续加入膨润土，避免盾体形成包裹。A采用有限元计算软件PLAXIS3D探究隧道埋深C、隧道断面直径D、土体容重y、内摩擦角φ对掌子面支护力的影响规律。卵石土地层粘聚力低，摩擦性能显著,在低围压下抗剪强度和剪切面上应力服从线性规律。故采用线性Mohr-Coulomb准则进行分当隧道埋深变化时，掌子面破坏模式会发生显著变化，掌子面破坏区域将埋入地下。根据上述分析计算，掌子面支护力随隧道埋深C、隧道断面直径D、土体容重Y的增大呈增大趋势，而随内摩擦角φ的增大呈减小趋势。根据土体容重(增大不利于掌子面稳定性)和内摩擦角(增大有利于掌子面稳定性)对掌子面的影响规律可知，应密切关注挖出的岩土体情况，及时调整支护力，可有效保证掌子面的稳定及开挖的顺利进行。临近桩基掘进过程中，根据对卵石土层盾构掌子面参数敏感性进行分析，随盾构机的掘进，由于埋深的变化，其支护力是变化的，故在掘进过中应程确定合理的支护压力，上部土仓压力保持在0.187bar左右。5.2.4同步注浆浆液成都富水砂卵石地层中，由于地下水丰富且渗透系数大，浆液通过管路注入盾尾空隙后存在被地下水稀释，浆液可能随地下水流动，再加上砂卵石地层掘参数的不易控制，盾构掘消石灰砂水外加剂(保水3特殊情况相应浆液改用相应惰性浆液，解决长时间停机流塑性要求；停机前5环使用大(2)复推前前确保先往仓内注入1/3仓1:7纳基膨润土或填入惰性浆液，掘进开始后(3)控制好刀盘速度，通过协调各参数指标尽量慢速完成磨桩(控制磨桩速度至20mm/min、推力6000～10000KN、扭矩2000～3000KN/m)。(4)刀盘掘进通过空心桩后立即对空心桩进行回填，回填原状土至刀盘以上4m,在填刀盘维修及换刀作业仅用10d,检修井在作业过程中安全稳定，施工作业方便，同时对周边环境影响小。5.4.2地表沉降通过利用以上施工相关技术控制，通过对临近掘进段地表进行监测，地表沉降可控，未出现塌陷现象。监测次数(次)本施工所采用的桩径设计、桩基搭配，及施工所采用的控制措施，不仅提高桩基施工效率，经检测空心桩壁厚满足设计要求，未出现偏差，进行掌子面稳定。刀盘临近桩基及磨桩施工为对空心桩造成影响，地面未出现异常沉降，控制效果良好。6.1主要材料表6.1-1材料计划表序号名称型号1自动变色个2500AA/3米/根根23药芯焊丝盘4耐磨焊丝盘535米/套套36个7个58乙炔表个59个双防火布张5焊把线米电源线米红色瓶5清洗剂瓶5个套劳保鞋双软梯m刀箱保护刀I把导流刀把小刮刀与刀座匹配把圆环保护刀把小刮刀座个7孔刮刀定位样板板厚30mm把1螺纹套只外圈修复弧板Q345B/(60°*外圈块6Q345B/(9.5°*外圈块6块4耐磨钢板66.2主要设备按照相关文件要求进行设备材料配备，表6.2中所示设备材料为施工所需部分设备。序号设备名称规格型号1隧道轴流通风机台22污水泵台23台24小型空压机台15二次注浆泵台16辆1序号设备名称规格型号7台28个9防爆灯个2手拉葫芦1t、3m长个2把2二保焊焊枪500AA/根把2二保焊机套/台2把2把5角磨机气动125个1角磨机个27质量控制7.1.1严格执行《建筑桩基技术规范》(JGJ94-20082014)等规范要求。(1)桩径偏差控制于±50mm;(2)垂直度允许偏差<1%;(3)桩位允许偏差小于100mm;(4)钢筋笼主径间距允许偏差<±10mm,长度允许偏差<±10mm;(5)箍筋间距允许偏差<±20mm;(6)灌注桩孔深允许偏差<300mm。7.1.3降水井施工标准(1)井径误差±20mm;(2)垂直度误差≤1%;(3)井管之间连接要求满焊；(4)在最下面一层滤管的底部加井盖，封堵井管，利用井内水的浮力，减小井管竖向受力。(5)洗井要求达到“水清砂净”;(6)下管、填充填料完成后应立即进行洗井，成井—洗井间隔时间不能超过8小时。7.2质量控制措施7.2.1钻孔的平台，钻机及钻架稳定牢固，不产生位移及沉降。7.2.2对钢护筒的位置及直径进行复查，控制钻头、钻杆中心与护筒中心的偏差。7.2.3为防止灌注过程中导管拔出混凝土面造成断桩现象出现，导管埋深要求控制在2~7.2.4空心桩施作，在取芯过程中重新定位桩位中心线，校正旋挖钻机钻头对中，并且保证旋挖钻钻进垂直度。7.2.5钢筋笼下放时做好定位，根据护桩找出桩位中心，调整钢筋笼使钢筋笼中心与桩位中心重合，控制玻璃纤维筋长度位置，保证刀盘掘进区域安全。7.2.6采用空压机及水泵洗井，如果泥浆中含泥砂量较大，可先进行捞渣，再进行洗井。8.2.3灌注砼基础前先搭设灌注平台及运料走道，并设置防护栏杆。钢筋安装以及砼灌8.2.4现场制作雨棚，在降水期间，将雨棚移动至空心桩上方。空心桩四周设置截水沟(30cm×30cm)、空桩设置锁扣为50cm高挡水墙，防止地表水或流入桩内，发生危险。8.2.5空心桩内设置软爬梯，作为应急通道；上方防设置防坠网及临边护栏，防止物品8.2.6采用地质雷达仪LTD-2100型对桩基壁厚进行全断面扫描，保证空心桩壁厚在25~30mm范围。8.2.7空心桩按照规定用途使用，配备抽风设施，改善作业空间空气质量。8.2.8人员在作业区域时，必须时刻观察掌子面状况，若有异常，作业人员迅速撤离，并关上仓门。8.2.9仓门口、地面、盾构操作室内及中央控制室各设一名专职信息联络员，保持土仓内外、地面上下及外界联络畅通，人员每10分钟与施工人员联系一次，确认安全。9环保措施9.1执行标准9.1.1整个施工过程中，全面运行ISO14001环境保护体系标准，系统地采用和实施一系列环境保护管理手段。9.1.2《建设项目环境保护管理条例》9.1.3《中华人民共和国水污染防治法实施细则》9.1.4《建设项目竣工环境保护验收管理办法》9.1.5《关于有效控制城市扬尘污染的通知》9.2控制措施9.2.1严格遵守国家和地方政府部门颁发的环境管理法律、法规和有关规定，根据客观存在的粉尘、污水、噪声和固体废物等环境因素，实施全过程污染预防控制，尽可能减少或防止不利的环境影响。9.2.2将施工场地和作业限制在工程建设允许范围内，合理布置、规范围挡，做到标牌清楚、齐全，各种标识醒目，施工场地整洁文明。9.2.3对容易产生噪音的设备采取合理布局，加强设备润滑和维护保养工作，并严格执行相应作业指导书和设备检点规程，同时尽可能避免夜间施工，以减轻噪音对周围生活环境和居民的影响。9.2.4对钻进时产生废浆和涌出的地下水，应及时排出，泥砂按时清理，并运卸到指定地点；对于露面地面的浆液，在初凝之后及时予以消除并平整。9.2.5弃土要运送至指定地点，防止对周围环境进行破坏和污染。9.2.6施工机械产生的废油料及润滑油等，必须集中收集进行处理，生产用油料必须严格保管，防止泄漏，污染土地。9.2.7施工现场设置完善的排水系统，做到场地内无积水，在场地有水的情况下，水能及时排流。10效益分析10.1经济效益10.1.1施工工期对比根据施工工效统计分析，刀盘检修过程中，总工期在16天内。经统计相同埋深情况下，不采取加固措施开仓换刀作业工期在15天，检修刀盘时包括刀盘内土体加固开挖用时20天。采用竖井作为刀盘检修进行工期需25天。10.1.1空心桩施作刀盘检修井工艺与竖井施工及袖阀管注浆加固进行对比分析，得出以下效益对比。(1)空心桩施作刀盘检修井同袖阀管注浆加固(加固区域长8m,宽4m,深度20m)对比，极大程度上提高了安全性，减少了刀盘前清理工作面工序，提高了施工工效。(2)本研究方法同竖井(单座竖井长2m,宽1.5m,深度20m)对比而言，不需要自钻式锚杆加固，故相应人工材料费用。同时机械化施工，加快了施工速度，节省了相应人工序号费用合计(元)1竖井施工1、竖井开挖土方及外运：每方单价721元/m³,总量150m³,总价112650元。2、C25喷混：单价721元/m²,总量30m²,总价21630元。3、钢筋网片：单价3090元/m²,总量1.15t,192413.5元，双座共384827元。总价3553.5元。4、格栅钢架：单价2000元/m²,总量12.87t,总价25740元。5、自钻式锚杆：单价103元/m,总量280m,总价28840元。21、钻孔安装袖阀管：单价103元/m,总量320m,总价32960元。2、袖阀管注浆：单价61.8元/m³,袖阀管1m注浆量0.6m³计算，总量192m³,总价11865.6元。3、刀盘前土方开挖及外运：每方