盾构机过海方案0704文档格式.docx
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YDK16+790~YDK16+840(50m)区间隧道主要穿过<
7Z>
强风化混合岩地层,洞顶覆盖层依次为<
强风化混合岩、<
6Z>
全风化混合岩、<
5Z-2>
砂质粘土、<
3-2>
砾砂层、〈2-3〉中粗砂层、<
2-1A>
淤泥层。
其中<
砾砂层最大厚度达8m,距离洞顶最小距离3.6m。
水深0~2.8m,隧道洞顶埋深18~15。
B:
YDK16+840~YDK16+900(60m)区间隧道主要穿过<
8Z>
中风化混合岩、<
9Z>
微风化混合岩地层,洞顶覆盖层依次为<
砾砂层、<
2-1B>
淤泥质土、<
2-3>
中粗砂层。
其中YDK16+850处〈6Z〉地层切入洞内3.0m,〈7Z〉地层切入洞内1.3m,〈9Z〉地层厚度为2m。
水深2.8~6.0m,隧道洞顶埋深18~15。
C:
YDK16+900~YDK17+080(180m)区间隧道主要穿过<
微风化混合岩地层,<
地层起伏较大,洞顶覆盖大部分缺〈5Z-1〉、〈5Z-2〉地层,依次为<
中粗砂层、〈2-2〉淤泥质粉细砂层、〈2-1A〉淤泥层。
隧道中有<
地层出露,厚度约2m-7m。
水深6~10.8m,隧道洞顶埋深18~15。
D:
YDK17+080~YDK17+360(280m)区间隧道主要穿<
微风化混合岩复合地层,洞顶覆盖层大部分<
全风化混合岩层,但洞顶<
、<
厚度很薄且极不均匀,最薄处约为30cm,上覆层依次为<
水深0~9.5m,隧道洞顶埋深18~15。
左线:
左线工程地质与右线差别不大,但在ZDK17+210~ZDK17+230段洞顶切穿<
砾砂层,长度约20m。
<
地层以上依次为<
1.3.1.2水文地质
本段线路按地下水赋存方式分为第四系砂层弱承压水及基岩裂隙承压水,地下水对钢筋混凝土无腐蚀性。
隧道穿越的地层主要为<
地层,渗透系数为0.7m/d。
在A、B、C三段洞顶隔水层覆盖较好,判断地下水与仑头海没有直接水力关系,但在D段洞顶隔水层覆盖较薄,判断地下水与仑头海有一定的水力关系。
1.3.2过官州河工程水文地质
官洲河段地质构造与仑头海相同,但受广三断层影响较小。
详见图-3官洲河地质环境及施工分析。
1.3.2.1工程地质
E:
YDK18+100~YDK18+270(170m)区间隧道主要穿过<
强风化混合岩地层,洞顶覆盖层依次为硬塑状残积土<
5Z-1>
2-2>
,隧道顶板有<
地层出露,隧道底板多处<
强风化混合岩中。
水深0~10m,隧道洞顶埋深7.1m。
F:
YDK18+270~YDK18+383.5(113.5m)区间隧道主要穿过<
强风化混合岩地层,<
起伏较大,除YDK18+270~YDK18+320段有<
切入顶板外,其余地段均穿过<
地层。
洞顶覆盖层依次为<
。
左线工程地质与右线差别不大。
隧道主要穿过<
全风化混合岩和<
强风化混合岩地层。
弱透水层<
在该段均有出露,厚度3.8~15m,ZDK18+285~ZDK18+305段隧道地板有<
伸入,厚达2.4m。
1.3.2.2水文地质
洞顶隔水层覆盖较好,判断地下水与官洲河没有直接水力关系。
2施工难点分析
根据工程地质情况,盾构掘进通过仑头海、官洲河段施工有以下几个难点:
(1)工程水文地质条件复杂,易出现涌水、涌砂现象,施工难度大。
盾构区间隧道穿越地质条件复杂,特别是仑头海南岸段隧道拱顶上方为<
地层,且穿越仑头海断裂,地质情况较差,地下水与仑头海联系,水压力大,加上2m左右高差的涨落潮反复影响,盾构掘进过程中易揭穿洞顶埋深较薄处的含水砂层而出现涌水、涌砂现象;
另外,由于水系连通,有可能因水压过高而造成盾尾漏浆、漏水及管片上浮。
对盾构掘进姿态控制要求高,盾构施工难度大。
(2)地层软硬不均,对刀具磨损大,合理设定掘进参数、推力、刀具配置等参数。
隧道范围内存在混合岩中、微风化硬岩地层,且软硬不均,盾构掘进过程中对刀具的磨损大,如何进行合理的刀具配置,防止刀盘前方形成泥饼或刀具发生非正常磨损;
如何在掘进过程中设定合理的盾构掘进参数,保护好刀盘、刀具,减小刀具的磨损量,保证盾构掘进顺利进行,是本段盾构施工的难点之一。
(3)换刀位置选择及换刀作业。
由于仑头海范围宽约400m,较多地段是徵风化的混合岩,需进行一次甚至两次换刀,如何选择适当的换刀位置,制定气压下安全、合理、可靠的换刀方案,从而保证换刀工作的安全、快捷是本段盾构施工的一大难点。
(4)盾构掘进防泥饼
在官洲河段,盾构机需穿越易结泥饼的<
地层,不适宜滚刀的破岩机理,且滚刀处的开口较小,容易在滚刀处结成泥饼,造成滚刀不转而偏磨损坏,特别是刀盘的中心部位的开口率最小,在刀盘特别是刀盘的中心部位可能会产生泥饼。
当产生泥饼时,掘进速度急剧下降,刀盘扭矩也会上升,大大降低开挖效率,甚至无法掘进。
因此,盾构掘进防泥饼也是本工程的难点之一。
(5)盾构机穿过仑头海河堤。
由于堤岸为重力式挡墙结构,由于堤岸的荷载较大,为此,堤岸的沉降变形控制尤为重要。
3工程水文地质环境分析及掘进模式的确定
3.1仑头海工程水文地质分段及掘进模式
根据仑头海底地层分布,可划分为四段。
详见图-2仑头海地质环境及施工分析。
YDK16+790~YDK16+840区间隧道穿过<
地层,盾构穿越地层单一,中等透水砂层<
距离洞顶最近约为3.6m。
该段采用压缩空气加压平衡模式掘进,如图-4压缩空气加压掘进模式示意图所示。
图-4压缩空气加压掘进模式示意图
YDK16+840~YDK16+900区间隧道主要穿过<
地层,YDK16+840~YDK16+855段,盾构穿越<
三种岩层。
为上软下硬地段,施工时采用压缩空气加压平衡模式掘进,控制好盾构机姿态。
YDK16+900~YDK17+080区间隧道主要穿过<
地层,属穿越硬岩地层,采用压缩空气加压平衡模式掘进。
YDK17+080~YDK17+360,区间隧道主要穿越<
复合地层,洞顶上覆盖<
很薄,最薄处仅为30cm,在ZDK17+210~230段洞顶切穿<
中等透水砂层。
该段既有上软下硬地层,又有洞外水通过中等透水砂层<
进入洞内可能,形成洞内涌水涌砂,甚至出现海底沉降过大。
采用土压平衡掘进模式,如图-5土压平衡掘进模式示意所示。
施工时严格控制盾构机姿态,防止盾构机抬头。
图-5土压平衡掘进模式示意图
3.2官洲河工程水文地质分段及掘进模式
根据官洲河河底地层分布,可划分为两段。
YDK18+100~YDK18+270区间隧道主要穿过全风化混合岩层<
地层,隧道顶板以上均有<
地层出露,厚度约为3-7m。
洞顶覆盖层7.5m,<
粉粒含量占50%以上,<
地层平均天然单轴极限抗压强度2.09Mpa,应采用土压平衡模式掘进,施工时防止结泥饼。
YDK18+270~YDK18+383.5区间隧道主要穿过全风化混合岩层<
地层,顶板主要切穿<
,应采用土压平衡模式掘进,施工时防止结泥饼。
4施工方法及主要技术措施
4.1施工方案概述
盾构过仑头海段施工方案要点
根据仑头海段工程水文地质条件及盾构施工特点,该段方案要点如下:
进入仑头海前YDK16+785处开仓换刀→进入仑头海段掘进(260m)→仑头海内YDK17+050处开仓换刀→继续掘进→盾构过仑头海施工结束。
盾构过官洲河段施工方案要点
根据官洲河段工程水文地质条件及盾构施工特点,该段方案要点如下:
进入官洲河前YDK18+100处开仓换刀→进入官洲河段掘进(260m)→YDK18+383.5处换刀→盾构过官洲河施工结束。
4.2主要技术措施
4.2.1认真总结,充分准备
认真做好试掘进及进海、进河前掘进的总结工作,摸索、初步掌握盾构施工特点及对不同地层的适应情况,研究、总结出不同地层盾构机刀具的合理配置及掘进参数;
在过海、过河前对盾构机进行一次全面的保养检修、更换刀具,安装保压泵渣系统,为过海、过河做好充分的技术准备。
4.2.2掘进方法及措施
硬岩地段
a.硬岩段岩层自稳能力好,采用气压平衡模式推进,土仓中的气压按略低于掘进断面处的静水压力设定,并随海潮的涨落而变化。
加气掘进也能达到较好地止水效果。
为了不使压气进入螺旋输送机而造成喷渣危害,土仓中的渣量应达到1/2~2/3仓。
同时,也有利应急向土压平衡掘进过度,确保安全。
b.掘进参数选择:
刀盘转数3.5~4(r/min);
在此模式刀盘推力受刀盘每把滚刀轴承承受能力150~200(kN)的限制;
刀盘扭矩在此掘进模式下,不受限制;
推进速度为15~5(mm/min)。
c.根据200m始发掘进时,根据在刀盘上相邻位置安装的不同品牌滚刀的磨损状况,在过海(河)之前的换刀时,一定要选用强度高且耐磨品牌的新滚刀,安装在刀盘的边缘和园弧过度处,以减少刀圈磨损,避免在河底进行气压下换刀的麻烦。
处在刀盘边缘和过度园弧位置的每把滚刀的磨损量最大不能达到10mm,一般在此磨损量之前,就必须全部更换成新滚刀,确保盾构机的掘进洞径大于6260mm以上(大于盾体外径6250mm)。
这些换下的滚刀可安装在刀盘正面靠中心位置再使用。
在刀盘正面上的相邻位置的滚刀刀尖高度差不应大于5mm,以确保破岩效果。
d.向切割表面喷射泡沫,一方面给滚刀降温,确保刀具的强度和硬度不受切割高温高而降低,另一方可以减轻刀具与岩面的摩擦,降低刀具温度,减少刀具磨损。
e.均匀的控制推力并适当将管片背后的注入浆液(注入压力略大于土仓中的气压)向盾体外表流动,充填盾壳外表空隙以降低盾构机的切割硬岩时的振动,降低刀具和机器的磨损。
f.掘进硬岩地段时,由于水压、线路纵坡变化、管片背后注入的浆液的初凝时间较长及掘进推力的相互影响等原因,造成管片上浮时有发生,施工时分析原因,制定相应的解决办法。
g.掘进硬岩地段,由于刀盘的扭矩容易造成盾构机滚动,应及时转换刀盘旋转方向,换向时千万不能过急,以避免冲击而损坏机器。
h.掘进工作领班,要经常到土仓隔板处巡视,通过触听土仓中的异常声响及监控室的仪器的数据变化,判断刀具及机器的工作状况。
i.需要较长时间停止掘进前。
应继续一段不排土掘进,将改良好的渣土装满土仓,停止加气,用土仓中的设定土压来平衡水土压力,保持工作面稳定。
上软下硬地段
盾构机穿越上软下硬地层是指开挖面下部分为硬岩(<
),上部分为软岩(<
),即开挖面岩石抗压强度差别很大,岩层分界较明显。
这种“软硬不均,上软下硬”且含水量较大地质极易引起隧道顶部软弱而超挖,局部塌方,地表过量沉降甚至地表沉陷。
仑头海中及南岸地层与此相似。
施工中的主要措施如下:
a.利用换刀时间,提前安装调试好保压排渣系统,以利用于遇到涌水、涌砂时的保压排渣作业。
b.在仑头海底的气压下换刀中,可以合理的将刀具布置适应掘进软弱不均上软下硬的地层,避免出现推不动时才更换刀具。
c.在上软下硬的含水地层里采用加气欠土压平衡掘进,气压略低于水土压力,可以抑制喷水,减轻水土流失和地表塌陷。
如果遇到涌水涌砂不严重时,首先采用螺旋输送机上的双闸门交替启闭的保压出渣,严重时,关闭双闸门,启动保压泵排渣系统排渣。
d.盾构机在上软下硬的地层中掘进,盾构机姿态难以控制的情况,必要时可采用扩挖刀底部硬岩,控制掘进方向。
在此类地层中推进速度控制在15~35mm/min。
发现偏差时以便及时纠正。
e.盾构掘进过程中,严格控制出土量,及时校对进尺和出土量的关系,避免无效(多馀)排土。
f.洞外观测地表下沉,在进入该段前约30m开始,在洞轴线的地表每隔5m设置一处测点,用于监测盾构机掘进到达和离去阶段,各点的沉降值与盾构机掘进参数之间的关系,总结出适应该地层掘进参数和注浆参数。
收集必要的掘进参数和地层信息,以信息反演地层结构。
4.2.3盾构机在海底、河底掘进中,要每天进行渣土性质分析,严密监视渣土的成分变化,判断前方地层情况,及时调整掘进参数。
对渣土中不同成分土粒含量也要进行认真分析、研究,掘进时加入足量的泡沫剂进行充分的渣土改良,每环泡沫剂(主要向切割表面注入)加入量不少于35L,避免刀盘前方形成泥饼。
4.2.4盾构机在海底、河底掘进中,要建立严格的渣土管理制度。
对出渣量进行认真统计,每环出渣量与临近的没有发生坍塌一个掘进环出土量比较决定。
土压平衡掘进时最多不得多于65m3,硬岩地段的开放式掘进时,按1.5的松方系数计算,每环渣土量最多不大于70m3。
目的是防止因出渣量过多造成刀盘前方土体损失过大引起地层失稳、坍塌。
4.2.5严格控制掘进参数。
按土压平衡模式掘进时,每5m计算一次土压力,并用改良好的渣土充满土仓实测水土压力验证计算值而设定土压。
严格按设定的压力掘进。
为保护刀盘和刀具,在掘进过程中推进速度15~35mm/min,刀盘转速1.7~1.9r/min,刀盘扭矩≤180bar。
4.2.6盾构过仑头海在半径为800m的曲线上掘进时,铰接油缸最大行程小于100mm,行程差小于40mm,以防范铰接油缸发生渗漏。
在过海、过河之前,对盾尾密封刷内加足油脂,确保盾尾的密封性,防止因盾尾密封性不好而发生涌水、涌砂、漏浆,甚至盾尾被高水头压力击穿等事故。
5施工管理
5.1施工技术管理
5.1.1土压平衡管理
土压平衡工况掘进特点
对于自稳性差的土层,当土压仓内的压力与开挖面的静止水压和土压力相平衡时,开挖面就保持了相对的稳定。
螺旋输送机进行排土作业时,要保持排土量与开挖量的平衡,以保持土压仓内土压力的稳定。
土仓压力值的确定:
土仓压力值可由下式确定:
P=P水+P土
=γ水h+∑γihitg2(45o-φi/2)
式中:
γ水—水的比重,单位kN/m3;
h—水面到隧道中心的距离,单位m;
γi—各层土的浮容重,单位kN/m3;
hi—各层土的厚度,单位m。
由此,土仓压力设定为0.16~0.24Mpa。
土仓土压力值也应实时设定,应随土层的变化而变化,以保证土仓的土压力足以平衡开挖面的压力。
5.1.2同步注浆、二次注浆管理
在海底、河底掘进时,由于地层含水量,水压力高,注浆时遵循“同步注入,快速凝结,信息反馈,适当补充”的原则。
5.1.2.1注浆方式
采用盾尾同步注浆方式及时注入单液浆填充环形建筑空间。
即在盾构机推进时通过安装在盾壳内4条内置式注浆管向盾尾处的环形建筑空间注入填充浆液材料,每条管上设有压力表和阀门,该管通过软管与2台砂浆泵的4个泵腔分别相连。
5.1.2.2注浆材料及配合比选择
注浆材料:
选用可注性强、经久耐用、结石体强度高,对地下水和周围环境无污染,价格相对低廉的水泥砂浆。
注浆材料及配合比选择:
良好的浆液性能体现在以下及个方面:
a浆液的充填性。
b浆液的和易性好,离析少。
c浆液初凝时间早,强度高。
浆液硬化后体积收缩少。
d浆液稠度合适,不被地下水稀释。
盾构机始发前针对区间各种地层的地质和水文条件的差异,拟配4种不同单液硬性砂浆,初凝时间5小时~6小时。
在盾构机掘进过程中不断对浆液进行动态管理,摸索浆液在不同地层中适应性。
5.1.2.3注浆参数
注浆压力的确定:
注浆压力是注浆施工主要的控制指标。
理论上对于自稳性差的地层,注浆压力应与开挖面的水土压力之和平衡。
注浆压力应比理论值稍大,根据本段地质和隧道的覆土厚度情况,注浆压力控制在0.3~0.5MPa。
注浆量的确定:
盾构机在推进过程中,除了排出洞身断面上的土体外,还存在着其它方面的土体损失,这些土体损失主要来源于以下几个方面:
一是盾尾管片安装后形成的空隙;
二是曲线地段推进时超挖引起的土体损失;
三是盾构机纠偏产生的土体损失;
四是盾构机蛇形运动产生的土体损失。
盾构机的刀盘外径为6280mm(隧道内径φ=5400mm米,管片厚=300mm,每环管片长L=1500mm),每环同步注浆需求量为理论注浆量的150%~180%,计算得:
Q=6.1m3~7.3m3。
注浆量还应根据地表隆陷监测情况随时进行调整和动态管理。
5.1.2.4二次注浆
二次注浆因无法计算衬背空隙量,现场注浆时以注浆压力来控制,超过控制压力即停止注浆。
若盾构机通过后经检查发现同步注浆没有达到理想效果,则需从相应位置的管片注浆孔进行二次注浆,注浆前需在孔内装入单向逆止阀,并凿穿外侧保护。
双液浆基本配比(1m3):
水泥275kg,陶土粉80kg,稳定剂3.6L,水785L。
水玻璃77L,凝胶时间7~11s(引自上海地铁双圆盾构施工技术)。
注浆压力一般按小于0.3Mpa为宜。
注浆量由浆压控制。
5.2设备保障管理
5.2.1刀具配置及更换
5.2.1.1刀具配置
根据仑头海、官洲河段的地质条件,分别采用不同的刀盘布置形式。
仑头海:
仑头海段盾构区间隧道穿越<
微风化混合岩地层,以<
地层为主,单轴抗压强度达26.2~90Mpa。
此地层刀盘布置如下:
4把中心滚刀,31把单刃滚刀,64把切刀,8把弧形刮刀,1把超挖刀。
图-6过仑头海、官洲河刀盘布置示意图
官洲河:
官洲河段盾构区间隧道穿越<
中风化混合岩,以<
地层为主,单轴抗压强度为8.85Mpa。
为保证盾构机顺利过河,此段盾构掘进刀盘布置仍采用硬岩刀盘布置形式,如图6所示。
5.2.1.2刀具更换
根据对沿线地质环境的综合分析,在过仑头海和官洲河前先选择适当位置进行刀具、刀盘检查及更换。
过仑头海段换刀一次,过官洲河段前拟在盾构机过官洲站时进行换刀施工。
过仑头海段右线和左线检查及更换刀具作业地段具体位置见表5-1、5-2说明。
表5-1右线换刀地段的选择及说明
地段里程
YDK16+785
YDK17+050
YDK17+350
地层情况
洞顶
自下往上依次为<
1>
5Z-1>
地层
洞身
地面建筑
为仑头环村路边
隧道上方为仑头海
无
说明
距上个换刀地段约300m,盾构机掘进通过<
7z>
地层(有少量<
8z>
地层侵入隧道)后进入预定换刀地段,洞身岩层整体性强,在无气压条件下换刀,此处换刀后盾构机将掘进通过仑头海底,为减小海底换刀机率,防止刀具带病作业,更换整盘刀具。
距离上个换刀地段约260米,隧道掘进通过<
地层,<
地层约占1/2,无气压条件下换刀。
距离上次换刀地段约300m,盾构机掘进通过<
地层后进入预定换刀地段,开始换刀作业,把部分正面单刃滚刀换成正面齿刀(16把)、部分中心滚刀换成中心齿刀(2把),以适应盾构机将要掘进通过的<
5Z>
检查及更换刀具在无压条件下进行。
线路坡度
4.08‰
37‰
覆盖层
厚度
约30m。
距离仑头海底约15m。
约15m。
注:
右线过仑头海施工共有三次换刀,换刀时对设备进行全面检修,检查刀盘、刀具的磨损情况,修补刀盘、更换全部的刀具。
表5-2左线换刀地段的选择和说明
YDK16+775
YDK17+352.5
洞顶覆盖层
>
仑头环村路边
地层侵入隧道)后
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