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                                      復雜地質條件下地鐵盾構施工要點探究

                                      (福州市地鐵建設工程質量安全監督站)
                                      0引言
                                          隨著我國社會經濟的不斷發展,城市交通的規劃建設也隨之呈現出向下層空間延伸的趨勢,直接導致盾構穿越既有鐵路的工程項目數量越來越多。由于穿越底層的地質狀況具有不可控的復雜特點,盾構施工極易造成地面的沉降和變形,對周圍建筑物和地下管線產生十分嚴重的影響,如果不對其加以重視,甚至還會威脅到人們的生命安全和社會的可持續發展。因此,在不同情況下選用合適的施工工藝顯得尤為重要。
                                      1工程概況
                                          本工程為福州市軌道交通2號線金祥站-祥坂站盾構區間工程,采用中交天和生產的兩臺泥水盾構機施工,在里程ZDK23+820~ZDK24+180處下穿融僑水鄉溫泉別墅區,下穿長度約360m,其中153.5m暫無相應地質資料,如圖1所示;在ZDK24+185(閩江南岸防洪堤)~ZDK24+883(閩江北岸駁岸)處下穿閩江,長698m,其中江面寬度500m(受季節及潮汐影響),其中南岸防洪堤基礎為高壓水泥防滲墻,底部距隧道頂部18m;閩江北岸駁岸基礎為漿砌石,底部距隧道頂部20.5m如圖2所示。
                                      1.1工程地質
                                          (1)過融僑水鄉溫泉別墅段隧道斷面主要地質為淤泥質土層,最小覆土厚度18m,最大富土厚度30m,其中153m暫無相應地質資料。根據兩側相鄰隧道斷面地質情況分析,暫時推斷該區段地層為淤泥質土層,具體土質情況,根據實際掘進過程中進行論證;水位埋深4m,距離隧道頂部14~26m的位置,隧道從融僑水鄉別墅內人工河下經過,隧道頂板位于人工河床面以下20m處經過。據調查,河床底為混凝土鋪砌,地表水與地下水水力聯系微弱,該人工河對盾構施工的影響較小。
                                          (2)過閩江段地質情況以<2-4-2>淤泥質土為主,期間夾雜<2-6>(含粗砂)粉質粘土、<2-5>(含泥)粗中砂及淤泥夾砂,地下水位埋深0.1~4.63m,下穿閩江時最小覆土厚度為8.8m,閩江最大水深12.8m。
                                       
                                       
                                      1.2水文地質條件
                                          勘察范圍內所有鉆孔均遇見地下水?辈鞎r測得鉆孔中初見水位埋深為0.10~6.20m,初見水位標高為2.41~9.12m;混合穩定水位埋深為0.10~7.80m,穩定水位標高為-1.89~9.02m,<2-5>(含泥)粗中砂中地下水由潛水轉為承壓水,勘察時測得<2-5>(含泥)粗中砂的水位埋深為4.06~4.11m,水位標高為3.42~3.87m,且該層地下水與閩江直接相連,靠近閩江附近的地下水受閩江漲落潮變化而變化。1.3施工難點沿線建筑物、管線復雜,沉降控制困難,區間隧道主要側穿凱旋丹楓高層住宅、金匯豪庭高層住宅,下穿融僑水鄉別墅區、閩江防洪堤,側穿江濱大道高架橋基礎等建構筑物,其中金祥路、融僑水鄉別墅、閩江大道等沿線管線密布,建筑物較多,對建筑物影響大、風險高,地表沉降控制較為困難。
                                      1.4盾構選型
                                          根據本隧洞既穿越透砂層,又從淤泥質土中通過,尤其需要承受高水壓和長距離施工,綜合考慮風險、經濟、技術和工期等多種因素,選用氣墊式泥水平衡盾構機進行施工。在施工時盾構機刀盤直徑6500mm,同時增加了耐磨裝置及保護刀具的數量,配置了破碎機,盾構機總推力41600kN,刀盤開口率為27.8%,額定扭矩達到5631kN·m,根據項目需承受高水壓和長距離施工的特點,盾尾設置四道密封。2復雜地質盾構掘進施工要點針對本區間的特殊地質、地表、建構筑物、管線及其他情況,嚴格按照設計圖紙要求進行加固,加固里程為YDK23+601.000~YDK25。如圖3,加固位置為隧道底部120°范圍內,外擴2m,注漿壓力為外界水壓力+0.3~0.5MPa,注漿速率小2L/min,具體注漿量及注漿壓力由現場試驗確定。漿液采用純水泥漿單漿,水灰比為0.6~1.0∶1,初凝30min~2h,施工時以注漿壓力與隧道抬升5mm為雙控指標,穩壓10min即可結束單孔注漿。~2h,施工時以注漿壓力與隧道抬升5mm為雙控指標,穩壓10min即可結束單孔注漿。
                                      2.1泥水壓力及參數設定控制
                                          (1)泥水壓力的設定。為保證泥水盾構開挖面穩定,泥漿壓力必須分別平衡開挖面處的水壓力和土壓力。目前泥水盾構開挖面穩定性計算方法主要有經驗系數法、極限平衡法以及有限元解析法。工程中支護壓力的確定普遍采用經驗法,其一般計算公式為:切口水壓=土壓力+水壓力+預留壓力(20MPa),切口水壓的控制根據水土壓力能夠計算出來。同時需要根據地下水位變化實時調整分析。
                                          (2)泥水參數的控制。根據此區段的地質情況,主要以(含泥)粗中砂、淤泥質土為主,泥漿以新拌泥漿為主,在掘進過程中逐步調整泥漿配比,泥漿的比重控制在1.05~1.15g/cm3,粘度控制在30s左右。在施工過程中,每一環推進前后都要檢測各項泥漿指標,分析泥漿指標變化趨勢,及時調整指標參數至滿足施工要求為止,并做好記錄。
                                      2.2出渣量控制
                                          盾構機掘進時必須嚴格控制每環的出渣量,防止過量超挖。理論出渣量=盾構開挖面積×掘進長度×土體的自然重度;實際出渣量=(排漿流量×排漿比重-進漿流量×進漿比重)×掘進時間,由盾構機控制系統自行進行統計,并由地質工程師根據渣土場出渣量進行復核。一般實際出渣量宜控制在理論出渣量的97%~100%。
                                      2.3同步注漿及二次注漿的控制
                                          同步注漿砂漿由地面攪拌站拌制后,泵送至電瓶機車砂漿攪拌罐,再由電瓶車運送至盾構機,在盾構推進的同時,通過盾尾4個注入口將漿液注入隧道建筑間隙。
                                      2.3.1同步注漿控制
                                          (1)注漿壓力控制。盾構機在盾尾處設有4個漿液注入點,盾尾同步注漿壓力因漿液注入點位置不同而不同,施工中還應根據實際情況進行調整,做到注漿壓力和周圍土壓力維持平衡。本工程的壁后注漿壓力,在始發階段時注漿壓力應控制0.2~0.3MPa之間,隨著埋深的加大,注漿壓力應適當加大,但應根據注漿量聯合控制。
                                          (2)注漿量控制。隨盾構掘進,刀盤與管片之間建筑空隙
                                          理論為:
                                          V=π/4(6.52-6.22)×1.2=3.59m3/環
                                          施工中對注漿點進行壓力、注漿量雙參數控制,保證填充效果。如施工過程中發現漿液注入量持續增多,則必須檢查超挖、漏失等因素。注入量低于預定值時,則應考慮注入漿液配比、注入時期、盾構推進速度過快或出現故障等原因,一般采取加大注漿壓力或二次注漿。
                                          (3)注漿時間及速度。盾構機開始掘進后,即同步開始進行壁后注漿,同步注漿的速度與盾構機推進的速度相匹配最終達到設計的注漿量及壓力。
                                          (4)管路清洗。為確保管路暢通,盾構機總計六備四用注漿管路,在每班掘進結束后應及時對儲漿罐、注漿設備及管路進行清洗,防止停止注漿后出現管路堵塞。
                                      2.3.2二次注漿
                                          由于此區段地下水位較高,且隧道存在上浮風險,在底部120°注漿的基礎上,計劃每十環額外增加一次整環二次注漿,二次注漿漿液采用1∶1的水泥漿液配比,采用壓力與注漿量雙控,壓力與同步注漿壓力相近,使得隧道后方形成止水環箍,達到預防隧道上浮,防止隧道后部水與刀盤前部泥水相通,同時也有一定的穩定后期地表沉降的目的。
                                      2.4推力、掘進速度及刀盤轉速
                                          在試掘進段,應以保證掘進質量、控制地表累計沉降參數為主,以積累綜合施工參數為目的,掘進速度不宜過快,但要進行快速慢速的實驗,整體推進速度控制在20~50mm/min,平均推進速度控制在30mm/min左右,刀盤轉速與推進速度相匹配,推力整體控制在18000kN以下。
                                      2.5管片安裝
                                          管片拼裝點位以滿足隧道線型為前提,重點考慮管片安裝后盾尾間隙要滿足下一環拼裝,確保有足夠的盾尾間隙,以防管片緊貼盾殼對盾尾刷造成損害。管片安裝流程如圖4。
                                       
                                      2.6掘進姿態控制
                                      2.6.1盾構掘進姿態控制
                                          (1)采用演算工坊隧道自動導向系統和人工測量輔助進行盾構姿態監測。該系統能夠直觀地全天候在盾構機主控室動態顯示盾構當前垂直和水平位置與隧道設計軸線的偏差以及趨勢。據此調整盾構機掘進姿態。
                                          (2)通過盾構機鉸接系統及推進系統來控制掘進時的姿態。
                                      2.6.2盾構掘進姿態調整及糾偏
                                          (1)姿態調整及糾偏原則。糾偏應逐環、小量糾偏,防止過量糾偏而損壞已拼裝管片和盾尾密封。曲線段掘進時,應在進入曲線前預留靠曲線內側的偏移量。
                                          (2)掘進姿態調整與糾偏方法。根據導向系統反映的盾構姿態信息及線路條件,結合隧道地層情況,通過選擇盾構機的推進油缸模式來控制掘進方向。同時在曲線段掘進時,按照曲線半徑計算鉸接角度,調節鉸接油缸伸長量輔助曲線施工。推進油缸有兩種模式:主推模式及低壓跟隨模式,在控制面盤上進行選擇。選擇向哪一側掘進,即選擇增加這一側跟隨油缸數量及增加相對一側主推油缸數量。下坡段掘進時則適當增加盾構機上部分區壓力;在左轉彎曲線段掘進時,則適當增加盾構機右側分區壓力,增加左側跟隨油缸數量;在右轉彎曲線掘進時,則適當增加盾構機左側主推油缸數量,增加右側跟隨油缸數量。
                                      2.6.3方向控制及糾偏注意事項
                                          (1)推進油缸油壓的調整不宜過快、過大,切換速度過快可能造成管片受力狀態突變,而使管片損壞。
                                          (2)根據掌子面地層情況應及時調整掘進參數,調整掘進方向時應設置警戒值與限制值,達到警戒值時需立即啟動實施糾偏程序,計算糾偏曲線,糾偏時姿態調整參照糾偏曲線進行。
                                          (3)糾偏作業必須在確保管片相對盾構機處在良好狀態時方可進行,糾偏作業過程中嚴格監控盾尾間隙,每推進30cm,測量一次盾尾間隙,確保盾構機不發生卡殼,盾尾刷不損壞。
                                          (4)蛇行的修正應以長距離慢慢修正為原則,如修正過急,蛇行反而更加明顯。在直線推進的情況下,應選取盾構當前所在位置點與設計線上遠方的一點作一直線,然后再以這條線為新的基準進行線形管理。在曲線推進的情況下,應使用使盾構當前所在位置點與遠方點的連線同設計曲線相切。
                                          (5)正確進行管片拼裝點位選擇,利用管片楔形量進行糾偏。
                                      2.7監控量測技術
                                          盾構掘進前要目前監測項目的監測目標、方法、頻率、控制值以及報警值,再進行監測數據的分析,并及時反饋指導施工。
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                                          綜上所述,地鐵盾構施工面臨許多復雜的地質條件,作為施工技術人員,必須考慮現場實際情況,結合實際情況合理選擇盾構掘進施工技術,嚴格控制盾構掘進狀態和參數,加強掘進過程控制,提高盾構施工管理水平,才能提高盾構施工質量。
                                          參看文獻:中國知網

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