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长距离穿越强风化板岩盾构适应性分析研究

摘要:本文通过对长沙地铁 4 号线长距离穿越强风化板岩的施工经验分析,从盾构刀盘与刀具、渣土系统、渣土改良系统、注浆系统四个方面全面的阐述了盾构在强风化地层的适应性。从刀盘刀具的配置与渣土改良的方法解决了盾构掘进中刀盘形成泥饼的问题,同时总结了在施工中同部注浆容易出现的问题,并提出解决办法。
0 引言
  随着我国地铁建设逐渐进入高潮,盾构法施工由于其安全性好、施工速度快、环境污染小等因素被广泛推广使用。然而由于地质条件复杂多变,盾构施工中在不同地层中的施工参数与特征也不尽相同。现结合长沙地铁 4 号线茶子山站~滨江新城站区间与滨江新城站~六沟垅站区间的施工经验进行分析研究。对长沙地铁 4 号线实际施工遇到的问题及相关参数进行分析总结,重点阐述盾构机在长距离穿越强风化地层时各个工作系统的适应性。避免在掘进中由于岩土类型、水文地质条件、岩土力学性质等因素所带来的施工问题。
1 工程概况
  长沙市轨道交通 4 号线一标第四项目工程含一站两区间,分别为滨江新城站,【茶~滨】区间和【滨~六】区间。本标段区间盾构机穿越主要地层类型为强、中风化板岩层,部分区域需穿越微风化板岩地层 (每个区间均有约500m微风化板岩地层);拼装管片设计尺寸为外径 6000mm、内径 5400mm、宽度 1500mm;管片拼装模式为 3+2+1,纵向连接管片螺栓 16 根,环向连接管片螺栓 12 根。
  【茶~滨】区间左线起讫里程 ZDK21+778.200~ZDK23+205.275,全长 1427.370m,区间右线长 1417.075m;【滨~六】区间左线起讫里 ZDK23 +407.975 ~ZDK24 +249.700,长840.387m,区间右线长 841.677m。茶滨区间设置两个联络通道,滨六区间设置一个联络通道,两区间均为单坡形式。茶滨区间最大坡度为 23‰,隧道覆土 10~30m。滨六区间最大坡度为 25.107‰,隧道覆土 9~15m。
2 工程地质概况
  根据勘察结果,茶~滨、滨~桐区间场地沿线覆盖层厚度不均匀,基岩主要为元古界板溪群板岩,岩体为较破碎~较完整,局部存在全风化层,地层均匀性一般。茶~滨区间隧道结构底板主要地层有<7B>强风化板岩、<8B>中风化板岩、<9B>微风化板岩;结构顶板主要地层有<7B>强风化板岩、<8B>中风化板岩;结构线内地层主要地层为<7B>强风化板岩、<8B>中风化板岩、<9B>微风化板岩,隧道区间围岩级别为Ⅳ~Ⅴ级。滨~桐区间隧道结构底板主要地层有<7B>强风化板岩、<8B>中风化板岩、<9B>微风化板岩;结构顶板主要地层有<5-2>粉质粘土、<6B>全风化板岩、<7B>强风化板岩、<8B>中风化板岩;结构线内地层主要地层为<7B>强风化板岩、<8B>中风化板岩、<9B>微风化板岩,隧道区间围岩级别为Ⅳ~Ⅴ级。区间盾构通过地段房屋众多,部分为桩基础,地面沉降控制严格。
  区间穿越的主要地层特性如下:
  <7B>强风化板岩:褐黄、褐灰、青色,大部分矿物已风化变质,节理裂隙极发育,岩芯极破碎,呈碎块状,局部短柱状,岩块用手可折断,冲击钻进困难,回转钻进容易,属极软岩,岩体极破碎,岩体基本质量等级为Ⅴ类。经地质勘察,天然抗压强度最大 2MPa, 最小 0.68MPa, 平 均1.09MPa。
3 水文地质条件
  本标段两区间场地位于湘Ⅰ~Ⅲ级阶地,地势平缓,地面标高 40~60.5m。湘江位于场地以东,距本场最近距离约430m,基本呈南北流向,年平均水位标高 29.7m。【茶~滨】区间稳定水位埋深 4.20~12.50m,相当于标高 42.80~52.88m;
  【滨~六】区间稳定水位埋深 2.80~6.80m,相当于标高 32.58~47.20m。本勘察区地处中亚热带湿润季风气候区,降雨量大于蒸发量,大气降雨是本区地下水的主要补给来源,地下水位变化主要受气候及湘江水域的控制,每年 4~9 月份大气降水丰沛,是地下水的补给期,其水位会明显上升,每年的10 月~次年 3 月为地下水的消耗期和排泄期,地下水位随之下降,湘江水面是勘察区地下水的排泄基准面。根据长沙地区经验数据,常年变化幅度 4.00~8.00m。
4 刀盘与道具的适应性分析
  本工程的重点在于长距离穿越强风化板岩,盾构在此类地层掘进时,刀盘中心区和土仓中心区容易形成“泥饼”,产生堵仓现象,造成刀盘转动负荷加大,排土不畅,甚至停止转动,同时造成土仓内温度升高,影响主轴承密封的寿命,严重时会造成主轴承密封老化破坏,“泥饼”现象往往会堵塞滚刀,使滚刀发生偏磨。
  本台盾构机采用辐板式刀盘由于其兼有面板式和辐条式刀盘的特点,由较宽的辐条和小块幅板组成,切刀和滚刀分别布置在宽辐条的两侧和内部,开口率约在 35~50%之间。考虑到开挖面稳定、土压保持、砂土的流进性、刀盘负荷和扭矩及检查换刀等因素并结合同类地层的施工经验,我们选择刀盘的开口率为 35%左右的辐板式刀盘。针对本区间地质情况为了确保盾构机在此地层下的顺利掘进,故采用可以灵活更换的背装式刀座,在施工过程中可以根据实际情况将中心滚刀改为为中心撕裂刀,增大中心区的开口率和切削效果来改善对“泥饼”的破碎效果,避免“泥饼”的形成。本工程刀盘中心开口率增大为 40%。
(图 1、图 2)
  盾构机掘进过程中,为了对渣土进行充分的改良,必须在刀盘以及土仓内设置泡沫、膨润土、高分子聚合物等添加剂的注入口,以便改良渣土,使渣土具有充分的流动性及合宜性。在刀盘法兰中心隔板上预留有 4 个高压冲水接口,冲水方向指向四个支腿,在刀盘面板上沿径向设置6 个注入口,土仓内承压板上设置 2 个。刀盘上设有搅拌臂,随着刀盘转动可以均匀的对土仓内的渣土进行搅拌,同时配合土仓加水系统,可以使强风化板岩遇水软化并均匀搅拌,起到良好的改良效果。
5 渣土系统的适应性分析
  渣土系统由螺旋输送机和皮带输送机组成。螺旋输送机最大扭矩 178kNm,最大转速 19rpm,最大能力(理论)350m3/h。皮带机驱动功率 37kW,速度最高 2.5m/s,最大能力 450m3/h。在裂隙水丰富的强风化板岩掘进中,常出现喷涌现象,故在螺旋输送机出口处装有液压剪式闸门作为防喷涌门,可迅速关闭,以防涌水。出碴门应急关闭系统具有手动自动双功能,可在自动关闭系统失效时手动关闭。在螺旋输送机内设有转速传感器与压力传感器,可根据传感器反馈数据及时判断处理情况。螺旋机内同时配有泡沫及加泥设备的传感器,可以调整参数,改良渣土效果。在掘进过程中常出现渣土块体过大,将皮带机压死的现象。故在螺旋机下部出渣口处设置横向档杆,当渣土块体在重力作用下撞击在挡杆处,可以起到减小渣土块体防止压死皮带的作用。同时在皮带机前后两个传动轴处设置高压冲洗装置,可以有效的防止渣土运输过程中的泥浆,与部分未搅拌均匀的泡沫剂等残积在皮带传动轮上从而导致皮带打滑,从而无法正常运输渣土。
6 渣土改良的适应性分析
  根据实际经验,在掘进过程中渣土改良的效果往往是直接影响着盾构掘进的是否顺利的重要因素。如何将掘进过程中切削下来的土体,通过一定比例的外加剂调和成具有良好的和易性、流塑性与较低的不透水性等特性,从而达到保持掌子面土压平衡同时将一部分渣土通过螺旋机顺利排出的效果是渣土改良的根本目的。在强风化地层中切削下来的土体常常很难具有理想的性质,由于土体缺乏流塑性在土仓内排水固结,土体不断积累从而造成的结泥饼的问题,严重时导致积仓闭塞,只能通过人工进入土仓清理从而加大施工风险。适当的渣土改良可以减小土体的内摩擦角,减小土体透水性,同时改良后的土体可以起到润滑降温减小道具磨损降低刀盘转矩的效果。
  在现实施工中经常使用的改良方法为向土体内加入泡沫剂、膨润土、分散剂、水等改良剂。在盾构机内配置了6 路单管单泵单喷口泡沫注入系统,通过旋转接头往刀盘前面 6 个喷口喷注,必要时也可向土仓与螺旋机内注入泡沫。发泡方式由原来的管路中混合直接发泡变为在混合箱充分混合后由泡沫泵泵送发泡,增强发泡效果,降低泡沫消耗量。每路泡沫管道与喷口阻力不同时,各路泡沫仍能按其设定量喷注。
  膨润土注入系统由膨润土罐、膨润土输送泵、流量传感器、过滤器和刀盘及螺旋机注入点等组成。同时在盾壳周圈设有膨润土注入口,在需要时可以注入膨润土以降低推进阻力。该系统具有手动和自动控制功能。
  经过掘进过程中的经验总结与强风化板岩遇水易软化的特点,一般情况下要确保泡沫的注入率不小 20%以上才能确保良好的改良效果。同时在切削土体流塑性差含水量低时可以通过土仓加水与膨润土系统注入一定量水配合泡沫剂可以起到良好的改良效果。
7 注浆系统的适应性分析
  注浆口设计在尾盾左上、右上、左下、右下位置。盾尾注浆管共有 4×2 根,正常情况下 4 用 4 备。
  注浆时根据超挖情况,调整泵出口管路连接位置进行作业。备同时满足单液同步注浆及二次双液注浆要求,在单液同步注浆过程中砂浆通过尾盾内置的注浆管路进行同步注浆作业,同时具有注浆自动清洗功能,注浆完成后,可通过向砂浆罐及砂浆罐与注浆泵连接处,注入膨润土或水,进行清洗,清洗后的污水排放到污水管路里。
  在每台注浆泵的活塞尾部安装有脉冲计数器,通过计量注浆泵的泵送次数来计算浆液的注入量 。 采用SCHWING 的 KSP12 型注浆泵,单杠泵送一次的注入量为12L。并带有注浆环累计量和总累计量的显示,以方便指导施工。
  流量控制:靠泵的动作次数来控制,动作次数有脉冲计数器来检测,由此调节调速阀控制流量。
  压力控制:通过控制注浆压力来进行注浆控制,压力检测点位于注浆管与尾盾的连接四通处,可更准确的反应注入管片背部的注浆压力。
  目前施工中主要使用浆液分为新型浆液、可硬性浆液、惰性浆液、双液浆。根据强风化地层的性质本工程主要采用可硬性浆液与双液浆配合使用。
  可硬性浆液主要由水泥、粉煤灰、膨润土、细沙、水组成,具有初凝时间较短,早期强度高,可以有效的对自稳能力差的地层进行加固,增强地层稳定性。
  双液浆主要由水泥浆液与水玻璃组成,其流动性、抗水分散与泌水率都要优于其它浆液。施工时将两种液体混合注入可以起到加快凝固时间的作用。同时也可以通过调整两种液体的比例,灵活改变初凝时间,适应不同地层的施工条件。
  由于盾构机的开挖直径大于盾体直径,盾体与围岩之间会存在一定间隙,当管片脱离盾尾的过程中要通过同步注浆的设备将可硬性浆液注入间隙之间,减小地表沉降量。在注浆过程中要严格控制注浆压力与浆液的注入量。注浆压力通常保持在 0.2MPa 左右,过高会导致浆液通过盾体与围岩的间隙流入土仓从而造成浆液浪费,影响渣土改良效果。当地层含水量较高时为了防止管片上浮现象,通常浆液主要通过盾体上部的两个注浆孔进行注浆。在同步注浆的过程中隧道的拱顶部分,由于其位置的特殊性经常出现注浆不饱满的情况,容易造成壁后的过水通道。随着长距离的掘进会导致管片后的积水逐渐积累并通过拱顶汇集至盾尾,在水压得作用下穿透盾尾密封造成盾尾漏水,将壁后未凝固的浆液冲出稀释导致壁后空洞较大引起地面沉降。所以根据实际情况一般在距离盾尾十环的位置,使用二次注浆机注入双液浆作为止水环。止水环的位置过近会导致浆液流向盾尾,将盾尾抱死。过远将无法起到止水效果。同时通过管片扫面查找管片后存在空洞的地方进行二次补浆,保证围岩的稳定性。 
8 结语
  通过不断地施工总结盾构机在长距离穿越强风化板岩的过程中应该着重注意考虑如何配置道具并选择合理的刀盘开口率,防止刀盘与土仓出现结泥饼的问题。并通过渣土改良系统的配合注入一定比例的泡沫、水、分散剂等改良剂,使土体获得良好的流塑性,保证渣土系统的顺利出渣。在掘进过程中根据地层实际情况合理选择同步注浆的浆液类型,严格控制注浆压力,并配合二次注浆进行止水环与壁后不饱满处的补浆,保证围岩稳定性减小地面沉降。

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