湖北快3资讯
联系我们

福建中天重工机械设备有限公司

电话:0731-89783591

Email:2324467190@qq.com

Q   Q:2324467190

营运中心地址:湖南省长沙市天心区芙蓉南路和庄A1-3110

您当前所在的位置: > 湖北快3资讯 > 行业新闻 > 行业新闻

填海区复杂环境下地铁盾构施工技术

钟国辉
(广东省基础工程集团有限公司
1工程及地质概况
    深圳地铁2号线土建2203标段项目,建设场地于2002年后由填海而成,属新近填海区,早期处于海水之中,场地原始地貌为大沙河三角洲及海滩或海冲积潮间带,后采用吹砂或填土石等方法填海造陆;场地第四系砂层厚度大,含水性好,地下水位较高,补给来源丰富,海潮引起的动压水对盾构施工影响很大;地铁区间隧道多处穿越建筑密集区,穿越滨海大道,穿越填海区以及岩层起伏较大、地层软硬不均、局部存在微风化球状体的地层;局部隧道位于全断面淤泥和砂层,地层稳定性差。本标段包括两站两区间,即登良站、登后区间、后海站、后科区间(如图1),两区间隧道采用盾构法施工,隧道内径5.4m,两区间各设1座联络通道和废水泵房,联络通道采用矿山法施工。
 
   根据钻探资料揭示,覆土表层为人工填筑的素填土(或石、砂),其下为第四系全新统海积淤泥、砾砂(含淤泥)、冲洪积粘土、砾砂,第四系上更新统冲洪积淤泥质粘土、粘土、砾砂,中更新统残积砾(砂)质粘土,下伏基岩为燕山期粗粒花岗岩。场地地下水主要由松散土层孔隙潜水和基岩裂隙水组成,其中孔隙潜水主要赋存在第四系全新统粗砂(含淤泥)、砾砂,上更新统砾砂层中,此外粘性土、残积砾(砂)质粘性土、全风化岩也有赋存。地下水位埋深1.7~3.9m,水位高程-0.78~1.05m。地下水主要补给来源为大气降水,其排泄以径流为主,场地原始地貌为滨海潮间带,现已填海造地。
2填海区复杂环境下盾构施工技术
2.1盾构选型
    区间隧道穿越的地层为填海区工程地质及水文地质异常复杂的地层,既有全断面砾砂层,又有砾砂与砾质粘土混合的地层,局部存在中微风化粗粒花岗岩,因此对盾构选型进行了如下综合考虑:
    ⑴盾构敞开式和闭胸式比选。根据地层自稳性差且对地表沉隆要求较高,选择闭胸式盾构机。
    ⑵土压平衡盾构与泥水平衡盾构的选择。对隧道洞身范围内的土质及其渗透水性进行分析,结合盾构掘进中平衡模式与地层渗透系数的经验关系图,同时考虑其他各方面施工条件因素的影响,确定本标段地层选择土压平衡盾构优于泥水平衡盾构。
    ⑶刀盘设计及刀具配置。在掘进填海区特殊地层时,既会碰到硬岩地层也会碰到软岩地层,更有可能是上软下硬的地层,所以刀盘设计需要重点考虑重载时刀盘的刚度和强度。根据广深地区的施工经验,结合本标段特殊岩层,刀盘设计成面板式,刀具种类包括中心双刃滚刀、单刃滚刀、中部小刮刀、边缘刮刀等。
    ⑷螺旋输送机、渣土改良系统、加压系统的适应性选择。为有效防止喷涌现象的发生,选择了中心轴式螺旋,增加了螺旋带的耐磨强度,同时增大了螺旋机直径和扭矩,既满足了盾构快速掘进的要求,又能有效防止大块的粗粒花岗岩卡死螺旋机现象的出现。渣土改良系统解决了应对各种地层独立注入泡沫剂、膨润土、聚合物、分散剂等各种材料的要求,加压系统满足在特殊情况下需开仓检查、更换刀具的带压进仓作业的要求。
    ⑸对几项重要参数的复核计算。根据地质的各项物理力学参数,按照最不利情况对盾构机推力、扭矩、出土能力、同步注浆能力进行了复核计算,确保最不利情况下盾构能顺利掘进。
2.2盾构掘进参数控制
    区间隧道穿越的地层为填海区富水动水砂层,地下水水头高,渗透系数大,大部分地段为软硬交界面复杂地层;在隧道穿越的上覆层存在3~8m填石层,因此对盾构掘进参数采取了如下控制技术:
    ⑴掘进参数的计算分析
    a.土仓压力:土仓压力控制值主要受地下水压力及隧道埋深的影响,土压越高,推力越大,此类地层喷涌的几率也越高。由于基岩段进行了适当加固,使地层具有一定的自立性,并在盾构掘进的同时,隧道两侧进行降水,将地下水位尽可能降低并保持稳定,所以土场压力计算的理论值我们根据现场实测地下水位取值,并略为提高。
    b.扭矩:刀盘扭矩一般情况下主要受设备性能控制,但是实际操作中需与地层情况相协调,本工程根据经验数据并保守考虑不大于2000kN·m。
    c.推进速度:根据勘察情况基岩面突入隧道开挖限界最大3.8m,盾构开挖限界6.28m,取坚硬岩在掌子面面积占比60%,软弱地层在掌子面面积占比40%;考虑前期砂层掘进速度取60mmmin,根据调查类似强度全断面硬岩掘进速度取15mmmin,刀盘转速1rabmin,IAB=[IA(aIA+bIB)]IA=11mm。
    d.参数分析:土压盾构需要控制的参数主要包括掘进模式、土舱压力、刀盘转速、推进速度、泡沫用量、注浆压力及注浆量等,在初始掘进期间,根据理论数据和以往经验设定相关参数,再根据地表监测数据和推进效率对初始参数进行适当调整,使之适应于盾构施工。始发时,受始发平台、反力架的限制,推力不宜过大,为保持洞门周边地层的稳定,同时因土体已经加固,可降低土压力,以欠压模式推进。穿过加固体后,在确保洞门圈稳定的情况下,参照地面沉降监测结果,逐步调高土舱压力至合适数值。
    ⑵主要掘进参数的确定
    a.土仓压力:当土质渗透系数较大时,土舱压力可采用水土分算,即P0=Pc+Pw=K(0g′H+q)+rwH,式中Pc为土压力;Pw为水压力;K0为土的有效内摩擦角,K0=1-sinj′;H为盾构工作面中心处深度;g′为土的有效重度;q为地面超载。当土质渗透系数较小时,土仓可以采用水土合算,即P0=K0gH,式中g为土的饱和重度。后科区间右线因土质渗透系数较小,主要参照水土合算,同时根据左线经验,应适量调低理论数据。
    b.掘进模式选择:后科左线需要过滨海大道等重要建(构)筑物,在此期间选择土压平衡模式掘进,控制地表沉降,过滨海大道后荒地段可以采用气压辅助模式推进。
    c.出土量控制:理论出土量为pD2L4=46.4m3环,砂质粘性土的松散系数在1.1~1.3之间,盾构推进出土量控制为51~60m3环。
    d.推进速度:砂质粘性土地层中正常推进速度在2~4cmmin之间,过低则应分析原因,避免盲目掘进导致刀盘刀具的损坏等意外事故发生。
    ⑶盾构掘进的技术措施
    a.在不同地层采用不同的掘进模式,有利于消除土舱及刀盘泥饼,提高推进效率;
    b.土仓压力采取设定掘进速度、调整排土量或设定排土量、调整掘进速度两种方法建立,并应维持切削土量与排土量平衡,以使土仓内压力稳定平衡。
    c.盾构机的掘进速度主要通过调整盾构推进力、转速(扭矩)来控制,排土量则主要通过调整螺旋输送机的转速来调节。在实际掘进施工中,应根据排出的碴土状态,以及盾构机的各项工作状态参数等动态调整优化,通过碴土改良措施增加碴土的流动性和止水性。
    d.通过理论分析计算,采取了低转速、低贯入度、低扭矩等掘进参数,同时在施工过程中根据实际地质情况和地面监测数据不断局部调整各项掘进参数,采取对应的施工控制技术措施,以及结合盾构施工远程实时监控系统,对盾构施工中各系统的参数进行严密监控,在掘进过程中合理控制参数,成功实现了一次性成功通过长38.4m的基岩隆起段,在随后的刀具检查中未发现非正常损坏或磨损超限的情况。
2.3刀盘刀具配置及换刀技术
    ⑴刀盘设计S-471盾构机刀盘是海瑞克公司专门为本段区间地层设计的,适用于软土地层,其主要特点如下:①刀盘、刀具有专门耐磨保护,例如刀盘面上焊有hardox板,外圈上有耐磨格条(如图2),盾构机出洞后发现刀盘面并无多大磨损,只是耐磨格条磨损了部分,真正起到了保护刀盘的作用;②大碴土出口利于碴土流动,28%的开口率,保证切削下的碴土能顺利地进入土仓,不在刀盘正面滞留过久,造成刀盘、刀具的过多磨损;③4条独立的泡沫注入管(刀盘上有8个泡沫喷嘴),刀盘切削土体时注入泡沫用于碴土改良以降低刀盘及刀具的磨损,如后科区间右线完成掘进后,共用泡沫剂25罐,降低刀具的磨损量。
 
    ⑵刀具配置S-471盾构机在后科区间右线掘进前刀具配置为:中心5把贝壳刀+1把羊角刀、刀盘面上14把滚刀、辐臂1、3、5、7上共64把小刮刀、刀盘边缘上内外各16把边缘刮刀。
    ⑶刀具磨损情况和换刀位置预测经过半个区间的掘进(约610m),后科区间右线范围内刀盘切削的土层以〈8-2〉、〈8-3〉砂质粘性土为主,又由于在切削素连续墙时造成刀盘正面齿刀和小刮刀(大半径处)刀头的磨损,到联络通道开仓检查刀具时发现10把正面齿刀和内16把边缘刮刀刀头部分已基本磨蚀,6把中心羊角刀尚无较大磨损,部分辐臂上靠外的小刮刀磨损较严重,如图3所示。
 
    ⑷切割桩底部、拔除剩余钢板桩因35t履带吊的起吊高度有限,不可能一次性将钢板桩拔出地面,第1次拔除钢板桩尽可能按12m长控制,超过12m长的部分再进行第2次拔除。拔出钢板桩后,采用氧割在沟槽以上20cm位置割除,以方便作业为原则。
    ⑸拔除下一根钢板桩遵循以上施工步骤⑵~⑷,直至将全部桩拔除为止(与B区相连的一侧暂不拔除,作为B区基坑支护的一部分)。
    ⑹桩孔回填拔除一部分桩后应及时回填桩孔,采用人工回填砂,考虑桩孔较小,可采用水灌砂的方法进行回填。回填完毕后将开挖的沟槽继续回填、平整,再用人工打夯机多次夯实地面。
    ⑺设置A区钢板桩拔起便道,目前A区周边及顶板已回填土方,场地条件满足35t履带吊机行走,局部场地狭窄,履带吊机一侧需要顶板上的覆土面行走时,应覆土面上铺设钢板(1200×4000×20),减小顶板的压应力,保证顶板安全。靠近车道一侧作业时,需要联系有关方面,暂时借用相邻混凝土路面作为履带吊机的临时作业面。
    经开仓换刀,将中心5把羊角刀更换为中心贝壳刀(10#~12#未更换);10把正面齿刀均更换为双刃滚刀,其中19#~20#、29#~31#两把更换为海瑞克公司生产的双刃滚刀,另外8把更换为武汉产带合金粒双刃滚刀,此外还更换了5把内边缘刮刀和9把小刮刀。按照整体策划,选定在联络通道位置进行开舱换刀,可以满足掘进需要。始发前实际测量刀盘各刀具的有效长度,并编号记录;推进过程中注意泡沫等添加剂的有效使用,降低刀具的磨损,在当前软土地层中,可确保刀具有效使用到目前预定开舱位置;在开舱位置实测各刀具的长度,确认本地层对刀具的磨损量,预测下次换刀位置,判断是否需要再次换刀。区间右线采用滚刀为主进行掘进后,经过400环推进,顺利切削掉联络通道加固处的素连续墙,开舱后发现海瑞克滚刀有明显偏磨,镶合金滚刀均匀磨损,换刀位置预测准确,实施效果良好。
2.4下穿交通主干道及建筑群地段盾构控制
    登后区间左右线隧道上软下硬,存在杂填土、淤泥质粘土和砾砂层等不稳定地层,这种土层主要分布在洞顶部位且厚度变化很大,掘进时如果控制不当(土仓压力)易导致土体坍塌变形。登后区间尚有2个排水渠和3个污水管涵,所处地层均为软弱地层,土体的坍塌变形会影响地下排水渠和污水管的安全。后科区间则全断面在砾(砂)质粘土层中掘进,隧道埋深较大,洞顶地层较稳定,且变化较小。隧道上方临近滨海海滨立交,穿越滨海大道除此之外无重要建(构)筑物临近隧道。隧道施工时主要应防止隧道坍塌和失水引起地面过大的沉降而对建筑物造成损坏,采取相应的技术措施。
3结语
    本项目的钢板桩拔除施工工期共20d,共拔除拉森型钢板桩612根,平均每天完成拔桩约31根。钢板桩在拔桩过程中也发生了桩身加强板扭曲等现象,但总体来说施工还是较为顺利。通过本项目施工实践,对于超长钢板桩拔除的施工总结出一些施工经验,可供同类项目参考。5.1对于桩侧摩阻力的计算,入土深度最大的桩受到的侧摩阻力并非一定是最大的,它跟桩所处的地质以及该地质下各土层分层的厚度有关。因此要对整个钢板桩区域内,凡是有钻孔柱状图的,其附近入土深度最大的桩都应进行桩侧摩阻力计算,比较选出最大桩侧摩阻力。侧摩阻力仅是表示桩侧受土体的摩擦力大小,而钢板桩的实际受力应根据现场实际情况,如土体的扰动情况、桩锁口与邻桩锁口之间的摩阻力等进行综合分析,才能得出最终的抗拔力值。
    5.2对于机械设备选型,在技术方面拔桩设备必须满足抗拔力的要求,同时起重设备应达到拔桩所需的高度;在经济方面需要综合考虑拔桩时机械台班费用及人工费用,做到满足安全与质量的前提下,费用最低。
    5.3拔桩过程根据沉桩时的情况确定拔桩起点,拔桩的顺序最好与打桩时相反。某些桩在有两根邻桩的情况下起吊力加载至额定值仍未能拔起,拔起后大多是桩的锁口发生严重变形扣死,甚至在桩尖位置的桩身被拉扁,其解决方法是先拔除邻边的桩,让该桩只有1根邻桩时拔除或使其成为单根桩的形式后再进行拔除。
    参考文献:中国知网

售前咨询
技术支持
售后服务