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          大興水利水電勘測研究會

          土壓盾構在膨脹巖土地層施工難點分析

          中天重工2021-10-28 10:59:22

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          土壓盾構在膨脹巖土地層施工難點分析
          朱寶石(廣東華隧建設集團股份有限公司)
             一、工程簡介
          ?  成都地鐵2 號線土建22 標工程為1 站 2 區間,隧道雙線區間總長約4.2 km。工程采用兩臺直徑6280 mm 型土壓平衡式盾構機掘進施工。根據地質詳勘報告,區間主要穿越地層為:含粘土卵石、全風化泥巖、強風化泥巖、中風化泥巖、粘土、強風化砂巖等地層,均屬膨脹性巖層。由室內試驗結果可知,巖層膨脹系數大,除具有遇水膨脹和失水收縮的特點外,還有親水性強,膨脹率高,膨脹壓力大,強度低,崩解性強等特點。
            由于缺乏膨脹巖地層中盾構施工經驗,左線盾構進入膨脹性巖層后不久便出現被“裹”,出現姿態無法控制的現象。針對該問題研發了一套針對膨脹巖的技術措施,該技術的應用成功使左線盾構機快速脫“困”,并保證了后續盾構施工安全、順利地進行,成功穿越膨脹巖層,提前完成首個區間雙線通。
            二、土壓盾構工藝原理
            盾構機刀盤開挖直徑一般比盾體直徑大,因此開挖后圍巖與盾體間有一定間隙。此間隙不宜過大,因為間隙過大有可能導致地面沉降控制困難,同時也會增加背填注漿成本。但也不宜過小,間隙過小則可能影響盾構機轉彎或姿態調整。當圍巖膨脹系數較大時,圍巖與盾體間的空隙可能會被遇水膨脹后的巖土填充,導致盾構機被“裹”住無法調整盾構姿態,從而造成隧道超限。為解決此問題應從以下兩方面著手。
           ?。?)擴大開挖空間,使圍巖膨脹后仍有足夠的轉彎間隙。擴大開挖空間可通過加大刀盤刀具的切削直徑來實現,但切削直徑應根據膨脹系數和調整盾構機姿態的間隙要求等要素來確定。
           ?。?)控制圍巖的膨脹性發揮。利用吸水膨脹、失水收縮的特點,從注入土艙水量或泡沫含量等參數進行合理設定和調整,達到盡量減少膨脹性巖土對盾構施工的影響,又不影響渣土改良效果,保證出土順利。
            三、施工工藝流程及操作要點
            3.1施工工藝流程
            施工工藝流程如圖1 所示。

          ?圖1 施工工藝流程

            3.2操作要點
            3.2.1地質勘察與巖性分析
            在詳勘基礎上,針對膨脹性土巖土區段進行補充勘察和分析,目的在于確定各區段膨脹性土巖土的特性參數,以便為指導掘進施工提供依據,具體要求如下。

           ?。?)應加密布點,加密點間隔控制在10m 范圍內較為適宜。
           ?。?)每個控制性勘探孔應均有土試樣,測定天然含水量。
           ?。?)勘探孔的深度,除應滿足隧道埋深深度外,還應超過地下水水位影響深度(或大氣影響深度)。
           ?。?)巖性試驗,除應遵守規定外,還應測定自由膨脹率、膨脹力、飽和吸水率、蒙脫石含量、收縮系數、一定壓力下的膨脹率等指標,同時進行現場浸水試驗。
            3.2.2確定膨脹率與刀盤切削直徑關系
            根據勘查與試驗確定沿線膨脹巖地層膨脹率,在考慮膨脹巖遇水膨脹體積增大的空間要求及避免因開挖斷面過大造成漿液流向刀盤和背填注漿量增加等不利影響的基礎上,確定不同膨脹率地層中最佳的刀盤開挖斷面直徑。經試驗與施工經驗總結得出膨脹率與刀盤擴挖直徑增加量,如表1 所示。

          表1?膨脹率與刀盤擴挖直徑增加量關系

            3.2.3確定最佳開挖直徑并配置刀具
            根據沿線膨脹巖土的膨脹率不同,對照表1確定各區段最佳升挖直徑,并通過調整邊緣刀具外伸尺寸控制升挖斷面直徑。邊緣刀具外伸尺寸的調整通過對外圍刀具(邊緣刀)刀座處加墊塊實現??刂崎_挖斷面直徑邊緣刀具示意如圖2所示,邊緣刀具座處加墊塊如圖3所示。

          圖2 控制開挖斷面直徑邊緣刀具

          圖3??邊緣刀具刀座處加墊塊示意

           ?。╝)滾刀刀座加墊塊;(b)滾刀刀座加墊塊后安裝;
           ?。╟)刀座墊塊安裝前;(d)邊緣鏟刀加墊塊安裝
            3.2.4確定最佳加水量、加泡沫量參數
            由于膨脹性巖土具有吸水膨脹、失水收縮的特性,因此可通過控制注入土倉的水量來控制其膨脹性的發揮。通過對膨脹巖的膨脹特性試驗與分析及盾構隧道施工中不同用水量效果統計,確定盾構掘進時的最佳注水量和泡沫用量,既達到改良渣土的目的,使渣土進艙順利、排出流暢,又使膨脹巖土膨脹特性對盾構施工影響最小。每環(1.5 m)掘進注水量及泡沫量與膨脹巖膨脹率間的關系如表2 所示。

          表2 注水量及泡沫量與膨脹巖膨脹率關系

            3.2.5掘進模式與參數控制
          ? ?。?)掘進模式。采用氣壓輔助掘進,掘進時盡量控制水量,適當增加泡沫注入量。在控制地面沉降情況下,土倉中渣土倉位應盡可能少。氣壓輔助掘進模式原理如圖4 所示。
           ?。?)掘進速度。在盾構機及后配套設備能力允許前提下,應盡量提高掘進速度,并縮短管片拼裝和接管等工序時間,減小膨脹巖土的特性的發揮。


          ?圖4 掘進模式原理示意

            3.2.6 ?姿態調整輔助措施
            當盾構姿態開始出現控制困難時,可采用以下措施有效防止盾體被“裹”和解決盾構機姿態易抬升的問題。
           ?。?)通過調整邊緣刀具外伸尺寸來增加開挖斷面。
           ?。?)采用在前盾前端增設裙板的方法,使土艙底部的土不能回填到前盾與圍巖的底部空隙。具體方法為在前盾前端底部的位置加設一圈擋板,即形成裙狀的一種裝置,使土艙 底部的土無法回填到前盾的底部,很好地防止了土壓盾構機姿態不受控制的情況發生。加工裙板應根據土壓盾構機的尺寸選擇,以便順利安裝,寬幅一般在150~200 mm(圖5,6)。

          圖5 裙板示意

          ?圖6 裙板及裙板安裝后的效果

            四、結束語
            根據以上研究,得出以下結論。
           ?。?)通過勘查與實驗確定沿線膨脹巖地層的膨脹率,在考慮膨脹巖遇水膨脹體積增大的空間要求及避免因開挖斷面過大造成漿液流向刀盤和背填注漿量增加等不利影響的基礎上,確定最佳的刀盤開挖斷面,降低盾構掘進時巖土的膨脹性對盾構施工的不利影響。
           ?。?)通過對膨脹巖的膨脹特性的實驗與分析及盾構隧道施工中不同用水量效果的統計,確定盾構掘進時的最佳注水量和泡沫用量,既達到渣土改良目的,又使膨脹巖土膨脹特性對盾構施工影響最小。
           ?。?)采用調整邊緣刀具外伸尺寸增加開挖斷面和在前盾前端增設裙板的方法,可有效防止盾體被“裹”和解決盾構機姿態易抬升的難題。

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