全斷面硬巖及地層轉(zhuǎn)換時地鐵盾構(gòu)隧道掘進參數(shù)分析與優(yōu)化控制.doc

全斷面硬巖及地層轉(zhuǎn)換時地鐵盾構(gòu)隧道掘進參數(shù)分析與優(yōu)化控制 ?隧道/地下工程?全斷面硬巖及地層轉(zhuǎn)換時地鐵盾構(gòu)隧道掘進參數(shù)分析與優(yōu)化控制潘慶明中鐵十七局集團第六工程有限公司福州摘要針對某地鐵區(qū)間地層為全斷面硬巖、軟硬混合地層及殘積土層復(fù)合地層條件下盾構(gòu)施工遇到的技術(shù)難題,通過盾構(gòu)掘進參數(shù)分析,得到了硬巖段及地層轉(zhuǎn)換時施工參數(shù)的變化規(guī)律。通過采取刀具優(yōu)化配置、合理安排刀具更換時機、掘進模式選擇、掘進參數(shù)合理匹配、同步注入泡沫及跟蹤二次注漿等措施,實現(xiàn)了在硬巖段間雜軟弱巖的地層中及軟硬巖地質(zhì)界面處盾構(gòu)快速、安全掘進施工,拓寬了盾構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域。關(guān)鍵詞盾構(gòu)隧道復(fù)合地層掘進參數(shù)中圖分類號 文獻標(biāo)識碼 文章編號?山., , .脅,. , . ,; ; 技術(shù)進行隧道修建,并在復(fù)合地層施工方面積累了寶引言貴的經(jīng)驗,例如,號線北延段同和站一永泰站、大石目前廣泛應(yīng)用盾構(gòu)技術(shù)修建地鐵隧道,但在復(fù)合 南一漢溪站、漢溪站一市橋站等有多個區(qū)間成功穿越段地層中連續(xù)硬巖段長度超過 以后,常采用礦山 硬巖;號線侖頭大學(xué)城站盾構(gòu)區(qū)間始發(fā)法開挖隧道,盾構(gòu)機拼裝管片通過 。但是,由于工 盾構(gòu)隧道主要穿過微風(fēng)化混合巖地層、中風(fēng)化混合巖【地層,巖石單軸抗壓強度達到. 。深圳地期因素,無法按暗挖與盾構(gòu)組合工法實施,只能嘗試鐵號線長龍站一百鴿籠站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工,通用盾構(gòu)技術(shù)解決長距離硬巖掘進問題口。綜合盾構(gòu)過優(yōu)化掘進參數(shù)與合理配置刀具,解決了盾構(gòu)在極硬機技術(shù)水平、經(jīng)濟和工期等因素,采用盾構(gòu)法解決長距離的硬巖或球狀風(fēng)化群體中的隧道修建問題是可 巖層條件下掘進施工刀具磨損嚴(yán)重、換刀頻繁、推進行的。年,廣州地鐵在復(fù)合地層中成功修建地速度緩慢等問題。布吉一百鴿籠區(qū)間隧道盾構(gòu)施工鐵隧道卜。年后,廣州地鐵更是大量采用盾構(gòu) 通過改進刀具配置以及加強刀具的耐磨能力,使盾構(gòu)機能夠在長距離硬巖地層中掘進施工。收稿期:? 鐵道建筑技術(shù) 萬方數(shù)據(jù)?隧道/地下工程?盾構(gòu)機硬巖段施工,刀具與工作面摩擦產(chǎn)生的熱 及殘積土層,地層軟硬極其不均,有的硬巖與軟巖交界面近于垂直,多次遇到盾構(gòu)穿越全斷面硬巖后量多,巖渣溫度高,加快了刀具的磨損。本工程左右線盾構(gòu)機分別要次穿越全斷面的硬巖段,硬巖主 立即就進入全斷面軟弱土層的情況。該區(qū)間有堅要為微風(fēng)化花崗片麻巖,其單軸抗壓強度平均值 硬的花崗巖又有黏土層和砂層,在盾構(gòu)施工的線路.,局部達到 ,為極硬巖。預(yù)測盾構(gòu) 上會遇到復(fù)合地層或由一種地層向另一種地層的掘進過程中刀具磨損會極其嚴(yán)重,極硬巖對盾構(gòu)機刀 突變,如上軟下硬的軟硬不均地層及在個別地段存具、刀盤、螺旋輸送機等設(shè)備會造成很大磨損。因此, 在的漂石等。該區(qū)間硬巖段的里程、長度及圍巖條盾構(gòu)機在硬巖段掘進施工是本工程的技術(shù)難點。 件見表。通過對硬巖段鉆孔取芯及抗壓強度試驗,圍巖抗壓強度試驗結(jié)果見表。.微風(fēng)化工程概況花崗片麻巖單軸抗壓強度局部達到 。不同某地鐵區(qū)間地層為全斷面硬巖、軟硬混合地層 風(fēng)化層富水性及滲透系數(shù)見表。表 硬巖段的分布及圍巖條件線別硬巖段分布里程 硬巖段長度/ 硬巖段總長/ 洞身斷面圍巖條件 上覆地層巖土條件. .?、? ?. .左線 .?、? ?. .?、? ?. .?、 ?、?. .?、? ?、. . .右線?、?、? ?. .?、?、?一 ?、?. .?、? ?注:一全風(fēng)化花崗片麻巖土柱狀,一?強風(fēng)化花崗片麻巖土柱狀,?中等風(fēng)化花崗片麻巖塊狀,?微風(fēng)化花崗片麻巖柱狀表硬巖鉆孔巖石抗壓強度部分試驗結(jié)果該工程施工技術(shù)難點如下:抗壓強度/長距離高強度硬巖段盾構(gòu)施工對盾構(gòu)機的試驗編號 野外編號 取樣深度/ 試樣名稱選型、掘進的控制、刀具的選用、管理、檢查更換等. ?一?方面的要求更高。存在的問題主要有:掘進速度. ?一?、慢、溫度高、易造成刀盤、刀具的損壞等。?一一 . ?在上軟下硬地層中進行盾構(gòu)施工就是一大?一? .?. ?一 . 控制難點,而軟硬地層間的突變又為施工的控制提?出了更高的要求。存在的問題主要有:易產(chǎn)生刀具表不同風(fēng)化層富水性及滲透系數(shù)損壞、刀具更換困難、盾構(gòu)姿態(tài)難以控制、掘進速度滲透系數(shù)/編號 風(fēng)化程度 厚度/ 富水性 透水性慢、發(fā)生結(jié)泥餅和地表的塌陷等。?。. . 在透水性大的砂卵層、及含水量豐富軟? 全風(fēng)化花崗片麻巖 弱 弱透水強風(fēng)化花崗片 硬混雜地層中,盾構(gòu)穿越硬巖及軟巖的界面,極易. .弱? 弱透水麻巖,呈土柱狀造成盾構(gòu)施工的噴涌,如處理不當(dāng)將產(chǎn)生掘進速度強風(fēng)化花崗片. .? 中等 中等透水慢和地表的塌陷等。麻巖,半巖半土狀中等風(fēng)化花崗.? 中等 中等透水片麻巖.? 微風(fēng)化花崗片麻巖 弱 弱透水萬方數(shù)據(jù)?隧道/地下工程?雜多變地質(zhì)條件下的盾構(gòu)施工,除具備盾構(gòu)機的一 水系統(tǒng)的渣土改良來改善和提高盾構(gòu)機的防噴涌般功能外,提高和加強以下幾方面的配置和功能: 能力和防結(jié)泥餅的能力。同時刀盤上泡沫管路設(shè)盾構(gòu)機具備硬巖掘進和軟土掘進功能。針 置要可靠并方便進行修理。對本工程軟、硬巖同時存在的特點,盾構(gòu)機刀盤和 其他方面的配置。盾體上開設(shè)注聚胺脂的刀具的設(shè)計和配置需要既能適應(yīng)軟土地層又能適 孑,以實現(xiàn)水大時對盾體進行的封堵和緊急情況下應(yīng)硬巖地層,配置高強度的刀盤和破硬巖的滾刀以 對盾構(gòu)機的處理。儲備一些易損的盾構(gòu)機備品、配及開挖軟土的齒刀,并能夠方便和及時地進行修理 件,確保盾構(gòu)機的正常運行和使用。與更換,具體配置和設(shè)計如下:全斷面硬巖段及地層轉(zhuǎn)換時盾構(gòu)隧道掘選用同時能安裝滾刀和齒刀的高強度面板型進參數(shù)分析刀盤。本工程盾構(gòu)機刀盤設(shè)計破巖能力為 ,該地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道多次穿越全硬巖地層,硬其刀具配置為:把中心滾刀,把單刃滾刀,把巖段的里程與實際的推進管片環(huán)數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如正面切刀,把邊刮刀,把邊緣保護刀,刀盤中心表,以下對硬巖段掘進實際參數(shù)進行分析。開口率%。盾構(gòu)機最大推力為 ,最大扭矩為。盾構(gòu)機的技術(shù)參數(shù)和性能能夠表硬巖段的里程與管片環(huán)數(shù)的對應(yīng)關(guān)系滿足硬巖掘進的要求。序號 里程線別 對應(yīng)管片環(huán)數(shù)選用能破硬巖的重型滾刀:選配從意大利進. 一口的旁邁力重型滾刀。左線 .一.選用軟土的切割刀具:選用齒刀性能比較好. ?的切削刀具。.一. 配置人閘系統(tǒng):配置人閘系統(tǒng)以實現(xiàn)常壓下無.一. 法進倉需帶壓進倉進行刀具的更換和檢查的功能。右線 .一.盾構(gòu)機具備防噴涌功能。為適應(yīng)本工程地.層富水,防止盾構(gòu)施工出現(xiàn)噴涌,進行如下配置和. 設(shè)計:盡可能地減小皮帶機的上仰角。皮帶機的.掘進速度仰角控制在以下,以減少噴涌時造成的落渣。左線隧道.一.配置雙層螺旋閘門。螺旋機出渣口配置雙對應(yīng)管片環(huán)數(shù)、右線.層閘門,以提高螺旋輸送機出渣時的防噴涌的控制.對應(yīng)管片環(huán)數(shù)的掘進功能。速度如圖。配置自動保壓系統(tǒng)。以實現(xiàn)土倉保壓和防止水流匯集造成土倉內(nèi)水過多而產(chǎn)生的噴涌問題。盾構(gòu)機具備超挖能八黛如:;蝌妒。枷力。由于本工程硬巖地層較硬,為防止卡住刀盤和困住盾構(gòu)機,盾構(gòu)機配備超挖刀,以提高盾構(gòu)機的適用性。具備渣土改良能力。配備渣土改良的泡沫系統(tǒng)和圖掘進速度與推進環(huán)數(shù)曲線加水系統(tǒng),通過泡沫系統(tǒng)和加鐵道建筑技術(shù)萬方數(shù)據(jù)?隧道/地下工程?由圖分析可知: 由圖分析可知:在砂質(zhì)黏土和全風(fēng)化花崗巖地層,盾構(gòu)機 在上軟下硬及全斷面硬巖段,隨著硬巖范圍能夠維持在較高的掘進速度;由強風(fēng)化花崗巖地層逐漸增大,刀盤受到的阻力愈來愈大,刀盤扭矩相應(yīng)向微風(fēng)化花崗巖地層過渡,掘進速度顯著降低;由增大。左線隧道先行掘進,刀盤扭矩在較高的水平,微風(fēng)化花崗巖地層向強風(fēng)化花崗巖地層過渡掘進。右線隧道掘進刀盤大部分在速度顯著上升。? 扭矩數(shù)值稍低,大部分在 ?。左線隧道全斷面硬巖段延續(xù)長度較長,掘進左線隧道在第三段硬巖中掘進,硬巖段的/速度控制較為穩(wěn)定,上軟下硬地層控制在距離較長,刀盤扭矩維持在較高水平左右,全斷面硬巖在 /之間,這個速度比左右,局部到達 ?,但盾構(gòu)機的設(shè)計最大預(yù)設(shè)硬巖掘進速度 /低。扭矩為 ?,未超過盾構(gòu)機的技術(shù)參數(shù)和右線隧道全斷面硬巖段分布較為分散,每段性能的適用范圍。延續(xù)長度不長,盾構(gòu)機維持較高的掘進速度,上軟下在硬巖中掘進刀盤扭矩預(yù)設(shè)的控制值在/硬地層在? /,全斷面硬巖在?,希望通過控制扭矩減少刀具/左右,這個速度與預(yù)設(shè)硬巖掘進速度?的磨損。但實際上,全斷面硬巖段,巖石越硬刀盤是一致的。受到的阻力越大,扭矩增大不可避免。.刀盤轉(zhuǎn)速.盾構(gòu)機總推力左線.對左線隧道.對應(yīng)管片環(huán)數(shù)?的刀盤轉(zhuǎn)速如圖。左線隧道盾構(gòu)機在較軟弱的地層中掘進,采用較低的刀盤轉(zhuǎn) 應(yīng)管片環(huán)數(shù)、右線隧道.一速,平均約. /,以減少刀盤對地層的擾動; .對應(yīng)管片環(huán)數(shù)的盾構(gòu)/在硬巖地層,刀盤轉(zhuǎn)速取較大的數(shù)值,在.機總推力如圖。左右,以降低刀盤扭矩。由圖分析可知:盾構(gòu)機在上軟下硬及全斷面硬巖段掘進, 大部分在 ,很好地符合了預(yù)設(shè)控制的要求。上軟下硬地層與硬巖地層比較,在上軟下硬地層中掘進的盾構(gòu)機總推力要大一些,在硬巖段掘進時嚴(yán)格控制盾構(gòu)推力,防止過大造成局部刀具圖 刀盤轉(zhuǎn)速與推進環(huán)數(shù)曲線破壞和管片破裂。盾構(gòu)機在硬巖段的最大推力在 ,.刀盤扭矩左線隧道.對 未超過盾構(gòu)機最大推力 ,在盾構(gòu)機的技術(shù)應(yīng)管片環(huán)數(shù)?、右線隧道. 參數(shù)和性能的適用范圍內(nèi)。.對應(yīng)管片環(huán)數(shù)的刀盤.切口壓力扭矩如圖。左線隧道.對應(yīng)管片環(huán)數(shù)?的盾構(gòu)機總推力如圖。在軟巖及上軟下硬的地層,盾構(gòu)切口壓力較高,在全斷面硬巖段盾構(gòu)切口壓力較低。盾構(gòu)機在全斷面硬巖地層掘進【 時,掌子面自穩(wěn)性好,保持較小的土倉壓力環(huán)數(shù) 環(huán)數(shù)進行掘進。左線盾構(gòu)在硬巖段掘進的切口.左線 .右線圖刀盤扭矩與推進環(huán)數(shù)曲線 壓力為?. 。 鐵道建筑技術(shù) 萬方數(shù)據(jù)?隧道/地下工程濺赫協(xié),飛驀川神渺濺緲。?.右線圖切口壓力與推進環(huán)數(shù)曲線圖圖推力與推進環(huán)數(shù)曲線圖.掘進參數(shù)優(yōu)化建議 進;在水量大、漏渣嚴(yán)重的硬巖地層停機時要保氣壓進行止水。通過盾構(gòu)掘進參數(shù)分析,得到了硬巖段及地層轉(zhuǎn)換時施工參數(shù)的變化規(guī)律,盾構(gòu)施工參數(shù)優(yōu)化建 掘進參數(shù)控制:刀具的貫人度控制在/之間,扭矩議如下: 以內(nèi);刀盤轉(zhuǎn)速控制在.上軟下硬地層的掘進速度為 /, 控制在 ?,推力根據(jù)扭矩控制在全斷面硬巖為 /。 以內(nèi)。盾構(gòu)機在較軟弱的地層中掘進,采用較低泡沫的注人:同步適量注入低濃度泡沫,冷的刀盤轉(zhuǎn)速,平均約. /,以減少刀盤對地層 卻和潤滑刀具,降低土倉溫度。的擾動;在硬巖地層,刀盤轉(zhuǎn)速取較大的數(shù)值,在盾構(gòu)姿態(tài)的控制:通過調(diào)節(jié)推進油缸的力/左右,以降低刀盤扭矩。緩慢糾偏,控制盾構(gòu)機掘進姿態(tài)和鉸接油缸的伸縮在上軟下硬及全斷面硬巖段,隨著硬巖范 來調(diào)節(jié)盾尾間隙。圍逐漸增大,刀盤受到的阻力愈來愈大,刀盤扭矩注漿控制:調(diào)節(jié)同步漿液配比,縮短凝結(jié)時?相應(yīng)增大,刀盤扭矩控制在在 ?。間到 左右,提高稠度減小離淅;同時跟蹤進行二盾構(gòu)機在上軟下硬及全斷面硬巖段掘進,次補充注漿,確保管片不上浮和下沉。? 推進力控制在 ,在硬巖段掘進時.上軟下硬地層盾構(gòu)掘進掘進參數(shù)優(yōu)化及技術(shù)嚴(yán)格控制盾構(gòu)推力,防止過大造成局部刀具破壞和措施管片破裂,最大推力控制在 。上軟下硬地層既有軟巖地層的不穩(wěn)定性,又具盾構(gòu)機在全斷面硬巖地層掘進時,掌子面有硬巖的強度,由于盾構(gòu)機推進過程中,刀盤切削自穩(wěn)性好,采用敞開模式進行掘進。工作面土體上部軟地層較易進入密封土艙,而下部較硬巖體不易破碎,盾構(gòu)機的姿態(tài)較難控制。其掘全斷面硬巖段及地層轉(zhuǎn)換時盾構(gòu)隧道掘進參數(shù)選擇及需要考慮的因素如下:進參數(shù)優(yōu)化控制盾構(gòu)機具有適應(yīng)復(fù)合型地層的掘進能力:.刀盤要同時配置滾刀和齒刀。盾構(gòu)機在掘進上軟全斷面硬巖段盾構(gòu)掘進參數(shù)優(yōu)化及技術(shù)措施下硬地層前要提前檢查和更換刀具。確保盾構(gòu)機盾構(gòu)穿越高強度硬巖地層,存在刀具易損壞、能夠順利進入全斷面硬巖或進入軟土中后安全地刀具更換困難、速度慢等問題,采取如下關(guān)鍵技術(shù)進行掘進。措施:刀盤轉(zhuǎn)速的選擇:在上軟下硬地層中掘進,刀具的檢查更換:每掘進環(huán)必須檢查刀軟巖部分只需對掌子面進行切削即可破壞土層,而具,特別要及時檢查和更換邊緣滾刀。新安裝滾刀要及時進行復(fù)緊。盾構(gòu)機在進人硬巖前和走出硬 局部巖石硬度較高,硬巖處刀盤的滾刀受力較大,巖前都要檢查和更換滾刀。確保盾構(gòu)機能夠順利 局部硬巖對刀具即刀盤的損傷較大,適當(dāng)降低刀盤進入全斷面硬巖和進入軟土中后安全地進行掘進。 轉(zhuǎn)速,使刀具受到的瞬時沖擊小于安全荷載,刀盤/。掘進模式:在全斷面硬巖采用敞開模式掘 的轉(zhuǎn)速要控制在.一.鐵道建筑技術(shù) 萬方數(shù)據(jù)?隧道/地下工程?土倉壓力的選擇:在軟硬兼有的地質(zhì)下,如 硬巖進入軟巖或者從軟巖進人硬巖的情況,一般只考慮保護刀盤,單純按照硬巖方式掘進,勢必造 情況下適合軟硬混合地層的復(fù)合型盾構(gòu)機完全可成超挖和地表沉降。掘進時應(yīng)保持較高的土倉壓 以正常掘進,但當(dāng)巖層強度特別高時,為了確保盾力與掌子面的壓力平衡,即在全土壓平衡模式或氣 構(gòu)在不同地質(zhì)界面轉(zhuǎn)換施工的安全,采取如下壓平衡模式下掘進。根據(jù)隧道埋深,土倉壓力保持 措施:在. 左右。 掘進模式:盾構(gòu)由全斷面硬巖進入軟巖前,油缸推力的選擇:在上軟下硬地質(zhì)下掘進, 先減少或停止出渣,進行渣土改良并逐漸建立起土必須降低推力,調(diào)整掘進參數(shù),以求得在現(xiàn)有刀具 壓,掘進狀態(tài)由敞開模式向土壓平衡模式過渡,確條件下的最佳掘進效果。由于局部存在的硬巖對 保開挖面穩(wěn)定。盾構(gòu)由軟巖進入全斷面硬巖時要刀具的磨損很嚴(yán)重,應(yīng)減少刀具在連續(xù)工作時受 等到盾構(gòu)機刀盤頂?shù)接矌r面上時才逐漸降低土壓,到的沖擊力以保護刀具。刀盤扭矩是刀具在受到推進狀態(tài)由土壓平衡模式向敞開模式過渡。沖擊力后的直接體現(xiàn),降低刀盤扭矩實際就是減 刀具更換:要選擇穩(wěn)定的地層和地點換刀。少刀具所受的沖擊力。在軟硬不均的上軟下硬地如是自穩(wěn)性差的軟土地層或臨近有建筑物,需提前層中,刀盤扭矩的最大值應(yīng)保持在 ?, 對土體進行加固來滿足換刀條件。一般是在盾構(gòu)掘進速度控制在 /以內(nèi),推力在 機快走出全斷面硬巖地層前或走進上軟下硬地層 之間。 前檢查更換完刀具。螺旋輸送機轉(zhuǎn)速的選擇:在上軟下硬地層 掘進參數(shù):如果刀盤扭矩的波動突然加大,中,土壓的保持是非常重要的。由于軟巖部分非常油缸推力也不均衡,說明刀盤前方土體軟硬不均,容易坍塌,而硬巖部分因硬度較高不易切削,為保 此時須調(diào)整盾構(gòu)推力,控制推進速度不可過快,并護刀具需要降低掘進速度,但較低的掘進速度對軟 降低刀盤轉(zhuǎn)速。巖部分的穩(wěn)定非常不利。因此要保證掌子面的穩(wěn) 聲音:由于刀具和軟硬不均巖面作周期性定性,需要保持較高的土壓,要求螺旋輸送機的出 碰撞,刀盤的震動很大。仔細(xì)聆聽刀盤前的聲音和碴量