一种在卵石层内盾构掘进施工的方法

摘要

本发明涉及地铁隧道盾构施工技术，具体涉及一种在卵石层内盾构掘进施工的方法，包括渣土改良措施、盾尾密封措施、刀具优化措施和地层加固措施等。本发明实现了在卵石地层中有效掘进，能够有效控制地表建筑物沉降，降低施工风险，节省施工成本，提高掘进效率。

权利要求

1.一种在卵石层内盾构掘进施工的方法，包括以下措施：渣土改良措施：

当盾构机处于卵石层掘进时，向盾构机正面仅加注膨润土进行渣土改良；加注泡沫系统安装单向阀；

盾尾密封措施：

按盾尾油脂压注程序，定时定量均匀压注盾尾油脂；管片做到居中拼装，并通过管片进行二次压注双液浆；

刀具优化措施：

针对松散卵石地层，将滚刀启动扭矩调整为22N.M；针对上部卵石、下部板岩地层，选用滚刀刃口宽度为18mm；针对石英岩地层，选用滚刀刃口宽度为25mm；

地层固化措施：

区间隧道沿线重要路段及建构筑物进行超前加固预处理；根据岩层特性，根据现场实际条件，设定刀具检修点，预先进行地层加固；如盾构到达预定加固区前掘进参数异常，需立即检修刀具，则采用化学浆液进行加固，其中，采用密度为1.4g/cm3的膨润土浆液，并在使用之前对其进行24小时的膨化，其中，膨润土的注入量为100L/min，当出土不畅时加大为200～300L/min,以及其中，在向盾构机正面仅加注膨润土的同时向螺旋机加注膨润土。

2.根据权利要求1所述的在卵石层内盾构掘进施工的方法，其特征在于：还包括以下措施：严格控制出土量，按理论出土量出土，适当欠挖。

3.根据权利要求1所述的在卵石层内盾构掘进施工的方法，其特征在于：如果盾尾发生泄漏时，采用聚氨脂在盾尾后一定距离处压注快速封堵。

4.根据权利要求1所述的在卵石层内盾构掘进施工的方法，其特征在于：在刀具上安装磨损检测装置，检测盾构推进时刀具的磨损情况，根据检测结果确定是否需要换刀。

说明书

一种在卵石层内盾构掘进施工的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及地铁隧道盾构施工技术，具体涉及一种在卵石层内盾构掘进施工的方法。

背景技术

[0002] 隧道是地铁工程最主要的组成部分，隧道盾构法施工具有施工速度快、工期短、洞体工程质量易控制、质量比较稳定且防渗水性能良好、施工安全系数高、对周边建筑物影响极小、基本不影响地面交通、适合地层范围广、地质情况复杂的施工作业环境等优点。随着我国各大城市地铁建设热情的高涨，隧道盾构施工方法必将在地铁建设中被广泛推广应用。盾构施工虽然有对地层的广泛适应性、施工安全系数高等优点，但因地质情况千变万化、施工环境的复杂性，在盾构施工中必然存在盾构机的适应性和施工方法、措施的调整。大连地铁穿越的地层上半部主要为卵石层，下半部以中风化板岩为主，地下水丰富、水位高、补给迅速，地质变化较大，且部分区段需要在卵石层掘进。卵石层不稳定、结构松散、大小不等、颗粒空隙大、没有粘聚力、整体强度低。另外，卵石土还中含有漂石。该地层局部地段分布有强风化层，该层土水理性质差，遇水易崩解，饱和状态下受扰动后，易软化变形，强度、承载力聚减。因此，该种富水复合地层盾构掘进难度大，特别是盾构机在纯卵石层中掘进施工是这类地质条件下施工的难点。

发明内容

[0003] 为了解决上述现有技术中所存在的问题，本发明的目的在于提供一种在卵石层内盾构掘进施工的方法，解决了在卵石层盾构时出现的问题，实现了在卵石层中有效掘进。

[0004] 本发明的技术方案为：

[0005] 一种在卵石层内盾构掘进施工的方法，包括以下措施：

[0006] 渣土改良措施：

[0007] 当盾构机处于卵石层掘进时，向盾构机正面加注膨润土或/和泡沫剂进行渣土改良；另外，在喷涌状态下对加注系统的要求加高，因此加注泡沫系统需安装单向阀避免压注过程中土体中泥水堵塞管路影响压注效果。

[0008] 盾尾密封措施：

[0009] 按盾尾油脂压注程序，定时定量均匀压注盾尾油脂；管片做到居中拼装，以防盾构与管片之间的建筑空隙过分增大，降低盾尾密封效果，引发盾尾漏泥、漏水；通过管片二次压注双液浆来减少成形的隧道的上浮。

[0010] 刀具优化措施：

[0011] 针对松散卵石地层，将滚刀启动扭矩调整为22N.M；针对上部卵石、下部板岩地层，选用滚刀刃口宽度为18mm；针对石英岩地层，选用滚刀刃口宽度为25mm，增加耐磨性。

[0012] 地层固化措施：

[0013] 区间隧道沿线重要路段及建构筑物进行超前加固预处理；根据岩层特性，根据现场实际条件，设定刀具检修点，预先进行地层加固，以保证盾构到达该位置时进行刀具检修和更换需求；如盾构到达预定加固区前掘进参数异常，需立即检修刀具，则采用化学浆液进行加固，以达到开仓检修刀具要求。

[0014] 此外，还包括以下措施：

[0015] 严格控制出土量，原则上按理论出土量出土，可适当欠挖，保持土体密实；若出现机械故障或其它原因造成盾构停推，及时采取措施防止盾构后退。

[0016] 可选地，当盾构机处于卵石层土掘进时，向盾构机正面加注膨润土或/和泡沫，同3
时也可向螺旋机加注膨润土等。可采用密度约为1.4g/cm的膨润土浆液，在使用之前对其进行24小时的膨化。膨润土的注入量为100l/min，当出土不畅时可以加大为200～300l/min。

[0017] 如果盾尾发生泄漏，采用聚氨脂在盾尾后一定距离处压注，快速封堵。

[0018] 本发明的优点在于：本发明实现了在卵石地层中有效掘进，能够有效控制地表建筑物沉降，降低施工风险，节省施工成本，提高掘进效率。

具体实施方式

[0019] 下面对本发明做出详细说明，但本发明并不局限于以下实例。

[0020] 大连市地铁一期104标段工程包括三车站两区间，即功成街站、会展中心站、星海广场站及功成街站～会展中心站～星海广场站区间。工程起始于功成街站南端头井，止于星海广场站北端头井。区间隧道总长约2,500m。盾构法区间隧道设计断面形式为圆形，外径为6.0m，内径5.4m。采用两台海瑞克复合式土压平衡式盾构进行隧道掘进施工。功会区间隧道上半部主要为卵石层，下部以强风化及中风化板岩为主。因此，功会区间隧道断面基本处于上部松散卵石、下部硬岩的复杂地层中，且地下水含量丰富，其主要的重难点体现在以下几方面：

[0021] 1.地质复杂，软硬不均，盾构刀盘的针对性设计至关重要；

[0022] 2.上软下硬复合地层，要提高掘进效率，降低刀具损耗，必须做好渣土改良工作；

[0023] 3.盾构拱顶以上均为松散地层，沉降控制难度大，易塌方；

[0024] 4.软硬不均地层对盾构刀具磨损大，在松散地层进行刀具更换存在较大风险。

[0025] 在富水卵石地层进行盾构施工时，由于特殊的地质结构，导致盾构掘进存在较多的困难，在施工过程中遇到突发情况的几率比较大，只有进行科学地控制，才能较好地保持盾构掘进的连续性。本标段工程盾构主要在中风化板岩中及卵石层中掘进，由于地质变化较大，会～星区间CK14+200左右200处盾构在纯卵石层中掘进施工，针对这一特殊地质情况是施工的难点，特编制盾构在卵石层中掘进的技术措施，具体措施如下：

[0026] 渣土改良措施：在盾构施工过程中，向盾构正面加注膨润土或泡沫，同时也可向螺旋机加注膨润土等；另外，在喷涌状态下对加注系统的要求加高，因此加注泡沫系统需安装单向阀避免压注过程中土体中泥水堵塞管路影响压注效果。泡沫剂可由高分子聚合物调整其粘度。

[0027] 本工程研制开发的发泡剂属阴离子表面活性剂，由烷基磺酸盐发泡剂和羧甲基纤维素增粘剂以及其他助剂复配形成，在现场可用高分子聚合物调整泡沫剂的粘度。该高分子聚合物发泡剂无毒、无刺激，对环境没有污染。加入泡沫剂有助于改善土压平衡盾构在卵石地层中的掘进性能。改用膨润土泡沫混合使用后，盾构刀盘油压和螺旋输送机油压及总推力都降低了1/3左右，刀盘磨损大大减轻，刀盘“抱死”发生频率极少。在加膨润土的基础上注入泡沫能显著降低刀盘油压及盾构推力，减小刀盘扭矩，减轻卵石地层对盾构设备的磨损，提高了设备的使用受命。加泡沫剂使土压平衡保持得相对较好，开挖面的稳定得到有效的控制，减小了地表隆沉幅度，据现场监测，使用泡沫剂前地表沉降量一般大于10mm，而添加泡沫剂后大部分监测点的沉降量为5～10mm。渣土改良实施效果，如下表1所示：

[0028] 表1 渣土改良实施效果表

[0029]

[0030] 盾尾密封措施：

[0031] 1、保证盾尾密封的措施

[0032] (1)按盾尾油脂压注程序，定期、定量、均匀地压注盾尾油脂。

[0033] (2)优化浆液配比，合理掌握注浆压力，以免浆液进入盾尾，损坏盾尾密封装置，降低密封性能，引起盾尾漏泥、漏水。

[0034] (3)管片居中拼装，以防盾构与管片之间的建筑空隙过大，降低盾尾密封效果，引发盾尾漏泥、漏水。

[0035] (4)在盾构工作面配置适量的双快水泥、木楔、回丝等堵漏材料及工具以备用。

[0036] 2、盾尾发生泄漏现象时的对策

[0037] (1)针对泄漏部位集中压注盾尾油脂。

[0038] (2)配制初凝时间较短的双液浆进行壁后注浆。

[0039] (3)利用堵漏材料进行封堵。

[0040] (4)如上述措施效果不佳时，采用聚氨脂在盾尾后一定距离处压注，快速封堵。

[0041] 如果在盾构掘进过程中发现盾尾密封失效，盾尾出现漏水、漏泥时，在采取应急措施(盾尾封堵)的同时，观察盾尾钢丝刷磨损情况。如果盾尾钢丝刷磨损严重或钢丝刷被结硬的浆块包裹，则及时更换盾尾钢丝刷。

[0042] 刀具优化措施：

[0043] (1)针对松散卵石地层，将滚刀启动扭矩调整为22N.M；

[0044] (2)针对上部卵石、下部板岩地层，选用滚刀刃口宽度为18mm；

[0045] (3)针对石英岩地层(硬度56～57hrc)，选用滚刀刃口宽度为25mm，增加耐磨性。

[0046] 地层加固处理措施：

[0047] 针对上软下硬的富水复合地层易塌方的高风险性，采取有针对性的超前加固，以降低工程风险。主要加固范围如下：

[0048] (1)区间隧道沿线重要路段及建构筑物进行超前加固预处理；

[0049] (2)由于本工程地质不具备常压开仓条件，故根据岩层特性，根据现场实际条件(含管线、地面周边环境等)，设定刀具检修点，预先进行地层加固，以保证盾构到达该位置时可进行刀具检修和更换需求；

[0050] (3)如盾构到达预定加固区前掘进参数异常，需立即检修刀具，则采用化学浆液进行加固，以达到开仓检修刀具要求。

[0051] 刀具管理及更换措施:

[0052] 由于地下工程施工不确定性的特点，且本工程地处卵石土层时，在该地层中掘进刀具发生磨损较快，每掘进200m左右进行一次刀具更换。另外，在施工过程中，如发现盾构掘进参数异常，如掘进速度缓慢、出土温度高、刀盘扭矩大等，表明刀具磨损严重，同时可通过在刀具上安装磨损检测装置，检测盾构推进时刀具的磨损情况，根据检测结果确定是否需要换刀。

[0053] 在盾构进洞后，进行下一区间掘进前，先期进行刀具的检查或更换，尽量避免在区间掘进过程中进行换刀，具体更换要点如下：

[0054] ①综合勘察资料正面土性作进一步判断，选择合适位置。

[0055] ②通常是由人工进入土仓进行刀具的更换作业，根据本工程的地质情况，换刀前对正面土体进行加固处理，正面土体加固方法可根据现场实际情况确定。地面有条件的可在地面进行降水，地面没有地基加固施工条件的，考虑在气压状态下进行换刀作业。

[0056] 刀具检查和调换的操作程序如下：

[0057] ①停止掘进，做好检查和调换的各项准备工作。

[0058] ②开仓并测试仓内是否含有有毒气体。

[0059] ③逐个检查刀具，并做好记录。根据刀具磨损情况，确定换刀的类型和编号。

[0060] ④在稳定的地层中，采取先拆后换的流程进行；如地层不够稳定，则采取边拆边换的流程进行，以便地层变化较大时可及时恢复掘进。

[0061] ⑤刀具调换完成后，经专业工程师的检查，确认无误后清理土仓，关闭仓门。

[0062] ⑥恢复掘进阶段将刀盘转速和总推力由小到大逐渐递增，避免损坏刀具。

[0063] 刀具检查和调换的安全防护措施如下：

[0064] ①开仓前，保护可能损坏的电器、液压设备。

[0065] ②入土仓前，尽可能排清土仓内积泥，观察土仓内水土压力的变化情况，在确认无异常波动后，准备开仓。

[0066] ③开仓后，土仓门一定要固定牢固，以防发生危险。

[0067] ④开仓后，定期检测仓内是否含有有毒气体。

[0068] ⑤严格控制进仓施工人员，每次作业规定2人次参加。仓门口派专职安全员进行全过程监察，观察正面岩土稳定情况及渗漏水量。如发现异常情况，组织施工人员有序撤离，并迅速关闭人行闸和法兰门。

[0069] ⑥为保证土仓内空气流动，进风直接用鼓风机送至气压仓法兰门处，排风用鼓风机在人行闸处倒吸(鼓风机保证良好接地)。

[0070] ⑦土仓内照明使用24V电压灯，配有漏电保护及防护罩保护。

[0071] ⑧焊工在气割和焊接时接地远离土仓，保护刀盘大轴承，配备足够灭火器材。

[0072] ⑨施工人员不得走出刀盘外，施工中保证进出通道畅通。

[0073] 应急及预防措施：

[0074] 当发现正面土体有坍塌的迹象，立刻组织施工人员撤离土仓，关闭土仓闸门，马上进行密闭式(不出土)推进，靠上前方土体，同时加强地表监测，监测频率为：1次/6小时，必要时加密监测频率。根据具体情况对盾构机前方土体采取加固措施，在开仓之前联系好有关的单位，使出现险情时能及时通知有关单位进行抢险工作。为了应对更换刀具施工过程中的突发情况，准备齐全紧急医疗设备，包括：担架2套，氧气袋3个，防毒口罩10个，常用急救药品等。

[0075] 此外，在卵石层盾构掘进时，还需严格控制出土量，原则上按理论出土量出土，可适当欠挖，保持土体密实。如果出现机械故障或其它原因造成盾构停推，及时采取措施防止盾构后退。

[0076] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替代和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。