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泥水平衡盾构机施工总结讲解学习

泥水平衡盾构机施工总结

本工程是我单位常规直径地铁盾构第一次采用泥水盾构机施工。在施工、操作方面可借鉴经验不多,造成在施工中走过了不少弯路,出现了许多问题。泥水盾构机操作的基本原则是:控制切口压力在技术交底范围内稳定和盾构机姿态在设计要求范围内的前提下,实现盾构机正常掘进。切口压力的稳定是保证地面沉降、安全掘进的前提条件,而盾构机姿态决定隧道走向是否与设计路线符合,成型隧道符合设计要求的先决条件。如果在掘进期间,切口压力不稳定,波动较大的话,轻则沉降较大,重则引起地面塌方。所以在操作泥水盾构机的时候,每一个操作手必须清楚的明白,保证切口压力稳定的重要性。而盾构机姿态是决定我们的施工是否按设计路线施工,如果出现姿态超限,轻则隧道管片出现错台、开裂、漏水等质量问题,重则需要联系设计单位和业主,进行调线。通过一年多的泥水盾构机施工经验,结合自己以前土压平衡盾构机的操作经验,对泥水盾构机的施工和质量控制方面的一些想法做如下总结。

一.工程概况:

东莞市城市快速轨道交通R2线工程(东莞火车站~东莞虎门站段)[2303A标:榴花公园站、茶山站~榴花公园站区间]土建工程施工项目,位于方中路上的茶山站后,正线隧道与出入段线隧道并行约100m由东向西穿越宽约200米的寒溪河,进入东岸大片农田(此时出入段线进入寒溪河东岸的东城车辆段)、通过中间风井及河西岸的数幢别墅后进入莞龙路。线路继续沿莞龙路前行,绕避了数架人行天

桥后到达榴花公园前的榴花公园站结束。

本标段起讫里程YDK2+298.728~ YDK5+502.598,包含1个明挖车站(【榴花公园站】)和1个区间(【茶山站~榴花公园站区间】),1条出段线盾构隧道(【中间风井~出段线盾构井】),1条入段线盾构隧道(【茶山站~入段线盾构井】)。其中正线段茶山站~榴花公园站区间左线起讫里程为:ZDK2+301.000~ZDK3+497.720、

ZDK3+653.485~ZDK4+118.812,左线长1662.041m; 右线起讫里程为:YDK2+298.728~YDK3+434.162、YDK3+601.659~ YDK4+110.000,右线长1643、775m;区间正线总长3406.628m。其中ZDK3+653.485~ZDK3+746.000、YDK3+601.659~ YDK3+690.000采用矿山法开挖,盾构管片衬砌。

二.操作注意事项:

(一)泥浆粘度控制

在泥水盾构中,泥浆的作用有两种:维持开挖面稳定和运送弃土。泥水盾构机施工时稳定开挖面的原理为:以泥水压力来抵抗开挖面的土压力和水压力以保持开挖面的稳定,同时,控制掌子面变形和地面沉降;在掌子面形成弱透水性泥膜,保持泥水压力有效作用于掌子面。泥浆作为一种运输介质将开挖下来的渣土以流体形式输送,经地面泥水处离处理设备分离,将处理过的渣土运至弃土场。

泥浆的比重和粘度等性能决定它稳定开挖面和携带渣土的能力。(1)泥浆比重

为保持开挖面的稳定,即把开挖面的变形控制到最小限度,泥

浆比重应比较高。从理论上讲,泥水比重最好能达到开挖土体的密度。但是,泥浆比重大会引起泥浆泵超负荷运转以及地面泥水分离设备处理困难;泥浆比重小虽可减轻泥浆泵的负荷,但因泥粒渗走量增加,泥膜形成慢,对掌子面稳定不利,容易造成地面沉降。因此,在选定泥浆比重时,必须充分考虑土体的地层结构,在保证开挖面的稳定的同时也要考虑泥水分离设备的处理能力。一般情况下,在砂层中,泥浆比重要求偏大一些,在1.20~1.25g/cm3,在粘土层中应当偏小一点,一般在1.10~1.15g/cm3。

(2)泥水粘度

泥水必须具有适当的粘性,以收到以下效果:

①防止泥水中的粘土、砂粒在土仓内的沉积,保持开挖面稳定;

②提高粘性;

③使开挖下来的弃土以流体输送,经泥水分离设备处理后滤除废渣,将泥水分离。泥浆粘度太低,达不到携带弃土能力和稳定开挖面的要求,粘度太高会影响它的运输能力,并造成刀盘及土仓结泥饼。在实际掘进中,我们应当结合地层分布情况、泥水分离系统的出渣情况、进出口泥浆粘度和比重的差值、环流系统是否顺畅、地表沉降等原因综合考虑。

(二)环流系统控制

环流系统控制受外界影响较大,有的可控,有的无法控制。

1、地层因素

地层的影响对切口的压力最为关键,而我们环流操作的目的就是

稳定切口压力。不同的地层、埋深需要的切口压力值不一样,所以每一个操作手必须了解和熟悉在掘进状态下盾构机所处在的地层、埋深。当地层发生改变时,操作手提前做好掘进数据记录,方便在相应的地层中寻求最佳的掘进参数。

2、环流液位的控制

环流液位的上升与下降直观的反映出切口环压力的波动,客观的反映出土仓里面泥渣的堆积情况。

A、当液位上升快时,如果进出管流量差不大时,应留意切口环压力和你的推进速度,当切口环压力也随液位上升而上升时,适当的降低掘进速度,通过阀的切换和泵的转速来重新保持环流平衡。

B、当液位上升快时,如果进出管流量差大时,应当减少进出管流量差(加大出浆量或者减少进浆量,一般采用加大排浆量),或者少开阀来慢慢稳定环流平衡(对于易结泥饼的6、7、8号地层,在开阀的时候必要保证一定的进浆压力,否则容易刀盘结泥饼)。

C、液位下降快时,应减少进出管流量差,对于6、7、8号易结泥饼地层,进浆流量应该保持在800~900立方每小时的高流量(海瑞克盾构机),进浆压力不小于 2.2bar。全断面砂层中流量保持在500~650立方每小时,进浆压力保持在1.5~2.0bar。

3、环流系统控制

泥水盾构机操作最重要的就是环流控制,环流控制是否适当直接影响切口压力的稳定。环流的控制主要靠泵和阀来控制,一般来说,在环流不怎么堵管的时候,尽量不要调动泵的转速,多切换阀,顺利

的将土仓中的泥渣带出,来保证切口环压力的稳定进行正常掘进。对于不同的地层,环流的控制手法应该是有所不同的,掘进速度有快慢之分。

一般在全断面的砂层中,速度控制在28~35mm/mim,进浆流量控制在550~650立方每小时,进出管流量差宜在60~80立方每小时。泥浆粘度宜控制在32~38秒。

中部底部以7#,8#为主,上部存在3-1#,4-1#,在隧道上部依然是3-1#,属于典型的上软下硬地层,这种复合地层中盾构机土仓内和刀盘最容易结泥饼,在进行环流操作时,尽量控制流量高点,一般来说,流量控制到800~900m3/ h时,土仓内不会有泥渣积累造成堵管现象。泥浆粘度情况需根据出渣比例进行调节。为防止刀盘结泥饼,尽可能的将通向土仓的阀全开,或者频繁切换土仓进浆阀,适当选用高转速(刀盘转速必须结合当前的地质实际情况,需防止由于转速高引起超挖造成地表沉降过大)。

对于全断面的7#、8#地层,掘进速度不宜过快,15~20mm/min 为宜,泥浆粘度控制在20~25s。环流重点要注意的部位是在土仓与气泡仓的出口处,所以通向土仓底部的阀门可以全开启,或者开一个,频繁切换。进出浆的流量要大,一般控制在850~950 m3/h,而冲洗碎石机和出口格栅两旁的浆管至少各开一个,以保持出口处通畅。

在掘进期间要注意土仓压力,土仓压力慢慢上升,适当的加大进浆压力,多冲洗土仓,同时加大排浆量,通过液位升降来维持切口环压力(加大排浆量的同时防止液位抽空)稳定。等土仓压力慢慢回落

到原来设定值时再重新调节环流平衡。

若土仓压力瞬间上升,马上打开旁路,等到土仓压力回落到原来掘进数值时再切换到掘进模式,并清洗格栅处。等到压力稳定后恢复掘进,先以慢速推进(实现一边推进一边清洗土仓和气压仓),在环流比较稳定的条件下再适当加快推进速度。

(4)液位计联锁控制

液位连锁原理是当液位上升或者下降到某一液位指示等亮时,循环系统自动切换到旁路,停止掘进。其原理时防止液位在人为操作情况下继续上升或下降,引起切口环压力大的波动,从而关闭或者开启进浆阀。液位连锁还有一个优点是,可以更好的协调交接班,防止上一个班组由于操作不当引起气压仓或者土仓堵塞问题。

(5)刀具配置

应尽量避免滚刀的偏磨,顺利通过软弱地层及上软下硬地层地段,进入到全断面岩层。因此如何防止滚刀偏磨是一个重要问题。根据经验,在软土地层中,滚刀磨损量很少,几乎没有。因此,重点控制在上软下硬地层中的掘进。根据本项目掘进情况,滚刀偏磨可能主要由泥饼引起,由于形成泥饼后使滚刀无法滚动,从而造成偏磨,特别是中心滚刀,由于开口率小,刀具布置密集,容易形成泥饼,因此在推进时应注意控制环流,采取各项措施防止泥饼形成。另外,在上软下硬地层中,滚刀容易产生破坏,应合理控制刀盘转速和推进速度,若发现异常及时上报。

(三)盾构机姿态控制

1、影响盾构机姿态的主要原因:

(1)地层变化,

(2)掘进参数不合理,

(3)设备存在缺陷(如刀具配置不合理)。

2、在正常掘进过程中应当保持盾构机水平和垂直姿态在±30mm,垂直姿态控制在0~ -30mm更理想,这样的姿态无论对于超限和隧道上浮都有一定纠偏余地。在上软下硬的复合地层中,盾构机保证一定的俯角(-2~-5)推进,在沙层中保持+2~+4的仰俯角推进,这样更有利于姿态的控制。

3、滚动角应当控制在±5,根据滚动角的变化随时更换刀盘转向,一环中有需要的话可以多次转变刀盘转向,这样可以防止由于滚动角大造成隧道管片扭转。

4、在曲线掘进时,在盾构机进入暖和曲线前,做好盾构机姿态调节,常规下一般姿态向曲线内侧偏移-10~-25mm比较合适。

5、推进油缸行程原则上控制在至1730mm至1760mm的时候应停止掘进,除非特殊情况下推进油缸行程可以适当多走一点(如需接大管)但行程不宜过长,如果行程到1850后不能接大管要求,等管片拼装后再往前推进到满足要求。推进油缸行程差不宜超过50mm,行程差过大,则盾尾刷容易露出,管片脱离盾尾较多,变形较大,易导致管片姿态变差;行程差过大,易使盾体与盾尾之间的夹角增大,如果推进油缸行程差比较大时,应当合理的进行管片选型,通过管片楔形量来调整推进油缸的行程差。

6、铰接油缸伸出的长度,直接影响到掘进时盾构机的姿态,应减少铰接油缸的长度差,尽量将长度差控制在20mm以内,将铰接油缸的行程控制在40~60mm之间为宜。铰接油缸行程差加大,盾构机推力增大,同时造成管片选型困难。

7、管片选型要合理,在管片选型上,不能仅凭盾尾间隙草率选定管片,应当以盾尾间隙为原则,结合铰接油缸行程和盾构机走向趋势来进行综合选型。

(三)质量控制

质量控制主要体现在三个方面:

1、管片选型控制

管片选型的两个原则:第一,管片选型要适合隧道设计线路;第二,管片选型要适应盾构机姿态。这两者是相辅相成的,前者影响整个隧道管片的需求计划,后都影响隧道掘进和隧道轴线与设计轴线的偏差。所以在管片选型上,我们要结合盾尾间隙、推进油缸行程差、铰接油缸行程、设计轴线等方面原因进行正确选型。

2、管片拼装控制

管片拼装时,必须将盾尾清理干净,将管片冲洗干净,避免管片间夹有杂物,使相邻管片环面不平整,使管片局部受力过大产生开裂、破损。检查管片止水条是否有脱落现象,管片拼装时先就位底部管片,然后自下而上左右交叉安装,每环相邻管片均布摆匀并控制环面平整度和封口尺寸,最后插入封顶管片成环。管片拼装成环时,其连接螺栓应先逐片初步拧紧,脱出盾尾后再次复紧。拼装完后及时调

整千斤顶撑靴,防止千斤顶撑靴压坏止水条,造成管片拼缝位置渗漏。在曲线段管片拼装时,人为意识的将管片向曲线内侧水平偏移2mm-3mm,这样有利于减少管片在转弯处出现错台。

3、注浆控制

注浆按其注浆方式为同步注浆和二次补浆,按浆液性能分单夜浆和双液浆。

(1)同步注浆

同步注浆是指在盾构掘进过程中,盾构机向前行进,管片脱出盾尾与围岩形成建空隙的同时,从位于盾尾的注浆管路注入浆液填充形成的建筑空隙。管片之间的连接相对管片的刚度而言表现为柔性,因此在同步注浆时必须控制好注浆压力和注浆量,使之既能达到有效的填充建筑空隙,又不会对管片的成环质量产生影响。由于在盾构掘进中,对周围土体产生一定的扰动,因此,在注浆时,不仅考虑到浆液要充满管片背后的空隙,同时还要渗透至周边的土层中,所以要求注浆量比计算的空隙要大些,一般取为理论空隙体积的130%~180%为系数,甚至更大。注浆的速度要结合掘进速度,而注浆量需结合地表沉降。

同步注浆施工时应注意以下事项:

①在推进油缸行程达到1600 - 1650mm之间时,停止注入浆液,改打膨润土液清洗注浆管并将管内浆液压入开挖空隙,以免浆液在管路中停滞过久堵塞注浆管路;

②每掘进完成一环应检查清洗注浆管路一次;

③注浆压力不能大于盾尾油脂腔的压力,一般在5bar以内;

(2)二次注浆

盾构施工过程中,因同步注浆效果不理想,浆液未能有效填充管片衬背后建筑空隙,造成地面沉降大,管片上浮,漏水等缺陷。为改善这种现象,利用管片吊装孔二次补充注入浆液。二次注浆一般以双液浆为主,也有部分采用二次补充注单液浆。在控制管片上浮、控制地表沉降时多采用注双液浆。

二次注浆量和压力要视情况而定。一般以注浆压力来控制。

二次注浆时应注意一下事项:

①在注浆前应查看管片情况并在注浆过程中进行跟踪观察,如有异常情况应立即停止注浆。

②在注入过程中应严格控制注浆压力。

③在注入过程中出现压力过高但注入效果不明显的情况时应检查注浆泵及注浆管路是否有堵管现象,并立即进行清理。

④在进行二次双液注浆前应将同步注浆管路的所有球阀全部关闭。

⑤注浆前应查看盾尾油脂腔的压力,如果压力偏低,应适当手动注入盾尾油脂,以保证在注浆过程中有足够的压力避免盾尾漏浆

⑥在注浆前应查看管片情况及土仓压力情况并在注浆过程中进行跟踪观察,如有异常情况应立即停止注浆。

⑦注浆位置一般选定在盾尾内数倒数第五环管片以后,避免浆液流向盾构机,造成盾尾固死。

除了注浆方式不一样以外,在不同地层中掘进其浆液类型也有所区别,在砂层中用双液浆效果更为理想。

(四) 掘进中常见事故处理

1、盾尾漏浆处理

盾尾漏浆是盾构施工最常见的,也是最麻烦的问题。特别是在富水层中掘进,如果盾尾刷受损,盾尾间隙差,浆液凝固时间长,注浆压力大等原因,漏浆的频率高很多。

盾尾漏浆有两种形式:漏泥浆和漏砂浆(实际掘进中盾尾还会漏水)。

造成盾尾漏浆的主要原因:

(1)盾尾刷在掘进过程中由于盾尾间隙差,盾尾刷受管片挤压导致失去弹性或者脱落造成盾尾漏泥浆和砂浆及清水。

(2)浆液凝固时间过短,造成浆液不能充分填充管片后空隙,而是堆积在注浆口附近,造成注浆通道受限制,后续浆液压力必然剧增,当浆液压力高于盾尾刷和油脂的抗压力时,就会击穿盾尾刷和油脂衬背而造成盾尾漏砂浆,长期下去就会导致盾尾漏泥浆和砂浆及清水。

所以在防止盾尾漏浆最有效的措施是保护好盾尾刷和控制好注浆压力与浆液的凝固时间。在掘进过程中盾尾漏浆,首先应当了解漏浆情况,具体位置在哪个部位,漏浆量有多大,盾尾间隙如何,注浆压力有多大,根据情况进行处理。

(1)如果漏浆量不大,而盾尾间隙比较合理的情况下,对漏浆位置进行手动补盾尾密封油脂(对漏泥浆或者砂浆都可行),漏浆部

位崭停注浆。

(2)如果漏浆量大,而盾尾间隙比较合理的情况下,在对漏浆位置进行手动补盾尾油脂的同时往盾尾晒海绵条,漏浆部位崭停注浆。

(3)如果漏浆量大,而盾构间隙差的情况下,在手动补盾尾油脂的同时往盾尾塞海绵条,漏浆部位崭停注浆。管片选型往间隙大的部位走,在掘进下一环过程中注意盾构机姿态尽量不要摆动来进行纠偏。

(4)控制好盾尾密封油脂的注入,盾尾油脂的损耗与掘进速度成正比,速度过快则注入盾尾的密封油脂在单位时间内不能满足其消耗量,若不及时调整油脂泵注脂率,则盾尾刷内的油脂量和注入油脂的压力不能及时密封盾尾,势必造成尾刷的密封效果减弱,形成盾尾漏浆。

在掘进中多注意保护盾尾刷,控制好注浆压力,使用配比合理的浆液,从根源上解决漏浆问题。在判断盾尾刷受损严重时,有条件更换盾尾刷的应马上更换尾刷。

2、地表沉降处理

地面沉降一般发生在软弱地层中,沉降分为两种,一是推进过程中刀盘位置发生沉降,二是后期管片脱出盾尾后沉降。推进过程中发生沉降的主要原因可能是切口压力波动大,造成超挖使地层发生变形沉降;还有可能是切口环压小造成局部塌方或超挖,从而使地表地层沉降,一般这种情况发生在隧道上覆地层为软弱地层的时候,由于软

弱地层稳定性差,对变形敏感,变化很快传递到地面产生地表沉降。后期沉降的产生与推进和注浆有关。即使地层稳定,若推进过程中发生超挖现象,而注浆没有相应增加,则有可能造成部分施工空隙没有填充,导致地层缓慢变形,最终产生地面沉降。在地下水丰富的地层中,若注浆没有及时凝固,浆液被地下水稀释带走也造成注浆的不足,从而引发地面沉降。对只有单液注浆系统的盾构机,后期沉降也可能受切口水压影响。由于单液注浆凝固时间长,注浆完成后其压力可能迅速消散,直至其值与切口水压相同,若所设定的切口水压过低,则有可能使地层缓慢变形后形成地面沉降。

由以上分析,切口压力和注浆控制是地面沉降的主要因素,因此在推进过程中控制好这两个方面可减少地面沉降的发生。这就要求设定较合理的切口压力及在推进时避免超挖现象,并严格按照指定的注浆方式进行注浆。对于前期刀盘位置处沉降,在掘进中可以适当调节切口水压和泥浆比重和粘度来减少沉降,对于盾尾后期沉降,加大同步注浆量或者进行二次补浆来减少沉降。

泥水平衡盾构机施工总结讲解学习