济南地铁富水风化闪长岩地层土压平衡盾构法施工技术

济南地铁富水风化闪长岩地层土压平衡摘 要：本文以济南地铁 R2 线闫八区间隧道盾构法施工为背景，对土压平 衡盾构机穿越富水风化闪长岩地层时的主要施工参数、施工存在问题、采取的相 应措施以及后续施工建议进行了说明，以期指导实践。关键词：盾构法，穿越、富水风化闪长岩1、工程概况：1.1 区间情况：济南地铁 R2 线闫千户站八里桥站（闫八区间）右线隧道全长 674.313m， 管片外径为6.4m；区间线型较简单，无转弯半径；隧道下穿、侧穿既有和在建管 线、建（构）筑物较多，这就要求在施工中要有效控制地面沉降，保证沿线建 （构）筑物的安全。1.2 地质情况：区间在里程 CK10+317CK10+565 段掌子面围岩由全强风化闪长岩组成，覆 土厚度14.616.7m。掌子面球状风化体交错分部，软硬极不均匀，全强风化 闪长岩中，夹有中风化硬夹层，中风化闪长岩中又夹有全强风化软弱夹层、透 镜体，软硬夹层分布及厚度无规律性。隧道结构底部 19-3 中风化闪长岩接近隧 道底板，不排除有侵入隧道洞身的可能性。1.3 水文情况：本工程地下水位埋深2.02.3m，高程介于25.0625.37m之间。根据沿线 地层岩性、结构、地下水的赋存条件，主要为基岩裂隙水。全强风化闪长岩厚度6.5024.00m，裂隙发育，风化程度较高，为地下水 储存和渗流提供了条件，该层基岩裂隙水具有含水层厚度较大、富水性相对较强 的特征。1.4 盾构机概况：闫八区间盾构机采用济南中铁生产的 489#电驱土压平衡复合盾构机，铰接 形式为被动铰接，渣土改良系统设计为 6 路泡沫+2 路膨润土+5 路中心冲刷。盾 构机刀盘采用四主梁+四副梁结构形式，刀盘开挖直径为6680mm,开口率40%。 主要刀具配置为：4把17寸中心双联滚刀、33把17寸单刃滚刀、8把边刮刀、 40把刮刀、23把焊接撕裂刀、8把保径刀。2、主要施工参数设定：2.1 盾构机土压力设定土压力的设定是盾该盾构施工的关键参数之一，对地层沉降控制起主导作用。 朗肯主动土压理论适用性较广，适合各种地层，所以根据地层基本物理力学参数 表，按朗肯土主动压力公式进行计算。朗肯主动土压力理论：八式中： 土体内摩擦角（）C 土体黏聚力（KPa）Y上覆土层的加权平均重度（KN/m3）H隧道覆土厚度（m）通过朗肯主动土压力理论计算主动土压力约为0.12Mpa，同时施工中通过设 在土仓隔板的压力计实时监测，结合地质、埋深和地面监测数据的反馈分析，适 时优化调整土压力，以确保地面沉降控制在规定的范围内，因此，该区段土仓压 力设定为 0.120.02Mpa。2.2盾构机推力设定盾构机总推力主要由以下五部分组成：H =耳+耳+片+旳+耳式中：F为盾壳与土体的摩擦力；1F为刀盘上正面的水平推力；2F为切土所需要的推力；3F为盾尾与管片间的摩阻力；4F为后方台车的阻力。5F.=半(出 +P“ + 片 + PMS.*式中：P为土体与钢的摩擦系数，取P=0.3, P为地面上置荷载，P =2 00t/m2 ； P01为盾构机底部的均布压力；P为盾构机拱顶处的侧向水土压力；P为12 盾构机底部的侧向水土压力。P 二 Yh+ P0eP = Pe + G/DL01P =PeX 入1P = (Pe+ Y.D)入2式中：入为水平侧压力系数，入=0.43； h为上覆土厚度；Y为容重;式中：Pd为土压力值；式中：C为土的粘结力；兀=叭以式中：Wc为两环管片的重量；F5 = Gh 61114 气 G* l09 ?式中：Gh为台车的重量；e为坡度；yg为滚动摩阻；通过上述计算公式及方法算出节点CK10+565的总推力参考值为1905.291。2.3 盾构机出土量设定出土量管理是盾构掘进的根本，是控制地层损失率的最直接、最有效的手段 在试验段的掘进中，对出土量的体积和重量的验证是检验出土量理论计算的最有 效手段，出土量通过实际情况进行验证通过收集的数据对出土量的控制数据进行 优化调整。出土量控制必须以渣土体积控制为主，重量复核为辅。理论出土量：V =nX（D/2）2XL=nX（6.68/2）2X1.2 = 42m3/环根据试掘进段施工经验，土体的松散系数取1.19。其中：V =VS=42*1.1950m3实D刀盘直径；L管片宽度；S松散系数（取值1.24）实际出土量设定为50m3/环，出土量偏差不超过理论值的5%。2.4 盾构机同步注浆参数设定2.4.1 注浆压力为保证对环向空隙的有效充填，确保管片结构不因注浆产生变形和损坏，根 据盾构施工关键工序管理规定（试行）相关内容，该工程注浆压力取值为上部 Pa+0.050.1Mpa，下部 Pa+0.10.15Mpa。2.4.2 注浆量刀盘开挖量与管片间的理论体积 ，其中D为开挖直径，d为管片外径，L为管片环宽。计算得V=3.44m。按照济南轨道交通工程建设安全风险技术管理体系盾构施工关键工序管理 规定的要求控制同步注浆量，结合该工程地层情况：一级风险源注浆量不小于隙理论体积的1.8V，为6.19m3；二级风险源注浆量不小于理论体积的1.6V，为5.5m3；三级及以下风险源注浆量不小于隙理论体积的1.5V，为5.16m3。注浆压力及注浆量双控制，结合沉降数据分析总结指导后续施工。2.4.3 注浆速度同步注浆速度应与掘进速度相匹配，按盾构完成一环1.2m掘进的时间内完 成当环注浆量来确定其平均注浆速度。3、施工遇到的问题以及相应措施3.1 螺旋机喷涌该区段地下水丰富，且隧道处于全、强风化闪长岩层，裂隙发育，为地下水 渗流提供了条件，导致该区段盾构掘进时喷涌严重，螺旋机后部土压最大为 1.6bar。由于喷涌引发：出渣量难控制、皮带机携渣、盾尾清渣量大等一系列问 题。采取的方法：方案一：外加剂渣土改良，即6.25%。比例的聚合物和水混合液，但效果不理 想，且成本较高；方案二：土仓高压“密气”，目的是利用气压阻止地下水往土仓内汇流的， 效果依然不理想且喷涌加剧；方案三：满仓推进、上部土压不低于0.12Mpa、推进时关闭螺机后闸门但转 速保持 12 转、间隔排渣；同时提高同步砂浆水泥含量，每 510 环施做止水环通过实践验证方案三能有效控制喷涌，确保盾构机正常掘进。3.2 地层软硬不均该区段地层为球状风化闪长岩，全、强风化岩层中夹带未风化的孤石以及中 风化闪长岩，导致盾构机掘进参数波动大，主要体现为掘进速度和刀盘扭矩变化 较大。而且通过了解类似地层的相邻标段曾多次发生刀具崩刃、刀具螺栓断裂、 刀具掉落等现象。为应对地层软硬不均问题采取了如下方法： 控制盾构机推力不超过 13000KN； 控制刀盘扭矩不超过3500KNm； 控制刀盘转速为 11.3r/min；控制这些参数的主要目的是保护刀具，防止刀具异常损坏。通过控制参数， 闫八区间右线顺利贯通，出洞后检查刀具，滚刀平均磨损量为15mm，个别中心 双联滚刀及中间滚刀偏磨、弦磨、多处刮刀崩刃，但无刀圈崩刃、刀具脱落等问 题。3.3 盾构机油温温度过高该区段盾构掘进，为控制喷涌及保护刀具，掘进速度降低，掘进一环用时达2 个多小时，导致盾构机因液压油油温过高停机。后来排查发现，由于盾构施工 用水为地下水，而济南地区水质碱性大，盾构机长时间保持掘进状态容易使外循 环水结成水垢，从而导致散热效果差。后来增配一套软化水设备，效果有明显改善。4、后续施工建议在闫千户站八里桥站区间双线贯通、洞门环梁施做完成、车站降水井封井 以后，已完工的区间隧道内又新出现较多的渗漏水点。分析原因可能是由于施工 期间地下水有释放点，成形隧道范围内地下水水量及水压力较小，而工程完工后 多处释放点均已封闭从而导致成形隧道范围内水位上涨、水压增高，使得新增多 处渗漏水点，对此提出以下两点后续施工建议：1)后续施工过程中每 5 环一次全断面的二次注浆，注浆材质宜为单液水泥 浆；2)后续管片生产过程中，在管片弹性密封垫外侧再增加一圈盾构管片用遇 水膨胀橡胶密封垫。5、结语本文对济南地铁隧道在富水风化闪长岩地层中，采用土压平衡盾构法的施工 情况作了较为全面的分析。从施工参数的理论分析以及设定，到施工过程中容易 遇到的典型问题和相应措施，以及后续施工建议都进行了说明，对相似隧道的盾 构法施工有一定的借鉴意义。参考文献：1张立新，邱明轩北京地铁盾构法施工技术J.铁道建筑，2007 (6).