软弱地层土压盾构施工中注意事项.ppt

富水软弱地层盾构施工技术 中铁一局城轨分公司林建平Tel 13638621708 讨论的主要内容 1 富水软弱地层的特点2 富水软弱地层端头加固3 富水软弱地层盾构始发和接收4 富水软弱地层盾构推进5 渣土改良6 富水软弱地层地层运动规律及控制 一 富水软弱地层土压盾构施工特点现在我们城轨公司施工的富水软弱地层地区有南京 武汉 杭州 苏州及广州部分地区 软弱地层地质分类 有淤泥质 淤泥质粉土 淤泥质粉质粘土 粉土粉沙层 粉沙层 粉细砂层及中砂层 富水的特点是主要由地面水 承压水 潜水引起 所有盾构隧道使用土压平衡盾构机 土压平衡盾构施工基本原理图 1 土压力计算特点 富水软弱地层土压力计算 要合理利用土力学公式 采用水土分算 比水土合算安全 的办法 隧道掘进掌子面无承压水或是微承压水 水头高度未超出地面 掘进土压采用 浮土容重 水位以下 天然容重 水位以上 水压的计算办法 隧道掘进掌子面有承压水 掘进土压采用 浮土容重 承压水压的计算办法 主动土压力 主 ztan2 450 2 2Ctan 450 2 被动土压力 被 ztan2 450 2 2Ctan 450 2 静止土压力 静 1一sin 水土H 水土合算 为了设定土压力参考服务 掌子面土压力 主 0 被即 主 w P压 刀盘 I X 仓内X 被 w P压 z 土H 主动土压力 被动土压力 2 土压控制特点软弱地层土压变化频繁 由于受土仓加注泡沫影响 经常会误判土仓土压变化原因 把地层超挖或塌方造成土压升高误判为加注泡沫引起的土压增加 容易导致盾构超挖和超出土方问题 进而造成掌子面土体变形及地面沉降 所以在掘进过程中要严格控制出土速度和方量 3 地层变化灵敏富水软弱地层自立性差 产生土拱现象较难 地层内土体变形可在6个小时以内传递到地面 造成地面沉降 影响周遍环境 所以同步注浆的时间 压力及数量需与盾构掘进状态相匹配 注浆压力约大于注入点的静止水压及土压力之和 并不至于引起地面隆起为宜 注浆量控制在粉土粘土层注浆量大于1 5倍几何空隙 在砂层中注浆量更大 甚至达到3倍几何空隙 同步注浆的主要目标是控制地面隆沉值不超过规范规定 4 盾构始发端头土体加固要求高盾构始发接收地层端头加固质量要求高 土体加固的整体稳定性和止水性必须同时达到标准 否则会出现整体滑塌或涌水涌砂 5 盾构机姿态纠偏速度慢由于软弱地层中 无法给盾构机提供足够纠偏反力 一旦盾构机偏离轴线 纠偏难度大 完全依赖于管片反力纠偏 在水平曲线上盾构机需提前拟合曲线 保护其水平偏差在尽可能小的范围内 在竖曲线上在提前拟合曲线的过程同时要保持盾构机昂头姿态 防止盾构跌头后 难以纠偏 软土中推进 没有必要使用超挖刀 6 渣土改良难度大 二 富水软弱地层端头加固技术 在软土地区的盾构施工中 端头土体加固是施工中的重要环节 也是施工控制的重点 端头加固作为一项临时工程其目的就是保证盾构机安全顺利地始发或者到达 因此要求加固后的土体在端头井围护结构凿除后能有良好的自稳性 防水性 匀质性 1 合理加固长度的确定 在上海软土盾构工程中 目前基本上采用始发端头加固长度6m 到达端头加固长度3 5m 但在实际施工过程中 我们均取盾构机的长度为加固区长度 一般选在8m左右 以防止加固体之外的水沙穿越加固体 涌透洞门密封 造成安全事故 配加固区平面图 2 加固方法常用加固方法有 1 搅拌桩 旋喷桩 2 高压旋喷 3 高压旋喷 降水 4 冷冻法 检测手段直接方便 土体加固后 在端头井围护结构的上 中 下和左 中 右工钻 100mm的探孔9个 探孔进入加固土体 200cm 观察个探孔的渗水情况 要求不能有明显水流 不得有浑水或夹泥沙流出 三 盾构始发和接收技术 1 始发洞口的地层加固效果检验在盾构始发之前 对洞门出土体加固效果要仔细检查 打设探测孔 检测土体加固的稳定性和止水性 加固后地层要具备最少一周的侧向自稳能力 检测空要不流水流沙 2 始发洞口维护结构的切除凿除可分两次进行 第一次先将围护结构主体凿除 只保留维护结构的钢筋保护层 在盾构始发前将保护层混凝土凿除 在凿除完最后一层混凝土之后 要及时的检查始发洞口的净空尺寸 确保没有钢筋 混凝土侵入设计轮廓范围之内 3 洞口密封洞口密封的施工分两步进行施工 第一步在车站结构的施工过程中 做好始发洞门预埋件的埋设工作 在埋设过程中预埋件必须与车站结构钢筋连接在一起 第二步在盾构正式始发之前 清理完洞口的碴土 完成洞口密封的安装 为了确保安全 用膨胀螺栓再次对安装好的钢环二次预加固 帘布的安装方向 钢环板加固 盾构机进出洞洞门密封实物图 4 洞口始发导轨的安装 混凝土 钢的两种 在围护结构破除后 盾构始发台端部距离洞口围岩必然产生一定的空隙 为保证盾构在始发时不致于因刀盘悬空而产生盾构 叩头 现象 需要在始发洞内安设洞口始发导轨 在安设始发导轨时应注意 在导轨的末端预留足够的空间 以保证盾构在始发时 不致因安设始发导轨而影响刀盘旋转 5 始发台的定位与安装由于始发台为盾构始发时提供初始的空间姿态 始发台要与掘进线路前进方向有一个昂头的夹角 使盾构机始发时能够昂头20 30mm 6 空载推进盾构在空载向前推进时 主要控制盾构的推进油缸行程和限制盾构每一环的推进量 盾构推进要控制在反力架承受力范围内 要在盾构在向前推进的同时 检查盾构是否与始发台 始发洞发生干涉或是否有其他异常事件或事故的发生 确保盾构安全的向前推进 空推的过程中也要严格加注盾尾油脂 以免尾刷被磨损 7 洞内管片拉接 在隧道内沿纵向用140槽钢将15环管片拉接紧 8 应急物资准备 四 富水软弱地层盾构推进技术 1 盾构始发掘进1 盾构机的姿态控制始发掘进中盾构机姿态的控制是一个重点 难点 2 始发段地质条件较差 地下水位高 覆土比较薄 加固区土体较硬 宜以 lOmm min的速度缓慢推进 3 背衬注浆控制盾构机始发阶段前15环的背衬注浆的浆液采用早强性浆液 该浆液由搅拌站经管路直接泵入盾构机上的储浆罐中以备用 试验室要做初凝时间4h 6h 8h 10h 12h浆液 2 盾构机达掘进1 穿越加固区到达掘进同始发掘进一样要穿越加固区 存在刀盘启动困难或扭矩较大 螺旋输送机扭矩较大的现象 根据周遍环境合理控制盾构的掘进参数 尤其是土压 扭矩控制 2 刀盘破土刀盘破土即刀盘从加固区掘出土体的过程 此时盾构掘进从土压平衡模式进人非土压平衡模式 须派专人在洞外时刻观察洞口的变化情况 并和盾构主司机保持实时联系 破土时宜降低刀盘转速 推进油缸压力和推进速度 推进速度宜控制在5 10mm min 3 盾构机接收这是盾构机刀盘破土后推进到接收架的过程 此时刀盘 螺旋输送机 皮带输送机已停止工作 整个推进过程由推进系统独立完成 推进速度一般控制在60 80mm min 3 盾构正常掘进3 1 合理控制盾构机掘进参数 建立有效土压平衡 确保同步注浆效果 是控制地层损失 减小地层变位的有效手段 3 2 在曲线段 包括水平曲线和竖向曲线 推进时 1 进入曲线施工前 调整好盾构的姿态 2 在曲线上 每环掘进中间 盾尾间隙比较小的盾构 释放依次推进油缸压力 使盾构机和管片的应力从新组合 3 精确计算每一推进循环的偏离量与偏转角 根据盾尾间隙及推进油缸行程差 铰接油缸行程差和掘进线形选择合适的管片 合理选配推进千斤顶的数量 推进力 分区与组合进行推进 尽量以管片姿态决定盾构机姿态 4 为防止管片外斜 必须保证管片背衬注浆的效果 使千斤顶的偏心推力有效地起作用 确保曲线推进效果 减少管片的损坏与变形 5 曲线施工中盾构曲线走行轨迹引起的建筑空隙比正常推进大 应加大注浆量 正确选好压注点 6 注意铰接油缸处和盾尾有无泄露 发现泄露及时采取措施 加大盾尾密封油脂的注入量 7 换碴车时不间断掘进 协调各工序 避免长时间停机 4 渣土管理刀盘切削下来的泥土充满土仓 土仓内泥土压力与作业面的土压和水压相平衡 掘进时螺旋输送机的出土量必须与盾构推进的开挖土量相平衡 保持正面土体稳定 以防止地下水土的流失而引起地表沉降 掘进中可以通过出碴量的情况来推算开挖面的情况 若出碴量大 则开挖面可能出现了坍塌而造成地面沉降 出碴量小 则开挖面可能有空洞或裂隙比较发育 所以要控制好每环的出碴量 应控制在理论出碴量的95 105 之间 如有异常应采取相应措施 松散系数的考虑粉细砂层偏小 可以不考虑 和广州地方的区别 五 渣土改良技术 1 渣土改良的目的 采用塑流化技术 向盾构开挖面 土压仓 必要时向螺旋输送机 注入改性材料 泥浆 泡沫 聚合物等 使倔削土体经过改良后具有良好的塑流性和低透水性 增强其和易性能和阻止水能力 以保证开挖面稳定 出渣连续顺利 实现土压平衡掘进 同时有利于降低机械负荷 提高盾构掘进效率 基本要求 良好的塑性变形特性优良的粘稠性能较小的内摩擦力 和较低的渗透性 渗透系数 2 土的粘性划分土壤的种类和特性决定着塑流化改良的需要与类型 比如土的颗粒分布 细颗粒土的含量 含水量 液限 塑性指数 稠度指数等 工程用土分为细粒 粗粒和巨粒三类 细粒土又细分为粘粒与粉粒 粗粒土分为砂粒 细砾与砾粒 巨粒土分为卵粒与漂石粒 粗粒和巨粒是颗粒土 通常被认为是无粘聚性土 而细粒土多为粘聚性土 通常 无粘聚性土与粘聚性土的分界粒径是0 075mm 大量施工实践证明 盾构开挖断面实际土壤中细颗粒土含量30 以上 且土体呈塑态 见图1 图2 时 其塑流性满足土压平衡盾构掘进要求 而细颗粒含量低于30 的土体 必须通过注入改良材料进行塑流化改良 以提高土的塑流性和止水性 满足土压平衡盾构掘进需要 地质报告上有参数 3 常用改良材料改良材料必须具有流动性 易与开挖土体混合 不离析 无污染等特性 土压盾构常用的改良材料有矿物类 界面活性剂类 高吸水性树脂类和水溶性高分子类 后二类亦被称为聚合物类 各类改良材料可单独使用或组合使用 1 矿物类 主要有膨润土 粘土 陶土等 2 界面活性剂类 泡沫 3 高吸水性树脂类 高吸水性树脂是遇水瞬时吸水呈胶体状的高分子化合物 具有吸水 不溶于水等特性 在高水压地层能充分发挥防止喷发的作用 TAC 4 水溶性高分子类水溶性高分子类 增粘剂 是溶于水 呈现粘稠性的化合物 按其使用的主要原材料分类有纤维素类 丙烯类和其它 植物粘质物类 阴离子类 其中 多数材料的增粘性与粘结性能优异 除能改善开挖土体的流动性和止水性外 泵送性能也很好 4土压平衡盾构机改良材料选用4 1选用依据 1 土质 粒度分布 砾石粒径 砾石含量 粘性土含量 均等系数等 2 透水系数 3 地下水压 4 注入设备的装备空间 地面 隧道内 5 费用 材料价格 注入量 材料损耗 用电量 设备费等 综合测算 4 2适用土质 1 膨润土浆液适用于砂粒 细砾与砾粒土层 大粒径土颗粒含量多时 泥浆浓度应适当提高 与泡沫同时使用亦可用于卵粒地层 2 泡沫应用范围广 单独使用适用于粘粒 粉粒和砂粒 与膨润土或聚合物共同使用可用于砾粒 卵粒和高粘聚性粘土地层 3 高吸水性树脂主要适用于地下水充足的固结性粘土 粉粒 砂粒与细砾地层 4 增粘剂主要适用于粉粒和砂粒 常与泡沫共同使用 六 富水软弱地层运动规律 1 地面沉降的主要原因有以下几点 1 因盾构机操作引起的过量出土 2 盾尾间隙以及在盾构隧道管片衬砌背后的注浆所引起沉降 3 开挖面前方土体崩塌或盾构机推力过大引起开挖面土压力失衡 4 盾构机一土体问摩擦引起的土体挤压剪切效应 5 因地下水位变化引起孔隙水压力变化而导致的长期固结沉降 2 沉降特点盾构推进施工引起的地表和土体沉降位移的历时变化一般分为盾构到达前 盾构到达 盾构通过时 盾构通过 后续沉降5阶段 1 盾构到达前的超前沉降 测点离盾构切口3 20m范围内所发生的隆 沉变化 一般发生沉降 但沉降量很小 主要是盾构掘削面引起的地下水位降低而发生的 也有隆起 是盾构机推力超过被动土压力 2 盾构到达时的隆沉 测点离盾构切口0 3m范围内所发生的隆沉变化 当盾构设定土压值较大 推力较大 出土量小于100 时 地表呈隆起 当设定土压值较小 推力较小 出土量大于100 时 地表开始发生沉降 3 盾构通过时的沉降 在盾构切口至盾尾范围内 一般发生沉降 主要是盾构超挖 纠偏引起 4 盾尾通过后的隆沉 盾尾离开测点0 5m范围内 因注浆的不及时而发生较大沉降 若采用同步注浆 并及时充足地注浆 则不易发生沉降 若过量注浆 则产生隆起 5 后续沉降 由于盾构施丁过程中因挤压 超挖 蛇形 注浆等扰动土体后 土体缓慢固结产生的沉降 其托是沉降时间很长 但沉降速率逐渐减少 地表沉降历时曲线从隧道横剖看 单线隧道沉降槽曲线似正态分布曲线 双线隧道的沉降曲线类似单线隧道沉降槽曲线的叠加 且在大多数睛况下第一条隧道引起的地而沉降较第 条隧道为大 3 地面沉降影响因素3 1注浆在盾构推进中地层沉降控制效果受到注浆的影响 注浆包括注浆压力 注浆量 有效注浆范围 加固体的强度提高程度 后挖隧道对其产生的扰动等诸多因素的综合制约 注浆对改良地层性状 有效降低地面沉降可起到积极的控制作用 从隧道纵剖看 地面沉降主要特点 一是在盾构掘进面的前方可能产生地表隆起 二是施工时 除土体损失引起的沉降外 还存在盾尾空隙导致的沉降 施工实践表明 盾构施工引起的地表沉降5个阶段的累积沉降量一般可控制在30 50mm 横两侧6m范围以内 3 2盾尾建筑空隙当盾构刚开始顶进土体 管片尚未脱出盾尾时 周边土体接近于盾壳外周表面 盾尾建筑空隙很小 当盾构继续望前推进 盾尾环状钢壳随着盾构千斤顶顶出而前移 致使第一环管片脱出的瞬间 在周边土体和管片外侧之间形成空隙 在没有及时注浆的情况下周边土体势必因失去受力平衡而产生 塌落 直至填满所有空隙并达到新的应力平衡状态 3 3其它因素对地面沉降的影响盾构施工中的一些技术问题 如盾构纠偏 盾构临时停顿或后退及推进速度 出土量的变化等 都对地表沉降有影响 但这些因素较复杂 有的影响是局部的 北方沉积年代久远的地层 和长江延边一级阶地 4施工沉降控制技术施工中会造成地层损失 原始应力状态变化 土体固结 土体的蠕变 还可能发生支护结构的变形等情况 所以 进行地层沉降控制 其出发点是保持或者加强原有地层的稳定性维持其稳定的应力平衡状态 4 l施工监测反馈盾构施工监测的项目有地表沉降 土体沉降 土体变形 土压力 孔隙水压力 建筑物沉降 裂缝 隧道衬砌土压力 应力 变形 盾构开挖面土压 推力 出土量 注浆量 盾构姿态等 盾构施工监测项目 4 2合理的使用盾构掘进土压 严格控制出土量 盾构机掘进的参数要根据地面沉降监测数据进行调整 在富水软土地区 使盾构前方地面隆起5mm为宜 4 3注浆1 注浆速度注浆速度确定的原则是使浆液充填速度与盾构掘进速度一致 如注浆过快易造成盾尾漏浆 如注浆过慢则注浆充填效果不易达到 同步注浆 2 注浆时间盾尾注浆的压注时间对于注浆施工效果的影响明显 若注浆不及时 尤其是在地层变形发生之后再进行注浆 则达不到预期的注浆效果 因此 浆液的压注时间应以管片脱开盾尾时为最佳 注人浆液的时间应与管片推进一环的时间相同 3 注浆部位的分配有目的地选择等角度分布于盾尾外壳的注浆管进行注浆 根据不同的地质条件及控制标准 确定各个注浆管的注浆压力与注浆量 能使 漂浮 于浆液中的隧道尾端产生可控位移 既可改善隧道轴线原有的偏差 又可有效改善管片与盾尾的挤卡状况 柔性 漂浮 4 加强跟踪注浆 减小后期沉降盾构施工后期沉降 盾尾后3D范围外 虽然沉降发展速度较慢 但其累计值还是相当可观的 修建盾构隧道所引起的地表沉降量更多地产生于施工后期 即长期固结期 而受施工阶段盾尾孔隙 壁后注浆和施工围岩扰动等影响相对较小 后期沉降主要是由土体的固结沉降造成 对于地面有较重要的建筑物来说 除在盾构推进过程中精心施工外 利用跟踪压注固结浆液的方法控制后期沉降是一种效果良好 七 工程条件和管线调查7 1工程条件1 地面重要建 构 筑物统计与调查范围的确定 包括调查范围和可能的影响范围 2 重要性分级 建 构 筑物的建设质量 使用状况等 重要建 构 筑物的现况分析与评价 必要时请有关权威部门 并形成分析报告 3 盾构隧道沿线地层土质状况 分层状况 剖面图 平面图 钻孔柱状图 物探报告的分析与研究 并形成报告 4 盾构隧道沿线的水文地质状况5 需要的补充地质勘探工作 包括补充钻孔的设置原因 位置和物探工作 7 2前期工作 地面与地下管线 1 根据工程条件 隧道埋深 间距 盾构型式与施工方法等 确定具体的调查范围和依据 设计图纸给定 2 制定详细的调查计划及其调查成果表格 表格内容至少包括 管线类型 建成年代 产权单位 接口型式 使用状况 抗变形能力 埋深 风险等级评定 3 选派得力的调查人员形成管线调查组 按照详细调查计划的要求开展调查工作 4 形成调查报告并按照不同产权单位要求的格式进行分类汇总 包括各种管线安全性分析等重要内容 提供下一步工作作为参考 错误之处 敬请批评指正 谢谢大家 2009 05