结合广州地铁谈盾构隧道施工
1、工程概况
广州市轨道交通三号线[天 ~华]区间盾构工程分为两个区间(天河客运站~五山站区间以及五山站~华师站区间),主要由两条圆形盾构隧道为主组成,双线长6259.615m.隧道标称内径为5400mm;埋深为11~28m;平面最小曲线半径为350m;最小竖曲线半径为3000 m;坡度为19‰;最小坡度为3‰。
天~五区间隧道主要是在残积层和全风化层中穿过,顶底板差异不大,在中部偶见夹有球状微风化岩石。近五山段顶板出现少量砂层。隧道洞身天然单轴抗压强度值为153.40MPa.
五~ 华区间隧道主要是在强风化层中穿过,顶底板岩土分层有一定差异,存在上软下硬或有夹层现象。中部为瘦狗岭断层破碎带,以北均为花岗岩、花岗片麻岩带或风化层,以南为白垩系红层岩系。靠近华师站段隧道全断面在微风化层中穿过。地表地形地貌变化也比较大。白垩系红层隧道上方发育有较长段含水砂层。
2、盾构掘进
2.1刀具配置
地质情况对刀具配置起决定作用,隧道围岩为I、II类(按《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》中隧道围岩分类)时,一般采用刮刀(俗称羊角刀),而对于 III~VI类围岩则使用盘形滚刀效果较好。盘形滚刀又有单刃和双刃之分,单刃滚刀适合较硬岩或强度不均匀的围岩,而双刃滚刀适合一般硬岩及强度均匀的围岩。针对本工程的地质情况,均配置单刃盘形滚刀。
2.2掘进参数控制
(1)控制刀盘扭矩。根据保护刀具、降低刀具磨损的要求,必须将刀盘扭矩控制在某一容许范围内,而控制扭矩的主要依靠以下方法:
◆ 减小推力:这是最简单、有效的方法,但同时也会降低掘进速度。
◆ 减小刀具的贯入度:即在保持掘进速度基本不变的情况下,提高刀盘转速,一般达2.5~3r/m左右。当开挖面为全断面硬岩时,减小刀具贯入度,能显著降低刀盘扭矩。但刀盘高转速不适用有孤石的围岩,因为孤石很容易造成刀具崩裂。
◆ 向开挖面、土仓内加入土质改良剂:
常见的土质改良剂及适用地层
膨润土 适用砂~砂砾地层
发泡剂 适用粘土~粗砂地层
高吸水性树脂 适用固结粘土~砂砾地层
其中发泡剂较为常用。
另外,在全断面硬岩或孤石地层,可以向开挖面、土仓内加入冷却水,以降低刀盘、刀具的温度来保护刀具。
(2)保持适当的土压。若隧道围岩能够自立,则可以采取空仓掘进的模式;若隧道围岩无法自立,为了保持开挖面的稳定,则必须保持适当的土压以稳定开挖面,控制地面沉降。土压过低,则可能出现超挖;土压过高,则有效推力降低,掘进速度降低,且地面可能隆起,造成后期沉降较大。土压的确定与隧道埋深、地质情况、地面建筑物情况有很大关系,可以采用库仑或朗肯等理论估算。在实际施工中,也可以根据出土量的情况来确定适当的土压。在本工程掘进过程中一般保持 1.5~2.0bar的土压。
(3)在刀盘扭矩、土压、出土量满足要求的情况下,尽可能加大推力,以提高掘进速度(80mm/min以上),加快工程进度。而在掘进速度较快的情况下,则要注意控制好盾构机的姿态、保持土压稳定、同步注浆量。
2.3同步注浆及二次注浆
由于刀盘的直径为Φ6280mm,而管片外径Φ6000mm,所以在管片离开盾尾后,理论上管片与围岩之间将会有宽度为140mm的空隙,为控制地面沉降,必须用砂浆将空隙填满。
(1)盾尾同步注浆。
出现的主要问题:
◆ 堵管
出现堵管的情况,其原因主要是以下几方面:
① 砂浆配比不好,以致砂浆初凝时间太短、砂浆易沉淀离析、砂浆流动性差
② 原材料不好,如砂太粗
③ 盾尾浆管回砂
④ 长时间停注前未注射膨润土液洗管
◆ 漏浆
主要原因及处理办法:
① 盾尾间隙过大。控制好盾构机姿态,选择适当的管片,以保持良好的盾尾间隙
② 尾刷损坏。在管片迎水面垫厚约15cm 左右的海绵或者更换尾刷。
③ 盾尾油脂注入量不够。加大油脂注入量。
(2)二次注浆。
当地面沉降较大或隧道下坡且地下水丰富时,可以进行管片背后二次注浆来稳定地面或堵水。
注浆材料可以用纯水泥浆、砂浆或双液浆。注浆设备可以采用注浆机或盾构机台车上的同步注浆泵。注浆时应注意监控注浆压力,如果压力过大可能造成管片错台或纵裂。
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