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・隧道/地下工程・盾构机穿越海底复杂地层带压进仓孤石处理技术探析陈建福(中铁十四局集团有限公司山东济南250014)摘要复杂地质状况下隧道盾构法施工,一般都要面对孤石及基岩凸起等地质,目前比较安全有效的做法是超前探测,提前处理。但往往因为当前技术水平、施工手段及周边环境等因素的限制,无法将孤石及基岩凸起全部预处理,导致部分孤石卡在刀盘前方或堵在盾构机前闸门处,损伤了刀盘刀具、破坏了掌子面稳定、降低了掘进效率。结合厦门过海地铁盾构隧道施工实例,总结了大块孤石处理的关键技术,对几种仓内孤石处理方法进行了对比,对类似工程有一定的借鉴作用。关键词泥水盾构孤石处理泥膜形成液压割锯中图分类号U455.43文献标识码B———文章编号10094539(2016)08006305TechnologyAnalysisonBoulderTreatmentforShieldMachineThroughSubmarineComplexFormationintoCabinwithPressureChenJianfu(ChinaRailway14山BureauGroupCo.Ltd.,JinanShandong250014,China)AbstractForshieldtunnelingconstructionincomplicatedgroundcondition,itisquitenormaltomeetgeologylike—boulderstoneandupliftbedrock.Thecurrentsafeandeffectivewaytohandlethisproblemisprobedrillingandhandlingbeforeshieldmachinearrives.Butduetothelimitationofcurrenttechnology,constructionmethodandsurroundingenvironment,sometimesitisimpossibletohandlealltheboulderstoneandupliftbedrock,whichleadstocertainboulderjanlinfrontofthecutterheadorblockingthesubmergedwallgateoftheshieldmachine,damagescuttertoolsandfacestabilityand—reducestunnelingefficiency.ThispapersummarizesthebigboulderstonehandlingtechnologybycombiningtheconstructionexampleofXiamenseacrossingmetroshieldmachineandcomparingseveral.boulderstonehandlingmethodsinexcavationchamber,whichCanbeareferenceforsimilarprojects.Keywordsslurryshieldmachine;boulderstonehandling;argilfanformation;hydrauliccutting1引言盾构施工技术作为隧道、地铁、城市管线以及越江、跨海等基础设施建设的一种主要施工方法,已经得到了广泛应用¨‘2J。特别是世界各大城市地铁的高速发展,使得盾构隧道遇到的地层越来越复杂,一条隧道往往要穿越十余种地层。因此,单一的软土地层或硬岩地层已不能满足今天的盾构施——收稿日期:20160607基金项目:中铁十四局集团有限公司厦门市轨道2号线一标二—工区项目部技术开发项目(SDGSXMDT2一CG2016_0011)工范畴。为满足13益增长的施工需要,出现了复合型泥水平衡盾构机,这种机械设备基本能够满足各种地层的施工需求。但是,有些特殊的地层还是需要借助一些其他的施工技术手段才能满足工程需要,例如,花岗岩地层中特有的球状风化体(孤石),孤石有自然风化产物和搬迁作用两种成因,花岗岩球状风化体以及大型卵石都可能成为孤石,成为盾构法隧道掘进过程中的巨大障碍"。J,孤石常常会增加项目成本和施工风险,并∞导致工期不可控J。铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(081万方数据・隧道/地下工程・2工程背景2.1工程简介厦门地铁2号线海沧大道站一东渡路站区间为跨海区间,沿海沧大道向北敷设,以500m曲线半径下穿海沧湾公园后入海,经大兔屿,穿越厦门西港海域,于国际码头1号泊位上岸,又以350m曲线半径下穿邮轮城二期地块,到达东渡路站。为减小盾构机刀盘刀具磨损、保持掌子面稳定、提高掘进效率,盾构掘进之前对隧道线路预先进行超前钻探和超前地质雷达扫描预报,对发现的不良地层(孤石及基岩凸起)实行地表钻孔爆破预处理。将孤石及基岩突起采用爆破技术预先爆破成适合盾构机通过的粒径进行输排。但是,由于地质钻孔的间距、超前地质预报系统的准确率等因素限制,终将有一些孤石或基岩无法准确在盾构机掘进前处理干净,需要在掘进过程中进仓进行带压处理。厦门过海地铁施工过程中,就遇到了类似情况。2.2带压进仓原因及位置地质情况当盾构机在掘进过程中,发现气泡仓和开挖仓压力经常达不到平衡,随着刀盘的转动发生波动、刀盘前方有异响、推力增大、排泥泵吸口压力偶尔出现负压等因素时,可判断为开挖仓或前闸门处可能出现堆积,或者有异物。厦门地铁2号线过海区间施工时,出现类似情—况时盾构机位于厦门西岗海域,水深00.95m(潮汐现象的影响),退潮时,海床完全暴露出来。覆土厚度为16.35m。覆土依次为素填土层、淤泥层、残积砂质黏性土层、全风化花岗岩,掌子面为全风化花岗岩,见图1。覆土及穿越地质特性见表1。表1覆土地质特性地质特性覆土厚度/m1~2素填土黏性土、碎石等回填而成2.65—41淤泥天然含水量高、孔隙比大、强度低O.6—114辉绿岩脉残积土泡水易软化、崩解、强度急剧降低4.5—171全风化风化严重,结构基本破坏,除石8.6花岗岩英外矿物均已风化成黏土矿物发生异常情况时的地层为全断面全风化花岗岩,该地层弱透水,结构稳定,有利于形成均一的稳定泥膜,适合高压进仓作业。海床5.13—————\历史最高潮位、\—\~稍瑚闻亟高潮{1.83—12素填土—111辉绿岩≥尘兰一.,一一一-一———一1—71全风化花岗岩19.70(一14.57)一f~1化辉绿岩24・60(一19.47)29.40(一24.27)图1停机地质图3带压作业目的及压力确定3.1带压作业目的(1)检查刀柱-n,J-'t-h-是否有大块孤石,是否有泥饼;(2)检查刀具磨损情况;(3)进入气泡仓碎石机区域,观察碎石机周围堆积情况。3.2带压作业压力确定带压进仓的压力值根据理论计算和实际气泡仓压力值进行确定。由于盾构机位于全风化花岗岩层,属于硬土,围岩等级在V级以下,因此气垫舱压力不仅需要平衡水压,还需平衡土压。因此掌子面水土压力采用水土分算法进行压力计算,如图2所示。气垫仓压力P将根据掌子面水土压力确定,其上限值P一为静止水土压力,其下限值P幽为主动水土压力。根据朗肯土压力计算公式进行计算。』海底E筐玉过{<_膨润土浆液图2压力计算示意图P。。=Pl+P2+P3=y水×∑H+K((1f一^y水)Xhi)+20+虿R×y膨润土液(1)64铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(06J万方数据・隧道/地下工程・式(1)中,P。为水压力(kPa);P2为静止土压力(kPa);P3为变动压力,一般取20kPa;y水为海水的容重,取10.25kN/m3;y膨润土液为膨润土液容重,取12kN/m3;尺为盾构开挖半径,取7.043m;ro为掌子面顶部土体静止土压力系数;yi为土的容重(kN/m3);h;为土层的厚度(m)。P。i。=Pl+P;+P3=∑y水X日+蜒((^yi一_y水)Xhi)一2XC。X压+20+瓦R(2)式(2)中,P:为主动土压力(kPa);K。为掌子面顶部土体主动土压力系数;C。为掌子面顶部土体的黏聚力(kPa)。根据表2中土体各项物理力学指标,可计算出P。i。和P一。表2覆土地质土体物理力学试验指标土层内摩内聚力∥容重静止主动擦角土压力土压力层厚名称C。/kPa(kN・m一3)d/m西/(o)‰系数系数K。素填土152018.70.43O.595.3淤泥41016.20.720.871.2辉绿岩脉222418.2O.330.459残积土全风化342618.7O.30O.3l17.2花岗岩P=(P。。。+P一)÷2=(270.08+242.5)÷2=256.29kPa(3)本次进仓位置最大潮位差为2m。故确定本次—带压进仓压力为2.362.56bar。4带压进仓准备4.1泥膜4.1.1泥膜的配比试验在开挖面形成泥膜对防止气体泄露和维持开挖面土体稳定是气压开舱的关键因素"J,为了使泥浆的效果达到施工需要,在带压换刀前应对其配比和效果进行试验。膨润土制备好后对膨润土黏度和比重进行测试,直到达到满足此处进仓的膨润土要求。4.1.2膨润土的置换—(1)第一步采用比重为1.11.15g/cm3,黏土—为2023s的稀泥浆进行6h的大循环浆液置换,使浆液在地层中形成较厚的泥膜渗透带。(2)第二步采用比重为1.15一1.2g/era3,黏土为45s的泥浆再进行6h的大循环浆液置换,使浆液在开挖面表面进一步形成较厚的致密泥皮,静止2h后观察液面稳定情况。(3)第三步当气泡仓液位完全稳定后,进行开挖仓气体置换密封实验。降压或升压的过程中,严格控制降升速度,液面变化的速度控制在2cm/min之内,切口压力波动控制在设定值的±0.1bar之内。(4)第四步当气体置换完毕并停止泥浆循环,为了确保在长时间进仓作业过程中开挖仓内泥浆质量的稳定,必须采用黏土不小于80s,比重不小于1.2g/cm3的高浓度高质量泥浆直接用同步注浆泵向开挖仓进行补注,确保掌子面稳定。4.2带压进仓保压开挖仓降液位后,关闭泥水平衡盾构进/排气阀,保持2.6bar工作气压状态持续24h,通过观察压力的变化、液位的高低和地面沉降情况,来判断切口面是否稳定,从而确定是否具备进仓条件。保压过程中要时刻注意仓内压力变化,一旦发现异常情况,马上恢复盾构机进排气系统。若气泡仓压力、开挖仓顶部支撑压力、轴支撑压力趋于一致,并保持12h增减±0.01bar,气泡仓气压可视为基本保持平稳。在保压之前和保压之后,分别进行两次从较高压3.25bar(工作压力的1.25倍)降到工作压2.6bar的无补气降压实验,目的是了解保压前后气体泄漏情况。从而判断泥膜在空仓状态下,经过24h后的龟裂情况,再确定是否在换刀进程中重新形成泥膜。4.3带压作业地面监控带压进仓作业区域海域应进行警戒,设置监测点,安排监测人员进行实时监测,设置最大累计沉降预警机制.如图3所示.图3海底监控点布置4.4带压作业时间的控制—根据《空气潜水减压技术要求》(GB一12521“2008),该规范中明确说明空气潜水减压标准可适铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(06l65万方数据・隧道/地下工程・”用于加压仓内暴露于压缩空气后减压方法的选择,根据计算在刀盘里程进仓的作业压力为2.6bar左右,带压作业人员最长工作时间为4h。为了保证此次进仓的安全,严格遵守技术规范要求,做到加压时间、作业时间、减压时间的安全科学控制,防止出现减压病等职业病。5带压进仓孤石处理厦门过海地铁在带压进仓后发现前方掌子面有宽度约为600mm的环向凹坑,初步判断刀盘上存在孤石,经过转动刀盘检查,发现有一大块孤石卡在刀盘ARM2和ARM3臂间的开口处,见图4。图4孤石位置国内最早出现孤石的工程实例是深圳地铁,球状风化岩的存在导致盾构掘进过程中刀盘严重变形,险些酿成重大事故旧J,因此发现孤石需要及时处理。在孤石处理中,应根据现场条件和孤石的大小、形状等因素来制定最合理的处理方法一1。5.1采用风镐凿除孤石风镐是采用压缩空气作为动力,利用风镐冲击作用破碎孤石,一般需要气压5bar,盾构机气泡仓内配置有压力为10bar的动力气源,能满足风镐的使用要求,利用风镐破除孤石30min,只破除掉100mm×50mm的小块孤石,工作效率较低,并且风镐在密闭空间内,产生的废气不能立即循环排除,严重影响带压作业人员的呼吸系统,加之气泡仓内气压增高,存在地面隆起的不安全因素。因此,风镐处理孤石,只适用于岩石体积小、强度低的环境。5.2采用静态爆破技术—剂可产生3050MPa的力。静态爆破技术是一项成熟的技术,用于盾构前仓孤石处理有以下特点:(1)静态爆破对掌子面扰动是最小的,尤其适合作业环境受限、对周边环境稳定要求高、无法利用大型设备展开作业的部位。(2)静态爆破剂对孔深和封孔效果要求较高,静态爆破剂25rain就开始裂变,若钻孔深度及封孔方法不当,爆破剂在裂变时释放的应力就从受力最薄弱的孔口喷出,达不到爆破效果。(3)利用静态爆破剂进行孤石处理,首先需利用风钻钻孔,由于在密闭带压空间内,空气交换不及时,产生的废气对作业人员健康存在伤害。产生的废气还会增加气泡仓的空气压力,不利于掌子面的稳定。(4)静态爆破剂反应时间虽快(一般30min就开始膨胀),但在需要带压状态下应用,效率还是不够,毕竟每次带压进仓处理孤石的有效工作时间有限、成本高昂,且一旦爆破失败,需二次进仓处理。5.3利用石匠夹片进行孤石处理“”根据花岗岩地质硬而脆的节理特性,利用石匠夹片(俗名石头蟹,如图5所示)进行孤石处理,此种方法首先利用风枪钻孔,钻孔直径为40mm,选用22mln的石匠夹片进行孤石处理,效果非常不理想。优缺点如下:(1)方法简单、经济,适用于单个或体积较小的孤石处理。图5石匠夹片(2)利用石匠夹片前需先用风枪钻孑L,存在安全风险。(3)石匠夹片在带压情况下,对作业人员的体力要求较高,工作效率不高。(4)需要利用大锤敲击石匠夹片,开挖仓内空间受限,敲击无力。5.4利用液压割锯处理孤石静态爆破技术,是将静态爆破剂利用适量的水液压割锯有两部分组成,一部分是割锯,此割(一股隋况下含水量为30%)调成流塑状浆液,灌人锯为链条式,耐磨性能非常好;另一部分是液压泵事先利用爆破风钻在岩石上打设好的爆破孔,然后对站,液压压力高达275bar,如图7所示。该液压绳孔El进行有效封堵。利用静态爆破剂经水化后产生锯可将高强度岩石直接进行切割,割除孤石速度的膨胀力,将岩石撑裂。效果好的情况下,静态爆破快,能割除的最大硬度高达200MPa。66铁道建筘技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016f08J万方数据・隧道/地下工程・通过此次进仓割除孤石的案例,发现此割锯有以下优缺点:(1)割除孤石速度快,30min即割除掉250×250×220mm孤石一块。如图6所示。(2)通过盾构机气泡仓隔板上预留的液压接口连接割锯和液压泵站,使液压泵站放置在仓外,保证了气泡仓内的安全。如图7所示。图6割除的第一块孤石图7盾构上预留液压接口(3)液压割锯割除孤石的硬度高达200MPa,完全满足割除孤石的要求。(4)割除孤石速度快,本次带压进仓两次将孤石割除完毕,如图8所示,运输至仓外。减少了带压作业人员的工作时间,有效降低了带压进仓的风险。(5)液压割锯使用液压驱动,气泡仓内没有废气产生,对带压进仓人员和掌子面的稳定不会产生不良影响。(6)液压割锯尺寸小,长度为600mm,重量轻,重量为6kg,对空压狭小空间孤石割除非常有利,图8分块后的孤石重量轻有效降低带压作业人员的劳动强度。(7)本次选用的液压切割机泵站是内燃机式,长时间在隧道内开启将产生大量CO气体,当CO浓度达到一定值时对人体是有伤害的,因此,在隧道内使用时特别注意通风,风机要不问断开启。同时,建议在切割机选型时,最好选用电动型的泵站。6总结问的控制等进行全过程解析,对仓内几种孤石及基岩凸起处理方式方法的优缺点加以例举。通常孤石存在于自稳能力不好的残积层,但有时候也会出现由于预先处理基岩不彻底产生人为孤石。盾构施工过程中,这种无法顺利进入开挖仓,利用盾构机自带的破碎机处理的孤石,对盾构施工影响甚大,轻则导致刀具磨损,刀盘堵塞,盾构负载加大;重则刀盘刀座变形、刀盘受力不均匀导致主轴承受损或主轴承密封被破坏,更有甚者被刀盘推向隧道侧面的大漂石会导致盾构转向,偏离隧道轴线等[I¨13],可见孤石的存在危害非常大。本次带压进仓处理孤石采用了气动风镐、石匠夹片、静态爆破、液压割除等几种方法,通过对比分析,液压割除处理孤石效果最好,值得推广。参考文献[1]张风祥,朱合华,傅德明.盾构隧道[M].北京:人民交通出版社,2004:12.[2]地盘工学会(日)著,牛清山,陈凤英,徐华(译).盾构法的调查、设计、施工[M].北京:中国建筑工业出版社,2008:23.[3]付冬平.广州北部孤石的特征及其工程特性[J].广州—土木与建筑,2009(6):2122,33.[4]鲍晓东.深圳地区花岗岩残积土工程特性的研究[J].—铁道勘察,2004(2):7274.[5]王典.地下工程球状风化专题勘察方案研究[J].广州—建筑,201l(2):4246.[6]桑松龄.地质雷达检测在无锡地铁不良地质段的应用—[J].铁道建筑技术,2015(4):7880.[7]符昌钦.泥水盾构带压进仓作业安全技术措施[J].—建筑机械化,2013(6):8587.[8]张恒,陈寿根,谭信荣,等.盾构掘进孤石处理技术研—究[J].施工技术,2011(10上):7881.[9]郑礼均.孤石地层盾构推进施工技术[J].铁道建筑技—术,2014(7):1l13,22.[10]竺维彬,鞠世健.复合地层中的盾构施工技术[M].北京:中国科学技术出版社,2006:53.[11]张凤祥,朱和华,傅德明.盾构隧道[M].北京:人民交通出版社,2004:67.[12]古力.盾构机破碎孤石条件及预处理方法[J].隧道本文结合带压进仓处理大块孤石的成功实例,—建设,2006,26(S2):1213.对盾构机开挖仓内带压孤石处理从优质泥膜的配[13]靳世鹤.广州地铁特殊地质土压平衡盾构施工方法制和形成、保压试验、地面实时监测及带压作业时—[J].都市快轨交通,2009,20(3):5557.铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016108)67万方数据
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