富水砂礫石地層地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)機(jī)選型分析

1、.富水砂礫石地層地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)機(jī)選型分析【摘要】XX地鐵一號線一期工程盾構(gòu)區(qū)間隧道將根本在局部含大漂石的砂礫地層通過，且地下水位高，因此盾構(gòu)機(jī)型式確實(shí)定是很關(guān)鍵的。盾構(gòu)機(jī)選型受沿線工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、環(huán)境條件、工期要求、造價等多種因素的制約，本文綜合各種因素對盾構(gòu)機(jī)的選型進(jìn)展了 分析 ，提出了一些針對XX地鐵一號線盾構(gòu)機(jī)選型的建議供 參考 ?！娟P(guān)健詞】盾構(gòu)隧道 盾構(gòu)選型 地鐵 大漂石 砂礫石1工程背景1.1工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件 XX地鐵一號線一期工程北起紅花堰，南至規(guī)劃的世紀(jì)廣場，線路總長15.15 km。其中紅花堰站到桐梓林站之間的區(qū)間隧道擬采用盾構(gòu)法施工，總長約為10.6 km。據(jù)

2、 目前 的地質(zhì)勘察資料，盾構(gòu)通過區(qū)間根本位于Q3層，該Q3卵石士層為中密到密實(shí)，稍濕到飽和，直徑大于5 cm的礫石含量一般都在50%以上，可能還隨機(jī)分布直徑大于20 cm的礫石層甚至膠結(jié)礫石層，局部區(qū)段還夾砂土透鏡體，土中第四系孔隙潛水較發(fā)育，滲透系數(shù)K=10 20 m/d。地下水位均在盾構(gòu)上方，北段水位埋深大致為4.56.8 m，南段水位埋深大致為7.010.0 m1。在XX天府廣場挖掘的含礫地層如圖1所示5。1.2工程地質(zhì)特點(diǎn)及難點(diǎn) XX地鐵將要穿越的地層的地質(zhì)條件十分復(fù)雜和困難，采用盾構(gòu)法施工，面臨的困難是地下水位高、大礫石和漂石的處理以及長距離在砂礫石地層中掘進(jìn)，怎樣綜合處理好上述三種

3、因素，國內(nèi)尚無先例，在國外也無完全成熟的經(jīng)歷，因此盾構(gòu)機(jī)的選擇很關(guān)鍵。2盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性分析 參考國內(nèi)外在類似含砂礫地層施工的工程實(shí)例，XX地鐵一號線一期工程將著重考慮敞開式盾構(gòu)機(jī)、加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)和泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)這三種盾構(gòu)設(shè)備的適應(yīng)性及其特殊設(shè)計(jì)制造的可能性。下面分別闡述三種盾構(gòu)機(jī)如何適應(yīng)XX的特殊情況。2.1敞開式盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性 敞開式盾構(gòu)機(jī)的特點(diǎn)是掘削面呈敞露狀態(tài)，故挖掘狀態(tài)是干挖態(tài)，所以出土效率高。這種形式的盾構(gòu)可根據(jù)其機(jī)械化程度的差異，分為人工式、半機(jī)械式、機(jī)械式三種。全敞開式盾構(gòu)機(jī)用于掘削面自穩(wěn)性好的地層(如:洪積層壓實(shí)砂、砂礫、固結(jié)粉砂及黏土)。對自穩(wěn)性差的地層(如:沖積層中

4、的砂層、粉砂層及黏土層)而言，應(yīng)輔以壓氣、降水、注漿加固等措施，以便確保掘削面的穩(wěn)定。敞開式盾構(gòu)在XX地層掘進(jìn)的前提是需沿線大X圍的地面降水，同時為了保障施工沿線上方建筑的平安，以及防止開挖掌子面的失穩(wěn)，采用預(yù)注漿和超前管棚等輔助施工措施是必要的。 敞開式盾構(gòu)機(jī)在XX地層中使用的優(yōu)點(diǎn)是:對盾構(gòu)設(shè)備的要求較低，可實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化;可形成多種斷面形式，如矩形、馬蹄形等;漂石、砂卵石等對開挖的制約小。 但敞開式盾構(gòu)機(jī)在XX地層中使用也有許多不利因素，主要表現(xiàn)在以下幾個方面:需要采取強(qiáng)有力的輔助施工措施進(jìn)展超前地層加固，否那么，掌子面土體難以實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)，會誘發(fā)嚴(yán)重的平安事故。雖然XX地層在降水情況下地表的下沉

5、量較小，但是地面高樓林立，防X措施必不可少，而以目前的工程實(shí)例來看，在XX地層中實(shí)施預(yù)注漿和超前管棚這些輔助措施的效果并不好;對地下水生態(tài)環(huán)境會造成嚴(yán)重破壞。由于需要沿線大X圍地面降水，這將在施工地段周圍產(chǎn)生很大的降水漏斗，周圍的水環(huán)境將受到嚴(yán)重的不利 影響 ，甚至?xí)?dǎo)致地面綠化帶的枯死。同時，當(dāng)注入有機(jī)漿液加固地層時，會使地下水受到污染(如1974年日本福崗曾發(fā)生注漿污染地下水事件);雖然敞開式盾構(gòu)機(jī)的設(shè)備費(fèi)用和人工開挖費(fèi)用較低，但加上其輔助加固費(fèi)用，本錢不一定得到降低;為了節(jié)約本錢，如果采取人工開挖，施工進(jìn)度緩慢，容易延誤工期，會影響整個工程的進(jìn)度。同時假設(shè)采用了壓氣的輔助工法，那么當(dāng)壓氣

6、氣壓0.15 Pa時，操作人員會患高壓病，直接威脅人體安康;XX地鐵一號線將穿過小沙河、府河及南河三條河流的下方，這些地方怎樣降水通過是一難題。 綜合上述各種利弊因素，在XX地區(qū)采用敞開式盾構(gòu)機(jī)進(jìn)展施工需要慎重考慮。2.2加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性 土壓平衡式盾構(gòu)屬于閉胸式盾構(gòu)，盾構(gòu)掘進(jìn)時其前端刀盤旋轉(zhuǎn)切削土體，切削下來的土體涌入土艙，當(dāng)切削土體充滿土艙時，由于盾構(gòu)的推進(jìn)作用，致使切削土體對切削面加壓，從而保持穩(wěn)定。在加壓壓力與切削地層的泥水壓相等后，假設(shè)能維持螺旋出土器的出土量與刀盤的切土量相等，那么到達(dá)了平衡狀態(tài)，即掘削面穩(wěn)定。 如前所述，XX是砂卵石極多、細(xì)石成分少的砂礫石地層，假設(shè)采

7、用土壓式平衡盾構(gòu)機(jī)，由于砂礫土的塑流性和抗?jié)B性差，將使得排土難以順暢從而無法滿足掘削面穩(wěn)定的要求，需混入提高流塑性和抗?jié)B性的添加材，即要采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。 對于加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，在XX地層中能順利掘進(jìn)需要解決的幾個關(guān)鍵 問題 是:刀盤、刀具的耐磨性;如何破碎大粒徑漂石;如何防止噴涌以及盾構(gòu)的密封性能。 首先對于刀盤，考慮到要在砂礫石層中要長距離掘進(jìn)，又要能順利排除大礫石，采用高耐磨柱狀輻條式刀盤或小幅面板+輻條式的組合刀盤是比擬好的，如圖3所示2。對于刀具，要滿足的條件是:要選用硬度大、抗剪性好的優(yōu)質(zhì)鋼材制作刀刃;外周刀應(yīng)多于其他切削軌跡上的切削刀;要使刀盤上的刀具過渡平滑，刀具受

8、力盡可能均衡;各種刀具均可從刀盤內(nèi)部進(jìn)展拆卸及更換3。對砂礫地層適應(yīng)性比擬好的是一種貝殼型鉆，如圖4所示2，貝殼型鉆與齒形鉆進(jìn)展落差配置，該貝殼型鉆先行挖掘，先對卵石進(jìn)展沖擊來解除砂卵石的約束力，剩余局部齒形鉆進(jìn)展挖掘。這樣就有效減少了齒形鉆的磨損，并且對于貝殼型鉆可以配置預(yù)備刀實(shí)現(xiàn)一次自動更換，從而減少開倉更換刀具次數(shù)甚至中途不用開倉更換刀具。對于大粒徑漂石破碎的 問題 ，盡量采用常規(guī)挖掘的方式，即按可能通過的最大礫石的直徑確定開口率的切口寬度，配備與上述礫石直徑條件相適應(yīng)的螺旋輸送機(jī)排除礫石。根據(jù)XX地鐵6.2 m左右的盾構(gòu)機(jī)實(shí)際條件，可以使螺旋出土器的開口尺寸到達(dá)1000 mm，能滿足L

9、725 mm x670 mm的漂石直接通過，而大于670 mm的漂石出現(xiàn)的概率不高，應(yīng)能根本滿足要求。即使出現(xiàn)大于670 mm的漂石，在螺旋出土器的前端可設(shè)置一道閘門，當(dāng)大漂石進(jìn)入土艙內(nèi)時將該道門關(guān)閉，同時土艙內(nèi)加氣壓防止水灌入，從螺旋出土器的前端將漂石取出或打碎后取出，這樣可使通過的漂石尺寸到達(dá)L 1 000 mm x750 mm2。如果常規(guī)挖掘方式失效，那么只能采取掘削面破碎方式，即在旋轉(zhuǎn)刀頭上安裝齒式刀頭及滾刀進(jìn)展破碎，但這種方式需要地層對漂石有一定的夾持力，否那么失效，在XX的地層中能否 應(yīng)用 成功值得商榷。最后在不得已的條件下就只能采取人工開倉排石，由于XX是砂卵石層，假設(shè)要通過壓氣

10、支撐掌子面開倉取石時，那么要采取減小土層透氣性的一些措施，如泥皮法、密封墻法、區(qū)域密封法以及帷幕注漿法等等。 螺旋出土器為了到達(dá)運(yùn)送尺寸最大為L725 mm x670 mm，必然采用帶式螺旋出土器，帶式螺旋出土器在高地下水位、高水壓條件下會發(fā)生噴涌問題，對于XX地層，噴涌事故發(fā)生最好的預(yù)防措施是通過向開挖下來的土體中添加材料來減小開挖土體的滲透系數(shù);采用多段螺旋輸送機(jī)從而降低出土器出口處的水壓力。如圖5、圖6所示2。同樣由于XX地層高水位的關(guān)系，盾構(gòu)的密封也是需要注意的問題。盾構(gòu)密封主要分為主軸承密封、盾尾密封和鉸接密封三個方面，應(yīng)遵循“以防為主，多道設(shè)防，杜絕漏水的原那么，并遵循各項(xiàng)規(guī)X要求

11、。由于本工程要承受較高的地下水壓，建議盾構(gòu)機(jī)軸承止水帶設(shè)計(jì)中采用主軸承外密封措施，該 方法 使用四道唇形密封，能承受0.6MPa乃至更高的工作水壓力，該系統(tǒng)的潤滑全部為自動潤滑，油脂或者是油的泄露，設(shè)備會自動立即停頓運(yùn)轉(zhuǎn)，并且能通過泄露倉對密封狀況進(jìn)展檢測。建議盾尾止水刷采用將密封材料或潤滑脂壓入鋼絲刷間或用4道密封承受高水壓。2.3泥水式平衡盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性 地下水位高、水壓大的地層中特別適合使用泥水式盾構(gòu)機(jī)，因?yàn)槟嗨蕉軜?gòu)是將水、土及添加劑混合制成的泥水經(jīng)輸送管道壓人泥水艙，用泥水壓來平衡掌子面的水土壓。掘進(jìn)時刀盤切削下來的土砂進(jìn)入泥水艙，攪拌后經(jīng)泥漿泵送到地表的泥水別離系統(tǒng)，待水土別離后再

12、把濾除掘削土砂的泥水重新壓送回泥水艙。如此不斷循環(huán)完成掘削、排土、推進(jìn)。在盾構(gòu)機(jī)中泥水平衡式盾構(gòu)對地層的擾動最小，地面沉降最小。 泥水式盾構(gòu)機(jī)其掘削面穩(wěn)定主要是靠泥水成膜后，產(chǎn)生雙向隔離作用的結(jié)果，即泥水艙內(nèi)的泥水不能再進(jìn)入掘削地層(杜絕了泥水的損失，保證了外加推進(jìn)力有效地作用在掘削面上);與此同時地下水也無法涌入泥水艙(防止噴泥)。對于XX的砂卵石地層，礫石粒徑大，滲透系數(shù)大，假設(shè)注入普通泥水，容易發(fā)生逸泥和噴水現(xiàn)象，使開挖面失穩(wěn)。因此為了防止開挖面坍塌，泥水式盾構(gòu)機(jī)一是可以采用面板式刀盤，設(shè)置槽口開關(guān)裝置，以確保掘進(jìn)時的平安;二是可以專門配制適于砂礫層中使用的注入泥水。 泥水式盾構(gòu)機(jī)假設(shè)采

13、用面板式刀盤，應(yīng)根據(jù)XX市特有的砂卵石地層條件來選定切削槽口的寬度和數(shù)量，并根據(jù)最大礫徑來確定開口率。 目前 泥水盾構(gòu)槽口最大寬度為250 350 mm，因此能夠進(jìn)入泥水艙內(nèi)的漂石粒徑小子300400 mm4，進(jìn)人艙內(nèi)的漂石會被二次破碎，經(jīng)排泥管排出。對于不能進(jìn)入倉內(nèi)的大塊漂石，那么要采用工作面進(jìn)展破碎。如果地層松散，無法提供破碎反力那么工作面刀盤破碎就可能失敗，那么也只能采用開倉人工破碎的處理方式。同樣開倉前也需使用壓氣、注漿、凍結(jié)等輔助措施保證前方土體穩(wěn)定。總之，處理大礫石和漂石對于采用面板式刀盤的泥水式盾構(gòu)機(jī)來說難度偏大。 假設(shè)專門配制適于砂礫層中使用的注入泥水，那么可以采用歐洲的一種泥

14、水盾構(gòu)機(jī)，采用輻條式刀盤，在泥水艙內(nèi)設(shè)置一隔板，前方為壓氣室，通過氣壓來調(diào)控泥水壓使掌子面平衡，不但其泥水壓可以控制得比擬準(zhǔn)確，而且該泥水盾構(gòu)機(jī)可進(jìn)入的卵石直徑可達(dá)1.5 m左右5，對于處理XX的大礫石、漂石是比擬有利的，缺點(diǎn)是專門配制泥水將使本錢增加。 對于泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)，因其掌子面前方泥水成膜的關(guān)系，其刀盤、刀具的耐磨性比土壓盾構(gòu)機(jī)要好，但在XX的砂礫地層中使用，排泥管的磨耗是比擬嚴(yán)重的，需要采取耐磨措施。至于泥水盾構(gòu)的密封措施，建議盾尾止水刷采用將密封材料或潤滑脂壓入鋼絲刷間或用4道密封承受高水壓。3完畢語 針對XX地區(qū)富水、含大礫石和漂石的砂礫石地層條件，經(jīng)過以上綜合 分析 ，對于XX地鐵一號線一期工程盾構(gòu)區(qū)間，建議在主要區(qū)段內(nèi)優(yōu)先采用加泥式士壓平衡盾構(gòu)機(jī);在地下水壓偏高、場地條件允許且沉降需嚴(yán)格控制的區(qū)間可優(yōu)先選擇泥水平衡式盾構(gòu)機(jī);在對地面沉降要求不高，鄰近無大型地表及地下構(gòu)造物且具有降水條件的區(qū)間可以考