高压富水地层

高压富水地层（精选十篇）

高压富水地层 篇1

关键词：高压富水岩溶,地层,隧道,施工技术

因为地理环境因素的不同,我们国家碳酸盐地区分布相对较为的宽广,其可见面积大致占我国整个领土面积的1/3。高富压水岩溶地层容易致使地质灾害的出现,已经逐渐演变成为我们国家山区内部建设隧道的重要阻碍因素,我们国家每年会因为水岩溶地质造成严重的经济损失。

1 高压富水岩溶地层隧道施工的基本情况

高压富水岩溶低层是经过地表层水以及地下水在补给、渗漏、循环以及径流过程中,对可溶性岩层开展了化学物质溶解以及物理破坏作用,使得其形成了特殊性的地质环境。高压富水岩溶底层会因为其特殊性的地质环境,此种地质环境的水压相对较高,水量相对较高,溶洞数量相对较多,而且极度容易出现断层现象。在这种情况下,高压富水岩溶地质中开设隧道以及相关的隧道工程,容易造成相对较大规模的水、泥、砂的现象。同时,由于隧道内大量涌水、涌砂和涌泥,导致地层内有效应力改变,以及地下水渗流场和补排关系发生变化,继而造成地下水资源的减少和枯竭,引起岩溶地区地表产生塌陷和沉降,导致地下水质的污染和破坏。在高压富水岩溶低层施工的工作过程中,若是出现泥水突发现象,会对工作人员的身体健康以及安全造成严重的威胁。不仅如此,还会影响隧道施工相关机械设备的使用质量,同时也会缩短隧道开发工期,增加了隧道工程的实施费用。因为高压富水岩溶地层的复杂性相对较高,而且多变、不稳定,这就降低了预报的精确性,这是当前国内外隧道施工工程中最为典型的难题。

在该类岩溶区岩溶发育强烈的隧道施工中,主要以预报的方式来预知前方地质情况,来判断是前方存在涌水、涌砂和涌泥风险。预报的方式主要有以下几种。

1.1 地质调查法

地质调查法包括针对隧区地表的实地勘察和对当地百姓的询问、全洞洞内开挖工作面地质素描和全洞洞身地质素描。

1.2 超前水平钻探法

在富水软弱断层破碎带、富水岩溶发育区、重大物探异常区等复杂地质条件地段必须采用超前水平钻探,且超前钻探必须设置防突装置。

在超前地质预报异常带的前方30m掌子面中上部采用超前冲击水平钻孔验证前方地质情况,钻孔深度应超过异常带不少于10m。钻孔孔径为76mm,两次钻孔之间搭接长度5m。必要时在地质复杂地段采用回转取芯钻取芯鉴定断层破碎带的物质成分及岩土强度,超前回转取芯钻水平钻孔在距离超前地质预报异常带30m的掌子面布设3孔,并设置一定的外插角探测。

1.3 红外探水

通过接受和分析红外辐射信号,在接近溶岩和或断层破碎带富水区时进行超前地质预报,定性预报掌子面前方30m范围内有无地下水。连续预报时前后两次重叠长度应大于5m以上。

1.4 洞周探测

对隧道穿越的可溶岩地层及煤地层,在隧道开挖后,应对洞周隐伏的岩溶或采空区进行探测,首先根据掌子面地质素描,判断是否存在可溶岩地段,如有则进行物探(TSP法),风枪普查、辅以钎探。如存在岩溶异常,采用物探(地质雷达法)探测,如地质雷达存在异常,再采取钻探、物探(跨孔电磁波法)完成岩溶工点勘察报告。并根据勘察报告确定处理方案,对岩溶进行处理。

1.5 加深炮孔

加深炮孔探测:利用风钻或凿岩台车等在隧道开挖工作面钻小孔径浅孔,获取地质信息,炮孔加深3～5m。

2 高压富水岩溶地层隧道施工问题的相关处理方式

2.1 高压富水岩溶地层的基本情况

高压富水岩溶地层属于较为复杂的地质环境,在隧道施工工作中若是遭遇高压富水溶腔现象,高压富水岩溶地层隧道施工采取的措施不得当,很有可能会致使各种类型安全事故的发生。

2.2 岩溶处理的技术

对岩溶水处理坚持“宜疏不宜堵”的原则,并采取截、堵、排、防综合治理措施。为防止岩溶水突然袭击,施工中可采取超前钻孔探测和排放岩溶水,预备足够的抽水设备,以保施工安全。

采用综合超前地质预测与预报手段确定注浆地段,通过注浆封闭加固,提高岩体完整性使其成为具有一定承载能力的结构体,形成围岩注浆固结圈,以限制排水量,实现控制排放,并与喷锚支护一起共同保证施工期洞室稳定及安全。

注浆方式采用超前预注浆、后注浆、局部注浆、补注浆四种形式。在注浆实施过程中,根据地质超前预报及揭示的地质信息。注浆工艺、注浆效果及浆液的可能性、结合强度及注浆前、后承压、水量变化特征等注浆施工资料和相关科研阶段成果适时对注浆方式、注浆范围、注浆标准、注浆材料等予以调整。

查明水源流向及其与隧道位置的关系后,采用暗管、涵洞、小桥等设施,宣泄水流或开凿泄水洞引排。

2.3 隧道构造的处置

高压富水岩溶地层隧道施工中应当注意处置隧道构造工作,在岩溶地层处理时,要灵活改进隧道的设计构造方案,解决不良的地质环境情况。

结构处理方法包括置换回填,托梁+板跨护顶,型钢轮+板跨,钢管群桩,护墙+桩基+承台,路基填筑,梁跨,拱跨+护罩等。

3 高风险岩溶隧道综合超前地质预报的体会

(1)在高压富水岩溶地层隧道的地质环境相对较为复杂的情况下,应当将有关的地质危害预测工作归属于隧道施工程序管理工作中,同时还要根据实际情况编订高质量的施工方案。

(2)隧道开设地质灾害情况的预测分析,需要精确的勘探地质环境以及相关的地质资料,确定科学的预报方案,构建详细的地质灾害的预报系统,健全有关的信息数据协调机制,综合运用各种预报方式,充分发挥各项方式的优势,以此来提高预报工作的精确性。

(3)依照相关的、具体的《隧道综合超前地质预报实施方案》,高压富水岩溶地层隧道相关的地质预防措施应当采取TSP和加深炮孔全隧进行探测工作,在相对复杂以及异常的地理环境下,需要采取雷达探测措施、红外探水工作以及相关的超前水平钻方式进行验证工作。

(4)提升超前地质探析工作的配合强度。

4 结束语

高压富水岩溶地层在开设隧道的时候,如果出现涌水现象的话,相关的施工单位应当制定科学合理的应急处理方案,这样才能够较好的避免安全事故的出现。采取有效的工作对策之后,能够有效的提高隧道的开掘工作,这样才能够提升其水岩溶隧道施工质量。隧道岩溶处理方案主要取决于其发育形态、发育规律、充填物性质、水量、水压及与隧道的位置关系等,施工过程中必须不断采集和完善各项数据,以保证处理方案切实可行并富有成效。

参考文献

[1]王秀英,谭忠盛,王梦恕,等.宜万铁路岩溶隧道防排水原则及技术研究[J].中国工程科学,2010(8):120-122.

高压富水地层 篇2

指出煤系地层施工是隧道尤其是大断面隧道施工中的难点,结合二广高速公路12合同段大崛坑2号隧道在富水煤系地层中的施工实践,详细介绍了三台阶上弧形导坑法在施工中的应用,为大断面隧道在同类地层施工提供了借鉴.

作 者：张金光 ZHANG Jin-guang  作者单位：中铁十四局集团有限公司广州工程指挥部,广东广州,510430 刊 名：山西建筑 英文刊名：SHANXI ARCHITECTURE 年，卷(期)： 36(10) 分类号：U459.2 关键词：三台阶上弧形导坑法   施工技术   大断面   煤系地层  

高压富水地层 篇3

【关键词】隧道工程；高压富水；深埋技术；作用研究

本次研究采取了多种施工技术解决施工难题，用到的主要技术有索囊封灌浆、超前帷幕注浆、择机封堵等等，最大限度的封堵了此工程的高压大流量地下水，采取了相关的模拟实验，切实的解决了岩石防止爆破等防御措施，有效的防止了灾害的发生。本次隧道工程的顺利修建完成，总结得到了一套完全适用于当前隧道工程建设使用的高压富水地层深埋的施工工艺和施工技术，对国内未来隧道工程的建设具有重大的推动作用。

1.主要研究内容和技术路线

研究内容：（1）高压大流量地下水处理技术；（2）隧道超前地质预报技术；（3）特长深埋隧道高速施工技术；（4）隧道施工的检测技术等等。

技术路线。在前期进行大量的实验研究，采取室内实验、理论分析、现场实验以及现场检测等手段，开展相关的课题研究，同时将经验和理论与实际相联系，进而逐渐形成一套具有实用性的高压富水地层深埋特长隧道综合施工工艺和施工技术。

2.施工方法、方案和设备选型配套

2.1施工方案

先进行探测然后再进行挖掘，并且采用钻爆的施工方法，采取无轨运输的处理方式。

2.2施工方法

该研究隧道具有很多特殊的特点，具体有安全隐患多、可以施工面积不大、工期短、施工压力大等诸多显著性特点，采取的施工策略对施工设备的选择具有很高的要求。（1）实行三臂液压太车钻孔，直接掏空嘈。（2）采用挖掘机从顶部动工，选择侧部装卸的机器处理土石方，选择超大型泥土运输车进行运输。（3）衬砌混凝土。选择超长液压台车作为混凝土的输送工具，混凝土直接通过输送泵进入隧道内，采取插入式振捣施工，在处理水沟时，采取小块钢板作为模板进行施工，而路面的混凝土则采取人工处理，在摊平以后实行振捣，并且混凝土需要在运输车内搅拌完成以后直接输送到需要地。（4）施工通风。在施工恰当的位置安设大功率通风设备进行通风。（5）隧道内的地质预测。采用先进的地质分析、先进雷达、探孔等技术手段对隧道内的地质情况进行播报。（6）地下水的处理。严格实行限量排放，以堵为主的处理原则，采用多种注浆方法进行注浆。

3.收货的主要经验

（1）在合同管理中，首次将超前地质预报写入合同内容当中，在预防复杂地质隧道施工安全、预测超前地质预报等方面有效的完善了制度。

（2）在本次特长隧道的施工中，采取了钻爆破的方法进行，并且是利用无轨模式进行运输，这样有助于快速高效的使用机械化开展工作。

（3）选择合适的时机对地下水进行封堵，采取有效的灌浆方式，切实有效的提升了工程的施工进度。

（4）在两个隧道洞的处于一个平导情况下，在特长隧道中，采取无轨运输方式有助于隧道内的通风，能在必要的情况下改变施工组织或者改变施工方法，在这二者之间可以根据实际需要进行灵活的变换，可以在最短的时间内继续开工等诸多优点。

（5）在选择添加剂材料时，基本上是以超细沸石粉为主，能大大的提升混凝土的凝固度，提升混凝土的强度和硬度。在借用一些必要的工具的时候，能有效的处理好喷射混凝土的施工，在岩石爆破施工段中，有既快速的进行喷护，同时又能保障施工的安全性，有助于提升施工的安全性能。

（6）为了能有效的解决一些特殊地质的爆破技术困难，采取深孔大直径分段进行爆破的模式，有利于克服这一技术性难题。

（7）苗干的设计需要精心的设计，必须设立在必要的两个点之间，在进行施工观测时，可以多利用苗干应力作为计算的出发点，这一技术在未来十分值得推广。

（8）在解决地下水径向封堵以及隧道内施工的通风问题方面，引入计算气体力学分析具有重要的突出意义，这一分析技术的引入，极大的解决了这两个施工难题。

（9）使用带有净化装置的或者带有低污染装置的设备的内燃设备，对于完善通风具有重要作用，如果隧道内较为潮湿，那么隧道在选择成型工具时，不宜挑选全电脑台车，而是使用半电脑台车较为合适，这样做一方面既提升了施工的安全性，保障了施工人员的生命财产安全，另一方面也有助于提升混凝土的浇筑质量，保障工程的安全性，进而保障了工程的综合质量。

（10）新技术。1）新材料。微纤维、超细沸石粉、膜袋等新材料的引入和实用。2）新工艺。在钻孔工艺方面，实用了电脑台车全自动钻孔工艺，以及相关的混凝土快速建筑安全施工工艺等等多种较为先进的施工工艺。3）新设备。大型的高压灌浆系统、先进的预报系统、大型的通风射流风机等等。

4.结论

在本次特长隧道施工中采取高压富水地层超深埋技术的应用过程中，重点通过了室内实验，理论分析、现场实验以及现场检测等多种手段，切实有效的解决了特长隧道施工中的通风问题、岩石爆破防治问题、高压涌水处治问题等许多核心的技术难题。取得了一系列的富有成果的关键性技术，并且这些技术在特长隧道施工中是直接转化为了生产力，通过这些技术的不断投入使用，整个隧道工程的建设速度快速提升，工程质量逐步提高，工期也如期的得以完成。总的来说，本次作用研究的成果是十分显著的，总结出了一套实用性很强的高压富水地层超深埋特长隧道综合施工工艺和施工技术，在推动未来国内的隧道施工方面和改进隧道施工方式方面具有重要作用。

5.总结

综上所述，众所周知，特长隧道的施工难度是十分高的，困扰着许多的施工企业。在国内建设事业蓬勃发展的大环境下，不断的创新隧道的施工技术和施工工艺，开展各种技术性难题实验，有助于解决当前隧道施工的技术性难题和未来发展所面临的困境，为未来隧道施工的顺利完成打下坚实基础。

【参考文献】

[1]卿三惠，杨家松，黄世红.高压富水地层超深埋特长隧道施工技术研究[J].铁道工程学报，2009，01：86-91.

[2]任文峰.高水压隧道应力场—位移场—渗流场耦合理论及注浆防水研究[D].中南大学，2013.

[3]毛正君.脆弱生态区隧道群施工期地下水运移特征及环境效应研究[D].长安大学，2013.

[4]郭文广.岭脚隧道突水突泥地质灾害成因分析与综合治理研究[D].广西大学，2012.

高压富水岩溶地层隧道施工技术 篇4

关键词：岩溶隧道,超前地质预报,施工技术

1前言

岩溶是地表水和地下水经过不断补给、径流、渗透和循环对可溶性岩层进行化学溶解作用和机械破坏作用的产物。岩溶地区因受其特殊的地质构造影响, 往往具有高水压、富水、溶洞及断层的特征, 因而, 在岩溶地区修建隧道及地下工程, 施工中极易诱导突发大规模的涌水、涌泥、涌砂等灾害。同时, 由于隧道内大量涌水、涌砂和涌泥, 导致地层内有效应力改变, 以及地下水渗流场和补排关系发生变化, 继而造成地下水资源的减少和枯竭, 引起岩溶地区地表产生塌陷和沉降, 导致地下水质的污染和破坏。施工过程中, 如果发生突泥突水, 将造成人员伤亡, 施工设备损坏, 严重影响工期, 大量增加工程费用。由于岩溶问题的复杂性、多变性和不确定性, 预报准确率较低, 目前仍是国内外隧道施工地质界尚未攻克的技术难题。本文结合贵广铁路三都隧道施工实践, 探索隧道岩溶及岩溶水的处理途径和高压富水岩溶隧道的施工技术, 以便为同类工程提供施工借鉴。

2工程概况

贵广铁路三都隧道全长14637m, 是全线控制工期工程、Ⅰ级风险隧道, 地质复杂, 突泥、涌水风险极高。隧道进口里程为DK124+943, 出口里程为DK139+580。

在隧道出口段右侧掌子面 (DK135+508) 底板处用凿岩台车施做加深炮孔时, 当钻进5.8m后探孔内涌出股状水, 探孔出水喷出达15.5m远, 水质清澈无杂物, 当班钻的四个加深探孔出水总流量达到2000m3/h, 见图1。

3施工过程中所采取的主要技术手段

3.1 超前地质预报

三都隧道为可溶岩长大隧道, 全隧采用长短距离相结合的预报手段, 长距离预报宏观控制, 中短距离预报确保准确性, 做到预报结果及时指导隧道施工。针对三都隧道特点, 专门编制《三都隧道综合超前地质预报实施方案》, TSP、加深炮孔全隧贯通探测, 异常地段采用地质雷达、红外探水、超前水平钻等手段验证。

TSP预报显示:其中DK135+520～+470段节理裂隙较发育, 局部发育, 围岩较破碎, 局部破碎, 并有断层影响带或节理破碎带发育其中, 溶蚀裂隙较发育, 局部发育有溶腔溶缝及充填型小溶洞, 地下水较发育, 稳定性总体较差。其中DK135+495～+485段节理裂隙发育, 岩体破碎, 沿层面或节理面发育溶腔溶槽或小型溶洞, 稳定性差, 并伴有地下水出露。

根据TSP预报结果施作地质雷达探测, 预报范围为DK135+511～+481, 分析认为:前方岩体节理裂隙较发育, 局部发育, 岩体总体较完整, 局部破碎, 自稳能力总体一般至较差;测段岩溶发育, 局部地段发育溶腔溶缝或溶蚀小空洞, 地下水发育。其中DK135+504～+496段反射波异常, 推测该段发育溶腔并有岩溶水发育其中, 此段岩溶水发育。

掌子面地质情况:掌子面岩性为灰色灰岩, 岩石以薄至中厚层状产出, 岩层产状237∠28°, 岩石中充填方解石细脉或团块, 围岩总体较破碎, 局部破碎, 自稳能力总体一般。地下水从掌子面钻孔中以股状出露, 地下水具有一定压力, 出水量约2000m3/h。

超前取芯钻孔 (ZK1) 结合物探 (TSP) 分析结论:

(1) 掌子面前方5m (对应里程范围D3K135+508～D3K135+503) 范围内岩性为灰色灰岩, 岩体总体较完整, 未见明显溶蚀裂隙发育, 钻孔中未见地下水出露。

(2) 掌子面前方5～16m (对应里程范围D3K135+503～D3K135+492) 段岩性为灰白色灰岩夹白云质灰岩, 岩体总体较破碎至破碎, 本段溶蚀裂隙发育, 推测本段为岩体破碎带或断层破碎带。

(3) 掌子面前方16～20m (对应里程范围D3K135+492～D3K135+488) 段岩性为灰白色灰岩夹白云质灰岩, 岩体总体较完整至较破碎, 发育溶蚀裂隙。

(4) 掌子面前方20～30m (对应里程范围D3K135+488～D3K135+478) 段岩性为灰白色灰岩夹白云质灰岩, 岩体总体较破碎至破碎, 溶蚀裂隙发育, 并有小型溶腔 (宽0.3～1.8m) 发育其中, 本段推测为岩体破碎带或断层破碎带。

对掌子面前方30m钻孔分析, 主要为溶蚀破碎带, 无大型溶洞, 钻孔地质剖面见图2:

3.2 技术处理方案

三都隧道出口D3K135+508涌水以来, 近一个月的出水量和水压变化不大、水流清澈、地表暂未发现失水的实际情况, 并结合超前钻探显示前方主要为溶蚀破碎带, 并无大型溶洞, 故确定本涌水段采用泄水平导引排正洞地下水, 辅助正洞施工的方法。

采用泄水平导主要作用是引排正洞涌水, 确保正洞施工安全, 同时起着超前探明前方地质的作用, 在正洞施工进度缓慢的情况下可以考虑平导超前增开工作面, 确保进度。在掌子面后方46m处, 线左开口施作泄水平导。平导与正洞平面、横断面位置关系分别见图3、图4:

涌水段施工结束后, 如果隧道水沟不能满足排水要求, 为确保隧道运营安全, 可以考虑从2#横洞沿线路左侧往小里程设置一泄水洞, 如图5所示:

根据超前地质预报资料显示, 前方主要为溶蚀破碎带出水, 并无大型溶洞、岩溶管道, 且该段位于17.8‰纵坡, 中心沟过水能力为2814m3/h (满沟时为7565 m3/h) , 远大于目前出水量1800m3/h。综合考虑, 采取如下处理方案:

(1) 围岩级别降低

前方岩体为受构造挤压 (褶曲构造的结合部位也受构造挤压作用) 之后在节理密集带发生过较明显的方解石成分重新胶结现象;因方解石重结晶的作用, 岩体完整性较差, 围岩稳定性较差, 建议前方30m范围内围岩级别降为Ⅴ级。

(2) 加强超前支护及初期支护

由于前方岩溶水量大, 一旦发生塌方等事故后会有大量的泥水流出, 故采用加强超前支护的措施, 避免塌方导致大量泥水物质涌入隧道内。为防止前方破碎带坍塌及大颗粒物质被掏蚀, DK135+478～+508段设置φ108超前大管棚与I20b全环钢架加强支护, φ108超前大管棚38根, 每根长35m, 环向间距0.4m;I20b全环钢架0.6m/榀。该段初期支护按V级II型复合衬砌加强。

(3) 采用导坑超前的分部开挖方法

为超前探明前方地质, 并缓解带水作业压力, 该段开挖采用单侧导坑超前台阶法的开挖方法。超前导坑设置在面向大里程方向左侧正洞下部 (地下水来源方向) , 开挖高度、宽度参照单车道平导宜为4.7m*6m。

4高风险岩溶隧道综合超前地质预报的体会

由于长大隧道特别是岩溶隧道地质条件的复杂性及各种预报方法的适用性和局限性, 单一的预报方法难以满足预报的要求, 因此在长大地质复杂隧道, 必须采用多层次、多手段的综合地质预报方法, 这对于综合预报方案及预报技术实施的研究具有重要意义。

(1) 特长隧道地质情况复杂, 必须把地质预报工作纳入施工工序管理, 编制详细的预报实施方案, 实行预报分级, 配备专业的人员、设备, 以保证工程快速、安全、顺利进行, 避免灾害产生。

(2) 地质预报要在详细分析地勘资料和进行必要补充调查的基础上, 合理确定预报方法, 建立地质预报系统及相应的信息沟通机制, 将各种预报方法手段有机结合, 发挥各项预报方法的优势, 提高预报准确性。岩溶地区的预报, 应扩大探测的范围, 不仅要对隧道前方进行探测, 也要对岩溶发育段周边地质条件进行探测, 保证隧道施工安全。

(3) 根据编制的《三都隧道综合超前地质预报实施方案》, 三都隧道地质预报方案为TSP、加深炮孔全隧贯通探测, 异常地段采用地质雷达、红外探水、超前水平钻等手段验证。超前水平钻孔和加深炮孔在本隧道地质预报中有大量成功应用, 探测成果直接、准确, 对于防止重大不良地质灾害起到重要作用, 是综合超前地质预报的核心。

(4) 加强超前地质预报配合工作。三都隧道物探预报方法及掌子面地质素描由中铁西南院负责实施, 施工单位配合;超前水平钻及加深炮孔由施工单位负责实施, 西南院对超前水平钻施钻过程做好旁站记录并形成成果报告。超前地质预报的配合质量直接影响到预报结果的准确性, 尤其是TSP炮孔施做位置、角度、深度、注水量、炸药用量、雷管质量以及现场作业环境等, 地质雷达施做时现场作业环境等。

5结语

三都隧道涌水后, 施工单位及时启动隧道风险处理应急预案, 成功避免了一次隧道地质灾害引发安全事故的发生。通过后续一系列积极有效的处理措施, 已基本探明了隧道掌子面前方30米范围内岩溶发育形态, 为隧道下一步施工措施的确定提供了充分依据。隧道岩溶处理方案主要取决于其发育形态、发育规律、充填物性质、水量、水压及与隧道的位置关系等, 施工过程中必须不断采集和完善各项数据, 以保证处理方案切实可行并富有成效。

参考文献

[1]陆少伟, 何剑.岩溶隧道施工关键技术探讨[J].铁道工程学报.2009 (03) :2-3

[2]罗琼.岩溶隧道施工技术[J].铁道工程学报.2005 (03) :1-2

[3]王公忠.高压、富水岩溶隧道施工地质预报探讨[J].现代隧道技术.2010 (04) :3-4

[4]张新柳.通过岩溶富水破碎洞段的长大隧道快速综合施工技术[J].水利与建筑工程学报.2009 (02) :2-3

[5]龚彦峰.岩溶隧道灾害整治技术[J].铁道标准设计.2009 (05) :3-4

高压富水地层 篇5

关键词：大漂石;旋挖桩;钻头改进;施工技术

中图分类号： TU32.3      文献标识码： A      文章编号： 1673-1069（2016）30-61-3

1  工程概况

成都地铁4号线二期工程光华公园站位于成都市温江区，旋挖桩穿越地层主要为砂土、砂卵石土，卵石粒径一般为40～200mm，漂石含量约5%～20%，平均漂石含量20.9%，局部地段富集，漂石粒径集中在200～400mm。

2  旋挖钻机选型

由于地层中漂卵石粒径大，石质坚硬程度分类均为坚硬岩，孔斜不易控制，对钻机功率、扭矩及钻压等相关性能参数要求较高，需达到中型旋挖钻机要求。

现场比选的旋挖桩施工钻机有三种，分别是中冶京诚的R258C型旋挖钻机，徐工的XR2200型旋挖钻机，中联重科的ZR250B型旋挖钻机，均为中型旋挖钻机。通过在现场随机对三种钻机地钻进功效进行收集比选，得出了各钻机在本地层条件下的实际钻孔功效。（见表1）

经比选，投入R258C型旋挖钻机进行围护桩施工。该钻机最大输出扭矩达到250kN.m，最大加压力为180kN，发动机功率为261kW，自重75t。在施工研究过程中，该钻机的性能、成孔速度及质量完全满足要求。

3  旋挖钻头改良施工技术

3.1 旋挖钻头选取

旋挖钻进施工钻孔灌注桩选用合适的钻头对减少钻头本身的消耗、节约能源、提高成孔的速度和质量以及整个施工效率的提高起着至关重要的作用。钻头选用不合适会导致钻头本身消耗增加，浪费设备动力能源，还可能会因成孔速度慢而导致孔内事故。

旋挖钻头的选用必须以钻遇地层为前提，根据钻遇地层选用合适的钻头不仅仅是技术问题，更加是经济问题。科学地选择钻头及合理的使用钻头，在一定程度上能丰富旋挖钻机的施工工艺，拓宽旋挖钻机的施工领域，提高施工工效、降低成本、缩短工期，而且在环保、能源消耗、孔内事故等等方面能收到很好的效果。

旋挖截齿钻头和开体钻头都是旋挖钻机施工中应用最为广泛的钻头，适用于砂卵石地层，在生产性试验阶段，采用这两种钻头进行对比试验。

施工中发现，由于开体钻头开口过大，而本地层胶结性较差，当钻渣装满钻斗后再提渣过程中容易造成大量钻渣掉落，从而降低了钻孔功效，而双层底的旋挖钻头主要适用于砂土、胶结较差粒径较小的卵石层，湿孔钻进条件下使用双层底旋挖钻斗也可有利于孔底的清孔施工。双开门孔底双面吃土，钻具稳定性好，不易偏，切削齿为截齿，适合于砂卵石地层。

因此，本工程选用双底双开门截齿钻头。

3.2 旋挖钻头改进

虽然双底双开门截齿钻头在本地层中的施工功效要优于开体钻头，但针对本工程大漂石砂卵石地层条件，尤其是卵石土地层卵石粒径>25cm较多的情况，也存在钻头截齿磨损大、施工成本高、钻进速度慢进而导致塌孔等情况。普通钻头底面开口仅能吃进粒径<25cm的漂卵石，对于粒径>25cm的漂卵石，需钻机对其施加压力，利用截齿将其切削磨碎后装入钻斗中进行吃土钻进。这样就存在截齿磨损大，增加了施工成本，加大了对地层的扰动，增加了塌孔的可能性，不利于孔斜的控制，影响钻进速度的问题。（见图1）

图1  新截齿与废截齿磨损对比

根据上述普通钻头在本地层中遇到的问题，对钻头采取了有针对性的技术改良，即对底面开口部位进行切削，增大其开口尺寸，在旋挖钻进时能吃进粒径>30cm的漂卵石，从而加快钻进速度，降低施工成本。（见图2、图3）

普通双底双开门截齿钻头经过上述改造后，加快了旋挖钻进速度，减少了截齿用量，成孔质量满足要求，改良效果明显。（见表2）

4  护壁化学泥浆的应用

在试桩阶段，按照试桩方案，采用的是常规的膨润土泥浆护壁。本工程范围内卵石土层渗透系数k取18～35m/d，为强透水层，且场地地下水位埋深为5～8m，地下水位高，存在护壁泥浆流失现象，造成泥浆浪费，配合比不易控制，进而导致无法形成护壁泥膜或形成泥皮黏附力差，易于脱落，导致孔壁稳定性差，易塌孔。膨润土泥浆钻渣沉淀速度慢，清孔时钻渣很难同时沉淀下来，往往在首次清孔后，下完钢筋笼，二次清孔前沉渣厚度均超过1m，需要进行二次清孔，水下混凝土浇筑过程中，仍有大量钻渣沉淀，影响桩身质量。另外，地铁施工的环保要求很高，而采用膨润土泥浆需在场地内新建造浆及输将临建设施，废弃泥浆需采取措施进行外运，不但增加了施工成本，也不利于文明环保施工。

在本工程中水文地质条件下，需要较大黏度的泥浆达到稳定的护壁效果，彻底解决钻孔过程中的塌孔问题，同时，要求钻渣沉淀速度快，确保桩身质量。经过反复对比研究，决定采用化学聚合物泥浆。本工程中采用聚丙烯酰胺（PAM）化学聚合物泥浆并掺加氢氧化钠改善性能。

化学聚合物泥浆主要由高分子聚合物水解后形成。由于泥浆聚合物分子量高达1800万以上，水解后分子琏扩散并会与其他分子琏重新连接，故会形成较为黏稠的近似糊状的泥浆，能够最大限度地粘住并沉淀钻屑。该泥浆体系能对孔壁提供压力，防止在不稳定地层中钻孔的坍塌;同时最大化旋挖钻的装载能力，提高掘进速度。（见表3）

由于化学聚合物泥浆本身的快速沉淀钻屑性能，在成孔时孔内悬浮钻屑就已经非常少了，所以在钢筋笼后测量沉渣厚度均不超过10cm，根据实际情况可不进行二次清孔，有效提高了成孔效率和成桩质量，体现了较膨润土泥浆的优越性。泥浆总是保持清澈透明，钻具钻杆表面干净，在孔内由于钻具连续运动，聚合物泥浆和水混合的越均匀黏度就越强，凝聚力也就越快，泥浆在孔内内也没一点杂质沉淀。无毒无污染，废浆易于降解处理，有利于文明环保施工。

5  结语

在富水砂卵石大漂石地层进行旋挖桩施工，适宜采用中型旋挖钻机，并通过试验比选出可靠的钻机品牌及型号，从设备选型方面保证成孔速度及质量。

双底双开门截齿钻头是适合在富水砂卵石大漂石地层中旋挖成孔施工中采用，并对普通钻头进行改造后，加大底部开口尺寸，从而加快了旋挖钻进速度，减少了截齿用量，成孔质量满足要求，改进效果明显。

通过实践对比出了在富水砂卵石大漂石地层中旋挖成孔中采用化学泥浆的优越性，以及通过试验得出了适合本地层施工的配合比。

参 考 文 献

[1] 王俊利，刘会林.砂卵石地层中钻孔灌注桩成孔控制技术[J].施工技术，2011，40（13）：75-76.

[2] 王以红.旋挖桩施工常见技术问题及对策探究[J].科技创新与应用，2014（23）：291-291.

[3] 王曦，徐辉雄.旋挖钻机施工中常见问题分析及对策[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2008，35（4）：58-59.

富水砂卵石地层泥水盾构施工技术 篇6

1 工艺原理

泥水加压式盾构是在盾构的前部刀盘后侧设置隔板, 它与刀盘之间形成泥水压力室 (称为泥水舱) , 将加压的泥水送入泥水舱, 当舱内充满加压的泥水后, 通过加压作用和压力保持机构, 泥浆在压力的作用下缓慢向地层中渗透来支承掌子面稳定。盾构推进时由旋转刀盘切削下来的土砂经搅拌装置搅拌后形成高浓度泥水, 以流体输送方式送到地面。在地面泥水分离系统中, 将泥水调整到适合地层土质状态后, 由泥水输送泵加压后, 经管路送到盾构开挖面泥水舱, 泥水在稳定开挖面的同时, 将刀盘切削下来的土砂搅成浓泥浆, 再由排泥泵经管路输送到地面。被送到地面的泥水, 根据土砂颗粒直径, 通过一次分离设备和二次分离设备将土砂分离后, 经调浆池进行再次调整, 使其成为优质泥水后再循环到开挖面。

2 施工技术

2.1 盾构选型

盾构选型必须满足设计要求, 兼顾盾构机的造价成本和工期要求, 确保盾构施工的安全可靠, 尽量降低对环境的影响。盾构机机型选择正确与否正确是盾构隧道工程施工成败的关键, 所以盾构选型必须严守以下几项原则:

1) 选用与工程地质匹配的盾构机型, 确保施工绝对安全;

2) 可以辅以合理的辅助工法;

3) 盾构的性能应能满足工程推进的施工长度和线性要求;

4) 选定的盾构机的掘进能力可与后续设备、始发基础等设备匹配;

5) 选择对周围环境影响小的机型。

2.2 泥浆的配置

工作泥浆的配置分两种:一种是天然泥浆;另一种是膨润土泥浆。天然泥浆是将地层中的粘土加以利用, 当泥浆比重和粘土因为地层中的粘土上涨时, 向泥浆池加入水和添加剂调节泥浆性能。这种方法由于天然粘土中或多或少存在些杂质、粉砂等, 故质量不太高, 但是在含土量丰富的地层中是有必要的, 不但可以降低成本, 还可以节省调节泥浆性能的时间。

膨润土泥浆是采用水、颗粒材料和添加剂调制泥浆。颗粒材料多以粘土、膨润土、陶土、石粉、粉砂、细砂为主。添加剂多以化学试剂为主。这种方法成本高, 但浆液的质量可得到保证 , 在含泥量较少, 地下水丰富的砂卵石地层中更为重要。

这里是一些配料的使用, 见表1。

2.3 开挖面稳定技术

泥水盾构开挖面土体是依靠泥水压力对开挖面上的水土压力发挥平衡作用以求得稳定。泥水压力主要是在掘进中起支护作用, 其原理如图1所示。当盾构底部处于地下水位以下的深度为H时, 其水压力为γ水×H, 而在盾构正面密封舱 (即泥水压力室) 底部的泥水压力为γ泥× (H+Δh) , 由此可见地下水压力小于泥水压力。因此, 在盾构正面密封舱内通入高于地下水位Δh的泥水, 则在开挖面任何一点y处的地下水压力为γ水×y, 泥水压力为γ泥 (y+Δh) 。一般情况下Δh取2m, 而γ泥大于γ水, 开挖面任何一点的泥水压力总是大于地下水压力, 从而就形成了一个向外的水力梯度, 这是保持开挖面稳定的基本条件[1]。

泥水盾构在掘进过程中, 泥水不断循环, 开挖面的泥膜因受大刀盘的切削而处在形成—破坏—形成的过程中。由于地层的变化等因素, 开挖面的平衡是相对的。由于泥水盾构在掘进过程中, 开挖面充满泥水, 泥水压力室前侧是切削刀盘, 后侧是密封隔墙, 四周是盾构壳体, 施工操作人员是不可能用肉眼直接观察到开挖面稳定状况。为此, 通常采用出碴量控制、溢水量检查、地表沉降与信息反馈、开挖面水压信号检查对开挖面的稳定状况进行判断。

2.4 常压进泥水舱

本标段盾构穿越的地层全为富水砂卵石土层。卵石含量高, 单轴抗压强度高, 刀盘刀具磨损严重, 需要进行刀具的更换, 因此, 换刀工作进行得很频繁。采取的基本措施:

(1) 盾构始发后, 有计划地进行刀盘、刀具检查, 预先采用在合适位置进行地层加固, 有计划的进行刀具检查, 并根据检查的结果进行刀具磨损分析、制定刀具维修与更换方案, 进行有计划的刀具检查、维修与更换, 确保设备完好率, 提高施工效率, 减少被动停机;

(2) 在常压开舱时, 提前作好地面降水施工。在距离隧道中线5m位置两侧布置两口降水井, 井深超过隧道底7～8m即可。提前降水3d, 基本保证开舱时水位在刀盘中心线以下, 同时在洞内放水泵进行辅助降水;

(3) 刀盘磨损需要进行修复时, 提前做人工挖孔桩作掌子面的卫护结构, 挖孔桩施工位置占据刀盘的一半即可, 直径为1200mm。挖孔桩施工完成后孔内回填素砼C15, 回填高度至隧道顶2m即可。

2.5 带压进泥水舱

由于成都地层是富水砂卵石地层, 保压难度较大, 气体逃逸速度较快, 保压是一大问题。故采取以下步骤保证进舱人员的安全:

(1) 将泥水舱内85%的碴土和卵石循环排至地面, 保证后续工作有总够的工作面, 方便快捷施工;

(2) 进浆管和底部排泥孔将泥浆循环, 用低比重的泥浆逐步置换刀盘内较高比重泥浆, 是泥浆比重尽量保持在1.02～1.08之间, 是开挖面形成优质的泥膜。

(3) 降低泥水舱内液位, 用高压气体置换泥水仓内泥浆, 观察舱内液位是否迅速上涨, 压力是否迅速下降, 同时观察压力传感器上部和中部的显示是否相等。

(4) 泥水舱内压力检查:设定压力值为0.11MPa, 压力传感器上部、中部显示为0.11MPa。压力波动不超过0.02MPa, 现在已经具备进仓条件。

(5) 作业人员进舱:工作人员进入舱内关闭好舱门 (辅助工具放入舱内) , 由操舱人员把人舱压力按规定时间加压到0.11MPa, 检查舱内人员正常后, 打开气压舱和人舱的连通阀门, 打开舱门进入气压舱内。

2.6 大漂石的处理问题

本标段盾构穿越的地层主要为富水饱和的卵石土层, 大粒径砾石含量较高且局部富集成群。发现的最大漂石直径达60cm。

在施工中, 采用的技术措施如下:1) 采用面板式刀盘, 对防止掌子面的坍塌有一定作用;2) 盾构机刀盘上安装有切刀和双刃滚刀。

两种刀具配合可以适应从极软土层至极硬砂卵石地层中的掘进;3) 对大于400mm的大漂石或滚刀破岩能力不足时, 考虑采用辅助措施;4) 在条件允许时优先考虑从地面加固地层, 待掌子面有足够的自稳能力后, 进入泥水舱利用液压锤进行大漂石的处理。

3 结束语

盾构机于2007年1月20日在现场组装完成并顺利始发, 2008年1月29日区间945.1m的掘进。最高月进度掘进234环, 共357m, 创造了在富水砂卵石中盾构掘进新记录。日最高掘进记录为22.5m (15环) 。

施工全过程处于安全、稳定、快速、优质的可控状态。建筑物基础沉降监测结果显示, 最大沉降值为4.9mm, 平均沉降为2.7mm, 房屋倾斜率0.4‰, 建筑物安全。得到了各方的好评。

参考文献

南宁富水圆砾地层施工盾构耐磨设计 篇7

南宁地铁1号线某标段采用土压平衡盾构施工,盾构区间地层以富水圆砾地层为主,本工程某左线区间隧道穿越地层主要为(5)1-1圆砾层(95.81%),该地层2～20mm占47.99%、>20mm颗粒平均含量为30.18%,最大粒径70mm,粒间充填以中粗砂为主。重型动力触探试验修正后击数3.8～17.6击,平均10.8击,中密为主。各种地层含量及比率如图1所示。

2 刀盘、刀具耐磨设计

2.1 刀盘耐磨设计

应用于本工程的刀盘采用开挖直径6 280mm,开口率为33%的辐条+面板式设计的复合式刀盘。刀盘防磨损主要是刀盘面板/背后板、刀箱/刀座和刀盘外圈的磨损设计。

1)刀盘面板/背后板耐磨保护刀盘面板/背后板采用在刀盘结构面板上焊接HARDOX板,并且在耐磨板上堆焊方格耐磨焊。刀盘面板/背后板耐磨保护见图2刀盘面板/背后板耐磨保护。

2)刀箱/刀座耐磨保护刀箱/刀座主要是指滚刀刀箱和铲刀刀座,滚刀刀箱采用在刀箱四角处增设耐磨块,铲刀在刀座后侧焊接耐磨块来抵抗在圆砾地层中掘进产生的冲击荷载和磨损破坏。刀箱/刀座耐磨块焊接位置见图3。

3)刀盘外圈耐磨保护刀盘外耐磨圈增设硬质合金耐磨条,耐磨条采用沿刀盘外圈等间距(间距100mm)焊接,在焊接硬质合金耐磨条过程中需要采取措施防止因受热不均导致硬质合金耐磨条开裂。硬质合金耐磨条和焊接位置见图4刀盘外圈耐磨保护图。

2.2 刀具耐磨设计

根据本标段特点和结合我司在成都某标段黏土卵石层的掘进实例刀盘配备了20把先行刀、38把250mm宽刮刀、8把铲刀、4把周边保护刀、4把中心双刃滚刀、11把18寸单刃宽刃滚刀、1把仿行刀、2把液压磨损测试刀。

所有刀具刃口部位都镶有合金粒,刀具呈高低搭配配置,最外侧切削轨迹配备两把滚刀保证开挖轮廓和保护铲刀。滚刀刀间距中间部位90mm,正面区域100mm保证前方土体有效开挖和碴土顺利进入土仓。刀盘旋转时先行刀撕裂圆砾层土体后滚刀进行进一步的破碎,再由250mm宽刮刀进行松散圆砾土的切削。采取上述刀具配置能在中密圆砾层中顺利开挖减少磨损和冲击破坏。根据掘进情况和2把液压磨损测试刀反馈数据判断刀具磨损情况和确定换刀时间,保证刀具磨损不是非常严重的时候发现并更换。

3 螺旋机耐磨设计

螺旋机较易磨损的部位主要是前三节叶片和与土仓壁相连的筒体内壁,对螺旋机前三节叶片和轴采用满布堆焊耐磨焊保护,筒体内壁易磨损部位焊接条形耐磨块来进行磨损保护。螺旋机堆焊和焊机耐磨块位置见图5。

4 结语

高压富水地层 篇8

成都地铁1号线试验段盾构工程区间隧道洞身地层基本为全断面的砂卵石层,地表建筑物和管线非常复杂,盾构在该地质条件下的施工在国内属首次。在砂卵石地层中采用盾构法施工,卵石含量、粒径、强度和充填物的性质对盾构选型和施工起决定性作用,盾构隧道的上覆地层、地下水情况和地表建(构)筑物分布状况也对盾构选型和施工有一定影响。

1 工程地质与水文地质

区间隧道主要在含水量丰富、补给充足的强透水的砂卵石地层中通过。隧道结构底板埋深约为14.0m~21.0m。其埋深位于地下水位以下,地下水压力对隧道施工及衬砌结构有较大影响。隧道穿越地层卵石含量约占55%~80%。含少量大粒径漂石,一般含量为5%~10%,前期勘测阶段发现漂石最大粒径为670mm,施工中发现的漂石最大粒径为600mm。充填物以细砂、中砂为主,含量约10%~35%。

该区段卵石含水层渗透性较强,富水性较好,含水较丰富,渗透系数1.736×10-4m/s。根据四川省地矿厅环境地质监测总站对成都市地下水动态长期观测资料,区间地下水水位埋深浅,一般在4.10m~8.75m左右。实际施工中观测,水位在8m~1 1 m。

2 盾构选型

2.1 泥水盾构方案

根据国内外施工经验,当地层的透水系数大于10-4m/s时,宜选用泥水盾构;当地层的透水系数小于10-7m/s时,可选用土压平衡盾构;当地层的渗水系数在10-7m/s~10-4m/s之间时,既可以选用土压平衡盾构也可选用泥水式盾构。

在本工程中,盾构穿越地层的渗透系数1.736×10-4m/s,大于10-4m/s,采用泥水盾构施工是可行的。泥水盾构利用泥浆作为支护材料,开挖面的稳定是利用泥浆的渗透形成不透水的泥膜,通过泥水压力来平衡作用于掌子面的土压力和水压力。本工程隧道洞身范围内含大量卵石和水,细颗粒含量少,采用泥水盾构施工有利于地表沉降的控制。

2.2 土压平衡盾构方案

土压平衡盾构能用于粘结性、非粘结性、有水或无水的软土、硬岩或卵石土层等多种复杂的地层;同时又具有土压平衡的功能,施工速度较高,能有效控制地表沉降。经过采取适当的辅助措施,如加泥(膨润土)、加泡沫、聚合物等,可以在松散的砂、卵地层中很好地稳定开挖面,增强不透水性,从而可靠安全地掘进;特别是双螺旋的采用,即使土舱内的渣土处于液态状态,仍能连续出渣而不会发生喷涌,保证含水较高地层施工的安全可靠。另外土压平衡盾构先进的带压系统、渣土报警系统及盾构良好的密闭性能也为工程提供了可靠的保障。

2.3 盾构型式的确定

根据对工程地质水文特点的分析,综合国内外盾构生产厂家对本地质特点的盾构选型的参考意见,鉴于成都地铁工程首次采用盾构法施工,为了摸索和总结不同类型盾构对成都地层的适应性,为后续工程提供借鉴和参考,决定在该标段右线隧道采用泥水盾构施工,左线隧道采用土压平衡盾构施工。

3 泥水盾构的不适应性分析

3.1 排渣易堵塞

根据泥水盾构的循环理论,砂卵石地层中泥水盾构施工,泥浆管路中的泥浆流速,必须保持在临界值以上,低于临界值时,泥浆中的卵石和砂粒就会产生沉淀而堵塞管路,造成出渣不畅。其临界流速可按杜郎德公式计算如下:

式中VL——临界流速(m/s);

FL——流速系数(根据颗粒直径和泥水浓度而定),当颗粒直径大于1mm,FL=

ρ0——母液泥水比重,一般ρ0=1.05~1.25;

ρ——固体比重;

d——管子内径(m);

采用管径为∅325的泥浆管,其流量为:

实际施工中泥浆流量能达到1 200m3/h,但由于隧道范围内的卵石含量大、大粒径卵石多,排渣过程中在泥水舱、气压舱、碎石机、泥浆泵等部位易发生堵塞,人工清理堵塞耗费了大量掘进时间,严重影响盾构施工进度。

3.2 局部地段穿透冒浆

选择泥水盾构主要是考虑通过膨润土泥浆在开挖面形成的泥膜与泥浆压力,在细颗粒少、富水的卵石地层里可有效保持泥水舱压力,防止坍塌。泥水盾构施工过程中进浆比重调到1.2以上,泥浆粘度调整到30s,除了希望能够增强携渣能力外,还希望能够堵塞地层空隙形成泥膜,但仍不能解决局部地段穿透冒浆问题。由于仅能保持水头压力避免冒浆,泥水舱压力不足以抵抗地层压力而引起坍塌,地表沉降严重,如图1所示。

3.3 卵石对设备过度磨损问题

成都地质对盾构设备的磨损也超出了当初的估计,表现在刀盘刀具的磨损,破碎机的磨损,排泥泵的磨损,以及由于过度磨损带来的设备高故障率,如图2、图3。

3.4 坍塌处理和堵塞清理

由于泥膜问题导致的地层坍塌处理,特别是卵石堵塞,包含加固地层进行刀盘泥水舱气压舱的卵石清理,堵管堵泵的清理,占据了大量时间,使得泥水盾构的月进度极低,如图4、图5。

4 土压平衡盾构的适应性分析

4.1 掘进模式的选择

土压平衡盾构具有三种工作模式,即土压平衡模式、敞开模式和半敞开模式。

土压平衡模式就是在盾构开挖时,利用土舱内的土压或加注辅助材料产生的压力来平衡开挖面的土压及地下水压力,以避免掌子面坍塌或地层失水过多而引起地表下沉的一种盾构掘进模式。在富水砂卵石地层中,地层稳定性较差,地下水丰富,因此采用土压平衡模式进行掘进。

4.2 渣土改良技术

渣土改良的目的是:降低渣土的内摩擦角,降低刀盘的扭矩,增加渣土的流动性、渗透性,从而达到堵水、减磨、降扭及保压的效果。

在工程施工中,土压平衡盾构配有两套渣土改良系统:泡沫系统、膨润土(泥浆)系统。两者共用一套输送管路,所有管路经旋转接头均可到达刀盘面板。

通过泡沫、膨润土系统同时对渣土进行改良,系统性能良好,完全能够满足该地层条件下渣土改良的需要。

4.3 地表沉降相对较大

盾构在富水砂卵石地层掘进,其地表沉降槽曲线基本沿隧道中线呈正态分布,一般在轴线处的沉降值最大,隧道洞径范围是其沉降的主要范围,离隧道中线5m处的沉降值基本占峰值的65%左右;轴线5~10m为次要沉降区,距隧道中线10m处的沉降值占峰值的10%~15%左右,其单线沉降槽宽度为20m左右(约三倍洞径),如图6所示。

从沉降量看,土压平衡盾构施工引起的地表最大沉降量一般为12~15mm(图中左线隧道中线处),而泥水盾构施工引起的地表最大沉降量一般只有8~11mm左右(图中右线隧道中线处)。两侧均能满足规范要求,但土压平衡盾构施工引起的地表最大沉降量明显要大于泥水盾构施工引起的地表沉降量,特别是隧道埋深较浅时土压平衡盾构施工的地表沉降控制相对困难。

5 结论和建议

采用盾构法进行富水砂卵石地层施工,在全国尚属首次。从成都地铁1号线两种不同类型盾构的试用情况看,采用泥水盾构施工其施工难度大、施工进度慢(平均月进度仅79.2m)、施工成本高(仅施工用电量就比土压平衡盾构高1倍以上),而采用土压平衡盾构其施工难度相对较小、施工进度快(月平均进度达到237m)、施工成本可控。因此,在富水砂卵石地层较适宜采用土压平衡盾构施工,而不太适宜采用泥水盾构。两种不同类型盾构在成都地铁1号线试验段使用效果的差别与成都地区特有的地质情况是密不可分的。通过对类似工程的对比,发现在卵石含量相对较低,大粒径漂石含量少且粒径相对较小的砂卵石地层,泥水盾构的使用效果并不比土压平衡盾构差,如武汉与沈阳等地区;同时泥水盾构在地表沉降控制、大直径隧道施工以及穿江越海隧道施工等方面具有较大优势。通过成都地铁1号线对两种不同类型盾构的试验,摸索和总结了不同类型盾构对成都地层的适应性、对深入理解砂卵石地层盾构法施工技术作出了有益探索。

参考文献

[1]唐健,陈馈.成都地铁试验段盾构选型探讨[J].建筑机械化,2006,27(6),43-46.

[2]晏启祥,耿萍,何川.地铁砂卵石地层采用加泥式土压平衡盾构机的设备配置及顶推力检算[J].隧道建设,2007,27(6):19-21.

[3]杨书江.成都地铁火车南站—体育馆站区间隧道始发段泥水盾构施工技术[J].隧道建设,2007,(6):43-46.

[4]章龙管,陈馈.成都地铁土压平衡盾构施工关键技术[J].建筑机械化,2009,(12):62-64.

高压富水地层 篇9

周顺华[3]采用数值模拟、理论分析手段, 研究基坑发生突涌的判定方法, 推导基坑发生砂沸突涌破坏的判定公式。丁勇春[4]以大型水上客运综合体深基坑工程为依托, 提出一种复合钢板桩基坑围护方案, 能满足围护结构水上施工作业的条件。张正[5]以上海地层深基坑堵漏处理为例, 分析软土地区基坑围护结构渗漏的原因, 并提出具体处理对策。李镜培[6]结合上海深大基坑工程, 开展基坑突涌离心模型试验, 分析承压水压力 作用下的 基坑涌突 水机制。 西班牙Estanislao[7]针对富水分层地层条件, 通过排水措施开挖深基坑, 并且评估了附近房屋的安全性。意大利Castaldo[8]采用一种简化的统计方法分析基坑开挖对周边建筑物的影响。Jurado[9]建立一种框架模型, 进行风险评估, 分析地下工程开挖对施工工人安全及建筑物本身稳定性的影响。

目前, 国内外学者对高层建筑物基础进行了大量研究工作[10,11], 但大多针对的是基础渗漏水原因、地层变形, 以及建筑物本身稳定性等。而对于基坑不同施工方法间的相互比较, 以及防水材料厚度的选择等关键问题鲜有报道。对此, 为保证富水地层高层建筑基础的施工安全及使用安全, 本工作以在建的无锡市银河大厦基坑工程为依托, 从土压力和水压力入手, 探索合理的施工方法和防水层厚度, 以期为今后富水地层建筑物基坑的设计和施工提供参考和借鉴。

1 三维有限元数值模型

1.1 计算荷载

采用MIDAS/Civil结构分析软件按照“荷载-结构”方式建模分析计算。荷载考虑土压力和水压力。其计算公式为:

式中:p———土和水的最大压力, k N/m2;γ———土的重度, k N/m3;γw———水的重度, k N/m3;H———开挖深度, m;h———地下水位深度, m;φ———土的内摩擦角。

根据地质勘查报告, 基坑开挖范围内的土层大部分为人工填筑碎石土和粉细砂, 地下水位较浅。借鉴类似工程的经验, 取土的重度为20 k N/m3, 内摩擦角为30°, 地下水位取2.6 m。按上面的公式计算得出最大压力为151 k N/m2。

1.2 计算模型

银河大厦位于无锡市, 主楼建筑总高度为239m, 地下3层, 地上20层。基坑主钢管桩用梁单元, 底部取竖向约束, 横向取弹性支撑, 用于考虑桩周土体约束作用, 土体弹性支承参数:地基系数m为5 000k N/m4, 沿深度分布。内侧围檩用梁单元, 转角连接处为铰接。内支撑用桁架单元, 围柃型钢均替换为2H500×300双拼的型钢。内部钢管支撑为D 800×12的钢管, 并增加一些型钢斜撑, 具体见图1、图2。

2 计算结果

2.1 基坑变形分析

水压-土压连成作用条件下, 建筑物基坑支撑变形如图3所示。

从图3看出, 工况一 (单一方向的钢管支撑) 条件下, 基坑支护结构最大位移为20 mm, 基坑变形主要发生在上部围檩和第一层钢管桩处。工况二 (十字型钢管支撑) 条件下, 支护结构最大位移为11 mm, 基坑变形主要发生在中上部围檩, 钢管桩位移较小。可见, 十字型钢管支撑较为合理。

2.2 钢管桩轴力

基坑支护一 (单一方向钢管支撑) 钢管桩的受力很小, 结构安全。基坑支护方案二的钢管桩内力结果如图4所示。

基坑支护二 (十字型钢管支撑) 钢管桩的最大弯矩为484k N·m, 弯曲应力为84 MPa;剪力为381k N, 剪应力26.4MPa, 可见钢管桩的强度满足要求。

2.3 基坑围楞受力特点

基坑支护一的围楞 (第2层) 的最大轴力1 864 k N, 最大弯矩462 k N·m, 最大剪力752 k N。最大组合应力 (轴力+弯矩) 140 MPa, 最大剪应力77.8 MPa。

基坑支护二围楞的最大轴力2 683 k N, 最大弯矩298 k N·m, 最大剪力402 k N。最大组合应力 (轴力+弯矩) 126.8 MPa, 最大剪应力41.5 MPa。可见围楞的强度满足要求。

2.4 内支撑钢管力学响应

基坑支护一的内支撑 (钢管) 的最大内力为480k N, 其应力为16.1 MPa;转角处斜撑 (2C40a槽钢) 的内力1 293 k N, 其应力为87.1 MPa。

基坑支护二的内支撑 (钢管) 的最大内力为3 393 k N, 其应力为114.2 MPa;斜撑 (2C28a槽钢) 的内力1 380 k N, 其应力为93 MPa;转角处斜撑 (2C40槽钢) 的内力1 815 k N, 其应力为122.2 MPa, 其强度也满足要求。

3 深基坑防水效能试验

基坑的防水设防见图5。防水膜为丙烯酸盐喷膜防水层。在地层水压作用下, 基坑防水膜鼓起。随着水压的逐渐增加, 防水膜鼓起效应愈加明显。当水压达到一定值以后, 防水膜开始破裂, 破坏后的防水膜如图6所示。

防水膜越厚, 所承担的水压力越大。从经济性和安全性出发, 防水膜厚度存在一个合理值。根据现场实际水位条件, 为确定适宜的防水膜厚度, 我们进行了不同厚度的防水膜水压试验。防水膜试样是利用高压无气喷涂设备在有机玻璃上喷涂, 然后在恒温25℃下养护后制备而成。防水膜厚度和水压力的关系如图7所示。

从图7看出, 基础防水膜厚度与承载水压力基本呈现线性关系, 防水膜厚度直接决定抗水压能力。根据现场工程地质勘查报告, 地下水最大水位为20 m。从图中推断出, 3.5 mm厚的防水膜可满足工程需要, 可抵抗水压0.2 MPa (20 m水头) 。从现场实际情况来看, 防水膜厚度参数也合理。

4 结语

建立了水压-土压连成作用的“荷载-结构”三维有限元模型, 以无锡市银河大厦基础工程试验为依托, 对比不同支护方案的稳定性, 提出合理的富水地层基础钢管支护措施, 并开展防水膜水压性能试验, 研究合理防水膜厚度。经研究, 得出以下主要结论:

1) 建立了MIDAS/Civil有限元三维数值力学模型, 按照水土分算的方向, 进行“荷载-结构”计算。单一方向的钢管支撑条件下, 基坑支护结构最大位移为20 mm, 基坑主要变形发生在上部围檩和第一层钢管桩。十字型钢管支撑方案, 支护结构最大位移为11mm, 基坑主要变形发生在中上部围檩, 钢管桩位移较小。可见, 十字型钢管支撑较为合理。

2) 十字型钢管支撑方案, 钢管桩的最大弯矩为484 k N·m, 其弯曲应力为84 MPa;剪力为381 k N, 其剪应力26.4 MPa, 钢管桩强度满足规范要求。

3) 单一方向的钢管支撑条件下, 围楞 (第二层) 的最大轴力1 864 k N, 最大弯矩462 k N·m, 最大剪力752 k N, 最大剪应力77.8 MPa。十字型钢管支撑支护时, 围楞最大轴力2 683 k N, 最大弯矩298 k N·m, 最大剪力402 k N, 最大剪应力41.5 MPa。

4) 单一方向钢管支撑条件下, 钢管最大内力为480 k N, 应力为16.1 MPa;转角处斜撑 (2C40a槽钢) 内力1 293 k N, 其应力为87.1 MPa, 其强度满足要求。十字型钢管支撑支护时, 内支撑 (钢管) 的最大内力为3 393 k N, 应力为114.2 MPa;斜撑 (2C28a槽钢) 内力1 380 k N, 应力为93 MPa, 转角处斜撑 (2C40a槽钢) 内力1 815 k N, 应力122.2 MPa。

5) 防水膜越厚, 所承担的水压力越大。地下水最大水位为20 m时, 3.5 mm防水膜可满足工程需要;从现场实际情况看, 防水膜厚度参数合理。

以上研究成果具有重要的工程实践价值。

参考文献

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高压富水地层 篇10

关键词：土压平衡盾构,富水地层,喷涌,盾构机改造,碴土改良

0 引言

随着国内城市轨道交通的大发展, 盾构法因其具有安全、高效和适应性广等优点, 在轨道建设中得到广泛的应用。土压平衡盾构因其具有广泛的地层适应性和较强的破岩能力, 越来越成为各类复合地层条件下进行盾构法施工的首选。但以土压盾构目前的设计构造, 在穿越丰富地下水地层的喷涌现象是一个棘手的技术难题。喷涌的发生不但影响正常施工排土和压力舱压力的控制, 严重时会过多地将开挖面和管片四周的土、砂带出, 造成地表沉降、塌陷、管片漏水等施工事故。因此, 如何避免土压盾构在穿越富水地层时发生喷涌现象是土压盾构机施工时必须要解决的技术问题[1]。

1 工程背景

1.1 工程概况

福州市轨道交通1号线工程土建施工01合同段位于福州市晋安区, 由新店车辆综合基地, 沿秀峰路向南转至象峰站, 经过象峰站、秀山中心小学前至蓝山四季住宅小区前。其中新店车辆段—象峰站区间是1号线进出车辆段的出入线段, 自1#竖井始发, 向东偏北方向下穿福建省电力有限公司电能计量中心东南角, 然后侧向通过正在新建的象峰苑, 渐转至秀峰路上, 最后到达象峰站。

本区间出段线曲线半径为300m;入段线曲线半径为315m, 区间隧道覆土最大厚度34m。纵断面为单向坡, 1#竖井至象峰车站纵坡为4‰~2‰。区间出段线采用ZTE6410复合式土压平衡盾构机, 入段线采用EPB6450复合式土压平衡盾构机, 见图1。

1#竖井至象峰站盾构区间, 出线段CDK0+61.8~CDK1+25.194, 963.394m;入线段RDK0+61.4~RDK1+59.574, 998.174m。

1.2 工程地质及水文地质

1.2.1 工程地质

本区间施工场地属于山前平原地貌单元, 洞身主要穿过残积土、全风化岩、散体状强风化岩及中风化凝灰岩, 结构埋深在18~34m之间。根据本区间岩土工程勘察报告及补勘资料, 洞身范围岩体完整程度为极破碎状, 浸水易软化崩解, 为极软岩。在残积土及风化岩层中, 常揭示到有孤石及球状风化核存在, 大小在几十厘米至几米。另显示1#~2#竖井之间有三段基岩突起, 尤其以RDK0+822.3~RDK0+909.2段表现最为显著。2011年11月地质详勘报告显示单轴抗压强度为124.33MPa, 2012年11月地质补勘报告显示岩石单轴抗压强度达到161.2MPa, 详见图2。

1.2.2 水文地质

场区有丰富的地表水和地下水。象峰站—新店车辆段出入场线两次穿越汤斜溪, 其水位主要受降雨、地表径流控制及北峰汇水, 场地内局部分布有鱼塘、洼地等地表水体。另外场地范围分布有较为发育的基岩裂隙水, 基岩裂隙水主要赋存于花岗岩及凝灰岩的风化带上。由于各含水层厚度相对较大, 于场地附近地下水连通性较好, 受山前地貌影响, 水位高差较大, 补给充足, 承压性强。根据最新水文补勘报告显示抽水试验的结果如下:

(1) 1号竖井两侧第一、二组和2号竖井两侧第八、九组抽水稳定时流量较大在61.08~106.6m3/d, 渗透系数为7.089~18.35 m/d, 影响半径范围在20~30m之间。

(2) 第四、五、十、十一组抽水稳定时流量适中, 在15.89~34.03m3/d, 渗透系数多在2.5~3.5 m/d之间, 影响半径范围在15~25m之间。

(3) 在汤斜溪西北侧的第六组抽水稳定时流量小为6.05~9.67m3/d, 渗透系数均值为0.805m/d, 影响半径小于14.88m。在汤斜溪南东侧的第七组抽水稳定时流量大为205.5~507.86m3/d, 渗透系数均值为41.84m/d, 影响半径均值为56.21m。两侧截然不同的抽水效果是受构造作用影响所致。

(4) 残积土厚度较大的第十二、十三组抽水稳定时流量较小, 为5.28~16.8m3/d, 渗透系数为0.621~1.941m/d, 影响半径范围在26.67~27.55 m之间。

该区间分段的预测疏干涌水量计算结果如表1[2]:

2 地下水丰富地层盾构施工技术特点分析

场地范围分布有较为发育的基岩裂隙水, 基岩裂隙水主要赋存于花岗岩及凝灰岩的风化带上, 由于各含水层厚度相对较大, 连通性较好, 受山前地貌影响, 水位高差较大, 补给充足, 承压性强, 本区间在推进至80环时, 出现喷涌现象。地质资料显示, 此处为散体状强风化花岗岩, 地层较稳定, 正常掘进情况下岩体自立性较强, 很难出现喷涌。根据盾构喷涌情况分析, 碴土基本以碎块状强风化为主, 以此推断地层正穿越较发育裂隙地层, 其形成喷涌原因主要有以下两点:

(1) 地层复杂、掌子面土压改良较困难。由于开挖面上水压力过高, 加之开挖下来的渣土本身不具有止水性, 以较大块状的强风岩为主, 掌子面塑流化改良难迅速达到要求。水压的较大压力、速度涌进土仓, 泡沫剂、澎润土等外加剂完全被稀释, 很难达到预期效果, 正常的螺旋机取土排土方式已经难以将土体中的水体按照输送水体和土体一起排出盾构机[3]。高压力的水体穿越压力舱和螺旋机形成集中渗流带动块状风化岩一起运动形成喷涌。

(2) 承压水压力大, 掌子面土压上升快。原本以相同速度输送的土水产生相对运动, 水体流量和流速相应的增大。较大流量的渗流水经过压力舱和螺旋排土器后其压力水头没有递减到和零相接近的范围。如若推进时先通过盾构机前盾3寸球阀和人仓2寸球阀放水 (先自然放水、后加气放水) , 来不及可适当打开螺旋机闸门进行放水;水放到一定程度后, 加入改良剂, 只转刀盘, 不推进, 待土仓碴土改良完好后, 保压至1.5~2.0bar, 开始以20mm/min的速度推进, 依靠切削土体与改良剂不断良性循环改良碴土。但是只要一推进, 水压立刻以较快速度上升, 土压自动从3min内从0.8bar上升至1.8bar, 碴土根本来不及改良, 渗流水在输送至出口的一瞬间, 由于前方是临空的隧道内部, 处于无压状态, 便在忽然增大的压力下带动正常输送的碴土喷涌而出。如果此时关闭闸门, 螺旋机处土压值可达到2.0bar。

3 施工时采取的对策

3.1 碴土改良

碴土改良是防止喷涌的关键。向土仓中加入膨润土或发泡剂, 改善土仓内土质的和易性, 使土体中的颗粒和泥浆成为一个整体, 连续从螺旋输送机排出, 避免喷涌。碴土改良一般适用于渗透系数多在3.5 m/d以下的地层。

(1) 通过超前注浆孔环向注入聚氨酯阻止盾体围岩裂隙水向土仓汇聚, 降低喷涌发生。

(2) 通过管片吊装孔二次注入双液浆进行环向封堵, 拦截管征背后水流向土仓汇水降低喷涌发生。

(3) 调整掘进参数, 合理设置土压, 快速通过。

(4) 采用螺旋输送机双闸门控制, 两道闸门间或第一道闸门前预留保压泵接口, 发生喷涌时迅速关闭闸门, 必要时采用保压泵排渣。

(5) 推进前先通过盾构机前盾3寸球阀和人仓2寸球阀放水 (先自然放水、后加气放水) , 若来不及适当打开螺旋机闸门进行放水。

(6) 待土仓压力下降后注入聚合物通过旋转刀盘进行搅拌渣土改良, 由于停机时间较久, 首环需比设计量多添加, 待充分改良建立土压后进行推进出渣。

(7) 正常推进时需严格按照设计量连续不断加入聚合物改良渣土, 形成良性循环。

3.2 盾构机改造

如遇裂隙较发育地层, 渗流水以较高压力到达螺旋机瞬间形成喷涌, 碴土根本来不及改良, 可进行盾构机改造。铁建重工盾构的螺旋机自身带有双闸门, 可在两道闸门距离范围内, 开口形成空间, 再通过法兰盘与钢管连接, 连接处设立一道闸门, 钢管直接接到1号台车皮带处, 见图3和图4。

在两道闸门长度范围间增设一道小闸门, 门板规格为钢板55/Q345B, 再通过法兰盘与钢管连接, 钢管为直径150mm厚度6mm的Q235钢材, 连接时错开盾构机设备, 绕过连接桥。喷涌发生时, 水直接通过钢管排往1号台车中部皮带机上, 高压水通过钢管的缓冲到达皮带后, 压力大大减小, 可以正常输送, 防止了喷涌的发生。同时推进时需注意:

(1) 推进时打开上部闸门和管道闸门进行出渣;

(2) 当有较大石头堵住管道或者闸门间沉积较多碎石, 圆管无法出渣时, 关闭上部闸门和管道闸门, 打开下部闸门进行放渣, 放完渣后关闭下部闸门, 然后重复以上步骤进行推进出渣。

3.3 高分子聚合物改良

以上两种方法仍不能有效解决喷涌问题时, 可加入高分子聚合物进行改良, 改良过程如下:

(1) 待土仓压力下降后注入聚合物通过旋转刀盘搅拌土体, 由于停机时间较久, 首环需比设计量多添加, 待充分改良建立土压后进行推进出渣。 (1) 膨润土溶液通过二号台车自带的膨润土系统注入到土仓; (2) 高分子原液通过改进后的2号泡沫管注入到土仓; (3) 根据掘进速度通过控制流量阀的压力来控制高分子原液和膨润土原液的注入率; (4) 每环配比∶浓度 (146kg膨润土∶1000L水+5L高分子∶1000L水) ; (5) 注入率:膨润土溶液10%, 高分子溶液5%; (6) 每米和每环高分子和膨润土注入量见表2。

(2) 正常推进时需严格按照设计量连续不断加入聚合物改良渣土, 形成良性循环。

(3) 靠近盾尾两环通过注聚氨酯做环箍, 起到保护盾尾的作用。

(4) 打开盾尾后10环注浆孔进行放水, 然后注双液浆做止水环。

(5) 通过既有降水井, 对隧道沿线进行降水。

(6) 若既有降水井无法达到要求, 在隧道两侧和中间每隔17m打3个降水井进行降水。

(7) 3处刀具检查点和换刀点提前打降水井进行降水。

4 结语

通过对福州市轨道交通1号线工程盾构隧道施工的工程实践, 分析在富水地层条件下土压盾构施工技术特点, 对施工难点, 分别制定了具有针对性的对策。通过对施工中遇到的喷涌问题采取土体改良、盾构机改造和加入聚合物等措施, 达到了较好的效果。目前已基本具备较快速度处理喷涌问题的能力, 减轻了喷涌带来的危害, 提高了施工速度, 基本解决了土压平衡盾构机在丰富地下水条件下施工的喷涌的技术难题。工程实践证明, 只要采取适当的措施, 通过科学管理, 在地下水丰富条件下采用土压平衡盾构法施工可以保证盾构隧道的施工质量、安全及工期目标, 为今后类似的工程提供了一定的技术参考。

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