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  • 2021-05-14 发布

盾构在复杂地层中近距离下穿运营地铁的施工控制技术

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深圳复杂地层中盾构近距离下穿运营地铁的施工技术 主要内容 -1- 复杂的地层 —— 难点之一 -2- 近距离的空间位置关系 —— 难点之二 -3- 工程风险分析和技术对策 -4- 组织管理措施 -5- 典型工程案例的实施情况 -6- 结语 1 复杂的地层 —— 难点之一 1.1 地铁工程和深圳地区典型地质条件 深圳地铁 1 、 2 、 3 期工程均为浅埋工程。盾构区间隧道埋深一般在 8m-20m 之间。 在这个埋深位置,区间隧道主要穿过地层为残积层和风化岩,以花岗岩为主。 上部残积层主要为砾质黏土和砂质黏土,下部为花岗岩全风化、强风化、中风化和微风化层。 1.2 花岗岩残积层地层特点 1 组分: 花岗岩的主要矿物成分为石英、长石及少量的黑云母、角闪石。 花岗岩残积土中的长石、云母、角闪石已完全风化,唯有石英矿物残留成石英角砾。从残积土的颗粒组成来看,属于由细粒土和粗粒土混杂且缺乏中间颗粒的混合土,兼有砂土和粘性土的性质。从母岩角度来看,中 — 粗粒花岗岩风化而成的残积土多为砾质粘性土,中 — 细粒花岗岩风化成砂质粘性土,粘性土基本为岩脉风化而成。 砾质粘性土颗粒组成见下表 颗粒大小 /mm >2 2~0.5 0.5~0.25 0.25~0.075 <0.075 重量百分比 范围 20~54 5~21 3~12 2~12 30~56 平均 31 13 6 6 44 从表中可看出,颗粒组成明显具有两头大、中间小的混合土性质。 2 球状风化 花岗岩残积土的不均匀风化包括囊状风化和球状风化,深圳地铁工程中主要表现形式为球状风化,即残积土中存在球状中等风化、微风化岩体。球状风化的成因主要是由于岩石岩性不均匀、抗风化能力差异大,加之断裂构造发育及岩体的次生裂隙导致岩体破碎,抗风化能力减弱,在深程度风化情况下所形成的。一般于地形平缓,风化带厚度较大的地区较发育。风化球一般见于残积土的下部。单个风化球的最大竖向尺寸一般不超过风化带厚度的 1/10 ,多呈水平椭球体。 3 物理力学指标 残积土天然含水量 25%-30% ,塑性指数 17 左右,液性指数 0.15-0.2 ,;内摩擦角 约 23 度(快剪),粘聚力 c 为 20-25kPa (快剪);渗透系数 0.5m/d 。 全风化、强风化地层天然含水量 18%-22% ,塑性指数 12-15 左右,液性指数 0.06 ,;内摩擦角 约 24-27 度(快剪),粘聚力 c 为 23kPa (快剪);渗透系数( 1-3 ) m/d 。 1.3 花岗岩岩层 中风化花岗岩单轴抗压强度 15-50MPa ,微风化花岗岩单轴抗压强度在 50MPa 以上,最大强度达 140MPa 。 花岗岩岩面起伏和地层强度多变。规范规定的钻孔间距难以判断其岩面变化规律。 1.4 盾构施工中的难点 1 刀盘结泥饼:残积土中的粘粒在盾构机切削刀具高温作用下会逐渐黏附硬化,形成泥饼包裹刀盘,使得盾构机切能力降低。 工程风险:结泥饼后的刀盘使得盾构机切削能力降低;掘进速度迅速下降。为清除泥饼,只能采用人员进入土仓人工清除。工程风险在于:( a )进入土仓人员存在安全风险;( b )盾构机长时间停止,花岗岩残积土在卸载和渗透力作用下已发生崩解坍塌,造成超挖,引起盾构隧道上部地层下落或变形过大,从而加大既有隧道的变形。 2 刀具磨损严重:残积土中的砾砂使刀具磨损严重,一般每 环就需换刀一次。 人工进仓更换刀具,工程风险基本同上,主要为:( a )进入土仓人员存在安全风险;( b )盾构机长时间停止,花岗岩残积土在卸载和渗透力作用下已发生崩解坍塌,造成超挖,引起盾构隧道上部地层下落或变形过大,从而加大既有隧道的变形。 3 球状风化体(孤石):难以勘察清楚,遇到后不易处理;若在下穿过程中,则只能在盾构机舱内处理。 人工进仓清除风化体,工程风险基本同上。 4 上软下硬地层:盾构机姿态难以控制、刀具偏磨、掘进速度慢导致超挖。 工程风险主要为:( a )掘进速度下降,刀具偏磨严重;( b )盾构机出土量难以控制,极易造成超挖,引起盾构隧道上部地层下落或变形过大,从而加大既有隧道的变形,增大周边建构筑物安全风险。 2 近距离的空间位置关系 —— 难点之二 地铁二期工程中,盾构隧道下穿运营隧道的距离都比较近,在 1~3m 之间。 4 个下穿工程具体情况如下: 2.1 2 号线下穿 4 号线运营隧道 4 号线是深圳市目前正在运营的地铁线路,其隧道宽约 13m, 高约 7m 。 4 号线隧道上部为 <8-3> 硬塑状砾质粘性土 , 下部为 <9-1> 全风化花岗岩。 2 号区间盾构始发端距离 4 号线仅 1.567m 。 4 号线隧道距离 2 号线新建盾构始发井 6.5m ,受该条件限制,车站始发端头仅能加固 2.7m 。 2 号线左右线盾构下穿地铁四号线时在 <9-1> 全风化花岗岩和 <9-2-1> 土状强风化花岗岩地层中通过,距离运营隧道的净距分别为 1.841m 和 1.567m 。 相对位置关系见下图。 2 号线下穿 4 号线运营隧道相对位置关系图 1 2 号线下穿 4 号线运营隧道相对位置关系图 2 2.2 2 号线下穿 1 号线运营隧道重叠隧道 2 号线左右线盾构隧道下穿地层为中风化花岗片麻岩和微风化花岗岩,洞顶地层为强风化花岗岩。距离 1 号线正在运营的重叠隧道净距分别为 1.78m 和 2.76m 。 2.3 3 号线盾构隧道下穿 1 号线运营线路 新建 3 号线隧道右线隧道与1号线隧道之间的净距为 1.46 m ,新建左线隧道与1号线隧道之间的净距为 1.23 m 。 既有 1 号线隧道主要位于 <6-2> 砾质粘土层和 <12-1> 全风化花岗岩层中;新建区间隧道主要穿越 <12-1> 全风化花岗岩层和 <12-2-1> 强风化花岗岩层,两隧道之间所夹土体为 <12-1> 全风化花岗岩。 3 号线下穿 1 号线运营隧道相对位置关系图 1 3 号线下穿 1 号线运营隧道相对位置关系图 2 2.4 2 号线小角度下穿 1 号线大 - 科区间 下穿范围隧道洞身处于 <9-1> 全风化花岗岩、 <9-2-1> 强风化花岗岩、 <9-3> 中风化花岗岩均有存在的复合地层中。 其中左线上软下硬地层共计 42.8m ,占下穿范围的 60.7% ;右线上软下硬共计地层 34.9m ,占下穿范围的 47.3% 。 2 号线斜下穿既有运营中的 1 号线,投影交叉段 74m , 2 号线与 1 号线最小垂直净间距 1.75m 。 2 号线小角度下穿 1 号线运营隧道相对位置关系图 1 2 号线小角度下穿 1 号线运营隧道相对位置关系图 2 3 工程风险分析和技术对策 3.1 运营地铁的要求 1 不能停运; 2 下穿区段最低限速 20km/h; 3 变形控制标准如下表: 序号 项目 预警值 报警值 控制值 1 道床平顺度 2.0mm/10m 3.2mm/10m 4.0mm/10m 2 左右轨道差异沉降 2.0mm 3.2mm 4 。 0mm 3 三角坑 2.0mm/18m 3.2mm/18m 4.0mm/18m 4 结构绝对变形量 10mm 16mm 20mm 5 隧道相对变形量 1/5000 1/3125 1/2500 6 隧道结构的裂缝与受损情况监测 设计单位确定 3.2 风险事件分析 1 掘进隧道在运营线路正下方开挖面失稳; 2 掘进隧道在运营线路外侧开挖面失稳; 3 运营隧道变形绝对值和速率超过预警值、控制值; 4 运营隧道开裂、渗水、道床与隧道结构拖开; 5 监测信息中断。 其他风险事件还有: 6 深南大道路面沉陷;(在地面沉陷情况下,还可能在地层中产生空洞) 7 非机动车道地面沉陷; 8 管线损伤; 9 地面坍塌冒顶; 10 人员进入土仓的安全风险。 3.3 技术对策 1 岩土工程补充勘察 在详勘的基础上应进行补充勘察,尽可能了解下穿区段地层特点,探明岩层强度、完整性、侵入隧道范围、球状风化体等地层特点。 2 试验段掘进 设置试验段,目的是获取相似地层的各项盾构推进参数,确保盾构在微扰动状态推进,为下穿施工提供较合理的参数。 试验段一般长度 30m~50m ,设置在下穿段预警区以外的相似地层处。 试验段应强化监测(地表沉降、地层内部沉降规律),将监测数据与盾构推进参数与工艺对比分析、优化调整。 3 数值模拟分析 根据工程地质和水文地质条件、周边环境、运营隧道结构形式、空间位置关系,结合盾构掘进施工的各种工况,采用合适的专业软件进行模拟分析,了解新线施工对既有隧道的影响程度。 4 根据地层岩性配置刀具 根据详勘和补充勘察结果,在下穿之前对刀具组合和配置进行分析评估,按照最不利情况考虑。 5 微扰动掘进 ( 1 )连续掘进、匀速推进; ( 2 )保持土仓压力与开挖面地层压力相对平衡; ( 3 )保持切削土体重量和排土重量相等; ( 4 )盾构保持最优姿态,减小对土体的超挖和扰动。 6 渣土改良以获得理想掘进效果 进行有针对新的渣土改良,以解决以下问题: ( 1 )防止花岗岩残积土在刀盘和土仓中结饼; ( 2 )改善全、强风化岩土体的和易性; ( 3 )降低土仓温度。 7 同步注浆配比调整和注浆压力、注浆方式优化 ( 1 )采用水泥基浆液; ( 2 )根据推进速度调节浆液凝固时间,在不影响盾构机的情况下尽可能早地具备强度,防止在列车震动下不凝固而引起运营隧道沉降变形过大; ( 3 )注浆压力与地层压力相对平衡,注浆方式尽可能多点同时压注。 8 二次注浆 ( 1 )填充同步注浆可能残留的空隙; ( 2 )改善管片周围土体形状,减小土体固结变形。 9 自动化监测和信息化施工。 ( 1 )为不影响正常运营,采用自动化监测仪器。 4 次下穿工程均采用 ADMS 测量机器人监测系统 。 ( 2 )实时测量,为完全信息化施工服务。 4 次下穿工程中均每 30 分钟报告一次测量数据。 ( 3 )根据测量数据,调整土仓压力、注浆压力、推进速度等参数; 2 号线下穿 4 号线监测点布置情况 10 运营车辆限速运行 限速运行能够降低列车震动荷载,有利于开挖面土体稳定、注浆浆液快速凝固。 在运营隧道和轨道突然的出现大变形时,限速运行能够降低车辆脱轨风险。 4 次下穿工程均采取限速措施,具体见下表: 3 号线下穿 1 号线 2 号线下穿 4 号线 2 号线小角度下穿 1 号线 2 号线下穿 1 号线重叠隧道 第一条隧道下穿 20km/h 20km/h 20km/h 20km/h 第二条隧道下穿 50km/h 50km/h 20km/h 正常运营 4 组织管理措施 4.1 严密组织信息化施工管理 施工监测信息中心、第三方监测信息中心、运营安全保障部门和盾构推进指挥中心在一个办公室联动协调,共享信息和测量数据,各部门根据最新信息及时调整工作方案,施工单位及时调整掘进参数。 4.2 下穿前必要的准备工作 ( 1 )地质勘探和环境调查、重大危险源辨识登记和管理预案。 ( 2 )盾构施工方案检查:专项施工方案和专家评审意见、预加固措施的实施、二次注浆方案。 ( 3 )施工准备和实施策划:安全质量技术交底、盾构机和配套设备检修检查、管片和注浆材料验收和运输方案、盾构下穿详细倒霉环的时间策划。 ( 4 )监测方案:施工监测方案和第三方监测方案审查和初始值确认、报警值的确定和报警机制、监测数据的发布及数据对施工方的指导。 4.3 落实到位的运营管理应急预案 ( 1 )地铁运营应急预案:应际组织管理机构、现场值班安排、维修抢险队伍准备、结构修复预案 ( 2 )公交接驳方案:满足疏散客流的公交巴士运力配备、转运线路安排、地铁停运接驳方案。 ( 3 )乘客疏导分流:地铁车站乘客疏导指引标识、地铁停运公开告示。 ( 4 )媒体宣传准备:新闻通稿、交通电台广播、地铁车站广播和告示。 ( 5 )地铁治安管理:安排足够的地铁车站治安管理人员。 4.4 现场指挥体系 成立现场领导小组、专家决策支持小组、协调小组、应急抢险小组。 4.5 严格的值班制度 ( 1 )建设、设计、施工、监理、监测、运营、政府相关职能部门均派人值班,形成协调机制。 ( 2 ) 24 小时值班。 5 典型工程案例 5.1 工程概况 1 平面关系 新建 2 号线燕南 - 大剧院区间下穿既有线 1 号线的科学馆 - 大剧院区间 2 号线斜下穿既有运营中的 1 号线,投影交叉段 74m , 2 空间几何关系 2 号线与 1 号线最小垂直净间距 1.75m 。 穿越剖面图 3 地质条件 (详见下图) 盾构始发井~大剧院站区段下穿地铁 1 号线范围隧道拱顶埋深为 20.2m ~ 23.6m 上部覆土依次为 <1-1> 素填土、 <5-2-3> 中砂、 <5-2-2> 细砂、 <8-4> 砾质粘性土、 <9-1> 全风化花岗岩。 下穿范围隧道洞身处于 <9-1> 全风化花岗岩、 <9-2-1> 强风化花岗岩、 <9-3> 中风化花岗岩均有存在的复合地层中 其中左线上软下硬地层共计 42.8m ,占下穿范围的 60.7% ;右线上软下硬共计地层 34.9m ,占下穿范围的 47.3% 。 5.2 工程难点 1 穿越距离长、间距小 ( 1 )长距离( 74m ),小角度( 23º ) 的下穿掘进,对盾构机设备及盾构操作提出更高的要求 ( 2 )小间距掘进对既有线的扰动风险非常大,若发生意外则是灾难性的 ( 3 )每条线要经历两次穿越,共四次下穿,对变形的叠加效应及盾构掘进模式的转换增加了施工的难度。 2 穿越运营线路保护要求高 在保证既有线不停运的情况下,满足以下位移及变形要求 序号 项目 预警值 报警值 控制值 1 道床平顺度 2.0mm/10m 3.2mm/10m 4.0mm/10m 2 左右轨道差异沉降 2.0mm 3.2mm 4 。 0mm 3 三角坑 2.0mm/18m 3.2mm/18m 4.0mm/18m 4 结构绝对变形量 10mm 16mm 20mm 5 隧道相对变形量 1/5000 1/3125 1/2500 6 隧道结构的裂缝与受损情况监测 设计单位确定 3 地质条件复杂 地质补勘资料显示,盾构通过的地层中, <9-1> 全风化花岗岩、 <9-2-1> 强风化花岗岩、 <9-3> 中风化花岗岩同时存在,属于典型的上软下硬地层: 隧道洞身下部中风化花岗岩强度高( >100MPa )、岩质坚硬、整体性好( RQD 值 60% ~ 80% ),对刀具损伤较严重,推进速度难以达到理想状态; 隧道洞身上部全风化、强风化花岗岩风化程度强烈,腐蚀严重,裂隙发育,且颗粒成分具有“两头大、中间小”的特点,即颗粒成分中,粗颗粒(> 2mm )的组分及颗粒小的组分(< 0.075mm )的含量较多,而介于其中的颗粒成分较少。这种独特的组分特征使其既具有砂土的特性,亦具有粘性土特征,同时也为小颗粒从大颗粒的孔隙中涌出提供可能性,因此当动水压力过大时,容易产生坍塌、流土等渗透变形现象; 岩土分界面存在破碎带,地下水十分丰富且部分承压,盾构掘进过程中容易发生喷涌。 5.3 主要技术措施 (管理措施同前) 1 盾构选型 复合型土压平衡盾构 刀具配置:重型滚刀 + 切刀,保证对中风化地层的破岩能力 最大推力 > 3000T 最大扭矩 > 7000 KN·m ,防止刀盘被困 完善的渣土改良系统:泡沫系统、膨润土系统、加水系统、聚合物系统 2 优化设计线路   经计算分析对比,对线路进行了适当的上调,减少了掘进面内硬岩的比例,降低了在既有线下方造成停机的风险。 3优化施工顺序,降低风险 在施工组织上,先行掘进右线,待右线通过既有线的下穿段危险区之后再施工左线的穿越,减少两条线同时掘进带来的交叉干扰,降低沉降叠加效应对既有隧道结构、周边建构筑及地铁运营的安全风险。 4 信息化施工 采用先进的自动化监测系统: 对既有线采用测量机器人 ( 莱卡全仪与自动监测软件配站套 ) 进行自动监测,可在盾构施工期间实时对各观测点的位移情况进行数据采集,并能不影响既有隧道的运营。 根据监测反馈的数据实时调整盾构施工参数,实现信息化施工 自动化监测测点布置图 5 分区管理 将穿越过程分为三个区段: 试验段 : 盾构机盾构刀盘距既有线 40 环到 10 环,试验段掘进的主要目标是在推进过程中设定多种推进参数、尝试不同推进模式,掌握同类型地层的地质特性、沉降规律。根据实际施工过程中的出土量、地表沉降量、深层土体变化情况等不断对土仓压力、总推力、掘进速度、注浆量及注浆压力、泡沫设置、土体改良剂配比等掘进参数进行调整,总结出合适的推进模式与参数,为正式下穿地铁 1 号线提供经验和依据。 预警区 : 刀盘距既有线 10 环直至刀盘到达既有线边缘,该区域掘进渐渐接近 1 号线,在进入该区段盾构机应逐步调整施工参数,达到穿越区条件。 风险区 : 既有线和盾构机竖直投影有重叠的掘进段,即从刀盘进入一直到盾尾脱出既有线的竖直投影区。该区段为危险区,盾构严格控制既定的施工参数,各类应急措施准备到位。 6 调整盾构施工参数 (1)土仓压力:计算得出理论土仓压力值为 1.5bar ,结合试验段掘进经验,根据信息化施工结果控制土仓压力在 1.6 ~ 2.0bar ,掘进过程中波动 <0.2bar (2)同步注浆控制:注浆量与注浆压力双控。推进过程中通过盾尾同步注浆管向建筑空隙填充砂浆,以减少土体后续位移。同步注浆量宜适量加大至 7 ~ 8m3/ 环,注浆压力应控制在 2.0 ~ 3.0bar ,并保证 4 根注浆管同时工作。 (3)推进速度:掘进过程中,掘进速度应控制在 20 ~ 30mm/min ,并尽量保持稳定,减少对周边土体的扰动影响。推进过程中严禁出现为提高推进速度而随意降低土仓压力的行为。 管片脱出盾尾后,具备作业条件情况下(一般为盾尾后 5-8 环)立即组织二次补浆。 点位在 11 点和 2 点位置。 注浆材料采用水泥水玻璃双液浆。 二次补浆可以填充同步注浆可能残留的空隙,改善管片周围土体形状,减小土体固结变形。 7 二次注浆 5 .4  实际穿越情况 1 穿越历程 燕大右线下穿一号线, 6 月 27 日启动下穿工作, 6 月 30 日刀盘进入风险区, 7 月 23 日进入下穿段危险区, 8 月 7 日刀盘下穿段危险区, 8 月 8 日盾尾脱出下穿段危险区, 8 月 10 日盾尾出线后风险区,总历时 44 天。 燕大左线下穿一号线, 7 月 16 日刀盘进入线前风险区, 8 月 7 日右线刀盘出一号线后左线开始恢复掘进, 8 月 10 日刀盘进入下穿段危险区, 8 月 21 日盾尾出线下危险区,总历时 37 天。 2 刀具及换刀作业 右线出试验段,进入风险段第 1 环,开仓全盘更换刀具。 右线进入既有线两条线中间,开仓全盘更换刀具。 换刀位置 左线进入既有线两条线中间,开仓全盘更换部分刀具。 左线出试验段,进入风险段第 1 环,开仓全盘更换刀具。 5 . 5 施工过程中存在的问题 1掘进速度慢:遇到上软下硬地层下部地层为中风化或者微风化时,掘进效率低,掘进速度仅为 3-5mm/min 。 2刀盘“结泥饼”。 3刀具磨损严重:强度高、石英含量高,造成刀具磨损严重,盾构掘进效率低。 4渣土温度高。 5 . 6 运营隧道最大沉降 第一次下穿时,既有隧道沉降最大值为 7.9mm 。 左右线下穿完毕,既有隧道最大沉降量为 17mm 。 深圳地铁二期工程四次下穿既有线最大沉降值见下表: 3 号线下穿 1 号线 2 号线下穿 4 号线 2 号线小角度下穿 1 号线 2 号线下穿 1 号线重叠隧道 第一条隧道下穿 5.1mm 5.7mm 7.9mm 3.6mm 第二条隧道下穿 12.1mm 14mm 17mm 8mm 6 结语 1 深圳地铁二期工程共 4 处近距离下穿运营地铁线路证明,通过有针对性的技术措施和严密的组织措施,能够成功穿越,运营线路可以保持在安全范围内。 2 包括自动化的、实时的监测手段在内的信息化施工管理体系,对深圳地区近距离下穿工程的成功至关重要。 3 通过盾构掘进参数和工艺控制、时间紧凑的工序安排、更为合理的辅助措施,既有隧道的变形量有可以进一步减小。 4 运营车辆的速度对近距离下穿盾构掘进的影响尚待进一步研究。