盾构穿越苏州运河软土地层施工技术研究Word格式文档下载.docx
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八、研究成果-31-
九、依托技术成果带来的经济和社会效益-32-
十、结论-32-
十一、参考文献-33-
一、立项背景
随着我国轨道交通隧道的大量修建，盾构工法以其安全、快速、可适应复杂地层等优点已经成为隧道施工的主流工法。
盾构技术是集液压、制造、控制、测量技术等多学科交叉为一体的现代掘进技术,所以如何优质、高效的完成盾构法施工已成为当今城市现代化建设的重要课题。
苏州市轨道交通2号线延伸线工程东方大道站～独墅湖南站区间穿越苏州运河，苏州运河河道宽83m，下穿段长280m，隧道最小埋深11.6m。
驳岸基础为整板砼基础，厚度为0.5m，宽为3.7m。
砼基础上为浆砌块石。
主要穿越地层为
2粉土夹粉质粘土层，为典型的全断面软土地层，隧道埋深较浅，含水量高。
盾构姿态较难控制，对河堤沉降要求严格，穿越过程中，易出现涌水喷砂事故。
必须采取针对性的创新技术解决，我公司通过对掘进参数的设计、研究、修正，并结合盾构施工中对地表沉降、姿态控制、掘进参数选择等方面的控制方法进行探索，形成一套先进、成熟的淤泥质粘土、粘性土层盾构施工方案和施工工艺，为盾构在该类土层中施工提供先进的施工经验，确保工期的前提下，降低施工成本，顺利完成本工程提高了集团公司在苏州地区的企业公信力，提高了集团公司在类似地层中的施工技术管理水平，为开拓苏州轨道交通市场提供坚实的技术保障。
二、项目研究预期达到的目标
预期达到目标、成果内容及主要技术指标：
1、预期目标：
通过掘进参数的设计、修正、积累，形成一套完整的盾构穿越河流软土地层中盾构姿态、管片姿态控制及掘进参数。
保证成型隧道上浮控制不大于20mm，沉降控制不大于10mm。
2、成果内容：
形成一套先进、成熟的淤泥质粘土、粘性土层盾构施工方案和施工工艺，为盾构在该类土层中施工提供先进的施工经验，提高企业的竞争力。
培养一批在软弱地层盾构施工方面具有先进生产经验的技术人员和作业工人。
3、主要技术指标：
顺利完成本工程将能够提高集团公司在苏州地区的企业公信力，提高集团公司在类似地层中的施工技术管理水平，为开拓苏州轨道交通市场提供坚实的技术保障。
三、项目研究的主要内容和关键技术
苏州地铁2号线延伸线2标东方大道站～独墅湖南站区间线路始于东方大道站东端，区间最小曲线半径450m，左右线间距为13～16.5m，线路埋深10.8～19.1m，最大纵坡为25‰，最小纵坡为3.5‰。
其间穿越苏州运河，苏州运河河道宽83m，下穿段长280m，隧道最小埋深11.6m。
盾构姿态较难控制，对河堤沉降要求严格，穿越过程中，易出现涌水喷砂事故，施工风险很大，存在水域地段地质的不确定性、水底存在障碍物的可能性、地质探孔或者其他地质扰动可能导致掘进面与水底贯通等，故而本工程施工时须对盾构在长距离穿越苏州运河软土地层掘进施工中各项技术参数进行相应的优化和比选。
本课题研究的主要内容：
①盾构长距离穿越苏州运河软土地层掘进姿态控制技术
②盾构长距离穿越苏州运河软土地层掘进参数设计、修正、比选
③软弱地层中盾构掘进管片姿态控制技术
④软土地层掘进地面沉降控制技术
⑤盾构长距离穿越河流软土地层掘进施工技术
⑥软地层中成型隧道隧底注浆加固施工技术
四、项目研究的总体思路
根据工程施工生产的需要，对盾构掘进各施工工序进行细化，重点把控盾构机及管片姿态控制、掘进参数设计和选取控制、同步注浆控制、河堤及地面沉降分析等重点环节，对施工过程中各项操作要点进行修正、归纳、整理、提炼，对过程中发现的问题及时进行攻关，形成工法原始材料的收集。
在此基础上开展盾构长距离穿越苏州运河软土地层掘进施工工法的科研，对涉及的关键技术进行理论补充，形成系统、科学的工法材料，为今后类似工程的施工提供指导和借鉴。
五、本研究课题采取的方法与具体措施
1、立足于集团公司内部的力量，成立技术专家组和技术攻关组，实行课题组长负责制，积极开展课题攻关活动，定期进行课题汇报及评审工作。
2、聘请有类似工程实践经验的专家进行现场指导或担任技术顾问。
3、优化盾构推进各专项施工方案，对施工方案及施工工艺进行专家评审。
4、组织课题组成员到上海轨道交通、深圳地铁等类似项目参观学习。
5、采取与科研院所联合开发，如苏州大学、同济大学大学、隧道局等有雄厚科研实力和实践经验的单位合作研究。
6、建立课题组成员特别是施工现场成员与作业班组的沟通交流制度，把工艺研究成果转化为便于操作的作业指导书，更好地指导施工生产，并在实施过程中验证、完善研究课题。
六、研究过程及现场实施情况
6.1软弱地层中掘进施工控制要点
盾构在软土地层中掘进时，盾构机姿态控制是施工成败的关键技术。
由于软土地层含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低、灵敏度高和易触变、流变的特性，地层自稳性能极差，该地层盾构施工容易出现盾构机漂浮不定、管片严重下沉（上浮）、渗漏水严重、堤岸和地面沉降、涌水、喷砂，施工风险很大，存在水域地段地质的不确定性、水底存在障碍物的可能性、地质探孔或者其他地质扰动可能导致掘进面与水底贯通等问题，经研究确定，在地质环境不利情况下，必须合理的选取掘进参数，对管片姿态、地面沉降、注浆量以及成型隧道进行合理的控制，才能使盾构在穿越苏州运河软地层掘进施工得到保障，渗漏情况及地面沉降得到控制，从而大大降低工程施工难度，保证成型隧道质量，安全性也得到可靠保障。
同时由于隧道底部注浆加固的保护作用，大大减小了成型隧道和后期沉降，为今后隧道运营打下稳固的基础。
6.1.1地质特性
以苏州地铁2号线东方大道站～独墅湖南站区间为例。
东方大道站～独墅湖南站区间原状土地层岩性如下：
（1）人工填土①层：
层底埋深1.50～2.50m、层底标高1.58～-0.35m、揭示层厚1.50～2.50m；
一般呈灰黄色～灰色或杂色，土质不均、松散、成分复杂，主要以素填土为主，成分主要为粘性土，含植物根茎、有机质和少量碎石等；
局部为杂填土，含碎石、砖块、建筑垃圾等；
（2）淤泥质粘土②Y层：
层底埋深5.00～10.50m、层底标高-2.82～-8.15m、揭示层厚3.00～8.30m；
灰色，尚均匀，含有机质，局部夹薄层粉土；
流塑为主，偶呈软塑，有光泽，无摇振反应，干强度高，韧性高，平均压缩系数a0.1-0.2为1.01MPa-1，压缩性高。
；
（3）粉质粘土③2层：
层底埋深10.60～14.50m、层底标高-7.99～-11.75m、揭示层厚1.80～6.40m；
草黄～灰黄色，偶为暗绿色或褐灰色，尚均匀，含铁锰质结核和灰色条纹，夹有薄层粉土或粘土，局部较多；
可塑为主，偶为软塑，稍有光泽，无摇振反应，干强度中等，韧性中等，平均压缩系数a0.1-0.2为0.30MPa-1，压缩性中等；
（4）粉质粘土④1层：
层底埋深12.80～15.00m、层底标高-9.87～-12.13m、揭示层厚0.90～3.00m；
灰色，欠均匀，含云母，夹薄层粉土，局部较多，偶为粘土；
软塑为主，偶呈可塑或流塑，稍有光泽，无摇振反应，干强度中等，韧性中等，平均压缩系数a0.1-0.2为0.34MPa-1，压缩性中等；
（5）粉土夹粉质粘土④2层：
层底埋深20.50～22.70m、层底标高-17.68～-19.95m、揭示层厚6.30～10.60m；
灰色，欠均匀，含云母碎屑，夹层状粘性土，局部夹粉砂；
饱和，平均孔隙比为0.821，平均实测标贯击数为12.7击，稍密～中密，无光泽，摇振反应中等，干强度低，韧性低，平均压缩系数a0.1-0.2为0.22MPa-1，压缩性中等；
（6）粉质粘土⑤1层：
层底埋深28.50～31.10m、层底标高-26.09～-28.45m、揭示层厚6.70～10.00m；
灰色，欠均匀，夹薄层粉土、粉砂，局部较多，含云母、有机质，偶呈粘土；
软～流塑，偶呈可塑，稍有光泽，无摇振反应，干强度中等，韧性中等，平均压缩系数a0.1-0.2为0.40MPa-1，压缩性中等。
6.2实施的重难点及技术保障措施
6.2.1地表、隧道沉降控制
本区间盾构穿越苏州运河软土地层施工期间经过项目部采取各类技术措施，精心组织施工，区间地表、河堤、隧道沉降控制效果较为良好，施工期间项目部主要采取以下措施：
⑴在盾构正常施工前，精心组织人员对机械和施工现场进行全面检查，对潜在风险源进行分析并制定出相应对策，根据地面隆沉及地质情况，确定调整好盾构推进速度、刀盘转速、土仓压力、出土量、同步注浆量等施工参数。
⑵根据盾构机埋深、所在位置的土层状况、前期隧道施工情况以及监测数据，动态调整土压力及出土量。
⑶严格控制盾构施工轴线，对盾构姿态调整遵循少纠偏勤纠偏的原则，严禁猛纠偏，以降低土层的损失和对周围土体的扰动，避免盾构姿态恶化。
⑷盾构穿越河底时，由于地层含水量高，水压力高，注浆时必须遵循“同步注入，快速凝结，信息反馈，适当补充”的原则注浆。
严格控制同步注浆量和浆液质量，通过同步注浆及时填充盾尾管片与土体间的建筑空隙，减少施工过程中土体变形。
同步注浆施工严格控制注浆压力，尽量做到填充而不是劈裂。
注浆压力过大，管片外的土层将被浆液扰动而造成较大的沉降，易造成跑浆；
注浆压力过小，填充速度慢。
填充不足，也会使变形过大，为确保地面不出现隆起，同步注浆压力定为0.27MPa。
⑸严格控制管片拼装质量。
管片的拼装从隧道底部开始，先安装标准块，依次安装相邻块，最后安装封顶块。
安装封顶块时先径向搭接约2/3管片宽度，调整位置后缓慢纵向向顶推。
管片安装到位后，及时伸出相应位置的推进油缸顶紧管片，安装好螺栓并拧紧，然后移开管片安装机。
安装封顶块前，在K块两侧涂刷肥皂水或少量黄油，产生润滑作用，方便K块顺利安装，防止K块外弧面产生破碎，减少对遇水膨胀橡胶止水条的挤压和摩擦。
管片每安装一片，先人工初步紧固连接螺栓；
安装完一环后，用风动扳手对所有管片螺栓进行紧固；
管片脱出盾尾后，用风动扳手进行重复紧固。
当管片到达6号台车位置，用风动扳手再次进行复紧。
在盾构推进结束后回缩的千斤顶应尽可能的少，以满足管片拼装即可，以减少千斤顶回缩造成盾构机的后退，从而造成对土体的扰动。
拼装后及时调整千斤顶的顶力，防止盾构姿态发生突变。
⑹在推进过程中，为防止盾构掘进时，地下水及同步注浆浆液从盾尾窜入隧道，在距盾尾7环处进行管片壁后二次双液注浆，以截断盾构机后部的水源，使此后的整条隧道形成有效的止水帷幕，防止盾构掘进过程中，出现从盾尾后面或螺旋机出土口的漏水、漏砂现象。
⑺及时进行二次补浆，控制后期沉降。
在盾构穿越后，根据监测情况，及时对隧道周围土体进行跟踪注浆。
⑻对软土中成型的隧道及时进行隧底注浆加固，使其稳固，从而起到保护成型隧道和后期列车运营安全的目的。
6.2.2有害气体监测
根据本区间地质勘察报告显示，区间部分地层存在浅层天然气，为确保盾构施工作业人员安全，主要采取以下措施：
①在盾构机螺旋出土口前闸门处，加装固定式有害气体检测仪，一旦出现有害气体超标立即报警提醒作业人员采取相应措施。
②专职安全员定期使用手持式气体检测器对盾构施工各作业面进行巡查，保证各作业面有害气体不对人体造成损害。
③在盾构机操作时，放置了防毒面罩、便携式氧气瓶，一旦出现应急情况，施工人员可立即使用脱离险境。
④每条隧道均加装了通风设备，确保作业面人均新鲜空气达到规范要求。
⑤盾构施工前，对所有作业人员均进行安全教育，主要对作业期间应急情况的处理及相关的安全施工注意事项，并且严禁在隧道内吸烟，导致次生事故的发生。
6.3掘进施工技术措施
区间隧道采用土压平衡盾构掘进，土压平衡是利用盾构机切削的泥土充满密封仓并保持适当的土压力来平衡开挖面的土体，从而达到对盾构机前方开挖面进行支护的目的。
平衡压力的设定是土压平衡盾构施工的关键，维持和调整设定的压力值又是盾构推进操作的重要环节，其中包括推力、推进速度和出土量三者的相互关系，对盾构施工轴线和地层变形量的控制起主导作用。
因此，盾构推进过程中，要根据不同地质、覆土厚度、地面建筑情况并结合地表隆陷监测结果及时调整设定土仓压力，推进速度要保持相对平稳，控制好每次的纠偏量，减少对土体的扰动，为管片拼装创造良好的条件。
同步注浆量要根据推进速度、出土量和地表监测数据及时调整，将施工轴线与设计轴线的偏差及地层变形控制在允许的范围内。
P～盾构掘进过程中，实际出土量与理论出土量是有一定差距的，同时地表隆沉也能客观的反应掘进过程中参数控制是否恰到好处。
地表隆沉与土压力、掘进速度、千斤顶推力、出土量等均有关系。
地表隆起时应该及时减小土仓压力、减缓掘进速度、减小千斤顶推力、加快出土速度；
与此相反的是，当地表沉降时，应该及时增大土仓压力、增加千斤顶推力，减慢出土速度。
掘进过程中要灵活运用已掌握的知识，同时要对盾构机及地层特性有足够的认识，以便正确的指导现场施工。
2、掘进参数
盾构机过河段，为减小对周围土层的的扰动，推进速度的设定应综合考虑，在保证同步注浆质量所需的时间因素等因素的基础上保持快速均匀推进，掘进速度主要控制在35～65mm/min范围内，刀盘扭矩主要控制在1200kN•m～2000kN•m范围内，总推力主要控制在11000KN～14000kN范围内，以保证盾构机安全迅速过河为目的，减少盾构机在软土地层及河床下的停机风险。
3、管片拼装
管片采用错缝拼装。
纵、环向螺栓连接采用M30弯螺栓，每环纵向16根，环向12根，计28根/环。
拼装要点如下：
①管片采用错缝拼装，由下而上，拼装时先拼装底部标准快，然后按左右对称顺序逐块拼装两侧的标准块和邻接块，最后拼装封顶块。
②管片拼装精度和允许偏差
③管片采用M30弯螺栓，每环纵向16根，环向12根，计28根/环。
④并且直径偏差应小于12mm。
④在管片拼装之前要清除盾尾拼装部位的碴土等异物，并检查管片的型号、外观以及密封材料的粘贴情况，若型号与管片运送指令不符应立即更换，有轻微损坏必须修复达到相关规范要求后才可拼装。
4、注浆管理
根据盾构机所穿越地层的特点，为能尽早充填盾尾建筑空隙及时支撑管片周围土体，防止地层产生过大变形而危及周围环境安全，采用盾构边掘进边注浆方式，通过盾构机自设的同步注浆系统及管片预留注浆孔，注浆在盾构尾建筑空隙形成的同时进行。
盾构与衬砌的理论建筑空隙为/环，中铁装备盾构机刀盘直径较大，因此注浆量增大：
。
（1）注浆方式和特点
本标段区间隧道穿越及施工影响范围内地层的地质主要为粉土夹粉质粘土层。
地层自稳能力差，盾构掘进后受扰动的土体不能自稳，易产生坍塌变形，从而引起地表沉降，采用同步注浆及时回填，必要时再以二次补强注浆进一步填充，确保对盾尾建筑空隙填充密实。
由于从盾尾圆周上的四个点同时注浆，考虑到水土压力的差别和防止管片大幅度下沉和浮起的需要，各点的注浆压力不同，并保持合适的压差，以达到最佳效果。
在最初的压力设定时，下部每孔的压力比上部每孔的压力略大0.02～0.05MPa。
同步注浆能使盾尾建筑空隙得到及时填充，地层变形及地表沉降得到控制，在浆液凝固后，强度得到提高，但可能有局部不够均匀或因浆液固结收缩产生空隙。
且为防止管片渗漏水、隧道沉降、地面沉降，对其进行二次补浆；
注入位置满足距盾尾大于10m,以防止地层中的泥水和衬砌外围的浆液从盾尾间隙挤入盾尾，损坏盾尾钢丝刷，尤其是穿越浅覆土河床地段，二次注浆尤为重要。
（2）注浆压力和数量：
同步注浆时要求在地层中的浆液压力大于该点的静止水压力及土压力之和，做到尽量填补同时又不产生劈裂。
最初的注浆压力是根据理论的静止水土压力确定的，在实际掘进中不断优化。
如果注浆压力过小，则浆液填充速度赶不上空隙形成速度，又会引起地面沉陷。
如果注浆压力过大，会导致地面隆起、管片变形和盾尾漏浆等。
注浆压力过大，管片周围土层将会被浆液扰动而造成后期地层沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑浆；
因此本标段经计算并结合现场施工经验确定同步注浆压力为0.25～0.35MPa，二次注浆压力为0.3～0.4MPa。
（3）浆液材料、浆液配比及性能指标
为保证盾构机安全迅速穿越苏州运河，防止注浆管堵塞造成注浆不及时，河床沉降，因此在穿越过程中要加强对同步注浆原材料的控制，保证原材料性能达标。
注浆浆液要流动性好，便于盾构掘进过程中持续不停的注浆，二次注浆材料要可注性强，能补充同步注浆的缺陷，对同步注浆起充填和补充作用。
同步注浆在起到稳固管片的同时，更多的是在起密封防水的作用，因此，为了加快同步浆液在河底软土层中的初凝速度，保证盾构成功穿越苏州运河软土地层，我们通过不断实验和现场实践，在原来配合比的基础上适当改变了同步注浆配合比，在浆液中添加了PO42.5水泥，提高了膨润土的含量，使成型隧道防水效果更进一步。
同步注浆、二次注浆初步采用的注浆材料及配比、性能指标见表配比和性能指标表所示。
同步注浆、二次注浆穿越苏州运河采用的注浆材料及配比、性能指标见表所示：
调整配合比以后，由于同步浆液的初凝时间大幅提高，使得在盾构掘进中周围土体能迅速得到稳固，减少了成型隧道管片的浮动。
同时水泥具有较好的防水效果，成型隧道基本没有渗漏点。
这两者的变化说明了同步注浆配合比的调整是准确有效的，适当的提高水泥和膨润土比例能够有效的控制成型管片姿态和防水效果。
5、施工测量控制
盾构穿越苏州运河期间，除日常的洞内管片收敛与隧道沉降监测外，要重点监测施工影响范围的河堤、河床沉降情况。
按照规范和设计要求，隧道隆陷监测点每5-10m设置一断面。
现场在盾构始发段及接收段各100m范围内，每5m设置一断面，其余正常地段每10m设置一断面，在盾构穿越运河特殊地段也是每5m设置一断面。
隧道隆沉监测点布置图见图6.3-1所示。
盾构到达前，在对应隧道轴线位置布设好苏州运河两岸河堤的监测点，并做好初始值的采集。
同时，在河堤周边布设测量控制点，包括至少2个平面导线点、1个水准点，用以准确定位盾构机所在位置，便于应急处理。
沉降观测点沿河堤进行布设，点横向（沿河堤方向）间距3m。
河堤宽50cm，监测点布设至河堤中部（宽度方向居中）。
对河堤的沉降监测，测点采用钻孔形式穿透河堤表面的浆砌片石，并用直径20mm的螺纹钢钉入，螺纹长度1m，外露0.1m，具体点位布置见图6.3-2、图6.3-3所示。
对于河堤外侧泥土地面，埋设地表沉降观测点。
为保证监测效果良好，在沿隧道中轴线每6m设一纵向沉降观测点的基础上，两侧各3m各布设一沉降观测点。
6.4技术参数的分析、确定
1、盾构掘进初始参数确定
通过理论计算结合盾构穿越苏州运河软土层段前期的盾构掘进施工经验，我们拟定了如下的盾构穿越苏州运河初始掘进参数见下表。
表6.4-5盾构穿越苏州运河理论掘进参数表
序号
掘进参数
参数值
备注
1
掘进速度
35～65mm/min
2
刀盘转速
0.8r/min
3
刀盘扭矩
1200～1800KN.m
4
总推力
12000～14000KN
5
土仓压力
0.21～0.24Mpa
6
注浆压力
0.27～0.32Mpa
7
同步注浆量
6.0～6.4m3
8
出土量
39.3～40.5m³
2、掘进参数对比分析
盾构掘进参数的确定是通过掘进实践验证其合理性，由理论计算后再通过实践根据监测反馈进行修正。
因此，我们选择了具有代表性的地段来计算掘进参数，选择了盾构掘进在700~740环时掘进参数进行比对分析。
盾构穿越苏州运河软土地层段推进主要涉及到的参数有：
土仓压力、盾构机总推力、推进速度、刀盘扭矩，刀盘转速、螺旋输送机扭矩、转速、出土闸门开度，同步注浆压力、注浆量，盾尾油脂注入压力、注入量，加泥、加泡沫注入系统的注入压力、注入量等。
但其中影响配施工安全较大的主要参数是掘进速度、刀盘转速、土仓压力、同步注浆压力、同步注浆量以及出土量等，根据盾构机控制系统数据表，并绘制相应曲线图，对该段数据进行比对，进行盾构穿越苏州运河软土地层段掘进参数分析。
盾构施工过程中，施工参数必须根据地层变化、盾构隧道埋深等各类条件的变化进行动态调整，但本区段的各类土层力学参数基本类似，盾构埋深变化较小，盾构参数变化具有一定的规律性，根据掘进参数统计结果分析：
区间上覆地层主要是④2粉土夹粉质粘土层、
1粉质粘土层，该类土层含水量高、土体触变性大、自稳性能较差，盾构推进过程中出土较为流畅，但掘进过程中容易对周边土体造成较大扰动造成后期隧道沉降变化量较大，本区间左线盾构配置为中铁装备土压平衡式盾构机，掘进参数主要是平均推进速度为55mm/min，平均推力为12800KN，刀盘平均扭矩为1500KN.m,土压力平均为0.22Mpa，注浆压力0.27MPa，注浆量6.0～6.4m³
，出土量平均为40m³
从施工过程中的沉降监测和盾构机及管片的姿态监测情况看，在盾构长距离穿越苏州运河软土地层过程中，掘进参数控制基本适当，注浆压力和注浆量合适，掘进速度较快连续性较好，因此，在类似条件中施工盾构掘进保持上述平均参数推进是可以值得借鉴和参考的。
6.5成型隧道隧底注浆加固施工技术
根据现场实际出土特征，土质流塑性强，含水量高，具有触变特性，疑与勘察地质不符。
结合我公司在昆明、武汉地区的施工经验，此类地层中成型管片处于悬浮状态，尤其在后期地铁运营列车动载作用下，存在因管片沉降导致道床板损坏的风险。
因此，在该段地层范围隧道下部实施径向注浆，使其稳定，从而起到保护成型隧道稳定和后期列车运营安全的目的。
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