2010 成都地铁某标段盾构施工风险分析与对策

期刊目录网项目管理论文发表2011-03-11 09:31关注(1)

　　1.工程概况

　　成都地铁2号线某标段工程由1个始发工作井和2个盾构区间组成，主要附属工程包括8个洞门、3个联络通道（不含污水泵房）、盾构机两次过站。区间隧道起于经干院西端头，止于东洪路站南端头。线路出经干院站后以500m的曲线进入老成渝路，沿老成渝路向西北行进一段，期间经过1000m和1500m的两个短曲线，以直线进入东部副中心站；线路从东部副中心站出来后沿老成渝路继续向西北行进一段后，经过400m和500m的两个曲线段后，沿东洪路进入东洪路站南端头，盾构始发场地位于经干院站，工程交通条件便利；盾构吊出位于东洪路站内。区间隧道纵坡坡度2～28‰。隧道顶部埋深为9.8～25m，最小平面曲线半径400m。

　　1.2.工程地质与水文地质

　　1.2.1工程地质

　　（1）沿线地层条件

　　①洞身地层分布统计

　　本标段盾构隧道穿越的地层分布统计见表1-3，比例图见图1-2和图1-3。

　　表1-3隧道洞身地层分布统计表

　　

　　②洞身地层强度分析

　　根据洞身地层统计，本区间主要穿越地层为（10％以上）：<5-3>中风化泥岩、<4-7-2>含粘土卵石和<4-2>粘土，另有少量<5-1>全风化泥岩、<5-2>强风化泥岩；其中<4-7-2>含粘土卵石、<5-1>全风化泥岩为Ⅲ级硬土，<4-2>粘土为Ⅱ级普通土，和<5-2>强风化泥岩为Ⅳ级软石，岩层强度不大，容易形成泥饼；但必须充分注意，<4-7-1>含卵石粘土（3.21％）和<4-7-2>含粘土卵石（16.71％）中可能存在漂石，要求刀盘具有较大的开口率，刀具材质韧性必须满足要求，在遇到硬的卵石时可以经受撞击而不崩齿，同时要求耐磨性较强，可以满足长距离施工的要求。

　　（2）不良地层及特殊岩土

　　盾构隧道区间内无不良地质作用，穿越的特殊岩土为人工填土、膨胀土、膨胀岩和风化岩、大粒径漂石、卵石及有害气体等。

　　①人工填土

　　区间隧道人工填筑土主要为杂填土，以卵石土和碎石土为主，充填大量建筑垃圾和生活垃圾，一般未经压实。

　　②膨胀土、膨胀岩和风化岩

　　区间内<4-2>粘土层、<4-7-1>含卵石粘土层均为膨胀土，具有遇水软化、膨胀、崩解，失水开裂、收缩的特点。

　　③大粒径漂石、卵石

　　大粒径漂石、卵石均分布在<4-7-2>含粘土卵石层中。从钻孔中取样可见到少量粒径达140mm左右的卵石岩芯，在盾构隧道施工过程中需要针对大粒径漂石、卵石采取有效的应对措施。

　　④有害气体

　　由于沿线污水管密布，填土中有较多垃圾，遗漏和产生的污水渗入地下，形成有害气体，危及基坑施工。成都市政的污水井、阀门井、供水井施工中，已多次由于类似原因而出现伤亡事故。

　　1.2.2水文地质

　　根据成都区域水文地质资料及地下水的赋存条件，地下水主要有四种类型：一是赋存于粘土层之上的上层滞水，二是赋存于粘土中的裂隙水，三是第四系松散土层（含粘土卵石）的孔隙水，四是基岩裂隙水（基岩溶孔溶隙裂隙水）。其中，第四系孔隙水，主要赋存于含粘土卵石层中，具中等渗透性，地下水水量丰富，是段内地下水的主要存在形式。其水量、水位不稳定，大气降水和区域地表水为其主要补给源。含粘土卵石层为主要含水层，对工程施工存在一定的影响。

　　

　　2.施工风险分析及对策

　　

　　2.1地面沉降过大，导致管线破坏和房屋倒塌

　　2.1.1风险分析：

　　经干院站~东部副中心站区间主要沿城市道路行进，上方地层中存在大量地下管线，如果地面沉降过大，将有可能导致沿线管路破裂或损坏。而且道路上有行人和车辆，一旦造成道路沉陷、坍塌，将可能造成重大人员伤亡或财产损失。

　　2.1.2主要对策：

　　根据盾构施工工艺，有可能造成地层沉降（或地面坍塌）的主要因素有两个方面，在施工中需根据实际情况，进行预防和控制：

　　（1）超挖

　　由于在非满仓条件下盾构机具有较高的效率，因此土压平衡盾构通常在非满仓条件下掘进，当上部或前方土层不稳定时易坍塌进入土仓，从而引起地表沉降。这种情况表现为超挖，即单位进尺出土量偏大，实际出土量超过理论计算量。

　　应对措施：

　　①综合考虑各地层松散系数和地下水等因素，事先计算出每一环理论出土量。掘进时，派专人按环做好实际出土量统计，并与理论值对比。

　　②当地面出土量超过理论值5%时，应分析洞外、洞内监测数据，并通过分析土样，判断围岩变化，反演地层特性。如果推断确实属超挖，应调节螺旋输送机出土速度，增加土仓土体的含量。为保护上部建筑物或管线，必要时须满仓掘进或加气压非满仓掘进。

　　③根据统计超挖位置和超挖量，通过盾尾注浆及时将超挖量回补，必要时在超挖部位进行二次注浆或采用双液浆补注。盾尾注浆孔口的注浆压力应大于隧道埋深处的水土压力。

　　（2）注浆量不足

　　管片脱出盾尾后，管片与地层间存在一环形建筑空间，在软岩地层中，如果不及时进行同步注浆填充环形建筑空间，或者注浆量无法完全填充拱顶围岩极也有可能产生变形引起地表过量沉降。

　　应对措施：

　　①采用两套注浆系统（同步注浆和二次补浆系统），确保注浆量满足要求。

　　②根据理论计算，管片和围岩间的施工空隙体积为4.05m3，根据以往施工经验，要达到较好的填充效果，粘土和泥岩地层中注浆量控在130～150%，含粘土卵石层至少应保证注浆量在150%以上，即每环注浆量6.3m3以上。

　　③注浆量还应结合注浆压力进行控制，注浆压力一般控制在外界水土压力+60～80kPa之间，若压力明显增大，则暂时停止注浆，以免注浆压力击穿地层或破坏管片。

　　

　　2.2含粘土卵石层和含卵石粘土层对盾构机的磨损

　　2.2.1风险分析

　　由于盾构区间线路有<4-7-1>含卵石粘土和<4-7-2>含粘土卵石地层，占约该区间隧道土层的31%。根据详勘报告，<4-7-1>含卵石粘土呈黄、黄红色，硬塑，局部可塑。含铁、锰质氧化物结核，含20%～40%的弱～强风化卵石及岩屑，卵石粒径20～50mm为主。<4-7-2>含粘土卵石呈褐黄、黄色、红黄色，稍密，饱和。卵石成分主要为岩浆岩、变质岩、砂岩等硬质岩组成。磨圆度较好，呈圆形～亚圆形，分选性差、大部分卵石呈弱～强风化，手可捏碎。卵石含量65～75%，粒径以20～80mm为主。充填物主要为粘性土及圆砾，含量约20～40％。又根据东部副中心站围护桩开挖情况了解，卵石粒径最大可达400mm。

　　而盾构机须在含高强度卵石、大粒径漂石地层中长距离掘进，刀盘、刀具和螺旋输送机磨损都会较严重，因此盾构掘进施工过程中如何避免盾构机关键部位的严重磨损，是本工程的重点和难点。

　　

　　

　　

　　

2.2.2主要对策：

　　①改造刀盘

　　（1）在刀盘前方注入泡沫，对刀盘、刀具与碴土之间全方位的润滑作用（泡沫经充分膨胀后扩散到整个面板），同时在土仓内添加适量水，全面改善碴土和易性（形成土、石、水的混合体），降低碴土粘性，形成不透水塑流性的碴土从而建立良好的土压平衡，从而减低各部位磨损及提高掘进效率。

　　（2）加大刀盘开口率至35％，选用镶嵌合金块的宽刃滚刀和重型齿刀，其中中心为双刃滚刀，周边为单刃滚刀；大部分碴土无须破碎即可进仓，实践证明能有效降低无功消耗，提高掘进效率。

　　（3）推进时采用土压平衡模式掘进，推进速度正常值控制在20～30mm/min，刀盘扭矩正常值2500KN.m左右，推力正常值10000～13000KN左右，主要结合推进速度和扭矩进行调整，刀盘转速正常值1.2～1.8rpm，须经常转换旋转方向。螺旋输送机转速，主要保持出土量与推进速度一致。通过严格控制盾构土仓压力、推进速度、推力和刀盘扭矩等参数，既可保持开挖面的平衡和稳定，又有利于保护刀具、降低磨损。

　　（4）加强盾构关键部位的耐磨性：加强刀盘的整体耐磨性，在刀盘面加焊耐磨块，重点加强1.5m半径外的部分和进碴口，刀盘轮缘加焊镶嵌硬质合金的耐磨块；加强螺旋输送机的耐磨性，螺旋输送机壳体及叶片全部采用耐磨措施；单独设计刀具，增强刀具母材及表面的耐磨性，刀圈镶嵌合金块。

　　（5）进行有计划的刀具检查、更换，根据地铁的施工经验，及时根据掘进参数的变化判断刀具的磨损量和适应性。刀具的检查、更换主要通过带压开仓作业。

　　（6）在盾构施工加强对排出碴土和盾构相关操作参数的分析，判断刀盘、刀具、螺旋机等的磨损程度，指导施工。

　　

　　2.3刀盘泥饼处理

　　2.3.1风险分析

　　盾构隧道经过地段主要为泥岩、含粘土卵石层和含粘土卵石层，渗透系数都不大，泥质含量较高，遇水软化，极易发生“泥饼”现象。

　　“泥饼”形成后，刀盘主轴旋转处被土粘牢，土仓及刀盘正反面泥土板结，推力变大，刀盘扭矩过大或过小，就会造成掘进困难。一旦形成泥饼，将极大的影响盾构机正常作业。如何防止泥饼的形成以及泥饼形成后如何处理是本工程的重中之重。

　　2.3.2主要对策

　　为避免泥饼的出现，采取如下措施：

　　（1）刀盘设计和刀具配置充分考虑预防泥饼问题，适量加大刀盘开口率，减少刀盘接触面积；

　　（2）要求盾构机必须具备对刀盘和土仓有高压水（能添加粘土分散剂）清洗的功能，同时具备通过人闸系统进入土仓人工清理泥饼的功能；

　　（3）通过注入泡沫对土壤进行调节，经过泡沫调节的土壤降低了对盾构机的附着性，同时具有良好的流动性和弹性，便于螺旋出土器排出；

　　（4）通过土舱喷水提高粘土的流动性和出土效率，并防止土仓高温高热，有效防止泥饼形成。

　　（5）根据地质情况，采用合适的掘进速度和刀盘转速。

　　（6）增加主动和被动搅拌棒，充分搅拌渣土，提高其和易性和流动性。

　　（7）长期停机时，宜用泥浆代替部分土体充填密封土舱。

　　2.4带压开仓作业

　　2.4.1风险分析

　　

　　本标段盾构隧道穿越的地层主要为：<5-3>中风化泥岩、<4-7-2>含粘土卵石和<4-2>粘土，根据以往施工经验，在这种地层中，盾构机掘进刀具磨损较快，并且很容易结泥饼，须经常进仓更换刀具或清除泥饼。但由于隧道上部土层普遍自稳性较差，常压下开仓存在坍塌的风险，为了确保进仓作业人员的安全，必须采用带压开仓。气压法进舱作业具有较高的风险，如何保证带压进舱作业的安全也本工程重点之一。

　　2.4.2主要对策

　　带压开仓作业是一项施工风险大、技术要求非常严格的技术，有带压开仓成熟经验的承包商方可进行带压开仓作业，具体措施如下：

　　（1）盾构机配置了完整的气压系统，如双仓式气压人闸，足够气源的电动空压机，呼吸气过滤系统以及相关的各种仪表盘等。

　　（2）先将待作业人员进行体检，然后组织体检合格人员进行带压作业的操作培训和加减压体验；并培训配置气压操仓人员。带压作业的人员培训分为理论知识培训、操作技能培训、心理培训。

　　（3）施工前制定严格的带压开仓作业施工方案，并根据可能出现的情况制定有针对性的应急预案。严格执行开仓作业的审查程序，并报驻地监理同意后方可开仓，主要负责人须跟班作业。

　　（4）盾构到达前，须严格控制土压平衡推进参数，以最大减少对前方、上方土体扰动。

　　（5）掘进的最后阶段，在刀盘面采用膨润土浆液代替泡沫，以保证在刀盘前方形成一道封闭气体的泥膜，如图12-1所示。

　　（6）为了防止盾尾可能大量漏气而造成突然泄压的情况，采取在盾体顶部注浆孔向盾体与围岩空隙中注入聚胺脂的措施，隔断土仓与盾尾通道。

　　（7）加压过程中须严格检查程序：掘进到位后分阶段排出土仓内的碴土，并同步压缩空气代替碴土。等待30分钟并观察土仓能否保压（这个时间的长短取决于压力降低的速率，一般为0.1bar/30min），合格后可排人员进仓观察，观察掌子面的稳定情况、地下水位或渗水状况等。

　　（8）严格按国家规范规定的加减压要求和程序进行作业，作业时间和加减压时间要严格控制。作业班组为4人，3人作业、1人观察及内外通讯联系。所有人员、材料、工具进出仓须严格登记。

　　（9）作业完成后，作业人员要将土舱内所有的工具拿出仓外，机电技术人员要对所有的刀具安装质量进行检查，确认无误后关闭土舱门恢复推进。恢复掘进阶段，在土仓内回填泥浆或保持气压，保持较高掘进速度，直到土仓满为止。

　　（10）做好加减压、仓内作业及环境的应急措施，各种应急设备、物质到位。

　　

　　2.5联络通道施工

　　2.5.1风险分析

　　本标段区间设置3座联络通道，其中【东部副中心站~经干院站区间】设置两座联络通道。【东洪路站～东部副中心站区间】设置一座联络通道。3＃联络通道所在地层主要为<5-3>中风化泥岩，自然稳定性较好，而1#联络通道所在地层为<4-7-2>含粘土卵石和<5-1>全风化泥岩，上覆地层为<4-7-2>含粘土卵石、2＃联络通道所在地层主要为<4-2>粘土、<4-7-2>含粘土卵石，上覆地层为<4-2>粘土，自然稳定性较差。采用矿山法开挖，掌子面或上部土层易坍塌，从而导致地面塌陷。联络通道主要位于城市道路下方，对地表变形有较严格的要求，大大增加了其施工困难，因此确保联络通道的安全施工是重点之一。

　　2.5.2主要对策

　　主要对策如下：

　　（1）提前实施地面降水，疏干地下水及增加土层稳定性。

　　（2）管片开口之前，对旁边的管片实施加固，保证隧道结构的稳定。

　　（3）管片开口之前，沿通道开挖外周施做密排的超前支护措施。

　　（4）开挖阶段，加强超前支护，开挖进尺控制在0.5m，掌子面形成斜坡，及时架设钢架和挂网喷砼，并对掌子面喷砼护面封闭。如地面降水无法全部疏干地下水，在底板适当位置设置集水坑抽水。

　　（5）待联络通道开挖完毕后，及时施做二次衬砌。

　　（6）施工期间做好隧道、通道及地面监控量测。

　　

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