粘土地层中泥水盾构掘进施工方法.docx
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粘土地层中泥水盾构掘进施工方法
庆春路过江隧道粘土地层中泥水盾构掘进施工方法预案
一、工程概况
1.工程位置和环境
庆春路过江隧道是杭州市实现西湖杭州到钱塘江杭州跨越发展的重要组成部分,是杭州市重点建设工程。
隧道工程起点自杭州市江干区庆春东路一新塘路交叉口,向东略偏南直至江边,过江后继续沿线路方向(从规划休闲广场下穿过)接江南萧山侧市心路,主线于滨江一路交叉口北侧(K3+440)预留与钱塘江世纪城综合地下空间开发系统的接口。
本工程东线隧道长3025m,西线隧道长3022m;盾构隧道总长3532.64单线米,其中东线长为1765.72m,西线长1766.92m,而钱塘江底段约1241m,其地理位置见图1-1。
图1-1杭州庆春路隧道工程地理位置图
2工程地质与水文地质
2.1地形、地貌
隧道工程区位于低山丘陵与平原交接处,隧道区江面宽约1300m,两岸地形平坦,地面高程为6~8m,河床高程为-2.1~0.8m。
隧道穿越段所处钱塘江河口上段,系七甲微湾与七格弯道的过渡段,受上、下游弯道影响,在迳流、潮汐反复交替作用下,河床冲刷剧烈,河床主槽摆动频繁且摆幅较大。
富春江路至之江路段现为荒地,有水塘分布,因之江路管廊基坑开挖,有大量土方堆筑于江北工作井南侧。
南岸现多为渔塘和苗木,有零星民居分布。
因近年人工围垦作用,北岸已于1998年建成100年一遇标准海塘,堤顶高程为11m左右;南岸于2002年建成50年一遇标准海塘,防洪堤挡浪墙顶高程为11.17m。
施工环境条件相对较好。
隧道沿线场地新构造运动表现出大面积间歇性升降,但无明显的升降差异运动,构造活动微弱,区域稳定性良好,近场区范围内存在发生6级地震活动的背景。
2.2地基土的物理力学性质
上述各土层物理性质指标参数一览表参数见表1-1。
2.3隧道穿越地层评价和比例
根据详勘报告及设计文件,②、③层为粉土,透水性好,主要为潜水含水层,有明显的触变性和流动性,在水动力条件下易产生管涌、流砂。
④、⑤、⑥层为粘性土层,其中④为软性粘土,高压缩性、低承载力、高灵敏性、高触变性特点,工程性质较差。
⑤、⑥层为硬性粘土,利于掘进;⑦层为砂性土,⑧圆砾卵石层为碎石层,该组合属承压水层,水压高,水量充沛,有明显的漏浆和塌孔现象,掘进中易引起涌水坍塌。
④、⑤、⑥、⑦、⑧层,其力学性质差异较大,掘进时所受力不均匀,防止盾构机偏离设计轴线;同时,注意后期不均匀沉降问题。
反应无,切面稍有光滑,干强度及韧性高~中等。
本层中部个别孔颜色呈灰白色和浅灰色,为软~可塑状。
本层沿线普遍分布。
江北段主要开挖层为②、③层粉土、粉砂,总体上空间分布稳定,呈舒缓波状起伏。
江南段主要开挖层为②、③层粉土、粉砂,总体上空间分布稳定,下部存在过度③4层,工程性质较差。
盾构穿越江底段的上覆有②-2粉土夹淤泥质土、③-3粉砂夹粉土、④淤泥质粉质粘土、⑤-1粉质粘土等地层,洞身穿越地层主要包括⑤-2粉质粘土、⑥-1粘土、⑥-2粉质粘土、⑦-2粉细砂、⑧-1圆砾等。
盾构在穿越钱塘江时隧道最小覆土14.1m,覆土厚度大于1D,最大覆土厚度24m。
根据盾构段隧道底板标高,东线隧道在LK1+850~LK2+925、西线隧道在RK1+875~RK2+925段,洞身下部穿越⑦-2粉细砂,粉细砂层最厚约2.4m;同时,在里程约L(R)K2+025~L(R)K2+800段,⑧-1圆砾地层侵入东西线隧道底部。
圆砾最大粒径不大于400mm,空间上具上细下粗的“二元结构”,空间均一性较差,局部存有夹层。
虽隧道上部分布有淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粘土等相对隔水层,而砂土层和圆砾层赋存有孔隙承压水。
盾构隧道穿越地层统计见表1-2。
表1-1土层物理性质指标参数一览表
层号
土层名称
层厚(m)
围岩类别
天然承载力特征值
基床系数
天然重度
渗透系数
颗粒含量百分比
无侧限抗压强度
固结试验
静止侧压力系数
水平
垂直
垂直
水平
原状土
重塑土
灵敏度
压缩系数
压缩模量
前期回结压力
固结指数
>20
20~2
2~0.5
0.5~0.25
0.25~0.075
0.075~0.005
<0.005
不均与系数
fk
Ks
Kc
ρ
Kh
Kv
㎜
Cu
Cu'
St
a1-2
Es
Pc
Cc
K0
(kPa)
(N/cm3)
(N/cm3)
(kN/m3)
(cm/s)
(cm/s)
%
%
%
%
%
%
%
d60/d10
kPa
kPa
Mpa-1
Mpa
kPa
①
填土
0.50~7.80
Ⅰ
19
②-1
砂质粉土
0.70~9.30
Ⅰ
135
30
20
19.5
1.54E-04
2.05E-04
17.0
78.4
4.6
4.6
0.18
9.3
0.30
②-2
粉土夹淤泥质土
1.10~8.45
Ⅰ
100
22
12
19.2
1.78E-04
2.07E-04
9.9
82.1
8.0
3.0
0.22
7.5
0.19
③-1
粉砂夹粉土
1.10~5.80
Ⅰ
160
40
24
19.5
1.47E-04
2.07E-04
5.3
30.5
58.6
5.6
3.0
0.18
10.0
176
0.17
0.21
③-2
砂质粉土
0.70~6.50
Ⅰ
145
14
10
19.8
2.83E-04
5.81E-04
15.3
78.1
6.6
4.3
0.14
9.5
0.28
③-3
粉砂夹粉土
1.80~8.00
Ⅰ
180
28
18
19.8
8.98E-04
1.49E-03
6.0
9.1
43.1
34.8
7.0
8.3
0.17
11.0
224
0.01
0.22
③-4
砂质粉土
0.80~3.20
Ⅰ
120
12
8
19.5
1.48E-04
2.00E-04
15.8
71.4
12.8
13.0
0.2
7.0
0.40
④
淤泥质粉质粘土
0.50~10.30
Ⅰ
75
8
6
18.5
9.28E-08
1.15E-07
10.6
69.3
20.1
24.4
13.4
2.2
0.81
3.0
199
0.2
0.55
⑤-1
粉质粘土
0.50~6.00
Ⅱ
180
30
21
19.8
7.36E-07
7.96E-08
5.0
46
49.0
147.2
52.9
2.78
0.29
5.4
0.36
⑤-2
粉质粘土
0.50~12.40
Ⅱ
170
28
20
19
3.50E-07
5.97E-07
40.2
36.4
23.4
97.8
35.4
3.38
0.33
5.1
278
0.13
0.46
⑥-1
粘土
0.90~5.90
Ⅰ
120
22
15
18.8
1.14E-07
1.67E-07
6.0
50.0
44.0
183.3
15.6
10.69
0.45
4.4
0.51
⑥-2
粉质粘土
0.80~9.80
Ⅰ
150
24
16
19
1.60E-07
2.52E-07
8.5
24.5
49.5
17.5
57.6
18.1
3.12
0.22
8.1
0.58
⑦-1
粉质粘土夹粉砂
0.60~5.40
Ⅰ
180
18
12
20.1
7.05E-05
11.2
23.8
54.4
10.6
22.0
0.14
10.9
0.23
⑦-2
粉细砂
0.80~7.70
Ⅱ
220
60
40
20.5
1.36E-04
3.10E-04
4.0
25.7
40.5
19.1
10.7
43.8
0.36
⑧-1
圆砾
1.20~8.60
Ⅱ
500
300
220
21.8
1.04E-01
6.90E-02
37.1
25.2
17.3
5.8
4.7
4.8
5.1
521.5
⑧-2
卵石
10.80~18.0
Ⅱ
600
600
400
22.5
1.27E-01
8.40E-02
50.3
27.7
5.0
4.5
4.0
7.2
1.3
230.1
⑨-1
全风化含砂砂岩
3.90~9.30
Ⅱ
280
36.5
30.0
8.5
7.0
8.0
10.0
591.0
⑨-2
强风化含砾砂岩
5.10~8.80
Ⅱ
400
备注:
本表部分指标引自浙江工程勘察院邻区工程。
杭州庆春路过江隧道纵断面图
表1-2盾构隧道穿越地层统计
地层编号
东线长度
西线长度
东线比例(%)
西线比例(%)
各地层隧道长度(m)
所占线路比例(%)
-2粉土夹淤泥质土
10.1
10.4
0.5
0.5
20.5
0.5
-1粉砂夹粉土
21.2
21.6
0.9
1
42.8
1
-2砂质粉土
36.5
39.2
1.6
1.7
75.7
1.7
-3粉砂夹粉土
45
47.4
1.9
2.1
92.4
2.0
-4砂质粉土
0
0
0
0
0
0
淤泥质粉质粘土
66.4
55.7
2.9
2.5
122.1
2.7
⑤-1粉质粘土
54.5
60.5
2.4
2.7
115
2.5
⑤-2粉质粘土
1745
1736
75.1
77.4
3481
76.2
⑥-1粘土
27.6
14.5
1.1
0.6
42.1
0.9
⑥-2粘质粉土
62.5
51.7
2.7
2.3
114.2
2.5
-1粉质粘土夹粉砂
107.2
52.3
4.6
2.3
159.5
3.4
-2粉细砂
75.2
75.7
3.2
3.4
150.9
3.3
-1圆砾
72.7
77.3
3.1
3.5
150
3.3
2.4粉质粘土的特性及描述
⑤-1层:
粉质粘土
浅灰绿色为主,局部呈黄灰色、灰黑色、灰白色,可塑~硬塑,厚层状构造。
粘塑形较好,刀切面光滑,摇振反应无,干强度及韧性高,局部偶见粉土团块,偶见泥质结核,中压缩性,土层性质子上而下渐好。
本层主要分布于盾构段,江北及江南有零星出露。
⑤-2粉质粘土
灰黄、褐黄色,可塑~软塑,厚层状构造为主。
含铁、锰质氧化斑点及细小结核;均匀性一般。
本层上部粘塑形一般较好,局部呈粘土状,下部多含粉土细膜,呈不均匀、不连续状分布,中压缩性,性质一般。
本层摇振
二、盾构始发阶段掘进情况
1.始发阶段掘进参数统计
环号
掘进速度(mm/min)
刀盘转速(l/min)
扭矩(KN.m)
推力(T)
进浆流量(m3/h)
排浆流量(m3/h)
泥水舱压力(bar)
泥浆比重
(g/m3)
泥浆粘度(s)
1
15
0.96
4500
1800
1000
1100
0.4
-
-
2
15
1.05
5000
1800
800
900
0.4
-
-
3
9
1.05
4000
2500
900
900
1.0
-
-
4
15
0.9
2600
2500
800
900
0.8
-
-
5
8
1.10
4700
3000
1000
1000
1.4
-
-
6
8
1.0
5000
3800
1000
1200
1.4
-
-
7
7
0.9
5500
3800
1050
1100
1.5
-
-
8
15
1.05
2000
3500
900
1100
1.6
1.18
19
9
18
1.10
2150
3550
1000
1100
1.7
1.19
19
10
20
1.05
1900
3500
1000
1100
1.6
1.21
19
11
19
1.03
2000
3300
1000
1150
1.6
1.18
18
12
20
1.02
2000
3300
1050
1200
1.7
1.08
17
13
20
1.04
2300
3700
1000
1100
1.7
1.24
18
14
21
1.06
2300
3700
1050
1250
1.6
1.34
22
15
20
1.0
2450
3600
1050
1250
1.7
1.15
17
2.始发阶段掘进状况
在始发阶段,西线盾构推进表现出如下状况
(1)始发阶段在盾构进入淤泥质粘土后,推进速度减缓,平均掘进速度在8m/min左右,每环推进时间需要4~5小时。
(2)泥水处理设备在进入淤泥质粘土、粉质粘土地层中后,无法提供正常的泥水分离,常常出现筛板拥堵现象,造成泥浆直接从分离设备涌出。
(3)由于受工作井影响,盾构始发采用了半分体始发形式,进行了管路管线延长,导致在始发阶段由于设备原因无法达到正常状况,影响盾构机的整体性能。
在2#拖车下井组装连接完成后,盾构机性能大幅提升,在目前的淤泥质粘土和粉质粘土混合地层中,能够保证较为正常的掘进速度,保持在15~25mm/min。
(4)受淤泥质粘土、粉质粘土影响,泥浆比重粘度上升较快,同时由于泥水系统无法良好的工作,造成大量粘土及粘土块在泥浆池内沉积。
三、盾构隧道在粘性土层中掘进施工技术预案
1粘土地层对盾构掘进的影响
1.1粘土地层对盾构掘进的有利影响
由于粘土矿物经相互间电化学结合而形成的粘性土层是近似变质了的琼胶块状体,所以由泥水比重和加压带来的力就容易形成对开挖面的稳定,不论粘性土层的软弱状态如何,都有利于泥水加压盾构工法施工对地表沉降的控制。
同时由于粘土地层中富含粘土颗粒易形成良好的泥膜,能够很好的保证开挖面的稳定。
1.2粘土地层对盾构掘进的不利影响
盾构机穿越段主要为复杂地段,开挖面上同时存在着
淤泥质粉质粘土层、⑤-1粉质粘土、⑤-2粉质粘土、
粘土、⑦-2粉细砂层、⑧-1圆砾地层,性质差异大。
⑤-1粉质粘土、⑤-2粉质粘土俗称“硬土层”,硬可塑,盾构在掘进中该两层占穿越地层的80%左右。
根据对已知的地质状况的了解,推断对后续盾构施工可能产生如下不利影响:
(1)由于掘进开挖面处于淤泥质粘土及粉质粘土地层中,泥浆比重以及粘度等参数上升较快,易造成粘土块在仓内及管路内的堵塞,影响掘进速度。
(2)同时由于泥浆中含泥量增加较快,导致泥水分离设备超负荷运转,造成分离设备的拥堵,无法盾构掘进提供正常的泥水处理,影响盾构正常推进。
(3)在盾构掘进过程中,由于⑤-1粉质粘土、⑤-2粉质粘土俗称“硬土层”,为硬可塑,盾构推进所受的阻力较大,导致盾构推进速度缓慢。
(4)由于在粘土地层掘进中,泥浆比重以及粘度等参数上升较快,造成大量废弃浆液的产生。
2粘土地层中盾构掘进控制
2.1掘进参数的控制
(1)掘进速度控制:
在粘土中掘进速度宜适当放慢,控制在15~25mm/min;平均每环掘进时间控制在2个小时左右,掘进速度太快容易发生管路堵塞、刀盘固结泥饼等问题。
(2)刀盘转速控制:
粘土中转速控制在40%~45%(0.90~1.20rpm/min),刀盘转速太快容易造成刀具的磨损和泥饼的形成;刀盘转速过慢造成土体切削量不足,无法保证掘进速度。
(3)推力及扭矩控制:
推力控制在3000T~5000T,扭矩控制在3500kNm~4500kNm;
(4)泥浆循环控制:
进浆泵(P1.1)流量控制在1000m3/h左右(掘进期间),1144m3/h(旁通时);
排渣流量(P2.1)1150m3/h(掘进期间和旁通时);
(5)同步注浆压力控制:
同步注浆压力为1.1~1.2倍的静止土压力与静止水压力之和。
现场操作是根据掘进地质条件和地下水情况由值班工程师进行计算调整。
(6)出渣量的管理控制:
控制出碴量的目的主要是为了了解超欠挖情况,以便及时的调整掘进参数,主要控制措施如下:
利用泥水盾构上的流量计、密度计结合地层的地质情况统计每环的出渣量,判断每环掘进是否超欠挖,以便较为准确的判断泥水仓内渣土的堆积程度或地层中土层的损失情况,及时采取相应的施工措施,如调整泥水仓压力,加大泥水循环等措施。
利用泥水分离设备所分离出的渣土量结合泥浆池泥浆的增减及参数变化情况,复核验证每环掘进的出渣量。
2.2泥水压力的控制
在粉质粘土地层中掘进,对泥水压力控制的考虑如下几个方面:
(1)计算出水土压力,选择适当的泥水压力,合适的泥水压力是开挖面稳定的关键,可以有效的控制超欠挖,在实际操作中,还应考虑泥水的渗失量来综合控制压力的设定;
(2)在掘进操作中,保证气压仓液位稳定是保证泥水压力平稳的关键之一;
(3)保证泥浆门的通畅,只有保证泥浆门的通畅气压仓加压的泥水才能够将压力很好的传递到泥水仓形成泥水压力。
(4)合理的控制泥水仓压力波动范围,正常情况控制在±0.2bar范围内;
泥水压力保证的措施:
(1)在不同地层中选定不同的水土压力计算方法,计算出合理的水土压力,通过在实际操作中结合泥水的渗失量来综合控制压力的设定。
当泥水质量一定时,泥水压力大于水土压力一定值时,能有效的增加泥水在地层中的渗透速度,加快泥膜的形成速度和提高泥膜的形成的质量,增加掘进时掌子面的稳定性。
压力的设定还要综合考虑到地表的沉降与隆起,及时做出修正。
泥水压基准值
地层地质
泥水压基准值
预压
粉质粘土
上限值=静止土压+水压+预压
下限值=主动土压+水压+预压
20~30KN/m2
(2)通过液位传感器,可以了解气压仓内液位情况,保证液位处于气压仓中部,是保证泥水压力的主要措施。
但在实际操作中,经常会遇见液位传感器显示错误的情况,这样会造成误操作,致使液位过高或过低,造者压力波动较大,不利于开挖面得稳定。
为避免这种情况的发生就需要通过其他辅助方式来确定实际液位。
在实际操作中,通常采用观察气压仓压力与泥水仓中部压力的差值来判定气压仓液位。
当实际液位过低时,气压仓压力—泥水仓压力=正值;当实际液位过高时,气压仓压力—泥水仓压力=负值;气压仓压力—泥水仓压力=0时,说明液位在气压仓中部。
这种判定方法是要在泥浆门保证通畅的前提下才能保证准确性,这就需要判定泥浆门通畅情况成为了控制压力的关键一环,泥浆门通畅也主要是通过观察气压仓压力与泥水仓压力的差值来判定的,在泥浆门通畅和液位处于气压仓中部的理想状态下,气压仓的气压压力与泥水仓顶部的泥水压力差为0.6~0.7bar,与中部泥水仓泥水压力的压力差为0,与底部泥水仓泥水压力1.2~1.4bar。
2.3泥浆质量的控制
在粉质粘土地层中掘进,由于地层中的粘土颗粒较多,泥浆的比重、粘度等参数上升较快,因此在掘进该段地层过程中指定如下的泥浆质量控制原则:
①尽量降低泥水的粘度和比重等指标,如添加清水稀释粘度比重较大的泥浆,保证泥水具有良好的流变性,利于泥水泵的输送和渣土的运输,减少粘土地层对盾构掘进的影响
②泥水在盾构掘进时,有合理的比重和粘度指标,指标要求不能因在粘土层掘进而设置过低,应具备形成泥膜,满足开挖面的稳定,防止隧道沉降和开挖面垮塌的要求。
③调整泥水分离系统分离筛板类型,提高分离设备的使用效率,减少废浆排放。
稳定切削面的泥水粘性值
切削土质
漏斗粘度
地下水影响较小时
地下水影响较大时
粘土
25~30
28~37
泥水输送中泥水性状的上限值
泥水性状
漏斗粘度
相对密度
上限值
40s
1.35
2.4辅助措施
(1)停止开挖时增加循环时间
停止开挖时应先排尽泥水仓及气压仓内渣土,然后打开管路旁通阀,再关闭进浆阀,运行一段时间后,排尽管路内渣土,方可关闭所有泥浆泵。
运行时间由流速和距离来确定。
(2)必要时添加辅助剂
使用能够减小泥浆凝胶强度及屈服值的分散剂,降低泥水的密度和粘性,如六偏磷酸钠、碳酸钠等分散剂,增加泥水的活性。
(3)废弃泥浆的及时处理
通过经济比较,选取合适的废弃泥浆处理途径,保证泥浆指标的合理性,为盾构快速掘进提供基础。
(4)增加辅助泵
增加辅助泵,设置出浆接力泵增强盾构机泥水循环的出浆能力,保证出浆的顺畅。
四、在粉质粘土中掘进易出现的问题及应对措施
在粉质粘土地层中进行盾构施工的必须对可能出现的问题进行预防,指定相应的处理措施,才能保证盾构掘进的快速平稳可靠,现将可能出现的问题罗列如下:
1、粉质粘土在刀盘上粘附固结形成泥饼
显示特征:
推进中出现速度逐步降低,推力明显增大,扭矩逐渐减小。
出现原因:
(1)由于粘土可塑性及粘性较高,容易粘附刀盘固结形成泥饼;
(2)掘进过程中渣土不能顺利排出,在泥水仓内堆积,密实度及密度越来越大,最终形成泥饼。
(3)刀盘高速旋转后,泥水仓内温度升高,对泥饼有烧结促成作用。
预防措施:
(1)在施工工程中,应及时观察所排出碴情况和泥浆比重变化情况,分析掌握土体粘性情况,进行泥浆参数的调整,以减小土体粘性度和粘着力。
(2)适当的控制掘进速度和刀盘转速,加大泥水循环,控制泥土温度的上升。
(3)控制循环水的温度,降低刀盘温度上升。
(4)均衡施工,掘进速度太快或太慢都可能土仓温度的升高,增加固结泥饼的可能性。
(5)定期的开仓检查,可以比较准确的掌握前方地层的地质情况和刀具的磨损情况,对刀盘结泥饼可起到预防作用;
(6)根据出渣量情况,分析判断泥水仓内渣土堆积情况。
处理措施:
(1)利用通往泥水仓的进浆管,使用粘度比重较低的泥浆或直接使用清水冲洗刀盘。
(2)在泥饼无法冲洗清除的情况下,带压进仓人工清理刀盘上的固结泥饼。
2、泥浆管路,泥浆泵出现堵管堵泵现象
显示特征:
泥水循环进出浆液流量不匹配,排浆流量急速下降,进出浆泵吸口和出口压力发生突变(主要发生在出浆泵),气压仓液位上升较快,管路或泥浆泵发生剧烈抖动,严重时发生橡胶软管爆裂的现象。
出现原因:
由于地层中存
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