機(jī)械工程師評(píng)職范文砂卵石地層施工掘進(jìn)技術(shù)

　　摘要：砂卵石地層由于其特殊地質(zhì)條件，盾構(gòu)施工中存在較大風(fēng)險(xiǎn)，本文通過(guò)掘進(jìn)中地表沉降塌陷、盾構(gòu)刀具磨損和換刀、盾構(gòu)掘進(jìn)軸線偏差施工風(fēng)險(xiǎn)的分析及控制措施，掘進(jìn)參數(shù)控制及渣土改良達(dá)到降低盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)。

　　關(guān)鍵詞：砂卵石地層,盾構(gòu),土壓平衡,施工風(fēng)險(xiǎn),掘進(jìn)技術(shù)

　　1、工程概況

　　長(zhǎng)沙軌道交通1號(hào)線一期工程桂花坪站至省政府站區(qū)間位置處于長(zhǎng)沙市芙蓉南路上，芙蓉南路現(xiàn)狀道路為雙向6車道，區(qū)間巖性分布較復(fù)雜，隧道圍巖分類為Ⅰ～Ⅴ級(jí)，隧道上部第四系底層厚6～27m，巖層厚度變化大，上方覆蓋層不穩(wěn)定。從上到下地層主要為：填土、粉質(zhì)粘土、粗砂、礫砂、卵石層、強(qiáng)中風(fēng)化泥巖層。盾構(gòu)施工隧道范圍內(nèi)主要為砂卵石、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，均為極軟～軟巖，遇水崩解。

　　2、施工風(fēng)險(xiǎn)分析與對(duì)策

　　2.1掘進(jìn)中地表沉降塌陷風(fēng)險(xiǎn)及控制措施

　　2.1.1風(fēng)險(xiǎn)分析

　　①隧道頂部覆土自穩(wěn)能力差，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)平衡土壓力過(guò)小，可能引起地面塌陷。

　?、谑苌奥咽翆雍洼^大滲透率的影響，土倉(cāng)內(nèi)不易形成不透水流塑性狀態(tài)的碴土而不能建立土壓平衡機(jī)理，同時(shí)容易產(chǎn)生涌水、涌砂，造成細(xì)顆粒物質(zhì)大量流失，引而造成地表塌陷。

　?、劬蜻M(jìn)過(guò)程中，實(shí)際出土量遠(yuǎn)大于理論出土量，地層損失過(guò)大。

　?、芏軜?gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，同步注漿不及時(shí)，也會(huì)引起地面塌陷。

　　2.1.2安全施工控制措施

　?、俑鶕?jù)地質(zhì)情況、隧道埋深(16m～23m)等參數(shù)，設(shè)定合理的土倉(cāng)平衡切口土壓力(1.5bar～2.0bar)，并防止過(guò)大波動(dòng)。

　　②盾構(gòu)螺旋機(jī)在推進(jìn)過(guò)程中將防涌門開到合適開度，在富含承壓水卵石地層中發(fā)生噴涌時(shí)，立即后退螺旋機(jī)放下后閘門，先隔斷大噴涌情況，再進(jìn)行艙內(nèi)渣土改良。

　?、叟渲脙?yōu)良的碴土改良系統(tǒng)，選取質(zhì)量較好“合東雙”品牌泡沫劑和鈉基膨潤(rùn)土外加劑進(jìn)行儲(chǔ)備，現(xiàn)場(chǎng)以泡沫劑為主要添加劑使用;經(jīng)過(guò)出土取樣試驗(yàn)，渣土含泥量在8%-14%左右，遠(yuǎn)低壓土壓平衡盾構(gòu)安全掘進(jìn)所要求的30%含泥量標(biāo)準(zhǔn)，因此在艙內(nèi)渣土含泥量較少出土困難時(shí)，增加注入膨潤(rùn)土漿提高土倉(cāng)中砂卵石土的流塑性和止水性;現(xiàn)場(chǎng)配備聚合物添加劑，采用膨潤(rùn)土罐攪拌儲(chǔ)存，并在掘進(jìn)時(shí)同步注入開挖艙，保證開挖面穩(wěn)定，建立土壓平衡，從而避免地表沉陷。

　　④即將進(jìn)入砂卵石層時(shí)，出渣口安排專門技術(shù)人員進(jìn)行盯守，填寫出渣統(tǒng)計(jì)表，發(fā)現(xiàn)出渣渣土變化時(shí)及時(shí)報(bào)告至操作室;在砂卵石層地處掘進(jìn)時(shí)，對(duì)土箱進(jìn)行不間斷清理，盡量接近土箱設(shè)計(jì)存量，現(xiàn)場(chǎng)人員根據(jù)渣斗每格容量判斷是否超挖，控制出渣量，原則上控制砂卵石層出渣54～58m3，嚴(yán)禁超挖。

　　⑤及時(shí)進(jìn)行同步注漿及二次補(bǔ)注漿，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，以1.7倍松散系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，同步注漿量控制在7.5m3～8m3,，現(xiàn)場(chǎng)以保障注漿量為目的，參照注漿壓力。不間斷的在盾構(gòu)施工過(guò)程中進(jìn)行跟蹤注漿，在掘進(jìn)完成地段發(fā)生地表沉降超限且二次補(bǔ)注漿不能及時(shí)跟進(jìn)時(shí)，首先盾構(gòu)機(jī)快速掘進(jìn)完成掘進(jìn)循環(huán)并轉(zhuǎn)換土壓平衡模式進(jìn)行保壓停機(jī)，采用同步注漿系統(tǒng)外接20m鋼絲軟管管路對(duì)沉降段管片頂部壁后開孔注漿，漿液采用單液漿或者砂漿，液漿在井口攪拌或者制作快速運(yùn)輸進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)。

　　2.2盾構(gòu)刀具磨損和換刀的風(fēng)險(xiǎn)及控制措施

　　2.2.1風(fēng)險(xiǎn)分析

　　①盾構(gòu)掘進(jìn)砂卵石層地段較長(zhǎng)，開挖面有些地段卵石粒徑較大，可能形成漂石，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，刀盤切削受力不均，不易轉(zhuǎn)動(dòng)，容易造成刀具偏磨，根據(jù)地層情況，刀具磨損無(wú)規(guī)律性，換刀位置不好確認(rèn)。

　?、诔哼M(jìn)艙在檢查、更換刀具時(shí)，必須清空出土倉(cāng)內(nèi)的部分碴土以提供工作空間，原有的土壓平衡被打破，由于卵石土層自穩(wěn)能力差，掌子面土體容易坍塌，導(dǎo)致作業(yè)人員傷害，或引起地面坍陷。

　　③帶壓進(jìn)艙更換刀具，人員加減壓控制程序要求嚴(yán)格，艙內(nèi)作業(yè)效率低，施工作業(yè)人員風(fēng)險(xiǎn)大。

　　2.2.2風(fēng)險(xiǎn)控制措施

　　①桂省區(qū)間掘進(jìn)起訖里程YDK29+121.4～YDK28+278.5，總長(zhǎng)842.9m(562環(huán))，根據(jù)地質(zhì)勘查縱斷面圖顯示，YDK28+788.5～YDK28+278.5(222環(huán)～532環(huán)，長(zhǎng)510m)及ZDK28+740～ZDK28+278.5(254環(huán)～562環(huán)，長(zhǎng)461.5m)范圍內(nèi)盾構(gòu)隧道斷面逐漸進(jìn)入砂卵石層，盾構(gòu)在到達(dá)前進(jìn)行一次開倉(cāng)刀盤刀具檢修工作。同時(shí)對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行全面檢查與保養(yǎng)，確保盾構(gòu)以良好狀態(tài)通過(guò)砂卵石層。

　?、谶M(jìn)入砂卵石層后，調(diào)整優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，原則上準(zhǔn)備一次性通過(guò)砂卵石段出洞。

　?、塾捎谏拜喪貙又新咽康牟灰?guī)律性，刀盤刀具磨損將無(wú)法確定，考慮刀具磨損嚴(yán)重?zé)o法掘進(jìn)情況，選擇YDK28+475～YDK28+510(408～431環(huán)，隧道上覆粗砂層、隧道斷面上部2m為卵石層、下部為粉質(zhì)粘土層及全風(fēng)化泥巖)位置，ZDK28+500～ZDK28+560(374-414環(huán)，隧道上覆卵石層、隧道斷面為全風(fēng)化泥巖)位置作為第二次開倉(cāng)換刀點(diǎn)。在必須情況下需要換刀，先進(jìn)行常壓開倉(cāng)試驗(yàn)，無(wú)法達(dá)到要求時(shí)再進(jìn)行加壓開倉(cāng)。

　　2.3盾構(gòu)掘進(jìn)軸線偏差風(fēng)險(xiǎn)及控制措施

　　2.3.1風(fēng)險(xiǎn)分析

　　①盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，地層突變以及推進(jìn)姿態(tài)不易控制，盾構(gòu)推進(jìn)軸線過(guò)量偏移導(dǎo)致隧道設(shè)計(jì)軸線發(fā)生偏差。

　?、诙軜?gòu)超挖或欠挖、糾偏不及時(shí)、測(cè)量誤差與同步注漿量不夠也可能造成軸線偏差。

　　2.3.2風(fēng)險(xiǎn)控制措施

　?、俟鹗^(qū)間YDK28+827～YDK28+760(196環(huán)～241環(huán))及ZDK28+780～ZDK28+705(227環(huán)～278環(huán))為隧道斷面地層變換段，極易發(fā)生姿態(tài)偏移，注意控制掘進(jìn)參數(shù)，調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)。

　?、谡_設(shè)定平衡土壓力，減少超挖與欠挖現(xiàn)象，控制好盾構(gòu)姿態(tài);

　?、鄱軜?gòu)姿態(tài)發(fā)生偏差時(shí)及時(shí)糾偏，使盾構(gòu)正確地沿著隧道設(shè)計(jì)軸線前進(jìn)，盾構(gòu)姿態(tài)發(fā)生較大偏移時(shí)采用及時(shí)屏蔽油缸、增加土倉(cāng)壓力、增加推力、減慢推進(jìn)速度等措施進(jìn)行糾偏，建議備用外接液壓頂推系統(tǒng)，糾偏時(shí)切記過(guò)猛，遵循緩慢糾偏原則，每環(huán)糾偏量控制在5mm～10mm范圍內(nèi)。

　　④盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常校正、復(fù)測(cè)及復(fù)核測(cè)量基站;施工按質(zhì)保量做好注漿工作，保證漿液質(zhì)量和注漿量。

　　3、 掘進(jìn)參數(shù)控制及渣土改良

　　3.1掘進(jìn)參數(shù)控制

　?、偻七M(jìn)速度控制：在保持土倉(cāng)壓力的穩(wěn)定，掘進(jìn)速度必須與螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速相符合，同時(shí)必須兼顧注漿，確保漿液能均勻填實(shí)管片與地層的空隙，根據(jù)施工的實(shí)際情況確來(lái)嘗試，砂卵石段推進(jìn)速度保證在40～50mm/min為宜。

　?、诘侗P轉(zhuǎn)速：刀盤轉(zhuǎn)數(shù)與掘進(jìn)速度相矛盾，轉(zhuǎn)數(shù)小了，速度上不去，轉(zhuǎn)數(shù)大了，刀盤磨損嚴(yán)重，擾動(dòng)大，在保證刀盤安全的前提下，盡量提高刀盤轉(zhuǎn)速，刀盤轉(zhuǎn)數(shù)應(yīng)控制在1.2rpm/min～1.5rpm/min為宜，確保不換刀一次快速通過(guò)。

　?、鄢霾炅康目刂疲好凯h(huán)掘進(jìn)出碴量根據(jù)試掘進(jìn)段取得的參數(shù)進(jìn)行控制。出碴量控制可通過(guò)推進(jìn)速度與螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)，每環(huán)出渣量控制在54～58m3，出渣口技術(shù)員根據(jù)掘進(jìn)進(jìn)尺和渣車中渣量進(jìn)行檢查控制超挖，龍門吊司機(jī)倒渣時(shí)進(jìn)行復(fù)核，一旦超挖，立即上報(bào)。

　　④推力與扭矩：在保證高速掘進(jìn)速度的同時(shí)，推力和扭矩要適中，其原則是，只要掘進(jìn)速度能上去，盡量采用小推力、小扭矩，一旦推力和扭矩突變，一定要進(jìn)行分析后，再繼續(xù)掘進(jìn)。

　　3.2渣土改良方法

　　渣土改良技術(shù)主要是輔助材料的使用和配比控制，改良渣土的和易性在土壓平衡盾構(gòu)砂卵石掘進(jìn)中比較重要。

　?、倥菽瓌┑氖褂茫号菽瓌┰谏奥咽貙又兄饕鸬綕?rùn)滑作用，降低磨損保護(hù)刀具，同時(shí)有效降低渣溫等作用。應(yīng)盡量選用偏重于潤(rùn)滑性能為主的泡沫。具體添加量要根據(jù)地層而定，泡沫加注參數(shù)如下：a.膨脹率值在1：10～1：20之間;b.注入比值在15%～20%之間。

　?、诩幽嘞到y(tǒng)的使用：膨潤(rùn)土的合理加入也可起到與高分子材料的同樣作用。我部對(duì)省政府站開挖時(shí)隧道斷面范圍取樣試驗(yàn)，砂卵石地層本身含泥量小于10%，含泥量較小，可以在開挖面加入鈉基膨潤(rùn)土泥漿，一般以300目左右細(xì)料為宜，在地面先進(jìn)行發(fā)酵后使用，不僅避免堵管帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，而且渣土改良效果較好，膨潤(rùn)土：水=1：1的比率。

　?、鄹叻肿泳酆系氖褂茫涸谏奥咽瘜拥木蜻M(jìn)中，適量加入高分子材量，能有效改良渣土的和易性，預(yù)防渣水分離而產(chǎn)生噴涌等不利情況。根據(jù)對(duì)比分析，高分子聚合物只能作為應(yīng)急使用，其參量為1%～3%。

　　4、結(jié)語(yǔ)

　　降低盾構(gòu)刀具及刀盤磨損是一大重點(diǎn)。若地層中的大粒徑卵石含量很高，應(yīng)考慮加裝高稠度膨潤(rùn)土液注入系統(tǒng)。在砂卵石地層中進(jìn)行盾構(gòu)施工，若累計(jì)沉降在允許范圍內(nèi)，保持低土壓推進(jìn)對(duì)降低刀具磨損有利。做好土體改良，使螺旋輸送機(jī)能將卵石和砂子一起排出土倉(cāng)。通過(guò)對(duì)土體的塑流化改良，可以顯著降低推進(jìn)阻力、降低刀具磨損，還有利于砂卵石的順利輸送，達(dá)到了快速施工的要求。

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