砂土复合地层盾构掘进施工工法.docx

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1、砂土复合地层盾构掘进施工工法2019年12月1.前言32工特点33 .适用范围44 .工艺原理45 .施工T艺流程及操作要点41 .1施工工艺流程45 .2操作要点65.2.1盾构刀盘刀具选型设置65.2.2合理渣土改良措施确定65.2.3盾构设备施工前调试85.2.4盾构机合理掘进参数分析85.2.5盾构试掘进及参数确定135.2.6盾构掘进施工参数控制145.2.7盾构掘进姿态控制195.2.8盾构掘进施工监测215.2.9砂土复合地层盾构掘进适应性分析225.2.10盾构刀具磨损评估231.2. 11刀具维护和更换236 .材料与设备276. 1材料计划277. 2劳动力组织278. 3

2、施工机械配置287 .质控制297.1. 同步注浆与二次注浆质量控制措施291.1 2盾构掘进质量保证措施307.3 管片安装质量保证措施307.4 其他控制措施31&安全措施321. 1临边防护328. 2施工照明329. 3隧道通风3210. 吊装运输3211. 5盾构掘进3312. 6应急措施339.环融施34析3410.1经济效益3410.2社会效益3611.蹒实例371.1 工程概况371.2 运用情况441.3 结果评价44砂土复合地层盾构掘进施工工法1 .It1W近年来，我国采用盾构法建设城市地铁的工程越来越多，积累总结了相当宝贵的施工经验。但由于我国幅员辽阔，地形地貌复杂多变，

3、不同区域地质条件千差万别。当前哈尔滨正处于地铁建设快速发展阶段，其地铁隧道主要穿越粉质粘土、砂类土复合地层，盾构法在该地质条件地铁建设中面临不少问题。针对盾构穿越砂土复合地层时，刀盘容易出现结泥饼，砂层石英含量高、刀盘、刀具磨损大；周边环境复杂、盾构掘进施工控制要求高等特点，对哈尔滨砂土复合地层盾构掘进施工进行刀盘刀具选型，改善刀盘刀具布置方式，包括刀盘刀具型式、刀盘开口率、降低磨损措施等，这将有效降低刀盘扭矩，减少对刀盘、刀具的磨损，提高刀盘刀具利用率、提高掘进效率、降低工程成本。同时探究适应砂土复合地层的渣土改良技术、寻求合理的盾构掘进施工参数，将有利于盾构安全高效连续顺利施工。2 .工特

4、点1、盾构合理的刀盘及刀具选型设置，恰当的刀盘开口率，较强的刀盘刀具材料和耐磨保护措施以及合理的渣土改良措施，有效减小了砂土复合地层盾构掘进刀盘扭矩及刀盘刀具磨损。2、盾构设备可靠性高，对砂土复合地层适应性好，操作方便，施工效率高。3、地表沉降及周边建（构）筑物变形控制效果好，盾构连续穿越砂土复合地层安全稳定性好。4、能有效地避免盾构掘进施工中途换刀作业带来的安全风险。5、能有效地避免盾构掘进施工中途换刀作业所需的带压进仓或人工开挖竖井（检查工作井）等施工措施，减少管线迁改和交通导改工程量。6、经济效益显著。通过合理的刀盘及刀具选型设置，恰当的刀盘开口率，较强的刀盘刀具材料和耐磨保护措施以及合

5、理的渣土改良措施，实现了盾构机连续两个区间安全穿越砂土复合地层，避免了刀具更换，节约了施工成本，节省了工期，取得了良好的经济效益。3 .适用范围适用于粉质粘土、粉砂、细砂、中砂、粗砂等砂土复合地层工程地质条件下盾构连续掘进施工。4 .工艺原理重点针对哈尔滨砂土复合地层情况进行盾构机设计，科学制定盾构合理的刀盘及刀具选型设置，即合理的刀盘开口率、较强的刀盘刀具材料和耐磨保护措施等，并探求合理的渣土改良材料以及渣土改良相关设备设置等措施。该盾构刀盘刀具和渣土改良措施的应用，有效减小了砂土复合地层盾构掘进刀盘扭矩及刀盘刀具磨损。盾构掘进施工过程中，基于盾构掘进的合理参数进行了哈尔滨地区砂土复合地层盾

6、构掘进适应性分析。通过对砂土复合地层盾构刀具磨损量统计回归分析预测了盾构刀具寿命，节省了大量刀具更换。5 .1艺流题操作要点5.1 施工工艺流程施工工艺流程见图5.1-1。适合进行下个区间盾构掘进工图5.IT砂土复合地层盾构掘进施工工艺相图5.2操作要点1 .2.1盾构刀盘刀具选型设置本工法相关的科研课题“盾构复合地层掘进刀具选型与应用技术研究”通过资料调研、理论分析手段，研究确定砂土复合地层盾构刀盘刀具选型如下。1、针对砂土复合地层特点，盾构机宜采用辐条面板式刀盘，在保证开挖面稳定的同时有利于砂土流动，渣土在能够快速的进入土仓，同时避免刀盘中间部位结泥饼，减小刀盘扭矩及砂层磨损，是砂土复合地

7、层的合理选择。2、砂土复合地层盾构掘进宜采用“切削刀+先行刀+周边保护刀+中心鱼尾刀”组合配置，属于软土盾构刀具典型配置，各种类型刀具发挥不同作用，是砂土复合地层刀具配置的合理选择。3、刀盘开口率宜提高至50%,在开挖面稳定控制、提高掘进效率、降低刀具磨损等方面达到合理平衡。且中心部位较大开口，可保证渣土进入土仓的顺畅性，防止刀盘中心及面板上结泥饼，降低刀盘扭矩，是砂土复合地层的合理选择。4、刀盘钢结构宜采用高强Q345B材料，并通过在受力主梁加强材料措施保证刀盘足够的刚度强度。刀盘面板采用耐磨性、焊接性、冲击韧性好的耐磨钢板制作，面板外缘和正面采用高硬度耐磨焊丝拉网堆焊保护层，提高刀盘母体的

8、耐磨性。5、刀具采用耐磨性能和韧性兼具的材质，刀具表面采用耐磨堆焊层，从而具备良好的耐磨和抗冲击性能，满足盾构在砂土复合地层掘进对刀具耐磨性的要求。5 .2.2合理渣土改良措施确定1、合理选择渣土改良添加剂选用合适的渣土改良添加剂。添加剂除具有改善开挖土体的流塑性能，还具有润滑刀盘、刀具和螺旋机及降低刀盘扭矩、保持开挖面稳定和提高开挖面止水性等作用。针对盾构刀盘刀具结构型式以及砂土复合地层情况，最终试验总结出适合砂土复合地层的“泡沫+水”的渣土改良方式，采用优质泡沫对切削的渣土进行改良，确保出土顺畅。添加剂种类和注入量如下所示。(1)泡沫溶液的组成：泡沫添加剂3%4%,水97%97%。(2)泡

9、沫组成：9095%压缩空气和510%泡沫溶液混合而成。泡沫的注入量按开挖方量及渣土实际情况计算：一般3006001n?。如此计算，每环的泡沫注入量原液约为50T001。(3)通过注入系统向刀盘面、土仓或螺旋输送机内注入泡沫剂，利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌或螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与渣土混合。通过渣土改良，可以更好地建立正面平衡压力，降低透水性，另外盾构切削下来的渣土也具有更好的流塑性和稠度。2、盾构机渣土改良相关设备设置(1)渣土改良材料注入口盾构机刀盘面板上共设计有7个渣土改良注入口，其中喷水口1个，加泥喷口2个，泡沫喷口4个(单管单泵)，膨润土喷口和泡沫喷口各自独立，在刀盘背部设

10、有专门的疏通和清洗管路，操作简单易行。根据本项目合理渣土改良添加剂研究结果，将刀盘加泥管路改为加水管路，确保盾构每环的加水量。(2) 仓中心搅拌设置盾构主驱动采用中间支承方式，土仓隔板是固定的，刀盘旋转时牛腿和搅拌棒对土仓内的土进行有效的搅拌，中心不易结泥饼。设置有6个主动搅拌棒和1个被动搅拌棒，被动搅拌棒上设置有高压喷水口，可以对刀盘中间部进行冲洗，能够有效防止土仓中心泥饼产生。5.2.3盾构设备施工前调试对盾构设备进行全面检测调试，重点对主操作系统、刀盘驱动、盾构推进系统、螺旋机系统、渣土改良系统、同步注浆系统、拼装机系统、二次注浆设备、控制电路及液压系统、电瓶车刹车及电路进行检测调试，确

11、保各系统状况良好。经调试确保盾构机各系统、线路、管路等处于良好的工作状态。尤其注意泡沫系统和同步注浆系统的通畅，土压传感器准确显示土压值。对于损坏的部件立即更换，对存在故障隐患的部位及时排除，各个润滑部位及时加注润滑脂或润滑油。特别是对泡沫、加水管路进行清洗疏通，避免进行渣土改良时注入管堵塞，导致渣土改良效果不好。5.2.4盾构机合理掘进参数分析结合砂土复合地层及周边环境条件和盾构机特点，盾构掘进参数理论分析如下：1、土仓压力土压力=kyH式中：k为土压力的侧向系数，视覆土性质和厚度而定，一般在O.30.5之间,砂土复合地层应注意根据粘土层和砂层的含量进行比选，通常粘土层侧向系数较大，砂层较小

12、；y为土的容重；H为隧道中心埋深。另外，。水压力FXyXh,其中q取0.5,y为水容重，h为埋深。实际设定土压力土仓压力计算：。初步设定二可土压力十。水压力十。调整土压力的合理设置是盾构掘进施工地层沉降控制的关键因素。首先，应根据开挖影响范围，确定盾构影响高度，根据上式计算该高度内的水土压力。施工过程中严格土压力控制，压力偏差一般不超过0.2bar2、出土量控制土压建立起来后，控制出土量，具体数值根据添加剂的使用情况进行调整；出土量控制作为土压控制的辅助措施，并应根据地面监测情况进行调整。每环出土量公式：V=KXXE?I4其中：K为土体松散系数，取决于土质、盾构掘进参数、土体改良情况等，哈尔滨

13、地区粉砂、中砂、粉质黏性土松散系数K一般取111.2;D为盾构机直径1为掘进长度。3、刀盘转速根据本工法相关科研课题研究结果，盾构在砂土复合地层中的砂层掘进时，一般选择较低刀盘转速。另外，盾构在砂土复合地层中的粘土层掘进时，考虑到粘土特殊的性质，刀盘的转动对粘土的流动起到改良效果，所以在粘土地层中刀盘的转速能起到改良渣土的效果，因此，综合根据砂土复合地层性质，一般选择较低刀盘转速，约1oT.5rpm之间，搅拌的均匀可以减轻输送渣土的压力。4、螺旋机转速排土量的控制是盾构在土压平衡模式下工作的关键技术之一，理论上螺旋输送机的排土量QS是由螺旋输送机的转速来决定的，千斤顶的速度和P值设定后，盾构机

14、可自动设置理论转速N。N=QsZVsVS为设定的每转一周的理论排土量。QS应与掘进速度决定的理论硝土量QO相当，即：Qo=AVno式中，A为切削断面面积；no为松散系数；V为推进速度。5、盾构掘进速度根据本工法相关科研课题研究结果，盾构掘进速度V可采用以下公式进行计算：i.iDr=S式中，6为刀具磨损量，mm;1为掘进距离，km;km为同轨迹布置m把刀时刀具综合磨损系数，103mmkm;D为刀具挖掘外径，m;n为刀盘转速，rpm;V为推进速度，mm/mino由上式可知，掘进速度V与刀具磨损量成反比，当磨损系数及其他参数相同时，提高掘进速度可降低刀具磨损量，从而增大不换刀一次掘进距离。砂土复合地

15、层盾构掘进时刀盘容易结泥饼，刀盘、刀具易磨损，应针对砂土复合地层特点，重点对盾构推力和刀盘扭矩进行分析，从而保证盾构机能适应砂土复合地层掘进要求。6、盾构推力盾构正常掘进过程中，推力用于平衡开挖面水平土压力及盾体前进过程中土体摩擦，参考并总结相关资料文献，根据本工法相关科研课题研究结果，盾构推力可采用以下公式进行计算:雕力二f后体+P开挖面G体（G上体，G.体）,仿“（从+D.2）Dr体+G*/t*=（4f呼彳。*6,也+6四+。）彳Z44式中，F推力为盾构推力，kN;f盾体为盾构掘进时外周摩擦，kN;P开挖面为开挖面水平土压，kN;Yei为地表至刀盘上缘深度范围内土体加权有效重度，kNm3;Ye为地表至刀盘中心深度范围内土体加权有效重度，kNm3;Ye为地表至刀盘下缘深度范围内土体加权有效重度，kNn,为盾构顶部覆土厚度，m;Do为