大直径常压刀盘泥水盾构孤石地层掘进工法.docx

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1、大直径常压刀盘泥水盾构孤石地层掘进工法1 .前言近年来，我国大直径盾构施工领域发展迅速，在大中型沿海城市，大直径穿江越海隧道建设工程越来越多。大直径盾构施工对应的地质条件更加复杂，工程规模、综合难度及施工风险也将越来越大。尤其是在孤石地层掘进施工，是盾构掘进的重大施工技术难点，造成极大的施工隐患，影响工程进展。大直径盾构掘进孤石地层易造成刀具损坏，严重时出现刀盘损坏、卡机、长时间停机风险。因此，为确保大直径泥水盾构能够安全顺利掘进通过孤石地层，在常规大直径泥水盾构掘进施工技术基础上，盾构配置常压刀盘，对大直径泥水盾构孤石地层掘进施工方法进行了研究。XX工程盾构段为两条单洞隧道，采用2台开挖直径

2、分别为15.01m、15.03m的常压刀盘泥水平衡盾构施工。盾构隧道始发段地质条件复杂,盾构开挖面分布大量花岗岩球形风化物。因边界环境限制，孤石段掘进施工除了采用常规的“孤石预爆破处理后盾构掘进通过”的方法，中铁隧道局集团有限公司依托技术研究和摸索，通过对先始发掘进的东线盾构孤石段进行现场试验及技术经验总结，对后续始发掘进的西线盾构孤石段进行针对性工艺优化，总结出了采用盾构掘进技术成功通过孤石地层的方法，为以后类似工程提供借鉴实例。2 .工法特点2.1 周边环境影响小根据孤石周边地质情况，采用孤石注浆固结后盾构掘进通过或盾构机直接掘进通过，对周边环境影响较小，不需要对孤石进行预爆破处理，减小了

3、对自然环境的影响、绿色环保。2.2 滚刀破岩条件好通过地质勘察研究孤石周边土体握裹能力，对不满足要求土体进行注浆加固，满足滚刀在挤压切削孤石时提供足够反力，稳得住孤石岩体。2.3 刀具抗风险能力强破岩刀具采用具备强破岩、高抗冲击能力的重型滚刀，刀圈采用梯度硬度设计，硬度由外向内逐级递减的外刚内柔分布型式：在满足导渣基本需要前提下控制刮刀配置数量，降低刮刀受岩石冲击风险；在有效破岩的同时降低了破岩及导渣刀具异常损坏概率。2.4 判断刀具状态及时盾构机配置常压刀盘，具备滚刀旋转监测、温度监测功能，在复杂孤石地层掘进条件下，通过刀具旋转、温度监测曲线实时监控刀具情况，并对问题刀具第一时间进行检查更换

4、，保障刀具持续破岩能力，避免出现刀盘损坏、长时间停机风险。3 .适用范围本工法适用于大直径常压刀盘泥水盾构在孤石地层掘进施工。4 .工艺原理对盾构穿越的孤石地层进行详细地质勘察研判，确保孤石固结。盾构采用常压刀盘，通过刀具管理、参数监测分析、掘进参数控制达到盾构安全连续通过孤石地层的目的。(1)通过“物探+探孔的地质勘探方法，探明孤石分布、粒径、强度等情况，根据孤石周围土体标贯指标研判包裹能力，对包裹孤石能力不足的软弱土体进行注浆加固，保障孤石固结效果，并对加固效果进行取芯验证，提供盾构刀具破岩条件。(2)盾构机采用常压刀盘，滚刀配置实时监测功能，掘进过程中对刀具旋转、温度情况进行实时监测，按

5、照“有疑必检，有损必换”的原则，及时对出现异常情况刀具进行检查更换，保持滚刀持续破岩能效。(3)破岩刀具采用重型滚刀，滚刀刀圈硬度采用“外刚内柔”梯度硬度分布设计，掘进参数以“低转速、严控扭矩波动”为原则进行控制，控制刀具异常损坏概率，保障盾构机连续稳定推进效率,控制刀盘异常损坏、卡机、长时间停机风险。5 .施工工艺流程及操作要点5.1 施工工艺流程大直径常压刀盘泥水盾构孤石地层掘进施工工艺流程详见图5.1-Ia图5.1-1大直径常压刀盘泥水盾构孤石地层掘进施工工艺流程图5.2 操作要点5.2.1 孤石段地质勘察采用“物探+探孔”的方法对孤石地层进行勘察，先对孤石段进行物探勘察，物探采用跨孔地

6、震CT技术，对掘进范围内的孤石进行扫面式探测，勘探出孤石的总体分布范围（包含平面范围及深度）。根据物探得出的孤石疑似区，再利用钻孔勘察的方式进行验证，通过加密探孔探清孤石边界，对孤石周围土体进行标贯试验，判断土体包裹孤石能力。未探明孤石处仍需降速掘进，并根据掘进参数变化、出渣情况、声音采集系统等措施，辅助判断掌子面地质情况。（1）孤石地层物探先进行测孔施工，跨孔地震CT法所用测孔沿隧道纵向布置于隧道开挖轮廓线两侧，测孔纵向间距为15m,横向距离隧道开挖轮廓线1m,横向间距D+1+1m（D为开挖直径），测孔深度为地面至隧底下2m（H+D+2）,H为隧道埋深。地震CT法探测测孔平面布置如图521所

7、示。图5.24跨孔地震CT钻孔布置图成孔：钻探成孔时应尽可能保持钻孔的垂直度，终孔后宜进行测斜校正。测孔孔径I1Omm,垂直度VI%。测孔偏差V50mm,测孔深度允许偏差20Omm。钻孔终孔后应进行清渣保证有效探测深度，最后放入PVC胶管护孔。数据采集：采用德国电火花震源，为了保证有足够的激发能量，提高信噪比，每炮进行35次叠加。整个观测系统分为7个排列，接收道间距为2m、3m、4m不等，激发间距为0.5m,钻孔间距为15m,激发测孔深度为H+D+2m,采用探头的定深刻度确定测孔中物探测点位置，深度误差5cm以内。同时，根据剖面中两个钻孔的孔口高程，保证激发接收点在同一高程，以提高反演精度。使

8、用数字地震仪进行地震波数据的采集，采样道为24道，采样间隔为0.125ms,记录长度为128ms（1024样点），仪器工作频率为44000Hz,经过处理得到探测断面的波速分布图。现场测试时开启仪器的噪声监测功能，选择振动噪声较小时激发接收。现场监控每一个记录，发现达不到优良级别的记录，马上重测，直到记录质量优良时为止。最终根据波速分布图，绘制孤石段孤石分布情况，划定孤石分布区域。物探结束后，及时进行钻孔封孔。（2）钻孔勘探根据物探结果进行钻孔勘察验证，并对已确定孤石的范围进行加密钻孔，以摸清孤石边界为准，加密钻孔从发现孤石钻孔位置向四周（前后左右ImX1m）布置.，钻孔深度为孤石下1m。探清孤

9、石边界后，在孤石四周各钻探1个地质探孔，通过试验测定孤石周围土体标贯值。当土体标贯击数小于30击时，则需要对孤石周边土体进行注浆加固：当土体标贯击数大于等于30击时，则不需进行土体加固。桩位放样数据要根据施工图纸进行计算、复核，复核无误后使用全站仪测定桩位，并打入钢钉，用红漆喷出。测量放样记录、取芯编号等记录清晰、准确。钻机就位时，钻机中心对准桩中心（对中偏差不大于20mm）,保证钻架上的钻杆在桩位中心线上。钻机定位后，底座必须平整，稳固，确保在钻进中不发生倾斜和移位，垂直度应W0.5%。测量钻机平台标高以控制钻孔深度，避免超钻或少钻。正式钻孔前，钻机先进行试运转，检查钻机的稳定和机况，确保钻

10、进成孔施工能连续进行。在地层中钻进时，按岩石的可钻性分级，控制好回次进尺，在粘性土、软土和较完整的岩层中，每次取芯深度为1.52m；在松散地层（砂土、粉土和破碎岩层）中钻进时，每次取芯深度为0.51m。开始提管，提管应谨慎防止钻杆滑落，提管取芯样时应注意保证芯样的连续性和顺序性，同时测量钻杆长度，并计算取芯的采取率。准确量测和记录钻进尺寸以及不同岩性分层深度（误差5cm）,认真填写钻探记录，岩芯必须逐层摆放在岩芯箱中并且及时填写标准岩芯牌，岩芯必须用彩工布覆盖。钻孔完成后及时封孔，严格控制封孔质量，封孔采用水灰比08的水泥浆，使用钻杆从钻孔底部自下而上进行，封孔过程中应注意水泥浆的流失，直到钻

11、孔溢浆为止，若水泥浆流失严重，改用水泥砂浆进行封孔，并验证封孔质量。5.2.2 包裹孤石地层土体标贯值大于等于30击通过现场实际试验验证，在孤石周边包裹的土体标贯值大于等于30击的情况下，滚刀切削破岩过程中，孤石可稳定不发生移位，该地层不需进行预加固处理。5.2.3 包裹孤石地层土体标贯值小于30击对于孤石周边包裹的土体标贯值小于30击的情况下，滚刀切削破岩过程中孤石会发生移位，该地层需进行预加固处理。524孤石地层固结注浆（1）注浆技术要求采用袖阀管压密注浆方式进行孤石周围土体加固，钻孔孔径Ioomm,平面注浆范围为孤石中心至轮廓线外4.5m,按照1.5x1.5m梅花型方式进行布孔，注浆深度

12、范围上至孤石顶面以上4m,下至孤石底面以下4m。采用跳2孔平行注浆作业，跳孔间距保证4.5m,先从外围注双液浆形成封闭区域，再依次在内部注单液浆，注浆从孤石四周开始向孤石中心区域注浆。单液浆水灰比=1:1,注浆量0.450.5mm;双液浆配比为单液浆：水玻璃=1:1,水泥采用普通硅酸盐水泥P.042.5,水玻璃波美度35Be,凝结时间：4560s。固结标准为固结后孤石周围的土体标准贯入值30击。每孔注浆完成后应立即封堵注浆管处孔口，并及时用1:2水泥浆封孔或注浆管芯管缓慢拔出用双液浆封孔。（2）注浆结束标准1）单孔单段注浆结束标准合围区注浆刚开始单孔浆液可达到预定注入量的34倍时，可以结束本段

13、注浆。后续浆液注入量未能达到预定注入量，但进浆量明显减少或者注浆压力超出规定值，可稳压1530min后结束本段注浆。未达到预定注入量，但出现串浆，串浆点超出注浆范围5米以上时，停止本段注浆，将本段之上部分袖阀管清洗干净，待二次补注浆使用。在规定的注浆压力下，如果吸浆量不大于0.51min,持续注浆1530min,或吸浆量不大于11Zmin,持续注浆2050min,注浆工作方可结束。当达不到上述标准时，应清孔再次注浆。2）单孔注浆结束标准分析注浆数据，如果浆液注入量达到预定值的0.91.2倍，可结束本孔注浆。对由于串浆、跑浆、卡管等原因造成注浆量不够的段落进行补注，注浆压力达到设定值或者注浆量达

14、到预定量后，可结束本孔注浆。对于因孔堵塞、袖阀管变形无法注浆的，结束本孔注浆，做好记录，采取其他补救措施（在本孔附近重新布设12个孔进行注浆）。3）群孔注浆结束标准各单孔单段达到设定注浆量时结束标准。单孔注浆达到注浆结束标准占全部注浆孔的90%O5.2.5 注浆效果检查注浆结束后需对注浆效果进行钻孔验证，对加固后的地层进行原位测试实验，每个孤石固结注浆区域检测探孔不少于3个，要求固结后土体标准贯入值N30击，反之进行补充加固。5.2.6 盾构掘进前施工准备（1）盾构机位置复测盾构刀盘掘进至距离孤石段IOm位置时对盾构机位置进行复核测量，核实盾构机距孤石段距离。2）设备检修在刀盘到达孤石地层范围

15、前，需对盾构机、盾构机配件及配套施工设备情况进行评估、维修保养，确保盾构机在孤石掘进过程中设备机况良好。针对孤石地层掘进特点，对盾构机关键设备系统进行重点维保，主要包括刀具检查更换、刀具监测系统、冲刷系统、常压换刀系统、泥浆环流系统、盾构推进系统、刀盘主驱动、保压系统等。对存在故障或隐患的机械设备进行维修，避免在孤石段掘进过程中出现长时间停机，需安全、稳定、连续通过孤石段。（3）刀具检查更换孤石段掘进盾构刀具采用全盘常压滚刀+普通刮刀，滚刀采用19英寸光面滚刀。在掘进孤石段前对刀具进行检查及更换。首先是检查更换常压滚刀，并对破岩范围滚刀进行配置优化，破岩范围滚刀采用重型滚刀，滚刀刀圈硬度采用梯度硬度设计，刀圈硬度从外至内58HRC55HRC逐渐递减,采用“外刚内柔”的设计形式。滚刀启动扭矩范围为2830N.m,刀具承载能力315Kn孤石地层掘进刮刀配置数量不宜过多，忌同一轨迹重复配置多把刮刀，满足孤石段掘进基本渣土导流功能需要即可。普通刮刀每个轨迹上配置一对保障开挖面全覆盖条件下，在掘进孤石地层前将全部常压刮刀全部退回，采用保护帽替代刮刀刀头，保护常压刮刀刀座。（4）掘进参数设定盾构到达孤石段前，调研类似孤石地层掘进数据，对前段掘进参数进行总结分析，主要包括盾构推力、推进速度、刀盘转速、泥仓压力、刀盘扭矩、出渣量、注浆量、地面沉降规律。优化孤石段掘进施工参数，严格控制