机械工程师评职范文砂卵石地层施工掘进技术

　　摘要：砂卵石地层由于其特殊地质条件，盾构施工中存在较大风险，本文通过掘进中地表沉降塌陷、盾构刀具磨损和换刀、盾构掘进轴线偏差施工风险的分析及控制措施，掘进参数控制及渣土改良达到降低盾构施工风险。

　　关键词：砂卵石地层,盾构,土压平衡,施工风险,掘进技术

　　1、工程概况

　　长沙轨道交通1号线一期工程桂花坪站至省政府站区间位置处于长沙市芙蓉南路上，芙蓉南路现状道路为双向6车道，区间岩性分布较复杂，隧道围岩分类为Ⅰ～Ⅴ级，隧道上部第四系底层厚6～27m，岩层厚度变化大，上方覆盖层不稳定。从上到下地层主要为：填土、粉质粘土、粗砂、砾砂、卵石层、强中风化泥岩层。盾构施工隧道范围内主要为砂卵石、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩，均为极软～软岩，遇水崩解。

　　2、施工风险分析与对策

　　2.1掘进中地表沉降塌陷风险及控制措施

　　2.1.1风险分析

　　①隧道顶部覆土自稳能力差，盾构掘进时平衡土压力过小，可能引起地面塌陷。

　　②受砂卵石土层和较大渗透率的影响，土仓内不易形成不透水流塑性状态的碴土而不能建立土压平衡机理，同时容易产生涌水、涌砂，造成细颗粒物质大量流失，引而造成地表塌陷。

　　③掘进过程中，实际出土量远大于理论出土量，地层损失过大。

　　④盾构掘进过程中，同步注浆不及时，也会引起地面塌陷。

　　2.1.2安全施工控制措施

　　①根据地质情况、隧道埋深(16m～23m)等参数，设定合理的土仓平衡切口土压力(1.5bar～2.0bar)，并防止过大波动。

　　②盾构螺旋机在推进过程中将防涌门开到合适开度，在富含承压水卵石地层中发生喷涌时，立即后退螺旋机放下后闸门，先隔断大喷涌情况，再进行舱内渣土改良。

　　③配置优良的碴土改良系统，选取质量较好“合东双”品牌泡沫剂和钠基膨润土外加剂进行储备，现场以泡沫剂为主要添加剂使用;经过出土取样试验，渣土含泥量在8%-14%左右，远低压土压平衡盾构安全掘进所要求的30%含泥量标准，因此在舱内渣土含泥量较少出土困难时，增加注入膨润土浆提高土仓中砂卵石土的流塑性和止水性;现场配备聚合物添加剂，采用膨润土罐搅拌储存，并在掘进时同步注入开挖舱，保证开挖面稳定，建立土压平衡，从而避免地表沉陷。

　　④即将进入砂卵石层时，出渣口安排专门技术人员进行盯守，填写出渣统计表，发现出渣渣土变化时及时报告至操作室;在砂卵石层地处掘进时，对土箱进行不间断清理，尽量接近土箱设计存量，现场人员根据渣斗每格容量判断是否超挖，控制出渣量，原则上控制砂卵石层出渣54～58m3，严禁超挖。

　　⑤及时进行同步注浆及二次补注浆，根据设计要求，以1.7倍松散系数为标准，同步注浆量控制在7.5m3～8m3,，现场以保障注浆量为目的，参照注浆压力。不间断的在盾构施工过程中进行跟踪注浆，在掘进完成地段发生地表沉降超限且二次补注浆不能及时跟进时，首先盾构机快速掘进完成掘进循环并转换土压平衡模式进行保压停机，采用同步注浆系统外接20m钢丝软管管路对沉降段管片顶部壁后开孔注浆，浆液采用单液浆或者砂浆，液浆在井口搅拌或者制作快速运输进入盾构机。

　　2.2盾构刀具磨损和换刀的风险及控制措施

　　2.2.1风险分析

　　①盾构掘进砂卵石层地段较长，开挖面有些地段卵石粒径较大，可能形成漂石，盾构掘进时，刀盘切削受力不均，不易转动，容易造成刀具偏磨，根据地层情况，刀具磨损无规律性，换刀位置不好确认。

　　②常压进舱在检查、更换刀具时，必须清空出土仓内的部分碴土以提供工作空间，原有的土压平衡被打破，由于卵石土层自稳能力差，掌子面土体容易坍塌，导致作业人员伤害，或引起地面坍陷。

　　③带压进舱更换刀具，人员加减压控制程序要求严格，舱内作业效率低，施工作业人员风险大。

　　2.2.2风险控制措施

　　①桂省区间掘进起讫里程YDK29+121.4～YDK28+278.5，总长842.9m(562环)，根据地质勘查纵断面图显示，YDK28+788.5～YDK28+278.5(222环～532环，长510m)及ZDK28+740～ZDK28+278.5(254环～562环，长461.5m)范围内盾构隧道断面逐渐进入砂卵石层，盾构在到达前进行一次开仓刀盘刀具检修工作。同时对盾构机进行全面检查与保养，确保盾构以良好状态通过砂卵石层。

　　②进入砂卵石层后，调整优化掘进参数，原则上准备一次性通过砂卵石段出洞。

　　③由于砂轮石地层中卵石含量的不规律性，刀盘刀具磨损将无法确定，考虑刀具磨损严重无法掘进情况，选择YDK28+475～YDK28+510(408～431环，隧道上覆粗砂层、隧道断面上部2m为卵石层、下部为粉质粘土层及全风化泥岩)位置，ZDK28+500～ZDK28+560(374-414环，隧道上覆卵石层、隧道断面为全风化泥岩)位置作为第二次开仓换刀点。在必须情况下需要换刀，先进行常压开仓试验，无法达到要求时再进行加压开仓。

　　2.3盾构掘进轴线偏差风险及控制措施

　　2.3.1风险分析

　　①盾构掘进过程中，地层突变以及推进姿态不易控制，盾构推进轴线过量偏移导致隧道设计轴线发生偏差。

　　②盾构超挖或欠挖、纠偏不及时、测量误差与同步注浆量不够也可能造成轴线偏差。

　　2.3.2风险控制措施

　　①桂省区间YDK28+827～YDK28+760(196环～241环)及ZDK28+780～ZDK28+705(227环～278环)为隧道断面地层变换段，极易发生姿态偏移，注意控制掘进参数，调整盾构姿态。

　　②正确设定平衡土压力，减少超挖与欠挖现象，控制好盾构姿态;

　　③盾构姿态发生偏差时及时纠偏，使盾构正确地沿着隧道设计轴线前进，盾构姿态发生较大偏移时采用及时屏蔽油缸、增加土仓压力、增加推力、减慢推进速度等措施进行纠偏，建议备用外接液压顶推系统，纠偏时切记过猛，遵循缓慢纠偏原则，每环纠偏量控制在5mm～10mm范围内。

　　④盾构掘进过程中经常校正、复测及复核测量基站;施工按质保量做好注浆工作，保证浆液质量和注浆量。

　　3、 掘进参数控制及渣土改良

　　3.1掘进参数控制

　　①推进速度控制：在保持土仓压力的稳定，掘进速度必须与螺旋输送机的转速相符合，同时必须兼顾注浆，确保浆液能均匀填实管片与地层的空隙，根据施工的实际情况确来尝试，砂卵石段推进速度保证在40～50mm/min为宜。

　　②刀盘转速：刀盘转数与掘进速度相矛盾，转数小了，速度上不去，转数大了，刀盘磨损严重，扰动大，在保证刀盘安全的前提下，尽量提高刀盘转速，刀盘转数应控制在1.2rpm/min～1.5rpm/min为宜，确保不换刀一次快速通过。

　　③出碴量的控制：每环掘进出碴量根据试掘进段取得的参数进行控制。出碴量控制可通过推进速度与螺旋输送机转速来实现，每环出渣量控制在54～58m3，出渣口技术员根据掘进进尺和渣车中渣量进行检查控制超挖，龙门吊司机倒渣时进行复核，一旦超挖，立即上报。

　　④推力与扭矩：在保证高速掘进速度的同时，推力和扭矩要适中，其原则是，只要掘进速度能上去，尽量采用小推力、小扭矩，一旦推力和扭矩突变，一定要进行分析后，再继续掘进。

　　3.2渣土改良方法

　　渣土改良技术主要是辅助材料的使用和配比控制，改良渣土的和易性在土压平衡盾构砂卵石掘进中比较重要。

　　①泡沫剂的使用：泡沫剂在砂卵石地层中主要起到润滑作用，降低磨损保护刀具，同时有效降低渣温等作用。应尽量选用偏重于润滑性能为主的泡沫。具体添加量要根据地层而定，泡沫加注参数如下：a.膨胀率值在1：10～1：20之间;b.注入比值在15%～20%之间。

　　②加泥系统的使用：膨润土的合理加入也可起到与高分子材料的同样作用。我部对省政府站开挖时隧道断面范围取样试验，砂卵石地层本身含泥量小于10%，含泥量较小，可以在开挖面加入钠基膨润土泥浆，一般以300目左右细料为宜，在地面先进行发酵后使用，不仅避免堵管带来的风险，而且渣土改良效果较好，膨润土：水=1：1的比率。

　　③高分子聚合的使用：在砂卵石层的掘进中，适量加入高分子材量，能有效改良渣土的和易性，预防渣水分离而产生喷涌等不利情况。根据对比分析，高分子聚合物只能作为应急使用，其参量为1%～3%。

　　4、结语

　　降低盾构刀具及刀盘磨损是一大重点。若地层中的大粒径卵石含量很高，应考虑加装高稠度膨润土液注入系统。在砂卵石地层中进行盾构施工，若累计沉降在允许范围内，保持低土压推进对降低刀具磨损有利。做好土体改良，使螺旋输送机能将卵石和砂子一起排出土仓。通过对土体的塑流化改良，可以显著降低推进阻力、降低刀具磨损，还有利于砂卵石的顺利输送，达到了快速施工的要求。

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