第八章 盾构隧道施工方法及技术措施

南京地铁三号线土建工程D3-TA12标实施性施工组织设计129中交隧道工程局有限公司第八章盾构隧道施工方法及技术措施§§§111端头加固1.1端头加固概述盾构进出洞门外土体为软弱含水的土层，盾构机在进出洞时，工作面将处于开放状态，这种开放状态将持续较长时间。若不提前加固处理，地下水、涌水等就会进入工作井，就会导致软弱地层不稳定，严重情况下会引起洞门塌方。为确保施工安全及盾构机顺利始发及出洞，必须对洞门外土体进行加固处理。本标段盾构始发及到达共有4个端头需要加固，具体加固方法见表8-1-1表8-1-1盾构进出洞端头加固方法一览表区间端头名称地质情况加固方法加固范围备注大明～明发区间大明路站南端头全断面范围内为④-1b1-2粉质粘土Φ850三轴搅拌桩+双重管旋喷桩（加固体与围护结构间双排）横向隧道中心两侧各6.1m，竖向为隧顶上3m至隧底下3m，纵向拱顶及洞身6m，隧底10m。到达及调头明发广场站东端头上部及拱顶为②-2b4淤泥质粉质粘土，隧道中下部及底部为②-3b3-4可塑状粉质粘土。Φ850三轴搅拌桩+双重管旋喷桩（加固体与围护结构间双排）横向隧道中心两侧各6.1m，竖向为隧顶上3m至隧顶下3m，纵向9m。始发及到达明发～绕城区间明发广场站西端头上部及拱顶为②-2b4淤泥质粉质粘土，隧道中下部及底部为②-3b3-4可塑状粉质粘土。Φ850三轴搅拌桩+双重管旋喷桩（加固体与围护结构间双排）横向隧道中心两侧各6.1m，竖向为隧顶上3m至隧顶下3m，纵向9m。盾构始发绕城接头井拱顶为②-2b4淤泥质粉质粘土，断面范围内为②-3b3-4软～流塑状粉质粘土，隧底为k1g-2强风化泥质粉砂岩。Φ850三轴搅拌桩+双重管旋喷桩（加固体与围护结构间双排）横向隧道中心两侧各6.1m，竖向为隧顶上3m至隧底板处，纵向9m盾构接收1.1.1加固的原则（1）根据隧道埋深及盾构隧道穿越地层情况，确定加固方法和范围。（2）在充分考虑洞门破除时间和方法的基础上，选择合适的加固方法和范围，确保洞门破除和盾构机进、出洞的安全。1.1.2加固要求根据始发及到达端头地层性质及地面条件，选择加固方法，加固后的土体应有良好的自立性，密封性、均质性，采用搅拌桩加固的土体无侧限抗压强度不小于0.8MPa，渗透系数k≤1×10-8cm/sec。南京地铁三号线土建工程D3-TA12标实施性施工组织设计130中交隧道工程局有限公司（2）渗透系数＜1.0×10-5cm/s。1.2端头的施工1.2.1施工原理旋喷法施工是利用钻机把带有特殊喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后，用高压脉冲泵，将水泥浆液通过钻杆下端的喷射装置，向四周以高速水平喷入土体，借助流体的冲击力切削土层，使喷流射程内土体遭受破坏，与此同时钻杆一面以一定的速度旋转，一面低速徐徐提升，使土体与水泥浆充分搅拌混合，胶结硬化后即在地基中形成直径比较均匀，具有一定强度的桩体，从而使地层得到加固。1.2.2机械设备旋喷法施工主要机具设备包括：高压泵、泥浆泵、钻机、浆液搅拌器、空压机、旋喷管和高压胶管等；辅助设备包括操纵控制系统、高压管路系统、材料储存系统以及各种管材、阀门、接头安全设施等。浆液搅拌采用污水泵自循环式的搅拌罐，钻机采用XY-100型振动钻机，空压机采用SA-5150W空压机，参数为20m3/min。1.2.3材料要求旋喷使用的水泥应采用新鲜无结块42.5R普通硅酸盐水泥，浆液水灰比为1:1。稠度要适合，水泥掺入量250kg/m，粘土粉50kg/m，为消除离析，加入0.9％的碱。浆液宜在旋喷前lh以内配制，使用时滤去＞0.5mm的颗粒，以免堵塞管路和喷嘴。1.3端头地层加固施工工艺1.3.1三轴搅拌桩施工工序①定位三轴搅拌机开行到指定桩位，对中。当地面起伏不平，应注意调整机架的垂直度；搅拌桩的桩位偏差不得大于50mm，垂直度不得大于1.5%。②制备水泥浆在搅拌机定位的同时即开始按设计确定的配合比拌制水泥浆，水泥浆的搅拌采用二次搅拌方式，灰浆拌和时间不少于2min，保证拌和均匀，不发生沉淀，放置水泥浆的时间不超过2个小时，搅拌好的水泥浆须在一个小时内用完。外渗剂可根据工程需要选用具有早强、缓凝、减水、节省水泥等性能的材料，为增强流动性可掺入水泥重量0.20%～0.25%的木质磺酸钙，1%的硫酸钠和2%的石膏，但应避免污染环境。③预搅下沉检查无误后开动搅拌机，以正循环方式钻进，为避免搅拌过程中喷浆口的堵塞，边喷射水泥浆边搅拌下沉，下沉速度控制在0.8m/min。南京地铁三号线土建工程D3-TA12标实施性施工组织设计131中交隧道工程局有限公司④喷浆搅拌提升为保证水泥搅拌桩桩端、桩顶及桩身质量，第一次提钻喷浆时应在桩底部停留30秒，进行磨桩端，然后以反循环方式提升，余浆上提过程中全部喷入桩体，且在桩顶部位进行磨桩头，停留时间为30s，提升速度要保持均匀，控制在0.5m/min。⑤重复上下搅拌为使软土和水泥浆搅拌均匀，采用“两搅两喷”的工艺，即第一次搅拌提升后可再次将搅拌机边旋转边沉入土中，至设计加固深度后再将搅拌机提升出地面，即完成一根三圆嵌套的加固体。⑥移位开行搅拌机（履带式机架可以进行转向、变幅作业）到新的桩位，重复上述1～5步骤，进行下一根桩的施工，注意下一根桩与上一根桩要搭接250mm，最终形成一个连续的加固体。三轴搅拌桩技术参数见表8-1-2。表8-1-2搅拌桩施工技术参数项目参数项目参数水泥掺量13～15%搅拌速度30～50r/min下沉速度≤0.8m/min浆液流量40L/min提升速度≤0.5m/min水灰比0.751.3.2双重管旋喷桩施工工序①测量定位根据桩位坐标用全站仪定出中心，并将中心点引于冠梁挡土板顶，作为钻机定位依据。测量现场地面标高，确定桩顶及桩底标高。对桩位进行编号，以利于施工管理和资料整理。②钻机就位喷射注浆施工的第一道工序就是将使用的钻机安置在设计的孔位上（此之间应做好场地平整），使钻杆头对准孔位中心。同时为保证钻孔达到设计要求的垂直度，钻机就位后，必须做水平纠正，使其钻杆轴线垂直对准钻孔中心位置。喷射注浆管的允许倾斜度不得大于1.0％。③钻孔钻孔的目的是为将喷射注浆管插入预定的地层中，采用工程地质钻机钻孔，钻至设计标高。钻孔位置与设计位置偏差不得大于50mm。④旋喷机就位插管地质钻机成孔后移开原位，旋喷机就位对准孔位插管，将喷射注浆管插入地层预南京地铁三号线土建工程D3-TA12标实施性施工组织设计132中交隧道工程局有限公司定的深度，在插管的过程中，为防止泥沙堵塞喷嘴，可边射水、边插管，水压力一般不超过0.8MPa，如压力过高，则易将孔壁射塌。⑤喷射注浆当注射浆管插到预定深度后，由下而上进行喷射注浆，双重管旋喷桩施工详细技术参数如表8-1-3。旋喷作业时，应检查注浆流量、压力、旋转提升速度以及水泥浆配比等。高压浆液射流的压力20Mpa~30Mpa，流量80～120L/min；空气压力：0.7Mpa～0.8Mpa，流量1m3～2m3/分钟；钻机旋转速度：10～20r/min；钻机提升速度：10～20cm/min。当浆液初凝时间超过20h时，应及时停止使用该水泥浆（正常水灰比1：1，初凝时间为15h左右）。钻杆的旋转和提升必须连续不中断，拆卸钻杆继续旋喷时，其搭接长度不小于200mm。⑥冲洗施工完毕，应把注浆管等机具设备冲洗干净，管内机内不得残存水泥浆。通常把浆液换成水，在地面上喷射，以便把泥浆泵、注浆管和软管内的浆液全部排出。⑦移动机具把钻机等机具设备移到新孔位上，进行下一孔位施工。表8-1-3双重管高压旋喷桩施工技术参数水灰比1气压力0.7～0.8Mpa浆喷浆压力10～20Mpa提升速度10～20cm/min旋转速度10～20r/min水泥掺量550kg/m3§§§222盾构掘进机的选择及操作控制2.1掘进机的特点和适用条件本标段盾构区间上部地面主要以分布低层建筑物,主干公路,高架桥组成，地面下须穿小型箱涵，无大型障碍物。根据工程地质和水文地质资料可知此区段穿越地层大部分为粉质粘土，渗透性差，无高压承压水，因此区间选用的盾构机为土压平衡盾构机。2.1.1土压平衡模式土压平衡模式是在机械挖掘式盾构前段设置隔壁形成密封土舱切削下来的土体以泥水状态进入密封土舱和螺旋输送机，同时碴土需具有塑流性且要充满密封舱。随着盾构的掘进密封土舱内的碴土上产生压力，此压力与开挖面的水，土压平衡，保证南京地铁三号线土建工程D3-TA12标实施性施工组织设计133中交隧道工程局有限公司该面的稳定。此外碴土具有流塑性，可顺利往外排除。外加剂一般采用膨润土或泡沫剂。该掘进模式适用于具有流塑性，含砂量较低的软弱粘性土。2.2各掘进模式的主要掘进参数及技术措施2.2.1技术措施（1）土压平衡模式掘进的技术措施：①采用以齿刀、刮刀为主切削土层，以低转速、大扭矩推进。②土仓内土压力值P应略大于静水压力和地层土压力之和P0，即P=K·P0（K介于1.0～1.3），并在掘进中不断调整优化。③土仓压力通过采取设定掘进速度、调整排土量或设定排土量、调整掘进速度两种方法建立，并应维持切削土量与排土量的平衡，以使土仓内的压力稳定平衡。④盾构机的掘进速度主要通过调整盾构推进力、转速(扭矩)来控制，排土量则主要通过调整螺旋输送机的转速来调节。在实际掘进施工中，应根据地质条件、排出的碴土状态，以及盾构机的各项工作状态参数等动态地调整优化，此模式掘进时应采取碴土改良措施增加碴土的流动性和止水性。2.3碴土改良和管理在粘性大及复杂地层的盾构施工中，根据围岩条件适当注入添加剂，确保碴土的流动性和止水性，同时要慎重进行土仓压力和排土量进行管理。2.3.1碴土改良的目的（1）使碴土具有良好的土压平衡效果，利于稳定开挖面，控制地表沉降；（2）提高碴土的不透水性，使碴土具有较好的止水性，从而控制地下水流失；（3）提高碴土的流动性，利于螺旋输送机排土；（4）防止开挖的碴土粘结刀盘而产生泥饼；（5）防止螺旋输送机排土时出现喷涌现象；（6）降低刀盘扭矩和螺旋输送机的扭矩，同时减少对刀具和螺旋输送机的磨损，从而提高盾构机的掘进效率。2.3.2改良的方法与添加剂碴土改良就是通过盾构机配置的专用装置向刀盘面、土仓内或螺旋输送机内注入泡沫或膨润土，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土碴混合，其主要目的就是要使盾构切削下来的碴土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，以满足在不同地质条件下盾构掘进可达到理想的工作状况。南京地铁三号线土建工程D3-TA12标实施性施工组织设计134中交隧道工程局有限公司2.3.3碴土改良的主要技术措施根据本工程的地质条件和盾构施工的经验，采取如下主要技术措施：（1）在富水断层带和其它含水地层采用土压平衡模式掘进时，拟向刀盘面、土仓内和螺旋输送机内注入泡沫，并增加对螺旋输送机内注入的泡沫量，以利于螺旋输送机形成土塞效应，防止喷涌。（2）在砂性土地层中掘进时，拟采取向刀盘面和土仓内注入泡沫来改良碴土。泡沫注入量根据具体情况确定。（3）在块状结构，泥、钙质胶结的泥质粉砂岩，粉砂质泥岩中掘进时，由于掘进对地层的扰动，不易形成连续的土压，为此采取向刀盘面、土仓和螺旋输送机内注入泡沫和浓度高的膨润土泥浆来改良碴土，维持土仓内土压平衡。2.3.4防泥饼措施当盾构机全断面通过英安斑岩残积硬塑状粉质粘土和硬塑残积粉质粘土地层时，刀盘中心区和土仓中心区容易形成“泥饼”，产生堵仓现象，造成刀盘转动负荷加大，排土不畅，甚至停止转动，同时造成土仓内温度升高，影响主轴承密封的寿命，严重时会造成主轴承密封老化破坏，“泥饼”现象往往会堵塞滚刀，使滚刀发生偏磨。如果地下水较丰富，螺旋机由于排土不畅而无法形成土塞，排土口会产生喷涌，开挖面就会失稳，发生地层坍塌。2.3.5盾构机在粘性岩中掘进的措施：（1）加强盾构掘进时的地质预测和泥土管理，特别是在粘性土和泥质硅胶岩石中掘进时，更加密切注意开挖面的地质情况和刀盘的工作状态。（2）在这种地层掘进时，增加刀盘前部中心部位泡沫注入量和选择比较大的泡沫加入比例，