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富水软弱地层盾构施工技术中铁一局城轨分公司林建平Tel.:13638621708讨论的主要内容•1、富水软弱地层的特点•2、富水软弱地层端头加固•3、富水软弱地层盾构始发和接收•4、富水软弱地层盾构推进•5、渣土改良•6、富水软弱地层地层运动规律及控制•一、富水软弱地层土压盾构施工特点•现在我们城轨公司施工的富水软弱地层地区有南京、武汉、杭州、苏州及广州部分地区。软弱地层地质分类：有淤泥质、淤泥质粉土、淤泥质粉质粘土、粉土粉沙层、粉沙层、粉细砂层及中砂层。富水的特点是主要由地面水、承压水、潜水引起。所有盾构隧道使用土压平衡盾构机土压平衡盾构施工基本原理图•1、土压力计算特点：•富水软弱地层土压力计算，要合理利用土力学公式，采用水土分算（比水土合算安全）的办法。隧道掘进掌子面无承压水或是微承压水（水头高度未超出地面），掘进土压采用：浮土容重（水位以下）+天然容重（水位以上）+水压的计算办法。隧道掘进掌子面有承压水，掘进土压采用：浮土容重+承压水压的计算办法。•主动土压力：δ主=δztan2(450-φ/2)-•2Ctan(450-φ/2)•被动土压力：δ被=δztan2(450+φ/2)+•2Ctan(450+φ/2)•静止土压力：δ静=(1一sinφ)γ水土H（水土合算，为了设定土压力参考服务）•掌子面土压力δ主δ0δ被•即δ主+δw/P压δ刀盘(I—X)+δ仓内X•δ被+δw/P压•δz=γ土H主动土压力被动土压力•2、土压控制特点•软弱地层土压变化频繁，由于受土仓加注泡沫影响，经常会误判土仓土压变化原因（把地层超挖或塌方造成土压升高误判为加注泡沫引起的土压增加），容易导致盾构超挖和超出土方问题，进而造成掌子面土体变形及地面沉降。所以在掘进过程中要严格控制出土速度和方量。•3、地层变化灵敏•富水软弱地层自立性差(产生土拱现象较难)，地层内土体变形可在6个小时以内传递到地面，造成地面沉降，影响周遍环境。所以同步注浆的时间、压力及数量需与盾构掘进状态相匹配。•注浆压力约大于注入点的静止水压及土压力之和，并不至于引起地面隆起为宜；注浆量控制在粉土粘土层注浆量大于1.5倍几何空隙，在砂层中注浆量更大，甚至达到3倍几何空隙。同步注浆的主要目标是控制地面隆沉值不超过规范规定。•4、盾构始发端头土体加固要求高•盾构始发接收地层端头加固质量要求高，土体加固的整体稳定性和止水性必须同时达到标准，否则会出现整体滑塌或涌水涌砂。•5、盾构机姿态纠偏速度慢•由于软弱地层中，无法给盾构机提供足够纠偏反力，一旦盾构机偏离轴线，纠偏难度大，完全依赖于管片反力纠偏。在水平曲线上盾构机需提前拟合曲线，保护其水平偏差在尽可能小的范围内；在竖曲线上在提前拟合曲线的过程同时要保持盾构机昂头姿态，防止盾构跌头后，难以纠偏。软土中推进，没有必要使用超挖刀。•6、渣土改良难度大。二、富水软弱地层端头加固技术•在软土地区的盾构施工中，端头土体加固是施工中的重要环节，也是施工控制的重点。端头加固作为一项临时工程其目的就是保证盾构机安全顺利地始发或者到达，因此要求加固后的土体在端头井围护结构凿除后能有良好的自稳性、防水性、匀质性。1、合理加固长度的确定•在上海软土盾构工程中，目前基本上采用始发端头加固长度6m、到达端头加固长度3.5m。但在实际施工过程中，我们均取盾构机的长度为加固区长度，一般选在8m左右，以防止加固体之外的水沙穿越加固体，涌透洞门密封，造成安全事故。•配加固区平面图•2、加固方法•常用加固方法有：•1）搅拌桩+旋喷桩，•2）高压旋喷，•3）高压旋喷+降水，•4）冷冻法。•检测手段直接方便。•①土体加固后，在端头井围护结构的上、中、下和左、中、右工钻φ100mm的探孔9个，探孔进入加固土体﹥200cm。•②观察个探孔的渗水情况，要求不能有明显水流，不得有浑水或夹泥沙流出。三、盾构始发和接收技术•1、始发洞口的地层加固效果检验•在盾构始发之前，对洞门出土体加固效果要仔细检查，打设探测孔，检测土体加固的稳定性和止水性，加固后地层要具备最少一周的侧向自稳能力。检测空要不流水流沙。•2、始发洞口维护结构的切除•凿除可分两次进行，第一次先将围护结构主体凿除，只保留维护结构的钢筋保护层，在盾构始发前将保护层混凝土凿除。•在凿除完最后一层混凝土之后，要及时的检查始发洞口的净空尺寸，确保没有钢筋、混凝土侵入设计轮廓范围之内。•3、洞口密封•洞口密封的施工分两步进行施工，第一步在车站结构的施工过程中，做好始发洞门预埋件的埋设工作。在埋设过程中预埋件必须与车站结构钢筋连接在一起。第二步在盾构正式始发之前，清理完洞口的碴土，完成洞口密封的安装。为了确保安全，用膨胀螺栓再次对安装好的钢环二次预加固。•帘布的安装方向?•钢环板加固?盾构机进出洞洞门密封实物图•4、洞口始发导轨的安装(混凝土、钢的两种）•在围护结构破除后，盾构始发台端部距离洞口围岩必然产生一定的空隙，为保证盾构在始发时不致于因刀盘悬空而产生盾构“叩头”现象，需要在始发洞内安设洞口始发导轨。在安设始发导轨时应注意，在导轨的末端预留足够的空间，以保证盾构在始发时，不致因安设始发导轨而影响刀盘旋转。•5、始发台的定位与安装•由于始发台为盾构始发时提供初始的空间姿态，始发台要与掘进线路前进方向有一个昂头的夹角，使盾构机始发时能够昂头20-30mm。•6、空载推进•盾构在空载向前推进时，主要控制盾构的推进油缸行程和限制盾构每一环的推进量。盾构推进要控制在反力架承受力范围内。•要在盾构在向前推进的同时，检查盾构是否与始发台、始发洞发生干涉或是否有其他异常事件或事故的发生，确保盾构安全的向前推进。•空推的过程中也要严格加注盾尾油脂，以免尾刷被磨损。7、洞内管片拉接•在隧道内沿纵向用140槽钢将15环管片拉接紧。8、应急物资准备序号123456789101112131415161718192021222324物资设备方木及棉纱混凝土泵车C20商砼挖掘机运土车双液注浆机风钻聚氨酯水泥水玻璃直径10mmPVC管砂袋污水泵500QW24-35-5.5污水泵500QW24-35-7.5铁锹雨鞋应急灯发电机250vkw电线3*102+1*62电线3*162+1*62警示灯编织袋棉被对讲机数量若干1台40m32辆3辆1台1台10桶30t20桶100m300袋2台2台20把20双10把1台500m120m200m500个30个4部用途漏水封堵洞门封堵洞门封堵井内回填井内回填注浆止水打注浆孔注浆止水注浆材料注浆材料注浆止水洞门封堵应急排水应急排水抢险抢险抢险照明预防照明抢险用电抢险用电抢险填充砂袋洞门封堵抢险通讯存放地点现场场外待命场外待命场外待命场外待命现场现场现场现场现场现场现场现场现场现场现场现场现场现场现场现场现场现场现场四、富水软弱地层盾构推进技术•1、盾构始发掘进•1)盾构机的姿态控制始发掘进中盾构机姿态的控制是一个重点、难点。•2)始发段地质条件较差，地下水位高、覆土比较薄、加固区土体较硬，宜以lOmm／min的速度缓慢推进。•3)背衬注浆控制盾构机始发阶段前15环的背衬注浆的浆液采用早强性浆液，该浆液由搅拌站经管路直接泵入盾构机上的储浆罐中以备用。•试验室要做初凝时间4h、6h、8h、10h、12h浆液•2、盾构机达掘进•1)穿越加固区到达掘进同始发掘进一样要穿越加固区，存在刀盘启动困难或扭矩较大、螺旋输送机扭矩较大的现象。根据周遍环境合理控制盾构的掘进参数。尤其是土压、扭矩控制。•2)刀盘破土刀盘破土即刀盘从加固区掘出土体的过程，此时盾构掘进从土压平衡模式进人非土压平衡模式，须派专人在洞外时刻观察洞口的变化情况，并和盾构主司机保持实时联系。破土时宜降低刀盘转速、推进油缸压力和推进速度，推进速度宜控制在5—10mm／min。•3)盾构机接收这是盾构机刀盘破土后推进到接收架的过程，此时刀盘、螺旋输送机、皮带输送机已停止工作，整个推进过程由推进系统独立完成。推进速度一般控制在60～80mm／min。•3、盾构正常掘进•3.1、合理控制盾构机掘进参数、建立有效土压平衡、确保同步注浆效果，是控制地层损失、减小地层变位的有效手段。•3.2、在曲线段(包括水平曲线和竖向曲线)推进时：•1)进入曲线施工前，调整好盾构的姿态。•2）在曲线上，每环掘进中间，（盾尾间隙比较小的盾构）释放依次推进油缸压力，使盾构机和管片的应力从新组合。•3)精确计算每一推进循环的偏离量与偏转角，根据盾尾间隙及推进油缸行程差、铰接油缸行程差和掘进线形选择合适的管片，合理选配推进千斤顶的数量、推进力，分区与组合进行推进。尽量以管片姿态决定盾构机姿态。•4)为防止管片外斜，必须保证管片背衬注浆的效果，使千斤顶的偏心推力有效地起作用，确保曲线推进效果，减少管片的损坏与变形。•5)曲线施工中盾构曲线走行轨迹引起的建筑空隙比正常推进大，应加大注浆量，正确选好压注点。•6)注意铰接油缸处和盾尾有无泄露，发现泄露及时采取措施，加大盾尾密封油脂的注入量。•7)换碴车时不间断掘进，协调各工序，避免长时间停机。•4、渣土管理•刀盘切削下来的泥土充满土仓，土仓内泥土压力与作业面的土压和水压相平衡，掘进时螺旋输送机的出土量必须与盾构推进的开挖土量相平衡，保持正面土体稳定，以防止地下水土的流失而引起地表沉降。掘进中可以通过出碴量的情况来推算开挖面的情况，若出碴量大，则开挖面可能出现了坍塌而造成地面沉降；出碴量小，则开挖面可能有空洞或裂隙比较发育。所以要控制好每环的出碴量，应控制在理论出碴量的95％-105％之间，如有异常应采取相应措施。松散系数的考虑粉细砂层偏小，可以不考虑。和广州地方的区别五、渣土改良技术•1、渣土改良的目的：采用塑流化技术，向盾构开挖面、土压仓(必要时向螺旋输送机)注入改性材料(泥浆、泡沫、聚合物等)，使倔削土体经过改良后具有良好的塑流性和低透水性，增强其和易性能和阻止水能力，以保证开挖面稳定，出渣连续顺利，实现土压平衡掘进；同时有利于降低机械负荷，提高盾构掘进效率。基本要求：良好的塑性变形特性优良的粘稠性能较小的内摩擦力，和较低的渗透性（渗透系数）•2、土的粘性划分•土壤的种类和特性决定着塑流化改良的需要与类型，比如土的颗粒分布、细颗粒土的含量、含水量、液限、塑性指数、稠度指数等。工程用土分为细粒、粗粒和巨粒三类：细粒土又细分为粘粒与粉粒，粗粒土分为砂粒、细砾与砾粒，巨粒土分为卵粒与漂石粒。粗粒和巨粒是颗粒土，通常被认为是无粘聚性土，而细粒土多为粘聚性土。通常，无粘聚性土与粘聚性土的分界粒径是0．075mm。•大量施工实践证明．盾构开挖断面实际土壤中细颗粒土含量30％以上，且土体呈塑态(见图1、图2)时，其塑流性满足土压平衡盾构掘进要求；而细颗粒含量低于30％的土体．必须通过注入改良材料进行塑流化改良，以提高土的塑流性和止水性，满足土压平衡盾构掘进需要。•地质报告上有参数•3、常用改良材料•改良材料必须具有流动性、易与开挖土体混合、不离析、无污染等特性。土压盾构常用的改良材料有矿物类、界面活性剂类、高吸水性树脂类和水溶性高分子类。后二类亦被称为聚合物类，各类改良材料可单独使用或组合使用。•(1)矿物类：主要有膨润土、粘土、陶土等。•(2)界面活性剂类：泡沫。•(3)高吸水性树脂类：高吸水性树脂是遇水瞬时吸水呈胶体状的高分子化合物，具有吸水、不溶于水等特性，在高水压地层能充分发挥防止喷发的作用，TAC。••(4)水溶性高分子类•水溶性高分子类(增粘剂)是溶于水、呈现粘稠性的化合物，按其使用的主要原材料分类有纤维素类、丙烯类和其它(植物粘质物类、阴离子类)。其中．多数材料的增粘性与粘结性能优异。除能改善开挖土体的流动性和止水性外，泵送性能也很好。•4土压平衡盾构机改良材料选用•4．1选用依据•(1)土质(粒度分布、砾石粒径、砾石含量、粘性土含量、均等系数等)：•(2)透水系数：•(3)地下水压：•(4)注入设备的装备空间(地面、隧道内)；•(5)费用(材料价格、注入量、材料损耗、用电量、设备费等)。综合测算•4．2适用土质•(1)膨润土浆液适用于砂粒、细砾