泥岩地层掘进参数选择

成都地铁四号线二期土建五标泥岩地层掘进参数选择一、工程概况1、工程概况2、工程地质及水文地质二、影响掘进的主要参数三、掘进参数的选择1、掘进参数的设定2、掘进参数的选择一、工程概况1、工程范围十陵东站～西河镇站盾构区间位于成都市龙泉驿区境内，盾构区间隧道起于十陵东站东段2#明挖区间，止于西端3#明挖区间。盾构区间起讫里程为YDK43+999.3～YDK44+900.700，ZDK43+001.135～ZDK44+900.700，左线线路总长890.7m，短链长8.840m，右线线路总长894.3m，短链长7.105m，全线总长为1785m。区间隧道拱顶最大覆土埋深18m，最小埋深4.1m，最小曲线半经700m，最大坡度28‰，最小坡度16‰(车站过渡段2‰)，相应附属工程含4个洞门、1个联络通道兼泵房(里程YDK44+530.000、ZDK44+530.078)。盾构区间下穿的主要建筑物有绕城高速、燃气管线及成花铁路等；十西盾构区间线路图2、工程地质及水文地质区间位于成都平原区与龙泉山低山丘陵区过渡带的成都东部台地区，属川西平原岷江水系Ⅲ级阶地，主要为山前台地地貌，次为侵蚀、堆积型丘、岗、谷地貌。随着城市的发展，测区范围地表大多已被人工改造，房屋密集分布，道路纵横交错。区间范围上覆第四系全新统人工填土（Q4ml）；其下为第四系上更新统冰水沉积、冲积成因的（Q3fgl+al）黏土，中更新统冰水沉积、冲积成因的（Q2fgl+al）黏土夹卵石、卵石土；下伏白垩系上统灌口组（K2g）泥岩。按上述分层依据，结合本工程地质断面，划分岩土层。每个岩土层描述如下：1-1人工素填土（Q4ml）：黄褐、灰褐等杂色，松散～稍密，稍湿，以黏性土为主，夹砖块、混凝土碎块、卵石等。该土层均一性差，多为欠压密土，结构疏松，多具强度低，压缩性高，受压易变形的特点。该层广泛分布于场地地表，层厚0～3.8m。3-1-1软黏性土（Q3fgl+al）：灰黑色，软塑，粘性强，有臭味，液性指数IL=0.76～0.79，天然快剪指标：凝聚力C=8～18kPa，内摩擦角Φ=6.9～14.2°。该层仅在3个钻孔中揭示，厚度变化较大，层厚0～5m，顶板埋深0～1.0m。3-2-1黏土（Q3fgl+al）：棕黄、黄褐色，可塑～硬塑，粘性强，含铁锰质结核，夹灰白色高岭土团块，岩芯呈土柱状，能搓成3～5mm的细条。该层广泛分布于表层人工填土之下，层厚0.8～15.9m，顶板埋深0～3.8m。标贯实测击数平均值N=15.6击/30cm。根据室内试验：天然密度ρ=1.72～2.08g/cm3，天然含水量ω=17.6～34.9%，天然孔隙比e=0.57～0.99，饱和度Sr=63～100%，液限WL=26.4～57%，塑限WP=13.9～26.8%，塑性指数IP=12.5～30.2，液性指数IL=-0.16～0.59，天然快剪指标：凝聚力C=29～85kPa，内摩擦角Φ=11.5～20.5°，压缩系数av=0.110～0.375MPa-1，压缩模量Esv=4.87～12.78MPa。自由膨胀率Fs=37～61%，属弱～中等膨胀土。4-1黏土夹卵石（Q2fgl+al）：灰褐色、棕黄色，硬塑，约夹10～45%的卵石，卵石粒径以30～80mm为主，石质成分主要为砂岩、石英砂岩、灰岩及花岗岩等，部分卵石已风化成砂状，该层卵石含量差异较大。颗粒分析试验显示，0.075～0.005mm的黏粒含量为一般19.8～33.4%，局部含量较高。该层主要分布于3-2-1黏土之下，层厚0～12.2m，顶板埋深6.3～13.2m。该层黏土具有弱～中等膨胀。4-2-1细砂（Q2fgl+al）：褐黄色，饱和，中密，主要成分以石英为主，长石次之，分选性和磨圆度较好，黏粒含量约25%。该层呈透镜体状分布，层厚0～1.5m，顶板埋深12.2～16.2m。4-5-2卵石土（Q2fgl+al）：棕黄色、灰褐色，饱和，密实，卵石约占50～70%，粒径2～10cm，夹少量圆砾，余为细砂、黏土充填，石质成分主要为砂岩、石英砂岩、灰岩及花岗岩等，卵石以亚圆形为主，少量圆形，分选性差。根据相同地质单元的点荷载试验结果，换算岩石单轴抗压强度平均值R为64.3MPa～127.0MPa，换算岩石单轴抗压强度Rmax＝200.5MPa。该层层厚0～10m，顶板埋深7.4～16.8m。5-1-1全风化泥岩（K2g）：紫红、褐红、肉红等色，呈土状，原岩结构已破坏，偶夹少量碎石、角砾。该层层厚0～11.4m，顶板埋深0～21.7m。标贯实测击数平均值N=15.9击/30cm。5-1-2强风化泥岩（K2g）：紫红、肉红色，泥质结构，泥质胶结。岩芯呈土状、碎块状、饼状，少量短柱状。该层层厚0～7.9m，顶板埋深12.5~33.1m。5-1-3中等风化泥岩（K2g）：紫红色，泥质结构，泥、钙质胶结，中～厚层状构造，风化裂隙较发育，岩质软，锤击声哑，局部夹砂质泥岩。岩芯多呈短柱状，少量长柱状。该层顶板埋深18.1～32.1m。根据室内试验：天然密度ρ=2.1～2.5g/cm3，天然含水率ω=6.1～16.9%，天然抗压强度1.0～9.3MPa，饱和吸水率ωsa=5.9%～31.7%，膨胀力Pp=7～174kPa，自由膨胀率FS=20%～63%。岩石坚硬程度分类为极软岩~软岩，岩体基本质量等级分类为Ⅳ。二、各掘进参数的相对关系由于盾构机掘进是在埋深较深和密闭环境中进行，掘进参数的选择对盾构施工至关重要。选择得当可以控制地表沉降，延长刀具寿命，并保证盾构机良好的工作状态等。在掘进过程中主要考虑的参数有：土仓压力、刀盘转速、推进油缸各分区油压、掘进速度、螺旋机转速、刀盘扭矩、出渣口仓门开口大小、铰接油缸行程、同步注浆压力及速度、渣土改良添加剂等。土仓压力是为了平衡开挖面压力及水压力，以避免掌子面失稳坍塌或地层失水过多引起的地表沉降。掘进中对土压起主要调节作用的参数有：刀盘转速，推进系统推力，螺旋机转速等。刀盘转速及推力可以调节刀盘对掌子面的切削速度，从而调节切削的渣土量，螺旋机转速调节出渣速度，通过刀盘转速、推力、螺旋机转速等来调节盾构掘进的出渣量，同时又影响刀盘扭矩、掘进速度、土仓压力等相关掘进参数的变化。在掘进中我们需要根据不同的地质情况合理的设定相对应的掘进参数以保证盾构掘进的连续性、安全性、稳定性及成型隧道的质量。三、掘进参数的选择掘进参数的选择主要包括：刀盘转速、推力、土仓压力、螺旋机转速、同步注浆压力及速度、渣土改良添加剂参数等。不同地层，掘进参数的选择各不相同。以下就以本标段的盾构掘进浅析泥岩地层掘进参数的选择。1、掘进参数的设定（1）土仓压力P1土仓压力P1按深埋隧道与浅埋隧道两种情况进行计算。当隧道埋深H2D时，为浅埋隧道；否则，为深埋隧道。1）在浅埋隧道中，因隧道埋深较小，上覆水土产生的压力全部作用于开挖面。其土仓压力计算如下。主要取决于刀盘前的水土压力，一般取刀盘中心处的水土压力为准，按下式计算：P1=k0×γ×h式中：P1——土仓压力k0——侧压力系数γ——土的容重D——为盾构外径2）当隧道埋深H2D时，由于隧道埋深较大，土体在隧道上方形成拱效应，上部土体产生的土压力不会完全作用于开挖面。其土仓压力计算如下：土仓压力计算取值示意图由上图可见：盾构顶部埋深为H因H＞2D，故可确定盾构在土层中属于深埋状态，可按太沙基（Terzaghi）理论计算盾构所受的垂直载荷。先按下图所示松动圈土压计算模式计算出松动圈宽度B：松动圈计算模型先求出松动圈高度ha：BtgHBtgHaePetgCBh01/式中：λ—地层的侧压系数γ—为上覆地层的平均浮容重C—凝聚力φ—内摩擦角3）盾构顶部所受垂直土压力：P1=ha·γ根据盾构机的掘进位置及相应的地质情况，可选取相应的参数代入上式，一般情况下，土仓压力可在1.0～2.0kg/cm2范围内取值，具体将取决于地面的监测结果。(2)千斤顶推力F确定推力需考虑以下因素：盾构机推进需克服的摩擦力。克服刀盘前的水土压力。掘进速度。管片的承受能力。控制掘进方向。最大扭矩。最大推力Fmax=3990t（30个千斤顶），初始掘进阶段时F900t，正常掘进阶段时F=800～1500t,特殊情况时F=2000～3000t,(3)刀盘转速n1，n2满足转速和扭矩曲线，且无级可调n1=0～6.1rpm，n2=0～3rpm。扭矩水平较高时，使用n2段，扭矩水平较低时使用n1段。〈6〉及强度小于〈6〉的地层，刀盘转速一般为1～2rpm；〈7〉〈8〉〈9〉地层可设为2～2.5rpm。(4)刀盘扭矩T正常掘进时，扭矩应低于最大扭矩。当工作扭矩超过最大扭矩时，刀盘将停止转动，如多次正反转启动未果，即可启动脱困扭矩，使刀盘重新启动。刀盘的最大扭矩为4377kN·m，脱困扭矩为5350kN·m，正常施工扭矩一般小于3750kN·m。(5)螺旋器转速n3n3=0～19rpm，根据维持土仓压力的需要或出土口处的出土情况进行调整。(6)掘进速度v根据土质、扭矩、推力和土仓压力等综合确定，受土质影响最大。vmax=8cm/min，一般v=4～6cm/min。(7)注浆压力P2P2是在注浆处的水土压力的基础上相应提高0.5～1.0kg/cm2，且使浆液不会进入土仓和压坏管片，并保证地面的隆陷值在允许范围内（+10，-30mm）。(8)注浆量V1V1是在管片与土体之间的空隙体积的基础上，再考虑1.2～1.5扩大系数确定的。一般每环的注浆量V1≈6m3。(9)发泡剂的掺量m1和空气的混合比例m2发泡剂在水中的掺量m1以及空气与发泡溶液的混合比例m2主要根据地质情况确定，一般情况下，m1=2～6%，m2=10:1～20:1(10)左右推进千斤顶行程差ΔSΔS主要根据线路特点和盾构机在水平方向偏离设计轴线的程度来确定的。ΔS的大小也受到管片选型的影响。在管片选型正确的条件下ΔS的大小确定了盾构机方向改变的急缓程度。(11)盾构机俯仰角αα根据线路特点和盾构机在竖直方向偏离设计轴线的程度来确定的。α的保持靠合理使用上部和下部的推进千斤顶。(12)盾构机滚转角ββ和刀盘转动方向及扭矩大小有关，可以通过改变刀盘转动方向和使用稳定器来控制，一般情况下，β值不应超过±0.50º。(13)管片与盾尾的空隙δ1～δ4δ1～δ4可由人工测量，它反映了管片和盾构机的相对位置关系，对确定下一环的管片类型和掘进参数有指导意义。理论值为δ1=δ2=δ3=δ4=75mm。通常在45～90mm之间波动。(14)铰接千斤顶根据线路的走向，铰接千斤顶可通过控制行程差调整盾构机的姿态拟合线路。在直线段时，铰接千斤顶伸长量一致保持盾构机前体与中后体成直线。在线路的曲线或者缓和曲线段（上、下坡）时，铰接千斤顶顺着转弯方向有一定的行程差，使得盾构机后体相对于中体有一定的折角(最大为3度)，与线路的弧线基本保持一致。2、掘进参数选择本标段盾构区间起始里程为右线YDK43+999.3(左线ZDK44+001.135)。盾构掘进过程中先后穿越抗浮压板（左线起止里程为ZDK44+011.485～ZDK44+070.08，隧道顶部距板底0.8～1.05m，右线起止里程为YDK44+027.592～YDK44+087.08，隧道顶部距板底1.33～1.52m）；绕城高速（左右线Z(Y)DK44+170~220）；燃气管线群（Z(Y)DK44+465~475）；成花铁路（Y(Z)DK44+670~690）几处重大风险源后到达区间终止里程Y(Z)DK44+900.7。1）始发段掘进参数选择本标段始发端头覆土厚度为5.4m，为浅覆土。坡度为28‰，结合本工程地质断面，以及反力架受力情况等考虑，我部对始发段掘进参数做了以下技术交底：环数掘进速度mm/min推力t扭矩t.m刀盘转速rpm1#土仓压力bar备注-75--15≦500t≦1500.9--1.20采用泡沫剂对渣土进行改良，根据泡沫剂的特性，泡沫混合液中原液的比例为