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盾构过硬岩段掘进困难施工总结

  随着城市轨道交通事业的快速发展,盾构法施工技术在上海、广州、深圳、北京、南京等城市地铁建设中得到广泛应用。目前国内广泛使用的复合式土压平衡盾构机对于均质软土及岩石单轴抗压强度小于80MPa的硬岩地层施工是完全适应的,技术上也日臻成熟,但是对于长度超过100m、岩石单轴抗压强度超过100MPa的长距离硬岩地层,目前国内采用盾构法施工的工程实例很少。对于广州和深圳等城市修建地铁所遇到的硬岩地层,通常采用传统工法即利用矿山法开挖隧道,盾构机拼装管片通过。高强度硬岩对刀具的抗冲击,耐磨性要求较高。在硬岩地层条件下,掘进存在的问题是刀具磨损严重,掘进速度慢,且在控制不当的情况下易造成刀具非正常损坏,可能对刀盘造成磨损或损坏。对刀具进行科学的管理,能够在盾构施工中有效地减小换刀频率,降低工程成本,减少停机时间,提高掘进效率。因此,通过采用探明工程地质情况,有计划地更换刀具,在施工中选择合理的掘进参数等技术措施,使得长距离硬岩地层盾构法施工是完全可行的。
  深圳地铁9号线线路全长约为25.38km,共设22座车站,其中10座换乘车站,全线均为地下线路。平均站间距约为1.17km,最大站间距为2.985km(深圳湾公园~下沙),最小站间距为0.376km(红岭北-园岭)。
  深圳湾公园~下沙区间线路长达2.985km,右线自下沙站始发,掘进至中间风井全长1648.018m采用盾构法施工,自风井向深圳湾公园站始发穿过412.13m的矿山法空推段,然后洞内始发,继续采用盾构法掘进施工剩余946m区间隧道。在946m的盾构法区间隧道施工过程中,区间右线在距离深圳湾公园站约130~255m,里程YDK3+523~YDK3+648范围,经施工补勘揭露,该段约125m区域存在<12-4>微风化花岗岩,侵入洞身范围60%~100%不等,其中约60m为全断面<12-4>微风化花岗岩。
 
  深圳湾公园站~下沙区间工程概况示意图如图1所示。下沙~车公庙区间左线长778.904m,右线长871.71m。线路自下沙站始发到达车公庙站接收,采用盾构法施工。下车区间由于地质条件复杂,存在基岩突起、上软下硬、孤石等不良地层。硬岩段地层分布及岩石强度根据我部补勘信息,远高于详勘提供的59.6MPa,岩石强度最高达到了143MPa,全段面硬岩掘进长度达到了195m(左线90m,右线105m)。在深圳地铁一期和二期建设过程中,均未出现强度大于120MPa的地质情况,在全国复合式土压平衡盾构施工中也属首例。区间地质条件影响,施工进度缓慢,施工过程复杂。
  由于硬岩段标高起伏不定,在进入硬岩和脱离硬岩的时候,会经历一段上软下硬的不均匀地层。在这种地层掘进,可能发生盾构机偏移或被卡住、蛇行推进,注浆不及时易产生地面沉降甚至塌陷、隧道管片破损以及盾构机损坏等许多难以预料的问题。
  1.工程概况
  深圳地铁9号线深圳湾公园站~下沙站盾构区间、下沙站~车公庙站盾构区间盾构遭遇硬岩导致掘进十分困难,硬岩强度高达150MPa。
  施工进度如图2所示。左线均已贯通,右线仍在掘进。深~下区间右线,1850/2005环,剩余155环。目前盾构位于滨河大道下方,拱顶埋深约9.7m。进入硬岩段20/84环(1830~1913环,主要为中、微风化花岗岩),两端上软下硬地层采用双液浆加固。
  下~车区间右线剩余223环,进度平均两三天一环。同时,硬岩段对盾构刀盘磨损严重,盾构掘进2~3环就需停机进行开仓换刀,换刀费用大及耗时长。
 
  1.1 深~下区间
  1.1.1深~下左线硬岩段掘进情况
  硬岩段概况:盾构接收段原设计为矿山法+空推法,受交通导改、管线迁改等因素制约,暗挖工作井未能按时完成,空推法改为盾构直接掘进,43环用时35天,现已贯通。经过地质补勘结果显示,岩石强度在80~100MPa。
  硬岩段掘进:自1672环进入硬岩段。敞开式掘进,初期(1677环)推力2500t,扭矩2100kNm(平均速度5.2mm/min左右),主要原因为硬岩突入刀盘,刀箱严重变形,滚刀拆除、安装困难,后经人工使用膨胀剂、风镐等破除岩石,更换2只刀箱,换刀用时16天。后调整为推力1200t,扭矩1300kNm(平均速度3.7mm/min)。共换刀5次,用时21天。换刀及进度统计如图3所示。
 
  1.1.2深~下右线线硬岩段掘进情况
  硬岩段概况:深~下区间右线剩余工程地质如图4所示,硬岩段位于滨河大道下方,隧道轴线位于深圳湾公园站施工围挡外侧3m左右。硬岩段长度125m,84环,全断面12-3、12-4,隧道拱顶埋深约9~10m,硬岩上卧层主要为2-1淤泥层、1-1素填土层。拱顶埋深约9.7m。两端上软下硬地层采用双液浆完成加固。
 
  硬岩段掘进:第1832环首次开仓即更换整盘滚刀(其中30把庞万利)。现进入硬岩段20环,用时38天,其中换刀时间20天,累计开仓5次,累计换刀44+6把。目前掌子面上方约1/3为残积土层,气压模式掘进,推力1200t,扭矩1300kNm;推力加至1400t时扭矩1700t~2400kNm,波动幅度较大,掘进速度4~10mm跳动较大,推力调整对速度无明显影响。换刀及进度统计如图5所示。
 
  1.2 下~车区间
  下~车右线(104#):358/581环,剩余223环,目前盾构机位于杜邦厂房内的仓库下方,如图6所示,再掘进16环后穿过仓库。自第345环起采用敞开模式掘进,1.5环左右每天。
 
  下~车右线:结合右线前期施工情况、左线施工情况,并对比详勘及补堪结果,估计右线剩余硬岩段约为11环。目前盾构机距离7号线左、右线的距离约为41环(15环)、77环(43环),隧道与7号线隧道的竖向净距5~6m,详勘揭示夹持土层为<12-1>全风化花岗岩。下~车区间右线剩余工程地质如图7所示。
 
  1.2.1下~车左线硬岩段掘进情况
  硬岩段概况:详勘揭示的左线硬岩段位置与实际位置不符;详勘揭示的岩层强度较补勘最低46MPa——受地面条件制约,未能及时、有效实施补勘,如图8所示。
 
  硬岩段掘进:累计开仓15次,第4次换刀时岩石突进刀箱,采用风镐、电锤、冲击钻、膨胀剂、劈石机、角磨机等,效率很低(用时23天)。第13次开仓时采用超前注浆加固地层(用时18天,含换刀)。气压模式掘进,地面监测点随土仓压力变化密切。换刀及进度统计如图9所示。
 
  贯通前掘进:贯通前开仓2次,残积土层施工进度可最多可到每天掘进16环,可保持8~10环以上。经前后比较分析得出,施工组织、深状况等基本因素对施工进度影响很小,影响盾构掘进进度主要因素为地质原因。换刀及进度统计如图10所示。
 
  1.2.2下~车右线线硬岩段掘进情况
  硬岩段掘进:目前敞开式掘进,推力1100~1200t,扭矩1300kNm,速度4~8mm/min。累计开仓19次,第2次换刀时岩石突进刀箱,用时32天。之后基本每2~3环即开仓检查一次,平均2天即完成换刀,最多4天。换刀及进度统计如图11所示。
 
  硬岩段掘进:硬岩段剩余11环,共计剩余223环,预计6月30日前可贯通。换刀及进度统计如图12所示。
 
  1.3 刀具情况
  通过对开仓换刀情况及更换下来的刀具进行统计,如表1、表2所示。如图13所示,刀具以正常磨损为主,存在个别偏磨,刀圈崩落及刀具损坏占极少数。
 

  2.进度分析
  2.1 换刀频繁,有效掘进时间少
  自下~车左线103#盾构机首先进入硬岩段掘进后,其余3台盾构机陆续也进入硬岩段。硬岩段距离长、强度高,换刀频繁,除换刀外的有效掘进时间不到50%。详见图14。
 
  2.2 岩石强度高,掘进速度低
  岩石强度较高(146MPa),即使及时更换刀具,也不能有效提掘进速度。同时,为避免较高强度的岩石破坏刀具,导致更加频繁的换刀,不能较大幅度提高总推力(最大2500~2700t),只能维持较低的掘进速度,一般掘进一环需30小时以上,2~3环即进仓检查。
  2.3 地质条件偏差
  下~车区间详勘揭示的工程地质条件与实际情况有所偏差,同时因地面条件限制,未能及时有效补勘,造成地质条件掌握情况不清楚,对受地层条件影响的掘进情况预判断有所偏差。
  2.4 前期经验不足
  前期施工中,存在岩石突入刀盘中心区域的情况,造成刀箱变形,刀具拆除及安装十分困难,基本决定了换刀效率,导致换刀时间较长。
  2.5 其他因素
  深~下区间左线盾构接收井因交通导改围闭较晚,原设计的硬岩段空推改为盾构直接推进,其一:增加工作量;其二:该段硬岩掘进速度较慢、换刀频繁,第三:第2次因刀箱变形影响用时16天。
  2.6 小结
  频繁换刀、掘进速度低是施工进度缓慢的决定性因素,施工组织、设备状况及其他方面对施工进度影响很小。
  3.后续施工措施
  综合前期施工经验及目前剩余工程的地质条件、地面施工条件等,在确保基本条件满足施工需要的前提下(盾构机、配套设备工作性能正常;维保、掘进及各层次管理人员配备齐全,尽职尽责;物资供应及时……),后续施工采取的措施主要针对硬岩段的掘进参数优化、刀具更换管理。
  本工程上软下硬和全断面硬岩段是盾构施工的重点,目前存在刀具损坏严重、掘进工效低下等难题。项目部所用的掘进模式是合理的,但掘进推力、掘进扭矩偏低,可采用优化掘进参数,加强刀具检查管理,加强渣土改良及地面预处理等措施。
  3.1 优化掘进参数
  1)详细记录施工参数,准确判断掌子面岩层性质及稳定性,合理选择掘进模式(敞开式掘进、半敞开式掘进、气压模式掘进)。应针对全断面硬岩和上软下硬地层分别制定施工措施,建议开展掘进参数组合试验等。
  2)总推力控制在1200~1300t,刀盘扭矩1500~1700kNm,刀盘转速1.6~1.8r/min,尽量保护刀具,达到“勤开仓,少换刀”的效果。结合每次刀具损坏情况适当调整,在保证设备性能的情况下尽量提高总推力。
  3.2 刀具更换管理 
  加强刀具检查、更换管理。建议全断面硬岩段每环均开仓检查,适当调整滚刀磨损更换标准,更换刀具后应进行磨合掘进。
  1)加强刀具检查频率
  严格遵循2~3环即开仓检查的原则,维持较好的刀盘开挖性能,避免刀具磨损严重后造成刀箱变形、刀盘磨损,导致换刀作业效率低下,严重影响施工进度。
  全断面硬岩需每环开仓检查;上软下硬建议每2~3环开仓检查;对异常情况也需进行开仓检查,如:渣温大于40度,低掘进速度3mm/min,扭矩异常,异常震动及异常噪声等。
  采用进口庞万力滚刀(现已使用庞万利刀具整刀98把,刀圈142只,目前场存55把)。
  2)优化刀具磨损更换标准
  边缘滚刀8mm,正面滚刀10~20mm。正面滚刀:常压进仓20mm,带压进仓15mm。
  3)每次进仓均需进行刀具螺栓复紧,防止震动脱落,有效预防刀具偏磨。
  4)对于异常磨损的刀具,在进行更换时,需对邻近刀具进行刀差调整,避免邻近刀差过大。
  5)恢复掘进时,需进行刀盘磨合,缓慢启动。防止刀具意外损坏。
  6)在出硬岩段及进入硬岩段前都需进行开仓检查,有需要的情况下进行换刀。
  3.3 加强渣土改良
  盾构掘进时,采取加泡沫或膨润土的方式,加强渣土改良,使渣土具有良好的流塑性,减轻对刀具的摩损,延长刀具的使用寿命。
  全断面硬岩段采用加膨润土改良。全断面硬岩采用:膨润土+泡沫剂:上软下硬采用:水+泡沫剂。
  3.4对硬岩进行预处理。
  加强地质勘测,详细了解岩石单轴抗压强度及岩土分界面的分布。
  对于地面有条件的上软下硬地段,可考虑深孔预爆破加地面注浆加固的方案,或地面潜孔钻密排钻孔(直径建议200mm)的方案。
  3.5其他措施
  1)保证施工资源:同时进行2台盾构机进仓作业的人数;现场随时储存足够数量的硬岩刀具。
  2)盾构司机由餐验丰富的司机担任,及时判断盾构施工情况。
  3)技术措施:根据掘进参数及进仓情况,准确判断地层条件,合理选择并优化进仓方案(气压、常压),复查刀具安装质量等。
  4.效果与结论
  4.1掘进效果
  经过以上措施后,盾构区间掘进效率明显改进。深下区间右线每天掘进3~5环,下车区间右线每天掘进2环,较之前得到很大的改善。对我部节点工期计划提供有力的保障。通过硬岩段地层后,我部盾构平均掘进指标分别达到了左线5.1m/d,右线7.6m/d的成绩。
  4.2结论
  盾构长距离穿越硬岩地段,刀具磨损严重,换刀频率大,施工难度大。盾构施工过程中通常采用敞开式掘进模式、设定合理的掘进参数和同步注浆参数、配置适应于硬岩掘进的刀具和使用泡沫剂改良碴土等措施,来解决长距离硬岩地层掘进时遇到的问题。
  基于本工程硬岩地段盾构施工经验,总结出了一套较为成熟的盾构长距离穿越硬岩地段的施工技术方法,可为今后类似工程盾构施工提供定的参考依据,但是对于长距离硬岩地层盾构施工时如何进一步提高掘进效率,使得盾构法的成洞速度达到甚至超过矿山法开挖的速度,仍是有待解决的问题。