富水砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工关键技术ppt课件.ppt

,富水砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工关键技术,中铁十三局集团第二工程有限公司成都地铁项目部 王国义,主要内容,1、工程概况及特点 2、主要研究技术 2.1 砂卵石地层土压平衡盾构掘进机理及控 2.2 刀具磨损机理与预测 2.3 砂卵石地层带压换刀技术 2.4 盾尾同步注浆材料及注浆参数 2.5 盾构穿越建（构）筑物控制措施,1 工程概况及特点,成都地铁1号线2标线路平面示意图,工程概况,本工程中使用的土压平衡盾构机(海瑞克公司生产),最大工作压力3bar，盾体加刀盘长8.65m，加后配套总长88m，总重量约550t，总配置功率约2000kVA，主轴承直径3米，额定扭矩5980kNm，脱困扭矩7150kNm，最大推力34210kN，最大掘进速度80mmmin。,工程概况,盾构穿越的砂卵石地层特点,渣土不均匀，卵石含量高 流动性差 与刀具摩擦系数大 单块卵石强度高 粘聚力小，结构松散,工程特点,刀盘扭矩大，消耗严重；在大直径盾构情况下，工作面土压较难控制；掘进效率低；刀具、刀盘磨损严重；,意大利都灵地铁 台北捷运 日本春日井共同沟 成都地铁,掘进实例及存在的主要问题,工程特点,2 主要研究技术,2.1 砂卵石地层土压平衡盾构掘进机理及控制 2.2 刀具磨损机理与预测 2.3 砂卵石地层带压换刀技术 2.4 盾尾同步注浆材料及注浆参数 2.5 盾构穿越建（构）筑物控制措施,2.1砂卵石地层土压平衡盾构掘进机理及控制,EPB土压平衡相关参数 砂卵石地层的掘进模拟计算 砂卵石地层土压平衡特点 实测参数反馈 土压平衡控制方法 渣土改良措施,砂卵石地层EPB土压平衡相关参数,土压支撑率（EPSR）,EPB土压平衡相关参数,土仓竖向压力规则系数（RMEP）,仑官第635环土压力分布特征（R20.74）,EPB土压平衡相关参数,土仓前后应力比（HSR）,砂卵石地层的掘进模拟计算,盾构掘进的离散元模型,砂卵石地层的土压平衡特点,土压支撑率,不同状态下的土压支撑率,工作面支护压力分布,砂卵石地层的土压平衡特点,土压力规则系数,沿土仓水平土压力分布（R20.46）,砂卵石地层的土压平衡特点,土仓内渣土结块时水平土压力分布,水平土压力规则系数,砂卵石地层的土压平衡特点,土仓前后土应力比,理想平衡状态水平应力变化,盈压状态水平应力变化曲线,（1）砂卵石地层EPB掘进是通过刀具的扰动、挤压作用，在刀盘前上方形成了一“松散带”，而盾构刀具主要和该松散带发生作用。由于“松散带”的存在，改变了传统的刀盘、刀具的作用方式，并且引起了盾构施工的“地层损失率”的变化；（2）工作面的水平支撑应力和土仓后压力隔板的应力有一定的差别，土仓前后应力比大于1，局部出现大于2的情况。一方面表明了EPB掘进时依靠压力隔板的应力来控制工作面的应力的控制方法已不大合理。另一方面表明刀盘面板上承担了过多的支护面压力，致使工作面的土压支撑率降低；（3）土仓竖向应力也由于多种因素的影响，竖向规则系数仅为0.5左右。且在土仓盈压状态下，土仓中部出现“应力凸起”现象，容易造成土仓内土体的固结，产生结块现象；（4）砂卵石地层中的土压支撑率只有40%左右，且盈压率越高，土压支撑率越低，渣土流动性愈差，土压支撑率愈低。在砂卵石地层中应尽量增大土压支撑率，以减小盾构的消耗；,砂卵石地层的土压平衡特点,土压平衡参数反馈,成都砂卵石地层下，盾构土仓内竖向土压力规则系数为0.5左右，土仓内土压力分布不均匀； 土仓中部出现应力偏大的现象，与数值计算中的中部“应力凸起”相一致； 成都砂卵石地层中的盾构土压平衡应该与其他地层的土压平衡相区别。相应的，在软土地层中盾构土压平衡控制理论不适应于成都地层。,土压平衡控制方法,土压平衡管理思路,渣土改良试验,试验测试项目,试验方法,试验添加材料类型,每格1mm,添加泡沫和矿物材料后,添加泡沫后,不同类型的改良方法及成本,(1)对于细颗粒含量较大的地层，只要含水率达到18%，流动性等指标已经能达到很好，只需要添加适量的泡沫以减小土体与刀盘、刀具及机械之间的摩擦；(2)对于含大颗粒较多的地层，改良的主要目的是解决流动性和抗渗性，建议采用加入矿物材料的方法补充细颗粒；意大利都灵地铁采用增加细颗粒的方法进行渣土改良。(3)采用硅胶对渣土进行改良，对于富水的大颗粒卵石改良效果不是很明显，而且存在改良成本过高的不足；(4)建议采用“泡沫+矿物材料”的改良方案对该土体进行改良，发挥了两种材料具有互补性，泡沫主要在细颗粒中起到减磨和提高流动性的作用，矿物材料主要起到增加细颗粒含量，提高渣土流塑性，提高抗渗性；在粗颗粒多的地段，减小泡沫注入量，增大矿物添加材的注入量；在细颗粒较多的地段，减少矿物添加量，增大泡沫注入量；(5)在水头高的地段，尽量减少泡沫用量，增大高浓度粘土的注入率。,渣土改良综合评价,2.2 刀具磨损机理研究与预测,刀具配置的应用效果 滚刀磨损分析及建议 刮刀磨损分析及建议 刀具损耗 刀具耐磨性改造,刀具配置的应用效果,4把中心双刃滚刀， 32把单刃滚刀， 28把宽刮刀以及8 +8弧形边刮刀的组合配置适应成都砂卵石地层绝大多数路段的掘进要求。 当在泥岩中掘进时，将滚刀(含双刃)孔位对应换成羊角形强刀刮刀满足掘进要求，且可以降低工程成本。 海瑞克盾构机原始的3条Hardox 400耐磨条设计不能满足成都砂卵石地层的需要，但是其重型刀盘的强度刚度基本满足要求。 原始盘形滚刀刀尖厚度太小，不适应砂卵地层的使用要求，滚刀刀圈耐磨和刀毂的刚度也需要提高及改进。,滚刀磨损分析,正常磨损,滚刀偏（弦）磨,滚刀磨损主要以非正常磨损为主，破坏方式一般有三种： 刀圈断裂损坏； 滚刀密封、轴承损坏与刀圈偏磨； 滚刀壳体变形磨损。,滚刀磨损分析,掘进中滚刀受力示意图,滚刀与砂卵石地层的作用,开挖面松散，不能给滚刀提供足够的反力，无法提供足够的转动力矩；刀箱内渣土的结块、结饼，使得滚刀的阻力力矩增大；由于掘进松散带的存在，刀鼓直接和松散带的卵石接触，经过卵石的撞击，造成了主轴承的启动扭矩增大，从而造成T阻加大，使得转动困难；由于滚刀的长期不转动，使得砂卵石在一个方向摩擦，造成滚刀严重偏磨。,滚刀磨损分析,刀盘侧面部位滚刀磨损严重的分析,松散带示意图,滚刀磨损分析,刀盘中心结饼,沿土仓竖向水平应力分布图,中心滚刀偏磨原因分析,（1）在有可能的情况下，尽量使用双刃滚刀，这样可以增大刀圈和开挖面的接触面积，可使转动扭矩增大；（2）可使用带齿的刀圈。在滚刀刀圈上镶嵌合金钢，以增大刀圈和开挖面接触时 的摩擦系数，因而起到增大转动扭矩的效果；（3）减小滚刀的启动扭矩。若启动扭矩过大，也会给滚刀转动带来困难，因此，在保证滚刀轴承密封安全条件的允许下，可适当降低滚刀的启动扭矩；（4）对刀箱内空隙进行改造。减小刀箱深度，同时采取倒喇叭形状，有力于渣土的流动，不至于聚集于刀箱内，导致阻力力矩增大；（5）对滚刀刀鼓采取加焊耐磨层防护措施，以防止刀鼓破坏使得阻力力矩增大。,滚刀的适应性设计建议,刮刀磨损分析,宽刮刀磨损,刮刀的磨损情况,破坏形式： 刮刀磨损变形 刮刀合金齿脱落 固定螺栓断裂,不同位置刮刀的磨损特点（1）单个刮刀的磨损为两侧磨损大，中间磨损小；（2）刮刀的前角面磨损小，后角面磨损大；（3）同一号位置的刮刀的磨损量基本一样；（4）随号数增大，刮刀的磨损也越严重。,刮刀磨损分析,刮刀磨损分析结论,靠近边部刮刀应加强耐磨性能，单个刮刀两侧应加强耐磨措施； 刮刀磨损主要是后角方向，前角方向磨损较小，需要在后角面方向增大刀具的宽度；若采用超硬重型刀具，则在刀具后角方向实施硬化堆焊。对于刮刀做切削运动来说，具有一定切掉的后角可以有效的减小刀盘扭矩和刀具的磨损。,刀具磨损预测,根据刀具磨损的测量数据，计算得到了该地层中刮刀的磨损系数，预测不同部位的刮刀的磨损。计算表明，后角面方向的刀体部分很容易被磨损掉，从而造成对刀具、刀盘面板的磨损。因此，建议对后角面处的刮刀宽度及厚度进行加强。 根据计算情况，对于刮刀20mm的凸出量显然不能满足刀盘边部的要求，应适当增大刀具厚度。为了合理的利用刮刀，建议面板上按不同位置布置两种类型的刮刀：轻型刮刀和重型刮刀。,刀具磨损预测,各刮刀位置刀具最小厚度,前957m各项消耗占刀具总消耗的比例,滚刀磨损示意图,刀具损耗分析,刀具损耗分析,(1) 未对渣土进行有效的改良情况下，每延米刀具损耗约7300元。其中滚刀损耗最多，占总消耗的61%；(2) 通过渣土改良，减小刀具与地层之间的摩擦，降低了刀具消耗，将每延米刀具损耗降低20%；(3) 在刀盘盘圈前端面布置贝壳刀，同样起到切削砂卵石的作用，且刀具成本能有大幅下降，可在试验的基础上适当采用；(4) 通过松散路段及粉细砂路段，可以采用加强先行刀在刀盘正面与滚刀交错安装。实践证明既节约刀具成本，又能够保证掘进速度。,刀具耐磨性改造,(1) 耐磨环位置用50*80的扁钢间隔开25*25的槽，在槽中堆25*25*80的 硬质合金条耐磨效果理想。(2) 滚刀用高合金材料制造，刀尖加厚至24mm，周边的单刃滚刀均改装 双刃滚刀，可以有效增加刀具使用寿命。(3) 加厚滚刀刀毂，可采用高合金钢制造，并通过热处理使刀毂具有高 硬度和高的淬透厚度，经实践检验效果理想。(4) 在确保母体足够强度和刚度所需厚度下，加厚刮刀硬质合金块的厚 度，以增加刮刀的切割能力和耐磨性能；(5) 不改变外形条件，刮刀刀座用基体+耐磨合金做成，增加刀座导流 状背面耐磨性。,刀具改进,刀具改进,刀盘的其它改进的措施,2.3 砂卵石地层带压换刀技术,砂卵石地层坍塌机理 带压换刀关键措施 带压换刀实践,砂卵石地层坍塌现象,松散带的渣土从刀盘开口涌入土仓,前方松散带坍塌之后开挖面前上方的空洞,地表坍塌,砂卵石地层坍塌机理,主要换刀方式比选,气压的主要作用,可阻止来自开挖面的涌水，防止开挖面坍塌。 因压气压力本身的支撑作用使开挖面稳定。 由于压气对围岩缝隙起到排挤水的作用，增加了粉砂、粘土层或含有粉砂粘土成分的砂质土的强度，从而增加了开挖面的稳定性。,带压换刀关键措施,土仓封闭 成都以砂卵石地层为主，卵石间颗粒之间的孔隙大，透气性大。在带压换刀时，必须对土仓进行封闭处理，防止漏气而引起开挖面坍塌。在实施时向开挖面及盾构周围注入膨润土，利用膨润土的吸水膨胀作用，对盾构周围的地层进行封堵，使气压形成有效的支护。 气压的设定 选择压气压力的方法，因覆土厚度、地质、隧道直径而异，正常情况下取压气压力等于从盾构顶部算起D/2D/3位置的地下水压力。,砂卵石地层带压换刀实践,刀盘进渣开口前状况,刀箱形成的软泥饼,刀盘顶部与前盾接缝处,研究结论,（1）在成都砂卵石地层下，通过合适的辅助手段封闭地层，能够实现带压换刀；（2）通过气压可阻止来自开挖面的涌水，同时对周围土层起到排水固结的作用，增强土体的强度，增加开挖面的稳定；（3）卵石粘土在高压环境下，在成拱无扰动情况下，具有较强的自稳性。（4）根据水位高低，高压空气可以起到减缓周边水流入土仓内的速度，一定程度上可以排开土仓内地下水，目前水位使用0.50.7bar的压力可保持土仓内干燥无水，地层可支撑3-4天时间不塌陷，气压小于0.4bar时排水困难；（5）注入的膨润土在刀盘未转动的前期，可在卵石层面上形成泥膜依附于掌子面，但无助于土仓内压力保持，当刀盘转动和遇水浸泡后，膨润土变质失效；,研究结论,（6）共40m3空气压缩机若不能满足压力保持在0.5bar以上，在土仓内产生的高压空气减压反应使人不能长时间工作。且0.5bar以下的压力水位上涨快，不适宜换刀；（7）建议对刀具检查更换地点进行合理预测，对选定换刀地点进行调查，确定盾构机上方的管线，地质钻探孔，降水井等泻压通道堵死；（8）建议在选定的加压地点提前十环左右进行注入膨润土对掘进隧道砂卵石地层进行封堵，尤其是盾体外部需要注入膨润土进行封堵。实现此步有二种方式，一是从刀盘前向里加入膨润土，二是从盾体四周向里加入膨润土，两种方式均能实现。,2.4 盾尾同步注浆材料与注浆参数,砂卵石地层同步注浆材料 砂卵石地层同步注浆参数 同步注浆控制措施,砂卵石地层对同步注浆浆液要求,具有能完全填补盾尾空隙的流动性； 浆液在规定的时间内固化； 在早期强度就能达到大于土体的强度； 不发生体积缩水现象； 在受到地下水稀释后要不发生材料分离； 结硬后材料不应有游离水的出现； 经济性； 施工方便。,砂卵石地层同步注浆材料,浆液比重 凝结时间塌落度试验 流动度试验稠度试验 水下浇注试验抗压强度试验 抗水冲分散试验析水率,注浆材料试验项目,注浆材料试验材料,水泥 粘土膨润土 粉煤灰增效剂,砂卵石地层同步注浆材料,盾构从富水地段通过,盾构推进至不同地段时浆液配比建议,盾尾同步注浆时，需防止地下水在浆液凝固前冲散浆液，所注浆液应具有较强的保水性和较短凝胶时间。在试验的基础上提出如下配比。经测定，此配比浆液凝结时间：810小时，=1500kg/m3，28天强度：10.3Mpa。,建议浆液配比,水位较低的情况下,盾构推进至不同地段时浆液配比建议,该种情况不用考虑浆液被地下水的冲淡，冲散作用，浆液的保水性、抗水冲能力，因此不必添加粘土粉即可。材料的配比见下表2.16。经实验测定：初凝时间：8-10小时，=1600kg/m3，28天强度：12.1Mpa。,盾构从水位较低的地段通过,盾构穿过建筑物时,盾构推进至不同地段时浆液配比建议,盾构通过建筑物时，注浆后希望能尽快获得浆液固结体强度。由于原料中黄粘土粉本身性质影响浆液早期强度与凝结时间，因此相应增加了水泥和减少了黄粘土粉用量。配方中外加剂为GT复合早强减水剂。材料的配比如下表所示。经测定，此配比浆液凝结时间：5-8小时，=1700kg/m3，28天强度：13.5Mpa。,盾构通过建筑物,单个刀具磨损照片如图3.17所示。,盾构推进至不同地段时浆液配比建议,盾构从暗挖隧道内始发,盾构从暗挖隧道内始发时，盾尾在暗挖段要停机注浆填充暗挖隧道和管片之间的空隙，时间约几个小时，因此浆液配比要在保证砂浆稠度、倾析率、固结率、强度等指标的基础上延长其凝胶时间，防止停机时间长时把盾尾粘住。经实验选用下表配方。凝结时间：8-10小时，=1600kg/m3，28天强度11.1Mpa。,盾构从暗挖隧道内始发,注浆材料研究结论,（1）膨润土的加入使注浆浆液的稳定性得到提高，可泵性增大，根据本次试验结果及其他工程应用膨润土的经验，确定在该地层情况的同步注浆的膨润土添加量；（2）黄粘土粉的加入使注浆浆液的粘聚能力增大，提高了浆液整体性和抗水性，特别水冲情况下的抗分散能力。并使浆液的强度上的比较快。但是，添加了粘土粉的浆液，其流动性明显降低；（3）浆液的含水量和粘土含量是决定浆液凝结时间和流动性的主要因素；（4）试验所得出的优化配合比，在盾构推进时得到应用，较好地满足地铁盾构法同步注浆施工工艺的要求，达到了较好的注浆效果。,砂卵石地层同步注浆参数,（1）在成都砂卵石地层盾尾同步注浆时，注浆压力（顶部）控制在0.20.25MPa，由于“松散带”的存在，同步注浆的注浆率不应小于180(7.28方)； （2）应以注浆压力来控制注浆量，注浆压力达不到设定值时不能停注，这样才能保证浆液填满开挖间隙。根据穿越条件，特殊地段进行二次补注浆； （3）注浆压力应综合考虑地质条件、管片强度、盾构机型及注浆材料的特性。防止注浆压力过大,造成地层劈裂或管片错台； （4）根据地层情况和实际地层损失调整注浆填充率，可以较好填充地层，有效控制地表沉降，对注浆不足或注浆效果不好的地方进行补强注浆，以增加注浆层的密实性并提高防水效果； （5）在施工中应根据洞内管片衬砌变形和地表及周围建筑物变形监测结果进行信息反馈，及时修正注浆参数和施工方法。,同步注浆参数研究结论,合理选择注浆浆液类型合理选择注浆压力、注浆量加强管片沉浮的监测结合地面监测实时调整制订详细的注浆质量控制程序防止注浆管堵塞,同步注浆控制措施,2.5 盾构穿越建（构）筑物控制措施,盾构穿越冶金宾馆 桩基 盾构穿越四川省经委安监局 条基 盾构穿越万福桥 条形扩大基础,盾构穿越冶金宾馆,冶金宾馆基础结构与隧道剖面关系示意图,冶金宾馆西侧建筑结构形式,57cm,桩基托换,盾构穿越时采取的辅助措施,荷载转移,盾构穿越时采取的辅助措施,跟踪注浆,盾构穿越时采取的辅助措施,施工实测数据分析,桩基沉降时程曲线,左侧支撑轴力变化时程曲线,（1）采用荷载转移方法可以将中间承台承担的荷载转移至两侧承台，同时对上部结构起到支撑作用，可增加穿越施工时结构的安全系数； （2）采用桩基托换措施对隧道结构的安全有利；可以有效减小隧顶桩基的最大沉降，减小各桩之间的不均匀沉降，较好的控制建筑物倾斜；可以减小隧顶桩基承担的荷载，减小由于承载力损失导致的过大沉降； （3）地面跟踪注浆能够对桩端部土体进行有效的加固，尤其在砂卵石层中，能够对盾构同步注浆的效果进行补充，减小由于注浆量不足而导致的桩基过大沉降； （4）为平衡桩基所传递的荷载，盾构在穿越时应适当增加土仓压力、注浆压力及注浆量，并保持匀速掘进，避免施工参数的突变而对上部结构产生扰动。,研究结论,盾构穿越四川省经委、安监局,四川经委、安监局办公楼及与隧道的平面关系,穿越施工的措施与实测数据,四川经委、安监局办公楼加固剖面图,注浆加固施工,穿越施工的措施与实测数据,土仓压力,注浆量,（1）数值计算结果表明，盾构通过之后，建筑物内力以及建筑的差异沉降均满足规范要求，但建筑物最大沉降超出规范要求。同时，在盾构侧穿建筑物情况下，其水平变形较大。因此，在盾构穿越经委、安监局办公楼时需采取相应的辅助措施，以保护建筑物的安全；（2）地面跟踪注浆可以有效地减小盾构通过以后发生的后续沉降，减小建筑的差异沉降，对所穿越的建筑物起到了较好的保护作用；（3）由于本穿越工点处于砂卵石地层，盾构各施工参数的波动较大，难以将其很好的控制在比较稳定的范围内，但应尽力避免各施工参数在穿越期间出现突变；（4）盾构穿越施工过程中，应在穿越前对盾构机进行全面检修，并针对可能遇到的各种情况做好应急预案，尽量避免在建筑物下方停机。若出现突发情况，如设备故障而造成停机，应及时修复，并通过补充注浆等措施加强对建筑的保护，同时需加强监测,研究结论,盾构穿越万福桥,桥墩细部图,盾构隧道穿越万福桥剖面示意图,穿越时采取的辅助措施,万福桥加固平面图,万福桥加固剖面图,有限元计算网格,实测数据,监测数据,桥墩点变形时程曲线,桥面点变形时程曲线,研究结论,（1）数值计算结果表明，盾构隧道从万福桥左半部分穿越，引起桥墩的基底变形最大为-9.13mm，变形在可控范围之内，对上部结构影响较小。 （2）由于桥墩刚度较大，盾构隧道偏左侧穿越，使得盾构穿越后桥墩整体向左侧倾斜，产生差异沉降。但差异沉降较小，斜率为0.21，满足使用要求。 （3）盾构隧道穿越万福桥施工过程中，使盾构机快速、匀速地通过，适当增大注浆量和注浆压力，可较好地控制盾构穿越引起的沉降。 （4）采用注浆加固措施，能够有效地减小盾构穿越施工引起的地层变形，减小基础的整体沉降及差异沉降，对建（构）筑物起到有效的保护作用。,