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1、中交隧道工程局北京地铁项目部 2014年10月,北京地区土压平衡盾构穿越河流施工风险分析技术控制及案例分析,汇 报 目 录,原因分析及处理措施,一、地质概况及分析,1、地质情况简介 近年来北京地铁施工使用盾构工法的 区间段主要以中砂、砾石、粉细砂、细砂、粉 质粘土等为主。除了地铁九号线下穿玉渊潭时发现大粒径漂石外，其余区间遇到的砂卵 石地层一般粒径在300mm以下。下面我们介绍一下针对北京地铁十四号线7标的情况进行分析。 1）、区间隧道概况 西铁营站右安门外站区间位于北京市的西南角，南三环与南二环之间，属于北京市丰台区。区间起自玉林西路南端的西铁营站，向东斜向下穿翠林路、凉水河后，沿着玉林南路
2、穿过右安门外大街止于路东的右安门外站。区间全长704.700m，覆土16m左右，下穿凉水河段覆土约9.3m，盾构穿越的主要为卵石层。区间采用盾构法施工。区间掘进采用两台盾构机完成，左右线均由西铁营站始发,右线先行。管片设计采用净空5400mm、管片厚度300mm、环宽1.2m。 2）、区间隧道与凉水河位置关系 区间下穿凉水河河堤至河堤左线长度约164m，右线长度约170m。区间结构顶至凉水河底的垂直净距为9.3m。河道与线路夹角约19.29。 3）、凉水河概况 河水流向自西向东，河面顶宽53.5m，水面宽度约30m，水深约1.0m,河底深度约6.5m。河底铺有250mm厚的钢筋混凝土衬砌。本区
3、间下穿凉水河河道北侧有一条DN1800中水管道（钢管），管顶高程约33.77m。,一、地质概况及分析,2、地层结构实际分析 1） 地铁隧道结构顶到河底垂直距离约为11m，与线路夹角约20，跨度约164m,砌体结构，凉水河河水流向自西向东，河面顶宽53.5m，水面宽度约30m，水深约1.0m,河底深度约9m，河床地板为20cm钢筋混凝土结构，中间有结构伸缩缝，下层铺设防水层。 河床结构对于施工沉降有很大的隐蔽性，并且结构伸缩缝处会出现渗水情况。根据以上情况判断，结构内由于长时间河水向下渗漏可能在地层中存在滞水层。此处地层情况隧道基本处在砂卵石地层，结构上部有一层粉质粘土隔水层。盾构在穿越这一段时
4、，很有可能会破坏隔水层。因此在盾构掘进中必须注意土压控制，并且要考虑到滞水层所出现的土压变化问题。 在盾构掘进最主要的一点是土体改良，尽量减小盾构机刀盘转矩。在小扭矩的基础上，刀盘转速保持在1.0转/分钟。扭矩一般保持在3500KNm至4000KNm，在掘进条件满足的 情况下，尽快通过，严格 控制停机时间。,一、地质概况及分析,在这个标段，砂卵石结构紧密，附加少量粘土，使地层硬度比一些含水量较高的地层要高出很多，因此在正常无水情况下，地层非常稳定。但是在有水的情况下这种地层反映出来的特性是非常不稳定，极易出现无法控制出土量的情况。在北京试验段时，地层与这次遇到的地层相似，由于地下污水的渗出直接
5、导致了坍塌现象。在北京地铁4号线施工时也出现了同样的坍塌事故。 因此在掘进过程中，添加剂的选择及注入量控制需要进行严格的控制。目前，在北京地铁施工中，大多是选择膨润土和泡沫一起注入的方法。在掘进过程中，既要保持渣土的粘稠度，又要尽量保证开口率较小的刀盘不会固结泥饼。在渣土改良方面尽量倾向于使用膨润土，以保证不能过大，螺旋机排除的渣土，尽量保持一定的粘稠度。泡沫的注入主要是润滑刀盘，降低刀具切削时的温度，避免泥饼的形成。 在盾构掘进最主要的一点是土体改良，尽量减小盾构机刀盘转矩。在小扭矩的基础上，刀盘转速保持在1.0转/分钟。扭矩一般保持在3500KNm至4000KNm，推力,二、盾构机选型及参
6、数选定,本区间选用的盾构机是中交天和生产的6280mm土压平衡盾构机。本盾构机生产于2010年，之前没有使用过。盾构机的主要参数如下：,二、盾构机选型及参数选定,本标段所使用的盾构机，采用辐条式刀盘，刀盘开口率为66%，刀盘驱动方式是电机驱动，最大扭矩为5765KNm，脱困扭矩为8647KNm。16根单缸推进千斤顶及12跟铰接千斤顶，组成了盾构机的推进部分，最大推力为40000KN。铰接千斤顶的控制方式吸取了主动铰接方便于调节盾构姿态，又采用了被动铰接保护成型管片的特点。螺旋机采用的是液压驱动，无轴式，最大通过粒径为300mm。添加剂注入系统分别设计了2条泡沫管路，4条膨润土管路。注浆系统才用
7、了单液注浆系统，分为4条管路进行壁后同步注浆。这台盾构机完全可以适应北京地层。 根据盾构机的性能，并结合地层特性，刀盘转速保持在1.0转/分钟。扭矩一般保持在3500KNm至4000KNm，总推力控制在20000KN至25000KN。添加剂中，泡沫注入量控制在4方，膨润土注入量为3方。,三、施工中出现的问题及处理方法,1、穿凉水河出现的塌陷问题 1）情况描述 在实际施工过程中，当盾构机掘进至241环位置，盾构机由于土体改良出现问题，大粒径碎石出现严重离析情况，并且出现一次比较严重的喷涌现象，导致螺旋机卡死。在解决螺旋机卡死过程中，盾构机停机达到9个小时，并且这期间进行过刀盘转动。当螺旋机恢复正
8、常工作状态后，又一次出现大量喷涌，进而导致了河道内坍塌。坍塌位置正处在和中心位置。 在对河道进行了开挖后发现，当盾构机进入河道的位置开始，这一段地层都出现了不同程度的塌陷，基本塌陷宽度3m，深度1m。,三、施工中出现的问题及处理方法,出土口喷涌图,三、施工中出现的问题及处理方法,区间穿凉水河平面图,三、施工中出现的问题及处理方法,河床塌陷区29日围堰施工情况,塌陷区域,三、施工中出现的问题及处理方法,2）事故分析 a、土体改良问题的分析 首先分析的问题是渣土离析的问题。正常掘进情况下，盾构所排出的渣土为粘稠状。由于前期掘进所出的渣土离析造成，土仓内淤积大量碎石，导致刀盘扭矩过大。这一地层正常扭
9、矩基本可以达到3000KNm以上，再加上土仓内的大量碎石已经严重影响了刀盘扭矩，致使刀盘在推进过程中，经常出现卡死现象。而操作手应对这中问题所做出的操作是，尽量排除土仓内的渣土，降低土压力，使刀盘达到降低转速的效果。 刀盘扭矩增大的主要原因是由于土体改良出现问题造成的，不能仅仅依靠排土降低土压力来解决刀盘扭矩过高的问题。并且土仓内沉积砂石，可以使用加入粘稠的膨润土，将其带出土仓。,三、施工中出现的问题及处理方法,塌陷区图片,三、施工中出现的问题及处理方法,塌陷区图片,三、施工中出现的问题及处理方法,2）事故分析 b、土压问题的分析 盾构在掘进过程中，土仓内上土压基本保持在0.3bar至0.5b
10、ar，有些情况下，土压会出现长时间保持在0.3bar以下，与设计规定的0.6bar，存在一定差距。当盾构机掘进至隔水层下方时，由于上层滞水压力必然比一般地层的压力要高。从这一点分析，喷涌现象的出现是由于土仓内的土压过低，使地层中的滞水迅速击穿隔水层直接涌入土仓造成的。,三、施工中出现的问题及处理方法,喷涌情况：出土口、皮带机、隧道内,三、施工中出现的问题及处理方法,区间穿凉水河地质纵剖面图,淤泥,回填土,中细砂,隧道顶,三、施工中出现的问题及处理方法,喷涌情况：土箱内,三、施工中出现的问题及处理方法,240环和241环土仓上土压力变化情况,三、施工中出现的问题及处理方法,3）附带问题分析 由于
11、喷涌，塌陷等问题的出现，导致了刀盘由于阻力过大完全不能转动的现象。 a、刀盘无法转动的原因判断 这种现象出现的初期，准备采用连续向正反方向交替转动刀盘的方法，使其恢复正常，但是刀盘转动的角度出现了很有规律的变换，正转能转动3度，反转能转动1.5度。这样能使刀盘实际转过的角度达到180度。参考以往刀盘在砂卵石地层或者全断面岩层抱死的经验，刀盘为六辐条，基本在刀盘转动过20度左右，就能使刀盘转动起来。而这次完全不行，并且刀盘在转动过程中，会有吭吭的声音从土仓内传出，因此判断刀盘在转动过程中很有可能被异物卡住。,三、施工中出现的问题及处理方法,b、处理方法 第一种方法：刚出现这种现象时，采取了用膨润
12、土砂浆置换的方法。这种方法主要是从土仓壁上面的注入孔注入比较粘稠的膨润土砂浆，在保持土仓内压力不变的情况下，用螺旋机将土仓内沉积的碎石排出，达到土仓内充满膨润土砂浆的操作。在实际操作过程中，膨润土砂浆在土仓内形成了通道，注入的膨润土砂浆通过这一通道直接进入螺旋机，从螺旋机出渣口喷涌出来。过程中基本没有夹杂碎石。第一种方法基本没有达到预期的效果。 第二种方法：在刀盘前方挖一个直径3m的竖井，对土仓进行清理。这种方法是最直接有效的方法，在过程中发现了10余块粒径超过50cm的花岗岩石块，这些石块阻碍了刀盘的转动。具体石头的出处，只能通过判断估计一下。但是根据对这种地层的判断，正常情况下是不会有这种
13、石块，这些石块是通过上层土体塌落进入土仓的。,三、施工中出现的问题及处理方法,三、施工中出现的问题及处理方法,三、施工中出现的问题及处理方法,2、盾构姿态的异常变化 a、情况介绍 盾构机在恢复掘进后，出现了异常，盾构机垂直姿态一直向下达从一开始的-30mm一直到-70mm，无法完成盾构机铰接角度的转变。盾构机铰接控制在调节时，可以将下部千斤顶伸出，将铰接角度调节成正角度。但是在掘进过程中，铰接千斤顶会变成被动状态，并且铰接的角度很快恢复到原来状态。这就说明盾构机盾尾可能存在异常。,三、施工中出现的问题及处理方法,三、施工中出现的问题及处理方法,b、处理措施 在恢复掘进后，推力较大，严重影响了盾
14、构机的姿态。一般推力达到28000KN，并且如果将这么大的推力全部用来克服盾壳与土体的摩擦力及刀盘向前掘进的力，刀盘扭矩将会达到最大值，甚至抱死，因此这一现象是不正常的。最大的影响将是盾尾与管片产生的摩擦力。并且这一阶段盾尾间隙不正常，管片间隙左右的和仅为30mm，而上下间隙的和100mm，管片出现扁圆的情况。 施工中，首先将盾构机上半部千斤顶去掉4个，使盾构机能够产生向上的推力，同时在掘进过程中，对盾构上部进行30mm超挖，确保盾构机上部有一定的抬头空间。并且 ，严格控制管片拼装质量，确保盾尾间隙能够靠近正常值。在进行了10环的掘进后，盾构姿态有了明显的好转。,四、后期施工中采取的措施,以上描述的一些问题在北京地铁施工中具有一定的代表性，通过上面所述施工中的案例，可以得出以下结论： 1、盾构机在北京这种无水砂卵石地层掘进，严格控制膨润土泡沫的注入量，并且时刻注意膨润土自身质量，及泡沫的配比。 2、刀盘扭矩的大小取决与土体改良的好坏，而不能用改变土压的方式来控制刀盘扭矩的大小。 3、盾构施工必须从根本做起，每一部施工都是相互支持相互影响的，严格控制每一步的质量，才能个更顺利的进行盾构施工。,-,谢谢,汇报完毕,
