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1、盾构长距离穿越苏州运河软土地层施工技术研究 中铁四局集团有限公司城市轨道交通工程分公司二O一四年八月目 录一、立项背景- 1 -二、项目研究预期达到的目标- 1 -三、项目研究的主要内容和关键技术- 2 -四、 项目研究的总体思路- 2 -五、本研究课题采取的方法与具体措施- 3 -六、研究过程及现场实施情况- 3 -6.1软弱地层中掘进施工控制要点- 3 -6.1.1地质特性- 4 -6.2实施的重难点及技术保障措施- 5 -6.2.1地表、隧道沉降控制- 5 -6.2.2有害气体监测- 6 -6.3掘进施工技术措施- 7 -6.4技术参数的分析、确定- 15 -6.5成型隧道隧底注浆加固施
2、工技术- 21 -七、 隧道掘进过程中遇到的质量问题、原因分析及处理措施- 25 -7.1质量问题- 25 -7.2原因分析- 25 -7.3处理措施- 27 -八、研究成果- 31 -九、依托技术成果带来的经济和社会效益- 32 -十、结论- 32 -十一、参考文献- 33 -一、立项背景随着我国轨道交通隧道的大量修建，盾构工法以其安全、快速、可适应复杂地层等优点已经成为隧道施工的主流工法。盾构技术是集液压、制造、控制、测量技术等多学科交叉为一体的现代掘进技术,所以如何优质、高效的完成盾构法施工已成为当今城市现代化建设的重要课题。苏州市轨道交通2号线延伸线工程东方大道站独墅湖南站区间穿越苏州
3、运河，苏州运河河道宽83m，下穿段长280m，隧道最小埋深11.6m。驳岸基础为整板砼基础，厚度为0.5m，宽为3.7m。砼基础上为浆砌块石。主要穿越地层为2粉土夹粉质粘土层，为典型的全断面软土地层，隧道埋深较浅，含水量高。盾构姿态较难控制，对河堤沉降要求严格，穿越过程中，易出现涌水喷砂事故。必须采取针对性的创新技术解决，我公司通过对掘进参数的设计、研究、修正，并结合盾构施工中对地表沉降、姿态控制、掘进参数选择等方面的控制方法进行探索，形成一套先进、成熟的淤泥质粘土、粘性土层盾构施工方案和施工工艺，为盾构在该类土层中施工提供先进的施工经验，确保工期的前提下，降低施工成本，顺利完成本工程提高了集
4、团公司在苏州地区的企业公信力，提高了集团公司在类似地层中的施工技术管理水平，为开拓苏州轨道交通市场提供坚实的技术保障。二、项目研究预期达到的目标预期达到目标、成果内容及主要技术指标：1、预期目标：通过掘进参数的设计、修正、积累，形成一套完整的盾构穿越河流软土地层中盾构姿态、管片姿态控制及掘进参数。保证成型隧道上浮控制不大于20mm，沉降控制不大于10mm。2、成果内容：形成一套先进、成熟的淤泥质粘土、粘性土层盾构施工方案和施工工艺，为盾构在该类土层中施工提供先进的施工经验，提高企业的竞争力。培养一批在软弱地层盾构施工方面具有先进生产经验的技术人员和作业工人。3、主要技术指标：顺利完成本工程将能
5、够提高集团公司在苏州地区的企业公信力，提高集团公司在类似地层中的施工技术管理水平，为开拓苏州轨道交通市场提供坚实的技术保障。三、项目研究的主要内容和关键技术苏州地铁2号线延伸线2标东方大道站独墅湖南站区间线路始于东方大道站东端，区间最小曲线半径450m，左右线间距为1316.5m，线路埋深10.819.1m，最大纵坡为25，最小纵坡为3.5。其间穿越苏州运河，苏州运河河道宽83m，下穿段长280m，隧道最小埋深11.6m。驳岸基础为整板砼基础，厚度为0.5m，宽为3.7m。砼基础上为浆砌块石。主要穿越地层为2粉土夹粉质粘土层，为典型的全断面软土地层，隧道埋深较浅，含水量高。盾构姿态较难控制，对
6、河堤沉降要求严格，穿越过程中，易出现涌水喷砂事故，施工风险很大，存在水域地段地质的不确定性、水底存在障碍物的可能性、地质探孔或者其他地质扰动可能导致掘进面与水底贯通等，故而本工程施工时须对盾构在长距离穿越苏州运河软土地层掘进施工中各项技术参数进行相应的优化和比选。本课题研究的主要内容：盾构长距离穿越苏州运河软土地层掘进姿态控制技术盾构长距离穿越苏州运河软土地层掘进参数设计、修正、比选软弱地层中盾构掘进管片姿态控制技术软土地层掘进地面沉降控制技术盾构长距离穿越河流软土地层掘进施工技术软地层中成型隧道隧底注浆加固施工技术四、项目研究的总体思路根据工程施工生产的需要，对盾构掘进各施工工序进行细化，重
7、点把控盾构机及管片姿态控制、掘进参数设计和选取控制、同步注浆控制、河堤及地面沉降分析等重点环节，对施工过程中各项操作要点进行修正、归纳、整理、提炼，对过程中发现的问题及时进行攻关，形成工法原始材料的收集。在此基础上开展盾构长距离穿越苏州运河软土地层掘进施工工法的科研，对涉及的关键技术进行理论补充，形成系统、科学的工法材料，为今后类似工程的施工提供指导和借鉴。五、本研究课题采取的方法与具体措施1、立足于集团公司内部的力量，成立技术专家组和技术攻关组，实行课题组长负责制，积极开展课题攻关活动，定期进行课题汇报及评审工作。2、聘请有类似工程实践经验的专家进行现场指导或担任技术顾问。3、优化盾构推进各
8、专项施工方案，对施工方案及施工工艺进行专家评审。4、组织课题组成员到上海轨道交通、深圳地铁等类似项目参观学习。5、采取与科研院所联合开发，如苏州大学、同济大学大学、隧道局等有雄厚科研实力和实践经验的单位合作研究。6、建立课题组成员特别是施工现场成员与作业班组的沟通交流制度，把工艺研究成果转化为便于操作的作业指导书，更好地指导施工生产，并在实施过程中验证、完善研究课题。六、研究过程及现场实施情况6.1软弱地层中掘进施工控制要点盾构在软土地层中掘进时，盾构机姿态控制是施工成败的关键技术。由于软土地层含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低、灵敏度高和易触变、流变的特性，地层自稳性能极差，该地层盾构施工
9、容易出现盾构机漂浮不定、管片严重下沉（上浮）、渗漏水严重、堤岸和地面沉降、涌水、喷砂，施工风险很大，存在水域地段地质的不确定性、水底存在障碍物的可能性、地质探孔或者其他地质扰动可能导致掘进面与水底贯通等问题，经研究确定，在地质环境不利情况下，必须合理的选取掘进参数，对管片姿态、地面沉降、注浆量以及成型隧道进行合理的控制，才能使盾构在穿越苏州运河软地层掘进施工得到保障，渗漏情况及地面沉降得到控制，从而大大降低工程施工难度，保证成型隧道质量，安全性也得到可靠保障。同时由于隧道底部注浆加固的保护作用，大大减小了成型隧道和后期沉降，为今后隧道运营打下稳固的基础。6.1.1地质特性以苏州地铁2号线东方大
10、道站独墅湖南站区间为例。东方大道站独墅湖南站区间原状土地层岩性如下：（1）人工填土层：层底埋深1.502.50m、层底标高1.58-0.35m、揭示层厚1.502.50m；一般呈灰黄色灰色或杂色，土质不均、松散、成分复杂，主要以素填土为主，成分主要为粘性土，含植物根茎、有机质和少量碎石等；局部为杂填土，含碎石、砖块、建筑垃圾等；（2）淤泥质粘土Y层：层底埋深5.0010.50m、层底标高-2.82-8.15m、揭示层厚3.008.30m；灰色，尚均匀，含有机质，局部夹薄层粉土；流塑为主，偶呈软塑，有光泽，无摇振反应，干强度高，韧性高，平均压缩系数a0.1-0.2为1.01MPa-1，压缩性高。
11、；（3）粉质粘土2层：层底埋深10.6014.50m、层底标高-7.99-11.75m、揭示层厚1.806.40m；草黄灰黄色，偶为暗绿色或褐灰色，尚均匀，含铁锰质结核和灰色条纹，夹有薄层粉土或粘土，局部较多；可塑为主，偶为软塑，稍有光泽，无摇振反应，干强度中等，韧性中等，平均压缩系数a0.1-0.2为0.30MPa-1，压缩性中等；（4）粉质粘土1层：层底埋深12.8015.00m、层底标高-9.87-12.13m、揭示层厚0.903.00m；灰色，欠均匀，含云母，夹薄层粉土，局部较多，偶为粘土；软塑为主，偶呈可塑或流塑，稍有光泽，无摇振反应，干强度中等，韧性中等，平均压缩系数a0.1-0.
12、2为0.34MPa-1，压缩性中等；（5）粉土夹粉质粘土2层：层底埋深20.5022.70m、层底标高-17.68-19.95m、揭示层厚6.3010.60m；灰色，欠均匀，含云母碎屑，夹层状粘性土，局部夹粉砂；饱和，平均孔隙比为0.821，平均实测标贯击数为12.7击，稍密中密，无光泽，摇振反应中等，干强度低，韧性低，平均压缩系数a0.1-0.2为0.22MPa-1，压缩性中等；（6）粉质粘土1层：层底埋深28.5031.10m、层底标高-26.09-28.45m、揭示层厚6.7010.00m；灰色，欠均匀，夹薄层粉土、粉砂，局部较多，含云母、有机质，偶呈粘土；软流塑，偶呈可塑，稍有光泽，无
13、摇振反应，干强度中等，韧性中等，平均压缩系数a0.1-0.2为0.40MPa-1，压缩性中等。6.2实施的重难点及技术保障措施6.2.1地表、隧道沉降控制本区间盾构穿越苏州运河软土地层施工期间经过项目部采取各类技术措施，精心组织施工，区间地表、河堤、隧道沉降控制效果较为良好，施工期间项目部主要采取以下措施：在盾构正常施工前，精心组织人员对机械和施工现场进行全面检查，对潜在风险源进行分析并制定出相应对策，根据地面隆沉及地质情况，确定调整好盾构推进速度、刀盘转速、土仓压力、出土量、同步注浆量等施工参数。根据盾构机埋深、所在位置的土层状况、前期隧道施工情况以及监测数据，动态调整土压力及出土量。严格控
14、制盾构施工轴线，对盾构姿态调整遵循少纠偏勤纠偏的原则，严禁猛纠偏，以降低土层的损失和对周围土体的扰动，避免盾构姿态恶化。盾构穿越河底时，由于地层含水量高，水压力高，注浆时必须遵循“同步注入，快速凝结，信息反馈，适当补充”的原则注浆。严格控制同步注浆量和浆液质量，通过同步注浆及时填充盾尾管片与土体间的建筑空隙，减少施工过程中土体变形。同步注浆施工严格控制注浆压力，尽量做到填充而不是劈裂。注浆压力过大，管片外的土层将被浆液扰动而造成较大的沉降，易造成跑浆；注浆压力过小，填充速度慢。填充不足，也会使变形过大，为确保地面不出现隆起，同步注浆压力定为0.27MPa。严格控制管片拼装质量。管片的拼装从隧道
15、底部开始，先安装标准块，依次安装相邻块，最后安装封顶块。安装封顶块时先径向搭接约2/3管片宽度，调整位置后缓慢纵向向顶推。管片安装到位后，及时伸出相应位置的推进油缸顶紧管片，安装好螺栓并拧紧，然后移开管片安装机。安装封顶块前，在K块两侧涂刷肥皂水或少量黄油，产生润滑作用，方便K块顺利安装，防止K块外弧面产生破碎，减少对遇水膨胀橡胶止水条的挤压和摩擦。管片每安装一片，先人工初步紧固连接螺栓；安装完一环后，用风动扳手对所有管片螺栓进行紧固；管片脱出盾尾后，用风动扳手进行重复紧固。当管片到达6号台车位置，用风动扳手再次进行复紧。在盾构推进结束后回缩的千斤顶应尽可能的少，以满足管片拼装即可，以减少千斤顶回缩造成盾构机的后退，从而造成对土体的扰动。拼装后及时调整千斤顶的顶力，防止盾构姿态发生突变。在推进过程中，为防止盾构掘进时，地下水及同步注浆浆液从盾尾窜入隧道，在距盾尾7环处进行管片壁后二次双液注浆，以截断盾构机后部的水源，使此后的整条隧道形成有效的止水帷幕，防止盾构掘进过程中，出现从盾尾后面或螺旋机出土口的漏水、漏砂现象。及时进行二次补浆，控制后期沉降。在盾构穿越后，根据监测情况，及时对隧道周
