复杂地质多风险源条件下的盾构选型及针对性设计.pdf
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1、四川建筑第43卷第4期铁路与公路复杂地质多风险源条件下的盾构选型及针对性设计邓晓飞(中铁五局二公司,湖南衡阳42 10 0 2)【摘要】复杂地质多风险源条件下盾构的合理选型与针对性设计是保证盾构隧道安全高效建设的重要前提与保障。依托合肥骆岗生态公园市政配套预留工程一期及合肥西站地下预留空间工程,分析了工程存在的主要技术挑战,介绍了盾构选型与针对性设计。结果表明土压平衡盾构能较好地适应该项目的地质条件,而通过优化刀具配置、主驱动系统、刀盘系统、渣土改良系统以及改进螺旋输送机和注浆系统能解决复杂地质多风险源条件下盾构的掘进问题。【关键词】复杂地质;风险源;隧道掘进;盾构选型;针对性【中图分类号】U
2、455.430 引 言目前在地下工程建设中盾构法和钻爆法是2 类典型的施工方法,其中由于盾构法具有安全、高效等特点而被广泛用于城市地下交通设施建设。在多年的发展过程中,针对不同的地层特征和工程特点,工程界开发了多种盾构机机型和工艺工法,典型的如土压平衡盾构和泥水平衡盾构。在盾构法中盾构设备的正确选型和适应性设计是保证隧道安全、高效建设的关键,目前国内外学者对此开展了大量的研究。陈馈 2 依托南水北调中线穿黄隧洞的工程特征,探讨了穿黄隧洞施工的盾构选型方案及基本配置要求,指出盾构是否能适应地质条件、是否能保证开挖面稳定是盾构选型的主要依据。靳世鹤 3 针对南京长江隧道工程存在的技术难点,对盾构机
3、选型中的十大系统进行了分析比较。张双亚 4 针对北京地下直径线工程,分析了不同盾构类型与地层渗透性、黏土含量及颗粒级配的对应关系,指出泥水平衡盾构更适应北京铁路地下直径线的工程与水文地质。唐健等 5 针对成都地铁含大漂石砂卵石地层的特征,分析了土压平衡盾构在该类地层中的适应性。王梦恕 6 探讨了不同类型的盾构在不同地层中的适应性,指出在自稳性较好的地层中宜选用开式网格盾构。刘训华等 7 指出在下穿钱塘江时,泥水平衡盾构在处理有害气体、承压水层及砂性土层施工方面优于土压平衡盾构,但在经济性、施工方便性等方面不及后者。综上所述,目前国内外学者已针对不同地层的盾构选型开展了全面研究并形成了一系列有益
4、成果,但是近年来盾构隧道工程面临的地质条件愈加复杂,工程建设过程中面临多种复杂风险源,典型的如下穿桥梁桩基、房屋结构、管线等多种建(构)筑物等。本文依托合肥骆岗生态公园市政配套预留工程一期及合肥西站地下预留空间工程,探讨了复杂地质多风险源条件下的盾构选型,并介绍了不同风险源的针对性设计。1工程概况1.1工程简介本文依托于合肥骆岗生态公园市政配套预留工程一期及合肥西站地下预留空间工程,在S1盾构井与合肥西站之【文献标志码】A间设置一双洞单线隧道,隧道长544.6 54m,采用盾构法开挖。区间线路自S1盾构井出发下后穿规划清溪路高架向南敷设,随后以R=500m的平面曲线接R=3000m平面曲线下穿
5、高铁合肥西站站房桩基础后到达合肥西站。区间线路纵断面呈“二 型上坡,线路自S1盾构井以7.0 5%上坡升坡至合肥西站(图1)。区间线间距13.0 2 1.5m,隧道顶部埋深19.2 2 2.0m。盾构主要穿越强风化粉砂岩、中等风化粉砂岩。SI盾构井开始发端图1工程示意1.2工程重难点分析根据工程地质条件、区位特点等,分析本工程主要面临以下技术挑战。1.2.1软硬不均地层掘进设备损伤大一般而言,盾构穿越的地层较为单一,如北京地区以黏土、粉质黏土为主,成都地区以砂卵石地层为主,在这种单一地层中盾构掘进时盾构姿态平稳,对盾构设备的影响较小。而本工程区间在DK44+657.433DK44+701.23
6、3范围存在43.8 m的上软下硬地段,洞身范围内上部为中风化粉砂岩,下部为中风化砂岩,而在DK44+784.043DK44+840.503范围存在56.46 m的上硬下软地层,上部中风化砂岩而下部为中风化粉砂岩,其中中风化砂岩最大天然单轴抗压强度为12 4MPa。当盾构在软硬不均地层掘进时,当刀具定稿日期 2 0 2 2-0 4-0 2【作者简介邓晓飞(197 1一),男,本科,高级工程师,研究方向为铁道工程。107合肥西站接收端铁路与公路切削经过软硬岩交界面时刀具在软硬不均岩面作周期性碰撞,这种碰撞会引起局部刀具受力超载,同时刀盘承受偏心荷载作用至使主轴承受损或主轴承密封破损。在上软下硬地层
7、中掘进,盾构刀盘扭矩波动较大,刀具受力点极其不均匀,容易使刀盘刀具产生偏磨。当刀具产生偏磨后会进一步恶化各项掘进参数,因此在上软下硬地层中掘进如何做好刀具的保护工作是确保连续施工的难题。1.2.2风化岩层掘进容易结泥饼地勘资料表明区间洞身范围为风化岩层,而这类地层中黏土矿物含量较高(粒径D不大于0.0 7 5mm),在刀具和刀盘的切削作用下,风化岩层极易变成粉末状并附着在刀盘上,在遇水软化后其粘性进一步增大,粘附作用会进一步增强,这些粘附在刀盘上的黏土会在压力和温度的作用下重新固结形成泥饼。泥饼的形成会增大推力和扭矩、降低掘进速度并加速刀具磨损【,严重影响盾构掘进效率和安全,因此如何降低结泥饼
8、的程度是本工程需解决的关键问题。1.2.3盾构穿越建构物风险大本工程位于城市密集区,沿线穿越多个建(构)筑物,典型的有清溪路高架主线桥、清溪路高架B匝道桥、清溪路西广场地下室、清溪路高架D匝道桥、合肥西站高铁站房、污水管线、雨水管线等。其中盾构区间侧穿规划清溪路高架D匝道桥桩基础,最小侧向距离约1.7 7 m,如图2 所示,同时该桩基为新建桩基,桩基施工过程中对土体的扰动未完全固结,极易受扰动变形。盾构掘进过程中会不可避免地对隧道周边土体产生扰动,而应力状态的改变则又会导致地层的沉降变形,过大的地层变形则会引起既有建(构)筑物的不均匀沉降变形,引发开裂等灾害 9。J-ZF4323.42(1)杂
9、填土16:5219.2215.724.82-15.01-图2 区间侧穿清溪路高架D匝道桥桥桩位置关系2盾构设备选型在盾构设备选型时应满足适用性、可靠性、先进性和经济性相统一的原则 10 ,同时在满足适用性和可靠性的前提下,优先考虑技术先进性和经济合理性。首先盾构设备应对工程地质、水文地质有较强的适应性,既能确保开挖面与地层稳定,同时能满足地层变化大、岩性软硬不均等复杂地质条件的施工要求;其次盾构设备应能保证正常与极端条件下的安全掘进,避免出现安全事故。而先进性则要求所选设备具有较高的掘进效率和稳定性,经济性主要指后配套设备的能力与主机配套,满足生产能力与主机掘进速度相匹配,同时具有施工安全、结
10、构简单、布置合理和易于维护保养的特点。根据上述原则,在设备选型过程中主要考虑地层渗透系108四川建筑第43卷第4期数、颗粒级配、施工风险和施工成本等因素。施工经验表明,当地层的渗透系数小于10-7 cm/s时,主要选用土压平衡盾构,而渗透系数在10-7 10-4cm/s之间时,2 类盾构均可,而当渗透系数大于10-4cm/s时,则应选用泥水平衡盾构,而本工程中强风化粉砂岩和中等风化粉砂岩的渗透系数均小于10=4cm/s。从颗粒级配来看,本工程中盾构穿越的围岩均属细颗粒地层,这类地层中如果采用泥水平衡盾构时,会影响泥水分离设备的处理效率,进而影响掘进效率。从施工风险来看,泥水平衡盾构在高水压情况
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