花岗岩风化地层中盾构施工风险和对策研究.pptx
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1、花花 岗岗 岩岩 风风 化化 地地 层层 中中盾盾构施工风险和对策研构施工风险和对策研究究 概概 述述提 纲 上世纪九十年代以来,以广州为代表的地铁建设上世纪九十年代以来,以广州为代表的地铁建设者大胆引进国外先进的盾构技术,应用于复合地层的者大胆引进国外先进的盾构技术,应用于复合地层的地铁施工,取得了辉煌的业绩。在这个过程中,多个地铁施工,取得了辉煌的业绩。在这个过程中,多个城市地铁在花岗岩风化地层盾构法施工中也遇到了许城市地铁在花岗岩风化地层盾构法施工中也遇到了许多难题,尤其是在易结多难题,尤其是在易结“泥饼泥饼”地层、含地层、含“孤石孤石”地地层、层、“上软下硬上软下硬”等地层施工中,曾造
2、成地面塌方、等地层施工中,曾造成地面塌方、管线损坏、建筑物倒塌等事故,经济损失巨大并产生管线损坏、建筑物倒塌等事故,经济损失巨大并产生不利的社会影响。不利的社会影响。概概 述述 本本讲座讲座结合工程实例对这些风险分析和对策研究进结合工程实例对这些风险分析和对策研究进行了总结,以期对类似地层进行盾构施工起到借鉴行了总结,以期对类似地层进行盾构施工起到借鉴和指导作用。和指导作用。概概 述述花岗岩风化地层的特点花岗岩风化地层的特点提 纲 花岗岩是酸性岩浆上升到地表以下逐渐冷却凝花岗岩是酸性岩浆上升到地表以下逐渐冷却凝结成的结晶结成的结晶岩体岩体。风化作用使花岗岩的结构、构。风化作用使花岗岩的结构、构
3、造和整体性遭到破坏,强度和稳定性大为降低。造和整体性遭到破坏,强度和稳定性大为降低。经过风化作用影响的花岗岩,会发生如下不同程经过风化作用影响的花岗岩,会发生如下不同程度的变化:度的变化:花岗岩风化地层的特点花岗岩风化地层的特点花岗岩风化地层的特点花岗岩风化地层的特点 1 1、整体的岩体变为碎块,碎块变为细粒。在广州整体的岩体变为碎块,碎块变为细粒。在广州地区,根据颗粒分析统计,在花岗岩的全风化和强风化地区,根据颗粒分析统计,在花岗岩的全风化和强风化岩层中的粉粒和粘粒的含量大体上为岩层中的粉粒和粘粒的含量大体上为40-51%40-51%。因此,盾。因此,盾构在这类地层中推进时,特别要防止在刀盘
4、面和密封仓构在这类地层中推进时,特别要防止在刀盘面和密封仓内结泥饼。另一方面,岩石中的石英是稳定矿物,全风内结泥饼。另一方面,岩石中的石英是稳定矿物,全风化花岗岩地层实际上类同砂土地层,在动水的作用下盾化花岗岩地层实际上类同砂土地层,在动水的作用下盾构施工过程中工作面易于塌落。构施工过程中工作面易于塌落。花岗岩风化地层的特点花岗岩风化地层的特点 2 2、花岗岩中的正长石,当发生风化后就逐渐变为高岭石。花岗岩中的正长石,当发生风化后就逐渐变为高岭石。高岭石遇水膨胀造成工作面不稳,同时也是刀盘结泥饼的主要高岭石遇水膨胀造成工作面不稳,同时也是刀盘结泥饼的主要原料。原料。3 3、风化后的地层中可能存
5、在裂隙水特别发育的状况,尤风化后的地层中可能存在裂隙水特别发育的状况,尤其在全风化与强风化、强风化与中风化的界面上,一旦富水往其在全风化与强风化、强风化与中风化的界面上,一旦富水往往是盾构法施工造成喷涌的原因之一。图往是盾构法施工造成喷涌的原因之一。图-1-1为广州地铁三号线为广州地铁三号线北延线燕塘北延线燕塘 梅花园区间右线隧道纵断面图,该断面包含全梅花园区间右线隧道纵断面图,该断面包含全风化风化、强风化、强风化、中风化、中风化与微风化与微风化地层。地层。花岗岩风化地层的特点花岗岩风化地层的特点 4 4、花岗岩的球状风化是、花岗岩的球状风化是该类岩石的一种较普遍的风该类岩石的一种较普遍的风化
6、现象,即在深度风化的花化现象,即在深度风化的花岗岩岩体中残留了微风化的岗岩岩体中残留了微风化的较新鲜坚硬的球状花岗岩体。较新鲜坚硬的球状花岗岩体。图图-2-2为盾构机刀盘前的花岗为盾构机刀盘前的花岗岩球状风化体(俗称孤石)。岩球状风化体(俗称孤石)。球状风化图图-2 刀盘前的花岗岩球状风化体刀盘前的花岗岩球状风化体图图-1裂隙水发育地层裂隙水发育地层花岗岩风化地层的断面分类花岗岩风化地层的断面分类提 纲花岗岩风化地层的断面分类花岗岩风化地层的断面分类 根据我们的经验,造成盾构施工根据我们的经验,造成盾构施工风险的开挖断面主要有以下五类:风险的开挖断面主要有以下五类:1 1、断面为可塑、硬塑状的
7、花岗、断面为可塑、硬塑状的花岗岩残积土、全风化岩或强全风化岩,岩残积土、全风化岩或强全风化岩,该类地层易结泥饼。如图该类地层易结泥饼。如图-3-3为广州为广州地铁三号线北延线燕地铁三号线北延线燕 梅区间易结梅区间易结泥饼地层,其中泥饼地层,其中为硬塑状的为硬塑状的花岗岩残积土。花岗岩残积土。图图-3广州地铁三号线北延线易结泥饼地层广州地铁三号线北延线易结泥饼地层 花岗岩风化地层的断面分类花岗岩风化地层的断面分类 2 2、断面为夹有花岗岩球状风化体(孤石)的含石英砂、断面为夹有花岗岩球状风化体(孤石)的含石英砂砾粘土和全风化岩。图砾粘土和全风化岩。图-4-4为广州地铁三号线天华区间的为广州地铁三
8、号线天华区间的含含“孤石孤石”地层地层。图图-4广州地铁三号线天华广州地铁三号线天华区间的含孤石地层区间的含孤石地层花岗岩风化地层的断面分类花岗岩风化地层的断面分类 3 3、断面上部及其顶部为砂、断面上部及其顶部为砂层或残积层、全风化岩;下部为层或残积层、全风化岩;下部为强风化岩、中微风化岩,强风化强风化岩、中微风化岩,强风化岩和中风化岩大多存在良好的赋岩和中风化岩大多存在良好的赋(存存)水空隙和水力通道。该类地水空隙和水力通道。该类地层为上软下硬地层层为上软下硬地层,如广州地铁如广州地铁三号线北延线燕塘三号线北延线燕塘 梅花园区梅花园区间间。见图见图-5-5。图图-5广州地铁三号线北延线上软
9、下硬地层广州地铁三号线北延线上软下硬地层 花岗岩风化地层的断面分类花岗岩风化地层的断面分类 4 4、全断面节理发育的中风化、全断面节理发育的中风化岩,该类地层地下水丰富。如广州岩,该类地层地下水丰富。如广州地铁三号线大汉区间。地铁三号线大汉区间。5 5、全断面岩体完整且强度超、全断面岩体完整且强度超过过100MP100MP的微、未风化岩,该类的微、未风化岩,该类地层为全断面硬岩地层。图地层为全断面硬岩地层。图-6-6为广为广州地铁三号线北延线同永区间全州地铁三号线北延线同永区间全断面硬岩地层。断面硬岩地层。图图-6广州地铁三号线北延线全断面广州地铁三号线北延线全断面地层地层各类断面情况下盾构施
10、工的风险分析各类断面情况下盾构施工的风险分析提 纲各类断面情况下盾构施工的风险分析各类断面情况下盾构施工的风险分析 1 1、盾构过易结盾构过易结“泥饼泥饼”地层的风险分析地层的风险分析:泥饼的形泥饼的形成除与上述特殊的地质条件有关外,还与盾构机选型和施成除与上述特殊的地质条件有关外,还与盾构机选型和施工应对方法或措施不科学有关。常见的不合理的应对方法工应对方法或措施不科学有关。常见的不合理的应对方法或措施如下:对地质条件的误判;建立土压平衡模式并设或措施如下:对地质条件的误判;建立土压平衡模式并设定过高的出土压力;未用或未针对性应用渣土改良剂;冷定过高的出土压力;未用或未针对性应用渣土改良剂;
11、冷却措施无效导致盾构机产生高温高热;在密封土舱土体饱却措施无效导致盾构机产生高温高热;在密封土舱土体饱满的情况下长期停机等。满的情况下长期停机等。泥饼造成的危害包括:引发地表塌陷、地表隆起、江泥饼造成的危害包括:引发地表塌陷、地表隆起、江底喷涌和塌陷、刀盘固结以及盾构机主轴承损坏等。底喷涌和塌陷、刀盘固结以及盾构机主轴承损坏等。各类断面情况下盾构施工的风险分析各类断面情况下盾构施工的风险分析 2 2、盾构过盾构过“孤石孤石”地层的地层的风险分析风险分析:花岗岩球状风化体的花岗岩球状风化体的特征是体量比较小,一般多为特征是体量比较小,一般多为1.01.03.0 m3.0 m。在施工过程中由于。在
12、施工过程中由于瞬间荷载突然加大(见图瞬间荷载突然加大(见图-7-7),),甚至会造成刀盘变形和刀具的严甚至会造成刀盘变形和刀具的严重损坏(图重损坏(图-8-8)。易产生卡刀、)。易产生卡刀、崩刀、刀具偏磨等,严重影响施崩刀、刀具偏磨等,严重影响施工进度或增加建设成本。工进度或增加建设成本。图图-7 在瞬间荷载作用下会损坏刀盘和刀具在瞬间荷载作用下会损坏刀盘和刀具图图-8 边刀崩掉边刀崩掉各类断面情况下盾构施工的风险分析各类断面情况下盾构施工的风险分析 3 3、盾构过盾构过“上软下硬上软下硬”地层地层的风险分析的风险分析:盾构过盾构过“上软下硬上软下硬”地层中地层中存在的存在的施工风险施工风险是
13、是刀具损耗刀具损耗多;盾构机易抬头;盾构机姿态不多;盾构机易抬头;盾构机姿态不易控制;机体易被卡;易发生喷涌;易控制;机体易被卡;易发生喷涌;拱顶易坍塌且易多出土,地面沉降拱顶易坍塌且易多出土,地面沉降不可控等。图不可控等。图-9-9为广州地铁三号线为广州地铁三号线北延线燕梅区间刀具偏磨。北延线燕梅区间刀具偏磨。图图-9 1#刀偏磨刀偏磨各类断面情况下盾构施工的风险分析各类断面情况下盾构施工的风险分析 4 4、盾构过盾构过“硬岩硬岩”地层的风险分析地层的风险分析:盾构在第盾构在第、类断面花岗岩地层中掘进,存在掘进速度慢、功率消耗类断面花岗岩地层中掘进,存在掘进速度慢、功率消耗大;刀盘、刀具磨损
14、大,换刀频繁;刀盘易变形;刀盘、大;刀盘、刀具磨损大,换刀频繁;刀盘易变形;刀盘、盾壳易被卡;掘进时容易发生振动和盾构机壳体转动,影盾壳易被卡;掘进时容易发生振动和盾构机壳体转动,影响盾构机姿态等问题。响盾构机姿态等问题。另外,盾构在全断面花岗岩硬岩中掘进,若注浆配比另外,盾构在全断面花岗岩硬岩中掘进,若注浆配比和工艺不合理容易发生隧道椭变、损伤和上浮问题。华南和工艺不合理容易发生隧道椭变、损伤和上浮问题。华南某某1414米直径高铁隧道在全断面花岗岩硬岩中掘进因为注浆米直径高铁隧道在全断面花岗岩硬岩中掘进因为注浆不足,管片椭变,导致错台、开裂和漏水,见图不足,管片椭变,导致错台、开裂和漏水,见
15、图-10-10。各类断面情况下盾构施工的风险分析各类断面情况下盾构施工的风险分析图图-10高铁隧道因为注浆不足、管片椭变导致开裂和漏水高铁隧道因为注浆不足、管片椭变导致开裂和漏水 应对风险的对策研究应对风险的对策研究提 纲应对风险的对策研究应对风险的对策研究 1 1、应对应对“泥饼泥饼”的对策的对策 (1 1)盾构机设计上,应有防结泥饼的考虑:刀盘上)盾构机设计上,应有防结泥饼的考虑:刀盘上既设有主动搅拌棒,土仓壁上也设有固定搅拌棒,泥饼被既设有主动搅拌棒,土仓壁上也设有固定搅拌棒,泥饼被充分搅动和破碎,减小了粘结的机会;刀盘、仓壁、搅拌充分搅动和破碎,减小了粘结的机会;刀盘、仓壁、搅拌棒等处
16、设置多个喷头,可以根据需要向碴土注入一定的水、棒等处设置多个喷头,可以根据需要向碴土注入一定的水、泡沫等。泡沫等。(2 2)在施工过程中,尽量增大中心区的开口率,也)在施工过程中,尽量增大中心区的开口率,也有利于避免形成有利于避免形成“泥饼泥饼”。应对风险的对策研究应对风险的对策研究 (3 3)土仓渣土堆积太多,压力建立太高易结泥饼,)土仓渣土堆积太多,压力建立太高易结泥饼,因此在围岩稳定地层可采用半仓土掘进;如果需要进行因此在围岩稳定地层可采用半仓土掘进;如果需要进行土压平衡掘进,可往土仓里加气,达到所需压力,这样土压平衡掘进,可往土仓里加气,达到所需压力,这样可以减少土仓渣土量进而防止结泥
17、饼。可以减少土仓渣土量进而防止结泥饼。(4 4)注意渣土温度变化。如果掘进速度较慢,而渣)注意渣土温度变化。如果掘进速度较慢,而渣土温度较高,则有可能导致结泥饼。严密监测渣土温度,土温度较高,则有可能导致结泥饼。严密监测渣土温度,如有异常则在掘进时加大泡沫剂用量可降低结泥饼的几如有异常则在掘进时加大泡沫剂用量可降低结泥饼的几率。率。应对风险的对策研究应对风险的对策研究 (5 5)避免土仓饱满时长期停机,宜以泥浆或黏)避免土仓饱满时长期停机,宜以泥浆或黏性差的砂土代替部分土体充填土仓。性差的砂土代替部分土体充填土仓。(6 6)一旦产生泥饼,可空转刀盘)一旦产生泥饼,可空转刀盘,使泥饼在离使泥饼在
18、离心力的作用下脱落。心力的作用下脱落。(7 7)有条件时可采用分散剂溶解仓内泥饼。)有条件时可采用分散剂溶解仓内泥饼。应对风险的对策研究应对风险的对策研究 2 2、应对应对“孤石孤石”的对策的对策 (1 1)孤石处理的基本思路:)孤石处理的基本思路:a a、线路设计上,采取调线调坡等措施,尽量避开线路设计上,采取调线调坡等措施,尽量避开“孤石孤石”或减少或减少“孤石孤石”进入隧道范围的数量;盾构机设计进入隧道范围的数量;盾构机设计上采取措施,避免孤石上采取措施,避免孤石“滞排效应滞排效应”的风险;的风险;b b、根据详勘资料和地形地貌分析,制定勘探方案,根据详勘资料和地形地貌分析,制定勘探方案
19、,查探出孤石群和查探出孤石群和“孤石孤石”的位置、形态和大小;的位置、形态和大小;c c、当勘探揭露当勘探揭露“孤石孤石”位于隧道洞身时,优先采用位于隧道洞身时,优先采用地面预处理。地面预处理。应对风险的对策研究应对风险的对策研究 d d、盾构机掘进过程中发现的盾构机掘进过程中发现的“孤石孤石”,如判断盾构机,如判断盾构机可直接掘进通过则采取检查、更换刀具等措施直接掘进通过可直接掘进通过则采取检查、更换刀具等措施直接掘进通过;如判断盾构机直接掘进通过风险太大时,则进行地面或洞内如判断盾构机直接掘进通过风险太大时,则进行地面或洞内处理后再掘进通过。处理后再掘进通过。e e、地面预处理有地面钻孔微
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