低瓦斯高富水完整性砂岩掘进技术研究

0 引言

成都轨道交通1号线三期段家山站~武汉路站区间隧道处于完整性砂岩地层,过程中发现该隧道出现低瓦斯、高富水等复杂地质,为解决低瓦斯隧道施工、管片上浮、隧道喷涌、施工进度缓慢、刀具磨损严重等诸多问题,采取了一系列的施工措施,最大限度提高盾构施工进度,降低盾构施工安全风险。

1. 工程概况

1.1 区间隧道设计概况

成都轨道交通1号线三期段家山站~武汉路站区间隧道长1067.125m,埋深5.6~35m;平面线路最小半径为1500m;线路纵坡2‰~26.9‰,左、右线区间设计中心线线间距为12~14m。隧道采用圆形装配式C50钢筋混凝土管片单层衬砌;管片内径5400mm、外径6000mm、幅宽1.5m。

1.2 工程地质条件

该区间施工穿越的主要地层有:中风化泥岩,中风化砂岩;其中中风化砂岩的天然抗压强度最高达到49MPa,且完整性好(85%<rqd </rqd

2. 低瓦斯高富水完整性砂岩地层施工的问题和风险

2.1 低瓦斯地层盾构掘进的隐患

(1)瓦斯中毒

当瓦斯中一氧化碳浓度达到0.04%以上时,会逐渐出现中毒症状,威胁生命。而隧道内作业人员众多,一旦出现中毒现象,极有可能出现群死群伤,风险极大。

(2)瓦斯爆炸

瓦斯爆炸需具备三个条件:(1)瓦斯浓度在爆炸界限内,一般为5%-16%;(2)混氧气浓度不低于12%;(3)足够能量的点火源,一般为温度不低于650度或能量大于0.28m J,持续时间大于爆炸感应期。而盾构机内空间狭小,且盾构机内电气设备多,一旦出现瓦斯突出,极易达到爆炸条件,具有很大的风险性。

2.2 高富水地层盾构施工中遇到的问题

(1)管片上浮

根据数据分析,管片在脱出盾尾后,以及后续推进过程中均存在上浮现象,最大上浮量达45mm,造成管片垂直姿态超限,管片错台、破损、漏水等后果。

(2)喷涌严重

在全断面砂岩地层掘进过程中,地下水从掌子面前方和成型管片后方两个通道大量通过刀盘大量进入土仓内,一方面形成较大水压,导致土仓压力和螺旋输送机压力增大;另一方面土仓内水含量过高造成渣土离析,导致在掘进过程中螺旋输送机出土时喷涌严重,造成掘进不顺畅。

2.3 完整性砂岩地层盾构施工中遇到的问题

2.3.1 掘进速度慢

该区间采用的两台海瑞克盾构机在全断面砂岩地层掘进过程中,由于砂岩完整性好、强度高,掘进速度非常缓慢,仅有10~12mm/min。

2.3.2 刀具磨损严重,刀圈崩坏

由于掘进速度慢,单环掘进时间在2至3小时左右,而刀具无法有效破岩,滚刀长时间在高石英含量的砂岩掌子面上滚动,导致刀具磨损非常严重;而在加大推力以增加刀具贯入度时,出现中心刀刀圈崩裂的情况。

3. 低瓦斯高富水完整性砂岩地层施工的技术控制措施

针对以上三个方面的突出问题,我们从以下几个方面来研究解决:

3.1 解决低瓦斯地层盾构掘进风险

为保障低瓦斯地层隧道盾构施工安全,根据瓦斯隧道的危害特点,主要从降低浓度、控制明火、加强监测三个方面来进行控制。

3.1.1 降低浓度

(1)消散孔

施工期间在即左线左侧和右线右侧提前打设瓦斯消散孔:孔径0.108m、孔距5m、结构轮廓外3m、左右交错布设,孔深至结构底板,土层深度内设钢护管防止塌孔及地下水流入,钢护管高出地1m,及时将地层中的瓦斯进行消散。

(2)加大通风

每个隧道设置2台隧道外通风设施,一用一备;在盾构机上安装防爆局扇风机,每节台车安装4个,共48台;隧道内外连接风管采用Φ1000拉链式聚乙烯通风管;盾构机上更换为Φ800的双抗塑料涂覆布正压风筒。

通过以上措施,将瓦斯浓度由0.99%降低到0.01%,有效降低了瓦斯的浓度。

3.1.2 控制明火

(1)低瓦斯地层隧道内固定敷设的照明、通信、信号和控制用的电缆全部更换为防静电阻燃电缆。

(2)电缆的连接:电缆与电器设备的连接与防爆性能相符合;电缆心线使用齿形压线板或线鼻子与电器设备连接;电缆之间的连接接线盒采用防爆型;高压低绝缘电缆接线盒内灌注绝缘充填物。

(3)电器与保护。避免在隧道内使用油断路器、带油的启动器和一次线圈为低压的油浸变压器。盾构前端照明灯具及隧道内固定照明灯具采用防爆照明灯;移动照明使用矿灯,隧道内高压电网的单相接地电容电流不大于20A。

(4)重点检查盾构前端的机电设备的专用供电线路、专用变压器(为防爆型)、专用开关,以及瓦斯浓度超限与供电的闭锁、局扇与供电的闭锁情况。供电线路接头应包裹紧密,设置有效的漏电保护装置及接地装置。对于无法避免电火花的地点,配备局部通风机,把瓦斯浓度降低到0.3%以下方可工作。

3.1.3 加强监测

采用人工监测和自动监测系统相结合的方式对隧道内的瓦斯含量进行监测,一是通过在盾构机及后配套台车上共设置3个红外甲烷传感器、1个硫化氢传感器和1个一氧化碳传感器;二是通过采用便携式瓦斯检测仪和光感式瓦斯检测仪,以60min一次的频率对作业区瓦斯易聚集处、出渣口、回风流中的瓦斯浓度进行检测;三是通过放置活禽的方式以验证瓦斯浓度。通过多种监测方式相互印证,当任一点出现报警时,立即紧急关闭螺旋输送机闸门,停止盾构机掘进。

3.2 解决高富水地层盾构掘进问题

为解决高富水地层中管片上浮和喷涌等问题,主要从调整浆液配比、加强二次注浆、进行渣土改良、注封水环等方式进行解决:

3.2.1 控制管片上浮

根据计算,L=1.5m、外径D=6.2m、内径d=5.5m的单环管片重量为G=L×π×(R2-r2)×ρ=25t,

当F浮>G时,将会出现管片上浮现象。

根据现场试验得出,同步注浆浆液重量为1.8t/m3,在浆液未凝固且管片完全覆盖的情况下F浮=86.8t,因此,当管片整体淹没29%时,将出现上浮现象。

因此,为避免管片上浮,需增大同步注浆中的水泥用量,将砂浆的初凝时间缩短至4小时以内,同时减少砂浆配合比中水的含量,避免砂浆注入后受地下水稀释造成砂浆离析。同时加强二次注浆,在管片脱出盾尾2环后立即在上部1点或11点位置开孔注入双液浆,加速砂浆的凝结并有效填充管片与地层之间的间隙。通过采取该两项措施,管片最终上浮量控制在20mm以内,有效避免了管片垂直姿态超限和管片错台破损现象。

3.2.2 控制隧道喷涌

隧道喷涌的主要原因在于土体渗透系数过大,改良效果较差,可塑性不好。为控制隧道喷涌,一方面在掘进过程中加入优质纳基膨润土配合泡沫进行渣土改良,并建立单独的膨化和供泥系统,保证经过充分的膨化后将高品质的泥浆注入刀盘前方掌子面,增加了渣土和易性的同时,形成类似泥水盾构的泥膜效应;另一方面在管片脱出盾尾后每三环注一个封水环,有效地阻断了管片后方的地下水通道,避免地下水大量涌入土仓影响渣土改良。

3.3 解决完整性砂岩地层掘进问题

为解决盾构机在完整性砂岩地层掘进缓慢的问题,主要从盾构机刀具管理和掘进参数方面进行优化:

3.3.1 加强刀具管理

滚刀破岩方式为破岩方式为挤压剪切式,通常情况下盾构推力是挤压破碎过程中主要参数;但因刀盘扭矩占据了挤压破碎绝大部分的功,故决定挤压破碎效率的最主要参数为刀盘扭矩,而刀盘扭矩与贯入度成正比。

根据美国科罗拉多矿业学院(Colorado School of Mines,C S M)提出的C S M模型和张厚美对该模型的简化,得出公式

式中Ft——滚刀所受合力(k N);

R——滚刀半径(mm);

T——滚刀刀尖宽度(mm);

ψ——刀尖压力分布系数,随刀尖宽度增加而减小,ψ=0.2~-0.2;

h——刀盘旋转一周切入深度,即贯入度(mm);

P0——破碎区压力。

可得到推论,在其他参数一定的情况下,刀具贯入度h与滚刀刀尖宽度T成反比关系。依照砂岩地层盾构掘进施工“小推力、高转速、低扭矩”的原则,在推力、转速和扭矩参数稳定的前提下可调整刀具的刃宽,将刃宽24mm的滚刀更换为刃宽19mm的滚刀后,刀具的贯入度提升,掘进速度得到有效提升,平均达到25mm/min~35mm/min,有效提高施工效率。同时通过对滚刀材质进行淬火处理,加强刀具的耐磨性。在掘进施工过程中针对刀具管理加强组织管理措施。

3.3.2 优化掘进参数

根据所配置的滚刀参数,单个滚刀可承受的最大推力为25t,刀盘共配置滚刀30把,刀盘可承受的最大推力F1为750t,经计算并结合现场实测数据得出,盾构机与土体之间的摩擦力F2为529t,后配套台车反力F3为87t,极限推力FMAX合计1366t。

而施工所采用的推力F<fmax

</fmax

根据计算,该地层盾构的总扭矩为

式中:M1为盘形滚刀切削土体所需的扭矩,M2为由于刀盘自重所产生的抵抗旋转的扭矩,M3为刀盘正面推力所产生的抵抗旋转的扭矩,M4为刀盘密封装置抵抗旋转的扭矩,M5为刀盘正面的摩擦扭矩,M6为刀盘周边的摩擦扭矩,M7为刀盘背面的摩擦扭矩,M8为刀盘开口处切削碴土所需的扭矩,M9为土仓内的搅动力矩。

通过选取不同的推力、扭矩进行现场试验,得出:

可见,在此地层盾构掘进过程中,1200t左右的推力、300t·m扭矩的情况下,可最大限度发挥刀具的作用,提升掘进效率。

4. 结语

(1)通过打设消散孔和加大洞内通风可有效降低低瓦斯隧道的瓦斯浓度,确保施工安全,而对于火源的管控和洞内气体的监测是控制瓦斯危害的必要措施。

(2)缩短同步注浆浆液的初凝时间,在管片上部及时进行二次注浆,可有效减小管片上浮量。

(3)做好封水环,采用膨润土进行渣土改良可以有效控制隧道喷涌。

(4)通过缩小滚刀刀刃宽度,增大贯入度,采用“小推力、高转速、低扭矩”的参数进行掘进,可有效适应完整性砂岩地层的地层掘进;同时,通过淬火等措施增加刀具的耐磨性,可增加刀具的耐久性。

摘要：通过介绍成都轨道交通1号线三期段家山站武汉路站区间盾构成功穿越低瓦斯高富水完整性砂岩地层的施工情况,分析了风险因素,分别针对低瓦斯、高富水、完整性砂岩提出了解决了技术措施。

关键词：盾构,低瓦斯,高富水,砂岩

参考文献

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