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盾構法施工隧道巖土工程勘察要點簡述

盾構法施工隧道巖土工程勘察要點簡述


盾構法是一種新型機械化開挖隧道的方法,與傳統的工法相比,盾構法是一種地質適應能力很差的工法,其施工工藝的重點在于使機械與巖土能夠很好地相互作用,即盾構機要做到“吃得下、排的出和穩得住”。因此,盾構機的選型設計和施工參數設定必須與地質條件相適應。這就給巖土工程勘察提出了較高的要求,巖土工程勘察不僅要針對盾構機選型、設計、盾構機掘進參數設定的專門要求,查明相關工程地質條件,還要對盾構法相關的巖土工程問題進行專門研究,并提出應對措施和建議。

1.工程場地條件調查要點

主要查明地上地下建構筑物,重點關注地下管線、人防工程,特別是線路隧道范圍內可能出現的錨索、廢棄的基礎樁等障礙物,這些將嚴重影響隧道軸線和盾構始發、接收井位置的選擇,對盾構法施工也會帶來麻煩,要盡量避開。

對于地面上的建筑物,包括地表水體、街道和既有軌道線路(含鐵路),要做詳細的調查,并進行環境風險評估。這樣施工單位能做好相應的施工組織。并為合理正確地選擇盾構掘進參數提供依據。

2.巖土類型勘察要點

準確查明土層性質不僅決定了盾構機選型的和設計,還對對地鐵工程選擇合適的施工參數尤為重要。由于盾構隧道穿越的范圍較大,要查明巖土的分布特征,尤其要認真分析巖土的成因,根據巖土的成因分析盾構施工過程中可能遇到的巖土工程問題。

2.1 粘性土地層

對于盾構法而言,粘性土是比較理想的巖土層,但是在勘察時需要注意以下幾種粘性土:粘粒含量高的高塑性的粘性土地層,這種地層容易導致刀盤結泥餅;高靈敏度的軟土,土層易擾動,上覆地層變形較大,如果超挖還會導致地面塌方。強度很低的軟土,盾構機姿態不好控制,盾構機蛇形行走。

另外,需要特別指出的是,粘土地層要注意其是否含有膨脹性礦物。如果土層具有膨脹性,在盾構機開挖的過程中,地層遇水膨脹,易導致刀盤或盾體被卡住的問題。在南寧和合肥地鐵建設勘察時就發現了膨脹性巖土。

盾構法施工隧道巖土工程勘察要點簡述


2.2 礫砂類地層

這類地層的特點是細顆粒含量低,硬礦物含量高,滲透系數較大,自穩定性差。理論上應選用泥水平衡式盾構機掘進,但限于場地條件和考慮施工成本,一般選用土壓平衡式盾構機掘進,重點是在施工過程中做好渣土改良和同步注漿,防止噴涌、刀盤刀具快速磨損以及地層失穩等的問題出現。

因此,對于這類地層勘察,要查明礫砂地層的密實程度,確定相關力學參數;加強顆粒分析試驗,確定常見硬礦物如石英、長石和角閃石的含量;分析各粒組含量,為渣土改良方案提供依據;結合地下水條件,認真做好疑似地層的砂土液化可能性判別工作,確定可能引起涌水、涌砂和隧道滲漏的敏感地層區劃。

2.3 砂卵石類地層

這類地層的特點是幾乎沒有細顆粒,硬礦物含量高,滲透系數大,自穩定性差。大多選用泥水平衡式盾構機掘進,但出于對場地條件和施工成本的考慮,也有選用土壓平衡式盾構機掘進,重點是做好盾構機刀盤的結構設計、刀具選型布置、渣土改良裝置設計以及排渣系統的設計,施工過程中做好渣土改良和同步注漿,防止刀盤和螺旋輸送機卡死、刀盤刀具快速磨損以及地層失穩的問題出現。

這類地層的勘察重點在于查明卵石、漂石的粒徑分布以及膠結情況,一般用鉆探的手段比較難查清尺寸較大的漂石,應該結合區域地質條件,巖土的成因以及已有地質資料進行分析判斷。粒徑尺寸直接影響盾構機刀盤的開口率,排渣系統的尺寸。砂卵石地層的粒徑分布和賦水情況也是泥漿濃度選擇(泥水平衡盾構機)和渣土改良劑摻入比設定(土壓平衡盾構機)的重要依據。

2.4復合地層

復合地層是針對盾構法而提出的一個概念,它是一種在三維方向上,圍巖主要由巖土力學、工程地質和水文地質等特征相差較大的幾種地層的組合。復合地層盾構法施工面臨的最大問題是“上軟下硬”帶來的一系列問題:盾構機姿態難控制、易噴涌、刀具快速磨損(滾刀偏磨)和地面變形大甚至塌陷。

因此,對于此類地層首先要查明以下幾種界面和層面:(1)上軟下硬的硬地層層面,不同程度的巖石風化界面;(2)砂土地層和風化巖層界面;(3)軟土層和風化巖層界面。

對于巖石地層,要查明巖石的類型、風化程度、硬礦物含量、完整性系數和巖體質量,這些地質特征直接影響盾構機設計和施工參數的設定。

盾構法施工隧道巖土工程勘察要點簡述


2.5 不良地質條件勘察

對于盾構法而言,不良的地質條件主要有:膨脹性巖土、土洞、巖溶、斷層破碎帶、孤石、球狀風化體和有害氣體。這些不良地質條件容易導致嚴重的工程地質問題,甚至造成重大事故,要通過專項勘察查明,并分析其對盾構法施工可能造成的影響。

3.水文地質條件勘察要點

地下水位和地下水類型影響盾構機密封系統的設計,特別是盾尾密封刷的設計,施工過程中密封油脂的壓力設定、注漿壓力的設定、土倉內壓力設定、渣土改良劑濃度和摻入比的選擇也與地下水位有直接的關系。因此,勘察時必須查明地下水類型、水質、埋藏條件、相關土層的滲透性和承壓水頭等地下含水層的分布、邊界條件、補給條件及地下水的活動特征。并分析飽和砂土地層中可能導致砂土液化、涌水涌沙和地面塌陷等工程地質問題。

盾構穿越地表水體時,應調查地表水與地表水之間的水力聯系,分析地表水體對盾構法施工可能造成的危害。

盾構法施工隧道巖土工程勘察要點簡述


4.巖土試驗要點

與其它工法相比,盾構法施工隧道巖土試驗成果有著更為廣泛的用途,盾構設備選型、設計、施工和巖土工程問題分析都需要相關的巖土參數。

盾構設備選型設計所需的巖土試驗成果有:地下水位、孔隙水壓力、滲透系數、土的粘聚力、內摩擦角、標貫擊數、顆粒分布曲線、巖石風化程度、巖石單軸抗壓強度、巖石抗拉強度、巖石RQD、完整性系數、巖石結構構造和礦物成分。

盾構設備施工參數設定所需的巖土試驗成果有:地下水位、孔隙水壓力、滲透系數、土的粘聚力、內摩擦角、土的重度、孔隙比、含水量、顆粒分布曲線、。

巖土工程問題分析所需的試驗成果有:地下水位、孔隙水壓力、滲透系數、標貫擊數、顆粒分布曲線、液限、塑限、土的粘聚力、內摩擦角、土的無側限抗壓強度、變形系數、泊松比和基床系數。

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5.工程地質條件分析和評價及建議

《城市軌道交通巖土工程勘察規范》明確提出,盾構法施工隧道勘察報告中應包含地質條件分析和評價,預測可能發生的巖土工程問題,并提出相應的建議。如:

(1)對盾構始發(接收)井及聯絡通道加固范圍和方法的建議;

(2)對設備選型及刀盤刀具的選擇以及輔助工法的確定提出建議;

(3)對不良地質體處理和環境保護提出建議;

(4)對隧道下伏的淤泥層及易發生液化的飽和粉土層、砂層提出處理措施的建議;

(5)對不良地質作用及特殊性巖土可能引起的盾構法施工風險提出控制措施的建議。

以上工作對巖土工程勘察工作者帶來了一定的難度,但這項工作必須由巖土勘察單位做好,因為盾構機選型設計和施工人員,特別是盾構機設計人員對工程地質條件的理解十分有限,很難進行相關的巖土工程問題分析和評價。因此,巖土工程勘察工作者應該加強對盾構法施工這一新工法的學習和理解,結合工程地質條件,應用工程地質類比法和巖土力學分析法做好這項工作,為盾構法施工隧道的建設提供資料完整、數據可靠、評價正確、建議合理的勘察報告。


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