卵石地层范文

卵石地层范文（精选8篇）

卵石地层 第1篇

1 钻孔机械的比选

砂卵石层钻进, 在施工中容易出现坍孔、扩孔等不良现象, 甚至发生卡钻、埋钻及桩孔塌陷等事故。砂卵石层钻进施工中, 目前国内常用的有以下方法:贝诺特施工法、冲击钻进施工法、回转钻进施工法、人工挖孔施工法。在具体施工中要根据工程地质、水文地质等特征, 合理选择施工工艺及机械, 才能保证工程保质、保量、按期完成。

旋挖钻机主要适于砂土、粘性土、粉质土等土层施工。经过我们现场试钻发现对于金强河桥下地层不适合, 在钻进过程中极易破坏泥浆护壁, 造成塌孔、扩孔现象, 以至于造成工程成本增加, 因而此方案不可取。

采用冲击钻 (CZ-22型) , 能在砂卵石及岩石地基成孔, 成孔入岩施工进度快, 工程质量有保障。并且我们在施工中发现采用边钻孔边清孔的方法不但可以提高钻进速度, 还可以保证泥浆稠度的均匀而不易塌孔。经比较, 采用冲击钻成孔比较适合。

2 冲击钻在砂卵石地层施工中的控制要点

2.1 护壁泥浆

由于本工程地层上部为松散的中粗砾砂层, 原土造浆困难, 孔壁不易稳定, 故施工中孔采用优质泥浆护壁成孔, 防止桩孔缩径和坍塌施工中采购优质粘土制浆, 就设置泥浆池, 架设泥浆泵, 形成泥浆循环, 钻进成孔时针对地层变化进行泥浆性能的适当调整。钻进泥浆性能指标一般为:黏度22~30 Pa.s。比重1.20~1.40, 含砂率小于4%。根据本工程特点, 砂卵石层含砂量较大, 施工护壁泥浆比重采用了1.40~1.60, 结果护壁效果好, 防止了坍孔现象。

2.2 护筒埋设

为了固定桩位, 保护孔口不塌孔, 隔离地面水和保持孔内水位高出施工水位以维护孔壁及钻孔导向等目的, 在钻孔前需按要求埋设护筒。护筒埋置不宜过浅, 过浅时周围封填不密漏水, 容易造成塌孔, 就本工程地层来讲, 需要采用填筑式护筒, 即要求护筒顶端土台高度高于施工水位1.5~2.0m, 土台边坡以1∶1.5~1∶2.0为宜。一旦在施工中发现孔口有塌孔现象应及时采取措施填堵或者采用深埋护筒。这也是由于砂卵地层的不稳定性造成的。所以在钻孔过程中要对现场勤检查护筒稳定情况。

2.3 钻进速度

在钻进过程中, 应注意地层变化, 对不同的地层, 采用不同的钻进方法。

冲程应根据地层情况分别规定:一般在坚硬密实卵石层或基岩漂石之类的地层中采用大冲程;在松散砂、砾类土或卵石夹地层中时采用中冲程, 冲程过大, 对孔底振动大, 易引起坍孔;在高液限粘土, 含砂低液限粘土时, 采用中冲程;在易坍塌或流砂地段采用小冲程, 并应提高泥浆的黏度和相对密度。

在通过漂石或岩层, 如孔底表面不平整, 应先投入粘土、小片石、卵石, 将表面垫平, 再用钻头进行冲击钻进, 防止发生斜孔、坍孔事故;如岩层强度不均匀, 易发生偏孔, 亦可采用上述方法回填重钻;必要时投入水泥护壁或加长护筒埋深。

在砂及卵石类土等松散层钻进时, 可按1∶1投入粘土和小片石 (粒径不大于15cm) , 用冲击锥以小冲程反复冲击, 使泥膏、片石挤入孔壁。必要时须重复回填反复冲击2~3次。若遇有流砂现象时, 宜加大粘土减少片石比例, 力求孔壁坚实。

当通过含砂低液限粘土等粘质地层时, 因地层本身可造浆, 应降低输入的泥浆稠度, 并采用0.5m的小冲程, 防止卡钻、埋钻。

钻进时要注意均匀地松放钢丝绳的长度。一般在松软地层每次可松绳5~8cm, 在密实坚硬地层每次可松绳3~5cm, 应注意防止松绳过少, 形成“打空锤”, 使钻机、钻架及钢丝绳受到过大的意外荷载, 遭受损坏, 松绳过多, 则会减少冲程, 降低钻进速度, 严重时使钢丝绳纠缠发生事故。

为正确提升钻头的冲程, 应在钢丝绳上油漆长度标志。

整个钻进过程中, 应始终保持孔内水位高出地下水位 (或施工水位) 至少0.5m, 并低于护筒顶面0.3m以防溢出。

在本工程施工中没有采用传统的钻进一定深度后就要进行清孔的方法, 而是采用边钻孔边清孔的方法, 这样不但可以提高钻进速度, 使钻进过程一直连续进行, 还可以保证泥浆稠度的均匀而不易塌孔。这个方法对于冲击钻机在砂卵石地层施工中是个很好的经验。

3 总结

主要介绍了在砂卵地层中钻孔灌注桩施工的机械选用以及施工控制要点。对于在砂卵地层中主要影响施工质量在泥浆护壁、护筒埋设、钻进速度三个方面进行了阐述。根据本文的浅述对于预防砂卵地层钻孔过程中常见的事故原因分析起到一定的借鉴。由于处理钻孔灌注桩质量事故十分麻烦, 不但造成财产损失, 而且延误工期。因此要在施工中提前做好施工准备, 避免发生质量事故。

摘要：在砂卵石地层中进行桩基作业时, 经常会遇到成孔困难、钻进时易出事故。施工中, 经常受到现场环境的限制, 致使一些比较适合相关工程施工的施工工艺难以进行, 造成施工效率低, 造价增加, 工期延长, 直接影响工程质量和经济效益。根据现场环境, 进一步改善砂卵石层施工工艺, 改进成孔设备, 是提高工程项目质量和工程项目经济效益的有效方法。就砂卵地层的钻孔施工浅谈一点施工经验。

关键词：砂卵层,钻孔灌注桩,施工

参考文献

[1]JTG/T F50-2011, 公路桥涵施工技术规范[G].

[2]王庆峰.砂卵石地基钻孔灌注桩施工经验[J].江淮水利科技, 2009, 16 (4) :103-105.

[3]王俊利, 刘会林.砂卵石地层中钻孔灌注桩成孔控制技术[J].施工技术, 2011, 20 (7) :311-313.

卵石地层 第2篇

漂卵石地层钻探一直是施工中的难题，钻进过程中孔内经常出现漏浆、坍塌、掉块等现象，容易造成卡钻事故。尤其是钻进过程中孔内遇到大漂石，且出现漂石随钻头一起回转的情况，这在施工中非常少见，处理起来尤其困难。在洛阳吉利地区钻井施工过程中就遇到了这种情况，最后采用孔内定向爆破的方法，将漂石击碎，然后用岩芯管套取。这一方法成功地解决了施工中的难题，取得了较好的效果。

1.工程概况

该水井工程位于洛阳市吉利区雷河乡境内，洛阳吉利地区也是我国能源化工工业基地之一，该区处在黄河冲积扇上。卵砾石层十分发育，层厚从十几米到几十米不等，且粒径大，粒径在20-50cm的漂石也较为常见，因此，钻进过程中容易发生垮塌、漏浆、孔斜等事故，施工十分困难。

我们施工的钻孔上部十几米为黄土层所覆盖，下部主要为半胶结或无胶结的卵砾石层，孔深设计100米。

2.施工设备及钻具

施工中钻机采用SPJ-300型转盘钻机，泵采用BW850/20的泥浆泵，钻具使用φ89钻杆，下部接φ159钻铤4根，钻进时靠钻铤加压。钻头采用φ426岩芯管加焊肋骨合金块。肋骨合金块是把30mm厚的钢板割成长20cm宽6cm的的肋骨块，在一端铣出一个台面，把几个YG8的大八角合金用铜焊条焊在上面。靠近钻头底部，焊上些钢丝绳头，形成网兜状，方便取芯，防止被套取的岩芯脱落。

3.施工工艺

由于该孔主要为卵砾石地层，针对这种地层钻进的特点编制了施工组织设计，制定了相应的钻进工艺。

首先分析一下卵砾石层施工进尺的原理。由于卵砾石层具有一定的硬度，且该区域的卵砾石之间处于半胶结或无胶结状态，所以在压力和回转力的作用下，卵石之间容易生产相对滑移运动，钻进时可能会出现以下三种情况：

第一种情况是钻具回转的扭震力小于卵石间的挤压力，卵石块在钻头压住部分被剪切破碎，其中被套住的部分和周围的小卵砾石一起被套进岩心管钻头内，剪切后留在岩心管外的部分被挤入孔壁，从而钻头获得进尺。

第二种情况是钻具回转的扭震力大于卵石间的挤压力，如钻头压住卵石的边缘部分时，在压力作用下，卵石块边破碎边产生滑移，卵石块被挤压滑移到岩芯钻头内部或钻头被挤入孔壁，钻头都可以获得进尺。

这两种情况如下图所：

第三种情况是钻具回转的扭震力大于卵石块间的挤压力且钻头压住卵石块的中间部位时，且卵石块较大，岩芯管钻头无法套取，在钻头扭震力的钻用下，卵石块会随着钻头一起回转，钻头与卵石块同步运动，卵石块与卵石块之间形成相对运动，形成石头磨石头的现象，这样就没有进尺，无法继续钻进，必须采取相应的处理措施。如：进行孔内定向爆破或换冲击钻进行碎石。

3.1钻进工艺

根据以上分析的卵砾石层的钻进特性，决定采用大口径一次钻进成孔的施工工艺，用φ426岩芯管钻头一次成孔，如钻进顺利，中间不再变径，这样方便套取卵石，提高钻进效率，节约施工时间。开孔钻进时采用φ426短岩芯管轻压慢转，保证开孔要直。根据卵砾石层容易造成孔斜的特点，在钻进工艺上采用钻铤加压，加长粗径导向钻具，并在钻孔终孔下井管之前，用8米长的岩心管钻头进行通孔，保证钻孔的垂直度，有效地防止孔斜。在正常钻进过程中，用5米长的φ426岩芯管加焊合金肋骨块，做成合金肋骨钻头进行钻进，靠岩芯管钻头套取卵石取得进尺。钻进过程中钻具跳动严重，钻机负荷很大，经常有蹩车现象发生。

3.2泥浆工艺。

为防止钻进过程中的漏浆、垮塌等现象的发生，在泥浆方面采用了PW植物胶泥浆做钻进液进行保护孔壁。经过在实验室的多次试验，试了十几组配方，最后选中了以下配方，作为现场使用的泥浆配方，按以下比例进行配浆。

因卵砾石地层漏浆严重，所以钻进时用的泥浆粘度比较高。现场配制时，先按上述比例将称好的Na2CO3加入装有温水的桶中，使其全部溶解，然后再按比例加入PW植物胶，边加入边搅拌。最后再把搅拌均匀后的植物胶碱溶液，慢慢注入泥浆池内，注入时一定要用搅拌机进行搅拌，至到搅拌均匀，然后测量泥浆各项指标。切记不可将植物胶碱溶液不经搅拌机搅拌直接倒入泥浆池。在施工过程中，根据孔内漏浆情况，在此配方的基础上适当调整。

3.3取心工艺

为了更好的捞取岩心，获取进尺，在岩心管底部水口上面7-10cm处，焊一圈破开的钢丝绳，把破开的丝绳焊成网状，钻进中卵石一旦进入岩心管，在提钻时就不易脱落。回次终了时，把泵量关到最小，再回转一会，尽量使岩心管内的石块和钢丝绳缠绕在一起，把岩心取出。为防止钢丝绳损坏或变形后贴靠在岩心管内壁，每个回次不宜过长，一般控制在两个小时左右。

3.4洗井工艺

为了方便洗井，投砾时，在含水层段所投砾料中加入明矾（流酸铝钾Kal(SO4)•12H2O）。明矾是硫酸钾和硫酸铝的复盐，它的凝聚作用主要是由Al2(SO4)3产生的。当明矾溶于水后，Al2(SO4)3因水解作用而产生Al(OH)3，硫酸铝还会和泥浆中含有的碳酸氢钙作用，生成氢氧化铝和硫酸钙。泥浆中的那些杂质，大部分都是带负电荷的胶粒，而氢氧化铝胶粒是带正电荷的，因此，带正电荷的氢氧化铝胶粒能中和水中胶状杂质所带的负电荷，于是这些杂质很快地就会跟氢氧化铝絮状物一起凝聚而下沉。这样PW植物胶形成的泥皮会很容易被破坏掉，解决洗井问题，提高了出水量。

在使用明矾之前，我们先在实验室进行试验，在PW植物胶泥浆形成的泥皮上滴上明矾溶液，很快就会发现致密光滑的泥皮开始变成松散状，一会又变成絮状物，放入出水絮状物很快就会沉淀，泥皮就这样被破坏掉了。有理论支撑又有实验结果，最后决定在投砾时加入明矾。

4施工中遇到的问题

该孔在23米以浅施工比较顺利，在施工到23时发现不进尺，提钻检查钻头，发现合金并没有怎么磨损。据当班班长描述，在钻进到23米时，钻机出现蹩车，扭矩非常大，钻机调到了最低转速。一会扭矩减小了，转动非常轻松，开始怀疑是钻杆断了，提钻检查钻具，发现钻具完好。但下钻后钻进仍不进尺，这样连续下了两趟钻，共钻进了两个多小时，都没有进尺。分析认为，可能遇到了卵石钻进中的第三种情况，即孔内可能遇到了大的漂石，漂石直径超过了岩心管内径，无法套取，且该漂石与周围的卵石处于半胶结或无胶结状态，当钻头的扭震力大于石块间的挤压力和摩擦力，被压住的漂石就随钻头一起回转，成了一块活石，钻头无法将其切割破碎，造成不进尺的现象。

如图所示：

5.解决方案

在分析上述原因后，我们决定采用孔内定向爆破技术，将该漂石爆碎，然后再用岩心管将碎块套取，捞出孔底。方案定了之后，在河北平山县一个军工厂，联系购买了2个5#爆破弹头，该弹头内装有25克炸药，并设计加工了与该弹头配套用的聚定定向发射器，通过雷管将弹头引爆。

在正式进行孔内爆破之前，我们先在地表做了一个实验。挖了一个1.5米左右深的坑，在发射器的聚能穴下面放了一块大石头，周围放了些小石块，用电瓶引爆雷管，进而引爆了发射器里的弹头。引爆时一声闷响，看到发射器跳起1米左右的高度，试验坑底的大石头变成了很多小碎块，由于聚能穴的作用，能量基本上是向下的冲力，周围的孔壁破坏不大，地表实验的效果非常理想。

为了能够在水下顺利引爆，即要把漂石击碎又防止把孔壁震塌，技术上要求第一水下密封一定要完好，确保安全引爆，第二要求定向发射器尽量置于钻孔的中心，因此在发射器周围加了两个扶正器，保证其在孔内对中。

在把发射器放入孔内之前，把弹头、雷管都安装好，用电缆线将雷管引出地面，检查所有的密封均完好，用钢丝绳把发射器送入孔底进行引爆。

整个定向爆破装置如下图所示。

6.结语

卵砾石地层由于其稳定性较差，在钻探施工过程中，钻孔容易生产漏浆、坍塌、掉块、孔斜等现象，因此施工难度非常大，其钻进工艺具有一定的借鉴意义。施工中如果遇到大的漂石，在钻头既无法套取又不能将其切割的情况下，孔内定向爆破技术的应用，成功的解决了这一施工中的技术难题，保证了施工的正常进行，解决了实际问题，具有一定的应用推广价值。

成都砂卵石地层盾构施工技术措施 第3篇

1 地质情况描述

盾构隧道从②-8,③-4,③-7等砂卵石地层中通过。卵石成分主要为灰岩、砂岩、石英岩,卵石的含量达67%,中间夹杂大漂石。砂卵石具有分选性差、强度高的特点。粒径以30 mm～70 mm为主,钻探揭示最大粒径145 mm,夹零星漂石,充填物为细砂及圆砾。③-4粉、细砂,夹少量卵石,呈透镜体状分布。隧道通过的地层含水丰富,含水层厚20 m～22.6 m,区间范围内卵石土分选性差,渗透性强。

2 施工中应注意的问题及其应采取的施工措施

2.1 加强地质补勘工作

成都地铁线路通过的地层,根据地质勘查报告的反映,变化不大,均为砂卵石地层,但从施工中实际所揭示的地层情况来看,局部含有粉细砂透镜体。富水粉细砂地层是盾构施工的难点,在成都的砂卵石地层中加含粉细砂透镜体将会使盾构掘进更加困难。

因此,在施工前通过地质补充勘查进一步查明地质构造,对制定合理的施工方案和选择盾构机型,如何在施工中控制盾构机推进姿态、及时调整与修正盾构机各项推进参数、尽量减少对围岩的扰动并连续、快速、安全地通过该地层、选择合理的渣土改良方式等都具有重要的指导意义。

2.2 做好盾构选型,选择适合成都地质情况的盾构设备

土压平衡盾构机砂卵石排出有两个主要的约束条件:1)刀盘的开口尺寸;2)螺旋输送机通过的最大卵石粒径的能力。为确保卵石不堵塞或卡死螺旋输送机,在条件许可的情况下尽可能选择具有较大轮廓直径、牙高值和螺距的螺旋输送机,使其具有通过较大直径卵石的能力;同时刀盘的开口尺寸要小于螺旋输送机能通过的最大卵石的尺寸,确保进入土仓中的渣土能够顺利排出而不至于堵塞螺旋输送机。为使盾构能够在砂卵石地层顺利掘进,应选用具有破碎大粒径卵石能力的盾构机。

2.3 采取适当措施提高盾构设备相关部件的耐磨性及其工作能力

成都的砂卵石地层具有流动性差、磨琢性大的特点,使盾构机的刀盘、刀具和渣土运输系统产生严重的磨损现象。

减少换刀频率,增加刀具耐久性可以从3个方面采取应对措施:1)盾构机渣土改良功能的选择;2)增强相关部件和配件的耐磨性;3)掘进参数的调整;4)调整刀具的配置。

盾构机功能的选择:选用多种渣土改良工艺盾构设备,根据实际需要随时调整渣土改良方式。通过适宜的渣土改良方式实现改善渣土的流动性,降低渣土磨琢性的目标。

增强相关部件和配件的耐磨性:主要是提高刀盘面板、刀具、螺旋输送机系统设备的耐磨性。通过在刀盘面板上加焊具有高耐磨性能的耐磨块、耐磨条、耐磨网格提高刀盘的耐磨性;通过选用镶嵌有耐磨合金块的软土刀具、选用硬度较高的滚刀来提高刀具的耐磨性;通过在螺旋输送机的旋叶上加焊具有较高耐磨性能的材料提高螺旋输送机的耐磨性。

调整掘进参数:主要是调整土仓压力平衡参数。为降低推进阻力减少刀具的磨损,可调整土仓压力实施适当的欠压推进。欠压推进可有效减少刀具的磨损率、设备能耗,同时亦可提高掘进速度和减少刀盘固结泥饼出现的因素、降低渣土改良的成本。

2.4 做好换刀决策,根据地面情况选择合理换刀位置,提前做好各项有关准备工作

根据刀具磨损的情况分析,在刀具耐磨性确定的条件下每次换刀掘进距离的选择非常重要。使用的盾构刀具在刀体完整不损害的情况下可以通过更换刀圈、焊补耐磨材料等修复重复利用,如刀体损坏刀具将失去修复价值,而修复费用仅为新刀具价格的1/10。通过数据分析,在盾构掘进施工中每次换刀间距应控制在150 m～200 m之间,能有效减少刀体的损坏;如安排的换刀间距过大将可能造成刀盘磨损而产生灾难性事故。

在成都砂卵石地层中换刀频率的增加使安全风险明显增加。施工单位技术人员在施工中应注意收集整理始发段的有关掘进数据并结合开仓检查刀具的磨损情况。

2.5 做好渣土改良试验,选择价廉、有效的添加剂,通过实验和检验得出合理的渣土改良配方

成都的砂卵石地层具有流动性差、磨琢性大的特点,使盾构机的刀盘、刀具和渣土运输系统产生严重的磨损现象,通过实验得出实验数据,根据实际需要随时调整渣土改良方式。

2.6 选择合理的盾构掘进施工参数,做好技术交底和人员管理等施工过程控制工作

在盾构施工掘进过程中,选择适当、合理的施工参数是顺利推进的关键,也是地面安全控制的基础。参数控制不当可能引起出渣不平衡从而造成地面沉降或隆起。通过施工证明,选择合理的施工参数,根据对掘进的数据分析,及时调整同步注浆量及其压力并做好二次注浆,能够有效降低施工地面安全风险并有效降低施工成本,如通过建筑物可能引起安全风险。

2.7 认真编制穿越建筑物、构筑物的专项施工及时提交专家论证,降低盾构施工对建(构)筑物的不良影响,保证其安全

成都的砂卵石地层未经过扰动时是致密的,在降水条件下具有较强的自稳性,但经过盾构推进作业对地层的扰动其稳定性很差,土体迅速松散、下落难以成拱,造成地面沉降量较大,地层沉降监测曲线见图1。

通过建筑物或重要管线时可采取的措施:提前做好盾构机及其配套设备的检查使盾构机在通过建筑物或管线时处于良好的正常工作状态;按照试验段得出的掘进参数实施控制,严格控制出渣量和掘进速度、同步注浆量和及时性;按照先期制定的方案在地面施作注浆孔,在盾尾通过时立即进行灌砂并有压注浆;做好信息传递工作,做到信息化施工,根据监测数据调整盾构掘进参数和地面注浆量及时间。承包商应根据不同的管线和建筑物制定不同的措施方案,经专家讨论实施。

2.8 加强施工监测,提高信息反馈速度和准确性,切实做到信息化施工

熟悉设计图纸和文件,了解施工现场地形地貌和工程地质情况,调查周边建筑物及地下管线情况。监测点位布设、监测项目、监测内容、监测频率和观测记录应满足工程安全需要。有效、准确的施工监测是其准确、及时地做出应对决策,保证盾构施工顺利进行,降低施工风险和社会负面影响的最有效途径,在地铁施工中更应得到充分的重视。

3 结语

成都地铁通过的地层虽较为单一,但含水量高、砂卵石多,无较多的经验可以借鉴,施工困难。成都地铁盾构施工试验段虽在一定程度上算是成功的,但在施工过程中亦出现很多施工难题或意外情况。在今后施工过程中各参建单位组织技术人员分析施工中出现的问题、制定处理措施、总结经验应是常抓不懈的工作,为成都地铁今后的建设提供必要的施工经验和依据。

参考文献

[1]张凤祥,傅德明,杨国祥.盾构隧道施工手册[M].北京:人民交通出版社,2005:5.

旋挖钻机在卵石地层施工中的应用 第4篇

由于转盘回转和冲击反循环桩基施工钻机存在效率低,移位繁琐,对环境污染大,钻孔成本高等缺点。因此,在城市、道路桥梁施工逐渐的被进口的旋挖钻机取代。旋挖钻机机械化、自动化程度高,现场移位灵活方便,成孔效率高、质量好,对环境污染小,在桩基施工中,有着常规钻机无法比拟的技术优势,因此,越来越受设计、施工单位以及业主的欢迎。

很多施工单位对旋挖钻机在粘土、粉土、砂性土层中施工应用比较多,而在卵石地层中的应用相对较少,认为旋挖钻机不适合在卵石地层施工。本文根据工程实践谈几点关于旋挖钻机在卵石地层施工中应注意的技术问题。

1 钻机的选择

选择旋挖钻机在卵石地层施工时要根据设计图纸、勘查地质资料分析是否适合旋挖钻机施工,要考虑卵石的密实度、粒径、是否存在漂石、孤石等特殊地层。应选择大一个型号的机械设备,这是由于卵石地层施工中,钻机需要进行加压钻进施工,自重大,有利于提高钻进速度;其次,钻机的液压、动力、钻杆等系统等可以承受较大的反作用力,这样有利于保护设备,并保证施工进度。

2 钻头的选择与应用

参与过旋挖钻机施工的人员都很清楚,旋挖钻机的钻头主要有三种形式:粘土钻头、砂钻、开岩钻头。在卵石地层施工时多采用砂钻和开岩钻。挖砂钻头的特点:首先,钻头底部有防止钻渣脱落的挡板,保证了有效钻进效率;其次,钻头斗齿角度比粘土钻头角度要小,一般为小于35°,这样可以保证有足够的强度扰动卵石。当遇到卵石密集且坚硬的地质情况时,采用开岩钻扰动破坏地层结构,然后用挖砂钻头捞出渣物。

卵石地层施工时,要对挖砂钻头进行加固加强,对钻体辅助护孔的功能进行改造提高。由于卵石地层比较松散,不容易形成良好的孔壁,只有增加钻体与地层的接触面积来保证和提高旋挖钻头的造壁能力。通过在钻体的锥形部分添加弧形钢板,以起到增加接触面积,提高钻头稳定造壁能力。

3 泥浆的制备和管理

3.1 泥浆的性能和作用

在各种钻进方法中泥浆起的作用不是完全一样,因此对泥浆的要求也就不同。对冲击钻进和正反旋转钻进而言,虽二者都须起护壁和悬浮沉渣的作用,但冲击钻先是依靠大比重将冲碎物悬浮于泥浆中,不致很快沉淀,使钻头冲击到新鲜岩土体,钻渣采用掏渣筒排出孔外。正循环是通过泥浆上升将钻渣运至孔外,因此正循环钻进泥浆要有流动性和悬浮钻渣的功能。对反循环钻机而言,泥浆应有良好的造壁性和低失水性,同时又要求它能将携带的钻渣凝聚团粒化,使其迅速沉淀。旋挖钻机在卵石地层成孔施工过程中,泥浆应具备良好的造壁性和低失水性,同时具备钻渣迅速沉淀的特点。因此,制备优良的泥浆是旋挖钻机在卵石地层施工质量保证的前提条件。

3.2 旋挖钻机泥浆制备的掺入物

旋挖钻机在卵石地层施工,要求泥浆具有良好的造壁性和低失水性,同时又要求它能够将携带的钻渣凝聚团粒化,使其迅速沉淀,泥浆材料选择及配合比如下:

1)膨润土。膨润土具有密度低、粘度好、含沙量小、失水量少、泥皮薄、稳定性强、护壁能力强、钻具回转阻力小、造浆性能好等优点,掺量为用水量的8%。

2)羧甲基纤维素(CMC)。使地层土体表面形成薄膜而使之强化,从而降低泥浆的失水量,掺量为膨润土的0.3%。

3)水解聚丙烯酰胺(P·P·P)。对泥浆中的粘土颗粒进行絮凝,以使泥浆维持较低的固相,掺量为泥浆量的30×10-6。

4)碳酸钠(Na2CO3)其作用是使pH值增大,使粘土颗粒分散,颗粒表面负电荷增加,为粘土吸收外界的正离子颗粒提供条件,可增加水化膜厚度,提高泥浆的胶体率和稳定性。掺量为膨润土的3%～5%。

在实际操作中,先按以上各种掺入剂的用量试配,检测其配合液的用量试配,符合要求后再使用。各种掺入剂易先制成水溶剂,按循环周期均匀加入,并及时测定泥浆指标,防止掺入过量。

根据卵石地层施工的经验,新制备的泥浆只能维持使用2 d,只有在施工中不断的检查泥浆的性能,补充新的优质泥浆才能保证成孔质量。

4 卵石地层施工操作注意事项

1)孔内安全。

注意检查护筒内泥浆液、周围地形变化情况,发现护筒周围出现异常要停止钻进,查明原因防止发生事故。卵石层施工时,钻头提升、放下都要缓慢,以防止由于钻头运动速度过快,形成局部真空造成塌孔事故。卵石层施工时进尺速度不宜过快,要采用正反相结合法有效地形成护壁。要记清楚每一次钻头提升前的进尺深度,与再次下钻后深度相比较,这样可以及时发现到孔内变化情况,有效的预防孔内事故。

2)操作安全。

使用机锁钻杆加压时,要注意钻机压力变化,不要超过液压系统设计承受能力。提升钻杆必须完全解锁才能提钻。司钻人员在施工时经常检查钻机钢丝绳、提引器,发现钢丝绳磨损超过说明书时要及时更换。

摘要：结合工程实践,介绍了旋挖钻机在卵石地层施工中应用时需注意的几个技术问题,包括钻机和钻头的选择、泥浆的制备等,并提出了旋挖钻机在卵石地层中施工时的注意事项,以指导旋挖钻机施工作业。

关键词：旋挖钻机,卵石地层,钻机,泥浆

参考文献

[1]韩金亭.大口径旋挖钻机在桩基施工中的技术优势[J].探矿工程,2001(4):38-39.

[2]张春来.旋挖钻机成孔施工需要重视的几个问题[J].河北勘察2,003(1):40-41.

卵石地层 第5篇

随着经济的发展和城市人口的急剧增加, 地面交通越来越不堪重负, 于是人们把目光投向绿色环保、方便快捷的城市轨道交通———地铁和轻轨。地铁施工技术也在朝着科技、人性化的方向发展, 盾构法越来越多地被国内地铁界所接受, 目前我国各大城市修建地铁都在采用这种方法施工。

同其他施工方法一样, 由施工引起的地面沉降是盾构法施工的一个重要问题, 尤其是始发阶段的地面沉降, 尽管围绕这一问题目前已做了不少的研究工作, 但由于地质条件的复杂多变及施工条件的不同, 使得各个研究成果都具一定的局限性。

本文以成都富水砂卵石地层三个土压盾构区间 (三台盾构机) 始发阶段施工为工程背景, 分析盾构施工中引起地表的沉降及其形成原因, 通过对实测数据分析研究, 为今后类似工程提供参考。

1 工程概况

成都地铁某三个盾构区间工程范围上覆第四系全新统人工填土 (Q4ml) 杂填土, 其下为第四系全新统冲积 (Q4al) 砂土、卵石土, 及第四系上更新统冰水沉积、冲积成因的 (Q3fgl+al) 砂土、卵石土。

(2) -9-2中密卵石:青灰、灰白、灰褐色, 中密, 潮湿~饱和, 卵石含量70%~85%, 余多为中砂充填, 局部地段含2%~5%漂石, 粒径一般在40 mm~150 mm, 石质以花岗岩为主, 次为砂岩。磨圆度较好, 分选性较差。根据本段卵石点荷载试验结果, 卵石单轴抗压强度值为55.7 MPa~132.9 MPa。岩石坚硬程度分类为坚硬岩。石质坚硬程度分类为较硬岩~坚硬岩。层厚2.9 m~7.3 m, 埋深3.2 m~10.2 m, 修正后超重型动探击数N'120=5.8击~12.4击。

(2) -9-3密实卵石:青灰、灰白、灰褐色, 密实, 饱和, 卵石含量75%~80%, 余多为中砂充填, 局部地段含2%漂石, 粒径一般在40 mm~120 mm, 石质以花岗岩为主, 次为砂岩。磨圆度较好, 分选性较差。根据本段卵石点荷载试验结果, 卵石单轴抗压强度值为55.7 MPa~132.9 MPa。石质坚硬程度分类为坚硬岩。本层仅部分钻孔揭示, 层厚0.8 m~5.1 m, 埋深8.0 m~12.6 m, 修正后超重型动探击数N'120=7.3击~14.9击。

(3) -8-3密实卵石土:青灰、灰黄色, 饱和, 密实, 卵石约占70%~90%, 粒径50 mm~150 mm, 根据勘探资料, 漂石含量约5%~20%, 平均漂石含量10.9%, 局部地段富集, 漂石粒径集中在200 mm~240 mm, 最大约为430 mm。石质成分主要为石英砂岩及花岗岩等, 磨圆度较好, 分选性差。根据本段卵石点荷载试验结果, 卵石单轴抗压强度值为55.7 MPa~132.9 MPa。石质坚硬程度分类为坚硬岩。本层在勘探深度内未揭穿, 顶板埋深10.1 m~19.4 m, 修正后超重型动探击数N'120=8.0击~18.6击。

2 监测情况及分析

成都地铁某三个盾构区间的三台盾构机分别为5号、7号、10号, 根据地表沉降的监测情况, 沉降最大累计值均发生在盾构区间中线位置, 5号、7号、10号盾构机的中线地表沉降监测情况分析如下。

2.1 5号盾构机

盾构区间左线长878.324 m, 里程ZDK19+954.50~ZDK20+816.800;右线长862.299 m, 里程YDK19+954.50~YDK20+816.799。盾构穿越地段的地质基本为密实砂卵石 ( (2) -9-3, (3) -8-3) 地层, 埋深在9.7 m~15.5 m之间。

1) 第一阶段 (磨合期) 。始发至里程DBZ20+028阶段 (73 m) , 典型时态曲线见图1 (2014年~2015年) 。

a.个别监测数据累计值超出30 mm (测点DBZ19980) , 大部分在30 mm以内;b.监测数据累计值之间相差较大, 主要原因是此阶段属于盾构始发磨合阶段, 走走停停, 针对不同位置的变形情况进行了注浆处理。

2) 第二阶段 (调整期) 。里程ZDK20+028~ZDK20+128 (100 m) , 典型时态曲线见图2。

a.个别监测数据累计值超出30 mm (测点DBZ20098, DBZ20103) , 大部分在30 mm以内;b.数据突变阶段主要发生在盾尾脱出后24 h, 因此刀盘切入~盾尾脱出后24 h这段时间是施工和监测工作的重中之重;c.这段为盾构磨合调整阶段, 整体监测数据累计值均较大, 单日变形量超限大部分位于盾尾脱出后, 通过注浆、调整掘进参数, 后续速率变小, 沉降累计时态曲线较符合沉降变形规律;d.通过及时的数据异常提示和施工对比分析, 施工单位采取及时的处理措施, 根据后续的数据曲线变化情况, 可以实现信息化施工, 降低地面塌坑风险。

3) 第三阶段 (预注浆加固地段) 。里程ZDK20+125~ZDK20+225 (100 m) , 典型时态曲线见图3。

此段施工单位提前采取了地表预加固处理措施, 盾构正通过加固区, 地表沉降累计值均小于上一阶段, 但后续沉降并未趋于稳定, 盾尾脱出后的沉降突变阶段不明显, 但沉降稳定时间较长, 并不排除地下存在空洞的情况。

4) 现阶段 (正常路段) 。里程ZDK20+228~ZDK20+430 (202 m) , 典型时态曲线见图4。

此阶段盾构已过了加固区, 正常路段掘进, 地表沉降累计值较小, 沉降趋于稳定时间较短。

2.2 7号盾构机

盾构区间左线长1 165.243 m, 里程ZDK22+074.200~ZDK23+245.125;右线长1 170.925 m, 里程YDK22+074.200~YDK23+245.125。盾构穿越地段的地质基本为中密和密实砂卵石 (2) -9-2, (2) -9-3, (3) -8-3地层, 埋深14 m~20 m左右。

1) 第一阶段 (始发至停机换刀) 。

里程DK22+077~DK22+155 (78 m) , 典型时态曲线见图5。

a.累计值均未超出30 mm;b.数据突变阶段主要发生在刀盘切入~盾尾脱出后24 h, 沉降值占累计值60%左右甚至更大, 因此刀盘切入~盾尾脱出后24 h这段时间是施工和监测工作的重中之重;c.从目前监测数据可以看出, 从刀盘切入~盾尾脱出的变量大部分超过5 mm;尽管盾尾脱出后沉降变量较大, 在及时注浆 (个别存在空洞回填混凝土) 的情况下, 后续沉降曲线趋于稳定 (个别有隆起现象) 。

2) 第二阶段 (停机换刀至里程ZDK22+410) 。里程DK22+155~DK22+410, 典型时态曲线见图6。

这段为停机换刀后重新掘进至里程ZDK22+410的位置, 这段的累计值明显要小于上一阶段, 截止到目前累计值10 mm左右, 从刀盘切入~盾尾脱出的变量大部分小于5 mm。

3) 现阶段 (里程ZDK22+410~ZDK22+675) 。里程DK22+410~DK22+675, 典型时态曲线见图7 (2015年) 。

a.大部分测点累计值均未超出30 mm;b.盾构停机后重新掘进, 地层再次扰动以及多出土导致部分绿化带内的测点 (DBZ22415, DBZ22420, DBZ22520, DBZ22610) 累计值较大, 经过洞内外注浆处理, 后续监测数据较稳定。

2.3 10号盾构机

盾构区间左线长2 133.178 m, 里程ZDK24+988.200~ZDK27+147.500;右线长2 129.370 m, 里程YDK24+988.200~YDK27+147.500。盾构穿越地段的地质基本为密实卵石土 (2) -9-3, (3) -8-3地层, 埋深8.8 m~20 m左右。

1) 第一阶段 (始发至盾构刀盘被卡前) 。里程YDK24+988~YDK25+180 (192 m) , 典型时态曲线见图8。累计值均小于30 mm (除了DBY25120) , 盾尾脱出后沉降变量较大, 在及时注浆的情况下, 后续沉降曲线趋于稳定。2) 第二阶段 (盾构刀盘被卡后至里程YCK25+305) 。里程YDK25+180~YDK25+305 (192 m) , 典型时态曲线见图9。a.受两次脱困影响, 部分测点累计沉降值很大并发生地面塌陷情况;b.施工方采取回填混凝土、开仓检查和加设降水井等措施, 脱困成功后, 后续监测累计值较小。

2.4 5号和7号盾构监测对比分析

1) 第一阶段。a.均为始发磨合阶段 (73 m和78 m) ;b.5号盾构的第一阶段个别测点累计值超30 mm (测点DBZ19980, -41.64 mm) , 其余在30 mm以内;7号盾构的第一阶段累计值均在30 mm以内;c.5号盾构的第一阶段和7号盾构的第一阶段的盾尾脱出后单次变形量均较大, 部分超出5 mm。

2) 5号盾构第二阶段、第三阶段和7号盾构的第二阶段。a.均为调整阶段;b.5号盾构的第二阶段累计值较大, 部分超出30 mm, 第三阶段通过加固段后, 累计值变小, 均未超出20 mm;7号盾构的第二阶段累计值较小, 均未超出20 mm;c.5号盾构的第二阶段盾尾脱出后部分单次变形量超出5 mm;7号盾构的第二阶段盾尾脱出后大部分单次变形量小于5 mm。

3) 现阶段。a.均为在正常路段掘进;b.5号盾构现阶段的地表沉降累计值较小, 均未超出20 mm, 沉降趋于稳定时间较短;7号盾构现阶段受重新掘进、地层再次扰动以及多出土的影响, 个别测点超出30 mm。

3 结论及建议

根据5号、7号、10号盾构机监测情况和几个阶段监测分析, 结合典型数据曲线和对比分析, 有几点结论和建议供参考。

1) 盾构穿越中密至密实砂卵石层, 截止到目前的大部分沉降累计值均未超过30 mm, 其中累计值较大阶段均发生在始发、停机换刀、刀盘被卡、多出渣和盾尾脱出等阶段, 并存在预警和多次的数据异常提醒, 这一阶段也进行了不同程度的回填和注浆处理, 后续数据变形较小 (反之若处理不及时, 累计值有可能超出30 mm并存在路面坍塌的风险) 。建议在这种地层和埋深下, 累计控制值30 mm、预警值20 mm较可行。

2) 数据突变阶段主要发生在刀盘切入~盾尾脱出后24 h这段时间, 单次变形量大部分超出5 mm, 部分掘进参数正常和施工措施得当时单次变形量小于5 mm (如7号盾构的第二阶段盾尾脱出) , 建议盾尾脱出后第一次单变量控制在5 mm~8 mm, 加密监测后第二次单变量控制在5 mm以内, 因此这段时间是施工和监测工作的重中之重。

3) 盾构掘进过程中影响安全的因素较复杂, 既有盾构掘进过程中参数的控制和跟踪配套措施的影响, 又有外部地层各种不确定性因素 (包括地下水、空洞、管线等) 的影响, 尤其是成都这种富水砂卵石地层的密实程度和块体大小不均情况, 因此监控量测作为信息化施工手段, 通过参考监测控制值发出提示和预警, 加强后续的监测和巡视工作, 更需要各方加强沟通和配合, 通过监测数据和施工情况的综合分析, 把施工的安全风险降到最低。

参考文献

[1]王建宇.隧道工程监测和信息化设计原理[M].北京:中国铁道出版社, 1990.

[2]王建宇.隧道工程的技术进步[M].北京:中国铁道出版社, 2004.

[3]金淮.城市轨道交通工程监测理论与技术实践[M].北京:中国建筑工业出版社, 2014.

[4]张庆贺.地铁与轻轨[M].北京:人民交通出版社, 2006.

[5]GB#space2;#50446—2008, 盾构法隧道施工与验收规范[S].

[6]冯剑.富水砂卵石地层盾构施工引起空洞的机理及对策研究[D].成都:西南交通大学硕士论文, 2010.

卵石地层 第6篇

第四纪阶段, 地球表面经受了内外地质应力的综合作用, 形成了一系列与地质构造及气候环境相联系的第四纪堆积物。砂砾地层就是第四纪沉积物中的一种具有鲜明特征的松散粗碎屑堆积层。砂卵石一般尚未固结成岩, 大多保持松散状态几渗透孔隙分布不均匀, 渗透系数分布不均匀, 渗透系数大, 渗透能力强。砂卵石地层成孔比较困难, 钻进过程中经常出现孔壁坍塌, 需要采取必要措施进行护壁和防止埋钻事故发生。由于砂卵石地层渗透系数大, 渗透能力强, 导致砂卵石地层无法有效的利用泥浆护壁。注浆技术是一门适用性强、应用范围广的工程技术。由于注浆是对岩土的原位加固并能改变岩土固有的物理力学性质, 所以应用十分广泛。注浆加固与其它加固方法相比有明显的优点:它具有施工设备简单、投资小、损耗少, 操作工人少, 工期短、见效快, 施工中产生的噪声和振动小、对环境影响小, 在狭窄的场地和矮小的空间均可施工, 加固深度可深可浅、易于控制等许多优点。所以在砂卵石地层中采用注浆加固的方法是有效可行的。

在砂卵石地层中采用渗透注浆加固是一种比较合理的方式。渗透注浆不仅没有破坏砂卵石地层的现有结构, 也没有扰动砂卵石地层中的关键块, 而且充填了砂卵石地层中的孔隙, 增加了砂卵石地层颗粒之间的粘结强度, 对加固砂卵石地层有很好的效果。通过查阅国内外大量文献资料发现, 在目前的渗透注浆理论研究中, 人们多是把浆液简化为牛顿流体, 而且没考虑浆液的时变性, 没有任何一个公式能真正准确地反映出浆液在多孔介质中的渗流规律, 这些公式各自存在着某些缺陷, 甚至与实际之间相差很大, 公式的结论多为指导性的, 因此, 大多数注浆工程报导或论文中, 只介绍注浆工艺过程和注浆效果, 很少进行注浆理论的分析研究。因缺乏完善的理论指导, 影响了注浆效果和技术经济指标的提高, 造成人力物力的许多浪费。所以, 从浆液粘度方面来优化渗透注浆理论计算公式很有必要。王雄鹰在《水泥浆液粘度随时间变化的试验研究》一文中通过试验, 得出时间、水灰比、添加剂对浆液粘度的影响。浆液的流变性是反映浆液在外力作用下的流动性。浆液的流变性按时间效应和力学特性分类如表1。本文以牛顿流体在地层中的渗透公式为基础, 来进行理论计算公式优化。

2 渗透注浆理论

渗透注浆, 是在不足以破坏地层构造的压力 (即不产生水力劈裂) 下, 把浆液注入到粒状土的孔隙中, 从而取代、排除其中的空气和水, 而基本上不改变原状土的结构和体积。代表性的渗透注浆理论有球形扩散理论、柱形扩散理论和袖套管法理论。本文以球形扩散理论 (Magg公式) 来进行研究。

球形扩算理论 (Magg公式) :

公式假设:

⑴浆液从钻杆底部孔注入土体, 注浆源为点源, 浆液在地层中呈球状扩散。

⑵浆液为牛顿流体, 浆液扩散模型见图1。

马格浆液渗透扩散公式如下:

根据达西定律:

式中:

根据边界条件, 由式 (1) 推导出:

已知, 同时考虑r1》r0, 即, 于是式 (2) 、 (3) 化简为:

式中:K为地层的渗透系数 (cm/s) ;Q为浆液流量 (cm3/s) ;Kg为浆液在地层中的渗透系数 (cm/s) ;β为浆液粘度与水的粘度比, A为渗透面积 (cm2) ;r, r1为浆液的扩散半径 (cm) ;h0为注浆点的地下水压力水头 (cm) ;h1为注浆压力水头 (cm) ;H为地下水水头和注浆压力水头之和 (cm) ;r0为注浆管半径 (cm) ;t为注浆时间 (s) ;n为孔隙率;μw为水的动力粘度系数 (mPa·s) ;μg为浆液的动力粘度系数 (mPa.s) 。

3 渗透注浆公式研究

人们在注浆工程中的计算中, 往往都忽略了浆液粘度是随时间变化这一因素, 即只按浆液的初始粘度进行计。而对于大多数浆液来说, 其粘度是随时间的延长而增加的, 这就使得计算所得的理论值比实际中浆液的扩散范围大;也就是说按照目前的理论计算结果进行注浆, 浆液实际扩散半径达不到所需的扩散半径, 很容易造成工程隐患。水泥浆液是一种粘度渐变型浆液, 粘度随时间的变化呈指数关系。所以有必要对现在经常用到的注浆扩散公式进行改进, 把粘度随时间变化的关系考虑进去, 这样计算出的结果会更加符合实际。由于在实际注浆过程中浆液粘度是不断增加的, 采用浆液各时刻段的粘度平均值作为注浆参数可以更好的反映浆液扩散的实际情况。采用浆液粘度各时段的平均值作为注浆参数的方法考虑了浆液粘度变化的影响, 更为合理。下面从这一点出发, 利用积分的方法求出浆液粘度的平均值, 进而推导出粘度渐变型浆液的注浆半径、注浆时间的计算公式。

通过积分得浆液粘度的平均值为:

式中:为浆液粘度的平均值, 单位 (mPa·s) ;

u-t-为浆液粘度与时将的函数关系;

t注浆时间, 单位 (s) 。

浆液的粘度u (单位:mPa·s) 和浆液密度ρ (单位:g/m3) 有如下关系:

式中:v为流体的运动粘度, 单位 (m2/s) 。

另外浆液粘度u (单位:mPa·s) 对水粘度uw (单位:mPa·s) 比β为:

所以有:

式中:β为浆液粘度对水的粘度比;

ρw为水的密度, 单位 (g/m3) ;vw为水的运动粘度, 单位 (m2/s) 。

球形扩散理论, 马格公式可变为:

4 结论

浆液粘度是随时间而变化的, 按浆液粘度初始值进行计算有很大的弊端, 把浆液的粘度随时间变化这一因素考虑进去, 计算结果会更接近实际。但是浆液的粘度是时间的指数函数, 指数函数是一个连续的曲线函数, 也就是说浆液粘度时时刻刻都在变化的, 而我们的注浆工程是一个持续的时间段过程, 所以把注浆时间段内浆液粘度的平均值用来进行理论公式计算更加合理。

摘要：现有注浆理论都把浆液粘度按定值考虑, 而大多数浆液粘度是随时间增加的, 按照现有理论计算就会造成工程隐患。本文在现有渗透注浆理论的基础上, 应用渗流力学和积分知识, 对浆液粘度系数的计算进行优化, 得出用浆液粘度的时间段平均值来代替初始值进行计算, 更符合浆液的实际扩散规律。

关键词：渗透注浆,砂卵石地层,粘度系数

参考文献

[1]王雄鹰.水泥浆液粘度随时将变化的试验研究.山西建筑, 2009

[2]张顺金.砂砾地层渗透注浆的可行性及应用研究.中南大学, 2007

[3]杨坪.砂卵 (砾) 石层模拟注浆试验及渗透注浆机理研究.中南大学, 2005

[4]潘志强.均匀砂层渗透注浆计算方法的研究.岩土工程界, 2003

卵石地层 第7篇

成都地铁采用盾构法施工已经有10年了, 随着盾构掘进里程的增长, 成都地铁富水砂卵石地层[1]盾构掘进技术有所突破, 但盾构掘进超方、结泥饼现象还是时有发生, 导致地表产生塌陷风险。部分专家和学者认为成都盾构施工一直处于“欠压”掘进, 进而导致塌陷, 并且提出掘进过程中盾构土舱压力越高越不会超方的理念。但盾构掘进土舱压力高直接导致刀盘卡死、结泥饼, 超方更加严重, 塌陷频率更大。

本文根据成都砂卵石地层特点和盾构施工特点, 总结出富水砂卵石地层水土压力精确计算方法。希望通过本文, 盾构施工者能够深入理解盾构施工的土压平衡理念, 分不同地层情况精确计算水土压力, 时刻保持盾构土压平衡掘进, 降低超方量, 有效提高盾构施工进度。

1 成都主要地质水文情况

成都平原处于我国新华夏系第三沉降带之川西褶带的西南缘, 分界于龙门山隆褶带山前江油—灌县区域性断裂和龙泉山褶皱带之间, 为一断陷盆地, 成都市区位于断陷盆地东缘。成都主要为砂卵石地层, 卵石粒径由东向西逐渐增大, 卵石强度也逐渐提高, 卵石含量为50%~80%, 粒径一般为20 mm~200 mm, 个别粒径超过200 mm, 卵石呈次圆形, 分选性较差, 余为圆砾, 主要填充物为细砂、中砂。卵石强度一般为40 MPa~180 MPa, 卵石层渗透系数K取25 m/d, 为强透水层。

2 成都砂卵石地层盾构掘进情况及难点分析

成都盾构掘进经过近10年的摸索, 主要采用土压平衡盾构, 富水砂卵石地层盾构掘进参数 (平均值) 如表1所示, 碴土改良主要采用优质泡沫和刀盘前方、土舱内加水的改良方式, 提高碴土的流塑性, 以达到土压平衡掘进模式。为了尽量减少盾构掘进超方, 在刀盘扭矩允许的条件下, 尽量提高土舱压力。但由于地层中卵石含量太大, 碴土改良无法达到盾构所需的流塑性, 土舱压力又大, 从而导致盾构土舱内结泥饼、掘进速度缓慢、刀盘卡死等现象。当出现以上问题时, 盾构掘进超方严重, 危及地表及建 (构) 筑物安全。为了防止上述情况发生, 如何精确计算砂卵石地层盾构所需最小水土压力来指导盾构掘进显得尤为重要。

3 富水砂卵石地层盾构掘进水土压力计算

富水砂卵石地层由于地层中含细颗粒非常少, 地层中水的渗透系数大, 根据盾构实际情况, 土舱压力采用水土分算的计算方法。

3.1 盾构掘进情况

盾构掘进如图1所示, 盾构在砂卵石地层中掘进, 刀具开挖面前方为原状地层, 刀具开挖面后方为经过碴土改良后的具有一定流塑性的碴土, 盾构土舱压力由土舱隔板E处的压力传感器感应得出。当盾构掘进达到土压平衡时, E处的压力是E处上方的原状砂卵石地层、土舱内经过碴土改良后的碴土共同作用的地层自重应力的侧向力和水压力的总和。

3.2 土压力计算分析

根据盾构施工特点和经验, 采用浅埋隧道的朗肯理论计算砂卵石地层的主动土压力[2]和被动土压力。

主动土压力计算公式:

被动土压力计算公式:

式中[3]:σa———深度为E处的主动侧向土压力;

σp———深度为E处的被动侧向土压力;

σE———深度为E处的地层自重应力;

c———地层的粘聚力;

Ф———地层内摩擦角。

3.3 水压力计算分析

盾构掘进过程是实时动态平衡过程 (见图1) , 盾构开挖面前方为密实原状砂卵石地层, 开挖面后方为经改良后的碴土, 开挖面前方水由于水压力作用涌入正在改良中的碴土中参与碴土改良, 由于砂卵石地层水渗透系数为25 m/d (17 mm/min) , 此渗透系数涌入的水还不足以达到碴土所需的流动性, 因此实际盾构掘进过程中额外需要往刀盘前方和土舱内加水, 才能保证碴土改良所需水量。

盾构掘进过程中, 开挖面是以掘进速度向前推进的, 开挖面前方致密的原状砂卵石经刀盘搅动[4]和卵石间的碰撞变为开挖面后方较松散的改良碴土, 卵石由致密变得松散, 由于开挖后碴土体积增大、密度降低, 开挖面上的有压水突然释放为无压水, 进入开挖面上的改良碴土中, 开挖面前方的原状砂卵石有压水向开挖面后方碴土渗入参与改良, 所以开挖面前方依然是有压水, 开挖面后方是无压水。因此开挖面前方对开挖面后方的水压为0。如果砂卵石地层水涌入开挖面的水大于碴土改良所需水量, 此时要根据实际情况考虑地层水对土舱的压力。

综上所述, 原状地层水压不用考虑, 但开挖面后方经过改良后的碴土内的水压要按改良的碴土含水深度计算水压。此种水压计算未考虑刀盘外径开挖面和盾体周围水向土舱内的涌水。当然在盾构停机时, 由于开挖面没有向前推进[5], 开挖面的水不断涌入土舱内, 松散碴土带内水达到饱和, 并处于静止平衡状态, 地层水压全部作用在土舱内的碴土上, 此时盾构静止平衡水土压力中水压按含水层深度计算。

3.4 水土压力举例计算

当地层渗透水量小于盾构掘进碴土改良所需水量时, 举例说明盾构土压平衡掘进时水土压力计算, 设E处为土压传感器位置, 距离开挖面顶部距离为1 m;顶部开挖面至地表 (原状地层) 为砂卵石地层, 深度为10 m;开挖顶面至地层水位线深度为6 m;经改良的碴土浮重密度为2 000 kg/m3, 内摩擦角Ф=0°;原状地层土体浮重密度为2 200 kg/m3, 原状地层内摩擦角Ф=40°, 水的密度为1 000 kg/m3, 粘聚力c=0。

计算土压力为:

主动土压力:

被动土压力:

计算水压力为:

主动水土压力:

被动水土压力:

由计算可知, 如果不考虑其他因素, 当盾构掘进E处水土压力低于0.078 MPa时, 原状地层将向土舱内滑动, 造成地表沉降;当盾构掘进E处土压力高于1.04 MPa时, 原状地层将向地表滑动, 造成地表隆起。盾构工作压力一般设计不超过0.3 MPa, 因此砂卵石地层中盾构掘进只会导致地表沉降, 不会导致地表隆起。

4 盾构掘进水土压力控制

从以上水土压力计算可知, 盾构掘进过程中土舱压力值只要控制在计算的主动水土压力值和被动水土压力值之间, 盾构就是在土压平衡状态[6]下掘进, 开挖面前方的原状地层就会保持平衡状态, 既不会向土舱内滑动也不会向地表滑动。主动水土压力值是盾构土压平衡掘进保持的最小压力值。为了降低盾构土舱结泥饼、刀盘卡死等问题产生, 盾构施工者可以按主动水土压力来进行盾构掘进。当然, 由于盾构掘进中地层存在许多不可遇见的因素, 如地层内摩擦角变小、碴土改良材料泡沫存在一定气体致使土舱压力升高等, 导致盾构掘进实际平衡的水土压力小于盾构理论计算的水土压力。按照盾构施工经验, 实际盾构土压平衡掘进压力值的选取要在理论计算主动水土压力值的基础上再考虑0.02 MPa~0.03 MPa的压力作为预备压力, 这样才能确保盾构掘进一直处于土压平衡掘进模式, 避免掘进超方。

根据地勘提供的砂卵石地层参数和盾构掘进隧道埋深等情况, 分段计算出盾构土压平衡掘进土舱压力控制值并按值掘进保压, 可以有效控制地表沉降, 指导盾构土压平衡掘进。

5 结语

成都地铁富水砂卵石地层根据地质参数, 可以精确计算盾构掘进所需的主动水土压力, 有效指导盾构施工, 大大降低了盾构结泥饼和刀盘卡死的几率, 同时提高了盾构施工进度, 降低了盾构施工成本, 加快了地铁建设。此种水土压力计算方法适用于需要额外加水进行改良的砂卵石地层土压平衡盾构。

摘要：根据成都地区的地质条件和盾构施工特点, 阐述了富水砂卵石地层盾构掘进的水土压力计算方法, 并探讨了盾构掘进施工中水土压力的控制措施, 有效降低了盾构施工风险。

关键词：砂卵石,盾构掘进,水压力,土压力

参考文献

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卵石地层 第8篇

成都地铁1号线天府广场北端隧道暗挖试验段位于天府广场站主体结构以北 (左线ZDK8+693.941～ZDK8+710.941, 右线YDK8+696.224～YDK8+713.224, 长度均为17 m) , 隧道埋深在地表以下13 m, 隧道开挖跨度8.4 m。隧道所经区域为密实砂卵石地层, 卵石平均粒径约为8 cm～25 cm, 最大卵石粒径达40 cm。采用CD法进行开挖, 初期支护采用ϕ42超前小导管注浆、Ⅰ22a工字钢拱架、钢筋网、喷混凝土联合支护。超前小导管设计长度3.5 m, 外插角15°, 纵向间距1.5 m, 环向间距在拱部90°范围内为0.25 m。

2 超前小导管在密实砂卵石地层施工中存在的问题

根据前期超前小导管的施工, 发现小导管在钻进长度、钻进速度、成管外插角度、环向间距等方面均不理想, 对施工进度影响极大, 在随机抽取5个循环进行总结分析后发现以下问题, 见表1。

小导管施工质量不能满足设计要求, 达不到预支护效果, 为保证施工顺利进行, 必须有95%以上的小导管满足以下指标:1) 小导管施工长度满足3.5 m;2) 环向间距偏差小于2 cm;3) 外插角偏差均控制在2°以内。

根据以往的经验, 结合本工程的实际情况, 认真分析了与小导管施工有关的各个环节, 得出可能影响小导管施工质量的多种因素 (如图1所示) 。在施工现场对影响预支护效果的主要影响因素及其原因分析如表2所示。

上述要因确认表中共确定了6个主要原因, 有关地质条件的两个主要因素是人为无法改变的, 现针对其余4个主要原因采取对策, 如表3所示。

3 施工对策

针对表3确定的影响超前预加固效果的主要原因综合考虑工程所在地的环境因素, 具体实施对策如下:

1) 新购置一台型号为PH150的锚杆钻机, 替代前期的YT-28风钻及潜孔钻机。将小导管由原来的“先成孔后安装小导管”改为“直接将小导管高频振动顶入地层”。

2) 工字钢拱架安装前, 先在其腹板上按小导管环向设计间距钻孔, 孔径为55 mm。施工小导管时, 将小导管从钢拱架腹板上的圆孔中穿过去, 调整好外插角, 保持钻机轴线和小导管在同一直线上, 然后开始施工。这样, 腹板上的孔既控制好了小导管的环向间距, 同时, 这些孔与钻机两点一线, 固定了钻机方向, 对小导管又起到了导向的作用。

3) 小导管加工时, 在每根小导管前端分别焊接上一个实心的钢锥, 钢锥焊接时保证焊接质量。

4) 制作1 m长的钢套管, 在小导管最后剩余约50 cm长时, 套上钢套管, 将小导管全长打入。

4施工效果评价

通过按以上要求精心施作, 小导管安设情况良好, 不仅安设长度、环向间距、外插角度达到了目标值, 而且安设时间也大有缩短, 通过现场对小导管施工过程随机抽样5组, 记录数据如表4所示。

5结语

本工程作为成都地层条件下的暗挖试验段, 其性质决定了工程施工没有成熟的经验可供参考, 在前期的小导管施工过程中遇到了不少难题, 但通过思考和尝试, 显著提高了小导管的施工质量, 同时也缩短了每循环的施工时间, 大大加快了施工进度, 取得了很好的社会效益和经济效益。本文将施工体会和经验总结作为今后密实砂卵石地层中小导管施工的指导, 对今后类似条件下的设计、施工起到一定的参考作用。

参考文献