CN110656947B - 海底基岩凸起段的掘进方法 - Google Patents

海底基岩凸起段的掘进方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及盾构掘进方法领域，特别是一种海底基岩凸起段的掘进方法。旨在解决现有技术中盾构掘进过程中，海底基岩凸起段施工困难的问题。本发明包括勘探、钻孔、加工、掘进等步骤，对于海中的基岩凸起段，采用海上平台对基岩上部地层进行三轴搅拌或高压旋喷加固，刀盘等配套设备同时做出改变。优点在于：解决了海底基岩凸起段的掘进难题，各个工步间相互结合后，有着优异的防渗漏效果。

Description

海底基岩凸起段的掘进方法
技术领域
本发明涉及盾构掘进方法领域，特别是一种海底基岩凸起段的掘进方法。
背景技术
盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机。盾构的施工法是掘进机在掘进的同时构建（铺设）隧道之“盾”（指支撑性管片）。盾构机根据工作原理一般分为手掘式盾构，挤压式盾构，半机械式盾构（局部气压、全局气压），机械式盾构（开胸式切削盾构，气压式盾构，泥水加压盾构，土压平衡盾构，混合型盾构，异型盾构）。
我国幅员辽阔，土地情况复杂，盾构设备要适应各个地情地况有一定的难度，比如海底基岩凸起段的隧道掘进作业隧道盾构段在海中主航道下方，存在有多段硬岩凸起，长度约几百米，侵入隧道高度约3～6m。主要是微风化花岗岩块状构造，裂隙较发育，局部存在强度较大的微风化花岗岩。本工程盾构隧道海域有三段花岗岩复合地层，上部淤泥质粘土松软富水，孔隙比大，灵敏度高。 盾构在上软下硬地层中掘进技术是工程的难点，易坍塌。已公开的专利文件中，申请号为2012200385015的名为用于基岩***预处理施工中的海底盾构机的震动检测装置的专利，公开了一种振动检测装置，以确保海底隧道安全施工，然而，现阶段的技术中仍旧缺少一个***的能够针对海底基岩凸起段的掘进方法。
具体表现在：
(1)盾构掘进上软(淤泥、砂层)下硬地层时，刀盘下部硬岩掘进困难，刀盘上部软土不断流失，拱顶地层易坍塌，可能导致海水灌入。
(2)刀盘上下受力不均，刀具易偏磨。
(3)常压下开仓，掌子面土体不能自稳，易坍塌。
(4)常规刀盘盾构直接掘进上软下硬地层，工程进度、投资不可控。
(5)盾构在上软下硬地层中掘进时刀盘偏载，可能造成主轴承损坏。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中盾构掘进过程中，海底基岩凸起段施工困难的问题的问题。
本发明的具体方案是：
设计一种海底基岩凸起段的掘进方法，包括如下步骤：
（1）勘探：使用XY-1 型钻机及船舶进行水上钻探作业，通过开展地质补勘工作，详细了解海底基岩凸起段进行详细勘察，明确基岩凸起范围、位置，采用GPS 测量仪进行地质补充勘察，准确定位测量钻孔位置及孔口相对于基准面的距离，下套管后进行泥浆护壁无泵取芯钻进，基岩采用金刚石钻头钻进，土层采用泥浆护壁合金钻头钻进，每回次起钻均测量孔深及水位，岩石抗压、抗拉样采自钻孔芯样，软土采用薄壁取样器进行取样；
（2）打孔并引入***：在步骤（1）钻孔的基础上设置***孔，采用砂筒填充，厚度l2为0.5m，***孔间排距l1均为0.8～1.2m，基岩较厚处设置多段***，***段之间***孔底部距离隧道底面距离约为1.0～2.0m，***孔布置方式采用矩形；
（3）注浆加固：***完成后采取钻机直接成孔，后进行袖阀管注浆及封孔，对破碎岩层及土体进行加固，在原***孔位置注浆，浆液采用水泥浆液，水灰比为1:1， PVC管为高强度、高韧性PVC管，注浆压力控制在1.5～3MPa；
（4）掘进：盾构机配置了常压刀盘，盾构机刀具设计配置重型耐磨刀具，采用19英寸盘形滚刀，刀圈硬度采用梯度硬度分布方式，即达到“外硬内韧”的效果，表面硬度达到58～60HRC，心部硬度为54～58HRC，按设计路线开展掘进工作；
在步骤（3）中，对于海中的基岩凸起段，采用海上平台对基岩上部地层进行三轴搅拌或高压旋喷加固；
在所述步骤（3）中，***后的回填层采用钻机引孔，下部地层利用地质钻机采用Φ89的钻头按设计要求钻孔，钻孔水平孔位误差≤5cm，钻孔垂直度≤±1°，钻孔深度超过设计深度0.5～1m，以满足下管深度；使用稀泥浆护壁或干钻成孔，成孔孔径不少于89mm；
在钻孔后清理孔内杂物：钻孔内（套管内）不得有杂物，以便于袖阀管的安设；钻孔完成后，立即通过钻杆用新鲜的封闭泥浆（膨润土浆液）置换钻孔护壁泥浆，封闭泥浆配比按膨润土：水＝4:1，封闭泥浆采用钻杆从孔底压入，充填钻孔空间，直到封闭泥浆完全代替护壁泥浆；所述袖阀管的安装包括在孔内压入封闭泥浆完成后，立即***袖阀管，袖阀管长度每节长4m，相邻两节用长度为20cm的PVC连接套管连接，采用U—PVC胶合剂将袖阀管和连接套管粘牢，第一节袖阀管底部必须加闷盖封闭底口（宝塔盖），在袖阀管***过程中要边***边灌入清水，袖阀管每节连接好后，依次下放到钻孔中，直到孔底，下放时尽量保证袖阀管的中心与钻孔中心重合；安设好袖阀管后，将套管拔出，在袖阀管顶部管口加上闷盖。
所述袖阀管安装过程中，加入清水保持管内外的压力平衡，至浆液基本凝胶后，用水泥砂浆进行补充封闭，安设袖阀管的同时配套安设φ20mmPVC管，其中所述PVC管外接注浆机上，在注浆压力的作用下，通过所述PVC管将钻孔内泥浆置换成套壳料，套壳料在0.5MPa压力的作用下，通过PVC管进入钻孔底部，随着套壳料的进入，泥浆从孔口置换出来后经由钻孔口的泥浆沟排到水面地层加固作业平台的泥浆循环池，直至发现排出的泥浆中含有套壳料时，停止置换。套壳料的配比为(重量比)水泥(P.C 32.5)：彭润土：水 =1：1.5～2.5：1，在孔口部位2～3m范围采用水泥砂浆封孔。
所述注浆方式采用注浆泵进行后退式注浆作业，即在注浆管内由孔底向上分段进行注浆，每次注浆段长为0.4～0.5m，注完此段后，再后退注另一段，直至全孔注浆完毕，注浆管路上设有止浆塞，水泥单液浆浆液比重为1.6，注浆泵泵击压力为注浆管口压力的2.0倍。
本发明的有益效果在于：
(1)盾构机配置了常压刀盘，使刀具能够直接破中风化花岗岩，让盾构直接掘进通过；
(2)盾构机刀具设计配置重型耐磨刀具，具备直接开挖破碎中、微风化花岗岩，盾构设计具备直接掘进通过能力。根据基岩凸起制定针对性的换刀方案，并储备足够的备用刀具；
(3)对于海中的基岩凸起段，采用海上平台对基岩上部地层进行三轴搅拌或高压旋喷加固，提高淤泥质土层的强度后，盾构直接通过。
附图说明
图1是本发明中基岩***布置示意图；
图2是本发明中基岩***俯视方向示意图；
1.基岩轮廓；2.***；3.砂筒；4.隧道底面；5.***孔；6.隧道边界。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种海底基层凸起段的掘进方法，包括如下步骤：（1）勘探：使用XY-1 型钻机及船舶进行水上钻探作业，通过开展地质补勘工作，详细了解海底基岩凸起段进行详细勘察，明确基岩凸起范围、位置，采用GPS 测量仪进行地质补充勘察，准确定位测量钻孔位置及孔口相对于基准面的距离，下套管后进行泥浆护壁无泵取芯钻进，基岩采用金刚石钻头钻进，土层采用泥浆护壁合金钻头钻进，每回次起钻均测量孔深及水位，岩石抗压、抗拉样采自钻孔芯样，软土采用薄壁取样器进行取样，钻探时进行标准贯入试验等原位测试；补勘时采用坐标系为54 北京坐标系，高程为85 国家高程基准，执行的规范、标准如下：（1）《公路工程地质勘察规范》(JTG C20-2011)；（2）《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（2016 年修订版）；（3）《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001，2009 年版）；（4）《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999，2007 年版）；（5）《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）；（6）《建筑地基基础设计规范》（DBJ 15-31－2003）；（7）《市政工程勘察规范》（CJJ56-2012）；（8）《土的工程分类标准》（GBT50145－2007）；（9）《岩土工程勘察报告编制标准》（CECS99：98）。
（2）打孔并引入***：在步骤（1）钻孔的基础上设置***孔，采用砂筒填充，厚度l2为0.5m，***孔间排距l1均为0.8～1.2m，基岩较厚处设置多段***，***段之间***孔底部距离隧道底面距离约为1.0~2.0m，***孔布置方式采用矩形；本发明中，***处理完成后，原状地层被破坏，受***影响，地层中将产生大量的缝隙、碎屑，为了确保盾构机安全、顺利通过此段时不发生冒浆、坍塌，故采取袖阀管注水泥单液浆对***区域进行加固处理，为确保注浆质量，防止串浆的发生，在该工程中采取钻一孔注一孔的注浆施工原则。
（3）注浆加固：***完成后采取钻机直接成孔，后进行袖阀管注浆及封孔，对破碎岩层及土体进行加固，在原***孔位置注浆，浆液采用水泥浆液，水灰比为1:1， PVC管为高强度、高韧性PVC管，注浆压力控制在1.5～3MPa；
（4）掘进：盾构机配置了常压刀盘，盾构机刀具设计配置重型耐磨刀具，采用19英寸盘形滚刀，刀圈硬度采用梯度硬度分布方式，即达到“外硬内韧”的效果，表面硬度达到58～60HRC，心部硬度为54～58HRC，按设计路线开展掘进工作；
在步骤（3）中，对于海中的基岩凸起段，采用海上平台对基岩上部地层进行三轴搅拌或高压旋喷加固。
在所述步骤（3）中，***后的回填层采用钻机引孔，下部地层利用地质钻机采用Φ89的钻头按设计要求钻孔，钻孔水平孔位误差≤5cm，钻孔垂直度≤±1°，钻孔深度超过设计深度0.5～1m，以满足下管深度;使用稀泥浆护壁或干钻成孔，成孔孔径不少于89mm;
钻孔后清理孔内杂物：钻孔内（套管内）不得有杂物，以便于袖阀管的安设；钻孔完成后，立即通过钻杆用新鲜的封闭泥浆（膨润土浆液）置换钻孔护壁泥浆，封闭泥浆配比按膨润土：水＝4:1，封闭泥浆采用钻杆从孔底压入，充填钻孔空间，直到封闭泥浆完全代替护壁泥浆；所述袖阀管的安装包括在孔内压入封闭泥浆完成后，立即***袖阀管，袖阀管长度每节长4m，相邻两节用长度为20cm的PVC连接套管连接，采用U—PVC胶合剂将袖阀管和连接套管粘牢，第一节袖阀管底部必须加闷盖封闭底口（宝塔盖），在袖阀管***过程中要边***边灌入清水，袖阀管每节连接好后，依次下放到钻孔中，直到孔底，下放时尽量保证袖阀管的中心与钻孔中心重合。司钻员要求经验丰富，能根据钻孔过程大致判断基岩***效果，便于确定钻孔深度。施工中要做好钻孔记录，以确定注浆管的下管情况。完成钻孔，安设好注浆管后，将套管拔出，在袖阀管顶部管口加上闷盖。
所述袖阀管安装过程中，加入清水保持管内外的压力平衡，至浆液基本凝胶后，用水泥砂浆进行补充封闭，安设袖阀管的同时配套安设φ20mmPVC管，其中所述PVC管外接注浆机上，在注浆压力的作用下，通过所述PVC管将钻孔内泥浆置换成套壳料，套壳料在0.5MPa压力的作用下，通过PVC管进入钻孔底部，随着套壳料的进入，泥浆从孔口置换出来后经由钻孔口的泥浆沟排到水面地层加固作业平台的泥浆循环池，直至发现排出的泥浆中含有套壳料时，停止置换。套壳料的配比为(重量比)水泥(P.C 32.5)：彭润土：水 =1：1.5～2.5：1，在孔口部位2～3m范围采用水泥砂浆封孔。采用上述袖阀管注浆后，浆液凝固固结地层提高土体强度和自稳能力。
所述注浆方式采用注浆泵进行后退式注浆作业，即在注浆管内由孔底向上分段进行注浆，每次注浆段长为0.4～0.5m，注完此段后，再后退注另一段，直至全孔注浆完毕，注浆管路上设有止浆塞，水泥单液浆浆液比重为1.6，注浆泵泵击压力为注浆管口压力的2.0倍。封闭泥浆可采用钻杆从孔底压入，充填钻孔空间，直到封闭泥浆完全代替护壁泥浆。在下管的同时预先压入的封闭泥浆会从孔口溢出，管下到位后封闭泥浆会自动下陷，至浆液基本凝胶后，下陷深度一般会达到2m，此时用水泥砂浆进行补充封闭。安设袖阀管的同时安设φ20mmPVC管，并将φ20mmPVC管与袖阀管用胶带绑在一起后进行安设。将冲洗管***袖阀管的底部，压入清水，直至孔口返回的水基本干净，在冲洗过程中要反复上下移动水管，将管内的水泥浆冲洗干净，便于后续注浆进行。
盾构机配置了常压刀盘，使刀具能够直接破中风化花岗岩，让盾构直接掘进通过。盾构在通过***加固处理后的基岩突起段之前，利用常压刀盘上的常压换刀装置，更换新的盘形滚刀，使刀盘具备在中风化花岗岩掘进的能力。
盾构机刀具设计配置重型耐磨刀具，具备直接开挖破碎中、微风化花岗岩，盾构设计具备直接掘进通过能力。根据基岩凸起制定针对性的换刀方案，并储备足够的备用刀具。
本实施例中，盘形滚刀，其直径比常用的17英寸盘形滚刀大，单把刀承载能力从250kN提高到315kN，刀圈硬度采用梯度硬度分布方式，即达到“外硬内韧”的效果，表面硬度达到58～60HRC，心部硬度为54～58HRC。
对于海中的基岩凸起段，采用海上平台对基岩上部地层进行三轴搅拌或高压旋喷加固，提高淤泥质土层的强度后，盾构直接通过。
初步设计方案中基岩***后产生大量石块，会增加带压进仓作业工作量，对于盾构在掘进中遇到的石块，处理方式一般有以下几种：一是进行地层加固后盾构掘进，即将石块或孤石固结在土层中，利用盾构刀盘上的盘形滚刀进行破岩，将石块或孤石破碎成小块，再利用泥水环流***将小块岩石输送出去；二是***处理，即将大块岩石***成小块，再进行地层加固，之后盾构掘进通过。本实施例中，采用***加注浆加固的方法适应加工环境。
但由于***后岩石破碎程度难以控制，而盾构可输送的岩石粒径是有限的，这就使得有可能***后的大块岩石卡在刀盘开口处，对于这种情况，可以采用带压进仓的方式，将卡住的岩块进行机械破碎或人工清理的方式将其从刀盘或泥水仓中清除。盾构上搭载的设备不具备寻找、清理大块岩石的能力。
本实施例与现阶段技术的区别在于，现阶段已有的类似工程为台山核电取水隧洞，但该工程对基岩突起段的***施作在陆地上，并非在海面上；同时该工程采用的是17英寸盘形滚刀，这种尺寸的盘形滚刀承载能力、耐磨性能均不及19英寸盘形滚刀；此外，本实施例采用的是常规刀盘，并非常压刀盘，因而不具备常压更换滚刀的能力，换刀作业风险高。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种海底基岩凸起段的掘进方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）勘探：使用XY-1 型钻机及船舶进行水上钻探作业，通过开展地质补勘工作，明确基岩凸起范围、位置，采用GPS 测量仪进行地质补充勘察，准确定位测量钻孔位置及孔口相对于基准面的距离，下套管后进行泥浆护壁无泵取芯钻进，基岩采用金刚石钻头钻进，土层采用泥浆护壁合金钻头钻进，每回次起钻均测量孔深及水位，岩石抗压、抗拉样采自钻孔芯样，软土采用薄壁取样器进行取样；
（2）打孔并引入***：在步骤（1）钻孔的基岩位置设置***孔，采用砂筒填充，厚度（l2）为0.5m，***孔间排距（l1）均为0.8～1.2m，基岩较厚处设置多段***，多段***的***孔底部距离隧道底面距离（l3）为1.0～2.0m，***孔布置方式采用矩形；
（3）注浆加固：***完成后,在***孔原址采取钻机直接成孔，后进行袖阀管注浆及封孔，对破碎岩层及土体进行加固，在原***孔位置注浆，浆液采用水泥浆液，水灰比为1:1，安设袖阀管的同时配套安设φ20mmPVC管，其中所述PVC管外接注浆机上，注浆压力控制在1.5～3MPa；
（4）掘进：盾构机配置了常压刀盘，盾构机刀具设计配置重型耐磨刀具，采用19英寸盘形滚刀，刀圈硬度采用梯度硬度分布方式，表面硬度达到58～60HRC，心部硬度为54～58HRC，按设计路线开展掘进工作；
在步骤（3）中，对于海中的基岩凸起段，采用海上平台对基岩上部地层进行三轴搅拌或高压旋喷加固。
2.如权利要求1所述的海底基岩凸起段的掘进方法，其特征在于，在所述步骤（3）中：
***后的回填层采用钻机引孔，下部地层利用地质钻机采用Φ89的钻头按设计要求钻孔，钻孔水平孔位误差≤5cm，钻孔垂直度≤±1°，钻孔深度超过设计深度0.5～1m，以满足下管深度；使用稀泥浆护壁或干钻成孔，成孔孔径不少于89mm；在钻孔后清理孔内杂物；
钻孔完成后，立即通过钻杆用新鲜的封闭泥浆置换钻孔护壁泥浆，封闭泥浆配比按膨润土：水＝4:1，封闭泥浆采用钻杆从孔底压入，充填钻孔空间，直到封闭泥浆完全代替护壁泥浆；所述袖阀管的安装包括在孔内压入封闭泥浆完成后，立即***袖阀管，袖阀管长度每节长4m，相邻两节用长度为20cm的PVC连接套管连接，采用U—PVC胶合剂将袖阀管和连接套管粘牢，第一节袖阀管底部必须加闷盖封闭底口，在袖阀管***过程中要边***边灌入清水，袖阀管每节连接好后，依次下放到钻孔中，直到孔底，下放时尽量保证袖阀管的中心与钻孔中心重合；安设好袖阀管后，将套管拔出，在袖阀管顶部管口加上闷盖。
3.如权利要求2所述的海底基岩凸起段的掘进方法，其特征在于，所述袖阀管安装过程中，加入清水保持管内外的压力平衡，至浆液基本凝胶后，用水泥砂浆进行补充封闭，安设袖阀管的同时配套安设φ20mmPVC管，其中所述PVC管外接注浆机上，在注浆压力的作用下，通过所述PVC管将钻孔内的封闭泥浆置换成套壳料，套壳料在0.5MPa压力的作用下，通过PVC管进入钻孔底部，随着套壳料的进入，泥浆从孔口置换出来后经由钻孔口的排浆管排到水面地层加固作业平台的泥浆循环池，直至发现排出的泥浆中含有套壳料时，停止置换,套壳料的配比为水泥：彭润土：水 =1：1.5～2.5：1，该配比为重量比，水泥型号为P.C 32.5；在孔口部位2～3m范围采用水泥砂浆封孔。
4.如权利要求3所述的海底基岩凸起段的掘进方法，其特征在于，所述注浆方式采用注浆泵进行后退式注浆作业，即在注浆管内由孔底向上分段进行注浆，每次注浆段长为0.4～0.5m，注完此段后，再后退注另一段，直至全孔注浆完毕，注浆管路上设有止浆塞，水泥单液浆浆液比重为1.6，注浆泵泵击压力为注浆管口压力的2.0倍。
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