复杂地质体（精选8篇）
复杂地质体 篇1
我区某公路工程处于地质基础断裂带之上, 由数条逆断层和正断层组成, 宽达数百米。从地址剖面看, 岩层挤压破碎, 节理, 裂隙十分发育, 褶皱现象, 多强烈风化成碎片状和土状, 多构成地下水富集带, 小型褶皱变形强烈, 岩层产状比较杂乱, 层间多具有微波层状泥化夹层, 破题稳定性比较差。
1 预应力锚索的应用和发展
预应力锚固技术自20世纪60年代开始引入我国以来, 已经在公路边坡加固中取得了广泛应用。在公路边墙支护和治理岩质明挖高边坡中, 取得了巨大的工程效益和经济效益。最初采用机械式内锚头, 锚固力为600kN。这种内锚头沿用了十多年。后来经过改进, 内锚固段采用灌浆 (水泥浆或水泥砂浆) , 施工方便、锚固力大。现在, 国内采用的预应力锚索的锚固力一般为1000～5000kN, 10000kN的预应力锚索正在进行试验研究。在国外, 预应力锚索最大锚固力已达10000k N以上。预应力锚索的孔深已达到80m以上, 锚固对象已从岩体扩展到土层和堆积层。颅应力锚索的结构形式和施工工艺不断推陈出新, 产生了无粘结预应力锚索、压力型内锚头、单孔多锚头等技术和工艺。
2 预应力锚索施工
2.1 施工平台
由于环境制约, 锚索加固工程施工时, 需搭设刚性施工平台, 并应该满足施工要求。施工平台一般用扣件式钢管搭设, 特别要注意稳定和安全问题。
2.2 钻孔
钻孔在锚索的施工中是工期控制的关键工序之一。为了确保钻孔的质量和效率, 采用了潜孔冲击式钻机。在钻井操作时, 依据锚索设计的长度整齐摆放钻孔所需要的钻杆, 当钻杆全部使用完毕, 钻孔的深度与设计深度相符合。钻孔深度与锚索设计的长度相比应当超出0.5m左右。
当钻孔结束后, 依次拆卸钻具与钻杆, 并清洗冲击器放置备用。将一根聚乙烯管对孔深进行复核, 同时使用高压风对钻孔吹入, 在孔内的粉尘清理干净之后, 保证孔深与锚索设计长度相等或适当超出, 取出聚乙烯管, 封闭孔口。
特殊情况的处理方法:
渗水的处理方法。在钻孔的施工过程中或结束后进行吹孔操作时, 由孔中吹出的粉尘碎渣构成为小石粒、黄色或灰色的团粒而非粉尘, 这表明孔内存在渗水现象, 岩粉大多在孔壁上贴附。如果孔深已达到设计要求, 以清水注入, 之后用高压风吹净钻孔, 至吹出物为清水;如果孔深未达到设计要求, 及时冲击器仍工作且又进尺, 也必须立即停止钻孔操作, 拔出钻具, 在钻孔清洗之后再进行钻进, 保持循环操作至施工结束。在孔内的渗水量较大、有积水时, 吹出物为碎石和泥浆, 这种情况下不会出现岩粉糊住孔壁的现象, 保持冲击器工作即可继续进行钻孔操作。若渗水量过大将冲击器淹没, 冲击器会自动停止工作, 应拔出钻具进行压力注浆。
塌孔、卡钻的处理。当钻孔操作穿越风化较强的岩体或岩层破碎带的时候, 通常可能导致塌孔发生。塌孔的主要标志为孔中吹出物为黄色岩粉, 同时夹杂部分原状石块 (非钻头碎的、无光泽的、不新鲜的) 。此时无论钻进深度是否达到要求, 都必须立刻停止钻进操作, 拔出钻具并进行固壁注浆, 注浆的压力为0.4MPa, 灌注浆液的成分为水玻璃与水泥砂浆, 24小时后重新尝试钻孔。雨季施工中, 经常发生孔内有岩体破碎带渗流的泥浆, 在固壁注浆之前, 应以清水和高压风将泥浆清除。否则固壁注浆效果会受到影响, 还会导致意外情况的误判。
2.3 锚索施工
各部位锚索施工遵循“紧跟开挖面, 先马道上面一排, 然后自上而下, 立体穿插, 平面分散”的原则进行;对于网格梁锚索, 优先采用先造孔穿束后浇筑网格混凝土的施工方法。在开挖面完成清坡验收以后, 立即使用进口大型履带式岩锚钻机对紧邻马道一排锚索进行造孔;造孔结束后在进行其他工序的同时开始搭设坡面钢管脚手架。钢管脚手架通过坡面锚杆进行加固, 临空面布置安全防护网, 每层造孔平台铺设5cm厚马道板, 平台上下使用钢爬梯进行连接, 坡面锚索造孔采用YG、MG、MD系列国产轻型锚索钻机造孔。钢铰线下料和锚索编束在工作面附近就近选择, 灌浆在马道上进行, 张拉在对应的施工平台上进行。
2.4 锚固法注浆
穿束结束后, 按照实验室提供的配合比制成纯水泥浆, 并进行浆液流动型和泌水性试验, 使用灌浆泵按照技术要求的压力进行锚固段灌浆, 采用灌浆自动记录仪进行记录。锚固段灌浆的质壤直接影响锚索的锚固效果, 应充分给予重视。锚固段灌浆结束后三天严禁扰动锚索体。对于无黏结式锚索锚圆段和张拉段的灌浆要求一次完成。
2.5 外锚头制作
整个外锚头的施工程序如下:钢垫板与导向钢管的加工—锚墩插筋—安装导向钢管—焊接加固—墩头钢筋的制作—安装模板—冲洗仓号—验仓—混凝土浇筑—等强养护。混凝土在拌和站按照试验室确定的配合比拌制, 混凝土搅拌车运至现场, 泵送至工作匾, 采用直径为50软轴振捣密实。同时, 防止混凝土掉入锚索孔内影响张拉, 当混凝土强度达到70%时, 拆除模板, 并及时洒水养护。
2.6 张拉
张拉设备 (油泵、千斤顶、压力表) 配套标定后, 配套使用。张拉程序分为单股预紧和整束张拉两个阶段, 单股预紧应进行两次以上, 整束张拉分五个量级进行。预应力锚索张拉程序如下:单根预紧至20%P (稳压5min) 测伸长值—卸除单拉、安装整拉千斤顶—整拉至25%P (稳压5min) 测伸长—整拉至50%P (稳压5min) 测伸长值—整拉至75%P (稳压5rain) 测伸长值—整拉至100%P (稳压5min) 测伸长值—整拉至110%P (稳压30min) —锁定, 其中P为设计张拉荷载。
2.7 封孔回填灌浆和外锚头保护
张拉锁定工作结束后, 经监理工程师检查合格, 进行张拉段回填灌浆, 采用集中灌浆站逐孔进行灌浆, 具体的施工方法与内锚段相同, 为保证自由段所有空隙回填密实, 必须对孔口段的离析沉缩部分进行补封灌浆。灌浆完成后, 预留10cm钢铰线, 其余部分用手提式砂轮切割机切除, 并用水泥砂浆按设计图纸进行保护。
3 降水效果评价
本工程在下部土方开挖过程中, 降水深度满足了土方施工要求, 降水效果明显。根据降水对周围建筑物的沉降观测结果, 降水对本工程周围建筑物沉降影响较小。
但根据施工经验, 在渗透系数较大地区及地质情况较差地区或降水时间较长降水速率过快时, 较小范围的降水均会对周围建筑物产生较大影响, 在施工中应进行充分论证。未受到降水所影响, 施工安全方面有保证, 保证了施工的质量以及安全, 不会造成较大的影响。
4 结束语
工程结束, 进行观测, 各项指标符合要求, 稳定性良好。目前该技术已经广泛应用于各公路项目。由于能充分的调动和提高岩土体的自稳能力和自身强度, 大大减少结构物体体积和减轻结构物体自重, 显著节约工程材料, 并有利于施工的安全等多方面的优点, 已经成为提高岩土稳定性和解决复杂的岩土工程问题最经济有效的方法之一。
参考文献
[1]董汉雄.预应力锚索在边坡加固工程中的应用[J].铁道勘察, 2009, (02) .
[2]谢杰, 王林, 周炜, 杨宝红, 章志勇.预应力锚索在边坡中加固作用探讨[J].江西建材, 2008, (01) .
[3]姚卓英.2000kN压力分散型锚索在高边坡加固工程中的应用[J].铁道标准设计, 2009, (03) .
复杂地质体 篇2
低地应力是地下工程中经常被忽视的.一种应力状态,低地应力对地下工程稳定性有重要影响.结合白鹤隧道复杂地质段施工,本文详细分析了其工程地质特征,并结合低地应力的地质标志,得出了低地应力为该复杂地质段主控制因素的结论,为进一步设计施工提供参考.
作 者：王坛华 陈剑平李杨 李燕俊 作者单位：王坛华,陈剑平,李杨(吉林大学建设工程学院)
李燕俊(云南路桥股份有限公司)
复杂地质体 篇3
在工程地质研究中, 数值模拟通过正确描述工程研究对象, 来预测和解决工程实际问题, 同时, 在分析过程中深化对研究对象及其地质模型的认识。数值分析结果的合理性在很大程度上取决于模型建立的正确性和输入参数的可靠性。随着我国经济的持续发展和西部大开发战略的实施, 水利水电事业呈现出勃勃生机, 一大批巨大型水利水电工程相继得到开发, 如三峡、溪洛渡、锦屏等, 这些工程多处于高山峡谷, 所处地区地质构造复杂, 地质信息众多。因此, 在工程地质数值分析中, 如何正确地将地质信息在模型中得到更全面的反映是数值模拟至关重要的一步。
FLAC3D是由美国Itasca公司开发的三维有限差分软件, 用于模拟三维土体、岩体或其他材料力学特性, 尤其是达到屈服极限时的塑性流变。软件自被推出以后, 在岩土工程和水利水电工程中得到了广泛的运用[1,2,3], 已成为目前岩土力学计算中重要的数值方法之一。然而, FLAC3D软件的前处理功能很薄弱, 不能直接进行图形处理, 建模难度更大, 对于复杂的工程岩土体 (或地质体) 而言很难直接实现相应的建模操作, 即使采用其强大的FISH内置语言有时也是无能为力, 这严重阻碍了其在相关领域中的应用。因此, 为解决FLAC3D软件建模的不足, 本文试图利用已有的前处理功能强大的ANSYS软件对复杂工程地质体建立相应数值模型 (包括网格划分) , 再通过ANSYS-TO-FLAC3D接口程序实现FLAC3D模型的建立。
1FLAC3D模型的构建
自从FLAC3D软件被工程应用, 关于它的前处理阶段的复杂三维地质建模方法也相继出现。如胡斌等[4]运用FORTRAN语言编写了FLAC3D的前处理程序, 实现了对于岩层和地质结构较单一的地质体快速建模;廖秋林等[5]采用Visual Basic语言、李根等[6]采用Visual C++语言编写了FLAC3D-ANSYS之间的接口程序, 借助有限元软件ANSYS相对便捷的前处理实现了在FLAC3D中复杂三维地质模型的建立, 但没有很好的模拟地表形态;崔芳鹏等[7]基于Surfer, 将数据转化为FLAC3D能够调用的*.dat文件从而建立复杂三维地质模型, 但调用*.dat文件生成模型所耗的时间长。综上所述, 本文将结合这两种软件各自的优点, 实现更精确、更快速地建立FLAC3D复杂三维实体模型的目的。
一般工程而言, 地形地质图和相关平、切面图 (AutoCAD) 包含了各种地质信息:地表面起伏、等高线、地层界面以及断层构造、岩溶等。根据工程研究的需要每间隔某一定距离切取地形剖面线, 得到剖面线与等高线和地层界面等的交点, 再将这些交点的三维坐标信息提取出来 (工具→查询→列表显示) , 导入Excel作预处理后再输入Surfer软件进行插值, 得到储存了地形表面信息的*.grid文件, 此后将这些经过插值的*.grid文件另存为*.dat文件, 即生成地形表面控制点三维坐标, 结合钻孔资料和切面图上的信息运用同样的方法得到地层界面和断层面控制点三维坐标, 然后将所有的*.dat再导入Excel作处理, 形成ANSYS建立关键点的格式并保存为**.dat文件。ANSYS调用**.dat文件, 生成所有关键点, 然后再由点→面→体自底向上形成实体模型, 再运用布尔运算和网格剖分功能对实体模型进行离散后调用前处理命令, 输出各单元节点坐标及单元信息NODE.DAT和ELE.DAT文件。最后, 用ANSYS-TO-FLAC3D接口程序即可生成复杂三维地质体FLAC3D数值模型 (见图1) 。
2ANSYS单元类型向FLAC3D单元类型转换
ANSYS软件内部单元编码按照一定的规则进行, 同样, FLAC3D内部单元编码也按一定的规则进行, 但这两者软件系统其各自的编码规则有一定差异。不过, ANSYS和FLAC3D单元形状是大体一致的。通过分析各自的编码规则, 找出其相应的规律, 就可以顺利地建立其对应的转换关系, 从而实现两者之间的网格模型转换。表1显示了ANSYS和FLAC3D的四种单元类型节点对应关系。任何复杂的模型均可以通过这4种单元类型中的一种或几种单元类型间的组合进行完美的剖分。
根据表1中对ANSYS和FLAC3D单元数据关系的分析, 作者本文利用FORTRAN语言编写了ANSYS-TO-FLAC3D接口程序。该程序能自动判断其每一单元的形状 (也考虑了退化单元的转换) , 形成FLAC3D单元, 还将ANSYS定义的不同实体遗传到FLAC3D中, 并形成相应的Group, 方便了计算参数的赋值。其主要内容包括:
1) 在ANSYS软件中, 将模型剖分网格后, 调用自编的ANSYS前处理命令流文件ANSYS-PRE.DAT, 产生各单元节点坐标及单元信息NODE.DAT和ELE.DAT文件, 单元节点的主要格式为:1, 5 168.812 25, 7 950.475 14, 0, 第一个数字为节点号, 后面三个分别为该节点号的X, Y, Z坐标;单元的主要格式为:1, 1 041, 1 042, 1 043, 1 044, 1 046, 1 061, 1 056, 1 051, 13, 第一个数字为单元号, 接下来的8个数字为属于该单元的节点号, 最后一个数字是给单元属性, 可以根据这个数字在FLAC3D中, 将不同单元划分成不同的组 (group) , 方便了后期的计算参数的赋值。
2) 将NODE.DAT和ELE.DAT文件和ANSYS-TO-FLAC3D接口程序放到一个目录下, 执行接口程序, 生成FLAC3D支持的*.flac3d 文件, 文件内容如下:
3工程应用实例
某电站的引水隧洞工程区范围大, 山势雄厚, 地表起伏大, 高差悬殊, 断层、褶皱和节理比较发育, 还发育有岩溶管道, 使得建模的难度增加。根据本文提出的方法模拟引水隧洞工程区的实体模型, 进行网格剖分, 共生成98 100个单元、106 880个节点。然后用接口程序ANSYS-TO-FLAC3D生成FLAC3D的数值模型, 共得到16个组 (见图2) , 成功地实现了复杂模型在FLAC3D中的建立。图2中仅展示了表层涉及的部分岩性, 由于部分岩体存在于结构内部, 因此表层无法完全展示。
4结语
1) 采用Surfer软件对地形线数据进行插值, 使得地表形态更精确的模拟。
2) 直接在ANSYS中自底向上建立实体模型, 避免因接口导入模型而产生的小体被忽略等错误。
3) 根据ANSYS和FLAC3D单元数据关系, 编写了ANSYS-TO-FLAC3D接口程序, 快速、便利地建立三维复杂地质体模型, 大大减少了建模所需的时间、精力, 提高了数值模拟的精度, 扩大了FLAC3D在地质工程和岩土工程领域应用范围。
4) 建模实例表明, 该方法建立的数值模型能充分表现工程完全真实的地形、地貌和地质构造条件, 使模拟计算的精确度、可靠度得以大大提高, 从而证实了该建模方法的有效性和可行性。
参考文献
[1]寇晓东, 周维垣, 杨若琼.FLAC3D进行三峡船闸高边坡稳定分析[J].岩石力学与工程学报, 2001 (1) :66-67.
[2]卢书强, 许模, 巨能攀.澜沧江某电站左岸地下洞室群围岩稳定性的FLAC3D分析[J].工程地质学报, 2006 (3) :32-33.
[3]陈新泽, 唐辉明, 杨有成, 等.基于FLAC3D强度折减法滑坡三维稳定性研究——以三峡库区白果树大滑坡群为例[J].水文地质工程地质, 2008 (2) :80-81.
[4]胡斌, 张倬元, 黄润秋.FLAC3D前处理程序的开发及仿真效果检验[J].岩石力学与工程学报, 2002 (9) :57-58.
[5]廖秋林, 曾钱帮, 刘彤, 等.基于ANSYS平台复杂地质体FLAC3D模型的自动生成[J].岩石力学与工程学报, 2005 (6) :22-23.
[6]李根, 赵娜.以ANSYS为平台的复杂模型到FLAC3D导入技术[J].辽宁工程科技大学学报 (自然科学版) , 2008 (10) :17-18.
复杂地质体 篇4
关键词：龙围隧道,综合超前地质预报,施工安全
随着国家交通基础建设的推进, 隧道工程建设的工程规模越来越大。在高速铁路建设中, 隧道工程普遍具有洞径大、埋藏深、洞线长、地质条件复杂的特点。大量铁路和公路隧道工程建设的实践表明[1], 由于受地质勘察精度、勘察手段等诸多条件的限制, 根据地质勘察资料做出的设计与实际不符的情况屡有发生。由此而来塌方、涌水、涌泥、涌砂、岩爆等灾害时有发生, 给施工造成极大的危害。据统计[2], 施工过程中由于塌方、涌水、涌泥、岩爆等地质灾害造成的停工时间要占总工期的30%左右。因此, 在地质条件复杂的地区进行隧道工程施工时, 做好超前地质预报, 对降低施工风险和减少施工安全事故具有极大的工程意义。
1 工程背景
龙围隧道位于桂林恭城县内, 是贵阳至广州高速客运专线上的高铁隧道之一, 起讫里程DK523+467~DK526+475, 隧道全长3008m, 最大埋深300m。隧道所在区域属剥蚀性低山地貌, 两翼基岩为砂岩夹页岩, 地质条件复杂。隧道工区所在地下水以土层空隙水、基岩裂隙水为主, 其中基岩裂隙水富集, 水量丰富, 地表降水丰沛, 正常涌水量达41250m3/d, 最大涌水量可达61875m3/d。
龙围隧道围岩多为角岩化砂岩, 弱风化, 岩体较破碎, 节理裂隙发育, 页岩局部夹软弱夹层, 裂隙充填软、流塑状粘土, 遇水易软化, 岩体整体性差, 局部呈碎块、砂砾状。隧道围岩整体完整性较差, 强度较低, 自稳能力弱, 其中隧道IV、V类围岩占总长的68.3%, 且在隧道中部区域, 有两断层通过。在隧道开挖施工过程中围岩易发生坍塌、涌水、突水等工程事故。
龙围隧道处于喀斯特地貌显著的桂林地区, 地下岩溶发育且极具规模和隐秘, 前期地质勘探和地质调查无法保证获取的地质资料的完整性, 加之如前所述的围岩、水文地质条件, 这些复杂因素给隧道的施工带来很大的安全隐患。为保障工程的安全施工, 保证工程的顺利开展和推进, 在隧道施工过程中, 就必须对复杂地质情况足够重视, 切实做好了地质超前预测、预报工作, 以便及时采取相应的工程措施, 降低施工风险, 避免灾害的发生或在一定程度上减少因灾害造成的损失, 为快速、安全施工和优化支护参数提供有益的信息, 确保工程的安全和效益。
2 超前地质预报的基本原理
在地质预报技术上, 国内外前沿的技术主要有如下几种[3,4], 一是地震波探测法, 一是地质雷达探测法, 还有红外探水法和超前钻孔探测法等。
2.1 地震波探测法原理
地震波探测法简称TSP法, 其基本理论是基于通过测量弹性波在介质中的传播特性的变化来获得介质的物理力学等性质的变化, 进而获得介质结构的变化规律。TSP (Tunnel Seismic Prediction) 技术由AMT公司研制, 是一种用于超前预报隧道前方地质变化的地下反射技术, 利用地震波的反射原理进行地质探测。TSP得探测原理可由图1来说明。在隧道掌子面的前方边墙一定区域设置一系列炮孔, 并在隧道两侧壁各设置一个传感器孔, 将传感器置入套管中, 使用环氧树脂将套管与围岩紧密耦合。依次微差激发各炮孔炸药, 炸药爆炸产生的震动波信号沿隧道方向以球面波的形式传播, 在不同的岩层中地震波以不同的速度传播, 震动波会在围岩介质的结构面或前方任意波阻抗差异界面反射回震动信号, 界面两侧岩石差别越大, 反射回来的信号发生变化越大, 这些反射信号及直达波信号将被高灵敏的三轴传感器接受下来。通过计算机软件对传感器捕获的信号进行分析, 就可以判断围岩的变化及洞穴位置, 分析出前方围岩性质、节理裂隙分布、软弱岩层及含水状况等, 最终获得各种围岩构造界面与隧道轴线相交所呈现的角度及距掌子面的距离, 并可初步测定岩石的弹性模量、密度、泊松比等参数以供参考。该法适用于划分地层界线, 查找地质构造, 探测不良地质体的厚度和范围。但仪器在作业过程中对环境的要求较高, 若噪声过大则会影响采集数据的准确性。TSP的有效预报距离可达120m, 在围岩质量好的地段可达300m。
该技术特别适用于高分辨率的折射微地震探测, 以及对断裂带和岩体强度降低的软弱破碎带的探测, 对于掌子面前方及其周围的地质界面情况的位置, 均用数据处理后的图像来直接反映, 对剪切横波 (S波) 的数据处理能籍以提高含水断裂带和地质构造走向的辨识率, 并能自动进行数据分析。对不同岩体及断层带等界面、富水地段的预报效果最好, 同时预报距离长。节省时间, 对施工干扰少, 每次爆破记录时间仅需45 min, 整个量测循环 (包括仪器清理) 共需2h。
2.2 地质雷达探测法原理
地质雷达是基于地下介质的电性差异, 向地下发射高频电磁波, 并接收地下介质反射的电磁波进行处理、分析、解释的一项工程物探技术。其工作原理如图2所示。
由发射天线送入地下高频电磁脉冲波, 当其在地下传播过程中遇到不同的目标体 (岩土体、空洞等) 的电性介面时, 有部分电磁能量被反射回来, 被接收天线所接收, 并由主机记录, 得到从发射经地下界面反射回到接收天线的双程走时t。地质雷达方法是由已知条件推断未知情况的方法, 当地下介质的波速已知时, 可根据测到的精确t值求得目标体的位置和埋深。
2.3 红外探水法
红外探水的原理为用红外测温原理探测局部地温异常现象, 并以此判断地下脉状流、脉状含水带和隐伏含水体等所在的位置。地下水的活动会引起岩体红外辐射场强度的变化, 红外探水仪通过接收岩体的红外辐射强度, 根据围岩红外辐射场强度的变化值来确定掌子面前方或洞壁四周隐伏的含水体。根据构造探测结果, 趋近不良地质体和地质异常体时, 利用便携式红外线探水仪每隔20~30 m对掌子面进行一次含水构造探测。当洞内个别区段渗水量较大时, 亦用红外探水仪探测预报, 探明隧道周边隐伏的含水体, 保证施工安全。
红外探测属非接触探测。探测时在隧道边墙或断面上定好探测位置, 用仪器的激光器在确定好的探测位置上打出一个红色斑点, 扣动扳机, 就可在仪器屏幕上读取围岩场强探测值, 并做好记录。然后转入下一序号点, 直至全部探完。探测完毕, 根据所测场强值绘出一系列的曲线。当隧道掌子面前方围岩的介质相对正常时, 所获得的红外探测曲线近似为直线, 离散度较小, 即为正常场。反之, 当掌子面前方或隧道外围存在含水构造时, 曲线上的数据产生突变, 含水构造产生的红外辐射场叠加到围岩的正常辐射场上使探测曲线发生弯曲, 形成异常场。红外探水的有效预报距离可达20~30m。
2.4 水平超前钻孔法
在隧道施工掌子面或掌子面一侧的耳室进行超前水平钻孔, 通过钻进速度测试预测前方岩溶水量, 同时分析地层岩石的软硬程度、岩体完整性及可能存在的断层、溶洞的分布位置, 从而进行掌子面前方的地质预报。一般情况下, 在坚硬岩石中, 钻进速度低;在软弱岩石中, 钻进速度高。在节理裂隙发育岩体和断层两侧破碎带岩体中施钻, 容易发生卡钻现象, 钻进速度相对较低。遇到空洞时, 钻速突然急剧加快。
水平超前钻孔直观明了, 可以验证超前地质预报的精度, 同时对于含水、含瓦斯地段可以直接探明涌水压力、瓦斯突出压力及其含量。施工中将超前钻孔作为主要的探测手段。
3 龙围隧道地质预报方案
根据上述常用地质预报的原理结合龙围隧道本身的地质条件和本项目的施工条件来制定龙围隧道的地质预报探测方案。在日常正常施工中, 做好地质调查及监控量测, 对重点区域进行综合探测, 将TSP、地质雷达、红外探测以及超前钻孔综合运用, 相互验证。龙围隧道地质预报的方案安排详见表1。
根据表1的预报方案安排地质预报工作, 其中地质调查主要是采用地质素描的办法, 在掌子面开挖后立即进行, 对开挖围岩类型、岩性、风化变质情况、节理裂隙、岩层产状、地下水等方面进行观察和测定。
在综合地质探测区域, TSP预报距离应达到120m。需要预报区段大于有效预报距离时应多次预报, 两次预报重复搭接长度不小于10m。地质雷达的有效探测距离在完整性较好地段应达到30m, 具体根据雷达波形判定。两次预报的搭接重复长度5m左右。红外探测一般安排每30m进行探测一次。水平超前钻孔探测每次钻孔深度应大于50m以上, 必要时需达200m以及进行取芯分析。
4 典型预报案例
在隧道D3K525+240处, 地质调查发现掌子面围岩为蚀变砂岩, 带节理裂隙并充填软塑性粘土, 层厚约为20cm左右, 节理裂隙发育, 节理间距10~30cm, 微张型。地质综合预报发现前方施工围岩有一近直立状、宽约1.2m的软弱花岗岩脉带。红外探水发现前方裂隙水发育, 围岩含水量大, 水压力大。超前钻孔预报发现, 当水平超前孔钻探至掌指面前方12m时, 钻孔出现大量涌水, 水流射程4~5m, 经测算流量达600m3/h。进一步探测发现, 前方50m范围内, 水压力大。由预报的结果, 决定暂停该掌子面的施工, 封闭掌子面, 采取措施减压排水。在经过14天的固结注浆、减压排水后, 重新掘进施工, 施工纪录发现, 掌子面出水量已大大降低, 在第一天的重新施工中, 出水量约为1200m3/d。同时发现, 该段围岩呈软塑性土状, 遇水易软化, 花岗岩已处于全风化状态, 承压强度低, 与预报情况大致一致。
在里程D3K524+856.8处, 地质调查发现, 掌子面岩体破碎, 节理裂隙发育, 软弱夹层规模增大。地质雷达和TSP联合探测发现掌子面前方岩体节理裂隙发育, 节理面夹泥, 有断层通过, 岩体较破碎且稳定性差, 红外探水和超前钻孔预测含水量大, 预计总出水量可达31200m3/d。由预报结果, 决定降低掘进进尺和速度, 减少循环炸药量并优化爆破施工参数, 减少爆破施工对围岩的扰动, 加强施工管理, 采用超前管棚、锚杆、固结注浆等方式加固围岩。经采用以上方式后, 该段隧道施工获得顺利安全推进。
结束语
综合地质超前预报的应用表明, 在复杂地质条件下的隧道施工中, 做好超前预报是降低施工风险的非常有效手段, 积极恰当的预报结果能指导开展合理有效的隧道施工。
在龙围隧道的施工过程中, 结合各种地质超前预报大综合运用, 获得如下经验:
一是隧道通过砂砾状蚀变风化带时, 钻孔揭示地下水具有承压性, 且水位与蚀变风化带界面相近, 可以认为蚀变风化呈一富水囊状。隧道开挖将使相对静水条件改变为动水, 由于巨大的静储量, 容易导致砂砾状物质在高势能动水作用下产生大能量及大范围突水、突砂。
二是如果隧道断面大、围岩软弱、抗水能力弱, 采用全封闭抗水压衬砌的结构安全性就较低, 不得不采用限制排放的方法, 但排放可能使隧道周边固体物质流失而导致隧道结构工作环境恶化。因此有必要对隧道周边围岩进行固结性注浆, 限制流量, 防止固体物质流失。
三是在危险区域, 根据预报的结果应采用恰当的措施开展施工。一般可采用采用短循环进尺, 小药量微差爆破, 超前支护、固结注浆、强支护、快封闭, 加强监控和预报等的基本方法。
四是在施工中应结合预报情况及时制定和完善应急方案, 配备必要的报警、应急设施, 设置逃生通道和装置, 设置应急排水系统等。
参考文献
[1]龙浪波, 王鹰.多种超前地质预报方法在某隧道施工的应用[J].施工技术, 2008, Vol.37.No.11:100-103.[1]龙浪波, 王鹰.多种超前地质预报方法在某隧道施工的应用[J].施工技术, 2008, Vol.37.No.11:100-103.
[2]谭天元, 张伟, 陈友辉.深埋特长隧道超前地质预报体系综合技术研究[J].水力发电, 2008, Vol.34.NO.7:35-39.[2]谭天元, 张伟, 陈友辉.深埋特长隧道超前地质预报体系综合技术研究[J].水力发电, 2008, Vol.34.NO.7:35-39.
[3]司建涛, 贾留杰.综合超前地质预报方法在宜万铁路云雾山隧道施工中的应用[J].地质灾害与环境保护, 2008, Vol.19.No.1:102-104.[3]司建涛, 贾留杰.综合超前地质预报方法在宜万铁路云雾山隧道施工中的应用[J].地质灾害与环境保护, 2008, Vol.19.No.1:102-104.
复杂地质层段扩孔技术研究 篇5
1 复杂地质层段石油钻井扩眼技术的工程意义
所谓井下扩眼钻井技术，是采用独特的扩眼工具，采取常规的钻头程序，而获得比常规井眼更大的井眼。有钻后扩眼和随钻扩眼两种形式，钻后扩眼是在钻完井眼后，专门下入扩眼工具扩大已钻井眼；井下随钻扩眼是下入随钻扩眼工具边打边扩，在全面钻进的同时形成扩大井眼，此项技术被西方的钻井技术专家称为继随钻测量和随钻测井之后的又一重大技术突破。
1.1 可采用小间隙套管程序，降低钻井成本
钻井扩眼可以实现减小套管柱之间的间隙，能够有效降低钻井成本，这在国外的许多钻井实践中已得到证实。在深井钻井作业中，为维持表层套管和防喷器足够的额定压力，使生产套管直径有较大改变，需要使用小间隙套管程序，国外称RCCPs即Reduced Clearance Casing Programs。实现RCCPs所采用的井下工具主要包括随钻扩眼器和可膨胀稳定器。随钻扩眼器用于在钻完套管内的水泥塞之后，继续向下钻进，以获得所需要的大尺寸井眼，可膨胀稳定器则用于稳定大尺寸井眼中的底部钻具组合。据国外资料报道，对于井深为4878m的井，采用RCCPs比用普通套管程序节约钻井成本27%。调查98口小间隙套管井和常规套管井的结果表明，仅有6%的RCCPs井在下套管过程中有部分或全部漏失，而常规间隙套管井为10%。目前国内该项技术还没有成功的经验，许多相关技术不太成熟。因而国内深井仍采用较复杂的套管程序，一开井眼大而生产套管直径小，给采油作业带来许多不便[1]。
1.2 可增加套管环空间隙，提高固井质量
通过井下扩眼技术，在套管尺寸不变的情况下，可增加套管环空间隙，从而提高了固井质量。塔河上亿吨油田的勘探开发规模在不断扩大和深入，其主力油层是古生界奥陶系碳酸岩地层，油层埋深5400m以上，属超深井，完井方式采用Ф149.2mm裸眼完井或Ф127.0mm套管射孔完井，为了满足分层测试和采油、修井的要求，必须下入Ф127.0mm套管封固油气层，然后分层射孔和测试。但Ф149.2mm井眼和Ф127.0mm套管间隙小，往往满足不了分层测试的要求，固井质量差，甚至造成油井报废。在采用井下扩眼技术后，增加了套管环空间隙，提高了固井质量，取得了明显的经济效益。
1.3 可以通过井下扩眼技术，扩大油层段井眼, 不仅提高了油层段的固井质量, 给后续的完井和采油作业提供有利条件
通过井下扩眼技术增加了环空间隙，可以给后期的分层测试和完井提供有利条件，并可给砾石填充完井提供更大空间。
1.4 可解决盐膏层、易缩井径地层所带来的勘探和钻井问题[2]
众所周知，盐膏层蠕变和挤压可造成缩径和卡钻，引发严重的钻井事故。与此同时，盐膏层蠕变和挤压也可造成下套管困难，固井质量差，容易挤毁套管，给后期的采油作业带来麻烦。采用井下扩眼技术，扩大盐膏层井段的井眼，来抵消盐膏层蠕变所造成的位移，从而增大了水泥环厚度，提高了固井质量和保护了套管，可防止由此带来的卡钻、缩径等技术难题，避免由此带来的钻井事故和后期完井难题。
1.5 井下扩眼配套技术是今后开展膨胀管技术、套管钻井的技术基础和准备，具有较好的技术延续性。
目前不断开展的套管钻井、膨胀管技术都需要井下扩眼的工艺技术，通过井下扩眼配套技术的研究工作，可以给今后开展套管钻井和膨胀管技术打下技术基础和准备。
2 复合层段使用的主要扩眼类型和特点
不同类型的扩眼作业具有不同的特点，因此，在工具选择、措施制定和具体操作实施上同样存在很大的差异。现将各类扩眼作业的主要特点罗列如下
2.1 随钻扩眼
边钻边扩，可减少起下钻、接单根等作业环节；底部钻具组合（BHA）相对复杂且扭矩高、波动大，容易引发断钻具、钻具倒扣等井下事故；对井眼轨迹将产生难以确定的影响；钻屑量大，携砂严峻。同心随钻扩眼能够提高钻速是由两个方面因素控制，一是扩眼台阶处岩石应力集中，容易破碎。二是领眼钻头较小，能获得足够的机械能量，因此在相同的井底面积下采用随钻扩眼技术比直接采用较大尺寸的钻头钻进效果好。采用随钻扩眼技术能够改变井底岩石应力状态，有利于提高钻井速度。通过分析得到以下认识[3]：通过同心随钻扩眼井底岩石的有限元模型和井底岩石的应力状态，揭示同心随钻扩眼提高钻速的机理；扩眼台阶处岩石在地应力和液柱压力的共同作用下会产生拉伸应力集中现象，岩石容易被破碎；领眼钻头到扩眼刀翼之间的井壁位移是向下指向井筒中心的，该段井壁岩石易向井筒内垮塌，有利于扩眼刀翼破岩。
2.2 钻后扩眼
先钻后扩，BHA相对简单，扭矩相对低且平稳，有利作业安全；对井眼轨迹几乎无影响；相对随钻扩眼，作业环节多，建井周期长；完钻井径电测可使扩眼作业更具针对性且易于判断。
2.3 扩眼方式的选择
对于深部地层，从下面几个方面对比随钻扩眼和钻后扩眼:钻井的复杂性：复合盐膏层钻进，在钻井过程中蹩钻现象比较频繁，如果使用随钻扩眼，钻进过程中的扭距变化比单单使用钻头要大，出现复杂情况的可能性大大增加，同时随钻扩眼的随钻扩眼器尺寸一般不小于钻头尺寸，如果出现钻具事故，处理的难度增加不少。水力学参数：随钻扩眼钻头和随钻扩眼器都需要水力冷却和水力携岩，要求钻进过程中的泵的排量比较大，井深在5000m以上时，钻井液的密度在2.20以上，钻具是复合钻具，钻具内部和环空的压耗系数比较大，如果加大泵的排量，造成泵压的增大，泥浆泵不能满足要求[4]。地层的不可预知性：地层的不可预知性比较强，可能出现井漏，井喷等复杂情况。综上所述，确定使用随钻扩眼还是钻后扩眼方案，要分析综合因素。
3 结束语
通过对于复杂地质层断扩孔技术进行研究得到以下结论：
现有的扩孔系列比较完整，能够满足复杂地质层断的扩孔的需求；通过文献调研结论揭示同心随钻扩眼提高钻速的机理；扩眼台阶处岩石在地应力和液柱压力的共同作用下会产生拉伸应力集中现象，岩石容易被破碎；领眼钻头到扩眼刀翼之间的井壁位移是向下指向井筒中心的，该段井壁岩石易向井筒内垮塌，有利于扩眼刀翼破岩。
参考文献
[1]李江, 唐世春, 崔龙兵.库1井钻井设计与施工[J], 石油钻探技术, 2004, 32 (4) :5-7
[2]曾义金.深部膏盐层蠕变关系研究[J], 石油钻探技术, 2004, 32 (3) :5-7.
[3]杨春和, 殷建华.盐岩应力松弛效应的研究[J]..岩石力学与工程学报, 1999, 18 (3) :262-265
复杂岩溶地质隧道综合施工技术 篇6
关键词：岩溶隧道,地质预报,掌子面施工
1 工程概况
1.1 设计概况
南地头隧道位于四川省宜宾市兴文县麒麟乡境内,隧道起讫里程为D4K242+990-D4K243+765,全长775m。本隧为客运专线单洞双线隧道,线间距4.6m,设计行车速度250km/h。隧道位于半径为7000m的曲线上,纵坡坡度5‰单面上坡。隧道围岩类别为:Ⅲ级围岩70m、Ⅳ级围岩80m、V级围岩670m,洞身最大埋深约79m。
1.2 不良地质
(1)岩溶,隧址D4K243+210-D4K243+765洞身段穿过二叠系下统茅口组和栖霞组的灰岩。据调查勘探统计:全隧道15个钻孔有10个钻孔揭穿17个溶洞,见溶洞率为66.7%,其中包括空溶洞、半填充溶洞,充填物质为粘土、碎石及圆砾。
(2)隧道浅埋,地形偏压,且位于土石界面附近,局部位于软塑状软土内。
2 超前地质预报
考虑到隧道地质的复杂性,在施工中将超前地质预报纳入施工工序进行管理实施,结合本隧的特点,超前地质预报以地质调查法为基础,采用超前钻探、物探相结合的综合超前地质预报方法,用宏观指导微观预报、长距离预报指导中短距离预报、微观预报验证宏观预报、中短距离预报验证长距离预报的工作思路,开展本隧道的超前地质预报工作,以查明溶洞的分布范围、类型情况(大小、有无水、溶洞是否在发育中及有无充填物)、岩层的稳定程度和地下水流情况(有无长期补给来源,雨季水量有无增长)等,从而决定下一步的施工预防和技术措施。使用的主要预报方法为地质调查法、物探法和超前钻探法。
超前地质预报程序如下。
(1)在地质调查法的基础上,开展弹性波反射(TSP)法预报工作。利用人工激发的地震波在不均匀地质体中所产生的反射波特性来预报隧道开挖工作面前方100m左右范围内的不良地质体的位置、规模、性质,作较详细的预报,每100m施作一次,连续预报前后两次重叠10m以上。
(2)在弹性波反射法(TSP)预报的岩溶强烈发育异常段落进行地质雷达法预报工作。利用地质雷达电磁波在不均匀地质体中的传播及反射,根据传播速度和反射脉冲波走势进行隧道开挖工作面前方30m范围超前地质预报,每30m施作一次,连续预报前后两次重叠5m以上。
(3)在弹性波反射法(TSP)预报的极破碎岩体并富水异常段落进行红外探测法预报工作。通过接受和分析红外辐射信号,定性预报掌子面前方30m范围内有无地下水,每30m施作一次,连续预报前后两次重叠5m以上。
(4)在物探法预报工作结束后,对物探异常段落进行超前钻探(超前地质钻孔、加深炮孔)法预报和验证工作。利用钻机在开挖工作面钻Ø76探孔获取地质信息,超前钻孔25m一个循环,单孔长度30m,相邻探孔间搭接长度5m;利用风钻在开挖工作面钻Ø42浅孔获取地质信息,加深炮孔长度为5m。
进行超前地质预报工作时,遵循动态设计原则,当地质情况发生变化,根据具体的地质情况及时调整超前地质预报方法和技术(表1)。
注:①D4K243+025—D4K243+130段采用的超前钻探为加深炮孔5孔;②D4K243+130—D4K243+540段采用的超前钻探为5孔+加深炮孔18孔;③D4K243+540—D4K243+745段采用的超前钻探为1孔+加深炮孔15孔。
3 施工方法
根据超前地质预报资料制订施工方法,在施工中根据开挖后的实际情况不断调整施工方法和各类参数,确保施工安全。应本着“稳妥可靠、保证工期、经济合理、不留后患”的目标,坚持“短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、紧衬砌、勤测量”的原则通过岩溶地区。
3.1 拱顶半填充溶洞
根据TSP及超前钻孔预报D4K243+250—D4K243+290段洞身穿过半充填溶洞,揭示掌子面后,发现隧道拱顶处溶洞宽约7.8m、高约2.5m,纵向延伸,黄泥填充,开挖时有塌落。
为避免溶腔内填充物层层坍塌,保证施工安全,超前支护采用Ø108大管棚,环向间距40cm,外插角5°,管棚单根长度20m,纵向间距10m。前后2环Ø108大管棚间增设2环Ø42超前小导管进行超前加固,防止拱部局部土体坍塌造成地层失稳,Ø42小导管外插角35°,每根长3.5m。
根据动态施工原则,将原设计台阶法调整为CRD开挖工法,将客运专线隧道双线大断面分化成小断面,减小隧道临空面,改变其应力状态。加强系统支护及临时支护,及早闭合,每循环进尺0.5m。施工过程中应密切注意安全,并随时观测溶洞走向及规模、地质变化情况。
对于脱空的溶槽,先对溶洞坍壁及坍口周边进行喷锚支护,待坍面稳定后,架设环纵向钢架及网片并预埋Ø75钢管,加厚喷射混凝土层厚度以防继续坍塌砸坏拱架,待封闭成环后对溶槽注浆回填。
3.2 仰拱基底溶洞
根据既有的地质资料结合超前地质预报综合判断仰拱基底是否存在隐伏岩溶,仰拱开挖揭示后,在仰拱基底面上采用凿岩机施作Ø42隐伏岩溶探孔,探孔深度5m,纵向间距2m,环向每个断面设置5个探孔,分别位于隧道中心线、左、右线路中心线和两侧边墙处。准确定位溶洞位置、大小和走向后,按照溶洞的性质采用不同施工技术对仰拱基底进行加固处理。
(1) D4K243+732-D4K243+746段基底发育两个空溶洞,该段仰拱以下范围设置Ø108钻孔,钻孔3m×3m,梅花形布置,通过孔口管泵送C25混凝土回填空溶洞。
(2) D4K243+757-D4K243+764段基底发育两个全填充溶洞,该段仰拱以下范围设置钻孔,通过采用Ø75钢花管注水泥浆进行加固,钢管桩1m×1m梅花形布置,桩底嵌入基岩1m,注浆材料采用1:0.5的水泥砂浆,注浆压力为1 MPa。
3.3 软土掌子面
D4K243+640-D4K243+680段经过土石分界面,围岩级别为Ⅵ级,掌子面上台阶部分位于土层中,该土层呈软塑状,自稳能力差,施工风险高。
针对该段不良地质,除施作Ø108大管棚超前支护外,采用Ø25玻璃纤维锚杆进行预注浆固结掌子面土体,单根锚杆长5m,锚杆间距1m×1m梅花形布置。采用CRD工法开挖,且每进尺50cm立即喷射8cm厚C25混凝土封闭掌子面,施作加强支护和临时支护,使钢拱架能及时闭合承载。玻璃纤维锚杆不但杆体全段提供锚固力,且通过注浆固结周边土体,同时它易挖出,减少爆破扰动,有效解决掌子面易滑塌的难题(图1)。
3.4 系统支护动态调整
(1)隧道洞身右侧地形偏压,初期支护采用不对称支护,线路左侧(靠山侧)系统锚杆长度增长lm,线路右侧系统锚杆长度缩短1 m。
(2)穿越土石分界线段,位于土层中的拱部及右侧系统支护改用Ø42小导管注浆。
(3)大拱脚施工。当拱脚位于稳定岩层,可直接施作锁脚锚管;当拱脚位于土层时,采用套管钻进后退式注浆加固土体,以形成加固范围为上台阶拱脚1m以上至土石分界面,加固厚度为开挖轮廓线以外3m的加固体,注浆加固完成后再施作锁脚锚管;对位于土层的拱脚加强处理,增加“拱趾”及U形钢筋,形成“大拱脚”(图2)。
3.5 软弱围岩变形监测
3.5.1 预留足够变形量
隧道施工中根据监控信息及现场情况,在开挖时预留足够的变形量,避免围岩及支护结构变形侵限。根据围岩变形特点,在开挖时尤其在拱部开挖时预留10～15cm沉降量,并及时施工仰拱和拱墙衬砌。
3.5.2 加强监控量测,以信息指导施工
软弱围岩施工中加强监控量测频率,建立监测变形管理等级标准,通过对监测结果的比较和分析判定支护结构的稳定性和安全性,并指导施工,随时调整施工工法和支护措施。
4 施工评价
隧道揭露如此大规模的溶洞给施工和管理方面带来了极大的困难,但在溶洞施工同时也在不断积累经验,在施工过程中认识到隧道地质的复杂性,加强地质预报并将其纳入正常的施工工序管理,在施工中做到“物探先行,钻孔验证,先探后掘”。在有溶洞区域施工时,及时分析地质情况,本着“先固后挖,尽量不揭开溶洞”的原则,加强超前支护,采用岩溶处理及综合整治施工技术。现场根据地质条件随时调整采取合理的开挖工法,严格控制其开挖高度和长度,合理进行围岩支护,衬砌结构及早闭合确保安全施工及岩溶区安全顺利通过。
参考文献
[1]Q/CR9604—2015,高速铁路隧道工程施工技术规程[S].
[2]Q/CR9217—2015,铁路隧道超前地质预报技术规程[S].
[3]TB10304—2009,铁路隧道工程施工安全技术规程[S].
[4]薛玉柱.岩溶地区隧道施工方法和质量控制探讨[J].科技博览,2012(25):63-64.
[5]李治国.隧道岩溶处理技术[J].铁道工程学报,2003(s1):36-40.
[6]王志坚.大型岩溶隧道处理技术[J].交通工程,2016(2):60-61.
复杂地质条件下盾构姿态的控制 篇7
广州市轨道交通5号线西场站~草暖公园盾构区间起止里程为ZDK4+978.800—ZDK7+400.197, 区间隧道单线长2421.40m。盾构隧道主要穿越的地层为:〈5-1〉、〈5-2〉、〈6〉、〈7〉、〈8〉、〈9〉。西场至西村区间段位于海珠断裂以北, 广从断裂以西, 环市路断裂以南的构造区内, 清泉街断裂在区域构造图上从本区间通过, 主体构造为北东向。西村至广州火车站区间位于广从断裂以西、广三断裂及海珠断裂以北的构造区间, 区间地质条件复杂。
盾构隧道沿线建筑物较多。西场站~西村站穿越住宅区, 折向环市西路后, 沿线路两侧多民居、酒店、办公楼、商店。线路穿越克山铁路桥、人行天桥, 另有部分高架桥桩基础侵入隧道内。过广州火车站后, 下穿地中海商场和火车站东广场地下停车场, 对地表沉降控制要求高。
2 盾构姿态控制的一般方法
盾构姿态的控制就是指如何进行操作, 使盾构机沿着设计隧道轴线前进, 当盾构机偏离设计轴线时又如何操作使其尽快回到设计轴线上。盾构机的姿态控制具体内容包括机体滚转控制和前进方向的控制, 在掘进过程中, 盾构机操作人员根据激光自动导向系统在电脑屏幕上显示的数据, 通过合理选择各分区千斤顶及刀盘转向等来调整盾构机的姿态。为有效的对盾构姿态进行控制, 需要分析影响盾构姿态的各种因素。
2.1 影响盾构姿态的因素
1) 控制土压的设定值:土仓压力的设定值是根据覆土厚度, 土体内摩擦角, 土体容重来确定的。一般在纠偏时, 土仓压力的设定值比较大, 这样有利于土体对机头的反作用力将机头托起或横移;
2) 土质变化:盾构在粘土层掘进时, 姿态容易控制;在砂土层掘进时容易造成机头下栽;
3) 地下水含量的影响:地下水含量丰富时, 造成土体松软, 盾构机往往偏向松软的一侧;
4) 推进速度的大小:推进速度过快, 盾构姿态不容易控制。一般在调整盾构姿态的时候, 盾构掘进速度控制20mm/min;
5) 转弯环管片的合适使用:盾构机在曲线上掘进时, 随着盾构掘进, 通过楔形管片数量调整相邻管环之间的转角已拟合出一条光滑的曲线, 尽量使其与盾构掘进半径相同, 保证必要的盾尾间隙。同时如果管片拼装平整度欠缺, 管片与盾尾相互制约, 摩擦阻力增大, 极不利于盾构姿态的控制;
6) 施工的连续性:施工过程中途停止时, 一旦遇上土质松软由于盾构机自重达300多t, 会造成盾构机下沉, 因而影响盾构掘进姿态;
7) 测量误差:由于后视棱镜、全站仪都悬挂在管片上, 如果管片发生漂移和人的操作等问题, 易引起测量误差。操作时应根据前后环的测量数据进行推断判定。
2.2 盾构姿态控制的手段
1) 千斤顶编组:千斤顶编组适用于盾构掘进的各种情况, 是盾构机弯道掘进和姿态调整的主要控制方法。WIRTH/NFM土压平衡盾构机推力千斤顶的布置形式为10组全圆环等分。10组千斤顶编为上 (10号、1号千斤顶) 下 (4号、5号、6号、7号千斤顶) 左 (8号、9号千斤顶) 右 (2号、3号千斤顶) 四组。通过调整各分区千斤顶的压力调整盾构姿态。盾构机的前进方向水平向右偏, 则需要提高右侧千斤顶分区的推力;反之, 则需要提高左侧千斤顶分区的推力。如果盾构机机头向下偏, 则需要提高下部千斤顶分区的推力;反之亦然。如果单靠调整千斤顶的油压不能改变盾构姿态时, 可根据需要屏蔽部分千斤顶重新编组千斤顶等方法, 改变各分区的顶推力;
2) 控制掘进速度:盾构掘进速度对掘进姿态控制起重要作用, 速度越快, 姿态越不易控制;
3) 调整相邻管片的转角, 以及盾尾间隙量和管片端面平整度:使用楔形管片, 强制衬砌管片沿隧道设计轴线前进;
4) 更换注浆位置:同步注浆位置的改变能使已成型的隧道向相反方向移动;
5) 调整土仓压力:实际土仓压力越高, 所需推力越大, 越能调整各分区的压力差, 有利于盾构姿态的纠偏。但土仓压力太高, 容易造成地面隆起, 所以纠偏时要严格控制土仓压力在允许范围之内;
6) 使用超挖刀:超挖刀是盾构机纠偏的有力武器, 它能在盾构机刀盘的上下左右四个方向进行超挖, 减轻纠偏所需的土压, 已利于盾构机转弯时所需要的空间;
7) 使用盾构机的铰接装置:盾构机的铰接装置是盾构机本身在中部能产生一个2度左右的折角。使用铰接装置能方便的使盾构机向所需方向掘进。WIRTH/NFM土压平衡盾构机有四组铰接油缸, 铰接油缸的伸出长度直接影响盾构掘进的姿态, 掘进过程中尽量减小四组铰接油缸的长度差。铰接油缸的行程控制在50~100mm为宜。
2.3 盾构姿态控制的一般要求
一般情况下, 由于盾构隧道的限界允许偏差为±50mm, 因此盾构机的初始掘进方向纠偏应控制在±20mm以内, 在缓和曲线及圆曲线段, 盾构机的方向纠偏应控制在±30mm以内。尽量保持盾构机轴线与隧道设计轴线平行。否则, 可能会因为姿态不好而造成盾尾间隙过小和管片错台破裂。
当开挖面土体较均匀时, 盾构机姿态控制比较容易, 一般情况下方向偏角控制在±5mm/m以内。当盾构机遇到上软下硬土层时, 为防止盾构机“抬头”, 要保持下俯姿态;反之, 则要保持上仰姿态。掘进时要注意上下两端和左右两侧的千斤顶行程差和铰接油缸的形成差不能相差太大, 一般控制在±20mm以内。
在曲线段掘进时, 一般情况下根据曲线半径的不同让盾构机向曲线内侧偏移一定量, 偏移量一般取10~30mm。偏移量用来平衡管片外移趋势。在管片易上浮的地段, 提前使盾构机姿态低于设计轴线, 使盾构管片上浮后拟合隧道轴线。
在盾构机姿态控制中, 推进油缸的行程控制是重点。任何姿态的调整都要靠推力千斤顶的不同行程差来调整。对于广州环宽1.5m宽的管片, 原则上行程控制在1780~1800mm, 行程差控制在0~40mm, 行程过大, 则盾尾刷容易露出, 影响盾尾的密封效果, 管片脱离盾尾较多, 变形较大;行程过小, 不利于管片的安装。行程差过大, 易使盾体与管片之间的夹角增大, 铰接油缸的行程差增大, 盾构机推力增大, 同时易造成管片的破损、错台等质量问题。
3 不同地质环境中盾构机掘进姿态的控制技术
3.1 软硬不均岩层中盾构机掘进姿态的控制
广州轨道交通5号线火车站至西村站盾构区间存在着较长的上软下硬, 左右软硬不均, 开挖范围内局部地层突变的地层。盾构机在这种地层中掘进, 其掘进扭矩时大时小, 波动范围大, 其盾构姿态控制难度大, 易产生盾构机竖直、水平方向上的过量蛇形, 严重时造成管片错台和开裂。
在这类地质条件下掘进, 盾构机刀盘受力不均, 掘进速度不均衡, 这就要求在掘进过程中, 必须时刻观察自动导向系统提供的盾构机姿态数据 (水平竖直偏差、滚角、俯仰角、姿态趋势) , 结合上下左右四组推进千斤顶和铰接千斤顶的行程差值, 不断地调整各分区千斤顶的推力及总推力, 以保持盾构机姿态的平稳。如果不注意调整推进千斤顶的行程差, 就会造成管片选型变化大, 甚至造成过小的盾尾间隙使管片不能顺利脱出盾尾。因此, 在推进过程中不能单一的只注意测量系统所提供的盾构机姿态来指导掘进, 还应兼顾各分区千斤顶的行程差。
3.2 全断面软岩盾构机掘进姿态的控制
广州轨道交通5号线西站至西场站盾构区间在ZDK5+090处穿越的地层为〈5-2〉、〈6〉全断面软岩。此处位于和平新村小区的密集楼房区。
盾构机在软岩密集楼房下掘进时, 由于地层自稳性能极差和控制沉降的要求, 掘进采用EPB模式掘进, 保持密封土仓压力以保持开挖面的稳定。为控制盾构机水平和垂直偏差在允许范围内, 避免盾构机蛇形量过大造成对地层的过量扰动, 宜将盾构机掘进速度控制在30~40mm/min, 刀盘转速控制在1.1r/min左右。为防止盾构机在软岩中“磕头”, 应将盾构机趋势调整为上俯姿态。该段地层中掘进时, 四组千斤顶推力应较为均衡, 避免掘进过程中千斤顶行程差过大, 否则, 可能会造成推力轴线与管片中心轴线不在同一直线上。在掘进过程中应根据实际情况加注一定量的添加剂, 以保持出土顺畅, 尽量保持盾构机的连续掘进, 同时, 要严格控制同步注浆量, 以保证管背间隙能被有效填充。
3.3 全断面硬岩盾构机掘进姿态的控制
广州轨道交通5号线火车站站至草暖公园盾构区间在ZDK7+550处穿越的地层为抗压强度为39.9MPa的全断面〈9〉地层。
断面硬岩地层中盾构机掘进姿态的控制全断面硬岩地层属于均一岩层, 盾构机在该类地层中掘进, 其轴线姿态能较好地控制, 在掘进时保持各分区千斤顶推力均匀, 总推力和掘进速度均匀, 即可保持盾构机较好的姿态。
在硬岩地段, 由于刀盘扭矩很大, 盾构机滚角变化幅度大, 需及时调整刀盘的正反转消除滚角的偏差。
4 结束语
探讨盾构机姿态控制的要求和一般方法, 并通过广州轨道交通5号线的工程实践, 具体分析各地质条件下盾构姿态控制的方法。盾构姿态控制是一项系统工程, 它贯穿施工过程的始终, 需要全体施工人员共同参与, 严格控制各个工序的施工过程。精心操作, 精心量测, 是控制好盾构姿态的重要保证。
摘要：随着城市轨道交通工程在国内蓬勃发展, 盾构法作为一种先进的施工工法被越来越多的城市所接收。国内盾构设备也呈几何倍数增长, 盾构机操作手控制盾构姿态能力引起人们的重视。以广州轨道交通5号线西草盾构区间为工程实践, 简要介绍盾构姿态的控制方法。
关键词：盾构法,姿态,控制
参考文献
复杂地质条件下综采技术探讨 篇8
鹤煤十矿地质条件复杂, 12采区煤层厚度变化严重不均, 1206综采工作面煤厚为0.4~10.0 m, 平均煤厚3.1 m, 顶底板起伏不平。伪顶为黑色泥岩, 直接顶为灰黑色薄层状泥岩及砂质泥岩, 质软易碎, 遇水膨胀, 极易冒落, 而且1206工作面随着回采的推移顶板起伏变化频繁。工作面平均倾角27°, 两巷落差变化大, 造成工作面回采期间倾斜长度会发生明显变化, 而且工作面回采中后期回风巷临近采空区压力大, 底板鼓起。断面缩小, 导致工作面回采难度增大, 不利于工作面实现稳产高产。
1206综采工作面现安装有ZFG3000/19/28型过渡液压支架6架, ZF2800/16/24型液压支架102架, 工作面选用SGZ-630/264型刮板输送机1部, 其运输能力为450 t/h;运输巷铺设SGW-40T型刮板输送机1部。1206工作面所在煤层倾角大, 顶板破碎、底板起伏不平, 回风巷压力大, 通过对地质特征分析, 加强回采技术管理, 并采取了一系列安全技术措施, 保证了工作面安全高效生产。
2 采煤工艺合理选择与确定
复杂地质条件下的综采工作面, 尤其是煤层倾角大, 顶底板变化明显, 倾斜长度经常性变化, 选择合理的采煤工艺参数, 是决定工作面能否实现安全生产的重要因素[1]。
2.1 采煤机割煤方式
由于1206工作面顶板破碎, 极易冒落, 煤层倾角达到27°, 采用自下而上的移架方式极易造成工作面输送机下滑, 这也是该工作面能否实现正常生产的重要因素。因此, 采取在下端头留三角煤斜切进刀上行重刀割煤, 自下而上移架放顶, 返向下行拾煤完成一个循环, 避免了大倾角综采工作面输送机的下滑[2]。
2.2 端头支护方式
工作面上、下端头各采用3组ZFG3000/19/28型液压支架进行支护, 最小控顶距为5.1 m, 最大控顶距为5.7 m。经过支护强度验算, 可以保证工作面的支护强度。由于工作面顶底板起伏变化, 造成工作面倾斜长度变化大, 受矿井地质条件影响, 在工作面倾斜长度发生变化时无法安设端头支架, 增加了顶板控制难度。综合考虑采用∏型钢梁进行支护, 前面可采用4.0 m∏型梁配DW25-250/100型液压单体柱架设“两梁八柱”对棚, 后面可采用2.4 m∏型梁配DW25-250/100型液压单体柱架设“两梁六柱”对棚进行支护, 棚距为0.6 m。经过支护强度验算, 上述措施可以保证工作面的支护强度[3], 降低由于倾斜长度的变化和受地质条件影响无法安设端头支架时造成端头支护的管理难度, 采用∏型钢梁支护实用性强, 便于端头支护管理。
3 回采过程中的问题与对策
3.1 煤质松软极易冒落
由于1206工作面煤质松软, 回采期间沿底回采, 顶板破碎, 极易造成工作面煤墙片帮、冒顶, 顶板控制难度大, 造成采煤机不能正常作业, 需经常性停机采取措施进行护帮护顶。综合分析考虑, 在工作面安装前, 通过对液压支架安装护帮板, 合理确定注水参数, 对工作面进行煤壁注水, 增加煤体的黏结力和可塑性, 减小煤壁压力, 提高煤壁的稳定性, 从而有效控制煤墙片帮。在移架过程中及时伸出护帮板, 使工作面片帮、冒顶得到有效控制, 从而保证了安全生产[4]。
3.2 回风巷严重变形
由于1206回风巷为沿空掘进巷道, 在工作面推采过程中, 超前支护段底鼓严重, 按20 m超前支护管理, 很难满足日常生产要求, 而且工作面回采中后期巷道外段断面很难满足相关规定要求[5]。综合考虑, 采用门式支护对回风巷加强支护, 把超前支护长度20 m延长为30~50 m, 全部打撑子棚, 减少由于采动影响造成的巷道变形底鼓、棚梁折断现象, 提高抗压强度, 从而确保正常生产。
3.3 工作面倾斜长度变化频繁
由于受到顶、底板起伏变化的影响, 回风巷和运输巷落差变化大, 工作面倾斜长度会发生变化, 在回采期间造成液压支架上窜下滑。为保证工作面回采能够正常生产, 采用伪斜布置工作面, 一方面通过对运输巷的标高变化进行观测, 另一方面观测支架的下滑量, 从而确定工作面倾斜长度的变化, 及时调整回采方向, 确保上、下端头能够完全使用端头支架进行支护, 避免了支架上窜下滑造成超前支护段的管理难度和上、下端头架设∏型梁支护造成支护强度不够带来的安全隐患。根据日常观测分析总结, 运输巷超前回风巷10~15 m可以避免大倾角综采工作面支架下滑[6]。
3.4 工作面支架稳定性差
由于工作面顶板破碎极易冒落, 煤层倾角大而且起伏变化, 容易出现支架前倾后仰和倒架、咬架现象。为保证工作面支架的稳定性, 在工作面上、下端头支架安设防倒千斤顶, 先移中间支架, 将其作为稳定点, 然后再移最下端的支架, 最后移最上端支架, 并保证千斤顶始终处于张紧状态, 防止了支架下滑。日常移架过程中, 根据顶底板特征, 及时对工作面液压支架进行调向, 确保了工作面支架的稳定性, 从而也保证了工作面的工程质量, 实现了工作面的安全生产。
4 结语
在分析总结复杂地质条件下综采工作面回采过程中所面临的各种难题的基础上, 对地质条件特征进行分析, 结合现场经验, 提出了相应措施, 实现了工作面的安全生产。研究复杂地质条件下综采技术, 对实现工作面的安全生产、保证工作面的稳产高产具有重要意义。
摘要：综合复杂地质下影响综采工作面正常安全生产的各种因素, 通过对各种因素的分析确定了合理的采煤工艺和参数, 针对复杂地质条件特征, 结合现场经验总结出了应对复杂地质条件所采取的各种应对措施。实践表明, 采取的各种措施有效解决了复杂地质特征影响工作面正常推进的问题。
关键词：顶底板起伏,综采技术,倾斜长度变化
参考文献
[1]徐永圻.煤矿开采学[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2008.
[2]谢海应.综采工作面进刀方式的选择[J].科学之友, 2008 (24) .
[3]钱鸣高, 石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2003.
[4]杨健.采煤工作面煤壁浅孔动压注水治理煤尘分析[J].煤炭技术, 2005 (9) :110-111.
[5]袁河津.《煤矿安全规程》专家解读[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2010.