軟弱地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工技術(shù)研究

1、軟弱地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工技術(shù)研究1、研究背景隨著中國經(jīng)濟的快速增長、城市人口數(shù)量迅速膨脹，機動車輛的數(shù)量呈級數(shù)比例增長，原有的市政道路難以滿足交通的需要，為緩解城市交通壓力、創(chuàng)造良好的生活和投資環(huán)境，國內(nèi)各主要城市均選擇修建地鐵工程來提升城市形象和投資環(huán)境。隧道是地鐵工程最主要的組成部分，隧道盾構(gòu)法施工具有施工速度快、工期短、洞體工程質(zhì)量易控制、質(zhì)量比較穩(wěn)定且良好的防滲水性能、施工安全系數(shù)高、對周邊建筑物影響極小、基本不影響地面交通、適合地層范圍廣、地質(zhì)情況復(fù)雜的施工作業(yè)環(huán)境等優(yōu)點。隨著我國各大城市地鐵建設(shè)熱情的高漲，隧道盾構(gòu)施工方法必將在地鐵建設(shè)中被廣泛推廣應(yīng)用。盾構(gòu)施工雖然有對地層的廣泛適應(yīng)

2、性、施工安全系數(shù)高等優(yōu)點，但因地質(zhì)情況千變?nèi)f化、施工環(huán)境的復(fù)雜性，在盾構(gòu)施工中必然存在盾構(gòu)機的適應(yīng)性和施工方法、措施的調(diào)整。福州地鐵穿越的地層主要為砂卵石地層并夾雜有粉細(xì)砂層透鏡體，地下水豐富、水位高、補給迅速，國內(nèi)、國際在該種地質(zhì)條件下全面實施盾構(gòu)施工隧道尚不多見，無較多經(jīng)驗可以借鑒，在地鐵建設(shè)史上的應(yīng)是一次重要技術(shù)性突破。截至目前福州地鐵08合同段土壓平衡盾構(gòu)施作的隧道已經(jīng)完成成型隧道4000余米，在施工中出現(xiàn)一些有別于其它軟弱地質(zhì)情況下施工的難點，對這些難點的技術(shù)處理為在富水砂卵石地層中盾構(gòu)施工積累了一些應(yīng)對的經(jīng)驗。2、工程概況 福州市軌道交通1號線08標(biāo)段三叉街站白湖亭站區(qū)間盾構(gòu)隧道里

3、程為SK16+766SK17+849，區(qū)間上行線總長995.066m、下行線長總994.233m；在里程SK16+183.362處設(shè)聯(lián)絡(luò)通道及泵站一座。三叉街站白湖亭站區(qū)間左、右線線路均自白湖亭站北端頭井出站后，沿則徐大道一路向北，在下穿濂浦河、規(guī)劃躍進河、規(guī)劃道路后，至三叉街站南端頭井。則徐大道道路現(xiàn)狀寬約35m，為城市主干道，兩側(cè)主要為居民住宅小區(qū)，北端主要為萊茵城、三叉街新村，中部為城南新村等，南端主要東方花園，好又多超市等。區(qū)間隧道通過及影響范圍內(nèi)地層中(3)1淤泥、(5)1淤泥質(zhì)土夾細(xì)砂、(5)3淤泥質(zhì)土為軟土，流塑，易產(chǎn)生蠕動變形；(4)粉質(zhì)黏土、(7)粉質(zhì)粘土，可塑，為硬土層，性

4、質(zhì)較好；(4)j中砂、(5)2細(xì)砂夾淤泥，為飽和砂土，松軟，富含承壓水，易產(chǎn)生涌水、涌砂，極易坍塌變形。由于盾構(gòu)推進時所遇地層引發(fā)的問題主要有：（1）(3)1層淤泥、(5)1淤泥質(zhì)土、(5)3淤泥質(zhì)土夾細(xì)砂含水量高，孔隙比大，滲透性差，呈流塑狀，且具有壓縮性高，強度低等工程力學(xué)性質(zhì)特點。在外力作用下易擾動且強度降低，盾構(gòu)掘進中不僅保持土壓平衡極為困難，而且往往會出現(xiàn)前期沉降及盾構(gòu)通過后沉降長期不收斂。（2）砂性土(4)j中砂、(5)2細(xì)砂夾淤泥，富含承壓水，在水力作用下極易產(chǎn)生流砂、坍塌等現(xiàn)象，導(dǎo)致掘進面不穩(wěn)定，對隧道盾構(gòu)的施工產(chǎn)生較大的不利影響，尤其應(yīng)注意砂土層突發(fā)性的涌水和流砂會引起地面沉

5、降，嚴(yán)重時會隨著地層空洞的擴大引起地面的突然坍塌。（3）盾構(gòu)掘進全斷面地層存在上下或左右軟硬不同的特征，掘進斷面軟硬不均，易導(dǎo)致盾構(gòu)掘進偏離中心線，施工時應(yīng)以注意，隨時保持盾構(gòu)的穩(wěn)定性。福州地鐵通過的地層具有穩(wěn)定性差、透氣性大、地下水豐富、水位高、水壓大等特點。在穿越軟弱地層時還可采取地面注漿加固地層、旋噴樁或挖孔樁加固掌子面及土體改良等方法。3、復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)掘進施工 盾構(gòu)在硬巖地層、軟硬不均地層中的掘進，既是一個施工控制的重點，同時也是一個施工上的技術(shù)難點。加上所掘進硬巖強度高、軟弱巖層遇水極易崩解、且地層層間水豐富的特點，使得掘進施工難度倍增。本區(qū)段施工要求高，提前做好機械設(shè)備、技術(shù)

6、支持等施工準(zhǔn)備工作，認(rèn)真分析地質(zhì)條件為長距離掘進高強度硬巖段間雜軟弱巖層段打好堅實的基礎(chǔ)；施工過程中準(zhǔn)備的判斷碴樣，經(jīng)過碴樣試驗、分析，結(jié)合詳勘、補勘資料確定所掘進的地層，以采取相應(yīng)的措施。 3.1配置合適的刀盤 根據(jù)區(qū)間地質(zhì)狀況，針對區(qū)間硬巖地層，刀盤配備以破巖能力為主的重型滾刀。 3.1.2滾刀設(shè)置 盾構(gòu)機采用滾刀進行破巖，其破巖形式屬于滾壓破碎巖石。滾壓破碎巖是一種破碎量大、速度快的機械破巖方法，其特點是靠工具滾動產(chǎn)生沖擊壓碎和剪切碾碎的作用達(dá)到破碎巖石的目的。如圖1所示是滾刀滾壓破碎的示意圖，軸力P使?jié)L刀壓入巖石，滾動力矩M使?jié)L刀滾壓巖石，兩者的共同作用使?jié)L刀隨著刀盤的轉(zhuǎn)動和自身的旋轉(zhuǎn)

7、而在開挖面上壓切產(chǎn)生溝槽，每一個刀刃在巖石上壓切出一條溝槽。在向溝槽施加壓力時，刀刃與巖體間產(chǎn)生側(cè)向剪切力，如果產(chǎn)生的剪切力高到足以使槽間巖石破碎時，由于巖石具有的脆性，槽間的巖石就形成碎塊而掉落。 一般情況下在滾壓破碎中推力是主要的參數(shù)，因為它決定了扭矩（滾動力）以及其它參數(shù)；但是在決定滾壓破碎的功率中扭矩是最主要的參數(shù)，因為它占破碎功的絕大部分。 3.2掘進模式 硬巖段敞開式掘進模式； 上軟下硬土壓平衡掘進模式； 軟弱巖層段土壓平衡掘進模式。 3.3選定掘進參數(shù) 3.3.1上軟下硬地層掘進參數(shù) 軟弱巖層段向硬巖段過渡掘進、硬巖段向軟弱巖層過渡段掘進采用“土壓平衡模式”掘進。 （1）采用小推

8、力低轉(zhuǎn)速，適當(dāng)降低掘進速度，使刀盤對底部較硬地層進行充分破碎。 （2）嚴(yán)格控制出土量。如發(fā)現(xiàn)出土量過大要逐步增加土倉壓力，將每一環(huán)的出土量控制在理論值的95%105%。 （3）重視盾構(gòu)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的異常反饋，認(rèn)真分析其異常原因，并采取果斷措施；密切注意工程地質(zhì)及地表沉降變化情況，及時調(diào)整掘進參數(shù)、減少對地層的擾動、控制地表沉降在允許范圍內(nèi)。 （4）嚴(yán)格進行同步注漿，保證注漿壓力及注漿量，充分填充盾尾和管片之間的建筑間隙，以減少周圍土體變形。 （5）根據(jù)盾構(gòu)推進的地質(zhì)預(yù)報及出土情況分析，充分了解前方地層情況，及時添加調(diào)整渣土改良材料，以改良渣土，防止產(chǎn)生“泥餅”和“噴涌”。 （6）及時對盾尾密封添加

9、足量的油脂，確保盾尾的密封性，以防止盾尾密封不好而產(chǎn)生漏水、漏漿和漏砂現(xiàn)象。 （7）合理利用盾構(gòu)鉸接油缸，改變刀盤傾角以加強對礫質(zhì)部位的切割，提高盾構(gòu)掘進過程中的軸線控制能力。 （8）增加土倉內(nèi)的泡沫注入量，以減少刀具的磨損并防止開挖面失穩(wěn)。 3.3.2硬巖段掘進參數(shù) 硬巖段掘進采用敞開掘進模式，遵循“高轉(zhuǎn)速、小推力”原則選取參數(shù)，以提高純掘進速度。其掘進參數(shù)確定如下：盾構(gòu)機在通過全斷面微風(fēng)化地層時盾構(gòu)機推力1000014000 KN； 盾構(gòu)機扭矩控制在2200-2600KN.m； 推進速度為 813mm/min；刀盤轉(zhuǎn)速為1.71.9轉(zhuǎn)/分鐘。 3.4 復(fù)雜地質(zhì)條件下施工技術(shù)措施 3.4.1

10、掘進模式轉(zhuǎn)換 在盾構(gòu)推進過程中，因地層的變化，會發(fā)生硬巖穿越硬巖上軟下硬軟弱巖層之間的地層轉(zhuǎn)換，掘進模式應(yīng)隨著地層變化及時調(diào)整。并結(jié)合該區(qū)段范圍的地質(zhì)縱斷面圖及相應(yīng)鉆孔地質(zhì)資料對渣樣分析進行綜合分析，確定盾構(gòu)機當(dāng)前的地質(zhì)水文隋況，并預(yù)測盾構(gòu)前方的地質(zhì)水文情況，同時與盾構(gòu)推進該段的推進參數(shù)變化情況進行分析對比，確定下一步應(yīng)采取的施工措施。 施工現(xiàn)場渣樣分析簡易判定： （1）渣樣巖土特征：巖石成分，顏色、狀態(tài)、硬度、風(fēng)化程度、掌子面隱定性。 （2）含水性分析：含水量、滲透性。 （3）盾構(gòu)推進參數(shù)分析：土倉壓力、推力、扭矩、推進速度、刀盤油溫、注漿量及壓力。 綜合以上各項參數(shù)分析，結(jié)合設(shè)計地質(zhì)勘探資

11、料分析報告，確定當(dāng)前盾構(gòu)所處的地質(zhì)水文情況，并及時調(diào)整盾構(gòu)推進參數(shù)或采取其他輔助措施，實現(xiàn)信息化施工，保證盾構(gòu)機安全、快速的推進。 3.4.2刀具檢查及更換 為確保盾構(gòu)順利掘進，根據(jù)以往經(jīng)驗擬定了換刀位置及區(qū)域，為硬巖掘進、從硬巖進入軟弱巖層以及軟弱巖層的掘進提前準(zhǔn)備。 3.4.3檢查及更換的位置選擇 （1）硬巖段 根據(jù)刀具的磨損情況，在地層穩(wěn)定的情況下，有計劃的開倉進行刀具檢查及更換。掘進過程中，根據(jù)地層情況，每隔2-3環(huán)或遇到特殊情況時檢查刀具情況，逐漸的掌握所配刀具在相應(yīng)地層的適應(yīng)性和磨損情況。 （2）軟弱巖層段 出全斷面硬巖之前，進入上軟下硬地層掘進前；必須選擇適當(dāng)?shù)奈恢眠M行刀具檢查并

12、更換磨損超標(biāo)刀具。 （3）帶壓換刀 因地層含砂量大，石英含量高，且地層粘性度大，刀具磨損快，且極易形成泥餅。為了確保盾構(gòu)機順利掘進，經(jīng)判斷有泥餅形成、刀具磨損過大的情況，必須選擇合適的位置及時帶壓進倉更換刀具或清理泥餅，確保后續(xù)施工正常。 3.4.4硬巖段的刀具檢查 根據(jù)地質(zhì)勘察報告，盾構(gòu)有條件根據(jù)刀具磨損情況隨時開倉進行刀具檢查或換刀施工。因此，盾構(gòu)在硬巖段掘進過程中，要求每掘進45環(huán)，即進行一次刀具檢查。特別是周邊滾刀磨損量的檢查，以保護好盾構(gòu)機刀盤。 3.4.5其他控制措施 （1）過硬巖段掘進時嚴(yán)格控制盾構(gòu)推力，實時觀察推力變化，防止過大推力造成局部刀具破壞和管片破裂。 （2）過硬巖段可

13、適當(dāng)減小泡沫劑用量，泡沫劑濃度控制在2%左右，掘進速度過小的情況下泡沫劑濃度還可以再減小一點；但注意減小泡沫劑用量時要向土倉內(nèi)加水，以降低土倉溫度，減小刀具、刀盤磨損。 3.4.5碴土改良及出碴管理 3.4.5.1碴土改良 泥餅（次生巖塊）是盾構(gòu)刀盤切削下來的細(xì)小顆粒、碎屑在密封倉內(nèi)和刀盤區(qū)重新聚集而成半固結(jié)或固結(jié)的塊狀體。 隧道軟弱地層大部分為殘積層<8-2>、<8-3>及風(fēng)化巖層<9-1>、<9-2-1>、<21-1>、<21-2-1>、<21-2-2>，此類巖層，易產(chǎn)生泥餅；掘進過程中需進行碴土改良，以防

14、止泥餅產(chǎn)生。 根據(jù)土層情況向刀盤和土倉內(nèi)加入泡沫、膨潤土等渣土改良劑，使攪拌后的切削土體具有止水性和流動性，既可順利排出渣倉，又能降低扭矩，減小刀具的磨損。 1） 通過盾構(gòu)機上的泡沫系統(tǒng)注入泡沫，泡沫的組成比例如下： 泡沫溶液的組成：泡沫添加劑3%，水97%。 泡沫組成：9095%壓縮空氣和510%泡沫溶液混合而成。 泡沫的注入量按開挖方量計算：300600L/m3。 2） 通過膨潤土注入系統(tǒng)以懸浮液的方式注入膨潤土，其體積使用量為20%30%。拌制的懸浮液泵入儲存罐后通過不同的注入口分別注入到開挖倉及螺旋輸送機進口處。 3） 必要時可考慮在土倉注入泥漿。其配合比為：水:膨潤土:粉煤灰:添加劑

15、=4:1:1:0.1，加泥量為5%20%出土量。 3.4.5.2出碴管理 掘進過程必須對出碴量有詳細(xì)的記錄及統(tǒng)計，理論出碴量可以根據(jù)推進進尺×斷面面積×松散系數(shù)或者推進速度×斷面面積×松散系數(shù)確定。 3.4.6盾構(gòu)姿態(tài)控制及糾偏 利用PPS系統(tǒng)對盾構(gòu)機姿態(tài)的實時監(jiān)測顯示，根據(jù)地層的軟硬分布情況，分區(qū)操作推進油缸，設(shè)定推力和推進速度，實現(xiàn)對盾構(gòu)姿態(tài)的實時控制，必要時一個掘進循環(huán)可分幾次完成。 3.4.6.1糾偏方式 盾構(gòu)機掘進時，總是在進行蛇行，難免出現(xiàn)姿態(tài)偏差，蛇行修正以長距離慢慢修正為原則，盾構(gòu)機姿態(tài)采取以下調(diào)整（糾偏）方式；糾偏方式有：滾動糾偏、豎直

16、糾偏和水平方向糾偏等。 3.4.6.2糾偏控制 盾構(gòu)掘進的糾偏量越小，則對土體的擾動越小。由于同時處于小半徑（左線360m、右線350m）右轉(zhuǎn)彎圓曲線段、上軟下硬地層及下穿密集建筑群，為防止盾構(gòu)機抬頭以及管片上浮及向圓曲線外側(cè)移動，需要對掘進方向進行預(yù)偏。 通過PPS系統(tǒng)及DTA測量系統(tǒng)的差值（盾構(gòu)機中心坐標(biāo)與原點坐標(biāo)的差值），調(diào)整盾構(gòu)機姿態(tài)為：垂直方向控制在-30-40mm之間，水平視平方向應(yīng)控制在0+15mm之間。 根據(jù)管片監(jiān)測情況，如管片上浮量較大，則垂直偏差可調(diào)整為-40-50mm之間。同時應(yīng)加密移站頻率，減少移站后出現(xiàn)的軸向偏差。 3.4.7掘進中壁后注漿 （1）盾構(gòu)機配置了兩套壁后

17、注漿系統(tǒng)，一套用于常規(guī)的壁后填充注漿，另一套用于快速控制變形為目點二次補充注漿，如環(huán)向封堵、管片姿態(tài)控制。 （2）根據(jù)經(jīng)驗注漿量每環(huán)控制在6m3，若出現(xiàn)出碴量異常，適當(dāng)調(diào)整注漿量，適應(yīng)碴土排除量；以注漿壓力和注漿量控制。 （3）二次注漿： 1）當(dāng)注漿效果不能滿足要求時，要及時進行二次補強注漿； 2）在上軟下硬地層掘進中，同步注雙液漿，能盡早地固定管片，改善管片的受力狀態(tài)，防止管片錯臺破損。注漿點位：1點和11點位置，打設(shè)小導(dǎo)管注入二次漿液，確保迅速填充上部土體，固結(jié)隧道上部土體。 4、富水砂卵石軟弱地層中盾構(gòu)施工技術(shù)4.1富水砂卵石地層中盾構(gòu)施工的難點通過福州地鐵前一階段盾構(gòu)掘進施工的情況來看

18、，土壓平衡盾構(gòu)機在福州地質(zhì)情況下施工有以下幾個難點：（1）在掘進過程中砂卵石地層對刀盤、刀具、渣土輸送系統(tǒng)等部位磨損嚴(yán)重，造成換刀頻率較高約150米需換刀一次，渣土輸送系統(tǒng)需得到及時的修復(fù)；（2）地下水位高、掌子面不穩(wěn)定，清倉比較困難，換刀時停機處易出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象；（3）須在降水條件下?lián)Q刀，在建線路的位置換刀地點難以選擇；（4）因地層局部為砂卵石土夾砂透鏡體，土壓平衡盾構(gòu)在通過時刀盤前極易出現(xiàn)固結(jié)泥餅現(xiàn)象，開倉處理時易引起地面安全風(fēng)險；（5）地面沉降槽雖較窄，但沉降量和沉降速率難以控制。4.2富水砂卵石地層中出現(xiàn)問題及采取的措施（1）砂卵石地層施工防止螺旋輸送機卡死和固結(jié)泥餅的措施：盾構(gòu)機制約卵石排出有兩個主要的約束條件：（1）刀盤的開口尺寸；（2）螺旋輸送機通過的最大卵石粒徑的能力。其中基本的約束條件是螺旋輸送機的通過能力，刀盤的開口尺寸受螺旋輸送機能通過能力制約。為確保卵石不堵塞或卡死螺旋輸送機，在條件許可的情況下盡可能選擇具有較大輪廓直徑、牙高值和螺距的螺旋輸送機，使其具有通過的較大直徑卵石的能力；同時刀盤的開口尺寸要小于螺旋輸送機能通過的最大卵石的尺寸，確保進入土倉中的渣土能夠順利排出而不至于