廣州地鐵復(fù)雜地質(zhì)條件下的土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)研究

1、廣州地鐵復(fù)雜地質(zhì)條件下的土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)研究摘要:廣州地鐵由于地質(zhì)條件復(fù)雜,在施工中遇到了眾多難題,如穿越溶洞、穿越高強(qiáng)度花崗巖、穿越珠江等,在施工過(guò)程中積累了大量的盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)。對(duì)廣州地鐵的地質(zhì)條件進(jìn)行分析,對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了研究和總結(jié)。關(guān)鍵詞:地鐵;盾構(gòu);掘進(jìn)技術(shù)1 前言 1995年,廣州地鐵在修建一號(hào)線時(shí),通過(guò)國(guó)際招標(biāo)方式利用盾構(gòu)技術(shù)在軟土和復(fù)合地層中成功修建地鐵隧道。1999年后,廣州地鐵二、三、四、五號(hào)線更是大量采用盾構(gòu)技術(shù)進(jìn)行隧道修建,盾構(gòu)機(jī)主要以土壓平衡式為主。由于地質(zhì)條件異常復(fù)雜,所遇到的施工難題,是國(guó)內(nèi)盾構(gòu)施工中罕見(jiàn)的,比如穿越溶洞,穿越高強(qiáng)度花

2、崗巖,穿越孤石等,在施工過(guò)程中積累了大量的復(fù)雜地質(zhì)條件下的盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn),對(duì)廣州地鐵的土壓平衡盾構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)行研究和總結(jié),以期對(duì)今后的盾構(gòu)法隧道施工起到借鑒作用。2 廣州地質(zhì)概述 廣州地鐵沿線的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜,其中最重要的特點(diǎn)是工程范圍內(nèi)的巖土均一性差,物理力學(xué)特性差異大。地鐵圍巖既有十分松軟富水的淤泥質(zhì)土、中細(xì)砂層,又有較堅(jiān)硬的砂礫巖、花崗片麻巖、混合巖,以及介于上述兩類巖土之間具有不同風(fēng)化程度的軟塑硬塑狀粘性土層。軟硬相間的紅色砂泥巖是地鐵隧道施工的主要地層。3 地質(zhì)條件分析及復(fù)雜地質(zhì)條件下的盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)3.1 盾構(gòu)機(jī)過(guò)江技術(shù) 廣州地處珠江三角洲的河流密布區(qū)邊緣,地鐵隧道下穿

3、江河時(shí)有發(fā)生。早在地鐵二號(hào)線海珠廣場(chǎng)市二宮站區(qū)間,盾構(gòu)機(jī)首次穿越了珠江,雖然經(jīng)歷坎坷,但還是成功地穿越了。廣州地鐵三號(hào)線珠江新城站客村站區(qū)間兩次穿越北珠江干流(315m寬)和支流(80m寬),瀝大區(qū)間穿越了312m寬的三枝香水道和505m寬的南珠江。四號(hào)線大學(xué)城專線穿越了侖頭海和官州河。 在盾構(gòu)施工中,盾構(gòu)機(jī)在富水松散地層、斷層或江底等地質(zhì)條件下的掘進(jìn)速度對(duì)其施工安全有著重要影響,因此保證盾構(gòu)機(jī)完好是順利通過(guò)這些不良地層的關(guān)鍵,其技術(shù)要點(diǎn)如下: 過(guò)江前仔細(xì)檢查大軸承、盾殼鉸接和盾尾的密封狀況,以保證設(shè)備完好和提高過(guò)江安全性,同時(shí)及時(shí)更換損壞刀具,必要時(shí)需要在洞內(nèi)更換盾尾密封,并保證配件供應(yīng)和盾

4、構(gòu)機(jī)各系統(tǒng)始終處于正常工作狀態(tài),提高掘進(jìn)速度,避免盾構(gòu)機(jī)在江底作不必要的停留,以降低風(fēng)險(xiǎn)。 施工中注意設(shè)置和控制盾構(gòu)機(jī)施工參數(shù),特別是利用聲納法或水壓力感應(yīng)器法等信息化反饋手段,及時(shí)摸清江底隆沉情況,以及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)施工參數(shù),將其掘進(jìn)對(duì)河床的擾動(dòng)降到最低。 適當(dāng)縮短漿液膠凝時(shí)間,保證同步注漿質(zhì)量,減少地層損失。 增加洞內(nèi)排污設(shè)備能力,保證盾尾積水及時(shí)排除。3.2 盾構(gòu)機(jī)穿越上軟下硬地層3.2.1 地質(zhì)條件分析 廣州地鐵地質(zhì)資料顯示,上部多為人工填土或全新統(tǒng)海陸交互沉積的淤泥或淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)砂;下部為上更新統(tǒng)陸相沖積洪積形成的砂、土層;底部為基巖殘積形成的粘性土層。盾構(gòu)區(qū)間大部分在殘積土層和巖

5、石風(fēng)化層中穿過(guò),軟硬不均地層現(xiàn)象明顯。 盾構(gòu)施工過(guò)程中存在的主要問(wèn)題是盾構(gòu)掘進(jìn)控制難度大,工況轉(zhuǎn)換頻繁。掘進(jìn)面上下巖體的完整程度及強(qiáng)度差別較大,容易發(fā)生盾構(gòu)機(jī)抬頭事故。3.2.2 主要施工技術(shù)措施 結(jié)合地質(zhì)資料,注意分析盾構(gòu)機(jī)的狀態(tài)參數(shù),及時(shí)發(fā)現(xiàn)上軟下硬地層,以便采取相應(yīng)措施。 采用土壓平衡或氣壓平衡模式掘進(jìn),必要時(shí)注入泡沫或泥漿對(duì)碴土改良,以減小刀具及刀盤(pán)的磨損。 采取措施,重視盾構(gòu)的軸線控制和姿態(tài)控制:合理利用超挖刀;根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)及時(shí)修正千斤頂推力組合;合理利用鉸接千斤頂調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)。 發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)遇到孤石或硬巖時(shí),降低推進(jìn)速度和推力,增加刀盤(pán)轉(zhuǎn)速,以更好地保護(hù)設(shè)備和控制軸線。3.3 盾構(gòu)機(jī)

6、穿越巖石微風(fēng)化帶3.3.1 地質(zhì)條件分析 廣州地鐵3號(hào)線地質(zhì)鉆探資料顯示,在天河客運(yùn)站華師站區(qū)間及大塘漢溪區(qū)間大部分為類以上圍巖,部分為IV、V類以上圍巖,揭露出抗壓強(qiáng)度最大達(dá)156MPa的硬巖。其長(zhǎng)度范圍在50200m。由于在盾構(gòu)施工區(qū)間范圍內(nèi)硬巖距離短,若采用鉆爆法施工,由于上覆土層厚達(dá)30m左右,增設(shè)豎井施工難度大,又不經(jīng)濟(jì),所以采用盾構(gòu)直接通過(guò)較為合理。 盾構(gòu)機(jī)穿越這類巖層時(shí),盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)主要有以下特點(diǎn): 掘進(jìn)速度慢; 刀具磨損大,刀具更換頻繁; 軸線控制難度大; 推力增大,有可能引起管片的裂縫; 巖石自穩(wěn)能力強(qiáng),適合采用敞開(kāi)式掘進(jìn)。3.3.2 主要施工技術(shù)措施 采用單刃滾刀破巖,減少換

7、刀次數(shù)與頻率,提高施工進(jìn)度。掘進(jìn)過(guò)程中隨時(shí)監(jiān)測(cè)刀具和刀盤(pán)受力狀態(tài),確保其不超載。 增加開(kāi)倉(cāng)檢查的頻率,注意量測(cè)刀具的磨損情況,在地質(zhì)條件允許的情況下及時(shí)更換磨損的刀具,避免損傷刀盤(pán)。 如可能,換刀時(shí)啟動(dòng)刀盤(pán)伸縮裝置,縮短換刀時(shí)間并在土倉(cāng)內(nèi)更換刀具,減少換刀時(shí)間對(duì)掘進(jìn)循環(huán)的影響,提高設(shè)備利用率。 硬巖段掘進(jìn)時(shí)啟動(dòng)盾構(gòu)穩(wěn)定裝置,減小盾構(gòu)機(jī)振動(dòng)和防止盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生超限扭轉(zhuǎn),使管片受力穩(wěn)定,確保隧道成形質(zhì)量和保護(hù)管片,防止盾構(gòu)變形。 采用敞開(kāi)模式掘進(jìn),遵循高轉(zhuǎn)速、低扭矩原則選取參數(shù),以提高掘進(jìn)速度。 進(jìn)入硬巖段掘進(jìn)前要對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行一次全面的維修保養(yǎng),確保盾構(gòu)機(jī)的工作狀態(tài)良好。3.4 盾構(gòu)機(jī)穿越球狀風(fēng)化層3

8、.4.1 地質(zhì)條件分析 根據(jù)廣州地鐵工程地質(zhì)情況調(diào)查,地鐵三號(hào)線如天華區(qū)間、市番區(qū)間多處通過(guò)花崗巖球狀風(fēng)化地層俗稱“孤石”層,花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度在160MPa左右。由于風(fēng)化球巖體的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于周圍巖土層的強(qiáng)度,是盾構(gòu)施工的不利因素。風(fēng)化球周圍巖土層主要為花崗巖強(qiáng)、全風(fēng)化層,強(qiáng)度差異較大,穩(wěn)定性差,為、類圍巖。 由于風(fēng)化球周圍巖體與球狀風(fēng)化巖體本身強(qiáng)度存在較大差距,易造成刀具損壞,甚至?xí)?dǎo)致刀盤(pán)變形,至使整個(gè)盾構(gòu)機(jī)癱瘓。上海某隧道公司在深圳地鐵施工就是一例,最終不得不采用礦山法貫通隧道后將盾構(gòu)設(shè)備拖出。3.4.2 主要施工技術(shù)措施 超前鉆探或地質(zhì)雷達(dá)物探,以預(yù)防為主,提前采取一些諸如地表或洞內(nèi)爆破

9、等必要的處理措施。 注意觀察盾構(gòu)掘進(jìn)的異常情況以及掘進(jìn)參數(shù)的異常變化,判斷是否碰上球狀風(fēng)化巖體。一旦發(fā)現(xiàn)推力加大時(shí),盾構(gòu)進(jìn)尺緩慢或停滯不前,應(yīng)立即停機(jī),切不可貿(mào)然推進(jìn)。 向土倉(cāng)內(nèi)加入氣壓以穩(wěn)定工作面,采用高轉(zhuǎn)速、低扭矩、低推力謹(jǐn)慎掘進(jìn)。 如球狀風(fēng)化巖體在軟地層隨刀盤(pán)一起滾動(dòng),可利用地質(zhì)超前鉆機(jī)對(duì)周圍軟地層予以加固,然后進(jìn)行掘進(jìn)。 如上述措施不能奏效,則采取以下措施:1)在開(kāi)挖面穩(wěn)定(或地層加固后穩(wěn)定)情況下遇到孤石時(shí),采用靜態(tài)爆破的方法;2)遇到長(zhǎng)距離(100m)硬巖段或球狀風(fēng)化群體,根據(jù)目前盾構(gòu)機(jī)技術(shù)水平,并考慮經(jīng)濟(jì)和工期因素,可采用礦山法開(kāi)挖隧道,盾構(gòu)機(jī)拼裝管片通過(guò)。3.5 盾構(gòu)機(jī)穿越斷裂

10、帶3.5.1 地質(zhì)條件分析 根據(jù)廣州地鐵工程地質(zhì)情況調(diào)查,地鐵2號(hào)線、3號(hào)線、5號(hào)線多處通過(guò)斷裂地質(zhì)帶,斷裂帶埋深大約在1030m范圍內(nèi),巖體破碎,圍巖的強(qiáng)度大,而且強(qiáng)度不均勻,穩(wěn)定性差,地下水比較豐富。盾構(gòu)通過(guò)時(shí)存在的主要問(wèn)題: 易發(fā)生涌水; 破碎地段的巖塊較大,易堵塞螺旋輸送機(jī); 斷裂帶下伏的基巖多為蝕變花崗巖與硅化巖,巖體強(qiáng)度大,要求盾構(gòu)破巖能力強(qiáng)。3.5.2 主要技術(shù)措施 及時(shí)將雙刃滾刀更換為單刃滾刀。因?yàn)閱稳袧L刀比雙刃滾刀接觸面小、破巖能力高。 采取土壓平衡工況掘進(jìn),及時(shí)調(diào)整土倉(cāng)壓力,確保土壓平衡,同時(shí)采取措施防止拼裝管片時(shí)盾構(gòu)出現(xiàn)后退,保證工作面的土體穩(wěn)定。 適時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù),防止

11、出現(xiàn)過(guò)大的方向偏差,同時(shí)使巖石得到充分的切削,避免大的巖塊堵塞螺旋輸送機(jī)。 掘進(jìn)過(guò)程中向土倉(cāng)內(nèi)注人泥水或泡沫,防止螺旋輸送機(jī)堵塞和水涌入隧道。 連續(xù)掘進(jìn),對(duì)地表和建筑物連續(xù)監(jiān)測(cè)。及時(shí)注漿充填管片與地層之間的環(huán)形間隙,防止土體塑性區(qū)的擴(kuò)大,控制地表沉陷。 水壓較大時(shí),為防止盾尾被擊穿,要及時(shí)在尾刷處注油脂。3.6 盾構(gòu)機(jī)穿越溶洞3.6.1 地質(zhì)條件分析 廣州地鐵五號(hào)線草暖公園至小北站區(qū)間環(huán)市中路下方以及即將建設(shè)的廣佛線等區(qū)段都存在有不同發(fā)育程度的溶洞。部分溶洞位于隧道空間范圍內(nèi),大部分溶洞位于隧道底板之下,少部分位于隧道頂板上部。盾構(gòu)施工時(shí),一旦揭穿溶洞,有可能造成突水、突泥及盾構(gòu)機(jī)沉陷等工程事

12、故,對(duì)盾構(gòu)施工影響較大。同時(shí)若隧道溶洞涌水(或突水)得不到有效處理,將直接導(dǎo)致孔隙水位下降。從而影響周邊建筑物安全,嚴(yán)重時(shí)將造成地面塌陷。因此必須準(zhǔn)確地掌握溶洞的分布和大小,對(duì)溶洞進(jìn)行處理,以降低施工難度和施工風(fēng)險(xiǎn)。3.6.2 溶洞處理技術(shù)措施 (1)加密鉆孔。在詳勘鉆孔揭示到有溶洞的地區(qū),為進(jìn)一步了解和掌握溶洞的分布范圍和溶洞大小,實(shí)施加密鉆孔,并使鉆孔交錯(cuò)布置,鉆孔深度至隧道結(jié)構(gòu)下5m。同時(shí)在揭示到有溶洞的加密孔和既有揭示有溶洞的鉆孔周圍布設(shè)更密的鉆孔。 (2)物探(CT)法確定溶洞的大小及分布。利用工程CT技術(shù)精確探測(cè)溶洞的邊界、溶洞走向、規(guī)模,另外利用部分鉆孔作為技術(shù)孔,對(duì)溶洞的充填物

13、進(jìn)行物理力學(xué)勘察,以確定溶洞填充物的密度、含水量、溶洞水流向和滲透系數(shù)等指標(biāo),并估算溶洞水流量,以確定溶洞的注漿材料。 (3)注漿。勘探鉆孔表明溶洞為充填溶洞,可利用既有鉆孔(局部加密鉆孔),采用雙液控制注漿,注漿材料為雙液漿,孔口混和,漿液經(jīng)管內(nèi)流出后快速凝固,在一定的壓力下充填密實(shí)。3.6.3 盾構(gòu)機(jī)通過(guò)技術(shù)措施 做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作,提前對(duì)盾尾密封進(jìn)行檢查。 溶洞加固處理完畢后,在盾構(gòu)機(jī)通過(guò)時(shí),要適當(dāng)放慢掘進(jìn)速度。 調(diào)整同步注漿漿液的配合比,縮短凝結(jié)時(shí)間,同時(shí)增大注漿量和注漿壓力。 在盾構(gòu)機(jī)通過(guò)后及時(shí)進(jìn)行二次雙液注漿,通過(guò)調(diào)整水泥水玻璃的配比參數(shù),控制雙液注漿的凝結(jié)速度,達(dá)到加固土體和加固充

14、填溶洞的目的。 加強(qiáng)掘進(jìn)姿態(tài)控制,全面貫徹信息化施工。 同時(shí)備好抽排水設(shè)備等應(yīng)急設(shè)備和物資,制訂應(yīng)急搶險(xiǎn)預(yù)案。3.7 刀盤(pán)和切削倉(cāng)聚積泥餅處理措施 在粘土礦物含量高的殘積層、混合巖全風(fēng)化地層進(jìn)行盾構(gòu)施工時(shí),極易在刀盤(pán)開(kāi)口處和切削倉(cāng)聚積泥餅。當(dāng)產(chǎn)生泥餅后,掘進(jìn)速度急劇下降,刀盤(pán)扭矩也會(huì)上升,大大降低開(kāi)挖效率,甚至無(wú)法推進(jìn)。其預(yù)防和處理措施如下: 在到達(dá)這種地層前把刀盤(pán)的部分刀具換成齒刀,增加刀盤(pán)的開(kāi)口度; 在粘性土中掘進(jìn)時(shí),特別要加強(qiáng)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的地質(zhì)預(yù)測(cè)和碴土管理; 掘進(jìn)時(shí)注泡沫劑,改善土體的和易性,預(yù)防粘土結(jié)塊; 刀盤(pán)背面和土倉(cāng)胸板上增設(shè)空心攪動(dòng)棒,增加攪拌強(qiáng)度和范圍,并且空心棒內(nèi)還可預(yù)留注水孔,以便清洗刀盤(pán)和土倉(cāng); 空轉(zhuǎn)刀盤(pán),使泥餅在離心力作用下脫落; 如果圍巖隔水性較好,則可采用氣壓平衡模式掘進(jìn); 在開(kāi)挖面穩(wěn)定的前提下,人工進(jìn)倉(cāng)清除泥餅。4 小結(jié) 廣州地質(zhì)條件比較復(fù)雜,要保證盾構(gòu)機(jī)能夠在復(fù)雜的地質(zhì)條件下順利掘進(jìn),很重要的一點(diǎn)就是要保證盾構(gòu)機(jī)良好的工作狀態(tài),也就是要對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行定期的維護(hù)和保養(yǎng),及時(shí)排除盾構(gòu)機(jī)的故障,降低故障率無(wú)論對(duì)于加快施工進(jìn)度還是保證施工安全與質(zhì)量都是非常重要的。另外,工程中標(biāo)后,應(yīng)根據(jù)已有的地質(zhì)資料和實(shí)際的地表建筑物及管線等情況進(jìn)行補(bǔ)充地質(zhì)鉆探,摸清隧道穿