中鐵一局城軌公司復合地層盾構施工技術（共41）

復合地地層盾盾構施施工技技術中國中中鐵一一局集集團城城市軌軌道交交通工工程有有限公公司許建飛飛2011年4月目錄錄1、定義義2、孤石石、上上軟下下硬地地層盾盾構施施工技技術3、巖溶溶地層層盾構構施工工技術術一、定定義1、均一一地層層1.1均一地地層的的概念念均一地地層是是指在在開挖挖斷面面范圍圍內和和開挖挖延伸伸方向向上，，由一一種或或若干干種地地層組組成的的，或或巖土土力學學、工工程地地質和和水文文地質質等特特性相相近的的地層層或地地層組組合。。（1）單單純純的的軟軟土土地地層層江蘇蘇、、無無錫錫、、南南京京、、寧寧波波等等地地鐵鐵選選用用了了適適應應軟軟土土地地層層的的盾盾構構機機，，其其刀刀盤盤為為平平面面直直角角型型的的，，大大開開口口率率，，只只安安裝裝刮刮刀刀（2）單單純純的的硬硬巖巖地地層層（（如如西西安安~安康康鐵鐵路路秦秦嶺嶺Ⅰ線隧隧道道））。。隧隧道道斷斷面面范范圍圍內內全全部部以以巖巖石石為為主主，，選選用用的的是是典典型型的的硬硬巖巖掘掘進進機機，，刀刀具具全全部部安安裝裝滾滾刀刀，，無無需需任任何何刮刮刀刀（（見見圖圖3）。。1.2均一一地地層層中中盾盾構構工工程程的的主主要要特特點點：（1）施施工工過過程程中中盾盾構構機機的的模模式式基基本本上上不不需需要要變變化化。。在在軟軟土土地地層層中中，，若若采采用用土土壓壓平平衡衡模模式式，，一一般般無無需需變變化化成成開開胸胸模模式式；；在在硬硬巖巖地地層層，，若若采采用用開開胸胸模模式式掘掘進進，，一一般般無無需需變變化化成成土土壓壓模模式式。。通常常，，在在均均一一地地層層中中的的盾盾構構機機，，在在設設計計和和制制造造時時，，一一般般不不考考慮慮模模式式的的變變化化。。（2）盾盾構構機機的的結結構構不不需需受受施施工工過過程程中中進進行行改改變變。。比比如如，，在在軟軟土土均均一一地地層層中中，，刀刀盤盤采采用用軟軟土土刀刀具具，，在在施施工工過過程程中中不不需需考考慮慮是是否否會會碰碰到到硬硬巖巖而而增增加加滾滾刀刀的的問問題題。。2、復復合合地地層層2.1復合合地地層層的的概概念念將開開挖挖斷斷面面范范圍圍內內和和開開挖挖延延伸伸方方向向上上，，由由兩兩種種或或兩兩種種以以上上不不同同地地層層組組成成，，且且這這些些地地層層的的巖巖土土力力學學、、工工程程地地質質和和水水文文地地質質等等特特征征相相差差懸懸殊殊的的地地層層組組合合，，定定義義為為復復合合地地層層。。復合合地地層層的的組組合合方方式式是是非非常常復復雜雜多多樣樣的的，，但但總總的的來來說說可可分分為為三三大大類類：：一一類類是是在在斷斷面面垂垂直直方方向向上上不不同同地地層層的的組組合合；；一一類類是是在在水水平平方方向向上上地地層層的的不不同同組組合合；；另另一一類類是是上上述述兩兩者者兼兼而而有有之之。。（1）復復合合地地層層在在垂垂直直方方向向上上的的變變化化。。最最典典型型的的垂垂直直方方向向上上的的復復合合地地層層就就是是所所謂謂““上上軟軟下下硬硬””地地層層，，即即隧隧道道斷斷面面上上部部是是第第四四系系的的松松軟軟土土層層，，而而下下部部是是堅堅硬硬的的巖巖石石地地層層。。再再有有一一種種是是孤孤石石地地層層，，及及在在隧隧道道開開挖挖范范圍圍存存在在花花崗崗巖巖球球狀狀風風化化體體。。（2）復復合合地地層層在在水水平平方方向向上上的的變變化化。。在在一一施施工工段段當當中中，，可可能能分分布布著著不不同同時時代代、、不不同同巖巖性性或或不不同同風風化化程程度度，，從從而而表表現現出出不不同同巖巖土土性性質質的的地地層層。。比比如如廣廣州州地地鐵鐵五五號號線線草草～～陶陶區(qū)區(qū)間間的的地地層層。。2.2復合合地地層層中中盾盾構構工工程程的的主主要要特特點點：（1）經經常常變變換換盾盾構構施施工工模模式式。。在在軟軟土土地地層層或或以以軟軟土土地地層層為為主主的的““上上軟軟下下硬硬””地地層層施施工工時時，，一一般般要要采采用用““閉閉胸胸模模式式””，，而而在在以以巖巖石石地地層層，，特特別別是是自自穩(wěn)穩(wěn)性性較較好好的的（（包包括括風風化化程程度度不不一一））巖巖石石地地層層施施工工時時則則可可采采用用半半開開胸胸式式（（欠欠土土壓壓平平衡衡模模式式））或或開開胸胸模模式式；；在在以以砂砂層層或或以以砂砂層層為為主主的的““上上軟軟下下硬硬””地地層層中中采采用用土土壓壓平平衡衡模模式式施施工工時時，，可可能能需需要要通通過過加加注注膨膨潤潤土土等等工工藝藝轉轉化化為為““泥泥水水平平衡衡””模模式式等等等等。。經經常常根根據據地地層層結結構構來來轉轉換換盾盾構構機機模模式式，，是是在在復復合合地地層層中中施施工工的的一一大大特特點點。。（2）盾構機機的配置置需要做做出適當當的調整整。在硬硬巖段施施工時，，通常要要采用全全斷面滾滾刀破巖巖模式，，采用的的刀盤開開口率會會較小；；當掘進進在軟巖巖或軟土土地段時時，通常常都要將將部分或或全部滾滾刀換成成適應軟軟巖或軟軟土的刮刮刀，此此時的開開口率也也相應增增大。（3）采用的的施工工工藝和施施工參數數也要根根據地層層的變化化而變化化。這些些變化主主要表現現在不同同地層需需要的添添加劑的的種類和和數量的的不同；；需要的的輔助設設備（比比如破巖巖機、超超前鉆機機）的不不同；盾盾構機姿姿態(tài)控制制的不同同等等。。二、孤石石、上軟軟下硬地地層盾構構施工技技術2.1孤石、上上軟下硬硬地層的的概念在盾構施施工中，，“孤石石”是指指花崗巖巖球狀風風化體，，是花崗崗巖不均均勻風化化的產物物，在廣廣州、深深圳地區(qū)區(qū)施工普普遍存在在的不良良地質，，存在于于花崗巖巖全、強強風化層層和礫質質粘土層層中?！吧宪浵孪掠病笔鞘侵冈谒硭淼罃嗝婷娴南虏坎繛閹r石石，上部部為軟土土，在同同一掘進進面形成成了巨大大反差，，該地層層在鄰近近山區(qū)的的地方比比較常見見。2.2孤石、上上軟下硬硬地層的的危害“孤石、、上軟下下硬地層層”對盾盾構施工工影響極極大，是是盾構施施工中的的災害性性地質，，主要體體現在以以下幾個個方面：：（1）極大的的降低掘掘進速度度，造成成工期延延誤。（2）極易造造成盾構構刀具、、刀盤的的損害導導致長時時間停機機處理，，費用高高昂，而而且容易易出現安安全風險險。（3）還容易易造成地地面坍塌塌事故，，社會影影響也非非常大。。2.3““孤石、上上軟下硬硬”地層層的處理理思路根據我們們在廣州州和深圳圳地鐵施施工的情情況，并并結合相相關兄弟弟單位施施工經驗驗教訓，，我們把把盾構過過基巖和和孤石的的方法分分為六步步。第一步：：“補探探”根據詳勘勘圖紙情情況，對對孤石段段和基巖巖段進行行加密補補充勘察察，詳細細了解地地層情況況，便于于制定合合理的線線路方案案。同時時對附近近地面建建筑物、、管線和和環(huán)境狀狀況進行行詳細的的調查，，確保制制定的方方案的可可行性。。第二步：：“調線線”根據準確確的地質質勘查情情況和建建筑物等等的調查查情況，，與設計計院和業(yè)業(yè)主進行行溝通，，在滿足足規(guī)范和和使用功功能的前前提下進進行調線線調坡，，盡可能能避開上上浮基巖巖和孤石石。根據據盾構施施工情況況，盾構構掘進通通過孤石石的難度度遠遠小小于過上上浮基巖巖，且侵侵入隧道道范圍的的基巖越越少，盾盾構通過過越輕松松。第三步：：“處理理“如無條件件進行調調線調坡坡或調線線后依舊舊有部分分地段無無法避開開上浮基基巖和孤孤石，在在地面條條件許可可的情況況下要對對孤石進進行處理理。目前前比較好好的處理理方法是是采取爆爆破，對對基巖進進行適當當破碎，，降低巖巖石的完完整性。。其次就就利用沖沖孔破碎碎，該方方法速度度較慢，，但也能能達到效效果。再再者就利利用挖孔孔樁破除除孤石和和礦山法法處理基基巖。第四步：：“預設設換刀點點”如無條件件采取有有效方法法對孤石石進行有有效處理理，或進進行處理理后依舊舊有大量量石塊殘殘余，需需要提前前設置盾盾構換刀刀點。比比如周邊邊建筑物物多，居居民多，，無法采采用爆破破，且即即使有條條件爆破破后，隧隧道內殘殘余大量量石塊，，仍然對對刀具有有較大的的磨損和和破壞作作用，所所以需設設置一定定的換刀刀點檢查查和更換換刀具。。第五步：：“盾構構機選擇擇與參數數控制””控制掘進進參數，，對于盾盾構過孤孤石和基基巖施工工非常重重要，可可有效防防止刀具具的損壞壞，保證證盾構刀刀具一次次掘進較較長距離離。其控控制精髓髓在于控控制刀具具的貫入入度和土土倉壓力力?？刂浦曝炄攵榷饶苡行Х乐沟兜度嗔蚜哑茐牡牡那闆r，，控制土土倉壓力力能有效效控制地地面沉降降，保證證地面安安全。同同時掘進進過程中中注意扭扭矩變化化量，可可通過扭扭矩變化化量判斷斷刀具是是否有損損壞。第六步：：“停機機處理””盾構非正正常停機機處理。。在盾構構過孤石石和基巖巖期間，，可能存存在未探探明的孤孤石，或或可能因因刀具質質量原因因或個別別盾構司司機操作作不當，，導致盾盾構機在在孤石段段因刀具具損壞非非正常停停機。由由于盾構構過孤石石和基巖巖段震動動大，速速度慢，，盾構機機上方會會存在一一定的塌塌空區(qū)，，有可能能無法保保壓。碰碰到該情情況，處處理的思思路是先先進行保保壓試驗驗，看能能否壓氣氣換刀，，如不能能保壓，，則采取取置換換換刀方法法。2.4、工程實實例講解解2.4.1補充勘察察以深圳地地鐵五號號線寶翻翻區(qū)間盾盾構施工工為例，，并結合合深圳地地鐵一號號線4標、5標盾構施施工的經經驗教訓訓進行總總結和探探討。寶安中心心站～翻翻身站區(qū)區(qū)間，設設計起訖訖里程DK3+400.513～DK３+986.240，區(qū)間左左線長550.646m，右線長長550.484m，區(qū)間總總長1101.13m。區(qū)間為為“人””字形坡坡度，最最大坡度度為25‰。隧道頂頂部覆土土9.1m-17.8m，左右線線中心間間距13.2m。根據設計計圖紙和和詳勘報報告，隧隧道開挖挖面以礫礫質粘性性土為主主，局部部存在上上浮基巖巖和孤石石。其中中左線在在里程3+783～3+834共51m范圍存在在上浮基基巖，局局部強度度最高達達146Mpa，最大侵侵入隧道道1.8米，該區(qū)區(qū)段隧道道上覆地地層以淤淤泥和地地面雜填填層為主主，雜填填層夾雜雜大量石石塊。隧隧道上覆覆地層以以淤泥和和地面雜雜填層為為主，其其中雜填填層夾雜雜大量石石塊。右右線在里里程3+765～3+814共49m范圍存在在上浮基基巖，局局部強度度最高達達162Mpa，最大侵侵入隧道道3.5米，該區(qū)區(qū)段隧道道上覆地地層以淤淤泥和地地面雜填填層為主主，雜填填層夾雜雜大量石石塊，隧隧道上覆覆地層以以淤泥和和地面雜雜填層為為主，其其中雜填填層夾雜雜大量石石塊。在基巖和和孤石區(qū)區(qū)，在原原詳勘孔孔的中間間按照5m間距加設設補勘孔孔，準確確掌握巖巖面和巖巖性，并并更多的的發(fā)現孤孤石。在在發(fā)現孤孤石的鉆鉆孔周邊邊按照1m間距外擴擴增加鉆鉆孔，鉆鉆孔深度度至隧道道底板1m。布置如如圖：寶安中心心～翻身身區(qū)間左左線地質質縱斷面面圖寶安中心心～翻身身區(qū)間右右線地質質縱斷面面圖項目類別具體描述基巖段里程、長度、侵入隧道最大高度孤石數量及侵入隧道數量詳勘情況左線隧道開挖斷面以礫質粘土為主，局部存在孤石，在里程3+783～3+834段存在上浮基巖。隧道上覆地層以淤泥和地面雜填層為主，其中雜填層夾雜大量石塊。里程3+783～3+834長度51m，最大侵入隧道1.8m孤石3個均在隧道外右線隧道開挖斷面以礫質粘土為主，局部存在孤石，在里程3+765～3+814段存在上浮基巖。隧道上覆地層以淤泥和地面雜填層為主，其中雜填層夾雜大量石塊。里程3+765～3+814長度49m，最大侵入隧道3.5m孤石3個均在隧道外補勘情況左線隧道開挖斷面以礫質粘土為主，局部存在孤石，在里程3+767.4～3+830.6地段存在上浮基巖。隧道上覆地層以淤泥和地面雜填層為主，其中雜填層夾雜大量石塊。里程3+767.4～3+830.6，長度63。2m最大侵入隧道5.3m孤石5個其中隧道內4個右線隧道開挖斷面以礫質粘土為主，局部存在孤石，在里程3+764.7～3+815.3地段存在上浮基巖。隧道上覆地層以淤泥和地面雜填層為主，其中雜填層夾雜大量石塊。里程3+764.7～3+815.3，長度50.6m最大侵入隧道3.6m孤石6個其中隧道內5個左線里程程3+440～3+750范圍為調調整為25‰上坡，坡坡長310m；3+750～3+950范圍調整整為11.195‰‰下坡，坡坡長204.116m.右線里程程3+430～3+750范圍調整整為25‰上坡，坡坡長323.510m；3+750～3+950范圍調整整為13.015‰‰下坡，坡坡長200m.其余線路路坡度保保持不變變。2.4.2調坡調線線線路坡度對比基巖段長度及侵入隧道范圍對比已發(fā)現侵入隧道開挖范圍孤石數量對比掘進斷面地質對比調坡前左線見上圖63.2m侵入隧道5.3m4個隧道開挖斷面以礫質粘土為主，無砂層和淤泥右線50.6m侵入隧道3.5m5個隧道開挖斷面以礫質粘土為主，無砂層和淤泥調坡后左線29.3m侵入隧道2.3m2個隧道開挖斷面以礫質粘土為主，無砂層和淤泥。侵入隧道基巖隆起區(qū)長度減少右線03個隧道開挖斷面以礫質粘土為主，無砂層和淤泥。侵入隧道基巖隆起區(qū)長度減少可從表看看出，通通過調坡坡調線，，侵入隧隧道的孤孤石和基基巖都有有大幅度度的減少少，已大大大降低低了盾構構施工的的難度和和風險。。2.4.3、孤石、、基巖的的提前處處理對于孤石石和基巖巖的處理理方法，，主要有有以下幾幾種：處理方法適用范圍效果費用沖孔處理適合孤石處理和基巖處理，且地面具備施工條件，巖石界面不超過隧道一半。處理效率較低，處理效果較好，處理后的殘余巖體或孤石對盾構施工基本無影響費用較高人工挖豎井處理適合孤石和小范圍基巖處理，對地面環(huán)境條件要求較小。豎井穿砂層的位置小心使用。處理徹底，但效率太低。費用很高爆破處理周邊無重要建筑物，并與居住區(qū)距離較遠。適合大范圍基巖的處理。處理速度快，處理后殘余石塊較多，對盾構施工仍然有一定的風險。單位長度處理費用較低。幾種處理理方法：：1、沖孔處處理a、根據巖巖石在隧隧道斷面面的位置置，確定定沖孔的的平面位位置和沖沖孔深度度。b、沖孔后后，孔位位最好采采用低標標號素混混凝土回回填，如如采用其其他材料料回填肯肯能會出出現地面面冒氣、、冒漿現現象。幾種處理理方法：：2、挖豎井井處理a、準確探探明孤石石的位置置和大小小，便于于確定豎豎井的準準確位置置。b、開挖至至孤石或或巖面位位置后，，采用鉆鉆孔后埋埋靜態(tài)炸炸藥的方方式處理理或利用用液壓巖巖石劈裂裂機處理理。c、豎井的的形式一一般為矩矩形。幾種處理理方法：：3、爆破處處理在計劃爆爆破處理理的孤石石或基巖巖區(qū)域，，采用地地質鉆機機地面垂垂直鉆孔孔，土層層鉆孔孔孔徑為100mm，進入巖巖層鉆孔孔直徑為為89mm。在孔內內裝填炸炸藥后，，按照一一定的順順序起爆爆，將孤孤石或基基巖碎裂裂為小塊塊，便于于盾構機機推進。。幾種處理理方法：：2.4.4預設換刀刀點加固固由于寶翻翻區(qū)間經經調線后后侵入隧隧道的基基巖和孤孤石已減減少，項項目部前前期計劃劃對孤石石和基巖巖采取沖沖孔處理理，但由由于地面面有電力力、燃氣氣、給水水、通信信、排水水等多條條管線，，項目部部多次協(xié)協(xié)調未能能獲得同同意，后后決定采采取地面面預先加加固，盾盾構機直直接通過過的方法法。通過加固固降低地地層的透透氣性。。盾構機機到達加加固區(qū)后后，可在在氣壓模模式條件件下對刀刀具進行行檢查并并更換，，通過盾盾構機直直接破巖巖通過。。加固點的的選?。海焊鶕┕すそ涷灒?，在參數數控制合合理的情情況下，，配備硬硬巖刀盤盤的德國國海瑞克克盾構機機，加上上龐萬利利單刃刀刀具，可可有效處處理兩個個以上直直徑3~4m的孤石，也也可掘進長長度不小于于15m，巖石在斷斷面高度不不大于2m的上浮基巖巖。2.4.5盾構機的選選擇與參數數控制：1、根據目前前國內幾種種盾構機施施工的情況況，配置硬硬巖刀盤的的海瑞克盾盾構機對該該地層有良良好的適應應性。根據據該標段的的地質情況況，采用鏟鏟刀、滾刀刀和刮刀混混合配置的的方案，既既能有效開開挖各種粉粉質粘土、、軟土層等等，又能適適應各種強強、中、微微風化巖破破碎的需要要，刀盤的的形狀采用用防堵塞設設計，刀具具型式和安安裝位置便便于切割巖巖石和清除除土碴。2、要選擇質質量過硬的的刀具，確確保一次能能推進更長長的距離。。掘進參數控控制：1、地面沉降降控制盾構施工沉沉降分為兩兩個階段。。第一個階階段為盾構構到達及通通過過程中中的地面沉沉降，該沉沉降控制主主要受掘進進土倉壓力力控制。第第二個階段段為盾構通通過后后期期的沉降，，該沉降主主要由注漿漿控制?？乜刂瞥两狄獜膬蓚€方方面著手。。由于孤石和和基巖區(qū)掘掘進速度慢慢，對土體體擾動大，，很容易造造成地面沉沉降或坍塌塌。該情況況在目前的的盾構施工工中普遍存存在，其關關鍵原因在在施工過程程中沒穩(wěn)定定控制土倉倉壓力。根根據寶翻孤孤石基巖區(qū)區(qū)的區(qū)間線線路埋深和和地層情況況，掘進壓壓力控制在在1.8bar-2.0bar。注漿材料要要采用活性性漿液，每每方水泥含含量控制在在不小于150kg，注漿量不不小于6方，注漿壓壓力不小于于2.5bar。注漿過程程中壓力和和量兩個指指標均需要要達到。掘進參數控控制：2、推進參參數控制推進貫入度度控制：對對于巖石在在80MPa的微風化巖巖石，速度度控制7mm/min,對于巖石在在100MPa的微風化巖巖石，速度度控制5mm/min，對于巖石石在120MPa的微風化巖巖石，速度度控制3mm/min扭矩控制：：刀盤油壓壓在100bar~120bar之間，扭矩矩波動在20bar之內。如掘進過程程中發(fā)現扭扭矩波動頻頻繁超過30bar，則反映刀刀具已經存存在偏磨，，不適合繼繼續(xù)推進，，必須進行行刀具更換換。如發(fā)現現盾構機姿姿態(tài)不受控控制，則表表明邊緣刀刀具磨損過過大或偏磨磨，也必須須停機換刀刀。掘進過過程中使用用泡沫劑，，改善碴土土性能，降降低土倉溫溫度。在盾構機由由軟土地段段快接近孤孤石或上軟軟下硬區(qū)域域時，提前前降低速度度，防止在在地層過渡渡段因速度度過快導致致刀具損壞壞。2.4.6盾構非正常常停機處理理盾構機每推推進至擬定定換刀點，，即進行開開倉檢查和和換刀。開開倉前首先先進行保壓壓實驗，若若保壓試驗驗成功，則則進行壓氣氣換刀，若若保壓實驗驗失敗，則則進行土倉倉填充、注注漿的方式式進行常壓壓換刀。土倉置換換換刀的施工工流程如下下：第一步：土土倉內置換換洞內通過土土倉壁上的的球閥，利利用盾尾同同步注漿系系統(tǒng)對土倉倉內進行充充填砂漿。。通過頂部部球閥泄水水。漿液采用水水泥砂漿，，漿液配合合比為：水水泥：膨潤潤土：粉煤煤灰：砂＝＝50kg：120kg：180kg：660kg，注漿量約約30m3.填充過程中中控制土倉倉壓力在1.5bar~3.0bar之間，避免免壓力過小小或過大。。壓力太小小地面出現現沉降，壓壓力太大對對主軸承不不利。填充過程中中以不大于于0.8的轉速轉動動刀盤，將將土倉內的的泥漿和漿漿液進行拌拌合。填充過程中中反轉螺旋旋，確保螺螺旋不被漿漿液凝固，，否則很難難清理。第二步：超超前注漿進進行地層加加固1>通過盾構機機前方的超超前注漿孔孔，利用二二次注漿機機進行超前前注漿。選選擇1點和11點的超前注注漿孔進行行注漿。注注漿位置示示意如下：：2>在6m長80mm的鋼管上進進行梅花形形布孔，孔孔徑8mm，縱向間距距為10cm，制作成鋼鋼花管。3>漿液采用P.O32.5R水泥漿液和和水泥-水玻璃雙液液漿。4>將制作好的的鋼花管打打入超前注注漿孔進行行注漿。先先注水泥漿漿，注漿壓壓力控制在在0.3~0.4Mpa，壓力穩(wěn)定定后持續(xù)進進行注漿，，直至壓力力上升后，，再注20~30min，然后注雙雙液漿封孔孔。第三步：施施工降水井井、抽水(有地面條件件時)當地面有條條件時，可可以在刀盤盤前方施工工降水井降降低掌子面面水壓力，，更有助于于清倉和換換刀的安全全進行。第四步：開開倉清理、、換刀根據降水井井抽水的情情況，開倉倉前首先對對土倉進行行檢查。先先打開土倉倉壁上上的的兩個球閥閥，利用粗粗細10mm左右的鋼筋筋向土倉內內砸入，