泥水盾构在典型上软下硬地层中的施工技术

2024-04-22

泥水盾构在典型上软下硬地层中的施工技术（共6篇）

篇1：泥水盾构在典型上软下硬地层中的施工技术

泥水盾构在典型上软下硬地层中的施工技术

摘要：广州地质条件在地下工程界被称为“地质的博物馆”，在目前广州地区进行推广盾构隧道施工技术中，地质的复杂多变是盾构隧道施工中的最大难题，泥水盾构在典型上软下硬地层掘进过程中遇到了很多的困难，现将我司在广州地铁轨道交通五号线的两台泥水盾构在典型上软下硬地层中所遇困难，以及克服困难的一些研究经验做一个总结，研究泥水盾构在典型上软下硬地层中的施工技术，对以后类似的地层掘进中有一定的借鉴作用。关键词：泥水盾构，上软下硬地层，施工技术

一、工程概况

广州地铁轨道交通五号线【大～中】盾构区间，盾构从大坦沙南盾构始发井向东100米后穿越宽260米的珠江到达东岸的青年公园，穿过铁路专用线、广三铁路和珠江大桥、内环路及广佛放射线、中山八立交、黄沙大道、中山八路等交通主干道。盾构区间单线长1021.171m，盾构从大坦沙南始发后55‰下坡，是广州地铁目前最大的坡度，左右两线都要通过小转弯半径内的掘进，其中右线290m、左线260m的半径。区间地质复杂多变，前部份地层刀盘全断面是砂层，后部份地层刀盘断面上部为<3-2>砂层下部<8>、<9>岩层，是典型的上软下硬地层，在该地层中对刀盘的磨损很大，刀盘也容易结泥饼给盾构的掘进带来了很大的困难。区间右线在394环开仓换完刀后，掘进到489环开仓后检查刀具发现外围的4把滚刀偏磨，贝壳刀磨损严重，土仓内结泥饼情况也很严重。左线445环开仓换到掘进到488环掘进速度就很慢，高推力、高扭矩，到516环位置开仓换刀发现，17把贝壳刀磨损严重。

二、工程地质

本区间隧道上覆为第四系（Q）地层，下伏基岩为白垩系上统大塱山组三元里段（K2d1）和黄花岗段（K2d2）组成。三元里段主要岩性为杂色砾岩夹暗紫红色粉砂岩、细砂岩、砾岩与粉细砂岩互层，属河流相。黄花岗段主要岩性为暗紫红色粉砂岩，含砾粉细砂岩与泥岩互层，属湖泊相。第四系覆盖层主要为海陆交互相沉积的淤泥、淤泥质土层、淤泥质砂层、冲积～洪积砂层及残积土层。隧道洞身穿越的地层主要为<2-2>、<3-2>，局部为<2-1>、<7>、<8>、<9>。区间右线有162m（占总长的15.8％）刀盘处于上软下硬的地层中、左线有432m(占总长的42.3％)刀盘处于上软下硬的岩层中，上软下硬地层主要集中在区间的后半段，在此地层中开挖断面上部大多数为<3-2>砂层，少量的<5-2>、<6>、<7>，而下部为<8>、<9>岩层，岩层的平均单轴抗压强度在12mpa左右，<3-2> 砂层的渗透系统达到30。

三、盾构机的参数及刀盘、刀具简介

我项目部采用的是两台三菱盾构机，盾构机的外径6260mm、盾尾内径6060mm，刀头采用半圆顶式、挖掘半径6280mm、刀盘转速0.2～3.4r/min、最大扭矩6327kN/m、最大推力35961kN/m2。

刀盘是一整体半圆顶式结构，增强了刀盘的强度和刚度。采用中间支撑方式，开口率为26％，开口的布置均匀，目的是让切削下来的土渣能更快更容易进入土仓，减小刀盘前面结泥饼的机会，且利于硬岩被切削后能从刀盘不同部位同时进入土仓。

刀具配置有鱼尾刀、贝壳刀、滚刀、刮刀、仿形刀，贝壳刀采用直接焊接在刀座上的安装方法，刀座采用可拆卸连接方式，每个可更换刀座由16颗M22螺栓连接刀盘上，滚刀刀座与贝壳刀刀座尺寸相同，考察到地层的变化以便于换刀。根据硬岩、软岩的不同强度和地质特点及刀具在软、硬岩中不同的破岩机理来进行设计和选择的。由于是第一次遇到这种复杂多变的地层，在最初的刀具选择上是以贝壳刀为主，当遇到岩层以后发现上软下硬的地层对贝壳刀的磨损很大，我们针对这种典型地层，刀具选择上除中心鱼尾刀外全部选用滚刀。

四、施工碰到的困难及应对的措施

在上软下硬地层施工掘进过程中遇到了泥浆不够用、刀具偏磨、姿态不受控制、刀盘结泥饼等困难。为了克服这些困难我们做出了以下的应对措施：

1．泥浆储备

由于地层复杂多变，在上软下硬的地层中隧道断面内主要以<3-2>、<8>地层为主，这种地层自造泥浆能力很差，并且由于断面上部是砂层为保证开挖面的稳定，要求使用泥浆的浓度较高。因此鉴于这种情况，结合地质情况我们事先储备好泥浆以供使用。

2．防泥饼的形成盾构在高粘性土或泥质岩等地层中掘进时可能会在刀盘尤其是中心区部位及土仓隔板前刀盘支撑之间产生泥饼，当产生泥饼后，泥饼会裹住滚刀使用滚刀偏磨，从而导致掘进速度急剧下降，刀盘扭矩也会上升，同时造成刀盘油温过高而使盾构无法掘进，大大降低开挖效率。我们在施工中采取的以下主要技术措施：

⑴在有泥饼形成条件的地层，中央操控人员要严格监测盾构机的各种参数，合理的控制掘进速度，及时用低比重优质泥浆置换土仓内粘土，防止粘土在土仓内堆积，保证刀盘开口处通畅。⑵在掘进过程中每掘30cm清洗一次土仓，防止土仓内结成泥饼。并且在高压水中加入分散剂（如工业用洗涤材料），可大大降低泥饼的形成或化解初步形成的泥饼。

⑶对泥浆处理设备的出土温度进行跟踪监测，对土仓隔板的温度也进行人工随时探测。以便及时发现异常苗头。

3．姿态控制

在上软下硬的地层中盾构姿态很容易抬头，因此我们掘进过程中对盾构姿态进行提前调整，提前将盾构机往下压，防止盾构机向上超限；

五、刀具对地层适应性的分析

右线刀盘刀具从489环换完刀到741环出洞共转动34604圈，741环碰壁出洞，滚刀磨损量最大36mm。穿越地层为140环<8>中风化泥岩，112环砂土层（管片环宽1.2米），其中外围的39#刀偏磨。左线445换刀到516环，9把滚刀磨损较少，而贝壳刀磨损严重。结合几次的开仓以及右线出洞的刀具的磨损情况，分析发现在典型的上软下硬地层中滚刀最适合，但是在这种地层中滚刀容易产生偏磨，因此在掘进过程中一定要采取对应措施防止刀具的偏磨。

六、刀具更换措施

区间内地质复杂多变，地层的对刀具的磨损量很大，使得左右两线各进行了两次开仓换刀，其中左线两次都对地层进行了加固处理，右线在394位置开仓换刀也进行了地层加固处理，另一处由于地层稳定性较好能满足自然开仓要求。

1．加固形式

为了满足开仓的安全要求，我项目部对开仓位置的地层结合地面情况采取了单管旋喷桩、冲钻孔桩，袖阀管注浆等加固方式。由于隧道埋深大，使得在加固过程中容易造成偏桩，并且几次开仓加固位置的地层都是上部透水性很大的地层，止水效果是地层加固的一个难题，鉴于几次加固的质量来看，高密度单管旋喷桩是最合适的加固方式。

2．开仓换刀过程中注意事项及应对措施

⑴为了防止盾构机尾部渗水入土仓，在盾构前部的筒体上打孔，在开仓前注聚氨酯。

⑵加强后部管片注浆，防止泄压过程中盾构机后部水在筒体中形成通道，带动流砂形成砂涌，从而导致盾尾塌方。

⑶仓门打开以后，人员土仓前要先用一条钢筋检查撑子面的稳定，并要求值班工程师在之后的换刀的过程最少每小时检查一次撑子面的稳定。

⑷在换刀过程遵循拆一把换一把的原则，防止地层出现紧急塌方。

七、小结

⑴泥水盾构在上软下硬地层中施工，既有和一般的地层掘进相同的一面，又有其特殊性，我们要着重研究和控制它差异的一面。

⑵泥水盾构在上软下硬地层中施工，在刀具的选择方面滚刀最为合适。

⑶要在上软下硬的地层开层换刀，单管旋喷桩加固的效果较好。

篇2：上软下硬复合地层盾构施工技术

一、工程概况

后亭站~松岗站区间位于宝安大道下方, 两端车站均为地下两层岛式车站, 线路整体呈南北走向, 区间起点位于后亭站北侧, 线路沿宝安大道前进, 在依次穿越后亭人行天桥、茅洲河、广深高速公路桥、松岗河后进入松岗站南端。

右线Y D K 4 7+9 6 1~Y D K 4 8+0 7 1, 左线ZDK47+945~YDK48+080共计2454m含岩层段需盾构直接切削通过。岩层主要分布为强风化浅粒岩、中风化浅粒岩、微风化浅粒岩, 岩层裂隙发育, 根据现场取芯该段中风化花岗岩抗压强度在70~100MPa之间。

二、存在的重难点分析

由于该段不仅为复合地层, 且该段上部为一宽4m高3m的暗渠, 且距离最近建筑距离仅为3m, 存在诸多难点, 主要有以下几个方面:

1. 地层水系丰富且拱顶埋深较浅, 同时该段区域地面存在多条已施工管道, 据前期调查, 管道施工过程发生过塌方等事故, 原地质已破坏严重, 盾构下穿过程中极易击穿河面形成水流通路, 出现喷涌现象, 另一方面暗渠采用浆砌片石施工, 从现场情况来看, 施工质量很差, 沉降一旦超标, 极有可能坍塌, 施工难度大;

2. 地层软硬不均, 对刀具磨损大;

3. 推进速度缓慢, 极易造成超出土, 引起地面塌陷;

4. 粉粒含量高, 盾构掘进易结泥饼;

5. 地层含水量丰富, 极易导致管片在脱出台车后出现上浮情况和盾尾漏水。

故在施工方案制定选择前, 项目部多次对刀具选择、如何掘进控制、应急措施增氧配置等采取了针对性措施。

三、刀具选择方面对策

1. 在该种地质情况下掘进, 对滚刀的配置主要考虑以下两个方面的影响因素:

(1) 由于在该区域出现的上部全风化强风化花岗岩下部微风化岩的情况, 岩石的抗压强度相差较大, 由很小兆帕转入70兆帕以上, 开挖断面的地质呈现上软下硬的状态, 造成刀具在旋转中由软岩突然转入硬岩, 这种瞬间出现的冲击, 将对刀盘造成震动, 也将造成对我们刀具的强大冲击, 很容易造成滚刀的崩刃和刮刀的合金崩裂, 刀具考虑抗冲击性很重要;

(2) 由于区域内有部分砂质粘性土, 且花岗岩中石英含量较大, 在掘进过程因刀具在软弱部位受应力较小, 易导致刀具偏磨。

2. 在刀具选择过程中, 刀具应满足以下两种要求:

(1) 针对抗冲击性能方面, 需采用宽刃口的重型刀圈, 采用梯度刀圈能确保刀圈刃部具有极高的硬度HRC59-61, 这种硬度能有效对抗外部极其恶劣的工作环境。同时内圈部位的硬度为HRC50-54, 中部硬度为HRC53-57, 自由过渡, 呈梯度变化, 这样的硬度能保证极好的抗冲击性能, 能吸收外部冲击功, 防止刀圈的断裂现象, 同时这种梯度刀圈因为刃口硬度极高, 耐磨性能也十分突出, 这样当我们遇到石英砂含量较高既需要刀圈耐磨同时上软下硬需要刀圈抗冲击的地层, 这种刀圈的优势就凸显出来, 以很大程度上减少刀圈崩刃和断裂的情况。

(2) 针对偏磨情况, 主要是在掘进过程刀具无法转动, 这就需要要么加大推力以达到增加刀具所受应力达到足以转到刀具, 要么一定程度上减小刀具转动扭矩。

结合这两种要求, 最终选择了材质性能稳定的意大利庞万力重型滚刀刀圈, 对滚刀要求转动扭矩设置在20NM。当盾构掘进至联络通道 (掘进长度450m) 主动换刀点开舱检查刀具时, 发现仅2把刀具偏磨到10mm以上, 实践证明刀具选择是合理的。

四、刀具组合方面对策

除选择合适的刀具外, 刀具在尺寸配置等方面, 也需考量以下因素。

1. 在复合地层中, 尤其是上软下硬地层中掘进, 刀具差应控制在3cm~4cm之间, 滚刀直径宜选择17英寸为宜, 后松区间正是采用17英寸的滚刀进行掘进;

2. 滚刀间距应根据其岩石特性、类型等合理选择, 特别是在该地层, 部分强度已达100MPa, 经广州深圳掘进研究分析, 在花岗岩该强度下, 滚刀间距设置在5~8cm效果最佳, 故在设计盾构刀盘时, 结合多年总结经验刀具间距均设置在7~8cm;

3. 对应上软下硬地层和需要以土压平衡模式掘进的地层, 应提高其轴承密封质量, 确保高土压下不会因轴承失效而导致滚刀偏磨, 同时还需控制刀盘转速在1.5r/min内, 防止刀圈崩坏, 项目部在该段掘进刀盘转速控制1. 2~1.3r/min之间, 既防止崩坏, 又控制贯入度不大于滚刀与刮刀之间高差, 减小滚刀对破岩效果影响;

五、施工控制方面对策

刀具的合理选择, 只是为我们顺利完成掘进, 奠定了良好的基础, 在过程中, 仍需进行科学的施工控制管理, 才能让高质量的东西落实到实处, 发挥作用。

1. 土压设定方面。

在广深地区类似地质掘进, 应努力追求气压状况下的欠土压掘进这种工况, 既减少扭矩、减小推力、稳定开挖面、防止喷涌和结泥饼, 同时也大大地减少刀具的磨损量, 而项目部在该段掘进即采用2/3实土压+气压来进行参数设置, 同时在过程充分考虑水头压力及水土压力 (尤其是涨落潮) , 并实时调整, 随水头、土层的变化而变化, 以保证土仓的土压力足以平衡开挖面的压力。推进过程中顶部土仓压力设定为1.3-1.4Bar, 中部土压控制在1.5Bar左右, 通过在过程中根据掘进情况动态调整土压, 严格渣土管理, 保证了地面建筑安全。

2. 渣土改良方面。

由于地层水补给较多, 前期掘进过程常有喷涌现象, 为保证上部明渠安全, 水箱加入聚合物改良, 聚合物过小效果不理想, 太大又容易造成堵管, 经多次现场试验调整聚合物掺量 (广州合力) 一般在0.8‰~1.5‰之间, 有效控制了喷涌现象。

3. 掘进控制方面。

在掘进过程, 如何防止刀具的偏磨, 结合其刀具性能, 在前期的参数总结上, 最终将掘进速度控制在15mm/min以内, 使滚刀和岩面之间能够充分磨合, 防止滚刀崩损, 同时刀盘转速最好控制在1.2~1.3r/min之间, 既控制了瞬间冲击力, 又控制了贯入度。

4. 同步注浆方面。

在河底掘进时, 由于地层裂隙大, 含水量高, 水压力高, 注浆时遵循“同步注入, 快速凝结, 信息反馈, 适当补充”的原则, 对配合比在该段地层进行了重新设定, 配合比调整为水泥∶粉煤灰∶膨润土∶河砂∶水=200kg∶240kg∶100kg∶600kg∶416kg, 稠度达到13cm, 初凝时间为6小时43分。

由于及时合理调整了同步注浆配比, 再加上过程中根据出土及河渠的监测情况控制好注浆压力及方量, 既防止了地面沉降, 又保证了洞内管片质量。

5. 预防措施方面。

由于暗渠施工质量较差, 周边土体已扰动, 且右侧又紧邻建筑物 (二手车市场) , 为确保掘进施工安全, 我们首先对暗渠两侧, 按照间距1.5m设置深6m的注浆孔, 采用双液浆进行预注浆, 浆液压力控制在0.6MPa, 确保暗渠涵洞质量, 另外又对房屋基础两侧设置两排预埋袖阀管, 间距按照1.5m布置, 深度则设置6m, 最后在掘进过程加强地面监测和巡视, 根据地面情况进行动态管理。

六、结语

篇3：泥水盾构在典型上软下硬地层中的施工技术

摘要：在我国城市经济发展的推动之下，我国城市轨道交通获得较快的进步。但是在施工之中，因为地层结构的特殊性，对于施工进度以及质量造成一定的影响，本文则探讨了盾构穿越上软下硬地层之时的相关施工技术。

关键词：盾构；上软下硬；施工

引言

花岗岩、混合岩及灰岩等硬质基岩大面积分布于我国华南、东南及华北沿海地区，上面多为花岗岩、混合岩的残积层以及黏土层、砂层等地层。花岗岩、混合岩的残积层具有未扰动前比较致密、承载力较高，扰动后强度迅速降低、软化、崩解，自稳性差等特性。硬岩和软弱地层，两者地质物理特性差别大，地铁盾构隧道由于地铁车站埋深及线路坡度的限制，区间隧道洞身不可避免地会有部分位于硬质基岩、部分位于风化残积层或其他软弱层中。盾构在上软下硬地层中施工经常遇到掘进速度减慢、极易超挖、地面沉降严重甚至坍塌、盾构刀具磨损严重、卡机、螺旋机喷涌等问题。如何处理好这些问题，国内工程技术人员一直在分析和研究。

1、上软下硬复合地层的主要特征

上软下硬复合地层主要是由上部的土层和下部的岩层组合而成的岩土复合地层。盾构隧道中的上软下硬复合地层，其土层和岩层之间的过渡层很薄甚至没有，分界线明显，上部的土层较为软弱，不能过多承受施工扰动，而下部的岩层的单轴抗压强度往往高达几十甚至一百兆帕以上。

2、盾构机掘进上软下硬地层的风险

盾构隧道中上软下硬复合地层的土层和岩层过渡较快和性质差异显著的特点，使得盾构机在掘进时容易产生以下施工风险：

由于底部为硬岩，刀具贯入岩面困难，顶部为软土，刀具切削土层容易，因此盾构机掘进时垂直姿态容易上抬。（软硬各半的时候就会减少，除非软土占60%以上）

地层软硬不均，刀具在软硬交界的地方容易磕碰岩面，造成刀圈崩坏、刀轴密封漏油等刀具损坏情况；而如果掘进速度过慢（小于4mm/min）时滚刀不转，又容易造成刀偏磨。

底部为硬岩，掘进速度慢，上部软土因扰动大而容易变形和造成水土流失，尤其是在富水地层中，如果控制不好造成喷涌，更容易导致地层损失，最终导致地面沉降过大。

为维持上部软弱地层的稳定，土仓内常需保持稍高于水土土压，同时因盾构机掘进速度慢，摩擦作用使得仓内土体温度升高，从而容易产生“结泥饼”的现象。（结泥饼还包括喷涌时快速带走水量）

3、施工现状及问题

盾构隧道上软下硬地层的特性，决定了盾构施工的困难，施工中出现问题难以完全避免。部分区间施工承包商对该地层认识不足，盾构选型、采购或改造上针对性不强。部分盾构机操作手和现场施工技术管理人员也存在经验不足的问题，施工前施工组织没有针对性，缺乏相应预案，造成施工中问题不断，部分问题处理不及时，造成较大损失。

施工中出现的主要问题有：盾构掘进参数取用不合理，刀盘转速、贯入度、扭矩及推力等偏大；造成盾构机掘进不顺、姿态难以控制等问题。盾构掘进困难，盾构昂头，出土超量，地面沉降及坍塌。盾构刀具磨损严重，需频繁开舱检查刀具及换刀。盾构出现卡机现象。软弱地层松动坍塌，泥水涌入土舱，出现螺机喷涌；土舱保压造成地表冒浆等。

4、施工技术分析

4.1、施工准备

4.1.1、优化参数

开始穿越地层之前，需结合沉降情况优化施工参数，归纳总结沉降规律，针对盾构穿越地层结构展开合理分析，旨在实现最佳施工成效的最大化获取，严格控制地面沉降，确保盾构能够平稳安全地穿越地层结构。

4.1.2、维护设备

针对施工所用盾构机械设备采取有效的保养维护措施，确保龙门吊以及盾构机、二次注浆机、拌合站、电瓶车等相关设备拥有良好性能，可保持最佳运行状态，进而能够快速经过施工风险区域。

4.1.3、准备材料

施工之前，需尽可能准备数量充足且质量较优的工具和材料，坚决杜绝因为材料短缺使施工工作受到影响，提前准备好材料，确保工具数量足够且种类齐全，有备无患，规避意外状况的频繁发生。

4.2、掘进参数控制

4.2.1、脱困阶段

在恢复掘进前，为治理土仓内积水，防止喷涌，在关闭仓门前往土仓内倒入5～6t干膨润土，并搅拌均匀。

采用主动交接式盾构机掘进时首先使用同步千斤顶试掘进，如果推力加到36000kN（程序保护）仍无法顶动盾体时，采用铰接千斤顶推进。控制掘进参数如下：刀盘转速1.0～1.2r/min，在利用铰接推进时刀盘扭矩超过5000kN·m则停止向前推进，空转刀盘当刀盘扭矩降低至2000kN·m时继续利用铰接向前推进，如此循环掘进，铰接行程伸出30mm时，铰接油缸变换为收缩模式，同时利用同步千斤顶推动盾构机中盾和盾尾。如此循环操作，至使用同步千斤顶能正常推动盾体时恢复正常掘进模式。

4.2.2、正常掘进阶段

根据以前过上软下硬经验及目前实际情况，控制掘进参数如下。土压：根据刀盘埋深及地下水位高度计算得出土仓顶部静水压力为（如2.8bar）；根据掘进里程计算出理论出土量，根据实际出土量=理论出土量的原则控制出土，土仓顶部压力可控制在2.9～3.2bar左右。推力：由于土仓内土压较高，所需推力相应增高，推力3000～3600t；推力超过3600t后，及时分析掘进参数，判断推力增大原因。（以上参数以海瑞克土压平衡盾构机做参考）

4.3、设备掘进技术

在实际施工进程中，使用盾构机设备在上软下硬地层中进行觉得时候，针对软岩部分而言，切削掌子面便会使土层结构遭到破坏，针对局部岩石较硬部分，此处刀盘滚刀实际受力情况较大，伴隨着局部硬岩的不断作用，刀盘所受损伤变大，因此，需将刀盘转速适当降低，将其所受瞬时冲击控制在安全荷载范围之内。对于上软下硬地质而言，若仅仅考虑刀盘保护因素，结合硬岩方式单纯掘进，则会导致超挖问题，造成地表发生沉降情况，基于此，必须在全土压平衡模式下进行掘进施工，即为在实际的掘进过程中用需确保掌子面压力平衡以及土舱压力相对较高些。参考实际情况，结合各项参数值针对刀盘扭矩以及油缸推力、掘进贯入度等数据因素实施合理调节。掘进上软下硬地层结构的时候应注重推力的优化降低，控制推进速度，原因在于所有断面所拥有的强度是各不相同的，若产生较大速度则是刀具早软硬交接的位置形成意外损伤问题。基于此类地层的实际条件，通常结合盾构机设备贯入度实施控制。尽可能采用土体改良技术，旨在将刀具及螺旋输送机设备所产生的磨损情况大大降低，规避涌水问题的形成，通常将含水量较大的泡沫注至土舱内部、刀盘前以及螺旋输送机内部位置，选用盾构机泡沫系统实现泡沫注入，在此需注意泡沫溶液组成比例控制。再者说，因为上软下硬地层中软岩部分极易催生坍塌问题，加之硬岩部分拥有较大硬度，进而难以实施切削，所以为充分保护刀具则会将掘进速度大大降低，然而此时却会对软岩部分稳定性造成不利影响，在此需确保土压值保持较高水平，确保掌子面拥有较强的稳定性。

4.4、加固技术

上软下硬地层开仓换刀时掌子面加固在上软下硬地层中，开仓换刀时掌子面存在全风化岩，不具自稳性，在地下水作用下容易出现塌方情况，不具备开仓换刀条件，需对掌子面进行加固处理，处理措施如下：（1）在计划换刀里程，在地面进行预加固处理。（2）在预加固体效果不好时，则需及时在刀盘前方掌子面进行二次加固。①地面加固，在刀盘前方利用WSS注浆工艺进行加固。②洞内加固，由于WSS注浆加固体在地下水浸泡的情况下稳定期为2～3d，时间太长会出现小面积失稳，加固体和全风化岩会随着地下水流失，此时可将开口封住利用二次注浆机注双液浆进行填充加固。③在地面不具备加固条件时，且洞内无法进行注双液浆加固时，可向土仓内注入砂浆进行置换加固。

5、结语

综上所述，在地铁工程建设中，穿越上软下硬地层结构的时候需配备高技能人才合理运用盾构施工技术开展施工活动，关注施工要点，确保施工安全，促进工程建设的高质完成，强化提升城市交通运营能力。

参考文献：

[1]李光耀.狮子洋隧道泥水盾构穿越上软下硬地层施工技术[J].铁道标准设计，2010，11：89-94.

[2]翟圣智，胡蒙达，叶明勇，叶新宇，王树英，詹涛.南昌上软下硬地层土压平衡盾构渣土改良技术研究[J].铁道建筑，2014，08：27-31.

[3]刘五一.大直径泥水盾构穿越湘江漫滩粉细砂地层施工技术研究[D].中南大学，2013.

篇4：泥水盾构在典型上软下硬地层中的施工技术

盾构穿越上软下硬地层是盾构隧道施工中重点与难点, 本文重点从盾构施工参数和渣土改良技术角度, 探讨盾构在软硬不均地层中掘进的关键控制技术。

1 花岗岩残积土的工程物理特性

花岗岩的主要矿物成分为石英、长石及少量的黑云母、角闪石。花岗岩残积土中的长石、云母、角闪石已完全风化, 只有石英矿物残留成石英角砾。从残积土的颗粒组成来看, 是由细粒土和粗粒土混杂而成, 缺乏中间颗粒的混合土, 具有砂土和粘性土的性质。

从深圳地铁一期工程沿线花岗岩残积土的分布来看, 砾质粘性土大约占了80%～85%, 砂质粘性土约占15%, 粘性土只占不到3%。残积土颗粒组成如图1所示, 可以看出颗粒呈中间小, 两端大的特征。深圳地铁一期工程花岗岩残积土的直剪强度值凝聚力c平均为23.6 kPa、内摩擦角φ平均为26°, 具有较高的抗剪强度, 它既有粘性土的特点 (c值较高) , 又有砂土的特点 (φ角较大) 。残积土颗粒成分不均, 直接决定了盾构施工参数和渣土改良技术应用的复杂性。

花岗岩残积土存在一个上部硬壳层和下部相对软弱层, 主要是因为深圳地区气候高温湿润, 接近地表的残积土因受水淋滤作用, 氧化铁富集, 并稍具胶结状态, 形成网纹结构, 土质较坚硬;其强度低于上部土段, 再往下由于风化程度减弱, 强度逐渐增加, 因此, 残积土强度从地面向下呈硬—软—硬的现象。从深圳地铁部分残积土标贯值随深度的变化规律 (图2) 就可看出这一特性。盾构一般穿越深度较大, 穿越残积土软硬土层的分界层, 因此, 呈上软下硬的土层特征。

2 合理选择盾构掘进参数

2.1 局部硬岩地层掘进

盾构机在全断面硬岩地层掘进时, 掌子面自稳性好, 不易发生坍塌, 掘进可以在半敞开或完全敞开模式下进行;掘进时不易引起地表沉降, 可保持较小的土仓压力进行掘进。其掘进参数需要考虑以下因素:

1) 刀盘转速:由于硬岩硬度较高, 盾构掘进中滚压破岩时刀具受到的压力较大。为确保刀具的瞬时冲击力不超过安全荷载, 应适当控制刀盘转速, 不宜采用较快的刀盘转动速度掘进。

2) 土仓压力:硬岩中掌子面的自稳性较好, 不需外力来支撑掌子面, 可保持较低的土压进行掘进;上部土压可保持0.01～0.05 MPa, 下部土压保持0.07～0.12 MPa。

3) 油缸推力:硬岩掘进时采用单刃盘形滚刀为主进行破岩, 以刀具滚动产生的冲击压力和剪切力达到破碎岩石的目的。一般情况下, 推力是滚压破碎中主要的参数, 决定了扭矩以及其它参数。刀盘转速1.5～1.7 r/min时, 每转一圈刀具贯入量为3～5 mm, 掘进速度4.5～7.5 mm/min;扭矩一般控制17～19 MPa;油缸推力1 400～1 700 t调节。

4) 螺旋输送机转速:在硬岩掘进中, 掘进速度慢且土仓内渣土量少, 螺旋输送机转速的调节对掘进速度的调节作用不太明显, 主要用来调节土仓压力。螺旋输送机转速6～10 r/min进行调节。

5) 施工人员应根据油缸推力、掘进速度、盾构机各系统温度等参数, 来判断前方地层的硬度;随时观察渣土的颜色、形状和温度来确定渣土的石质, 并根据温度判断刀具的情况;根据以上信息及时选择正确的掘进参数, 保证设备在正常荷载下工作不受损坏。

2.2 上软下硬地层掘进

上软下硬地层是一种特殊的地质, 既有软岩地层的不稳定性, 又具有硬岩的强度。在这类地层施工中, 由于盾构机推进过程, 刀盘切削工作面土体, 上部软地层较易进入密封土舱, 而下部较硬岩体不易破碎, 盾构机的姿态较难控制。其掘进参数需要考虑以下因素:

1) 刀盘转速:在上软下硬地层中掘进, 软岩部分只需对掌子面进行切削即可破坏土层, 而局部岩石硬度较高, 硬岩处刀盘的滚刀受力较大, 局部硬岩对刀具即刀盘的损伤较大。应适当降低刀盘转速, 使刀具受到的瞬时冲击小于安全荷载。刀盘的转速要控制在1.2～1.6 r/min。根据实际的地质条件, 在刀具的选型及布置上着重增强其对地质的适应性。在掘进中加强对刀具的管理, 制定详细的刀具管理计划以及刀具监控检查和更新方法, 严格按计划换刀。

2) 土仓压力:在软硬兼有的地质下, 如只考虑保护刀盘, 单纯按照硬岩方式掘进, 势必造成超挖和地表沉降。掘进时应保持较高的土仓压力与掌子面的压力平衡, 即在全土压平衡模式下掘进。土仓上部压力保持0.16～0.2 MPa, 土仓底部压力保持0.24～0.28 MPa。

3) 油缸推力:在上软下硬地质下掘进, 必须降低推力, 调整掘进参数, 以求得在现有刀具条件下的最佳掘进效果。由于局部存在的硬岩对刀具的磨损很严重, 应减少刀具在连续工作时受到的冲击力以保护刀具。刀盘扭矩是刀具在受到冲击力后的直接体现, 降低了刀盘扭矩实际就是减少刀具所受的冲击力。在软硬不均的上软下硬地层中, 刀盘扭矩的最大值应保持10～13 MPa, 掘进速度控制在3～5 mm/min, 推力在1 000～1 800 t。根据实际情况各参数值可进行适当的调节。

4) 螺旋输送机转速:在上软下硬地层中, 土压的保持是非常重要的。由于软岩部分非常容易坍塌, 而硬岩部分因硬度较高不易切削, 为保护刀具需要降低掘进速度, 但此时的掘进速度对软岩部分的稳定非常不利。因此, 要保证掌子面的稳定性, 需要保持较高的土压, 要求螺旋输送机的出渣量, 转速一般保持3～8 r/min。

2.3 盾构在地层转换时施工措施

盾构在上软下硬地层中穿越时, 可能遇到从硬岩进入软岩或者从软岩进入硬岩的情况, 一般情况下适合软硬混合地层的复合型盾构机完全可以正常掘进, 但当岩层强度特别高时, 为了确保盾构在不同地质界面转换施工的安全, 采取如下措施:

1) 盾构由全断面岩石层进入软土层, 推进状态由半土压状态向土压平衡状态过渡, 需根据土压平衡原理设定土压力值, 确保开挖面稳定。调整同步注浆量和注浆压力、调整各区域油压差, 改变千斤顶的合力位置, 同时放慢推进速度。

2) 换刀需选择合适的时间、地点, 并采取合理的措施。在考虑换刀前必须选择合适的地层, 如果地层为软土, 自稳定性差或者临近有建筑物, 需提前对土体采用合适的方法进行加固处理来满足换刀条件。

3) 坚持信息化施工。根据地质剖面图, 随时监控土的性质确定转换界面, 根据不同地质状况选用不同的刀具配置模式。当遇到强度特别高的硬岩, 则更换单刃滚刀以满足盾构机的破岩。在不同转换界面位置设置监测点, 随时监测土体位移及地面沉降, 根据监测反馈信息及时调整施工参数。

3 渣土改良技术应用

3.1 渣土改良作用

根据国内外工程经验, 在软硬不均地层的盾构施工中, 渣土改良是保证盾构施工安全、顺利、快速的一项不可或缺的重要技术手段。渣土改良具有较好的土压平衡效果, 利于开挖面的稳定从而控制地表沉降;使渣土具有较好的止水性, 可防止地下水流失;使渣土具有较好的和易性, 切削下来的渣土易于快速进入土舱并顺利排土, 可有效防止土渣黏结刀盘而产生泥饼;可有效降低刀盘扭矩, 改善土体对刀盘、刀具和螺旋输送机的磨损。

3.2 不同地质渣土改良技术

1) 在硬岩中的使用。主要作用是降低对刀具和螺旋输送机的磨损, 防止涌水, 一般采取向刀盘前和土舱内及螺旋输送机内注入含水量较大的泡沫。注入泡沫剂和水可以冷却刀具, 又可以改良渣土, 使渣土具有良好的流动性。硬岩中注入的泡沫量一般为 35 L/m , 并视渣土情况可加少量水

或不加水。在泡沫剂作用下, 刀盘作用在掌子面上的有效扭矩得以增加, 同时可以减少刀具连续工作状态下的磨损量。

2) 在软弱地层中的应用。采取向土仓内加入泥浆 (或膨润土) 的方式, 对砂层或其它软弱地层起泥模作用, 使土仓内高压空气不易逸出, 可有效防止软弱地层坍塌。在砂质黏性土和全、强、中风化泥质粉砂岩的掘进中, 主要是要稳定开挖面, 防止刀盘产生泥饼, 并降低刀盘扭矩。一般采取分别向刀盘面和土舱内注入泡沫的方法进行渣土改良, 必要时可向螺旋输送机内注入泡沫。

3) 在软土地区富水地段和其他含水地层采用土压平衡模式掘进时, 主要是要防止涌水、防止喷涌、降低刀盘扭矩, 一般向刀盘面、土舱内和螺旋输送机内注入膨润土泥浆, 并增加对螺旋输送机内注入的膨润土, 以利于螺旋输送机形成土塞效应。

4 结论

1) 对花岗岩残积土工程地质条件和工程物理特性要有充分的认识, 对工程地质条件的认识和理解是克服施工难题、控制施工风险的前提。

2) 盾构在软硬不均的不同地层的掘进模式和掘进参数应根据地层稳定性确定。合理的盾构掘进参数是克服施工难题、控制施工风险的关键。

3) 针对不同的地质条件采用合理的渣土改良技术是保证盾构施工安全、顺利、快速的一项不可或缺的重要技术手段。

参考文献

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[5]李俊伟.复合地层条件下盾构选型的风险分析[J].地下空间与工程学报, 2007, 3 (7) :1241-1244.

[6]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].安徽:安徽教育出版社, 2004.

篇5：泥水盾构在典型上软下硬地层中的施工技术

[关键词]上软下硬复合地层盾本体有限元分析

一、引言

深圳地铁7号线某盾构区间通过上软下硬复合地层，施工条件比较复杂。隧道顶层多为砾质粘性土，底层多为强风化花岗岩及全风化花岗岩，部分为中风化花岗岩及微风化花岗岩。经地质补勘发现区间左线隧道范围岩层坚硬，微风化花岗岩单轴抗压强度达到150MPa，盾构推进困难。

上软下硬复合地层中，盾构法隧道能否安全、环保、优质、经济、快速建成的关键工作之一就是盾构选型。除了从安全适应性、技术先进性、经济性等方面综合考虑外，通过利用有限元软件对盾构机中盾盾体进行强度及模态有限元分析，为盾构选型提供理论支撑。

二、建立计算模型

（一）中盾本体受力分析

参考日本隧道技术规范，对盾构机中盾本体进行受力分析，盾体受力模型如图1所示。根据区间地质详勘资料，计算各部分压力值为P1=0.263Mpa，P2=0.189Mpa，P3=0.331Mpa，P4=0.277M pa。

（二）中盾本体有限元建模

根据盾构机图纸，建立中盾本体的三维模型，导入Ansys软件进行有限元分析。根据计算载荷对中盾本体施加压力载荷，在中盾与前盾连接面施加固定约束，生成中盾本体的有限元模型如图2所示，盾体材料如表1所示。

（三）中盾盾体强度分析

由图3（a）可知，已知载荷下作用下中盾本体的最大等效应力为70984M pa，发生在中盾与前盾连接处；在推进油缸安装的位置，由于中盾本体钢板减薄，等效应力较大。两处的最大等效应力均远小于16M nR钢的屈服强度为320M pa，满足强度要求。从图3（b）可知，中盾盾体的最大变形量为3mm，发生在中盾与前盾连接处，中盾盾体整体变形较小，符合使用要求。

（四）中盾盾体模态分析

盾构机在上软下硬地层中掘进时，掘进速度较低，外界激励频率较低，故结构的低阶频率对结构安全影响较大。利用Ansys软件对中盾盾体进行模态分析，得前六阶固有频率如表2所示。

由施工经验可知，外界的激励频率较低。由计算结果可知，中盾盾体的前6阶固有频率范围是46.368hz-52.8386hz高于外界的激励频率，所以中盾盾体不会发生共振，中盾盾体厚度合理，符合选型要求。

三、结语

篇6：泥水盾构在典型上软下硬地层中的施工技术

广州地铁3号线北延段同和—永泰站地下区间位于同泰路段, 沿同泰路呈南北走向。区间中间风井位于规划26 m宽的同泰路北侧地下, 兼作为盾构始发井与轨排吊装井, 满足盾构始发及轨排吊装的施工要求。中间风井有效中心里程为ZDK-6-989.999, 起点里程ZDK-7-005.899, 终点里程ZDK-6-974.099, 中间风井全长31.80 m (见图1) 。井口地面高程为51.8 m, 基坑开挖深度约39 m。由于中间风井以北区间隧道局部穿越<9Z>微风化震旦系混合花岗岩地层, 岩石天然单轴极限抗压强度平均值为81.87 MPa, 最高值达169 MPa;以南区间隧道局部穿越<9H>微风化燕山系花岗岩, 岩石天然单轴极限抗压强度平均值为106.1 MPa, 最高值达151 MPa, 因此中间风井兼做两端暗挖法施工竖井。施工组织简图见图2。

2 工程地质和水文地质

2.1 岩土分层及特征

中间风井范围内无断层通过, 地质构造较简单。上覆地层主要为第四系全新统和上更新统地层;下伏基岩为三叠系沉积岩、石炭系沉积岩和下古生界震旦系混合花岗岩地层。

岩土分层有:〈1〉人工填土层、〈3-2〉冲积-洪积中粗砂、〈6Z〉变质岩和花岗岩全风化、〈7Z〉变质岩和花岗岩强风化、〈8Z〉变质岩和花岗岩中风化、〈9Z〉变质岩和花岗岩微风化。

〈1〉人工填土层:以素填土为主, 局部为杂填土, 呈红褐、灰等杂色, 稍压实, 为人工堆填的黏性土、中粗砂、碎石、混凝土块等, 局部夹少量砖块。

〈3-2〉冲积-洪积中粗砂:呈灰白、浅灰黄、灰白等色, 土性为中粗砂, 局部砾砂, 饱和, 松散~稍密状, 级配较好, 颗粒成分为石英质, 含少量黏粒。

〈6Z〉混合花岗岩全风化:呈褐黄、褐红色等, 岩石风化剧烈, 原岩组织结构已基本破坏, 但结构尚可辨, 岩芯呈坚硬土柱状, 以砂质黏性土特性为主, 遇水易软化、崩解。

〈7Z〉混合花岗岩强风化:黄褐色等, 风化强烈, 原岩组织结构大部分风化破坏, 但原岩结构清晰可辨, 岩石风化裂隙发育, 风化不均, 岩芯呈半岩半土状、碎块状, 局部夹中风化岩块, 岩质极软, 岩块用手易折断, 具有遇水易软化、崩解的特点。

〈8Z〉混合花岗岩中风化:呈灰白、灰黄等色, 中细粒结构, 块状构造, 组织结构部分破坏, 裂隙较发育, 岩石硬, 较破碎, 裂面伴有铁染, 岩芯多呈碎块状, 少量长、短柱状, 风化不均匀。

〈9Z〉混合花岗岩微风化:呈深灰、灰白、浅灰等色, 中细粒结构, 块状构造, 裂隙稍发育~发育, 岩石坚硬, 较完整, 岩芯多呈短、长柱状, 少量块状, 锤击声脆。

中间风井结构底板落于<9Z>混合花岗岩微风化地层上。

2.2 岩土力学参数

中间风井范围内地层物理力学参数见表1。

2.3 水文地质条件

(1) 块状基岩裂隙水:块状基岩裂隙小, 主要赋存在花岗岩和变质岩强风化带和中风化带之中, 地下水富水性不强。

(2) 地下水腐蚀性:地下水对混凝土结构无腐蚀性, 对钢筋混凝土结构中的钢筋有弱腐蚀性, 对钢结构有弱腐蚀性。

(3) 勘察所揭露的地下水水位埋藏较浅, 稳定水位埋深为2.60~3.60 m, 地下水位的变化与地下水赋存、补给及排泄关系密切。

3 区间风井围护结构设计方案

基坑工程安全等级为一级, 变形控制保护等级为特级。由于风井位于同泰路段, 周边建构筑物较少, 东北面为山地, 施工场地较为宽阔;同时该风井的设置尚需满足盾构始发及轨排施工要求, 针对地层上软下硬的特点, 参照广州地铁类似工程经验, 考虑工期等因素, 拟对中间风井围护结构采用吊脚桩形式, 即围护桩不深入基底以下, 只是进入微风化岩层1.5 m后即终桩。中间风井围护结构上部采用“人工挖孔桩+预应力锚索”的支护形式, 挖孔桩桩径1.2 m, 桩长进入微风化岩层1.5 m, 桩顶设1 200 mm×1 000 mm钢筋混凝土冠梁。沿桩长共设3道预应力锚索, 一桩一锚。基坑下部由于位于微风化混合花岗岩位置, 采用“砂浆锚杆+喷射混凝土”作护坡面, 砂浆锚杆梅花形布置, 间距为1.5 m×1.5 m。喷射混凝土采用200 mm厚C25混凝土, 内双层配置φ10@200 mm×200 mm钢筋网。人工挖孔桩的混凝土强度等级为C30, 冠梁和腰梁混凝土强度等级为C30。提出该方案基于以下几方面考虑:

(1) 中间风井位置地质条件较好, 地下水类型为块状基岩裂隙水, 且本段块状基岩裂隙小, 主要赋存在混合花岗岩强风化带和中风化带中, 地下水富水性不强, 因此采用人工挖孔桩是合理的。且人工挖孔桩具有施工简单、质量可靠、承载力大、无噪声、无振动、无泥浆、施工速度快、工程造价低等优点。

(2) 当在硬岩中施工钻孔灌注桩时, 使用钻孔机具施工难度大。

(3) 根据当地成桩经验及施工单位的试成孔, 认为冲孔桩在硬岩地区成孔十分困难, 当冲孔至微风化岩层时, 冲孔效率显著降低, 钻头磨损异常严重, 这是因为地下微风化岩层强度太高。根据现场统计, 在如此致密的微风化岩层中, 单桩平均每日能入岩0.2~0.5 m。若按常规基坑施工方法, 将桩施工至基底以下, 则要比原定计划多耗时半年左右。

(4) 为满足盾构始发及轨排施工的要求, 中间风井围护结构上部采用“人工挖孔桩+预应力锚索”的支护形式。

(5) 通过分析该段微风化岩层的特点, 认为该层的渗透系数仅为0.01 m/d。较强风化、中风化岩层密实度高, 整体性好, 主动土压力小 (C值更是达到了1 000 k Pa) 。根据经验判断, 在该岩石层中采用直壁开挖锚杆挂网及喷混凝土支护风险不大。再考虑到承包商的施工工期及工程造价等多方面因素, 决定中间风井围护结构采用吊脚桩形式。在该地层中实施吊脚桩的优点主要是针对中间风井处的地层, 因地制宜地对上层土体进行支挡, 如此设计与施工, 既缩短了工期, 又降低了造价。

围护结构平面布置、横断面结构见图3、图4。

吊脚桩的内力采用理正深基坑F-SPW5.3软件进行计算, 对砂层采用水土分算, 其余地层采用水土合算。吊脚桩内力计算时, 为满足程序的计算模式, 假定桩底嵌固深度为0.001 m, 在计算开挖桩底土体的工况中能出现符合实际的悬臂受力状态。吊脚桩围护结构内力位移包络图见图5。

在上软下硬地层中采用吊脚桩围护结构是一种比较经济、有效的方式。但该种围护结构形式有时也存在较大安全隐患, 主要原因是同一地质编号岩层的整体性和强度相差很大。根据以往施工实践, 若桩底岩层透水性强、强度低、整体性差, 会造成墙脚失稳、岩体坍塌等工程事故。因此, 吊脚桩桩底必须落在较好的硬岩 (或较硬岩) 岩层中, 才能确保基坑安全。当桩底为强度相对较低的泥岩、砂岩等岩层时, 建议谨慎使用吊脚桩形式的围护结构。

4 桩间止水帷幕实施方案

普通止水帷幕通常指围护桩外侧的水泥土咬合搅拌桩和围护桩的桩间旋喷桩两种形式。一般的水泥土单轴搅拌桩在地层标贯击数>14的情况下常难以搅拌施工, 而旋喷桩能够在标贯击数相对较高的地层中成桩。由于场地强风化层组成物主要为砂质黏性土、砾质黏性土及黏性土, 含风化石英颗粒及岩石碎屑, 呈硬塑状, 遇水易软化、崩解。人工挖孔桩施工前先在挖孔桩内外侧各设一排旋喷桩 (格栅状施作见图3) , 保证挖孔桩施工安全。为保证在该强风化层中旋喷桩止水帷幕的顺利实施, 且达到设计深度, 旋喷桩施工前先采用工程钻机进行引孔施工, 成孔直径为150 mm, 成孔深度>设计深度 (50 cm) 。旋喷桩直径600 mm, 相互咬合150 mm, 进入强风化层底部。

在引孔施作旋喷桩止水帷幕后, 基坑开挖时再配合井内排水, 中间风井在开挖及使用过程中井壁渗流量都较小, 达到了预期效果。

5 区间风井围护结构施工技术

5.1施工步骤

(1) “三通一平”;

(2) 施工旋喷桩止水帷幕, 施工挖孔桩;

(3) 基坑开挖, 逐层开挖并依次施工预应力锚索及砂浆锚杆;

(4) 施工垫层、底板、侧墙及相应部位的防水层和接地网;

(5) 盾构始发吊装施工;

(6) 轨排吊装施工;

(7) 施工顶板和内部结构, 完全恢复路面。

5.2 施工要点

(1) 围护结构施工前应查明区间中间风井围护结构范围内地下管线的位置、埋深、管线材质及基础形式, 并会同业主、监理、设计单位和有关管线权属部门共同协商, 研究地下管线的迁改、加固和悬吊方案, 保证管线的安全和正常使用。