基于復雜地質條件下盾構法隧道施工

摘要：隨著交通發(fā)展，地鐵作為城市交通的一部分將越來越重要。由于地下鐵道的特性，地鐵隧道必然發(fā)生地質交叉。在這種背景下，我們有必要研究地質變化和地面建筑對下穿隧道施工的影響，該影響包括盾構機設備的選擇，掘進的速度，掘進模式的轉換等。文章對這種影響進行簡要分析并提出簡單建議。

關鍵詞：盾構;高強度;施工技術;

Abstract: with the development of city traffic, subway as part of the traffic will be more and more important. Due to the characteristics of underground railway, subway tunnel inevitable geological cross. In this context, it is necessary for us to research geological changes and ground construction of tunnel under construction influence, the effect of including the shield machine equipment choice, driving speed, driving mode conversion. Based on this effect are briefly analyzed and proposals.

Keywords: shield; high strength; construction technology;

中圖分類號：U455.49文獻標識碼： A文章編號：2095-2104（2012）

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一、工程概況

某地鐵工程區(qū)處在周邊環(huán)境復雜，且地質條件復雜，尤其是區(qū)間左右線穿越近3140m高強度硬巖段且間雜軟弱地層，給施工帶來很大的難度。

二、復雜地質條件下掘進施工

盾構在硬巖地層、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，提前做好機械設備、技術支持等施工準備工作，認真分析地質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；施工過程中準備的判斷碴樣，經(jīng)過碴樣試驗、分析，結合詳勘、補勘資料確定所掘進的地層，以采取相應的措施。

1、配置合適的刀盤

根據(jù)區(qū)間地質狀況，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。

1)滾刀設置

盾構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到破碎巖石的目的。

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、選定掘進參數(shù)

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。

a.采用小推力低轉速，適當降低掘進速度，使刀盤對底部較硬地層進行充分破碎。

b.嚴格控制出土量。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%。

c.重視盾構基礎數(shù)據(jù)的異常反饋，認真分析其異常原因，并采取果斷措施；密切注意工程地質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)。

d.嚴格進行同步注漿，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。

e.根據(jù)盾構推進的地質預報及出土情況分析，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”。

f.及時對盾尾密封添加足量的油脂，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。

g.合理利用盾構鉸接油缸，改變刀盤傾角以加強對礫質部位的切割，提高盾構掘進過程中的軸線控制能力。

h.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)。

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：盾構機在通過全斷面微風化地層時盾構機推力10000～14000KN； 盾構機扭矩控制在2200-2600KN/m； 推進速度為 8～13mm/min；刀盤轉速為1.7～1.9轉/分鐘。

三、復雜地質條件下施工技術措施

1、掘進模式轉換

在盾構推進過程中，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換，掘進模式應隨著地層變化及時調(diào)整。

應結合該區(qū)段范圍的地質縱斷面圖及相應鉆孔地質資料對渣樣分析進行綜合分析，確定盾構機當前的地質水文隋況，并預測盾構前方的地質水文情況，同時與盾構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、風化程度、掌子面隱定性。

（2）含水性分析：含水量、滲透性。

（3）盾構推進參數(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，結合設計地質勘探資料分析報告，確定當前盾構所處的地質水文情況，并及時調(diào)整盾構推進參數(shù)或采取其他輔助措施，實現(xiàn)信息化施工，保證盾構機安全、快速的推進。

2、刀具檢查及更換

為確保盾構順利掘進，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備。

1）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地層的適應性和磨損情況。

（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?shù)奈恢眠M行刀具檢查并更換磨損超標刀具。

（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。

2）硬巖段的刀具檢查

根據(jù)地質勘察報告，盾構有條件根據(jù)刀具磨損情況隨時開倉進行刀具檢查或換刀施工。因此，盾構在硬巖段掘進過程中，要求每掘進4～5環(huán)，即進行一次刀具檢查。特別是周邊滾刀磨損量的檢查，以保護好盾構機刀盤。

3）其他控制措施

（1）過硬巖段掘進時嚴格控制盾構推力，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）過硬巖段可適當減小泡沫劑用量，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、碴土改良及出碴管理

1）碴土改良

泥餅（次生巖塊）是盾構刀盤切削下來的細小顆粒、碎屑在密封倉內(nèi)和刀盤區(qū)重新聚集而成半固結或固結的塊狀體。

隧道軟弱地層大部分為殘積層、及風化巖層、、、、，此類巖層，易產(chǎn)生泥餅；掘進過程中需進行碴土改良，以防止泥餅產(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。

a.通過盾構機上的泡沫系統(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：90～95%壓縮空氣和5～10%泡沫溶液混合而成。

泡沫的注入量按開挖方量計算：300～600L/m。

b.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。

c.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=4:1:1:0.1，加泥量為5%～20%出土量。

2)出碴管理

掘進過程必須對出碴量有詳細的記錄及統(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。

4、盾構姿態(tài)控制及糾偏

利用PPS系統(tǒng)對盾構機姿態(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，設定推力和推進速度，實現(xiàn)對盾構姿態(tài)的實時控制，必要時一個掘進循環(huán)可分幾次完成。

1）糾偏方式

盾構機掘進時，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、豎直糾偏和水平方向糾偏等。

2）糾偏控制

盾構掘進的糾偏量越小，則對土體的擾動越小。由于同時處于小半徑（左線360m、右線350m）右轉彎圓曲線段、上軟下硬地層及下穿密集建筑群，為防止盾構機抬頭以及管片上浮及向圓曲線外側移動，需要對掘進方向進行預偏。

通過PPS系統(tǒng)及DTA測量系統(tǒng)的差值（盾構機中心坐標與原點坐標的差值），調(diào)整盾構機姿態(tài)為：垂直方向控制在-30～-40mm之間，水平視平方向應控制在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。同時應加密移站頻率，減少移站后出現(xiàn)的軸向偏差。