（水利工程专业论文）复合地层土压平衡盾构施工应用技术研究.pdf

摘要 摘要 盾构法隧道施工技术，尤其是土压平衡盾构旖工技术，以其地层适应性强、 高度的信息智能化、安全快捷、保持施工周边环境的和谐与统一等特点与优势， 在我国大型地下工程开挖中得到了广泛的推广和应用。本文在前人、学者、工程 技术人员探索、研究的基础上，结合工程实例，对复合地层大型地下工程开挖土 压平衡盾构施工技术进行了系统的研究，并对复合地层盾构改造及土压平衡盾构 施工的难点、重点及其对策作了探讨。因此，本文具有一定的学术价值，对水利、 能源、交通领域复合地层大型地下工程开挖实践具有一定的参考价值和指导意 义。本文主要研究工作： 1 阐述广州地区盾构隧道复合地层的工程地质特征。本文结合工程实例，在 大量查阅文献及研究资料的基础上，研究分析了复合地层工程地质特征和盾构法 隧道施工的难点、重点，提出了施工对策。 2 研究盾构机复合地层适应性改造技术。本文提出了复合地层盾构机选型的 综合因素，实践中成功地对2 台旧盾构机进行复合地层适应性改造，提高了机械 重复使用效率，节约了施工成本，安全顺利地完成了全区间的掘进施工。 3 验算盾构施工关键参数。对盾构机总推力、扭矩等关键参数进行验算。 4 从盾构始发掘进阶段、正常掘进阶段与到站( 达) 掘进三个主要阶段入手， 系统研究了复合地层土压平衡盾构主要的施工工艺。 5 研究特殊地段盾构施工技术。本文研究了工程旖工中穿越珠江、砂层及建 筑基坑三种特殊地段的施工技术。 通过上述研究，本文认为复合地层大型地下工程开挖施工情况复杂、困难， 但通过盾构机选型、改造和采取其他一系列有效的施工技术措施，复合地层盾构 施工安全、快捷、高效的优势可得以充分体现，完全可以实现经济和社会效益并 举的目的。 关键词：土压平衡盾构、复合地层、适应性改造、掘进参数、施工技术 i i a b s t r a c t a b s t r a c t s h i e l d t u n n e l l i n gt e c h n o l o g y , e s p e c i a le a r t hp r e s s u r e b a l a n c e ds h i e l d ( e p b s ) t u n n e l l i n g t e c h n i q u e ，w i t hi n t e g r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g e so fh i g ha d a p t a b i l i t yt od i v e r s es t r a t a ， a d v a n c e di n t e l l i g e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m s a f ea n ds p e e d y , o t h e rw a y , h a r m o n i o i l sa n du n i f l e dt o c i r c u m j a c e n te n v i r o n m e n ta r o u n dc o n s t r u c t i o ns i t e ，l a r g e l ya p p l i e da n dp o p u l a r i z e di nf i e l do f l a r g eu n d e r g l o u n de x c a v a t i o ni t e r n si no u rc o u n t r y b a s e do nt h er e s e a r c ha n ds t u d yo ff o r m e ra n d s c h o l a r , t h ep a p e rc o m b i n e ds t u d yo nt e c h n i q u eo ft r a n s f o r m i n gu s e d s h i e l dm a c h i n ea n d c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fe p b si nc o m p l e xs t r a t as y s t e m a t i c a l l yw i t he n g i n e e r i n gp r a c t i c e m e a n w h i l e ，d i f f i c u l t i e s ，k e yp o i n t sa n dc o u n t e r m e a s u r e so fe p b st u n n e l l i n gi nc o m p l e xs t r a t a w e r ec o n s i d e r e d t h e r e f o r e ，t h ep a p e rh a sv a l u eo fr e f e f e n c ea n di n s t r u c t i o nt os k i e l dt u n n e l l i n g p r a c t i c a le n g i n e e r i n gi nf i e l do fw a t e rc o n s e r v a n c ya n dh y d r o p o w e re n g i n e e r i n g , e n e r g ya n d t r a n s p o t a t i o n , b e s i d e sd e t e r m i n a t ea c a d e m i cv a l u e t h ep a p e rd e v e l o p e dt h ef o l l o w i n gm a i nw o r k s a n dr e s e a r c h e si nf i v ef i e l d s ： 1 _ g e o l o d c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc o m p l e xs t r a t ai ng u a n g z h o uw a se l a b o r a t e d o nt h eb a s e m e n to f l o o k i n gu pa n ds t u d y i n gr e l a t e dl i t e r a t u r e ，w i t hc o m b i n i n gw i t hp r a c t i c a lc o n s t r u c t i o ne x a m p l e ， t h ep a p e ra n a l y z e dt h ed i f f i c u l ta n df o c a lp o i n t si nc o m p l e xs t r a t a t h ec o n s t r u c t i o nw a y st od e a l w i t ht h es i t u a t i o nw a sp u tf o r w a r d 2 t h et e c h n i q u eo ft r a n s f o r m i n gt h eu s e d s h i e l dl i l a c h i n ea d a p t e dt oc o m p l e xs t r a t aw a ss t u d i e d m u l t i p l ef a c t o r so fs e l e c t i n gs h i e l dt y p eh a db e e np u tf o r w a r di nt h i sp a p e r i no r d e rt oe n h a n c e u t i l i z i n ge f f i c i e n c yo fs h i e l dr e p e a t e d l ya n dr e d u c et h ec o n s t r u c t i o nc o s t ，t h ep l a no ft r a n s f o r m i n g t w ou s e d - e p b sm a c h i n e sa d a p t a b l yt oc o m p l e xs t r a t aw a sm a d ea n dc a r r i e do u ts u c c e s s f u l l yi n t h ec o u r s eo ft u n n e l l i n gt h r o u g hw h o l er o u t es a f e l y 3 s h i e l dt u n n e l l i n gc o n s t r u c t i o nk e yp a r a m e t e r sw e r ec h e c k e d s h i e l d sk e yp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n g s h i e l d st o t a lt h r u s tf o r c e ，t o r g u e ，e t e w e r ec h e c k e d 4 s h i e l dt u n n e l l i n gc o u r s ec o n s i s t so ft h r e em a i np h a s e s ，w h i c ha r ei n i t i a lp h a s e ，n o r m a lp h a s e ， a n da r r i v a lp h a s e a c c o r d i n gt h e s ep h a s e s ，c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fe p b si nc o m p l e xs t r a t aw a s r e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a l l y 5 s h i e l dt u n n e l l i n gt e c h n i q u eo fs p e c i a lg e o l o 百c a ls e c t i o nw a ss t u d i e di nt h ep a p e r , i n c l u d i n gt h e t e c h n i q u eo fs h i e l dt u n n e l l i n gt h r o u g hp e r a lr j v e rb e d s a n ds t r a t aa n dac o n s t r u c t i o nh o l l o w t h ec o n c l u s i o nw e r eo b t a i n e dt h r o u g ha b o v ew o r k s a l t h o u g ht h ec o n d i t i o no fc o m p l e xs t r a t ai s c o m p l i c a t e da n dd i f f i c u l t ，s h i e l dt u n n e l l i n gc a nb ew e l ld o n ei nar e g u l a rp a t t e r n b ys e l e c t i n g s h i e l dm o d e l ，t r a n s f o r m i n gs h i e l da n dt a k i n go t h e re f f i c i e n te x c a v a t i n gm e a s u r e s ，t h ea d v a n t a g e s o fs a f e t y , s p e e da n dh i g he f f i c i c i e n c ya r eo b v i o u s ，n o t a b l eb e n e f i t so fe c o n o m ya n ds o c i e t ya r e a v a i l a b l e k e yw o r d s ：e a r t hp 仲姆u mb a l a l i g e s h i e l dc o m p l e xs t r a t aa d a p t a b l et r a n s f o r m a t i o n e x c a v a t i o np a r a m e t e r sc o m t r a c t i o nt e c h n i q u e 1 1 i 第一章绪论 1 1 选题的背景和意义 第一章绪论 本文的选题直接来源于广州地区某大型地下工程盾构法开挖实践。本文旨在 通过研究城市轨道交通地铁隧道与水利工程引水隧道两者之间的共有施工技术， 揭示复杂地质条件下利用土压平衡盾构进行大型地下工程盾构法开挖的施工模 式，为今后在复合地层或近似复合地层条件下，采用土压平衡盾构法进行一次性 成洞开挖水利工程引水隧道提供参考和借鉴作用。 世界上盾构法隧道发展历史已有1 8 0 多年“1 ，盾构法隧道的发展史和实践史 证明，这一大型地下工程开挖技术与其它工法相比，具有独特的优势：一是机械 化程度高，劳动强度低，进度快；二是隧道衬砌经济，隧洞成型精度准确，整体 质量高：三是地表隆陷量小且可控，对地面建( 构) 筑物结构影响较弱；四是人 员和设备安全保障度较高；五是对施工周边环境干扰度较小，地下水位基本保持 稳定。经过1 8 0 多年的发展，盾构法隧道技术日臻完善，成为大型地下工程开挖 核心技术，从松散软土、淤泥到硬岩几乎所有地层都可应用，这就为在不良地质 条件、复杂恶劣施工环境、大深度、长距离、狭窄空间条件下的大型地下工程开 挖技术带来了前所未有的发展阶段，使盾构法成为大型地下工程开挖的最佳手 段。因此，尽管重点、大型水利枢纽建设工程与高坝大库水电站建设工程都不可 避免会遇到大型引水隧道的施工难题，但只要科学合理地采用盾构法，很多问题 都将迎刃而解，盾构法在水利工程建设中大有用武之地。 我国自2 0 世纪6 0 年代开始引进盾构法隧道技术，2 0 世纪9 0 年代后，盾构 法隧道技术广泛地应用于能源、交通、水利等领域的隧道建设。尤其是，随着我 国水利建设事业的飞速发展，在重点、大型水利枢纽引水隧洞工程建设中，除了 采用传统的矿山钻爆法施工技术，盾构法技术正大展身手。1 9 9 2 年，我国采用 硬岩掘进盾构机( t b m _ t u n n e lb o r i n gm a c h i n e ) 成功修建了引大入秦工程第 二长的一条直径4 8 m 无压输水圆形隧道。2 0 0 5 年9 月，随着世界性水利工程一 南水北调穿黄工程开工建设，拉开了我国采用大型盾构机穿越黄河的序幕。 河海大学工程硕士学位论文 作为水利工程的一种重要结构型式，水剥工程引水隧道与能源、城市轨道交 通地铁隧道的结构原理相同，施工方法、过程等基本相同，主要的区别只是在于 因两种隧道用途不同而采取了不同的衬砌结构。地铁隧洞一般采用3 0 c m 厚拼装 式预制钢筋混凝土管片单层衬砌结构；水利隧洞( 如南水北调中线穿越黄河隧道) 则采用双层衬砌结构，外层为拼装式预制钢筋混凝土管片结构，厚4 0 c m ，内层 为现浇预应力钢筋混凝土整体结构，厚4 5 c m ，中间采用弹性防水垫层。内外衬 单独受力，外衬承受外侧水土压力，内衬承受内水压力”1 。可见，完全可以将复 杂地质条件下地铁隧道旖工技术研究成果应用于复杂地质条件下水利工程引水 隧道施工。本文正是基于这一理念而开展研究工作的。 本文的选题来源于正在建设中的广州地铁3 号线盾构隧道区问工程实践，研 究的主要内容是复合地层条件下运用土压平衡盾构法进行大型地下工程开挖的 应用技术。本文在前人、学者、工程技术人员实践、探索、研究的基础上，结合 工程实例，系统研究了复合地层条件下大型地下工程开挖中盾构机选型、改造与 隧道施工应用技术，具有一定的学术价值，对盾构法工程实践具有一定的参考价 值和指导意义。 1 2 土压平衡盾构原理及特点 1 ，2 1 盾构法隧道 盾构法隧道的基本原理是用一件有形的钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体 而向前推进，钢质组件主要起防护开挖出的土体、保证作业人员和机械设备安全 的作用，同时承受来自地层的压力，防止地下水或流沙的入侵“1 。根据盾构保持 开挖面土体稳定所采用的平衡方式的不同，盾构可分为土压平衡盾构和泥水加压 盾构，两者特点及适用地层有所区别( 见表1 1 ) ， 2 第一章绪论 特点 土压平衡盾构泥水加压盾构 具备碴土改良功能，可对各种土体进行改良而在易发生流砂的地层中能稳定开挖面，可 1 无需辅助设备，节约生产成本。 在常大气压下施工。 利用土舱内的泥土支护开挖面，根据压变化开挖面由泥浆支护，上覆地层浅时，存在 2 调整出土和推进速度，较好地控制地表沉降。泥浆贯穿上覆地层而泄露的危险。 对掘进土量和排土量能形成自动控制管理，机泥水管道输送泥水混合物，速度快而连 3 械化程度高，进度快。续，减少了编组矿车运输量。 复合型刀盘系统，刀具具互换和可更换性，能刀具、刀盘磨损小，适应长距离盾构施工。 4 满足小半径曲线段掘进要求。 刀盘扭矩在标称扭矩2 0 6 0 k n m 与脱困扭矩刀盘所受扭矩小，适合大直径隧道开挖。 5 5 3 0 0k n m 之间连续可调。 无需泥水处理设备，占用场地少，对周边环境泥水处理设备庞大，占用场地大，泥浆易 6 不造成污染。对场地及周边环境造成污染。 适用可在砂砾、砂、粉砂、粘土等软硬相间或上软适用于软弱的淤泥质粘土层、松散的砂土 地层下硬的地层中使用。层，不适用于硬岩地层。 表1 1 土压平衡盾构与泥水加压盾构对比表 由于土压平衡盾构具有适用于软硬相间或上软下硬地层，以及场地占用少、 对施工环境干扰程度低、污染小等方面的独特优势，在广州大型地下工程开挖中 土压平衡盾构法得到了目益普遍的采用。本文研究的广州地铁3 号线盾构隧道， 就是成功采用土压平衡盾构技术开挖隧道的工程实例。 1 2 2 土压平衡盾构工法应用现状 土压平衡盾构( e p b s e e n hp r e s s u r eb a l a n c es h i e l d ) 自1 9 7 4 年在日本首 次使用以来，以其独特的优势已广泛应用于世界各地的隧道工程施工。1 9 8 4 年， 上海市隧道工程公司在我国首次应用从日本引进的0 4 3 6 m 土压平衡盾构建成了 芙蓉江下水道总管工程。1 9 8 8 年，上海又自行研制了o4 3 5 m 加泥式土压平衡盾 构，成功地穿越了软弱粘土和砂性土交错的复杂地层，建成了上海市南电缆过江 隧道。据不完全统计，上海、广州、北京、深圳、南京、天津等地铁工程目前有 5 0 余台土压平衡盾构用于区问隧道施工。其中，9 0 为中6 1 4 6 3 4 m 的土压平 衡盾构，上海地铁还引进了5 台0 6 3 w 1 0 9 m 双圆型土压平衡盾构进行双圆隧 道掘进施工“1 。实践证明，土压平衡盾构具有土层适应性广、作业安全、机械化 程度高、掘进速度快、开挖面稳定、能较好地控制地表沉降、保护环境、适应在 复杂地质条件下以及在市区和建筑密集处施工等优点，在大型地下工程开挖中具 有较好的发展前景。 河海大学工程硕士学位论文 1 2 3 土压平衡盾构基本构造与工作原理 ( 1 ) 土压平衡盾构机基本构造 土压平衡盾构的主要组成部分包括：刀盘切削系统；主轴承；推进油 缸：人闸；螺旋输送机系统；管片安装系统，以及后续台车系统以及管片 吊运系统等。土压平衡盾构机盾体结构示意如图l - 1 所示。 人闸 图1 i 土压平衡盾构机盾体基本构造示意图 ( 2 ) 土压平衡盾构工作原理 土压平衡盾构的工作原理是通过调整排土量或开挖量来直接控制土舱内的 压力，并使其与开挖面地层水、土压力相平衡，同时直接利用土舱的泥土对开挖 面地层进行支护，从而在开挖面土层保持稳定的条件下进行隧道掘进。 土压平衡盾构的开挖土舱由盾体前端全断面切削大刀盘( 图1 2 ) 、切口环、 隔板及螺旋输送机组成。土压平衡盾构依靠刀盘旋转切削开挖面土体，土砂被切 削后进入刀盘后的密封土舱，在切削刀盘后面及隔板之间装有能使土舱室内土砂 强制混合的搅拌臂。盾构借助推进液压缸的推力通过隔板对土舱内碴土进行加 压，产生泥土压力，这一压力作用于整个作业面使其保持稳定。土舱内的土压力 通过土压传感器进行测量，为保证土舱内一定的土压力，需根据土压传感器显示 的土压力值调节推进力、推进速度、螺旋输送机转速等以控制土舱压力，使土舱 压力稳定在合适的范围值内。一旦土舱内的士压力大于地层土水压力时，地表将 隆起；而当土舱内的土压力小于地层水土压力时，地表将沉陷。因此，刀盘切削 下来的土碴量与螺旋输送机向外输送的土碴量应保持平衡，土舱内的土压力才能 与地层的水土压力相平衡( 图1 3 ) ，保持开挖面的稳定。 4 第一章绪论 刀盘正面刀盘反面 图1 2 压平衡式盾构刀盘图 地衰面 pw+pe2pedio 图1 3 土舱土压力与地层水土压力平衡示意图 土压平衡盾构适用于各种粘性地层、砂性地层、砂砾土层，以及风化岩地层、 软土与硬岩兼有的复合地层。为改良土砂的塑流性能，土压平衡盾构掘进旖工时， 视地层情况需向土舱、螺旋机以及刀盘喷注泡沫或润滑泥浆。 ( 3 ) 土压平衡盾构施工流程 土压平衡盾构施工流程如图1 4 所示。 河海大学工程硕士学位论文 1 3 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容包括： 阐述广州地区复合地层的主要工程地质特征。本文结合工程实例，在大量 查阅文献及研究资料的基础上，论述了复合地层工程地质特征及盾构法隧道施工 第一章绪论 的难点、重点，提出了施工对策。 研究复合地层盾构机选型及适应性改造技术。本文提出了复合地层盾构机 选型的综合因素，分析了土压平衡盾构的主要优点。为合理延长盾构机这一投资 巨大、主要依赖进口的重要施工设备的使用寿命，提高其使用效率，节约施工成 本，结合实际，成功地对2 台实际掘进里程已超过设计标准的土压平衡盾构机进 行改造重复使用，确保了这2 台盾构机安全顺利地完成了区间隧道的掘进施工。 验算盾构机施工参数。系统地对盾构机施工掘进参数( 包括总推力、扭矩、 推进速度、推进系统功率、螺旋机出土量等) 进行了验算。 系统研究了复合地层土压平衡盾构始发掘进阶段、正常掘进阶段与到站 ( 达) 掘进阶段三个主要施工阶段的施工工艺。 研究复合地层特殊地段盾构施工技术。本文研究了工程施工中穿越珠江、 砂层及建筑基坑三种特殊地段的施工技术。其中，综合运用多种地层加固技术穿 越居民密集区正在进行基础冲孔灌注桩施工的浅覆土基坑是广州大型地下工程 盾构法开挖史上的首例，成功穿越该基坑的施工经验对今后类似地段的工程施工 具有借鉴和参考价值。 河海大学工程硕士学位论文 第二章复合地层盾构施工难点、重点及对策 2 1 广州盾构隧道地层岩土特征 2 1 1 地层岩性概述 广州地区基岩埋深起伏较大，残积土层和风化岩是盾构的主要通过层位，这 也是国内首次在地质条件较为复杂的地层软硬相间的地基中进行盾构施工。与上 海为代表的华东地区盾构隧道穿越典型的软土地层不同，广州盾构隧道穿越的地 层以上软下硬复合地层为特征，主要穿越砂层、淤泥层、软土层和全中风化甚 至是微风化岩层的软硬兼有的复合地层，主要有古生界石炭纪、二叠纪，中生界 三叠纪、白垩纪，新生界第四系及燕山一期花岗岩和第四系等地层，第四系与基 岩之间缺乏第三系“。 第四系( q ) 广州盾构隧道沿线第四系包括全新统( q 。) 和上更新统( q 3 ) ，以及残积土层 ( 矿1 ) 。 白垩系上统( k 2 ) 自垩系上统岩性主要为棕红色砂岩、含砾砂岩、砾岩、泥质粉砂岩，以及泥 灰岩等，钙质、泥质胶结，俗称“红层”。 二叠系下统( p ，) 岩性为栖霞组( p 。) 深灰色泥炭质灰岩、炭质灰岩及深灰色石灰岩。 石炭系( c ) 岩性以灰岩、灰岩夹炭质页岩、页岩夹砂岩为主，以及褐黄色砂岩。 广州盾构隧道沿线的岩浆岩岩性主要为中细粒黑云母二长花岗岩，属于燕山 晚期第一阶段大鸿鹄岩体( t 7 尹) ，变质岩岩性为次流纹斑岩。 2 1 2 岩土分层特征 8 广州盾构隧道地质分层复杂，各层的岩土力学指标差异性很大。根据各岩土 第二章复合地层盾构施工难点、重点及对策 层的性质、状态和物理力学指标的差异性以及基岩的风化程度和层间力学指标的 不同，地层自上而下分为9 层，主要是人工填土层、海湖相冲积层、坡洪积层、 冲积层、残积层等；基岩有沉积岩、岩浆岩夹局部变质岩等“1 。 人工填工层( ) 人工填土层包括素填土和杂填土。人工填土层的层号为( 1 ) 。 淤泥层( q ) 淤泥层分为2 个亚层，即海陆交互淤泥、淤泥质土层( 层号为( 2 - 1 ) ) ，以 及海陆交互淤泥质砂层( 层号为( 2 2 ) ) 。 砂层( q 3 ) 砂层分为2 个亚层，即海相冲积砂层( 以粗砂、中砂为主，层号为( 3 - 1 ) ) 及洪积一冲积砂层( 以细砂、中砂为主，层号为( 3 - 2 ) ) 。 冲积一洪积一坡积土层( q ；“一) 广州盾构隧道穿过了白垩系上统( k ，) 砂岩分布区，以及二叠系下统( 只) 和 石炭系( c ) 石灰岩分布区，不同岩性发育的冲积一洪积一坡积土层有较明显的工程 差异，层号为( 4 ) 。白垩系红色砂岩分布区的冲积一洪积层主要由冲积、洪积作 用而形成的粘性土( 包括粉质粘土、粘土) 和粉土组成：石灰岩分布区冲积一洪积 土层主要由粉质粘土组成，部分地段有河湖相淤泥质土分布，呈透镜体夹在冲积 一洪积土层中，工程特征独特，这是广州盾构隧道穿越的不良地层段。 残积土层( q 4 ) 残积层分布在第四系冲积一洪积层之下，覆盖在母岩之上，层号为( 5 ) 。白 垩系红色砂岩分布区残积层主要由粉质粘土、粉土组成；花岗岩分布区的残积土 层含石英颗粒较多，干燥时比较坚硬，标准贯入击数较大，但遇水容易崩解；石 灰岩分布区的残积土层主要由二叠系石灰岩在物理风化作用下残积而形成的粘 性土组成。 岩石全风化带 砂岩全风化带为褐红色，层号为( 6 ) ：泥灰质灰岩全风化带为灰黑色，层号 为( 6 c ) ；花岗岩全风化带为紫红色、土黄色，夹白色斑点，层号为( 6 h ) 。 河海大学工程硕士学住论文 岩石强风化带 砂岩强风化带为紫红色，钙质、泥质胶结，含砾石，层号为( 7 ) ；花岗岩强 风化带为红褐色、黄褐色，带白色斑点，层号为( 7 h 。 岩石中风化带 中风化带( 层号为( 8 ) ) 主要分为砂岩、花岗岩中风化带以及泥炭质灰岩中 风化带。 岩石微风化带 微风化带( 层号为 l o o m ) 硬岩段，根据目前盾构机技术水平，综合考虑经济和 工期因素，应因地制宜地选择传统的矿山法作为在硬岩段盾构施工的辅助方法， 即采用矿山法开挖隧道，盾构机拼装管片。 2 2 4 穿过富水断层破碎带 广州盾构隧道区间部分地段穿越地质情况复杂的富水断层破碎带。破碎带一 般岩体破碎、围岩的强度大，天然单轴抗压强度差异很大，强度不均匀，稳定性 差，形成了地下储水构造，地下水比较丰富。盾构在这类地段掘进易发生涌水现 象，破碎地段的大岩块易堵塞螺旋输送机，因此，要求盾构具较强的破岩能力， 刀具的选择和布置要合理，同时采取以下技术措施： 根据围岩的变化及时更换刀具，随时监测刀具和刀盘受力状态，确保其不 超载。 螺旋输送机出口设置防喷涌设施，发生涌水时及时关闭螺旋输送机出口， 将水堵在盾构体外。 提高掘进控制水平，及时调整土舱压力，确保土压平衡。同时，采取有效 措施防止拼装管片时盾构后退，保证工作面的土体稳定。 适时调整掘进参数，防止出现过大的方向偏差。而且，要使岩石得到充分 的破碎、切削，避免大的岩块堵塞螺旋输送机。 掘进过程中向土舱内喷注泡沫或泥浆，防止螺旋输送机被堵塞和水涌入隧 道。 对地表和建筑物实施连续监测，及时注浆充填管片和地层之间的环形间 隙，控制地表沉陷。此外，要控制同步注浆压力，避免浆液漏入盾尾。 地下水压较大时，要及时在尾刷处压注油脂，防止盾尾密封被击穿。 硬岩段掘进时要启动盾构稳定装置，以减小盾构的振动和防止盾构产生超 限扭转，保持管片受力均匀、稳定，确保隧道的成型质量，保护管片。 河海大学工程硕士学位论文 2 2 5 通过含“孤石”地层 广卅i 盾构隧道区间地层存在俗称“孤石”的花岗岩球状风化体或大砾石，这 些孤石的单轴抗压强度可达3 5 m p a 以上，强度差异较大，易造成刀具损坏，并可 能导致刀盘变形、盾构机瘫痪。因此，一旦盾构机遇到含孤石的地层时，应采取 如下的处理方法： 在开挖面稳定( 或地层经加固后稳定) 情况下遇到孤石时，采用静态爆破与 人工凿除相结合的方法去除孤石。 当遇到孤石群时，向土舱内加入气压以稳定工作面，采用高转速、低扭矩、 低推力谨慎掘迸穿越孤石群。 2 2 6 通过复杂多变的线形施工段 广州盾构隧道区间曲线段较多，隧道曲率半径较小，转弯较急，曲线段累计 长度较长，因此对盾构机的掘进速度、掘进模式与掘进姿态控制要求高，针对性 的掘进措施主要包括： 在每个曲线段掘进之前，对技术人员，尤其是盾构机操作手进行线路特点 的技术交底，制定相应的操作策略。线路参数以表格的形式贴在盾构机控制室内， 供操作手随时查阅参考。 严格控制盾构机的掘进参数，在正常情况下，盾构机水平和竖直方向的轴 向偏差应控制在_ 2 0 r a m 以内。 严格控制变线段和变坡点附近的掘进方向，避免轴线偏差增大。 密切注视开挖断面地层特点对掘进方向控制的不利影响，及时调整掘进策 略。 根据线路变化特点选择合适的管片类型，减小隧道轴线偏差，确保管片拼 装质量。 2 2 7 预防结泥饼及相应处理措施 盾构在粘土矿物含量高的残积层、全风化岩带地层掘进时，极易在刀盘和土 舱聚积泥饼。预防结泥饼及相应的处理措施主要包括： 1 4 第二章复合地层盾构施工难点、重点及对策 掘进时掺入高浓度泥浆或泡沫，改善土体的和易性，预防粘土结块。 刀盘背面和土舱胸板上增设空心搅动棒，增加搅拌强度和范围。空心棒内 预留注水孑l ，以便清洗刀盘和土舱。 空转刀盘，使泥饼在离心力作用下脱落。 如果围岩隔水性较好，采用气压平衡模式掘进。 在开挖面稳定的前提下，人工迸舱清除泥饼。 2 2 8 防止盾构隧道上浮 防止盾构隧道上浮的措施主要有； 盾构机掘进轴线补偿：根据不同的地质条件，必要时适当调低掘进轴线 2 0 5 0 衄。 及时进行二次补浆：隧道上部注浆，下部引水。 旖工中改善壁后注浆浆液的配合比，缩短其初凝时间。 2 3 工程实例 2 3 1 工程概况 本文选择代表性较强的广州地铁3 号线“珠江新城站客村站”区间( “珠 客”区间) 圆形盾构隧道工程作为复合地层条件下大型地下工程开挖施工技术 研究的工程实例。该工程分左线和右线各l 条，由单线总长1 2 9 2 3 5 m 的“珠江 新城站赤岗塔站”隧道区问( “珠赤”区阔) ( 隧道里程y d k 4 + 1 3 6 1 5 y d k s + 4 2 8 5 ) 和单线总长1 0 4 0 8 m 的“赤岗塔站客村站”隧道区间( “赤客” 区间) ( 隧道里程y d k 5 + 5 7 5 8 y d k 6 + 6 1 6 6 ) 组成( 图2 1 ) 。其中，“珠赤” 区间珠江航道段被珠江江中心的海沁沙岛分隔成为南北两段江面。隧道过江段总 长度约6 4 0 m ：北江面宽度约8 0 m ，水深4 m 左右；南江面宽度约3 2 0 m ，水深6 8 m 左右；江中心的海沁沙岛沿线路方向宽2 4 0 m 。“珠客”区间单线总长度为 2 3 3 3 1 5 m ，左右两条隧道总长4 6 6 6 3 m ，隧道埋深7 2 8 m 。线路平面左、右线合 计共有8 个曲线段，最大曲线半径为1 0 0 0 m ，最小曲线半径为6 0 0 m ，线路纵坡上 坡坡度最大为2 8 ，最小为3 “1 。 河海大学工程硕士学位论文 珠江新城站 始发井始发 y d k 右线1 2 9 30 5 m ( 过江段总长度约6 4 0 m ) 赤岗塔站过站 二次始发 y d k 右线1 0 4 0 8 1 客村站到达 盾构解体吊出 图2 1 “珠江新城站客村站”盾构隧道区间工程概况 附属工程包括4 条联络通道( 疏散通道) ( 含泵房设施) ：在线路里程 y d k 4 + 5 3 5 、y d k 4 + 9 2 9 5 、y d k 5 + 8 4 4 9 9 、y d k 6 + i1 0 4 9 处分别设置l # 、2 # 、3 # 、 4 # 共4 条联络通道。根据人员疏散、废水泵站容积及检修作业要求，联络通道为 净空2 i m 宽和2 5 m 高的半园拱直墙断面。联络通道采用矿山法开挖，复合式衬 砌。初衬采用网喷混凝土和钢格栅联合支护，二衬采用模筑c 3 0 防水混凝土衬砌， 初支与二衬之间设置防水层。 在盾构隧道与车站的8 个接头处还需进行专门的洞门施工，洞门采用c 4 0 、 s 8 的现浇钢筋混凝土捣制。 “珠客”区间盾构隧道施工所用的2 台盾构机曾在广州地铁3 号线“市桥 北站市桥站”隧道区间使用，该机为德国海瑞克( h e r r e n k n e c h ta g ) 公司设 计和制造，其中部分部件( 刀盘、盾壳、后续台车等) 的生产和盾构机的整体组 装是由广重企业集团完成的。盾构始发场地设在珠江新城站，2 台盾构经复合地 层适应性改造及检修后一前( 右线) 一后( 左线) 相隔月余从珠江新城站始发井 的南端头始发，穿行华厦路下方，横穿华就路、沿江大道，穿越海沁沙岛、珠江 到达赤岗塔站。盾构空载通过赤岗塔站后从赤岗塔站南端头二次始发，向南经某 造船厂和新市头村到达终点站客村站后解体吊出( 图2 2 、图2 3 、图2 4 ) 。 1 6 第二章复合地层盾构施工难点、重点及对策 图2 2 “珠江新城站客村站”盾构隧道区间施工流程图 图2 3 达到站客村站盾构吊出井 1 7 河海大学工程硕士学位论文 2 3 2t 程地质及水文地质 图2 4 成型的盾构隧道 “珠客”区间地处珠江三角洲平原，地势平坦，地表主要为路面，部分为 居民住宅区。沿线揭露有第四系地层，下伏白垩系上统三水组东湖段、康乐段、 西濠段地层。地震基本烈度为7 度。 “珠赤”区间处于天河向斜南翼，地层呈单斜状，岩层近东西走向，倾向 北北东，倾角4 0 。5 0 。，区间范围无断层通过。“赤客”区间处于天河向斜南 翼，大塘背斜北翼，岩层倾角1 0 。2 5 。，地层节理发育，多呈闭合状。 ( 1 ) 隧道洞身岩土分层和围岩类别 “珠客”区间隧道通过的岩土分层界线起伏较大，基岩太多为强度5 2 0 m p a 的泥质粉砂岩、粉砂岩，风化程度变化较大。隧道洞身通过的岩土层以h i 类围岩( 强风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩) 、i v 类围岩( 中微 风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩) 为主，局部为i i 类围岩。i i 类及部分i i i 类围岩稳 定性较差，而大部分i i i 类及i v 类围岩自稳性较好。 ( 2 ) 隧道围岩物理力学参数 ( 9 ) 层微风化岩和( 8 ) 层中风化岩硬度较高，其中( 9 ) 地层天然单轴 抗压强度平均值达到2 7 8 m p a 。 岩土抗压强度测试值反映出隧道洞身穿过的( 9 ) 层微风化岩抗压强度出 现两点高值，分别达到3 6 im p a 和2 9 9 7 m p a ，岩性分别为含砾粗砂岩和砾岩。 ( 8 ) 层中风化岩抗压强度值也较高。因此，盾构刀盘必须具有良好的破岩、切 1 8 第二章复合地层盾构施工难点、重点及对策 削能力和耐磨性。 ( 3 ) 水文地质条件 “珠客”区间水文地质条件比较简单，区间地下水赋存方式主要是第四系 孔隙水和基岩裂隙水2 种。混合水位一般埋深0 8 0 4 o m ，平均埋深1 7 5 m 。第 四系孔隙水主要赋存在冲积一洪积砂层和海陆交互淤泥质砂层内，而基岩裂隙水 则主要赋存于强风化带和中风化带内。全风化岩带已风化成土状，为相对不透水 层，微风化带岩石的风化裂隙和节理相对不发育，赋存条件较差，富水性较小。 ( 4 ) 工程地质条件总体评价 区间地层属于典型的上软下硬复合地层。 围岩强度差异较大。围岩主要为强、中等及微风化泥质粉砂岩、粉砂岩， 局部地段隧洞结构顶部为硬塑、可塑的残积层或淤泥质砂及陆相冲洪积砂层。微、 中风化岩呈块状结构，隧洞拱部无支护时可产生小坍塌，侧壁基本稳定。强风化 围岩呈碎裂状、镶嵌结构，拱部无支护时可产生较大坍塌，侧壁有时失稳。全风 化岩及硬塑状残积土，呈角砾状松散结构，易坍塌。砂土状围岩易坍塌变形。穿 越珠江段围岩，由于珠江的长期侵蚀作用，其稳定性降低。 软弱土层主要是淤泥质土及淤泥质砂，具含水量高、孔隙比大、压缩性高、 中等灵敏、力学性质差等特点。 砂层的透水性强，强度及稳定性差。 岩石易软化。区间基岩为泥质粉砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩夹泥灰岩、砾 岩、粗砂岩，遇水易软化。因此，隧道施工时，应防止基岩长时间泡水或在空气 中暴露时间过长而软化，导致开挖面失稳。 区间地层中的粉质粘土、残积土及全风化层具弱膨胀性。 区间地层中地下水较丰富，地下水位较高，并与珠江水水力联系密切，因 此，隧道结构防水十分重要，特别要做好隧道接口的防渗漏工作。 2 3 3 设计概况 “珠客”区问在线路设计上，为了能使行车平稳，在变坡点处设竖曲线， 在平面曲线处设缓和曲线。 区间曲线最小半径为6 0 0 m ，最大为1 0 0 0 m 。转弯角度中等：曲线转角分别 1 9 河海大学工程硕士学位论文 为左转2 5 0 4 2 7 2 8 ”、右转2 9 0 4 5 。9 ”( “珠赤”区间) ；右转2 8 0 5 7 0 5 ”、 左转3 4 。1 2 5 5 ”( “赤客”区间) 。曲线长度左线总计1 8 7 2 7 9 m ，右线1 8 3 2 6 7 m ， 合计3 7 0 5 1 6 m ，占线路总长4 6 6 6 3 m 的7 9 4 左右。 “珠赤”及“赤客”两个区间均为“v ”字坡。其中，“珠赤”区间 最大上坡坡度+ 2 8 ，最大下坡坡度- 2 5 1 0 ，隧道上覆土厚度最大约2 8 m ，最 小约7 3 m ( 珠江底) ，覆土厚度超过2 倍洞径的地段长度约9 7 8 m 。“赤客”区 间最大上坡坡度+ 6 o ，最大下坡坡度一7 3 3 3 ，隧道上覆厚度最大约1 9 m ， 最小约7 m ( 某建筑基坑段) ，覆土厚度超过2 倍洞径的地段长度约7 0 0 m 。 区间盾构隧道采用单层c 5 0 、s 1 2 预制混凝土管片衬砌，管片最大单块重 量3 6 t 。管片外径6 0 0 0 m m ，内径5 4 0 0 m m ，厚度3 0 0 m ，宽度1 5 0 0 m m 。管片类型 分为标准环、左转弯环、右转弯环3 种类型，分别采用“5 + 1 ”模式，即1 环完 整的管片由1 块封顶块、2 块邻接块和3 块标准块构成。在管片侧面外侧设有弹 性密封垫槽，内侧设嵌缝槽，整个环面不设凹凸槽。管片之间采用m 1 2 弯曲螺栓 连接( 其中纵向1 0 根，环向1 2 根) ，错缝拼装。 管片抗渗等级为s 1 2 ，管片环、纵缝采用遇水膨胀橡胶止水，隧道拱部和 道床以上环、纵缝内侧采用密封油膏嵌缝防水。隧道上半部的防水等级为a 级， 隧道下半部、联络通道和洞门部位的防水等级为b 级。 联络通道尺寸为2 1x 2 5 m 的半圆拱直墙断面，采用矿山法开挖，复合式 衬砌。初衬采用网喷混凝土、锚杆联合支护，二衬采用模筑c 2 5 混凝土衬砌，在 初衬与二衬之间设置防水层。盾构隧道在联络通道部位设置特殊衬砌环作为开 口、闭口衬砌环。 一般地段的地面沉降量控制在+ l o 一3 0 衄范围内( 地表隆起值1 0 m m 、地 表沉陷值3 0 n n ) ；穿越建筑物密集的新市头村地段的地表隆陷值要求1 0 m m ， 且两条钢轨轨面的沉降差4 m 。掘进方向误差不超过_ _ 5 0 r a m 。 预计盾构掘进速度不小于6 c m m i n ，平均掘进进度预计可达2 6 0 m 月，l o 环天( 1 2 m 天) 。最大掘进进度1 5 环天( 1 8 m 天) 。经改造、检修后的盾构机 主要部件寿命预计可完成5 k m 隧道掘进，主轴承寿命预计大于1 0 0 0 0 h 。 2 0 第二章复合地层盾构施工难点、重点及对策 2 4 小结 本章论述了复合地层岩土工程特征及盾构施工的复杂性，归纳、总结了复合 地层土压平衡盾构施工的难点、重点，提出了施工对策，介绍了工程实例。本章 的主要研究工作： 一是复合地层最主要的特点是隧道断面地质的不均一性、多变性与突变性， 具体表现为上软下硬地层、软硬互层( 夹层) ，或是强度较高的中微风化泥质 粉砂岩、砾砂岩( ( 8 ) 、( 9 ) 地层) 断面。 二是砂层( 或砂层透镜体) 具赋水性，围岩裂隙水丰富，且地层中地下水基 本上与江河水网有直接的水力联系，砂层受扰动极易液化，盾构施工存在涌砂、 涌水及喷碴、喷涌的危险。 三是粘土质砂土地层、全强风化泥质粉砂岩、母岩为花岗岩的残积土层中 富含粘土矿物，土压平衡掘进模式容易导致在刀盘上和土舱内聚结泥饼。 四是分析、研究了复合地层土压平衡盾构施工的难点、重点，提出了施工对 策。 五是介绍了复合地层条件下大型地下工程盾构法开挖工程实例概况。 河海大学工程硕士学位论文 第三章盾构机选型、改造与施工参数验算 3 1 盾构机选型 采用盾构法施工，盾构机的选型及配置是隧道施工的关键环节之一，盾构选 型应根据工程地质水文情况、工期、经济性、环境保护、安全等方面综合考虑， 选择合适的盾构类型，配置合理的辅助设备才能确保隧道工程施工的顺利完成， 盾构机选型正确与否，对于复合地层盾构隧道施工至关重要。 3 1 1 选型依据 盾构选型主要考虑以下几个因素0