广州地铁特殊地质土压平衡盾构施工方法.doc

广州地铁特殊地质土压平衡盾构施工方法【摘要】结合广州地区地质复合型特点,分析广州地铁3、5号线盾构掘进施工中遇到的特殊地质现象,说明重视盾构在特殊地质地段的施工是保证盾构顺利掘进的关键,重点阐述盾构在富水断裂带、石英含量高的硬岩、孤石、风化深槽、煤气层、岩溶空洞等特殊地质段采取的掘进施工方法。【关键词】广州地铁土压平衡盾构特殊地质施工掘进1、工程概述 广州地铁3号线主线北起天河区火车东站,南至番禺区,整条线路贯穿广州市区新城市中轴线和番禺区发展轴线,线路全长28.73 km,共设13座车站。3号线是实现城市总体规划、拉开城市布局、加快城市向南发展的战略线路,其功能定位是加强广州与番禺区以及周边地区的交通联系。广州地铁5号线首期工程由滘口到黄埔区文园,线路全长约31 km,共设23座车站,5号线是贯通广州市中心组团旧城中心区和珠江新城中央商务区、连接西部发展区和东部产业转移带的东西向轨道交通骨干线。 广州地铁3、5号线地质条件比较复杂,是盾构掘进中遇到技术难题比较多的地铁线路,其设计、施工建设所取得经验对广州地铁其他线路,甚至对国内其他城市地铁线路的选线、设计、施工有很重要的指导意义。2、特殊地质对盾构施工的影响分析 盾构在孤石和球形风化带掘进时,由于孤石是较难破碎的,因此盾构在掘进中常会发生刀盘变形、刀具刀圈折断等严重现象。当盾构机掘进至岩石较破碎、富含水的断裂带时,会产生“喷涌”现象,大量的地下水、流砂从螺旋机出口喷涌出来,采用皮带机排渣难度大,对施工影响较大。盾构在微风化、中风化硬岩地层中掘进,刀具磨损消耗量大,对刀具的抗冲击、耐磨性要求高,在大推力的情况下,刀盘发生变形。盾构在瓦斯地段掘进时,主要做好瓦斯检测工作,防止出现人员中毒和爆炸事件。 盾构在岩溶空洞地段掘进施工时,由于溶洞与盾构隧道关系的不同,对盾构掘进中的影响也是不一样的,有时候会影响到盾构姿态的控制,甚至会使得盾构机陷入到溶洞里,后果十分严重。盾构在风化深槽中掘进施工时,由于存在上软下硬地层,有时候会影响到盾构的姿态控制,使得成型隧道中心轴线严重偏离设计中线。因此,重视盾构在特殊地质地段的施工,是保证盾构顺利掘进的关键。3、盾构在特殊地质段施工的措施3.1 富水断裂带地段 在富水断裂地段的施工过程中,如何把从螺旋机口喷涌出来的泥砂接入到渣土车中显得很关键,大量泥砂在皮带机上打滑无法运输,这是影响盾构施工的最大问题。 富水断裂带处盾构掘进施工时采用在盾构掘进中快速通过断裂带,并对螺旋机进行一定的改造。 (1)使用保压泵。保压泵被安装在螺旋机的出口处,可保持螺旋机的压力。可防止螺旋机门一打开就发生如图1的喷涌现象,避免了泥砂涌入隧道;在安装保压泵的过程中,要拆除皮带机,在使用上存在着一些麻烦。 (2)在螺旋机出口连接管道或凹槽,从螺旋机喷涌出来的流砂、水可直接引入渣土车中,该方法简单实用。3.2 硬岩地段盾构掘进 盾构在硬岩段掘进时,首先要选择好掘进模式,土压平衡盾构掘进时,掘进模式主要有以下3种。 (1)土压平衡模式下掘进。给刀盘提供推进力容易,但是土仓中渣土对刀具的磨损比较大,甚至会造成滚刀偏磨。 (2)欠土压模式掘进。一方面能够减小刀具的磨损,同时更易给刀盘提供顶推力。 (3)空仓推进。盾构在空仓情况掘进主要能够降低刀盘、刀具的磨损,滚刀在转动中所受磨阻力小,但在空仓掘进时,推进力不易加载。 在一般情况下,建议采用半仓欠土压模式掘进,既可以减小刀具的磨损,又能较为容易地施加推进力。硬岩段盾构掘进除选择好掘进模式外,重视刀具管理和泡沫系统科学合理的使用尤为关键(见图2)。3.3 含煤气层地段 在广州地铁3号线某区间盾构掘进过程中,遇到了含煤地层地段,此类地层容易产生甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、氮(N2)、硫化氢(H2S)等有害气体。盾构在含煤地层掘进时(见图3),需主要防止爆炸事故,要不断向掌子面喷射泡沫和水的混合体,防止掘进中刀盘高速转动与岩石碰撞起火花发生爆炸等危险,可采取以下措施。 (1)对井下盾构相关的设备进行防爆改造。隧道内严禁明火,不得带入易燃物品,严禁穿化纤衣服进洞。 (2)在施工操作时,要防止碰撞和磨擦产生火花,盾构隧道内增配灭火器、防毒面具等安全防护装备;使用自动检测警报仪加强对瓦斯的检测,加强隧道内通风,并确保风流稳定,避免有害气体集聚产生危险。 (3)盾构人员作业区局部采用射流通风机加强通风。3.4 空洞地段3.4.1 空洞形成的原因 在城市地铁修建中,盾构掘进中有时候会遇到空洞,空洞形成的原因一般归纳为水蚀、风蚀作用形成、人为活动形成。 一般溶洞与盾构隧道的断面关系为:空洞断面大于盾构隧道断面,并完全包罗盾构隧道(见图4(a);空洞断面大于盾构隧道断面,并与盾构隧道斜交(见图4(b);空洞断面小于盾构隧道断面,并完全被盾构隧道包罗(见图4(c);空洞断面小于盾构隧道断面,并与盾构隧道斜交(见图4(d)。3.4.2 空洞的判断方法 准确地判断岩溶空洞的位置至关重要,首先是通过地质勘探的方法对岩溶空洞进行判断,有时候由于受地面勘探建筑物的限制,无法进行加密钻孔,勘探只能采用物探探测进一步准确判断。 (1)地质雷达。探地雷达是利用探测目标体与其周围介质的导电性、介电性的差异,通过高频脉冲电磁波在电性界面上的反射来探测有关的目标物,可用来判断地下目标的深度、大小和方位等特性参数。 (2)瞬变电磁波法。基于电性差异,利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场,测量二次电场。该方法不受接地条件限制,穿透能力强,随机干扰影响小,探测深度取决于大地电阻和仪器采样时间。 (3)地震映像。采用锤击震源点测法,即单道地震反射波法,该方法受地形影响较小,可减少直线波、面波和折射波的干扰。3.4.3 空洞的处理方法 目前,对空洞的处理方法主要有地面注浆、盾构刀盘前方注浆。 (1)注浆回填。为了保证盾构机通过空洞位置,当探明隧道线路前方的空洞后,在盾构机继续掘进前需提前进行注浆回填。在场地允许的情况下,优先考虑地面注浆,即采用小型钻孔注浆设备,在空洞位置处由地面钻孔下花管进行注浆,地面注浆于发现空洞后马上实施。 (2)盾构刀盘前方注浆。当场地条件无法进行地面注浆时,在盾构接近空洞位置时停止掘进,出清渣土后人工进入土仓,使用水平钻在刀盘前方进行钻孔后采用水平袖阀管法注浆。对盾构前方10 m进行注浆加固,如地质条件较差有涌水现象,则封闭土仓向土仓内添加泡沫和聚合物,使掌子面形成止水泥膜后,再开仓对掌子面进行注浆加固。3.4.4 空洞地段盾构掘进措施 (1)盾构姿态控制。针对特殊地质地段,采取“抬头”的姿态掘进。掘进期间应特别关注盾构的姿态,如有掉头趋势应及时分析原因。若属推进力分配原因,则须及时调整盾构姿态。 (2)密切注意掘进参数。在盾构掘进过程中,要密切注意注浆压力、土仓压力、刀盘压力、扭矩及出土量的变化。如有异常则立即封闭土仓保持压力,停止掘进分析原因。 (3)加强壁后注浆。在盾构机通过空洞时,需加强盾构机同步注浆,并视情况进行二次注浆,以保证管片壁后充分充填,防止管片脱出盾尾后发生下沉或上浮。 (4)加强监测。当空洞周边有建筑物时更要加强检测,防止建筑物的沉降倾斜。3.5 孤石、风化深槽地段 在隧道断面中,孤石形成主要有两个方面原因:一是由人工回填造成的存在于回填土层中的大孤石;二是由地质作用风化造成的岩石软硬不均,常出现风化深槽,类似孤石(见图5)。3.5.1 孤石地段 在广州地铁3、5号线盾构掘进施工中,遇到了一定量的大小不一的孤石,并且不间断地出现。在遭遇孤石时,首先要准确判断孤石的大小和位置,同时要对孤石进行处理,确保盾构顺利通过该地段。对孤石的处理,目前主要采用以下两种方法来实现。 (1)根据实际情况,对开挖面前方进行加固处理后,进舱在孤石中间打孔,采用高压空气或液压锤进行孤石破碎处理。 (2)在土仓中,通过压气稳定开挖面,然后进舱在孤石中间打孔,采用高压空气或液压锤进行孤石破碎处理。3.5.2 风化深槽地段 有部分似孤石地段,由于地质作用风化形成的软、硬岩分界处不明显,部分区段内坚硬岩层仅在隧道开挖面下半部分出露,通过人工处理难度较大。盾构在穿越上软下硬区段时,由于上下岩层强度相差较大,盾构容易上扬,所以该地段盾构机姿态控制采取以下措施。 (1)适当放慢掘进速度,使盾构刀盘能对正面坚硬岩层进行充分破碎。 (2)合理利用盾构铰接千斤顶,改变刀盘倾角,以加强对硬岩部位的切割,提高盾构掘进过程中的轴线控制能力。 (3)调整盾构推进千斤顶的区域油压,硬岩区域推进千斤顶油压较软岩部位适当加大,以控制千斤顶的合力作用点、抵消上抛力,控制好盾构轴线位置和隧道坡度。 (4)采用土压平衡模式,密切注意出土量,如下部岩层较硬,掘进速度比较慢,而上部土体受到扰动容易造成坍塌,此时要注意控制每环的出土量在额定的范围内,否则会造成地面的坍塌或沉陷。4、结语 在广州地铁3、5号线修建过程中,遇到了许多特殊的地质现象,给工程施工带来诸多麻烦,甚至有些区段不得不临时调整工法,使得工程造价增加、工期滞后,造成了较大的经济损失。本文针对广州地铁3、5号线盾构施工遇到的特殊地质现象进行总结,同时也对不同地段下盾构掘进施工的措施进行了分析,希望能给在地铁施工的尤其是在盾构技术领域内的同行一些参考。参考文献1施仲衡.地下铁道设计与施工M.西安:陕西科学技术出版社,1997.2日本学会.隧道