粘土地层中泥水盾构掘进施工方法

1、1庆春路过江隧道粘土地层中泥水盾构掘进施工方法预案、工程概况1.工程位置和环境庆春路过江隧道是杭州市实现西湖杭州到钱塘江杭州跨越发展的重要组成部分，是杭 州市重点建设工程。隧道工程起点自杭州市江干区庆春东路一新塘路交叉口，向东略偏南 直至江边，过江后继续沿线路方向（从规划休闲广场下穿过）接江南萧山侧市心路，主线 于滨江一路交叉口北侧（K3+440 ）预留与钱塘江世纪城综合地下空间开发系统的接口。本工程东线隧道长3025m，西线隧道长3022m ;盾构隧道总长3532.64单线米，其中东线长为1765.72m，西线长1766.92m，而钱塘江底段约1241m，其地理位置见图1-1锚塘江京杭运河I

2、路J婺11秋溥采：荷东路灵起奋末曲健凤大厦1杭州中姦锻近江丈原/1 rsx，洁江花园宾馆图1-1杭州庆春路隧道工程地理位置图2工程地质与水文地质2.1地形、地貌隧道工程区位于低山丘陵与平原交接处，隧道区江面宽约 1300m，两岸地形平坦, 地面高程为68m，河床高程为-2.10.8m。隧道穿越段所处钱塘江河口上段，系七甲 微湾与七格弯道的过渡段，受上、下游弯道影响，在迳流、潮汐反复交替作用下，河床冲刷剧烈，河床主槽摆动频繁且摆幅较大富春江路至之江路段现为荒地， 有水塘分布，因之江路管廊基坑开挖， 有大量土方堆 筑于江北工作井南侧。南岸现多为渔塘和苗木，有零星民居分布。因近年人工围垦作用， 北岸

3、已于 1998 年建成 100 年一遇标准海塘， 堤顶高程为 11m 左右；南岸于 2002 年建成 50 年一遇标准海塘，防洪堤挡浪墙顶高程为 11.17m 。施工环境条件相对较好。隧道沿线场地新构造运动表现出大面积间歇性升降， 但无明显的升降差异运动， 构造 活动微弱，区域稳定性良好，近场区范围内存在发生 6 级地震活动的背景。2.2 地基土的物理力学性质上述各土层物理性质指标参数一览表参数见表 1-1 。2.3 隧道穿越地层评价和比例根据详勘报告及设计文件，、层为粉土，透水性好，主要为潜水含水层，有明显 的触变性和流动性，在水动力条件下易产生管涌、流砂。、层为粘性土层，其中 为软性粘土，

4、高压缩性、低承载力、高灵敏性、高触变性特点，工程性质较差。、 层为硬性粘土，利于掘进；层为砂性土，圆砾卵石层为碎石层，该组合属承压水层， 水压高，水量充沛，有明显的漏浆和塌孔现象，掘进中易引起涌水坍塌。、 层，其力学性质差异较大，掘进时所受力不均匀，防止盾构机偏离设计轴线；同时，注 意后期不均匀沉降问题。反应无，切面稍有光滑，干强度及韧性高中等。本层中部个别 孔颜色呈灰白色和浅灰色，为软可塑状。本层沿线普遍分布。江北段主要开挖层为、层粉土、粉砂，总体上空间分布稳定，呈舒缓波状起伏。江南段主要开挖层为、层粉土、粉砂，总体上空间分布稳定，下部存在过度4层，工程性质较差。盾构穿越江底段的上覆有-2粉

5、土夹淤泥质土、-3粉砂夹粉土、淤泥质粉质粘 土、-1粉质粘土等地层，洞身穿越地层主要包括-2粉质粘土、-1粘土、-2粉质 粘土、-2粉细砂、-1圆砾等。盾构在穿越钱塘江时隧道最小覆土 14.1m，覆土厚度 大于1D，最大覆土厚度24m。根据盾构段隧道底板标高，东线隧道在LK1+850LK2+925、 西线隧道在RK1+875RK2+925段，洞身下部穿越-2粉细砂，粉细砂层最厚约2.4m; 同时，在里程约L(R) K2+025L(R) K2+800段，-1圆砾地层侵入东西线隧道底部。 圆砾最大粒径不大于400mm，空间上具上细下粗的“二元结构”空间均一性较差，局部存 有夹层。虽隧道上部分布有淤

6、泥质粉质粘土、粉质粘土、粘土等相对隔水层，而砂土层和 圆砾层赋存有孔隙承压水。盾构隧道穿越地层统计见表 1-2。3基床系数层号土层名称层厚（m）围岩类别征值天然重度表1-1土层物理性质指标参数一览表渗透系数>20202颗粒含量百分比无侧限抗压强度固结试验fkKsKcpKhKv(N/cm(N/cm 3(kN/m 3(kPa)(cm/s)(cm/s)2 0.50.50.250.0750.25 <0.0050.0750.005mm%填土-1砂质粉土-2粉土夹淤泥质土-1粉砂夹粉土-2砂质粉土-3粉砂夹粉土-4砂质粉土淤泥质粉质粘土-1粉质粘土-2粉质粘土-1粘土-2粉质粘土-1粉质粘土夹

7、粉砂-2粉细砂-1圆砾-2卵石-1全风化含砂砂岩-2强风化含砾砂岩0.50 7.800.70 9.301.10 8.451.10 5.800.70 6.501.80 8.000.80 3.200.50 10.300.50 6.000.50 12.400.90 5.900.80 9.800.60 5.400.80 7.701.20 8.6010.80 18.03.90 9.305.10 8.80IIIIIIIII1913510016014518012075180170120150180220500600280400备注：本表部分指标引自浙江工程勘察院邻区工程。302240142812302822

8、241860300600201224101821201516124022040019.519.219.519.819.819.518.519.81918.81920.120.521.822.51.54E -041.78E -041.47E -042.83E -048.98E -041.48E -049.28E -087.36E -073.50E -071.14E -071.60E -077.05E -051.36E -041.04E -011.27E -012.05E -042.07E -042.07E -045.81E -041.49E -032.00E -041.15E -077.96E

9、-085.97E -071.67E -072.52E -073.10E -046.90E -028.40E -0237.150.325.227.736.517.078.44.69.982.18.05.330.558.65.615.378.16.66.09.143.134.87.015.871.412.810.669.320.15.04649.040.236.423.46.050.044.08.524.549.517.511.223.854.410.64.025.740.519.110.717.35.84.74.85.15.04.54.07.21.330.08.57.08.010.0不均与系数d

10、60/d104.63.03.04.38.313.022.043.8521.5230.1591.0灵毎度 二二 . 一 一 原状土CuCu'StkPakPa24.413.42.2147.252.92.7897.835.43.38183.315.610.6957.618.13.12压缩系数80.1.228 40/10.17 112 8 o o O.293345.22压缩模量 aEEMPO10017 3前期回结压力 氏力7699224782固结指数 C仃013O静止 侧压 力系 数K00.300.190.210.280.220.400.550.360.460.510.580.230.365杭

11、州庆春路过江隧道纵断面图Wil&-31I 血til HUBHMtlfl-WLIUMr tM痒*. HUiXjLXtMIMMMHMlMHMliUJ&MllHifMlWHHLWfaVi.WILWkHWWL7表1-2盾构隧道穿越地层统计东线长西线长东线比例西线比例各地层隧道所占线路比地层编号度度(%)(%)长度（m）例(%)-2粉土夹淤泥质土10.110.40.50.520.50.5-1粉砂夹粉土21.221.60.9142.81-2砂质粉土36.539.21.61.775.71.7-3粉砂夹粉土4547.41.92.192.42.0-4砂质粉土000000淤泥质粉质粘土66.455

12、.72.92.5122.12.7-1粉质粘土54.560.52.42.71152.5-2粉质粘土1745173675.177.4348176.2-1粘土27.614.51.10.642 . 10.9-2粘质粉土62.551.72.72.3114.22.5-1粉质粘土夹粉砂107.252.34.62.3159.53.4-2粉细砂75.275.73.23.4150.93.3-1圆砾72.777.33.13.51503.32.4粉质粘土的特性及描述-1层：粉质粘土浅灰绿色为主，局部呈黄灰色、灰黑色、灰白色，可塑硬塑，厚层状构造。粘塑形 较好，刀切面光滑，摇振反应无，干强度及韧性高，局部偶见粉土团块，

13、偶见泥质结核， 中压缩性，土层性质子上而下渐好。本层主要分布于盾构段，江北及江南有零星出露。-2粉质粘土灰黄、褐黄色，可塑软塑，厚层状构造为主。含铁、锰质氧化斑点及细小结核；均 匀性一般。本层上部粘塑形一般较好，局部呈粘土状，下部多含粉土细膜，呈不均匀、不连续状分布，中压缩性，性质一般。本层摇振 二、盾构始发阶段掘进情况1. 始发阶段掘进参数统计环 号掘进速度(mm/min)刀盘转速(l/min)扭矩(KN.m)推力T)进浆流量(m3/h)排浆流量(m3/h)泥水舱压力(bar)泥浆比重(g/m3)泥浆粘度(s)1150.9645001800100011000.4-2151.055000180

14、08009000.4-391.05400025009009001.0-4150.9260025008009000.8-581.1047003000100010001.4-681.050003800100012001.4-770.955003800105011001.5-8151.052000350090011001.61.18199181.1021503550100011001.71.191910201.0519003500100011001.61.211911191.0320003300100011501.61.181812201.0220003300105012001.71.0817132

15、01.0423003700100011001.71.241814211.0623003700105012501.61.342215201.024503600105012501.71.15172. 始发阶段掘进状况在始发阶段，西线盾构推进表现出如下状况(1) 始发阶段在盾构进入淤泥质粘土后，推进速度减缓，平均掘进速度在8m/min 左右，每环推进时间需要45小时。(2) 泥水处理设备在进入淤泥质粘土、粉质粘土地层中后，无法提供正常的泥水分 离，常常出现筛板拥堵现象，造成泥浆直接从分离设备涌出。(3) 由于受工作井影响，盾构始发采用了半分体始发形式，进行了管路管线延长，导致在始发阶段由于设备原因无

16、法达到正常状况，影响盾构机的整体性能。在2#拖车下井组装连接完成后，盾构机性能大幅提升，在目前的淤泥质粘土和粉质粘土混合地层中， 能够保证较为正常的掘进速度，保持在1525mm/min（4）受淤泥质粘土、粉质粘土影响，泥浆比重粘度上升较快，同时由于泥水系统无 法良好的工作，造成大量粘土及粘土块在泥浆池内沉积。三、盾构隧道在粘性土层中掘进施工技术预案1 粘土地层对盾构掘进的影响1.1 粘土地层对盾构掘进的有利影响 由于粘土矿物经相互间电化学结合而形成的粘性土层是近似变质了的琼胶块状体， 所 以由泥水比重和加压带来的力就容易形成对开挖面的稳定， 不论粘性土层的软弱状态如何， 都有利于泥水加压盾构工

17、法施工对地表沉降的控制。同时由于粘土地层中富含粘土颗粒易形成良好的泥膜， 能够很好的保证开挖面的稳定。1.2 粘土地层对盾构掘进的不利影响盾构机穿越段主要为复杂地段，开挖面上同时存在着淤泥质粉质粘土层、 -1粉 质粘土、-2粉质粘土、粘土、-2粉细砂层、-1圆砾地层，性质差异大。-1粉 质粘土、-2粉质粘土俗称“硬土层：硬可塑，盾构在掘进中该两层占穿越地层的80%左 右。根据对已知的地质状况的了解，推断对后续盾构施工可能产生如下不利影响：（1）由于掘进开挖面处于淤泥质粘土及粉质粘土地层中，泥浆比重以及粘度等参数 上升较快，易造成粘土块在仓内及管路内的堵塞，影响掘进速度。（2）同时由于泥浆中含泥

18、量增加较快，导致泥水分离设备超负荷运转，造成分离设 备的拥堵，无法盾构掘进提供正常的泥水处理，影响盾构正常推进。（3）在盾构掘进过程中，由于-1粉质粘土、-2粉质粘土俗称“硬土层,为硬可 塑，盾构推进所受的阻力较大，导致盾构推进速度缓慢。（4）由于在粘土地层掘进中，泥浆比重以及粘度等参数上升较快，造成大量废弃浆 液的产生。2 粘土地层中盾构掘进控制2.1 掘进参数的控制（ 1 ）掘进速度控制：在粘土中掘进速度宜适当放慢，控制在1525mm/min ;平均每环掘进时间控制在2 个小时左右，掘进速度太快容易发生管路堵塞、刀盘固结泥饼等问题。（ 2）刀盘转速控制：粘土中转速控制在 40%45% （0

19、.901.20rpm/mi n ），刀盘转速太快容易造成刀具的磨损和泥饼的形成；刀盘转速过慢造成土体切削量不足，无法保证掘进速度(3)推力及扭矩控制：推力控制在3000T5000T，扭矩控制在3500 kNm 4500 kNm ;(4)泥浆循环控制：进浆泵(P1.1)流量控制在1000 m3/h左右(掘进期间)，1144 m3/h (旁通时); 排渣流量(P2.1)1150 m3/h (掘进期间和旁通时)；( 5)同步注浆压力控制：同步注浆压力为 1.11.2 倍的静止土压力与静止水压力之和。现场操作是根据掘进 地质条件和地下水情况由值班工程师进行计算调整。( 6)出渣量的管理控制：控制出碴量

20、的目的主要是为了了解超欠挖情况， 以便及时的调整掘进参数， 主要控制 措施如下：利用泥水盾构上的流量计、 密度计结合地层的地质情况统计每环的出渣量， 判断每环 掘进是否超欠挖，以便较为准确的判断泥水仓内渣土的堆积程度或地层中土层的损失情况， 及时采取相应的施工措施，如调整泥水仓压力，加大泥水循环等措施。利用泥水分离设备所分离出的渣土量结合泥浆池泥浆的增减及参数变化情况， 复核验 证每环掘进的出渣量。2.2 泥水压力的控制在粉质粘土地层中掘进，对泥水压力控制的考虑如下几个方面：( 1 )计算出水土压力，选择适当的泥水压力， 合适的泥水压力是开挖面稳定的关键， 可以有效的控制超欠挖，在实际操作中，

21、还应考虑泥水的渗失量来综合控制压力的设定；( 2)在掘进操作中，保证气压仓液位稳定是保证泥水压力平稳的关键之一；( 3)保证泥浆门的通畅，只有保证泥浆门的通畅气压仓加压的泥水才能够将压力很 好的传递到泥水仓形成泥水压力。(4)合理的控制泥水仓压力波动范围，正常情况控制在± 0.2bar 范围内； 泥水压力保证的措施：( 1 )在不同地层中选定不同的水土压力计算方法，计算出合理的水土压力，通过在 实际操作中结合泥水的渗失量来综合控制压力的设定。 当泥水质量一定时， 泥水压力大于 水土压力一定值时， 能有效的增加泥水在地层中的渗透速度， 加快泥膜的形成速度和提高 泥膜的形成的质量， 增加

22、掘进时掌子面的稳定性。 压力的设定还要综合考虑到地表的沉降与隆起，及时做出修正泥水压基准值地层地质泥水压基准值预压粉质粘土上限值=静止土压+水压+预压下限值=主动土压+水压+预压20 30KN/m 2(2 )通过液位传感器，可以了解气压仓内液位情况，保证液位处于气压仓中部，是保证泥水压力的主要措施。但在实际操作中，经常会遇见液位传感器显示错误的情况，这样会造成误操作，致使 液位过高或过低，造者压力波动较大，不利于开挖面得稳定。为避免这种情况的发生就需 要通过其他辅助方式来确定实际液位。在实际操作中，通常采用观察气压仓压力与泥水仓 中部压力的差值来判定气压仓液位。当实际液位过低时，气压仓压力一泥

23、水仓压力=正值；当实际液位过高时，气压仓压 力一泥水仓压力=负值；气压仓压力一泥水仓压力=0时，说明液位在气压仓中部。这种判 定方法是要在泥浆门保证通畅的前提下才能保证准确性，这就需要判定泥浆门通畅情况成 为了控制压力的关键一环，泥浆门通畅也主要是通过观察气压仓压力与泥水仓压力的差值 来判定的，在泥浆门通畅和液位处于气压仓中部的理想状态下， 气压仓的气压压力与泥水 仓顶部的泥水压力差为0.60.7bar，与中部泥水仓泥水压力的压力差为 0，与底部泥水 仓泥水压力1.21.4bar。2.3泥浆质量的控制在粉质粘土地层中掘进，由于地层中的粘土颗粒较多，泥浆的比重、粘度等参数上升 较快，因此在掘进该

24、段地层过程中指定如下的泥浆质量控制原则： 尽量降低泥水的粘度和比重等指标，如添加清水稀释粘度比重较大的泥浆，保证泥 水具有良好的流变性，利于泥水泵的输送和渣土的运输，减少粘土地层对盾构掘进的影响 泥水在盾构掘进时，有合理的比重和粘度指标，指标要求不能因在粘土层掘进而设 置过低，应具备形成泥膜，满足开挖面的稳定，防止隧道沉降和开挖面垮塌的要求。 调整泥水分离系统分离筛板类型，提高分离设备的使用效率，减少废浆排放。稳定切削面的泥水粘性值切削土质漏斗粘度地下水影响较小时地下水影响较大时粘土25 3028 37泥水输送中泥水性状的上限值泥水性状漏斗粘度相对密度上限值40s1.352.4辅助措施（1）停

25、止开挖时增加循环时间停止开挖时应先排尽泥水仓及气压仓内渣土，然后打开管路旁通阀，再关闭进浆阀,运行一段时间后，排尽管路内渣土，方可关闭所有泥浆泵。运行时间由流速和距离来确定。（2）必要时添加辅助剂使用能够减小泥浆凝胶强度及屈服值的分散剂，降低泥水的密度和粘性，如六偏磷酸 钠、碳酸钠等分散剂，增加泥水的活性。（3）废弃泥浆的及时处理通过经济比较，选取合适的废弃泥浆处理途径，保证泥浆指标的合理性，为盾构快速 掘进提供基础。（4）增加辅助泵增加辅助泵，设置出浆接力泵增强盾构机泥水循环的出浆能力，保证出浆的顺畅。四、在粉质粘土中掘进易出现的问题及应对措施在粉质粘土地层中进行盾构施工的必须对可能出现的问

26、题进行预防，指定相应的处理 措施，才能保证盾构掘进的快速平稳可靠，现将可能出现的问题罗列如下：1、粉质粘土在刀盘上粘附固结形成泥饼显示特征：推进中出现速度逐步降低，推力明显增大，扭矩逐渐减小。出现原因：（1）由于粘土可塑性及粘性较高，容易粘附刀盘固结形成泥饼；（2）掘进过程中渣土不能顺利排出，在泥水仓内堆积，密实度及密度越来越大，最终形 成泥饼。（3 ）刀盘高速旋转后，泥水仓内温度升高，对泥饼有烧结促成作用。预防措施：（1）在施工工程中，应及时观察所排出碴情况和泥浆比重变化情况，分析掌握土体粘性 情况，进行泥浆参数的调整，以减小土体粘性度和粘着力。（2）适当的控制掘进速度和刀盘转速，加大泥水循

27、环，控制泥土温度的上升。（3）控制循环水的温度，降低刀盘温度上升。（4）均衡施工，掘进速度太快或太慢都可能土仓温度的升高，增加固结泥饼的可能性。 （ 5）定期的开仓检查，可以比较准确的掌握前方地层的地质情况和刀具的磨损情况，对 刀盘结泥饼可起到预防作用；（6）根据出渣量情况，分析判断泥水仓内渣土堆积情况。处理措施：（1）利用通往泥水仓的进浆管，使用粘度比重较低的泥浆或直接使用清水冲洗刀盘。（2）在泥饼无法冲洗清除的情况下，带压进仓人工清理刀盘上的固结泥饼。2、泥浆管路，泥浆泵出现堵管堵泵现象显示特征： 泥水循环进出浆液流量不匹配，排浆流量急速下降， 进出浆泵吸口和出口压力 发生突变（主要发生在

28、出浆泵） ，气压仓液位上升较快，管路或泥浆泵发生剧烈抖动，严 重时发生橡胶软管爆裂的现象。出现原因： 由于地层中存在大量的粉质粘土层， 在盾构机推进时，大块的粘土块进入管路， 会造成泥 浆管路或泥浆泵的堵塞，清理堵塞会造成占用大量的工作时间。预防措施：（1）适当的控制掘进速度和刀盘转速，加大泥水循环，减少单位流量内渣土的携带量， 防止渣土发生拥堵。（2）适当降低刀盘转速，减少单位时间内的渣土切削量。（3）合理的调整泥浆参数，保证泥浆的渣土携带能力。 处理措施：（1）停止掘进，打到旁通模式清理排浆管道内碴土清理干净，待冲散堆积碴土后即可正 常掘进；（2）如果堵塞较为严重时，可以采用逆洗模式，反冲

29、管路内碴土，待冲散堆积碴土后， 在正常循环排出渣土，采取此措施需主司机严格控制逆洗压力，防止发生爆管现象。（3）关掉泥浆泵泵进浆口和出浆口的板阀，打开检查口，清理泥块即可正常掘进。（4）堵塞特别严重时，只有关闭进出浆控制阀，停机保压，组织人员拆除管路，清理管 路内拥堵的渣土。3、泥水平衡盾构吸口堵塞 显示特征： 在泥水平衡盾构施工过程中， 排泥流量严重失调， 出浆泵进口及出口压力不匹 配，出浆泵出现吸空现象。出现原因：（1）盾构土舱内的土体中含有大块障碍物；（2）盾构土舱内搅拌不匀，致使吸口处沉淀物过量积聚；（3）泥水管路输送泵故障，致使排浆流量小于进浆流量；（4）泥水指标不合要求，不能有效形

30、成盾构开挖面的泥膜，而且携带碴土能力达不到要 求。预防措施：（1）及时调整各项施工参数， 在推进过程中尽量保持推进速度、 开挖面泥水压力的平稳； （2）运行碎石机和调整刀盘转速以达到搅拌碴土均匀；（3）对泥水输送管路机泵等设备经常保养检修，确保泥水输送的畅通；（4）根据施工工况条件，及时调整泥水指标，确保泥膜的良好形成，以使盾构切削土体 始终处于良性循环状态下。处理措施： （1）如吸口轻微堵塞，应相应降低推进速度，同时按技术要求进行逆洗； （2）如吸口堵塞严重，应采取相应技术措施，在确保安全的前提下，及时组织力量，带 压进舱清除障碍物。4、泥浆冲破地层，造成地面冒浆、涌浆；显示特征：（1） 地

31、面有大量泥浆冒出，可以清晰的听见有气体自地面冒出。（2） 泥水仓压力发生突变，气压仓液位急剧下降，保压系统不断补充气压。 出现原因：（1）由于堵管堵泵堵仓等现象的出现造成压力突变，发生冒浆； （2）地层厚度发生突变或地质发生突变出现地层薄弱面，地层无法承受泥水压力造成地 面冒浆；预防措施： （1）值班工程师熟悉工程地质条件及盾构埋深变化情况，计算出合适的气垫仓压力，及 时调整压力。并派人随时跟踪地面情况调整气垫仓压力。（2）安排经验丰富，责任心强，现场处理问题迅速、反应敏捷的盾构主司机从事掘进工 作，严格控制开挖面泥水压力， 在推进过程中严格控制气压舱压力， 严格控制泥水舱加泥 量，保证掘进过

32、程中泥水循环的顺畅；（3）在冒浆区域适当加“被，”即用粘土覆盖；（4）控制同步注浆压力，并在注浆管路中安装安全阀，以免注浆压力过高；（5）及时调整泥水各项质量指标。解决措施：（1）如轻微冒浆，可在不降低开挖面泥水压力的情况下继续推进，同时，适当加快推进 进度，提高管片拼装效率，使盾构尽早穿越冒浆区；（2）当冒浆严重，停止推进，并采取如下措施：提高泥浆密度和粘度； 掘进一段距离后， 进行充分的同步以及壁后注浆；地面可采用覆盖粘土措施。5、隧道管片上浮 显示特征：已经成型管片在脱出盾位后形成上下错台，甚至局部出现破损现象。 原因分析：（1）管片脱出盾构后失去了约束，同时还受到周围土层的作用。（2）如果管片脱出盾尾后（一般情况23环），同步注浆的浆液不能达到初凝和一定的早 期强度，隧道管片仍然可视为浸泡在液体之中，在浮力的作用下必然会产生上浮现象。 预防措施：（ 1）根据管片上浮的规律值和盾构推进姿态的关系合理选择注浆孔位、注浆量和注浆压 力。（2）适当控制盾构掘进速度，一般以缓推为宜，推