浅析南京复合地层盾构施工风险控制

1、2015年度优秀科技论文（技术总结） 浅谈对同步注浆系统的优化方案浅析南京复合地层盾构施工风险控制内容提要盾构法隧道施工技术，尤其是土压平衡盾构施工技术，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。本文结合南京地铁四号线汇通路-中间风井站掘进施工中遇到的各种施工问题，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总结。本文主要总结：1南京地铁四号线汇通路-中间风井区间前期盾构掘进至上软下硬复合地层出现地表塌陷，在此基础上总结了掘进技术控制及设备改良等施工对策。2盾构机复合地层中刀具选型及常压换刀技术

2、。南京地铁四号线双线（3.6Km）共换刀十六次，风险较大六次，此期间采用桩基加固和掌子面喷锚加固等方式安全顺利地完成了全区间的换刀工作。3盾构机富含水地层中的掘进控制。南京地铁四号线汇通路-中间风井区间掘进过程中发生喷涌，对施工造成极大困难，以此，总结了此区间喷涌过程中一些实际的处理措施。通过上述总结，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：复合地层 掘进参数 施工技术 常压换刀 盾构刀具 喷涌一、工程概况1.1 工程概述南京

3、地铁四号线区间为中间风井汇通路站区间，采用盾构法施工。区间线路出中间风井后以R=650的曲线转向北前行，下穿数栋13层房屋及规划地块后到达麒麟路与汇通路交叉处的汇通路站。左线总长1854.558m，右线总长1844.400m。1.2工程地质及水文1.2.1地形地貌该场地为岗地、岗间坳沟地貌单元：地形变化大，地面高程一般17.528.5m，地势北高南低，土质条件变化相对较大，基岩埋藏深度变化大，局部有较大的岗间坳沟。1.2.2工程地质主要地层为：粉质粘土、全风化闪长岩、强风化闪长岩和中风化闪长岩。其中中风化闪长岩主要为斑状花岗闪长岩、石英闪长岩。局部为碳酸盐化碎裂状石英闪长岩。岩芯呈短柱状柱状，

4、取芯率约为8090%。岩体基本质量等级总体上为级，局部级。RQD指标一般为5075%，局部为2550%，RQD指标总体上为较差的，局部为差的。1.2.3水文 地下水类型根据区域水文地质条件及本次勘察查明，拟建场地地下水类型可分为孔隙潜水及基岩裂隙水。本区间坳沟区内孔隙潜水主要赋存于-1、-2b层填土及-2b3层粉质粘土中，阶地区内的孔隙潜水主要赋存于-2b2层填土、-1b2等粉质粘土层中；本区间基岩裂隙水一般分布不均，水位、水量受裂隙发育及连通性影响较大。 地下水补给、迳流、排泄条件孔隙潜水主要受大气降水补给，以蒸发及向场地周边低洼处排泄为主。基岩裂隙水主要接受大气降水、上部地下水的入渗补给，

5、其富水性受风化程度及裂隙的连通性影响较大。勘察外业期间，实测坳沟区孔隙潜水初见水位埋深0.80-3.50m，稳定水位埋深0.60-6.50m，阶地区孔隙潜水初见水位埋深0.60-4.80m，稳定水位埋深0.40-4.70m。水位受地形和降雨影响较大。水位年变化幅度约1.50m。雨季时地下水位较高，常年最高水位约在地表下1.00m。1.3工程风险 盾构过上软下硬地层的掘进控制风险 盾构在上软下硬地层及岩层破碎带常压换刀风险 盾构在富水地层喷涌控制风险二、施工风险控制2.1盾构过上软下硬地层的掘进风险控制 南京地铁四号线汇通路-中间风井盾构区间掘进至120米，地层由中风化闪长岩变化为全风化闪长岩，

6、变化段在开挖断面延长100米。为典型的上软下硬地层。2.1.1盾构掘进变化过程描述掘进进入上软下硬10米，刀盘转速1.31.8rpm,扭矩28004000kn·m，推力维持在900t1300t,顶部土压保持在0.6bar左右，掘进平均速度维持在15mm/min，泡沫剂用量为3.5环/桶。掘进10-20米，隧道下部地层为-3中风化闪长岩占开挖面1/2，掘进过程中，刀盘转速1.51.8rpm,扭矩30004500kn·m，推力维持在1100t1400t,顶部土压保持在1.0bar左右，掘进平均速度维持在12mm/min，泡沫剂用量为3环/桶。掘进20米后，隧道主要穿越地层为-2

7、强风化闪长岩，底部1/3中风化，刀盘转速1.51.8rpm,扭矩35004800kn·m，推力维持在1100t1700t,顶部土压保持在0.5bar左右，掘进平均速度维持在6mm/min，泡沫剂用量为2环/桶。掘进时长至2小时，渣量难以控制，在开挖至126米时，出现地表塌陷，如图： 2.1.2风险产生原因分析上软下硬地层，上部软土容易进入密封土仓，下部较硬岩体不易破碎，这样往往会使上部软土地层过量切削进入舱内，一旦密封土仓内有一点土压失衡，上部的松软地层会很容易造成土体流失，进而发生较大的沉降风险，甚至塌方事故。经分析南京-2强风化闪长岩地层，呈砂土状，组织结构基本上已全部破坏，有残

8、余结构强度，具可塑性，高密实性。掘进过程中土压及出渣量很难控制，后期为确保地表塌方风险，被动控制出渣量，满仓推进，导致了之后刀盘结泥饼等次生风险。2.1.3风险补救措施 在南京地铁四号线汇通路-中间风井站120米后掘进过程中，通过采取如下措施，使掘进顺利完成。进行桩基加固后开仓清理刀盘固结泥饼，检查刀具，对刀圈的选择做了合理调整（详见第二章2.2常压换刀风险控制）；检修泡沫系统，调试泡沫发泡效果，增设刀盘自动加水系统（如图二）；保持泡沫管的畅通，一旦发现泡沫管堵塞，立即疏通防止结泥饼。图二 改良刀盘加水系统校验土压传感器，检修推进、螺旋、刀盘动力系统；加强盾构机维养保养，提高设备的完好率和利用

9、率。提前安装调试好螺旋机应急闸门，以利用于遇到涌砂时的及时关闭闸门保压。采用土压平衡模式掘进。增加二次注浆设备，提前备足注浆材料；密切注意工程地质和地表沉降变化的情况。洞外观测地表下沉，在进入该段前约30m开始，在洞轴线的地表每隔5m设置一处测点，用于监测盾构机掘进到达和离去阶段，各点的沉降值与盾构机掘进参数之间的关系，总结出适应该地层掘进参数和注浆参数。收集必要的掘进参数和地层信息，以信息反演地层结构。及时调整推进参数，减少对地层的扰动，控制地面沉降。优化壁后注浆配合比参数。调整同步注浆配合比，同时，及时进行二次双液补强注浆。盾构司机培训，强调掘进各参数控制。重视盾构掘进基础数据的异常反馈。

10、如推进速度、推力、扭矩、土舱压力增大、油温升高、出土闸门喷涌、渣土的含水量变化、渣样的判断、实际出渣量与理论出渣量的比较等等，认真分析异常原因，采取果断的技术措施，以免贻误最佳的处理时机。严格控制掘进施工出土量。2.2常压换刀风险控制2.2.1风险描述南京地铁四号线汇通路-中间风井站线路长，岩层分布不均，全风化、强风化、中风化闪长岩地段较多，在掘进过程中需及时检查刀具磨损情况来指导掘进。全风化地层中开挖掌子面岩体自稳性差，常压下基本无法实现换刀作业。此区段中风化地层裂隙发育良好，拱顶部位易掉大块，对换刀作业也产生一定风险。盾构开挖至126米时，因地层上软下硬，掘进状态难控制，最终导致刀盘结泥饼

11、，无法正常掘进，需立即开仓处理泥饼及检修刀具。2.2.2情况分析刀盘介绍刀盘采用Q345B材料，结构为复合刀盘（辐条+面板)，开口率在30%，配有4个主动搅拌棒和1个被动搅拌棒，配置41刃滚刀（双刃滚刀8把，单刃滚刀25把）、64把刮刀和16边缘保护刀；泡沫喷射口5个，水喷射口1个。滚刀刀具是采用17英寸滚刀，在刀盘的中央部设置8把双刃滚刀；在外周部设置了25个单刃滚刀，共计41刃（8×2+2541）。滚刀可以从刀盘后面进行调换。其结构是：从刀座后方插入滚刀，并在滚刀两侧插入锲子，用螺栓紧固后，使滚刀固定在刀座上。切削刀配备了拳形式切削刀。拳形切刀是直接用螺栓固定在刀盘辐条上。64X

12、刮刀5X泡沫喷射口8X双刃滚刀1X磨损检测刀1X注水口25X单刃滚刀24X刀圈保护刀32X刮刀图1 刀盘布置图图2 单刃和双刃滚刀构造图 图3 滚刀更换示意图停机地段工程地质及水文目前盾构刀盘切口环号为126米，隧道顶部覆土深度为13.5m，隧道开挖范围为-2强风化闪长岩，地面自上至下分别为-1b2粉质粘土（1.9m），-1全风化闪长岩（1.2m)和-2强风化闪长岩（10.4m）。隧道下卧-2强风化闪长岩。强风化闪长岩岩体风化裂隙发育，岩体破碎，呈砂土状、碎块状，岩块手折可断，取芯率约为6070%，标准贯入试验击数大于50击，岩层内夹杂着粉质粘土。岩层总体评价自稳能力差，常压开仓后，掌子面自身

13、稳定仅能维持1天左右。地下水总体较为贫乏，受雨水一定影响约20m3/天。2.2.3处理方案的确定原则确定换刀和泥饼清除方案时，应保证以下原则：土体稳定性可控或加固后效果良好：作业时既要保证土仓内作业工人的安全，又要控制地表变形，必须保证掌子面土体的稳定性，防止其坍塌。综合效率高，施工周期短：方法综合效率应高，以减少对盾构施工进度的影响。尽量不占用地表或降低地表占用时间减少对市民生活的影响，争取做到不扰民施工。综合成本低：换刀和泥饼清除方案的确定应考虑盾构停机时间、工期延误带来的隐性成本增加。换刀及泥饼处理方案比选2.2.4对地层换刀和泥饼清除方案选择适用性分析：常压开仓不加固地层处理方案特点：

14、该方案不需要前置工作，人员进入土仓进行刀具更换和泥饼清除，单次换刀显性成本低，适合掌子面岩层稳定并水位低于刀盘中心以下时采用。弊端：地面塌陷风险大，人员安全保障非常差，地下水丰富时甚至难以打开仓门，施工工期不易控制。常压开仓地表注浆加固处理方案特点：在刀盘切口前端地层内注入水泥浆，对地层进行固结加固，刀盘切入加固体后人员进行刀具更换和泥饼清除。弊端：在一定程度上可以加固地层，但占用地面施工，加固体固结时间较长，导致施工周期较长。同时，在闪长岩中注浆效果不明显，多次实践证明，在水泥浆加固之后掌子面仍出现坍塌。常压开仓素桩处理方案特点：在刀盘切口前端施工双排素桩，刀盘切入第一排素桩内1/2后，在素

15、桩的支护下，进行刀具更换和泥饼清除。弊端：开仓地点与预测地点可能不一致，造成事先施作的加固地段不起作用；钻机施工需要充足的施工场地，对地面影响较大。常压开仓洞内注双液浆处理方案特点：洞内注水泥-水玻璃双液浆，注浆管采用自加工的小导管，分节打入地层，每节段间采用丝扣连接形成管体。双液浆可以快速反应形成玻璃体，其固化物强度较低，流动性较好，通过控制反应时间达到要求的扩散效果，与岩石具有良好的粘结性。该加固不会对刀盘、刀具产生凝固，不占用地面场地，不受地表条件限制。弊端：土仓内作业空间有限，钻孔难度较大，人员成孔作业时，需面对裸露的掌子面岩层，导致风险较大。同时，施工周期长，成本较高，如开仓作业时间

16、较长，亦有可能引起土体塌陷。常压开仓洞内砂浆置换处理方案特点：先通过向土仓内灌注水泥砂浆置换出仓内碴土，形成刀盘面板的封闭与主轴承的保护；再通过超前注浆孔向刀盘切口斜上方注入水泥浆加固拱顶，待浆液达到强度之后开仓检查掌子面稳定情况，人工清除仓内砂浆与泥饼并检查更换刀具。弊端：若砂浆置换开仓后发现刀盘面板封闭没有达到理想效果，掌子面及切口上方仍存在坍塌的可能。同时，容易固结刀盘、盾体及盾尾，导致盾构机脱困困难，影响工期，得不偿失。表2 方案比选分析表方式加固方式加固效果及风险性对地面影响处理时间准备时间处理成本常压开仓不加固无，坍塌风险大无不确定无低地面注浆加固良好，坍塌风险小对地面影响较大较长

17、短较高素桩良好，坍塌风险小对地面影响较大短短较低洞内双液浆加固较好，坍塌风险较小无较长较短低砂浆置换较好，坍塌风险较小无较长较长较高2.2.5方案确定及实施 在上软下硬地层中最终选择双排素桩施工加固。如下图： 素桩加固图示进入加固区，实施开仓作业，检查掌子面效果良好，清泥饼及换刀作业安全快速的执行。如图示： 在裂隙发育良好的中风化岩层中，换刀作业选择了开仓直接喷锚支护。掌子面加固技术措施采用喷射砼对掌子面进行加固。施工流程岩面清理 挂设钢筋网 喷射混凝土准备工作设置控制喷射混凝土厚度的标志，插入长度比设计厚度大5cm的铁丝，作为施工控制用。检查机具设备和风、水、电等管线路，并试运转。输料管应能

18、承受0.8MPa以上的压力，并应有良好的耐磨性能；作业区内具有良好通风和照明条件。对施工所用的水泥、粗细骨料、外加剂、掺加剂和水等进行调查，对其质量进行检验，确保工程材料的质量和数量满足施工的要求。地面拌料在地面进行拌料，采用电瓶车托运至工作面，施工配料应严格按配合比进行操作。技术措施喷射混凝土厚度为10cm，强度等级应达到C25。喷射前应对受喷岩面进行处理，可用高压水冲洗受喷岩面岩屑。在刀盘开口处挂网，钢筋网采用玻璃纤维筋。对钢筋网固定时，采用8钢筋固定，使其密贴受喷面，以提高喷射混凝土的附着力。喷射混凝土前，宜先喷一层水泥砂浆，待终凝后再喷射混凝土。喷射顺序应自下而上、往复喷射。喷射时使喷

19、嘴与受喷面间保持适当距离，喷射角度尽可能接近90°，以使获得最大压实和最小回弹。喷嘴与受喷面间距宜为1.52.0m； 喷射混凝土的注意事项喷射速度要适当，以利于混凝土的压实。经常检查喷射机出料弯头、输料管和管路接头，发现问题及时处理。管路堵塞时，必须先关闭主机，然后才能进行处理。2.3盾构在富水地层喷涌风险控制南京地铁四号线汇通路-中间风井区间掘进1000米时，地层进入裂隙发育良好的强分化地层，地层裂隙水汇水快，地下水位高，压力大，导致盾构掘进中出现轻微喷涌现象。2.3.1喷涌发生机理由于开挖面上水压力过高 , 加之开挖下来的渣土本身不具有止水性 ,正常的螺旋排土器取土排土方式已经难

20、以将土体中的水体按照输送水体和土体一起排出盾构机。高压力的水体穿越压力舱和排土器形成集中渗流带动土颗粒一起运动形成喷涌 , 土空隙中的输送水体形成相对土体运动的集中渗流 , 原本以相同速度输送的土水产生相对运动 , 水体流量和流速相应的增大。较大流量的渗流水经过压力舱和螺旋排土器后其压力水头没有递减到和零相接近的范围。渗流水在输送至出口的一瞬间 , 由于前方是临空的隧道内部 , 处于无压状态 , 渗流水便在忽然增大的压力下带动正常输送的砂土喷涌而出。在粘性土中防喷涌的主要办法是防止“泥饼”的形成。2.3.2规避措施增加同步浆液稠度及凝结时间，保证同步浆液不被冲刷。在同步浆液内加入特殊材料以更有效的维持浆液不被流失。施工中，南京项目部与浆液厂商配合调整浆液稠度及凝结时间，并在浆液注入前增加玻璃纤维素，到达快速凝结和有效稳固作用。利用盾构机配套的二次注浆设备及时注浆，在管片外周形成连续的封闭环，防止管片周围的地下水串通，避免喷涌。采用土压平衡模式