软弱地质条件下盾构施工技术研究

1、软弱地质条件下盾构施工技术研究1、研究背景随着中国经济的快速增长、城市人口数量迅速膨胀，机动车辆的数量呈级数比例增长，原有的市政道路难以满足交通的需要，为缓解城市交通压力、创造良好的生活和投资环境，国内各主要城市均选择修建地铁工程来提升城市形象和投资环境。隧道是地铁工程最主要的组成部分，隧道盾构法施工具有施工速度快、工期短、洞体工程质量易控制、质量比较稳定且良好的防渗水性能、施工安全系数高、对周边建筑物影响极小、基本不影响地面交通、适合地层范围广、地质情况复杂的施工作业环境等优点。随着我国各大城市地铁建设热情的高涨，隧道盾构施工方法必将在地铁建设中被广泛推广应用。盾构施工虽然有对地层的广泛适应

2、性、施工安全系数高等优点，但因地质情况千变万化、施工环境的复杂性，在盾构施工中必然存在盾构机的适应性和施工方法、措施的调整。福州地铁穿越的地层主要为砂卵石地层并夹杂有粉细砂层透镜体，地下水丰富、水位高、补给迅速，国内、国际在该种地质条件下全面实施盾构施工隧道尚不多见，无较多经验可以借鉴，在地铁建设史上的应是一次重要技术性突破。截至目前福州地铁08合同段土压平衡盾构施作的隧道已经完成成型隧道4000余米，在施工中出现一些有别于其它软弱地质情况下施工的难点，对这些难点的技术处理为在富水砂卵石地层中盾构施工积累了一些应对的经验。2、工程概况 福州市轨道交通1号线08标段三叉街站白湖亭站区间盾构隧道里

3、程为SK16+766SK17+849，区间上行线总长995.066m、下行线长总994.233m；在里程SK16+183.362处设联络通道及泵站一座。三叉街站白湖亭站区间左、右线线路均自白湖亭站北端头井出站后，沿则徐大道一路向北，在下穿濂浦河、规划跃进河、规划道路后，至三叉街站南端头井。则徐大道道路现状宽约35m，为城市主干道，两侧主要为居民住宅小区，北端主要为莱茵城、三叉街新村，中部为城南新村等，南端主要东方花园，好又多超市等。区间隧道通过及影响范围内地层中(3)1淤泥、(5)1淤泥质土夹细砂、(5)3淤泥质土为软土，流塑，易产生蠕动变形；(4)粉质黏土、(7)粉质粘土，可塑，为硬土层，性

4、质较好；(4)j中砂、(5)2细砂夹淤泥，为饱和砂土，松软，富含承压水，易产生涌水、涌砂，极易坍塌变形。由于盾构推进时所遇地层引发的问题主要有：（1）(3)1层淤泥、(5)1淤泥质土、(5)3淤泥质土夹细砂含水量高，孔隙比大，渗透性差，呈流塑状，且具有压缩性高，强度低等工程力学性质特点。在外力作用下易扰动且强度降低，盾构掘进中不仅保持土压平衡极为困难，而且往往会出现前期沉降及盾构通过后沉降长期不收敛。（2）砂性土(4)j中砂、(5)2细砂夹淤泥，富含承压水，在水力作用下极易产生流砂、坍塌等现象，导致掘进面不稳定，对隧道盾构的施工产生较大的不利影响，尤其应注意砂土层突发性的涌水和流砂会引起地面沉

5、降，严重时会随着地层空洞的扩大引起地面的突然坍塌。（3）盾构掘进全断面地层存在上下或左右软硬不同的特征，掘进断面软硬不均，易导致盾构掘进偏离中心线，施工时应以注意，随时保持盾构的稳定性。福州地铁通过的地层具有稳定性差、透气性大、地下水丰富、水位高、水压大等特点。在穿越软弱地层时还可采取地面注浆加固地层、旋喷桩或挖孔桩加固掌子面及土体改良等方法。3、复杂地质条件下盾构掘进施工 盾构在硬岩地层、软硬不均地层中的掘进，既是一个施工控制的重点，同时也是一个施工上的技术难点。加上所掘进硬岩强度高、软弱岩层遇水极易崩解、且地层层间水丰富的特点，使得掘进施工难度倍增。本区段施工要求高，提前做好机械设备、技术

6、支持等施工准备工作，认真分析地质条件为长距离掘进高强度硬岩段间杂软弱岩层段打好坚实的基础；施工过程中准备的判断碴样，经过碴样试验、分析，结合详勘、补勘资料确定所掘进的地层，以采取相应的措施。 3.1配置合适的刀盘 根据区间地质状况，针对区间硬岩地层，刀盘配备以破岩能力为主的重型滚刀。 3.1.2滚刀设置 盾构机采用滚刀进行破岩，其破岩形式属于滚压破碎岩石。滚压破碎岩是一种破碎量大、速度快的机械破岩方法，其特点是靠工具滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的。如图1所示是滚刀滚压破碎的示意图，轴力P使滚刀压入岩石，滚动力矩M使滚刀滚压岩石，两者的共同作用使滚刀随着刀盘的转动和自身的旋转

7、而在开挖面上压切产生沟槽，每一个刀刃在岩石上压切出一条沟槽。在向沟槽施加压力时，刀刃与岩体间产生侧向剪切力，如果产生的剪切力高到足以使槽间岩石破碎时，由于岩石具有的脆性，槽间的岩石就形成碎块而掉落。 一般情况下在滚压破碎中推力是主要的参数，因为它决定了扭矩（滚动力）以及其它参数；但是在决定滚压破碎的功率中扭矩是最主要的参数，因为它占破碎功的绝大部分。 3.2掘进模式 硬岩段敞开式掘进模式； 上软下硬土压平衡掘进模式； 软弱岩层段土压平衡掘进模式。 3.3选定掘进参数 3.3.1上软下硬地层掘进参数 软弱岩层段向硬岩段过渡掘进、硬岩段向软弱岩层过渡段掘进采用“土压平衡模式”掘进。 （1）采用小推

8、力低转速，适当降低掘进速度，使刀盘对底部较硬地层进行充分破碎。 （2）严格控制出土量。如发现出土量过大要逐步增加土仓压力，将每一环的出土量控制在理论值的95%105%。 （3）重视盾构基础数据的异常反馈，认真分析其异常原因，并采取果断措施；密切注意工程地质及地表沉降变化情况，及时调整掘进参数、减少对地层的扰动、控制地表沉降在允许范围内。 （4）严格进行同步注浆，保证注浆压力及注浆量，充分填充盾尾和管片之间的建筑间隙，以减少周围土体变形。 （5）根据盾构推进的地质预报及出土情况分析，充分了解前方地层情况，及时添加调整渣土改良材料，以改良渣土，防止产生“泥饼”和“喷涌”。 （6）及时对盾尾密封添加

9、足量的油脂，确保盾尾的密封性，以防止盾尾密封不好而产生漏水、漏浆和漏砂现象。 （7）合理利用盾构铰接油缸，改变刀盘倾角以加强对砾质部位的切割，提高盾构掘进过程中的轴线控制能力。 （8）增加土仓内的泡沫注入量，以减少刀具的磨损并防止开挖面失稳。 3.3.2硬岩段掘进参数 硬岩段掘进采用敞开掘进模式，遵循“高转速、小推力”原则选取参数，以提高纯掘进速度。其掘进参数确定如下：盾构机在通过全断面微风化地层时盾构机推力1000014000 KN； 盾构机扭矩控制在2200-2600KN.m； 推进速度为 813mm/min；刀盘转速为1.71.9转/分钟。 3.4 复杂地质条件下施工技术措施 3.4.1

10、掘进模式转换 在盾构推进过程中，因地层的变化，会发生硬岩穿越硬岩上软下硬软弱岩层之间的地层转换，掘进模式应随着地层变化及时调整。并结合该区段范围的地质纵断面图及相应钻孔地质资料对渣样分析进行综合分析，确定盾构机当前的地质水文隋况，并预测盾构前方的地质水文情况，同时与盾构推进该段的推进参数变化情况进行分析对比，确定下一步应采取的施工措施。 施工现场渣样分析简易判定： （1）渣样岩土特征：岩石成分，颜色、状态、硬度、风化程度、掌子面隐定性。 （2）含水性分析：含水量、渗透性。 （3）盾构推进参数分析：土仓压力、推力、扭矩、推进速度、刀盘油温、注浆量及压力。 综合以上各项参数分析，结合设计地质勘探资

11、料分析报告，确定当前盾构所处的地质水文情况，并及时调整盾构推进参数或采取其他辅助措施，实现信息化施工，保证盾构机安全、快速的推进。 3.4.2刀具检查及更换 为确保盾构顺利掘进，根据以往经验拟定了换刀位置及区域，为硬岩掘进、从硬岩进入软弱岩层以及软弱岩层的掘进提前准备。 3.4.3检查及更换的位置选择 （1）硬岩段 根据刀具的磨损情况，在地层稳定的情况下，有计划的开仓进行刀具检查及更换。掘进过程中，根据地层情况，每隔2-3环或遇到特殊情况时检查刀具情况，逐渐的掌握所配刀具在相应地层的适应性和磨损情况。 （2）软弱岩层段 出全断面硬岩之前，进入上软下硬地层掘进前；必须选择适当的位置进行刀具检查并

12、更换磨损超标刀具。 （3）带压换刀 因地层含砂量大，石英含量高，且地层粘性度大，刀具磨损快，且极易形成泥饼。为了确保盾构机顺利掘进，经判断有泥饼形成、刀具磨损过大的情况，必须选择合适的位置及时带压进仓更换刀具或清理泥饼，确保后续施工正常。 3.4.4硬岩段的刀具检查 根据地质勘察报告，盾构有条件根据刀具磨损情况随时开仓进行刀具检查或换刀施工。因此，盾构在硬岩段掘进过程中，要求每掘进45环，即进行一次刀具检查。特别是周边滚刀磨损量的检查，以保护好盾构机刀盘。 3.4.5其他控制措施 （1）过硬岩段掘进时严格控制盾构推力，实时观察推力变化，防止过大推力造成局部刀具破坏和管片破裂。 （2）过硬岩段可

13、适当减小泡沫剂用量，泡沫剂浓度控制在2%左右，掘进速度过小的情况下泡沫剂浓度还可以再减小一点；但注意减小泡沫剂用量时要向土仓内加水，以降低土仓温度，减小刀具、刀盘磨损。 3.4.5碴土改良及出碴管理 3.4.5.1碴土改良 泥饼（次生岩块）是盾构刀盘切削下来的细小颗粒、碎屑在密封仓内和刀盘区重新聚集而成半固结或固结的块状体。 隧道软弱地层大部分为残积层<8-2>、<8-3>及风化岩层<9-1>、<9-2-1>、<21-1>、<21-2-1>、<21-2-2>，此类岩层，易产生泥饼；掘进过程中需进行碴土改良，以防

14、止泥饼产生。 根据土层情况向刀盘和土仓内加入泡沫、膨润土等渣土改良剂，使搅拌后的切削土体具有止水性和流动性，既可顺利排出渣仓，又能降低扭矩，减小刀具的磨损。 1） 通过盾构机上的泡沫系统注入泡沫，泡沫的组成比例如下： 泡沫溶液的组成：泡沫添加剂3%，水97%。 泡沫组成：9095%压缩空气和510%泡沫溶液混合而成。 泡沫的注入量按开挖方量计算：300600L/m3。 2） 通过膨润土注入系统以悬浮液的方式注入膨润土，其体积使用量为20%30%。拌制的悬浮液泵入储存罐后通过不同的注入口分别注入到开挖仓及螺旋输送机进口处。 3） 必要时可考虑在土仓注入泥浆。其配合比为：水:膨润土:粉煤灰:添加剂

15、=4:1:1:0.1，加泥量为5%20%出土量。 3.4.5.2出碴管理 掘进过程必须对出碴量有详细的记录及统计，理论出碴量可以根据推进进尺×断面面积×松散系数或者推进速度×断面面积×松散系数确定。 3.4.6盾构姿态控制及纠偏 利用PPS系统对盾构机姿态的实时监测显示，根据地层的软硬分布情况，分区操作推进油缸，设定推力和推进速度，实现对盾构姿态的实时控制，必要时一个掘进循环可分几次完成。 3.4.6.1纠偏方式 盾构机掘进时，总是在进行蛇行，难免出现姿态偏差，蛇行修正以长距离慢慢修正为原则，盾构机姿态采取以下调整（纠偏）方式；纠偏方式有：滚动纠偏、竖直

16、纠偏和水平方向纠偏等。 3.4.6.2纠偏控制 盾构掘进的纠偏量越小，则对土体的扰动越小。由于同时处于小半径（左线360m、右线350m）右转弯圆曲线段、上软下硬地层及下穿密集建筑群，为防止盾构机抬头以及管片上浮及向圆曲线外侧移动，需要对掘进方向进行预偏。 通过PPS系统及DTA测量系统的差值（盾构机中心坐标与原点坐标的差值），调整盾构机姿态为：垂直方向控制在-30-40mm之间，水平视平方向应控制在0+15mm之间。 根据管片监测情况，如管片上浮量较大，则垂直偏差可调整为-40-50mm之间。同时应加密移站频率，减少移站后出现的轴向偏差。 3.4.7掘进中壁后注浆 （1）盾构机配置了两套壁后

17、注浆系统，一套用于常规的壁后填充注浆，另一套用于快速控制变形为目点二次补充注浆，如环向封堵、管片姿态控制。 （2）根据经验注浆量每环控制在6m3，若出现出碴量异常，适当调整注浆量，适应碴土排除量；以注浆压力和注浆量控制。 （3）二次注浆： 1）当注浆效果不能满足要求时，要及时进行二次补强注浆； 2）在上软下硬地层掘进中，同步注双液浆，能尽早地固定管片，改善管片的受力状态，防止管片错台破损。注浆点位：1点和11点位置，打设小导管注入二次浆液，确保迅速填充上部土体，固结隧道上部土体。 4、富水砂卵石软弱地层中盾构施工技术4.1富水砂卵石地层中盾构施工的难点通过福州地铁前一阶段盾构掘进施工的情况来看

18、，土压平衡盾构机在福州地质情况下施工有以下几个难点：（1）在掘进过程中砂卵石地层对刀盘、刀具、渣土输送系统等部位磨损严重，造成换刀频率较高约150米需换刀一次，渣土输送系统需得到及时的修复；（2）地下水位高、掌子面不稳定，清仓比较困难，换刀时停机处易出现坍塌现象；（3）须在降水条件下换刀，在建线路的位置换刀地点难以选择；（4）因地层局部为砂卵石土夹砂透镜体，土压平衡盾构在通过时刀盘前极易出现固结泥饼现象，开仓处理时易引起地面安全风险；（5）地面沉降槽虽较窄，但沉降量和沉降速率难以控制。4.2富水砂卵石地层中出现问题及采取的措施（1）砂卵石地层施工防止螺旋输送机卡死和固结泥饼的措施：盾构机制约卵石排出有两个主要的约束条件：（1）刀盘的开口尺寸；（2）螺旋输送机通过的最大卵石粒径的能力。其中基本的约束条件是螺旋输送机的通过能力，刀盘的开口尺寸受螺旋输送机能通过能力制约。为确保卵石不堵塞或卡死螺旋输送机，在条件许可的情况下尽可能选择具有较大轮廓直径、牙高值和螺距的螺旋输送机，使其具有通过的较大直径卵石的能力；同时刀盘的开口尺寸要小于螺旋输送机能通过的最大卵石的尺寸，确保进入土仓中的渣土能够顺利排出而不至于