盾构在不同地层掘进的参数控制措施

1、盾构在不同地层掘进的控制措施中国2K电SIKOMYDRO2013年5月18日目录1、盾构穿越江河、富水砂性地层-1-2、盾构穿越上软下硬地层-2-3、盾构穿越硬岩地段-2-4、盾构穿越球状风化地层-3-5、盾构穿越断裂带-4-6、盾构穿越空洞-5-7、盾构穿越粘性土地质-7-8、盾构穿越含煤气层地段-7-9、深圳地区地铁盾构在不同地层施工的参数控制统计表-1-1、盾构穿越江河、富水砂性地层在盾构施工中，盾构机在江底、富水砂性松散地层等地质条件下的掘进参数对其施工安全有着重要影响，保证盾构机完好是顺利通过这些不良地层的关键。1)穿越江河地段(1)过江前仔细检查主轴承、盾壳较接和盾尾的密封状况，以

2、保证设备完好和提高过江安全性，同时及时更换损坏刀具，必要时需要提前更换盾尾密封，并保证配件供应和盾构机各系统始终处于正常工作状态，提高掘进速度，避免盾构机在江底作不必要的停留，以降低风险。(2)施工中注意设置和控制盾构机施工参数，特别是利用声纳法或水压力感应器法等信息化反馈手段，及时摸清江底隆沉情况，调整盾构机施工参数，将其掘进对河床的扰动降到最低。(3)适当缩短浆液胶凝时间，保证同步注浆质量，减少地层损失。(4)增加洞内排污设备能力，保证盾尾积水及时排除。2)穿越富水砂性地层在富水砂性地层的施工过程中，如何把从螺旋机口喷涌出来的泥砂接入到渣士车中显得很关键，大量泥砂在皮带机上打滑无法运输，这

3、是影响盾构施工的最大问题。富水砂性地层盾构掘进施工时采用快速通过，并对螺旋机进行一定的改造。图1-1螺旋机喷涌(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1-1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。2、盾构穿越上软下硬地层盾构在上软下硬地层施工过程中存在的主要问题是盾构掘进控制难度大，二况转换频繁。掘进面上下岩体的完整程度及强度差别较大，容易发生盾构机抬头事故。主要施工技术措施：1)结合地质资

4、料，注意分析盾构机的状态参数，及时发现上软下硬地层，以便采取相应措施。2)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。3)合理利用盾构较接千斤顶，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。4)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。5)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。6)采用土压平衡或气压平衡模式掘进,必要时注入泡沫或

5、泥浆对磴土改良,以减小刀具及刀盘的磨损。7)采取措施，重视盾构的轴线控制和姿态控制：合理利用超挖刀；根据测量数据及时修正千斤顶推力组合。3、盾构穿越硬岩地段1)盾构机穿越这类岩层时，盾构掘进时主要有以下特点：(1)掘进速度慢；(2)刀具磨损大，刀具更换频繁；(3)轴线控制难度大；(4)推力增大，有可能引起管片的裂缝；(5)岩石自稳能力强，适合采用敞开掘进模式。2)主要施工技术措施：(1)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。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。半敞开模式掘进：一方面能够减

6、小刀具的磨损，同时更易给刀盘提供顶推力。敞开模式推进：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，建议采用半敞开模式掘进，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。(2)进入硬岩段掘进前要对盾构机进行一次全面的维修保养，确保盾构机的工作状态良好。(3)采用单刃滚刀破岩，减少换刀次数与频率，提高施工进度。掘进过程中随时监测刀具和刀盘受力状态，确保其不超载。(4)增加开仓检查的频率，注意量测刀具的磨损情况，在地质条件允许的情况下及时更换磨

7、损的刀具，避免损伤刀盘。(5)如可能，换刀时启动刀盘伸缩装置，缩短换刀时间并在土仓内更换刀具，减少换刀时间对掘进循环的影响，提高设备利用率。(6)硬岩段掘进时启动盾构稳定装置，减小盾构机振动和防止盾构机产生超限扭转，使管片受力稳定，确保隧道成形质量和保护管片，防止盾构变形。(7)采用敞开模式掘进时，遵循高转速、低扭矩原则选取参数，以提高掘进速度。4、盾构穿越球状风化地层花岗岩球状风化地层俗称“孤石”层，由于风化球岩体的强度远大于周围岩土层的强度，是盾构施工的不利因素。风化球周围岩土层主要为花岗岩强、全风化层，强度差异较大，稳定性差，为R、田类围岩。由于风化球周围岩体与球状风化岩体本身强度存在较

8、大差距，易造成刀具损坏，甚至会导致刀盘变形，至使整个盾构机瘫痪。主要施工技术措施：1）超前钻探或地质雷达物探，以预防为主，提前采取一些诸如地表或洞内爆破等必要的处理措施。2）注意观察盾构掘进的异常情况以及掘进参数的异常变化，判断是否碰上球状风化岩体。一旦发现推力加大时，盾构推进缓慢或停滞不前，应立即停机，切不可贸然推进。3）向土仓内加入气压以稳定工作面，采用高转速、低扭矩、低推力谨慎掘进。4）如球状风化岩体在软地层随刀盘一起滚动，可利用地质超前钻机对周围软地层予以加固，然后进行掘进。5）如上述措施不能奏效，则采取以下措施：（1）在开挖面稳定（或地层加固后稳定）情况下遇到孤石时，采用静态爆破的方

9、法；（2）遇到长距离（100rm硬岩段或球状风化群体，根据目前盾构机技术水平，并考虑经济和工期因素，可采用矿山法开挖隧道，盾构机拼装管片通过。5、盾构穿越断裂带断裂带埋深大约在1030m范围内，岩体破碎，围岩的强度大，而且强度不均匀，稳定性差，地下水比较丰富。盾构通过时存在的主要问题：1）易发生涌水；2）破碎地段的岩块较大，易堵塞螺旋输送机；3）断裂带下伏的基岩多为蚀变花岗岩与硅化岩，岩体强度大，要求盾构破岩能力强。主要施工技术措施：1）及时将双刃滚刀更换为单刃滚刀。因为单刃滚刀比双刃滚刀接触面小、破岩能力强。2）采取土压平衡工况掘进，及时调整土仓压力，确保土压平衡，同时采取措施防止拼装管片时

10、盾构出现后退，保证工作面的土体稳定。3)适时调整掘进参数，防止出现过大的方向偏差，同时使岩石得到充分的切削，避免大的岩块堵塞螺旋输送机。4)掘进过程中向土仓内注人高浓度泥浆或泡沫，防止螺旋输送机堵塞和水涌入隧道。5)连续掘进，对地表和建筑物连续监测。及时注浆充填管片与地层之间的环形间隙，防止土体塑性区的扩大，控制地表沉陷。6)水压较大时，为防止盾尾被击穿，要加强盾尾油脂注入量。6、盾构穿越空洞盾构施工时，一旦揭穿空洞，有可能造成突水、突泥及盾构机沉陷等工程事故，对盾构施工影响较大。同时若隧道空洞涌水(或突水)得不到有效处理，将直接导致孔隙水位下降，从而影响周边建筑物安全，严重时将造成地面塌陷。

11、因此必须准确地掌握空洞的分布和大小，对空洞进行处理，以降低施工难度和施工风险。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。一般空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6-1(a);空洞断面大于盾构隧道断面，并与盾构隧道斜交(见图6-1(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6-1(c);空洞断面小于盾构隧道断面，并与盾构隧道斜交(见图6-1(d)0图6-1盾构隧道与空洞的关系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

12、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)空洞处理技术措施(

13、1)加密钻孔。在详勘钻孔揭示到有空洞的地区，为进一步了解和掌握空洞的分布范围和空洞大小，实施加密钻孔，并使钻孔交错布置，钻孔深度至隧道结构下5mo同时在揭示到有空洞的加密孔和既有揭示有空洞的钻孔周围布设更密的钻孔。(2)物探(CT)法确定空洞的大小及分布。利用工程CT技术精确探测空洞的边界、空洞走向、规模，另外利用部分钻孔作为技术孔，对空洞的充填物进行物理力学勘察，以确定空洞填充物的密度、含水量、空洞水流向和渗透系数等指标，并估算空洞水流量，以确定空洞的注浆材料。(3)注浆回填。为了保证盾构机通过空洞位置，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

14、孔注浆设备，在空洞位置处由地面钻孔进行注浆，地面注浆于发现空洞后马上实施。(4)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10m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，再开仓对学子面进行注浆加固。4)主要施工技术措施：(1)做好各项准备工作，提前对盾尾密封进行检查。(2)空洞加固处理完毕后，在盾构机通过时，要适当放慢掘进速度。(3)调整同步注浆浆液的配合比，缩短凝结时间，同时增大注浆量和注浆压力。(4)在盾构机通过

15、后及时进行二次双液注浆，通过调整水泥水玻璃的配比参数，控制双液注浆的凝结速度，达到加固土体和加固充填空洞的目的。(5)加强掘进姿态控制，全面贯彻信息化施工。(6)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。(7)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。(8)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。(9)同时备好抽排水设备等应急设备和物资，制订应急抢险预案。7、盾构穿越粘性

16、土地质在粘土矿物含量高的残积层、混合岩全风化地层进行盾构施工时，极易在刀盘开口处和切削仓聚积泥饼。当产生泥饼后，掘进速度急剧下降，刀盘扭矩也会上升，大大降低开挖效率，甚至无法推进。主要施工技术措施：1)在到达这种地层前把刀盘的部分刀具换成齿刀，增加刀盘的开口度；2)在粘性土中掘进时，特别要加强盾构掘进时的地质预测和磴土管理；3)掘进时注泡沫剂，改善土体的和易性，预防粘土结块；4)刀盘背面和土仓隔板上增设空心搅动棒，增加搅拌强度和范围，并且空心棒内还可预留注水孔，以便清洗刀盘和土仓；5)空转刀盘，使泥饼在离心力作用下脱落；6)如果地层隔水性较好，则可采用气压平衡模式掘进；7)在开挖面稳定的前提下

17、，人工进仓清除泥饼。8、盾构穿越含煤气层地段含煤地层地段容易产生甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、氮气(N2)、硫化氢（H2S）等有害气体。盾构在含煤地层掘进时（见图8-1）,需主要防止爆炸事故,要不断向学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。图8-1盾构在含煤地层中掘进主要施工技术措施：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

18、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。9、深圳地区地铁盾构在不同地层施工的参数控制统计表要质分类盾构参数、全断面岩石上软下硬球状风化体硬岩破碎带和富水断裂带泥质、粉质砂岩，软岩强风化带江河富水砂性土层全风化岩和塑性、粘性土层穿越建构筑物1、掘进立含水量低时敞开模式；或者半仓欠压模式半敞开模式（气压平衡模式）土压平衡土压平衡土压平衡土压平衡；下坡扰动严重土压平衡土压平衡2、土仓压力大气压力；或者欠压严格控制严格控制约1.1倍压力设定值严格控制3、刀盘转速高转速；1.85.0rpm,韧性岩石（如页岩、粉质砂岩）1.83rpm,脆性岩石（如花低；转速1.01.6r/min高转速；1.85.0rpm低转速1.01.6r/min低转速1.01.6r/min低转速较低转速1.62.2r/min低转速岗岩、砾质砂岩、大理石）35rpm4、刀盘扭矩较低扭矩；30003500kNm16003000kNm低扭矩32004000kNm32004200kNm5、推进速度2030mm/min25mm/min低推力25mm/min3040mm/min均匀中速通过均匀较快通过；3050mm/min均匀低速通过；1020mm/min6、推力控制小推力；8001200t10001600t800