盾构在软硬不均地段的掘进方案

1、盾构法施工在软硬不均地层中的掘进方案近年来，随着科学技术的发展和大量盾构隧道工程的实践,盾构法隧道施工技术在设计理论、施工方法和设备设施方面均取得了长足的发展，从而为在软弱基础中修筑隧道和管道等工程的主导技术，在世界各国的城市建设、工业管线施工以及公路、铁路、水利工程和矿山建设中，提到了广泛的应用。我国是在本世纪50年代开始引进盾构法修筑隧道工程的。施工中注意吸收和采用先进的技术和新工艺、新材料，参考和借鉴别国的成功经验和失败的教训，发展速度较快，成绩斐然。但是，通过在深地铁的盾构隧道施工可以看出，盾构施工也有很多局限性和缺陷性。最明显的是盾构不能顺利通过掌子面地层软硬不均的地段。本文主要是根

2、据中隧集团在深圳地铁福民站会展中心遇到的典型地质软硬不均现象，总结和阐述在此种情况下盾构法施工的方法。1、 工程实例11上海隧道股份施工的购物公园站竹子林站区间上海隧道股份使用日本三菱盾构机，施工中因遇到孤石或掌子面地层上软下硬等软硬不均的现象，结果导致掘进速度很慢，刀盘严重损坏，先后在刀盘前方施做了两个竖井和一次旋喷桩加固，通过上述方法，进行刀盘的修理和换刀。12中隧集团施工福民站会展中心站右线盾构隧道中隧集团使用德国海瑞克生产的土压平衡式盾构，从福民站向会展中心方向掘进，至SSK2+325.8附近时，掌子面地层出现上软下硬、左软右硬的情况，结果导致掘进速度极慢，刀具严重破坏，地面发生沉降异

3、常，最终地面坍塌，被迫停工。121地质情况隧道覆土和通过范围的地质情况如图一所示。122进入此段前后掘进施工情况掘进参数： 进入前 进入后推力 1000T左右 1400T最后增至2100T推进速度 60mm/min 26mm/min刀盘转速 1.51.8rpm 1.82.3rpm刀盘扭矩 70149bar间跳动 155bar渣土温度 25左右 高达83图一 福民站会展中心站典型软硬不均地层施工中伴随的现象：掘进速度在瞬间降低至很低，刀盘扭矩跳动利害,常有卡死刀盘的现象，土仓内有较大的异响，有较大重物在土仓内滚动但的声音又传不出来的感觉，同时，掘进时盾构振动利害。渣土温度较高，需向土仓内加入冷水

4、冷却刀具。掘进中，每隔510min就因油温过高而停机降温。渣土中含有大量的棱角分明最大长度约为15cm的不规则花岗岩块。123导致的结果最终掘进速度几乎没有，掘进速度太慢，出渣量不易控制，渣土温度过高，同步注浆困难，由于上部覆土多为软土或砂砾层，地面沉降异常，加上隧道上半部仍有粘性土，可能形成泥鉼。掘进能耗大。在强行开仓检查时，地面发生异常沉降，最终坍塌。在刀盘前方地层中施做旋喷桩加固后，开仓换刀时证明：大部分滚刀刀圈严重磨损或崩裂，有两把刀个刀座变形，几乎全部齿刀的刀刃磨损掉，刮刀磨损下去约1/2，导致掘出来的隧道偏小，推进油缸向前拖动盾构困难。2、 软硬不均的概念21相关规定地下铁道、轻轨

5、交通岩土工程勘察规范对岩石软硬程度的分类如下表所示： 岩石类别fx(Mpa)硬质岩石极硬岩fx60硬质岩30 fx60软质岩石软质岩5fx30极软岩fx 5规范中对中风化和微风化岩石的划分也是根据岩石的裂隙发育情况和整体性，及风化后岩石的结构和矿物风化情况进行的。所以，对中风化岩石的划分是一个很广的范围，虽然由于裂隙发育，中风化的岩石的单轴抗压强度一般都不高，但相对于盾构刀盘切割来说，整体性却很好，掘进困难。22相关试验深圳市勘察测绘院对会展中心段（盾构通过约300m）的中风化花岗岩的试验结果表明，强度在25.6119.6Mpa之间，平均强度为48.28Mpa。而全风化或强风化花岗岩的强度可能

6、只有几Mpa。23软硬不均的概念虽然，通过海瑞克盾构机在广州地铁二号线越广区间穿越的一段微风化含砾质粉砂岩（掘进后发现该段岩土最硬可能已达到7080Mpa），以及在越秀公园附近顺利通过的单轴抗压强度高达100 Mpa的青色微风化花岗岩看，该种盾构机的刀盘是可以满足硬岩掘进的需要的，也就是说，这种盾构机的刀盘及其推进、驱动系统可以在一定硬度的岩石如微风化花岗岩中正常工作。但通过在深圳地区的施工情况可以看出，对盾构施工来说，不能单单以岩石的强度来划分掌子面地层的好与坏，或是否适合施工，或者刀盘的面板形式、刀具布置、能否满足掘进要求，而应根据掌子面范围内的地层是否全是土或全是岩石、全是岩石时总体的强

7、度及强度变化范围、软硬不均时土和岩石各占的面积来划分掌子面地层的情况，从而决定掘进参数。可能侵入隧道只是一少部分或只是一个花岗岩残留体，掘进时也足以使盾构机发生严重损坏。3、 软硬不均地段的掘进施工方法31地质调查任何地下土木工程的施工方案都是建立在对地质的详细了解的基础上的，盾构施工尤其为如此。地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范中也明确规定，盾构法施工应查明以下复杂地层：含漂石或卵石的地层开挖面的软、硬地层。一般情况下，初步地质勘探时的地质钻孔间距一般较远，不能满足在海相洪积地层、花岗岩等侵入岩地层中经常存在侵入体、岩脉、花岗岩残留体（微风化球）和大量夹杂物地层中施工需要。我们在施工前应进行

8、详细的补充地质勘探，查明隧道范围内的地质情况：软硬不均地段的硬岩分布位置和占盾构开挖面积，软土的类别和相应参数；硬岩的侵入隧道的高度和走势；硬岩的风化状况、裂隙发育情况、强度和整体性；是否有孤石或其它硬质夹杂体存在；软硬不均地段的上方覆土类别。特别提出的是，我们看一个地方的地质情况，不能只看隧道纵向地层和走势，还应通过看横断面的地层情况，立体的分析盾构掘进施范围的地层情况。32刀盘面板和刀具的选择321刀盘的选择在软硬不均地段掘进，刀盘形式必须满足同时能掘进硬岩又要掘进软岩甚至砂土粘土等的需要。也就是说，在掘进时，能在需要的位置安装切削硬岩的刀具，又能在需要的位置安装切削软岩的刀具，同时，刀盘

9、的开口率满足切削下来的岩块顺利进入土仓，又不使软岩不能顺顺利利进入土仓，结果在刀盘前方形成泥鉼，刀具不能抵推掌子面而只打滑，增大刀盘扭矩，不能掘进。福民站会展中心站右线用的海瑞克盾构机的刀盘结构形式应该说是一种硬岩刀盘的形式：面板形，周边圆弧过度，均匀滚刀布置。刀盘采用面板形，有利于保证布置了滚刀后的刀盘结构强度，更能承受大的荷载，同时在硬岩或软硬不均地段掘进发生坍塌时刀盘面可起支撑作用。周边采用圆弧形，则为硬岩刀盘最典型的特征，因为周边圆弧形过度增大了周边刀盘的面积，可在周边布置更多的滚刀以适应周边滚刀高线速度快磨损的需要，更能满足切削。同时，开口形状和开口率，以及刀盘面板上的泡沫加入口等，

10、也能满足软岩掘进的需要。322刀具的选择和装配针对地层软硬不均的情况，特别是硬岩分布的位置，结合各种刀具的破岩特点，在刀盘面板上装配不同的刀具。 齿刀和切刀的使用齿刀和切刀呈靴状，如图二所示，一般不垂直于刀盘安装。齿刀和切刀都是软土刀具，在刀盘的转动下，是通过刀刃和刀头部分插入到地层内部，象犁子犁地一样，切削地层。切刀的前后角等斜面结构利于软土切削时的导渣作用，同时可用于在硬岩掘进中的刮渣。齿刀的结构形式有利于碴土流动进入土仓。图二 切刀 齿刀在软硬不均地层中，尽量在软岩部位安装齿刀和切刀，根据经验，齿刀和切刀与刀盘之间的角度在约5560左右比较适合，同时根据围岩地层的强度，适当安装刃的前角和

11、后角。一般情况下，对于胶结粘性土，需加大前、后角，对于砾石或全风化和强风化岩石，则减小角度。在SSK3+325.8处的情况其中一个重要原因就是角度太大。并且，原则上安装嵌入式刀具。所有齿刀和切刀都应可以从刀盘背面更换。为防止在粘性较大软岩中掘进时形成泥鉼，即使在硬岩部位安装的滚刀中也应安装适当数量的齿刀或切刀，以利于渣土及时顺利地流入土仓中。图三 硬岩掘进时保护切刀示意图考虑到在硬岩掘进时破碎下来的岩石可能撞坏切刀、刮刀，在刀具的布置上作了以下的考虑：把切刀、刮刀背向布置，并拉近两刮刀、切刀之间的距离，在硬岩双向掘进时能够对切刀和刮刀有一定的保护作用。如图三所示，切刀的布置间距较近，图中所示的

12、虚线为掘进时碴土的流动线，这样在掘进时碴土不能到达切刀的下部，避免了在硬岩掘进时打坏切刀；同样对刮刀也可以进行保护。刀具离刀盘的中心越远，其线速度也就越大，则碴土流动的轨迹线越缓，两个切刀（或刮刀）的背向布置间距就可以适当的加大。 滚刀的使用在软硬不均地层掘进时，硬岩部位应安装滚刀。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。如图四所示。轴力P使滚刀压入岩石，滚动力矩M使滚刀滚压岩石，两者的共同作用使岩石得到连续的破碎，这是滚压碎所独有的特点。应针对于硬岩的强度和整体性、掘

13、进距离、含砂量等特点，确定需要安装滚刀的位置、超前量、数量、类型。查有关资料或根据以前的统计，准确的估计出正常情况下滚刀的磨损量。根据有关资料的介绍，滚刀超前量在图四滚刀滚压破岩示意图1、断裂体2、碎断体3、密实承载120180mm为宜。滚刀的刀圈和刀座的材质以及其连接的形成、工艺、轻紧配程度等是滚刀能否胜任掘进软硬不均的关键。应根据硬岩分布的位置、所占刀盘的面积、岩石强度和整体性等慎重考虑和选择。为防止硬石块卡在双刃滚刀两个刀刃之间，使滚刀不能正常工作或偏磨，应正常选择双刃之间的间距和刀刃的形状。33掘进参数的选择331推力从滚刀的破岩机理看，推力是主要的参数，推力越大扭矩则越大，而扭矩占破

14、碎功的绝大部分。同时，推力越大，切刀和齿刀等入岩越深，同等条件下切削下来的渣土也越多。但是，在软硬不均地段掘进时，刀盘和刀具的受力是不均匀的。硬岩部位受的力大，软岩部位则相对要小得多，而且正是掘进范围内的硬岩阻止了掘进速度。如果推力过大，势必造成部分刀具提前破坏甚至刀座变形、刀盘变形。从本次在软硬不均地段的掘进情况和刀具等破坏情况总结出，最大推力用下式可得：P=mT。（式中：m为硬岩范围内的滚刀数量；T每把滚刀能承受的最大力。注：因滚刀的超前量比切刀等大，所以只计算滚刀。）推力过大时，容易造成刀盘卡死，同时，对推进系统的能力要求也相应增高。本次事故的掘进总结出，在最大推力达到1400T并持续几

15、环后刀具发生了严重变形。所以，掘进推力一般不超过1400T。332刀盘转速在软硬不均地段掘进，硬岩就像一个强度很大根基非常深的巨大的桩，阻碍刀盘的正常旋转，刀具承受冲击荷载。根据爱因斯坦的能量公式：E=mv2，则在刀盘质量m一定的情况下，转速越快，则和硬岩撞击后的冲击能越大。由此可见，在软硬不均地层中掘进时，刀盘转速不能快，最好是慢慢匀速的向前磨。根据经验，刀盘转速在1.6rpm为宜。333渣土管理 土仓压力在软硬不均地层中，土仓压力应根据软土的埋深和相关物理参数等决定施工中应保持的土仓压力。但在软硬不均地段中掘进时，掘进速度较慢扭矩较大，保持真正的压平衡比较困难，可以采取气压平衡模式掘进。

16、出土量由于推进速度慢，刀盘切削下来的渣土较少，而螺旋输送机等排土器每工作一次的出土量又很大，往往会造成因软土部位的超挖和过量出土造成地面沉降异常，甚至坍塌。所以，在软硬不均地段掘进时，应严格控制每一循环排土器工作的次数，严格控制出土量，必要时，在渣斗中划上刻度，以便计算和控制出土量，达到平衡出土。 渣土状态为更好的控制土仓压力，增大土仓内渣土的止水性等，应采取措施保持泡沫系统工作状况良好，并及时的添加泡沫剂，使使渣土具有很好的软流塑状。当掌子面地层的渗透性很好时，则需要向土仓内添加膨润土等改良渣土。否则，很可能发生渣土喷涌，直接导致地层超挖而地面沉降。实践证明，这是非常必要的。同时，应时刻观注

17、渣土的稀稠、土的含量、石块的含量和石块的大小、棱角、颜色等，判断掌子面的地层情况。 渣土湿度渣土温度过高，有以下几种可能性： 刀盘中心部位或滚刀等形成了泥鉼，刀具不能抵推掌子面切削岩土，泥鉼在高温下固结； 刀具严重损坏，刀盘面板直接摩擦掌子面； 泡沫剂添加系统等出现问题，不能正常改良渣土，渣土在土仓内干结或摩擦生热；通过对渣温度的观察，准确判断，及时采取措施。一般情况下，渣土温度过高应及时的停止继续掘进。需要降低刀盘温度时，不能加水，而应加入稀的膨润土泥浆。因为，在全风化或强风化化岩石中，加水会造成掌子面坍塌。4、 本次事故带来的反思41关于开仓在软硬不均地段掘进时，原则上不能在不采取任何措施

18、的情况下开仓检查或其它作业。必需开仓时应做好以下工作： 刀盘附近按需要布置沉降监测点，最好全是深层沉降点（起码应在刀盘中心前后布置深层沉降点）。一般应在刀盘前后布置两排，排距1.5m，孔间距1.52.0m。 组织好开仓过程中的地面巡检和救援物资，以备在地面沉降时进行紧急处理。 确保井下和地面间的联系畅通。 召开专门的会议，进行开仓的准备和方案的交底。本次事故给我们了很大启示。软硬不均地层中掘进，往往是一部分很硬而另一部分却非常的软或敏感性强，易坍塌。开仓过程时一定要采取安全措施。可在刀盘前做旋喷桩固、搅拌桩加固、降水等，但这些办法需要的时间都很长，有的对地层的适用范围很小。行之有效的办法是带压开仓。这是一种非常成熟工艺，在欧洲应用很广泛。本次事故最终在刀盘前方两次坍塌后，只有通过开挖竖井进行换刀，但如果地面上是重要的建筑物我们又怎么办