花岗岩地层盾构施工课件

花岗岩地层盾构施工总结

肖瑞传2010.12

三号线北延线“设计起点～永泰东站”段，约8.6km长线路沿线基岩为花岗岩、混合花岗岩或花岗片麻岩。主要穿越的地层是全断面土层（花岗岩残积土、全风化花岗岩、强风化花岗岩）、全断面岩层（中风化、微风化花岗岩）、上软下硬花岗岩地层（上部为花岗岩残积土、下部为微风化花岗岩等岩层）、另外还有少部分为特殊的上软下硬地层（上部为砂层、中部为土层、底部为岩层）。

以三北区间1标过南华工商学院宿舍楼案例，首先大家认识下花岗岩地层的特点：

2009年9月1日下午，右线海瑞克盾构机在647环，南华工商学院宿舍9号楼前（两栋房屋之间的空地上），隧道洞身范围的地层为<7H>、<9H>，采用2.4bar的气压进仓，进仓检查，掌子面无水，但刀盘转动后，掌子面的土体剥落严重，已无法进行带压作业，紧急关仓，考虑刀盘前面是宿舍楼，同时刀具损坏严重，往前掘进风险较大，往前掘进300mm后将土仓压力建立，同时采用盾构机的超前注浆孔进行回填注浆，保证土仓填满，从而防止地面沉降。南华工商学院宿舍楼范围的平面位置图南华工商学院宿舍楼范围的地质断面图后与场地的产权单位进行协商，利用地面场地进行地面注浆处理。注浆加固存在既要保证加固效果能安全开仓又要防止注浆将盾构机刀盘和盾壳包裹了。加固前在盾壳和管片外围采用了水溶性聚氨酯进行封堵，同时注浆过程中刀盘定期进行转动。地面加固的时间受学校宿舍的限制，只能白天施工，第一次加固至9月27日才完成。开仓加固效果不理想，降压不成功，而后再回填补充加固好后，10月10日刀盘原位将刀具更换。加固还是会造成盾构机盾壳和刀盘被水泥浆包裹。盾构机刀盘脱困、盾构机中前盾、盾尾脱困，10月19日恢复掘进。

10月19日~10月28日盾构机掘进26环，掘进参数出现异常，停机检查刀具环号土仓压力（bar）总推力（t）刀盘转速（rpm）刀盘扭矩（bar）掘进速度（mm/min）出土量（斗）6472.02700~34001.6701-666502.42000~21001.6130~1385-105.56562.11500~19001.4130~1505-766602.1~2.41700~21001.6110~1308-1256652.21500~17001.7120~15012-1956702.3~2.81600~18001.7130~1508-145.56712.21300~16001.5130~1504-1066722.11500~18001.5130~1504-1066732.3~2.535001.290~1201-5停机采用开挖面制造泥膜，然后带压进仓进行检查和更换刀具。虽然刀盘前方已有1米高的空洞，带压开仓成功，发现12#、24#刀圈掉，10#、11#、13#、14#、15#偏磨严重，16、17、21、25、28、29、30、31、33、34、35磨损5mm—10mm。经过9天带压开仓作业，更换了正面和周边的刀具，同时检查到中心滚刀磨损严重，发现中心滚刀刀箱已变形：虽然经过泥膜处理和带压作业，在盾构机带压换刀过程尽管宿舍楼的沉降没有加大，但刀盘前残积土逐渐剥落，空洞还是逐渐加大，最后形成了较大的空洞。更换中心滚刀刀箱的作业，必须回填土仓，并需要在中心滚刀前开挖出作业空间。这种洞内加固，更加要保护好盾壳和刀盘不要包裹，否则后果很严重。事先将盾壳和刀盘用土工布包裹隔离。通过盾体上的径向注浆孔注入水溶性聚氨酯，防止浆液将盾体包裹。同时利用盾构机土仓壁板上的球阀和气体自动补偿系统，在不同的高度装上排气管和注浆管，分层回填。

注浆加固后，清理至中心滚刀位置，并在刀盘前开挖尺寸为高1.9m、宽2.1m、深0.9m的作业空间

11月26日才将刀具更换。清理刀盘和刀具的过程中，左侧刀盘开口上部出现局部坍塌，后人员出来加气保压。带压清理剩余的部分，11月28日刀盘转动。11月28日~12月1日带压进仓将中心滚刀刀座螺栓焊接牢固。12月2日重新恢复掘进，未采取其他辅助措施，盾构机脱困，12月7日，盾构安全通过宿舍楼。掘进7环又更换一次刀具。整个通过该楼房4个月，共掘进37环，更换刀具3次，刚好是进入房屋前，在房屋下，出房屋后。

监测情况：

右线盾构掘进647环—673环，同时左线盾构也同时在房屋地下掘进，房屋沉降速率较大，房屋沉降已达到38.9mm。右线盾构停机期间，在制作泥膜护壁时，左线在掘进，宿舍楼的出现较大沉降，最大沉降点为H19沉降值为50.7mm，柱子SZ1沉降值为24.9mm。泥膜护壁完成后带压换刀期间，沉降随压力波动变化敏感，最终最大沉降点位H19沉降值该工况下沉3.6mm，累计沉降为54.3mm，柱子SZ1沉降值该工况下沉3.5mm累计为28.4mm。盾构土仓回填期间，楼的沉降最大沉降点H19在该工况下下沉3.6mm，累计沉降值为57.9mm，柱子SZ1在该工况下下沉0.6mm，累计沉降值为29.0mm。盾构清仓换刀至恢复掘进期间，楼最大沉降点H19该工况下沉5.5mm，沉降值为63.4mm；柱子SZ1该工况下沉4.3mm，累计沉降值为33.3mm。总结该案例过程一、为什么带压<7H>地层还会坍塌？二、盾构机刀具和刀座为什么损坏这么严重？三、过程中，房屋沉降为什么这么敏感？分四部分介绍，与大家分享：第一部分：花岗岩地层的特点第二部分：盾构在花岗岩地层施工中易出现的问题第三部分：盾构在花岗岩地层掘进的解决办法第四部分：管理体会第一部分：花岗岩地层的特点1、花岗岩残积土的特点花岗岩残积土具有很强的结构性,很容易因各种扰动因素,导致结构性损伤。花岗岩残积土,经浸水饱和后,承载力降低,压缩性增大;在具有临空面的浸水条件下,花岗岩残积土会因软化崩解而坍塌。花岗岩地层将崩解过程划分为扰动性崩解、结构性崩解和溶解性崩解三个阶段。广州的花岗岩残积土的微结构大多呈骨架状,节点和颗粒之间主要靠游离氧化物的胶结作用实现联结,因此花岗岩残积土崩解的根本原因是浸水软化导致土骨架损伤发展的结果,浸水前的扰动会使节点受到先期损伤,加速崩解。存在风化深槽和球状风化体：岩石风化不均匀形成的风化深槽和球状风化，而且风化深槽和球状风化体无规律性，不确定性大。2、花岗岩硬岩的特点花岗岩微风化花岗岩地层的特点：岩石强度高、岩石完整性好，岩面起伏大。燕山期花岗岩：呈深灰、灰白色，中细粒结构，块状构造，岩石坚硬，较完整，岩芯多呈短柱状、长柱状，少量块状，锤击声脆。岩石质量指标RQD值为60～95%，岩石天然抗压强度范围值fc=46.4～200MPa。震旦系混合花岗岩：呈灰、灰白等色，中细粒结构，块状构造，裂隙稍发育～发育，岩石坚硬，较完整，岩芯多呈短柱状、长柱状，少量块状，锤击声脆。岩石质量指标RQD值为65～95%，岩石天然抗压强度范围值fc=31.7～215.6MPa。3、花岗岩地层上软下硬的特点（1）岩面起伏大，变化快。由于风化不均匀，稳定岩层岩面埋深在纵横向上变化大，很不稳定，部分地段风化深度剧增，形成风化深槽现象。（2）花岗岩风化程度的特点，地层经常出现强风化层或者中风化层缺失的现象。同一断面上，软硬强度差异特别大。（3）岩土交界面水量大，并有一定的承压水特点。在燕梅推进过程中在左线银利街位置通过管片吊装孔安装压力表测试水压0.35Mpa。

南同区间右线同和端头燕梅区间左线燕塘端头第二部分：盾构在花岗岩地层掘进易出现的问题由于花岗岩地层的特点，盾构机掘进易出现的问题主要有刀具甚至刀盘磨损严重、喷涌、地面沉降甚至坍塌、掘进效率低等、更换刀具困难、这些问题尤其在上软下硬地层更突出。刀具、刀盘磨损问题刀具、刀盘磨损问题地面坍塌、房屋开裂地面坍塌、房屋开裂喷涌第三部分：盾构在花岗岩地层掘进的解决办法1、提前做好勘察工作，详细分析地层，合理优化线路，尽量减少上软下硬的地层。南方医院站-同和站区间，本次设计对区间线路纵断面进行了微调，根据补充地质勘察和孤石探明勘察，详细的掌握了区间地质情况，为避免上软下硬的地层，以隧道拱底标高在里程YDK-4-219不低于13.1m、YDK-4-308不低于13.4m为原则，并使区间最低点里程仍基本维持原设计。微调线路纵断面后，使其最低点提升0.616m从而拉开隧道与微风化岩的净距，使盾构机避开上软下硬地层。这次的线路优化，极大的减少了盾构掘进的风险。

区间3标中间风井的埋深一直未能优化，造成中间风井的开挖进度严重滞后，造成恶性循环，竖井的进度滞后，影响矿山法隧道的进度滞后，同时为保证盾构机下井，矿山法隧道长度未挖至理想位置，造成盾构机上软下硬地层掘进长度过多，盾构掘进工效缓慢。

2、做好盾构机选型、优化刀盘设计、选择好的刀具泥水盾构和土压盾构的选择,在花岗岩地层，个人认为除常规的选型原则外，主要考虑刀盘刀具的破岩能力、防止超挖的措施及地面沉降的控制、更换刀具的辅助措施这三方面。以区间一标的为例子，区间1标1台海瑞克盾构机、1台小松盾构机，两台盾构机的特点：小松盾构机的刀盘设计，刀间距小，滚刀配备的多，破岩效果好。但存在的问题，人闸系统和螺旋输送机的设计存在较大的缺陷。刀具的选择也很关键，刀具的耐磨性高的话，减少换刀的次数。

区间1标实际条件泥水盾构机土压盾构机说明场地要求4150平方米1万平方米/2台，但泥水场地可以转场至附近场地4000平方-5000平方当前场地无法满足泥水盾构地面环境、沉降控制地面房屋多，房屋基础多为摩擦桩，地层失水就容易造成房屋下沉泥水盾构的特点能较好的满足沉降的要求土压平衡掘进易喷涌、易超挖，常规的渣土改良方法不能改善该类地层的沉降控制土压盾构引起大范围的房屋沉降，造成很多信访问题，最终真正掌握了泥浆改良的方法才较好的控制了沉降刀盘刀具的布置区间1标岩石强度高，完整性好，同时也要通过部分残积土土层，要有一定的开口率防止结泥饼以目前盾构机厂家设计的刀盘刀具数量相对较少，在该地段破岩有一定的难度虽然破岩效果也不是非常的理想，但相对布设滚刀数量较多区间1标刀具磨损严重，小松盾构机由于滚刀数量43个刀刃，破岩效果还是比较理想更换刀具辅助措施更换刀具频率较多，带压进仓较频繁，有时需要辅助措施才能进行带压进仓泥水盾构可快速制造泥膜，能为带压进仓创造条件花岗岩地层的特点，造成带压开仓也经常造成土体坍塌。3、认真分析掘进参数，分析渣样，准确判断地层情况，及时并经常检查刀具，切忌侥幸心理花岗岩地层的特点，岩面起伏大，同一断面强度差异大，刀具容易非正常磨损，有可能一环不到就造成刀具磨损。若不能及时发现更换刀具，有可能引起其他刀具，甚至影响到刀座和刀盘。但实际掘进过程中，经常出项两难的选择：一是掘进参数有异常，二是地层条件差或盾构在房屋下面、盾构机开仓的风险大。并且由于花岗岩地层上软下硬地层掘进时，掘进速度低、推力大、扭矩大，参数变化判断也较难。

3.1、北延区间1标汽修厂坍陷事故分析事件经过：6月10日晚10点30分左右，1标左线盾构机刚脱出盾尾管片位置的上方的德威发汽车服务有限公司修理厂房内（ZDK-1-766~ZDK-1-772），突然发生地面塌陷，形成面积约30m2，深约2米的坑洞，造成修理厂房屋墙体开裂，地面倾斜，梁、柱多处拉裂，塌陷造成两辆名牌汽车损伤，6辆车被困。当时，左线小松盾构已停机5天，正在实施管片地面斜孔注浆；右线海瑞克盾构在塌陷坑洞36米后的位置刚完成气压换刀，正在掘进，至塌陷时，已完成1环掘进。

地层情况：盾构穿越断面主要以<6z>、<7z>为主，下部有少量<8z>，盾构机埋深约24m，盾构刀盘部为<6z>，上覆土层为<5z-2>和<4-1>为主，并掺杂少量<3-1>地层。3.2区间2标的683环位置处理该位置地层：上面为素填土、洞顶为<3-2>、<3-1>，中部为<5z-2>，底部为少量为<9Z>。盾构掘进参数突然遇到岩层，推力由600t变为800t-1000t，扭矩150bar变为250bar至停机，掘进速度由30mm/min-40mm/min降至2-6mm/min。掘进速度慢，对底层扰动大，出土量增加，7月10日早上塌陷，由于针对该底层早有准备，承包商提前做好坍塌处理的准备，空洞出现后，及时填入3m3混凝土。7月11日，停机商议是否继续掘进还是停机进行加固。首先在刀盘前方3米钻孔探明，盾构隧道范围已无岩层，岩层在隧道下0.3米，除去之前已通过2米的岩层，判断岩石最多剩下3米长。存在的风险处理时间继续掘进，通过后再带压开仓进行更换刀具岩石强度高，对刀具的磨损大，刀具已通过的岩层掘进刀具已有一定的磨损，继续将加大刀具刀座磨损严重，可能更换刀具更加困难，需要动火无法在带压下更换刀具一周停机进行加固常压更换刀具该处恰好在人行道和道路边，管线较多并集中，停机加固的方法选择只能注浆加固。加固时间长需要一个月，并且注浆加固本身风险也大。同时借地手续时间尚未确定。至少一个月停机带压更换刀具隧道覆土浅，顶部为砂层并已经经过扰动，能否保压没有把握，同时保压试验有造成地面坍塌的风险。一周停机适当加固并带压更换刀具

考虑到地面环境，完全加固常压开仓的要求太高，通过适当注浆加固进行带压开仓。存在的风险是加固后土仓填满无法置换空气。二周以上通过对岩层的长度、目前刀具磨损的程度等综合判断，盾构机不停机加固，直接通过。实践证明，通过3mm/min以下的速度通过了2.5米的岩层，再掘进2环，经过两次带压进仓（带压时间一天后就开始出现坍塌，再掘进带压开仓）。4、盾构掘进做好渣土改良，防止超挖，防止喷涌，做好同步和二次注浆上软下硬地层掘进，岩石强度高、水量大、掘进速度慢，对上面土层扰动大，同时由于花岗岩残积土的遇水容易崩解，渣土改良不好的话容易喷涌，一旦喷涌肯定超挖，超挖就会引起地面沉降，严重就坍塌。膨润土、泡沫和聚合物三种的改良效果。一类就是单一的花岗岩残积土，这类只需要添加泡沫就能解决问题，但泡沫量气体含量适当少一点。另一类就是上软下硬地层，这类既要防止结泥饼，又要防止喷涌。

（对于膨润土，一定是泥浆指标满足要求的，不是简单的膨润土搅拌就直接加入的，必须经过一定时间膨化的）

5、矿山法开挖盾构空推解决花岗岩硬岩段的办法对于长距离花岗岩硬岩采取矿山法开挖初支、盾构机空推拼装管片，因为矿山法可以提前进行，可以缓解整个施工工期。矿山法开挖盾构空推拼装管片除了常规的矿山法开挖和盾构掘进外，还有一些特殊的地方。（1）矿山法开挖的成型质量，坚决不能有欠挖现象（2）混凝土导台的施工质量，尤其是二次始发的导台的线形合适。

（3）盾构空推过程中，姿态一定要监控好，切忌盲目推进（4）空推过程中，豆砾石和浆液填充及时、饱满，防止管片上浮。（5）注浆做到多次、控制好浆液的压力和配比，防止注浆过程中管片上浮，一般按照先底部自流式注双液浆，管片固定后，再进行单液水泥砂浆填充，最后再水泥浆再次检查填充。（6）测量好隧道的边界，计算准确回填豆砾石的数量。（7）做好二次始发的掘进控制，防止盾构机扭转等问题。

6、孤石处理燕塘站～永泰东站总共布设了472个钻孔，16个钻孔揭示了有孤石，其中9个钻孔孤石在隧道范围内，4个钻孔为南同区间的孤石群、事先进行处理；3个为3标同永区间隧道范围，提前处理了两个，另外盾构机直接通过了6处孤石。

6.1孤石的形成孤石分为原生岩和次生岩：原生岩主要由于花岗质岩石热胀冷缩效应明显，岩体外部在温差变化下易发生物理风化产生裂隙，继而H2O和CO2渗入裂隙发生化学风化。而位于岩体中心的岩石难以受到这样的物理风化、化学风化作用，未风化的新鲜岩石成为孤石残留下来；次生岩有可能能是山体活动、自然搬运等原因造成有部分岩石滚入山谷后土体覆盖，形成孤石。目前仍未发现孤石的发育和分布规律，不同地貌单元和不同深度的残积土层中均有发育的可能。根据个人不成熟经验，一般原生岩，孤石周边有少许的风化层（即周围颜色为铁锈色），孤石相对分布较集中。次生岩，孤石周边基本无风化层，孤石相对是独立的。

6.2孤石探明孤石探明主要考虑以钻探和物探两种方法进行考虑的。经过总公司和总部多次讨论，方案也多次调整，最终按洞身范围为花岗岩残积土地层和全风化带，按10米间距布设钻孔，洞身范围为强风化带花岗岩地层按20米间距布设钻孔。发现孤石的地方，按前后5米、左右3米的间距补钻，进一步探明。总共完成472个钻孔，探明16个钻孔揭示了有孤石，其中9个钻孔孤石在隧道范围内。探明出南方医院旁隧道21米范围的孤石群。

总公司总工室组织了广东省地质科学研究所、广东省地质物探工程勘察院等三家进行了试验，本次试验主要是在结合三号线北延段部分线路已知风化孤石存在的情况下，针对物探方法如何解析风化孤石异常的主要难点，分别利用地质雷达法、瞬变电磁法、地震映像法、瑞利波法、高密度电法及孔中回声(包括单孔回声和双孔回声)法对已知孤石试验探查，并对比钻孔资料，以探求各物探曲线对已知孤石的反映异常。地震映像法、瞬变电磁法、瑞利波法及单孔回声法试验结果表明，上述4种方法对已知孤石的物探曲线未表现出明显的异常现象。在已知孤石的情况下，地质雷达法的物探曲线对孤石有较明显的反映，但地表浅层构、建筑物、管线等易产生很大的干扰，而造成成果的多解性或解析困难或难以解析，所以只能在特定的条件下，可考虑利用该法进行初步探测。在已知孤石的情况下，试验结果表明双孔回声法物探曲线在钻孔平面15～20m范围内可明显接收到孤石的异常。

6.3、孤石处理6.3.1地面提前处理地面孤石处理方法有钻孔直接爆破、地面冲孔、履带式破岩机、人工挖孔破除等方法。区间2标南方医院住院部附近位置的孤石，由于受周边条件为手术室和重病监护室的影响，院方要求不能有爆破震动和冲击振动，最后采用人工挖孔桩人工提前破除的方法，区间3标，考虑地面有冲孔和地面爆破的条件，采用钻孔直接爆破的办法。

6、孤石处理燕塘站～永泰东站总共布设了472个钻孔，16个钻孔揭示了有孤石，其中9个钻孔孤石在隧道范围内，4个钻孔为南同区间的孤石群、事先进行处理；3个为3标同永区间隧道范围，提前处理了两个，另外盾构机直接通过了6处孤石。

6.3.1地面处理孤石6.3.1.1南同区间地面人工挖孔桩处理孤石在人工挖孔前，沿孤石处理范围周边先进行双重管帷幕注浆人工挖孔桩布置：在有孤石段隧道纵向做三排φ2m(净空φ1.6m)人工挖孔桩，每排7个，共21个；人工挖孔桩间距2.2m、排距2.2m、孔深至底板以下0.5m（孔深18.5m）。开挖时首先用φ16@50钢筋超前支护，然后开挖，每循环0.5m，采用现浇C20钢筋混凝土护壁，隧道影响范围及下部7.5m采用同规格玻璃纤维筋代替钢筋。将影响盾构掘进施工的孤石用膨胀剂或静力破碎机破成小块后取出，然后回填C10低标号混凝土。6.3.1.2同永区间地面钻孔爆破处理孤石虽然孤石厚度较小,但是考虑到测量以及起爆体吊装过程中产生的误差(误差累计不得超过10cm)。因此孤石爆破时，当单孔单体爆破时装药长度与岩石厚度相同,多孔单体爆破时，相邻两个炮孔，其中一个炮孔钻至孤石底面（即钻穿），装药至炮孔底部，孤石顶面留10cm不装药；其邻孔孔底距离