中铁城轨公司复合地层盾构施工技术

复合地层盾构施工技术

中国中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司许建飞2011年4月目录1、定义2、孤石、上软下硬地层盾构施工技术3、岩溶地层盾构施工技术一、定义1、均一地层1.1均一地层的概念

均一地层是指在开挖断面范围内和开挖延伸方向上，由一种或若干种地层组成的，或岩土力学、工程地质和水文地质等特性相近的地层或地层组合。（1）单纯的软土地层江苏、无锡、南京、宁波等地铁选用了适应软土地层的盾构机，其刀盘为平面直角型的，大开口率，只安装刮刀（2）单纯的硬岩地层（如西安~安康铁路秦岭Ⅰ线隧道）。隧道断面范围内全部以岩石为主，选用的是典型的硬岩掘进机，刀具全部安装滚刀，无需任何刮刀（见图3）。1.2均一地层中盾构工程的主要特点：（1）施工过程中盾构机的模式基本上不需要变化。在软土地层中，若采用土压平衡模式，一般无需变化成开胸模式；在硬岩地层，若采用开胸模式掘进，一般无需变化成土压模式。通常，在均一地层中的盾构机，在设计和制造时，一般不考虑模式的变化。（2）盾构机的结构不需受施工过程中进行改变。比如，在软土均一地层中，刀盘采用软土刀具，在施工过程中不需考虑是否会碰到硬岩而增加滚刀的问题。2、复合地层2.1复合地层的概念将开挖断面范围内和开挖延伸方向上，由两种或两种以上不同地层组成，且这些地层的岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊的地层组合，定义为复合地层。复合地层的组合方式是非常复杂多样的，但总的来说可分为三大类：一类是在断面垂直方向上不同地层的组合；一类是在水平方向上地层的不同组合；另一类是上述两者兼而有之。

（1）复合地层在垂直方向上的变化。最典型的垂直方向上的复合地层就是所谓“上软下硬”地层，即隧道断面上部是第四系的松软土层，而下部是坚硬的岩石地层。再有一种是孤石地层，及在隧道开挖范围存在花岗岩球状风化体。（2）复合地层在水平方向上的变化。在一施工段当中，可能分布着不同时代、不同岩性或不同风化程度，从而表现出不同岩土性质的地层。比如广州地铁五号线草～陶区间的地层。2.2复合地层中盾构工程的主要特点：（1）经常变换盾构施工模式。在软土地层或以软土地层为主的“上软下硬”地层施工时，一般要采用“闭胸模式”，而在以岩石地层，特别是自稳性较好的（包括风化程度不一）岩石地层施工时则可采用半开胸式（欠土压平衡模式）或开胸模式；在以砂层或以砂层为主的“上软下硬”地层中采用土压平衡模式施工时，可能需要通过加注膨润土等工艺转化为“泥水平衡”模式等等。经常根据地层结构来转换盾构机模式，是在复合地层中施工的一大特点。（2）盾构机的配置需要做出适当的调整。在硬岩段施工时，通常要采用全断面滚刀破岩模式，采用的刀盘开口率会较小；当掘进在软岩或软土地段时，通常都要将部分或全部滚刀换成适应软岩或软土的刮刀，此时的开口率也相应增大。（3）采用的施工工艺和施工参数也要根据地层的变化而变化。这些变化主要表现在不同地层需要的添加剂的种类和数量的不同；需要的辅助设备（比如破岩机、超前钻机）的不同；盾构机姿态控制的不同等等。二、孤石、上软下硬地层盾构施工技术2.1孤石、上软下硬地层的概念

在盾构施工中，“孤石”是指花岗岩球状风化体，是花岗岩不均匀风化的产物，在广州、深圳地区施工普遍存在的不良地质，存在于花岗岩全、强风化层和砾质粘土层中。“上软下硬”是指在隧道断面的下部为岩石，上部为软土，在同一掘进面形成了巨大反差，该地层在邻近山区的地方比较常见。

2.2孤石、上软下硬地层的危害

“孤石、上软下硬地层”对盾构施工影响极大，是盾构施工中的灾害性地质，主要体现在以下几个方面：（1）极大的降低掘进速度，造成工期延误。（2）极易造成盾构刀具、刀盘的损害导致长时间停机处理，费用高昂，而且容易出现安全风险。（3）还容易造成地面坍塌事故，社会影响也非常大。2.3“孤石、上软下硬”地层的处理思路

根据我们在广州和深圳地铁施工的情况，并结合相关兄弟单位施工经验教训，我们把盾构过基岩和孤石的方法分为六步。第一步：“补探”根据详勘图纸情况，对孤石段和基岩段进行加密补充勘察，详细了解地层情况，便于制定合理的线路方案。同时对附近地面建筑物、管线和环境状况进行详细的调查，确保制定的方案的可行性。第二步：“调线”根据准确的地质勘查情况和建筑物等的调查情况，与设计院和业主进行沟通，在满足规范和使用功能的前提下进行调线调坡，尽可能避开上浮基岩和孤石。根据盾构施工情况，盾构掘进通过孤石的难度远远小于过上浮基岩，且侵入隧道范围的基岩越少，盾构通过越轻松。第三步：“处理“如无条件进行调线调坡或调线后依旧有部分地段无法避开上浮基岩和孤石，在地面条件许可的情况下要对孤石进行处理。目前比较好的处理方法是采取爆破，对基岩进行适当破碎，降低岩石的完整性。其次就利用冲孔破碎，该方法速度较慢，但也能达到效果。再者就利用挖孔桩破除孤石和矿山法处理基岩。第四步：“预设换刀点”如无条件采取有效方法对孤石进行有效处理，或进行处理后依旧有大量石块残余，需要提前设置盾构换刀点。比如周边建筑物多，居民多，无法采用爆破，且即使有条件爆破后，隧道内残余大量石块，仍然对刀具有较大的磨损和破坏作用，所以需设置一定的换刀点检查和更换刀具。第五步：“盾构机选择与参数控制”控制掘进参数，对于盾构过孤石和基岩施工非常重要，可有效防止刀具的损坏，保证盾构刀具一次掘进较长距离。其控制精髓在于控制刀具的贯入度和土仓压力。控制贯入度能有效防止刀圈断裂破坏的情况，控制土仓压力能有效控制地面沉降，保证地面安全。同时掘进过程中注意扭矩变化量，可通过扭矩变化量判断刀具是否有损坏。第六步：“停机处理”盾构非正常停机处理。在盾构过孤石和基岩期间，可能存在未探明的孤石，或可能因刀具质量原因或个别盾构司机操作不当，导致盾构机在孤石段因刀具损坏非正常停机。由于盾构过孤石和基岩段震动大，速度慢，盾构机上方会存在一定的塌空区，有可能无法保压。碰到该情况，处理的思路是先进行保压试验，看能否压气换刀，如不能保压，则采取置换换刀方法。2.4、工程实例讲解2.4.1补充勘察

以深圳地铁五号线宝翻区间盾构施工为例，并结合深圳地铁一号线4标、5标盾构施工的经验教训进行总结和探讨。宝安中心站～翻身站区间，设计起讫里程DK3+400.513～DK３+986.240，区间左线长550.646m，右线长550.484m，区间总长1101.13m。区间为“人”字形坡度，最大坡度为25‰。隧道顶部覆土9.1m-17.8m，左右线中心间距13.2m。根据设计图纸和详勘报告，隧道开挖面以砾质粘性土为主，局部存在上浮基岩和孤石。其中左线在里程3+783～3+834共51m范围存在上浮基岩，局部强度最高达146Mpa，最大侵入隧道1.8米，该区段隧道上覆地层以淤泥和地面杂填层为主，杂填层夹杂大量石块。隧道上覆地层以淤泥和地面杂填层为主，其中杂填层夹杂大量石块。右线在里程3+765～3+814共49m范围存在上浮基岩，局部强度最高达162Mpa，最大侵入隧道3.5米，该区段隧道上覆地层以淤泥和地面杂填层为主，杂填层夹杂大量石块，隧道上覆地层以淤泥和地面杂填层为主，其中杂填层夹杂大量石块。在基岩和孤石区，在原详勘孔的中间按照5m间距加设补勘孔，准确掌握岩面和岩性，并更多的发现孤石。在发现孤石的钻孔周边按照1m间距外扩增加钻孔，钻孔深度至隧道底板1m。布置如图：宝安中心～翻身区间左线地质纵断面图宝安中心～翻身区间右线地质纵断面图项目类别具体描述基岩段里程、长度、侵入隧道最大高度孤石数量及侵入隧道数量详勘情况左线隧道开挖断面以砾质粘土为主，局部存在孤石，在里程3+783～3+834段存在上浮基岩。隧道上覆地层以淤泥和地面杂填层为主，其中杂填层夹杂大量石块。里程3+783～3+834长度51m，最大侵入隧道1.8m孤石3个均在隧道外右线隧道开挖断面以砾质粘土为主，局部存在孤石，在里程3+765～3+814段存在上浮基岩。隧道上覆地层以淤泥和地面杂填层为主，其中杂填层夹杂大量石块。里程3+765～3+814长度49m，最大侵入隧道3.5m孤石3个均在隧道外补勘情况左线隧道开挖断面以砾质粘土为主，局部存在孤石，在里程3+767.4～3+830.6地段存在上浮基岩。隧道上覆地层以淤泥和地面杂填层为主，其中杂填层夹杂大量石块。里程3+767.4～3+830.6，长度63。2m最大侵入隧道5.3m孤石5个其中隧道内4个右线隧道开挖断面以砾质粘土为主，局部存在孤石，在里程3+764.7～3+815.3地段存在上浮基岩。隧道上覆地层以淤泥和地面杂填层为主，其中杂填层夹杂大量石块。里程3+764.7～3+815.3，长度50.6m最大侵入隧道3.6m孤石6个其中隧道内5个左线里程3+440～3+750范围为调整为25‰上坡，坡长310m；3+750～3+950范围调整为11.195‰下坡，坡长204.116m.右线里程3+430～3+750范围调整为25‰上坡，坡长323.510m；3+750～3+950范围调整为13.015‰下坡，坡长200m.其余线路坡度保持不变。2.4.2调坡调线线路坡度对比基岩段长度及侵入隧道范围对比已发现侵入隧道开挖范围孤石数量对比掘进断面地质对比调坡前左线见上图63.2m侵入隧道5.3m4个隧道开挖断面以砾质粘土为主，无砂层和淤泥右线50.6m侵入隧道3.5m5个隧道开挖断面以砾质粘土为主，无砂层和淤泥调坡后左线29.3m侵入隧道2.3m2个隧道开挖断面以砾质粘土为主，无砂层和淤泥。侵入隧道基岩隆起区长度减少右线03个隧道开挖断面以砾质粘土为主，无砂层和淤泥。侵入隧道基岩隆起区长度减少

可从表看出，通过调坡调线，侵入隧道的孤石和基岩都有大幅度的减少，已大大降低了盾构施工的难度和风险。2.熟4.坐3、宗孤石浮、基优岩的姨提前率处理对于孤明石和基胁岩的处傅理方法怠，主要炉有以下走几种：处理方法适用范围效果费用冲孔处理适合孤石处理和基岩处理，且地面具备施工条件，岩石界面不超过隧道一半。处理效率较低，处理效果较好，处理后的残余岩体或孤石对盾构施工基本无影响费用较高人工挖竖井处理适合孤石和小范围基岩处理，对地面环境条件要求较小。竖井穿砂层的位置小心使用。处理彻底，但效率太低。费用很高爆破处理周边无重要建筑物，并与居住区距离较远。适合大范围基岩的处理。处理速度快，处理后残余石块较多，对盾构施工仍然有一定的风险。单位长度处理费用较低。几种处帐理方法柄：1、受冲孔汤处理a、旋根据枣岩石食在隧苦道断减面的库位置元，确往定冲汉孔的裹平面刑位置腊和冲戏孔深驰度。b、掌冲孔于后，赚孔位肿最好跟采用疗低标我号素胞混凝愈土回菠填，柴如采炸用其菠他材拥料回档填肯托能会优出现嫌地面阔冒气义、冒层浆现杆象。几种处竹理方法街：2、摊挖竖责井处郊理a、准下确探明危孤石的字位置和垄大小，射便于确复定竖井亮的准确垒位置。b、鸭开挖旱至孤找石或坊岩面穿位置丈后，筹采用锡钻孔钻后埋斧静态循炸药鸽的方升式处积理或会利用刺液压逮岩石见劈裂剑机处辞理。c、竖脆井的形稿式一般枯为矩形妇。几种处见理方法诞：3、爆连破处理在计划允爆破处畅理的孤告石或基厌岩区域蹦，采用滥地质钻发机地面坊垂直钻需孔，土瓦层钻孔原孔径为突100励mm，顽进入岩想层钻孔墓直径为想89m农m。在兽孔内装浙填炸药豪后，按在照一定辉的顺序搂起爆，趁将孤石等或基岩丘碎裂为萝小块，惩便于盾金构机推熊进。几种剪处理侦方法寇：2.剪4.夹4预胡设换颗刀点腾加固由于喷宝翻姻区间短经调肾线后蹦侵入并隧道孟的基圾岩和厘孤石食已减愿少，凉项目粥部前判期计齿划对答孤石汉和基破岩采兆取冲虫孔处敞理，蔬但由伟于地蛙面有翼电力匹、燃袍气、捷给水背、通识信、麻排水骂等多械条管熔线，沸项目仗部多裹次协棉调未研能获望得同背意，令后决其定采唯取地屯面预复先加重固，介盾构昆机直卫接通浓过的略方法迹。通过加酱固降低宝地层的约透气性油。盾构婆机到达虹加固区弃后，可拼在气压纱模式条捎件下对镇刀具进酱行检查脑并更换麦，通过槽盾构机伶直接破树岩通过食。加固点垃的选取趟：根据碍施工张经验恩，在潮参数隐控制毅合理滑的情系况下林，配骄备硬跟岩刀资盘的厅德国晨海瑞抹克盾正构机掩，加毯上庞哥万利崖单刃当刀具折，可俭有效覆处理撇两个朵以上恐直径沈3~息4m畜的孤逐石，稠也可权掘进顷长度催不小催于1狭5m译，岩径石在韵断面培高度塑不大燥于2朋m的下上浮婚基岩缸。2.4堂.5项盾构机嫂的选择医与参数伙控制：1、根北据目前壶国内几卖种盾构烫机施工吐的情况疲，配置池硬岩刀筹盘的海霸瑞克盾蜘构机对菜该地层邀有良好慎的适应鉴性。根迎据该标故段的地军质情况骆，采用著铲刀、感滚刀和批刮刀混宁合配置等的方案夜，既能饭有效开枝挖各种愁粉质粘皱土、软婆土层等扭，又能元适应各往种强、分中、微变风化岩麻破碎的扇需要，岸刀盘的朝形状采睁用防堵桌塞设计赞，刀具结型式和侮安装位俗置便于魔切割岩粉石和清亏除土碴少。2、穗要选钓择质荐量过费硬的窑刀具虹，确溪保一迹次能披推进肺更长顿的距沃离。掘进粒参数绸控制底：1、疮地面沉忘降控制盾构施骡工沉降尝分为两呢个阶段房诚。第一吸个阶段疯为盾构步到达及蹲通过过辩程中的告地面沉筛降，该垂沉降控祖制主要驱受掘进络土仓压达力控制祖。第二银个阶段玩为盾构刘通过后永后期的封沉降，绿该沉降跌主要由盈注浆控陡制。控随制沉降干要从两巾个方面境着手。由于孤朽石和基单岩区掘般进速度鹊慢，对贯土体扰掉动大，供很容易满造成地鹿面沉降挪或坍塌贸。该情好况在目认前的盾循构施工肿中普遍篮存在，聋其关键保原因在毕施工过乱程中没拜稳定控脖制土仓旬压力。以根据宝兵翻孤石丝式基岩区私的区间惧线路埋盼深和地秋层情况骄，掘进咽压力控核制在1鱼.8b凤ar-抛2.0纸bar任。注浆谷材料计要采占用活捞性浆涝液，赢每方渔水泥垒含量斯控制院在不活小于衣15脚0k芽g，表注浆棋量不毛小于粉6方绍，注承浆压社力不简小于彻2.泻5b滴ar剖。注肌浆过肆程中粗压力溜和量索两个尝指标父均需桃要达候到。掘进参励数控制敌：2、省推记进参呼数控厅制推进公贯入扬度控在制：释对于忽岩石废在8品0M挂Pa丢的微妻风化捎岩石驱，速公度控酿制7钓mm竹/m凭in览,对话于岩韵石在蚁10则0M促Pa刃的微卧风化调岩石盘，速出度控放制5粪mm白/m脱in补，对皱于岩争石在孕12方0M乏Pa目的微崭风化蜂岩石逗，速久度控波制3世mm异/m亲in扭矩特控制蜓：刀西盘油挽压在宣10垦0b另ar祸~1恰20自ba丧r之损间，酷扭矩扛波动穿在2撤0b协ar岩之内间。如掘进狗过程中巾发现扭望矩波动五频繁超榆过30煌bar虎，则反敢映刀具隔已经存离在偏磨牧，不适客合继续督推进，仍必须进混行刀具陆更换。钳如发现城盾构机迫姿态不洞受控制服，则表虽明边缘隙刀具磨啦损过大真或偏磨肃，也必立须停机闯换刀。翠掘进过程程中使肤用泡沫恢剂，改吩善碴土眉性能，边降低土茄仓温度银。在盾构船机由软竖土地段勿快接近勒孤石或魔上软下御硬区域观时，提名前降低域速度，厚防止在定地层过役渡段因音速度过稻快导致谎刀具损景坏。2.来4.障6来盾构向非正月常停顶机处消理盾构机柴每推进垃至拟定练换刀点跃，即进督行开仓宅检查和套换刀。殿开仓前学首先进岗行保压哪实验，壮若保压衔试验成炒功，则夏进行压钞气换刀四，若保厚压实验宏失败，乖则进行怪土仓填魔充、注怎浆的方由式进行鉴常压换耀刀。土仓置理换换刀颗的施工唱流程如栏下：第一步等：土仓写内置换洞内龟通过欺土仓障壁上牢的球盘阀，踢利用剪盾尾微同步洗注浆习系统石对土袜仓内樱进行遗充填巨砂浆骆。通毕过顶贵部球浇阀泄凤水。浆液采穗用水泥磁砂浆，独浆液配就合比为鞭：水泥青：膨润章土：粉凶煤灰：害砂＝5刚0kg针：12到0kg李：18糖0kg蒜：66伸0kg达，注浆增量约3远0m3欢.填充蛮过程视中控梅制土风仓压纺力在滋1.妇5b见ar饮~3暖.0淹ba睬r之哪间，炕避免摩压力流过小化或过私大。痰压力孔太小头地面久出现区沉降把，压董力太卖大对捷主轴娱承不董利。填充涉过程逗中以萝不大携于0蛾.8畏的转变速转枪动刀肿盘，见将土掌仓内里的泥扭浆和艘浆液春进行总拌合取。填充过朝程中反顿转螺旋芦，确保仓螺旋不丈被浆液偷凝固，耀否则很僚难清理脱。第二石步：康超前村注浆乱进行敏地层叼加固1>通烧过盾构正机前方申的超前曾注浆孔束，利用庸二次注万浆机进黄行超前辞注浆。煤选择1继点和1绸1点的熊超前注蜡浆孔进访行注浆俩。注浆光位置示非意如下涌：2>亩在6枕m长售80穿mm贷的钢故管上不进行萄梅花百形布准孔，旗孔径餐8m稀m，遇纵向乘间距傲为1墓0c学m，隶制作必成钢两花管信。3>浆遮液采用挤P.O联32筛.5R依水泥浆艇液和水胳泥-水吐玻璃双介液浆。4>异将制随作好女的钢贞花管素打入挺超前丽注浆锣孔进初行注键浆。盯先注期水泥害浆，易注浆害压力桃控制旬在0岔.3徐~0估.4宏Mp晒a，怜压力泻稳定爪后持杀续进忠行注共浆，柄直至劫压力盏上升抱后，足再注昼20贯~3肢0m不in虚，然枯后注膛双液售浆封饭孔。第三心步：锡施工牺降水隙井、悬抽水精(有郊地面固条件铁时)当地面咸有条件乒时，可觉以在刀叼盘前方杏施工降毕水井降概低掌子逮面水压欺力，更锹有助于合清仓和纠换刀的声安全进救行。第四幻玉步：草开仓异清理崭、换委刀根据扛降水端井抽乡丰水的侧情况豆，开羽仓前烤首先著对土每仓进关行检陆查。镜先打绪开土顿仓壁搁上上且的两冈个球牙阀，傻利用再粗细傲10拿mm锄左右沿的钢煤筋向仗土仓疯内砸亏入，驼根据批砸入妻的情阁况判丑断凝斜固的田情况厌，如仍浆液占已变稻为塑狮状且假无水断流出丢，则积表明旺可进避行下斗一步垦的开茎仓工逝作。打开拍人闸叉内的膏土仓盈门，骄观察辽仓内崇土体膨情况盲，用财钢钎鸟打孔悄若干遭后，晚观察蜻有无疾喷涌唉现象昂。若秃无喷眉涌现范象且栗掌子凯面情详况稳骂定，嫂则直也接对瘦土仓邀内的坦土体其进行羽人工外清理顷，清亿仓顺赶序如本下图暖所示仆：清仓贺利用景扬镐若、铁铃锹，述采用匆编织山袋装裹土，葡人工味送上逝皮带敌机。随再由咳皮带约机送厦往渣象土车水。清叫仓过克程中帆，保博留刀狮盘开乞口及股切口震环处卡水泥检，尽袭量不赞扰动瘦刀盘语开口详和切垮口环广处的疑土体瞧。如翠凿除外过程轨中部重分地都方过僻凿，坏立即朽用快印硬水击泥封挡堵。交在清帮理到论9点翅位的蜜球阀氏时，斑将球棚阀周沉围的拆土体抖清理念干净王，将纸抽风杏机接喘到球该阀的牙外侧论，进抽行土省仓内条的通蜓风。棵根据熔情况趣，一廊边清哲理，铸一边即对掌罩子面究薄弱躲点进饿行封亮堵，近保证棵掌子欧面稳蚊定。供在清陷仓过芹程中竞如果读底部得有水银渗出母，则羊及时卖用水份