軟硬不均復(fù)合地層盾構(gòu)施工技術(shù)(城通公司李谷陽,胡如成)

1、中鐵五局城通公司軟硬不均地層盾構(gòu)施工技術(shù)軟硬不均復(fù)合地層盾構(gòu)施工技術(shù)李谷陽胡如成中鐵五局城通公司, 湖南 , 長沙410007 摘要 本文結(jié)合大連地鐵1 號線 103 標(biāo)七西盾構(gòu)工區(qū)地工程實(shí)例, 詳細(xì)地分析了地鐵隧道在穿越上軟下硬不均地層時地盾構(gòu)施工地主要特點(diǎn)、掘進(jìn)參數(shù)、渣土改良技術(shù)及盾構(gòu)在地層轉(zhuǎn)換時地施工措施等關(guān)鍵技術(shù), 為今后在類似地層中采用盾構(gòu)施工工程提供一定地參數(shù)地價值. 關(guān)鍵詞 上軟下硬不均地層；盾構(gòu)；盾構(gòu)參數(shù)；渣土改良1工程概述大連地鐵一號線103 標(biāo)七西盾構(gòu)區(qū)間隧道起于七十九中學(xué)站后端,經(jīng)長興街沿西南方向至西安路站前端,區(qū)間設(shè)計起點(diǎn)里程為DK10+726.655, 設(shè)計終點(diǎn)里程右

2、線為DK11+617.080, 左線為 DK11+617.076, 區(qū)間長度為右線 885.17m,左線 881.718m,區(qū)間設(shè)一處聯(lián)絡(luò)通道 .區(qū)間盾構(gòu)采用兩次盾構(gòu)始發(fā),先從七十九中學(xué)右線始發(fā),到達(dá)西安路站后,進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)地拆卸然后吊出 ,轉(zhuǎn)運(yùn)到七十九中學(xué)站再進(jìn)行左線始發(fā),最后到達(dá)西安路站完成整個區(qū)間盾構(gòu)施工任務(wù) .大連地鐵1 號線路 103 標(biāo)七西盾構(gòu)區(qū)間工程平面見圖1 所示 .圖 1大連地鐵 1 號線 103 標(biāo)七西盾構(gòu)工程平面示意圖2 工程地質(zhì)工程區(qū)域內(nèi)地勢基本平坦,地表高程在12.10m 17.00m, 區(qū)間沿線主要為馬欄河二階地層 ,后經(jīng)人工改造.場區(qū)風(fēng)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯地斷裂構(gòu)造,場地構(gòu)

3、造穩(wěn)定性總體較好.本區(qū)間范圍1中鐵五局城通公司軟硬不均地層盾構(gòu)施工技術(shù)內(nèi)上覆第四系人工堆積層（Qml4 ）、第四系上更新統(tǒng)沖洪積層（Qal3pl ）、下伏震旦系長嶺子組鈣質(zhì)板巖（ Zwhc ）、中生代燕山輝綠巖（） .區(qū)間右線主要為中風(fēng)化鈣質(zhì)板巖,自穩(wěn)性較好 ,且?guī)r層單一 .而 區(qū)間左線主要穿越上軟下硬不均勻巖層 ,上部為全風(fēng)化巖層或局部位置有砂卵石層侵入,下部為中風(fēng)化鈣質(zhì)板巖層,屬于典型地垂直方向上軟下硬復(fù)合地層,其隧道地質(zhì)剖面圖如圖2 所示.圖 2 左線隧道地質(zhì)剖面圖3 軟硬不均地層盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)31軟硬不均復(fù)合地層盾構(gòu)施工地主要特點(diǎn)（ 1）經(jīng)常變換盾構(gòu)施工模式.在軟土地層或以軟土地層為主地

4、“上軟下硬” 地層施工時 ,一般要采用“閉胸模式”,而在以巖石地層,特別是自穩(wěn)性較好地（包括風(fēng)化程度不一）巖石地層施工時則可采用半開胸式（欠土壓平衡模式） 或開胸模式； 在以砂層或以砂層為主地“上軟下硬”地層中采用土壓平衡模式施工時,可能需要通過加注膨潤土等工藝轉(zhuǎn)化為“土壓平衡”模式等等 .經(jīng)常根據(jù)地層結(jié)構(gòu)來轉(zhuǎn)換盾構(gòu)機(jī)模式,是在復(fù)合地層中施工地一大特點(diǎn).（ 2）盾構(gòu)機(jī)地配置需要做出適當(dāng)?shù)卣{(diào)整.在硬巖段施工時,通常要采用全斷面滾刀破巖模式,采用地刀盤開口率會較??；當(dāng)掘進(jìn)在軟巖或軟土地段時,通常都要將部分或全部滾刀換成適應(yīng)軟巖或軟土地刮刀,此時地開口率也相應(yīng)增大.（ 3）采用地施工工藝和施工參數(shù)也

5、要根據(jù)地層地變化而變化.這些變化主要表現(xiàn)在不同地層需要地添加劑地種類和數(shù)量地不同；需要地輔助設(shè)備 （比如破巖機(jī)、 超前鉆機(jī)） 地不同；盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制地不同等等.（ 4）某些特殊地復(fù)合地層,可能需要一些輔助工法.采用輔助工法地主要原因是由于盾構(gòu)機(jī)本身地設(shè)計功能地局限性造成地,而這種局限性在目前地技術(shù)發(fā)展階段還較難以克服.比如 ,大連地鐵103 標(biāo)七西盾構(gòu)區(qū)間在到達(dá)段存在中風(fēng)化輝綠巖,單軸抗壓強(qiáng)度32MPa, 在這種條件下 ,以中風(fēng)化鈣質(zhì)板巖為主設(shè)計地刀盤地刀具,顯然有時難點(diǎn)適應(yīng)這種高強(qiáng)度硬巖地要求,所以在無法更新刀盤地情況下,采用其它可行地輔助工法,比如先采用礦山法,開挖通過堅硬巖石段 ,之后

6、,用盾構(gòu)機(jī)拼裝管片完成隧道,根據(jù)以往工程經(jīng)驗,這是一種比較好地輔助選擇.大連地鐵七西盾構(gòu)工區(qū)現(xiàn)場巖層情況見圖3 所示.2中鐵五局城通公司軟硬不均地層盾構(gòu)施工技術(shù)全 風(fēng) 化中 風(fēng) 化圖 3現(xiàn)場巖層圖32盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)地選擇上軟下硬是一種特殊地地質(zhì),既有軟巖地層地不穩(wěn)定性,又具有硬巖地強(qiáng)度.在這地層施工中,由于盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過程中 ,刀盤上刀具切削掌了面上地土體時,上部軟層較易進(jìn)入土倉 ,而下部地較硬巖體不易破碎 ,盾構(gòu)機(jī)地姿態(tài)較單一層面較難控制一些 .其在掘進(jìn)過程中參數(shù)地設(shè)定一般需要考慮以下幾個方面地因素：（ 1）刀盤地轉(zhuǎn)速：在上軟下硬地層中掘進(jìn),軟巖部分只需對掌子面進(jìn)行切削即可達(dá)破壞土層 ,而下部

7、巖石強(qiáng)度較高 ,處于這個地方地刀盤上地滾刀受力較大,硬巖對刀具及刀盤地磨損較大 .所以要適當(dāng)?shù)亟档偷侗P地轉(zhuǎn)速 ,使刀具受到地瞬時沖擊小于安全荷載 .刀盤地轉(zhuǎn)速一般控制在于 1.2 1.6r/min. 根據(jù)實(shí)際地地質(zhì)條件 ,在刀具地選型及布置上在著重增強(qiáng)其對地質(zhì)地適應(yīng)性 .在掘進(jìn)中加大對刀具地檢查力度 ,制定詳細(xì)地刀具換刀方案 .（ 2）盾構(gòu)姿態(tài)地控制：在上軟下硬地層中掘進(jìn)時,盾構(gòu)機(jī)地姿態(tài)控制較難 ,容易使盾構(gòu)軸線與隧道設(shè)計軸線產(chǎn)生偏離,所以 ,在掘進(jìn)過程要加強(qiáng)對盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)地控制,隨時利用ZED激光導(dǎo)向系統(tǒng)觀測盾構(gòu)掘進(jìn)路線與設(shè)計線路之間地差異.同時 ,也要加強(qiáng)人工地復(fù)核工作,對已完成地隧道要進(jìn)行

8、中線及高程地復(fù)測工作,及時反饋誤差信息,以便及早發(fā)現(xiàn)問題,并采取糾偏措施進(jìn)行糾偏,避免施工誤差超限.（ 3）土倉壓力及加固措施：在上軟下硬地層中,如果采用半敞開式掘進(jìn),要向土倉內(nèi)注放壓縮空氣和泡沫等人工材料進(jìn)行輔助開挖.這樣做既可防止上部掌子面地坍塌,又利于檢查清理刀盤和更換刀具,保證掘進(jìn)順利進(jìn)行.當(dāng)上部土體自穩(wěn)能力較差時,也可以采用全土壓平衡模式下掘進(jìn) .在掘進(jìn)過程中若發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)多出土 ,應(yīng)該在地表有條件地地方注入雙液漿來加固地層 ,避免地表塌陷 ,加強(qiáng)沉降監(jiān)測 ,對不良地段和重要建筑物處進(jìn)行超前注漿等地層加固措施.（ 4）油缸推力：在上軟下硬地質(zhì)下掘進(jìn) ,必須降低推力 ,調(diào)整掘進(jìn)參數(shù) ,保

9、證盾構(gòu)機(jī)能夠安全、高效地掘進(jìn) ,由于存在硬巖 ,其對刀具地磨損較大 ,所以 ,為了減少施工成本 ,應(yīng)減少刀具在3中鐵五局城通公司軟硬不均地層盾構(gòu)施工技術(shù)掘進(jìn)過程中所受地沖擊力來保護(hù)刀盤上地刀具.在掘進(jìn)眾多參數(shù)中,刀盤扭矩是刀具受到?jīng)_擊力大小地直接體現(xiàn),所以在掘進(jìn)過程中我們應(yīng)適當(dāng)?shù)販p少刀盤地扭矩來減少刀具所受地沖擊力,根據(jù)以往經(jīng)驗,在這種軟硬不均地上軟下硬地層中掘進(jìn),掘進(jìn)速度應(yīng)控制在3 5mm/min, 推力一般控制在10000 18000KN, 根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況盾構(gòu)各參數(shù)可進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié).（ 5）螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速： 在上軟下硬地層中 ,土壓或氣壓地保持是非常重要地,由于軟巖部分較易塌陷 ,而硬巖

10、部分因巖石抗壓強(qiáng)度高不易切削,為了保護(hù)刀具在軟硬結(jié)合處不受較大地沖擊力需要降低掘進(jìn)地速度,但這樣做又會對軟巖部分地穩(wěn)定造成威脅,甚至出現(xiàn)超挖地現(xiàn)象.因此 ,要保證開挖掌子面巖體地穩(wěn)定和地表地沉降在規(guī)范允許地范圍之內(nèi),需要保持一定地土壓,所以對螺旋輸送機(jī)地出渣量有一定地要求,轉(zhuǎn)速一般控制在3 8r/min.33盾構(gòu)在地層換時地施工措施盾構(gòu)在上軟下硬地層中穿越時,可能遇到從硬巖進(jìn)入軟巖或者從軟巖進(jìn)入硬巖地情況,一般情況下像大連地鐵CREC014 復(fù)合型盾構(gòu)機(jī)完全可以勝任,但在巖層強(qiáng)度特別高時,為了確保盾構(gòu)在不同地質(zhì)界面轉(zhuǎn)換地安全,可采取如下幾方面地措施：（ 1）在大連地鐵1 號線 103 標(biāo)七西盾

11、構(gòu)區(qū)間左線,存在由全斷面硬巖進(jìn)入軟巖地地質(zhì)情況（見圖4 所示） ,盾構(gòu)地推進(jìn)狀態(tài)要由敞開式或半敞開式向土壓平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)換,需根據(jù)計算出來地土壓力來設(shè)定土壓來確保掌子面土體地穩(wěn)定,同時調(diào)整同步注漿量及注漿壓力,調(diào)整各區(qū)域油壓差 ,改變千斤頂?shù)睾狭ξ恢?同時放慢推進(jìn)速度.硬巖進(jìn)入軟巖軟巖進(jìn)入硬巖圖 4 左線隧道地質(zhì)界面示意圖（ 2）換刀：換刀作業(yè)需要選擇合適地地點(diǎn)、時間、并要采取相應(yīng)地措施.在這種地層條件下?lián)Q刀前必須選擇合適地地層,如果地層為砂卵石、軟巖地層,這些地層自穩(wěn)性較差或者臨近有建筑物 ,必須提前對土體采用合適地方法進(jìn)行加固處理來確保換刀作業(yè)地安全性.（ 3）經(jīng)常觀察掌子面圍巖變化情況 ,要

12、根據(jù)地質(zhì)剖面圖 ,隨時監(jiān)控土地性質(zhì)確定轉(zhuǎn)換界面,根據(jù)不同地地質(zhì)狀況選用不同地刀具配置模式.另外 ,在不同轉(zhuǎn)換界面要加強(qiáng)地表沉降監(jiān)測地頻率 ,并根據(jù)監(jiān)測反饋信息及時調(diào)整盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中地參數(shù).4 上軟下硬地層渣土地改良4中鐵五局城通公司軟硬不均地層盾構(gòu)施工技術(shù)根所大量地國內(nèi)外地鐵施工經(jīng)驗,在軟硬不均地層盾構(gòu)施工中,渣土改良是保證盾構(gòu)施工安全、順利、快速地一項不可或缺技術(shù)輔助手段.渣土改良具有較好地土壓平衡效果,利于開挖面地穩(wěn)定從而來控制地表沉降；使渣土具有較好地止水性,可防止地下水流失；使渣土具有較好地和易性,切削下來地渣土易于快速進(jìn)入土艙并順利出土,可有效防止土渣黏結(jié)刀盤而產(chǎn)生泥餅 ,這樣可以

13、有效地降低刀盤地扭矩,改善土體對刀盤、刀具和螺旋輸送機(jī)地磨損.在上軟下硬不均地層中掘進(jìn)時,一般采取向土艙內(nèi)注入膨潤土地方式,可以對軟層起到一個泥模地作用,使土艙內(nèi)地高壓空氣不易逸出,可有效防止上面軟巖地層地坍塌,如遇到砂卵石及全、強(qiáng)、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地掘進(jìn)中,主要是可以穩(wěn)定開挖面,防止刀盤產(chǎn)生泥餅,并降低刀盤地扭矩 .一般采取分別向刀盤面及土艙內(nèi)注放泡沫地方法進(jìn)行渣土改良,必要時可向螺旋輸送機(jī)內(nèi)注入泡沫.大連地鐵1 號線路 103 標(biāo)七西盾構(gòu)工間盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)地渣土改良系統(tǒng)如圖5 所示 .圖 3-5大連地鐵 CREC014 盾構(gòu)機(jī)泡沫裝置原理圖CRECP014 盾構(gòu)機(jī)上泡沫系統(tǒng)部分設(shè)備實(shí)物照片見圖6 所示 .泡沫箱泡沫流量表5中鐵五局城通公司軟硬不均地層盾構(gòu)施工技術(shù)泡沫制泵泡沫注入管道圖 6 CREC014盾構(gòu)泡沫系統(tǒng)5結(jié)語本文給合大連地鐵1 號線 103 標(biāo)七西盾構(gòu)區(qū)間左線隧道穿越地地質(zhì)條件和現(xiàn)場實(shí)際情況 , 對盾構(gòu)機(jī)在軟硬不均上軟下硬地層中掘進(jìn)過程中地施工控制技術(shù)進(jìn)行一定地探討.得出了盾構(gòu)機(jī)在軟硬不均地層中掘進(jìn)時掘進(jìn)地模式、掘進(jìn)地參數(shù)應(yīng)根據(jù)掌子面觀察地情況來合理確定 .合理地掘進(jìn)參數(shù)是確保盾構(gòu)施工地質(zhì)量、安全地關(guān)鍵技術(shù)；同時,在做到以上各方面同時 ,渣土改良地也是一項不可或缺