基于復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)法隧道施工

摘要：隨著交通發(fā)展，地鐵作為城市交通的一部分將越來越重要。由于地下鐵道的特性，地鐵隧道必然發(fā)生地質(zhì)交叉。在這種背景下，我們有必要研究地質(zhì)變化和地面建筑對(duì)下穿隧道施工的影響，該影響包括盾構(gòu)機(jī)設(shè)備的選擇，掘進(jìn)的速度，掘進(jìn)模式的轉(zhuǎn)換等。文章對(duì)這種影響進(jìn)行簡(jiǎn)要分析并提出簡(jiǎn)單建議。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu);高強(qiáng)度;施工技術(shù);

Abstract: with the development of city traffic, subway as part of the traffic will be more and more important. Due to the characteristics of underground railway, subway tunnel inevitable geological cross. In this context, it is necessary for us to research geological changes and ground construction of tunnel under construction influence, the effect of including the shield machine equipment choice, driving speed, driving mode conversion. Based on this effect are briefly analyzed and proposals.

Keywords: shield; high strength; construction technology;

中圖分類號(hào)：U455.49文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)：2095-2104（2012）

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一、工程概況

某地鐵工程區(qū)處在周邊環(huán)境復(fù)雜，且地質(zhì)條件復(fù)雜，尤其是區(qū)間左右線穿越近3140m高強(qiáng)度硬巖段且間雜軟弱地層，給施工帶來很大的難度。

二、復(fù)雜地質(zhì)條件下掘進(jìn)施工

盾構(gòu)在硬巖地層、軟硬不均地層中的掘進(jìn)，既是一個(gè)施工控制的重點(diǎn)，同時(shí)也是一個(gè)施工上的技術(shù)難點(diǎn)。加上所掘進(jìn)硬巖強(qiáng)度高、軟弱巖層遇水極易崩解、且地層層間水豐富的特點(diǎn)，使得掘進(jìn)施工難度倍增。本區(qū)段施工要求高，提前做好機(jī)械設(shè)備、技術(shù)支持等施工準(zhǔn)備工作，認(rèn)真分析地質(zhì)條件為長(zhǎng)距離掘進(jìn)高強(qiáng)度硬巖段間雜軟弱巖層段打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；施工過程中準(zhǔn)備的判斷碴樣，經(jīng)過碴樣試驗(yàn)、分析，結(jié)合詳勘、補(bǔ)勘資料確定所掘進(jìn)的地層，以采取相應(yīng)的措施。

1、配置合適的刀盤

根據(jù)區(qū)間地質(zhì)狀況，針對(duì)區(qū)間硬巖地層，刀盤配備以破巖能力為主的重型滾刀。

1)滾刀設(shè)置

盾構(gòu)機(jī)采用滾刀進(jìn)行破巖，其破巖形式屬于滾壓破碎巖石。滾壓破碎巖是一種破碎量大、速度快的機(jī)械破巖方法，其特點(diǎn)是靠工具滾動(dòng)產(chǎn)生沖擊壓碎和剪切碾碎的作用達(dá)到破碎巖石的目的。

2、掘進(jìn)模式

硬巖段→敞開式掘進(jìn)模式；

上軟下硬→土壓平衡掘進(jìn)模式；

軟弱巖層段→土壓平衡掘進(jìn)模式。

3、選定掘進(jìn)參數(shù)

1）上軟下硬地層掘進(jìn)參數(shù)

軟弱巖層段向硬巖段過渡掘進(jìn)、硬巖段向軟弱巖層過渡段掘進(jìn)采用“土壓平衡模式”掘進(jìn)。

a.采用小推力低轉(zhuǎn)速，適當(dāng)降低掘進(jìn)速度，使刀盤對(duì)底部較硬地層進(jìn)行充分破碎。

b.嚴(yán)格控制出土量。如發(fā)現(xiàn)出土量過大要逐步增加土倉(cāng)壓力，將每一環(huán)的出土量控制在理論值的95%～105%。

c.重視盾構(gòu)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的異常反饋，認(rèn)真分析其異常原因，并采取果斷措施；密切注意工程地質(zhì)及地表沉降變化情況，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)、減少對(duì)地層的擾動(dòng)、控制地表沉降在允許范圍內(nèi)。

d.嚴(yán)格進(jìn)行同步注漿，保證注漿壓力及注漿量，充分填充盾尾和管片之間的建筑間隙，以減少周圍土體變形。

e.根據(jù)盾構(gòu)推進(jìn)的地質(zhì)預(yù)報(bào)及出土情況分析，充分了解前方地層情況，及時(shí)添加調(diào)整渣土改良材料，以改良渣土，防止產(chǎn)生“泥餅”和“噴涌”。

f.及時(shí)對(duì)盾尾密封添加足量的油脂，確保盾尾的密封性，以防止盾尾密封不好而產(chǎn)生漏水、漏漿和漏砂現(xiàn)象。

g.合理利用盾構(gòu)鉸接油缸，改變刀盤傾角以加強(qiáng)對(duì)礫質(zhì)部位的切割，提高盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的軸線控制能力。

h.增加土倉(cāng)內(nèi)的泡沫注入量，以減少刀具的磨損并防止開挖面失穩(wěn)。

2)硬巖段掘進(jìn)參數(shù)

硬巖段掘進(jìn)采用敞開掘進(jìn)模式，遵循“高轉(zhuǎn)速、小推力”原則選取參數(shù)，以提高純掘進(jìn)速度。其掘進(jìn)參數(shù)確定如下：盾構(gòu)機(jī)在通過全斷面微風(fēng)化地層時(shí)盾構(gòu)機(jī)推力10000～14000KN； 盾構(gòu)機(jī)扭矩控制在2200-2600KN/m； 推進(jìn)速度為 8～13mm/min；刀盤轉(zhuǎn)速為1.7～1.9轉(zhuǎn)/分鐘。

三、復(fù)雜地質(zhì)條件下施工技術(shù)措施

1、掘進(jìn)模式轉(zhuǎn)換

在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，因地層的變化，會(huì)發(fā)生硬巖→穿越硬巖→上軟下硬→軟弱巖層之間的地層轉(zhuǎn)換，掘進(jìn)模式應(yīng)隨著地層變化及時(shí)調(diào)整。

應(yīng)結(jié)合該區(qū)段范圍的地質(zhì)縱斷面圖及相應(yīng)鉆孔地質(zhì)資料對(duì)渣樣分析進(jìn)行綜合分析，確定盾構(gòu)機(jī)當(dāng)前的地質(zhì)水文隋況，并預(yù)測(cè)盾構(gòu)前方的地質(zhì)水文情況，同時(shí)與盾構(gòu)推進(jìn)該段的推進(jìn)參數(shù)變化情況進(jìn)行分析對(duì)比，確定下一步應(yīng)采取的施工措施。

施工現(xiàn)場(chǎng)渣樣分析簡(jiǎn)易判定：

（1）渣樣巖土特征：巖石成分，顏色、狀態(tài)、硬度、風(fēng)化程度、掌子面隱定性。

（2）含水性分析：含水量、滲透性。

（3）盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)分析：土倉(cāng)壓力、推力、扭矩、推進(jìn)速度、刀盤油溫、注漿量及壓力。

綜合以上各項(xiàng)參數(shù)分析，結(jié)合設(shè)計(jì)地質(zhì)勘探資料分析報(bào)告，確定當(dāng)前盾構(gòu)所處的地質(zhì)水文情況，并及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)或采取其他輔助措施，實(shí)現(xiàn)信息化施工，保證盾構(gòu)機(jī)安全、快速的推進(jìn)。

2、刀具檢查及更換

為確保盾構(gòu)順利掘進(jìn)，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)擬定了換刀位置及區(qū)域，為硬巖掘進(jìn)、從硬巖進(jìn)入軟弱巖層以及軟弱巖層的掘進(jìn)提前準(zhǔn)備。

1）檢查及更換的位置選擇

（1）硬巖段

根據(jù)刀具的磨損情況，在地層穩(wěn)定的情況下，有計(jì)劃的開倉(cāng)進(jìn)行刀具檢查及

更換。掘進(jìn)過程中，根據(jù)地層情況，每隔2-3環(huán)或遇到特殊情況時(shí)檢查刀具情況，逐漸的掌握所配刀具在相應(yīng)地層的適應(yīng)性和磨損情況。

（2）軟弱巖層段

出全斷面硬巖之前，進(jìn)入上軟下硬地層掘進(jìn)前；必須選擇適當(dāng)?shù)奈恢眠M(jìn)行刀具檢查并更換磨損超標(biāo)刀具。

（3）帶壓換刀

因地層含砂量大，石英含量高，且地層粘性度大，刀具磨損快，且極易形成泥餅。為了確保盾構(gòu)機(jī)順利掘進(jìn)，經(jīng)判斷有泥餅形成、刀具磨損過大的情況，必須選擇合適的位置及時(shí)帶壓進(jìn)倉(cāng)更換刀具或清理泥餅，確保后續(xù)施工正常。

2）硬巖段的刀具檢查

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，盾構(gòu)有條件根據(jù)刀具磨損情況隨時(shí)開倉(cāng)進(jìn)行刀具檢查或換刀施工。因此，盾構(gòu)在硬巖段掘進(jìn)過程中，要求每掘進(jìn)4～5環(huán)，即進(jìn)行一次刀具檢查。特別是周邊滾刀磨損量的檢查，以保護(hù)好盾構(gòu)機(jī)刀盤。

3）其他控制措施

（1）過硬巖段掘進(jìn)時(shí)嚴(yán)格控制盾構(gòu)推力，實(shí)時(shí)觀察推力變化，防止過大推力造成局部刀具破壞和管片破裂。

（2）過硬巖段可適當(dāng)減小泡沫劑用量，泡沫劑濃度控制在2%左右，掘進(jìn)速度過小的情況下泡沫劑濃度還可以再減小一點(diǎn)；但注意減小泡沫劑用量時(shí)要向土倉(cāng)內(nèi)加水，以降低土倉(cāng)溫度，減小刀具、刀盤磨損。

3、碴土改良及出碴管理

1）碴土改良

泥餅（次生巖塊）是盾構(gòu)刀盤切削下來的細(xì)小顆粒、碎屑在密封倉(cāng)內(nèi)和刀盤區(qū)重新聚集而成半固結(jié)或固結(jié)的塊狀體。

隧道軟弱地層大部分為殘積層、及風(fēng)化巖層、、、、，此類巖層，易產(chǎn)生泥餅；掘進(jìn)過程中需進(jìn)行碴土改良，以防止泥餅產(chǎn)生。

根據(jù)土層情況向刀盤和土倉(cāng)內(nèi)加入泡沫、膨潤(rùn)土等渣土改良劑，使攪拌后的切削土體具有止水性和流動(dòng)性，既可順利排出渣倉(cāng)，又能降低扭矩，減小刀具的磨損。

a.通過盾構(gòu)機(jī)上的泡沫系統(tǒng)注入泡沫，泡沫的組成比例如下：

泡沫溶液的組成：泡沫添加劑3%，水97%。

泡沫組成：90～95%壓縮空氣和5～10%泡沫溶液混合而成。

泡沫的注入量按開挖方量計(jì)算：300～600L/m。

b.通過膨潤(rùn)土注入系統(tǒng)以懸浮液的方式注入膨潤(rùn)土，其體積使用量為20%～30%。拌制的懸浮液泵入儲(chǔ)存罐后通過不同的注入口分別注入到開挖倉(cāng)及螺旋輸送機(jī)進(jìn)口處。

c.必要時(shí)可考慮在土倉(cāng)注入泥漿。其配合比為：水:膨潤(rùn)土:粉煤灰:添加劑=4:1:1:0.1，加泥量為5%～20%出土量。

2)出碴管理

掘進(jìn)過程必須對(duì)出碴量有詳細(xì)的記錄及統(tǒng)計(jì)，理論出碴量可以根據(jù)推進(jìn)進(jìn)尺×斷面面積×松散系數(shù)或者推進(jìn)速度×斷面面積×松散系數(shù)確定。

4、盾構(gòu)姿態(tài)控制及糾偏

利用PPS系統(tǒng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示，根據(jù)地層的軟硬分布情況，分區(qū)操作推進(jìn)油缸，設(shè)定推力和推進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)的實(shí)時(shí)控制，必要時(shí)一個(gè)掘進(jìn)循環(huán)可分幾次完成。

1）糾偏方式

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，總是在進(jìn)行蛇行，難免出現(xiàn)姿態(tài)偏差，蛇行修正以長(zhǎng)距離慢慢修正為原則，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)采取以下調(diào)整（糾偏）方式；糾偏方式有：滾動(dòng)糾偏、豎直糾偏和水平方向糾偏等。

2）糾偏控制

盾構(gòu)掘進(jìn)的糾偏量越小，則對(duì)土體的擾動(dòng)越小。由于同時(shí)處于小半徑（左線360m、右線350m）右轉(zhuǎn)彎圓曲線段、上軟下硬地層及下穿密集建筑群，為防止盾構(gòu)機(jī)抬頭以及管片上浮及向圓曲線外側(cè)移動(dòng)，需要對(duì)掘進(jìn)方向進(jìn)行預(yù)偏。

通過PPS系統(tǒng)及DTA測(cè)量系統(tǒng)的差值（盾構(gòu)機(jī)中心坐標(biāo)與原點(diǎn)坐標(biāo)的差值），調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)為：垂直方向控制在-30～-40mm之間，水平視平方向應(yīng)控制在0～+15mm之間。

根據(jù)管片監(jiān)測(cè)情況，如管片上浮量較大，則垂直偏差可調(diào)整為-40～-50mm之間。同時(shí)應(yīng)加密移站頻率，減少移站后出現(xiàn)的軸向偏差。