廣州地鐵復雜地質(zhì)條件下的土壓平衡盾構掘進技術研究

1、廣州地鐵復雜地質(zhì)條件下的土壓平衡盾構掘進技術研究    摘要:廣州地鐵由于地質(zhì)條件復雜,在施工中遇到了眾多難題,如穿越溶洞、穿越高強度花崗巖、穿越珠江等,在施工過程中積累了大量的盾構施工經(jīng)驗。對廣州地鐵的地質(zhì)條件進行分析,對復雜地質(zhì)條件下的土壓平衡盾構掘進技術進行了研究和總結。關鍵詞:地鐵;盾構;掘進技術 1 前言      1995年,廣州地鐵在修建一號線時,通過國際招標方式利用盾構技術在軟土和復合地層中成功修建地鐵隧道。1999年后,廣州地鐵二、三、四、五號線更是大量采用盾構技術進行隧道修建

2、,盾構機主要以土壓平衡式為主。由于地質(zhì)條件異常復雜,所遇到的施工難題,是國內(nèi)盾構施工中罕見的,比如穿越溶洞,穿越高強度花崗巖,穿越孤石等,在施工過程中積累了大量的復雜地質(zhì)條件下的盾構施工經(jīng)驗,對廣州地鐵的土壓平衡盾構施工技術進行研究和總結,以期對今后的盾構法隧道施工起到借鑒作用。2 廣州地質(zhì)概述      廣州地鐵沿線的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件比較復雜,其中最重要的特點是工程范圍內(nèi)的巖土均一性差,物理力學特性差異大。地鐵圍巖既有十分松軟富水的淤泥質(zhì)土、中細砂層,又有較堅硬的砂礫巖、花崗片麻巖、混合巖,以及介于上述兩類巖土之間具有不同風化程度的軟塑

3、硬塑狀粘性土層。軟硬相間的紅色砂泥巖是地鐵隧道施工的主要地層。3 地質(zhì)條件分析及復雜地質(zhì)條件下的盾構掘進技術3.1 盾構機過江技術      廣州地處珠江三角洲的河流密布區(qū)邊緣,地鐵隧道下穿江河時有發(fā)生。早在地鐵二號線海珠廣場市二宮站區(qū)間,盾構機首次穿越了珠江,雖然經(jīng)歷坎坷,但還是成功地穿越了。廣州地鐵三號線珠江新城站客村站區(qū)間兩次穿越北珠江干流(315m寬)和支流(80m寬),瀝大區(qū)間穿越了312m寬的三枝香水道和505m寬的南珠江。四號線大學城專線穿越了侖頭海和官州河。      在盾構施工

4、中,盾構機在富水松散地層、斷層或江底等地質(zhì)條件下的掘進速度對其施工安全有著重要影響,因此保證盾構機完好是順利通過這些不良地層的關鍵,其技術要點如下:      過江前仔細檢查大軸承、盾殼鉸接和盾尾的密封狀況,以保證設備完好和提高過江安全性,同時及時更換損壞刀具,必要時需要在洞內(nèi)更換盾尾密封,并保證配件供應和盾構機各系統(tǒng)始終處于正常工作狀態(tài),提高掘進速度,避免盾構機在江底作不必要的停留,以降低風險。      施工中注意設置和控制盾構機施工參數(shù),特別是利用聲納法或水壓力感應器法等信息化反饋手段,及

5、時摸清江底隆沉情況,以及時調(diào)整盾構機施工參數(shù),將其掘進對河床的擾動降到最低。      適當縮短漿液膠凝時間,保證同步注漿質(zhì)量,減少地層損失。      增加洞內(nèi)排污設備能力,保證盾尾積水及時排除。3.2 盾構機穿越上軟下硬地層3.2.1 地質(zhì)條件分析      廣州地鐵地質(zhì)資料顯示,上部多為人工填土或全新統(tǒng)海陸交互沉積的淤泥或淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)砂;下部為上更新統(tǒng)陸相沖積洪積形成的砂、土層;底部為基巖殘積形成的粘性土層。盾構區(qū)間大部分在殘積土層和巖

6、石風化層中穿過,軟硬不均地層現(xiàn)象明顯。      盾構施工過程中存在的主要問題是盾構掘進控制難度大,工況轉(zhuǎn)換頻繁。掘進面上下巖體的完整程度及強度差別較大,容易發(fā)生盾構機抬頭事故。3.2.2 主要施工技術措施      結合地質(zhì)資料,注意分析盾構機的狀態(tài)參數(shù),及時發(fā)現(xiàn)上軟下硬地層,以便采取相應措施。      采用土壓平衡或氣壓平衡模式掘進,必要時注入泡沫或泥漿對碴土改良,以減小刀具及刀盤的磨損。    &#

7、160; 采取措施,重視盾構的軸線控制和姿態(tài)控制:合理利用超挖刀;根據(jù)測量數(shù)據(jù)及時修正千斤頂推力組合;合理利用鉸接千斤頂調(diào)整盾構姿態(tài)。      發(fā)現(xiàn)盾構機遇到孤石或硬巖時,降低推進速度和推力,增加刀盤轉(zhuǎn)速,以更好地保護設備和控制軸線。3.3 盾構機穿越巖石微風化帶3.3.1 地質(zhì)條件分析      廣州地鐵3號線地質(zhì)鉆探資料顯示,在天河客運站華師站區(qū)間及大塘漢溪區(qū)間大部分為類以上圍巖,部分為IV、V類以上圍巖,揭露出抗壓強度最大達156MPa的硬巖。其長度范圍在50200m。由于在盾構施工區(qū)間

8、范圍內(nèi)硬巖距離短,若采用鉆爆法施工,由于上覆土層厚達30m左右,增設豎井施工難度大,又不經(jīng)濟,所以采用盾構直接通過較為合理。      盾構機穿越這類巖層時,盾構掘進時主要有以下特點:      掘進速度慢;      刀具磨損大,刀具更換頻繁;      軸線控制難度大;      推力增大,有可能引起管片的裂縫;  

9、0;   巖石自穩(wěn)能力強,適合采用敞開式掘進。3.3.2 主要施工技術措施      采用單刃滾刀破巖,減少換刀次數(shù)與頻率,提高施工進度。掘進過程中隨時監(jiān)測刀具和刀盤受力狀態(tài),確保其不超載。      增加開倉檢查的頻率,注意量測刀具的磨損情況,在地質(zhì)條件允許的情況下及時更換磨損的刀具,避免損傷刀盤。      如可能,換刀時啟動刀盤伸縮裝置,縮短換刀時間并在土倉內(nèi)更換刀具,減少換刀時間對掘進循環(huán)的影響,提高設備利用率。

10、60;     硬巖段掘進時啟動盾構穩(wěn)定裝置,減小盾構機振動和防止盾構機產(chǎn)生超限扭轉(zhuǎn),使管片受力穩(wěn)定,確保隧道成形質(zhì)量和保護管片,防止盾構變形。      采用敞開模式掘進,遵循高轉(zhuǎn)速、低扭矩原則選取參數(shù),以提高掘進速度。      進入硬巖段掘進前要對盾構機進行一次全面的維修保養(yǎng),確保盾構機的工作狀態(tài)良好。3.4 盾構機穿越球狀風化層3.4.1 地質(zhì)條件分析      根據(jù)廣州地鐵工程地質(zhì)情況調(diào)查,地鐵三

11、號線如天華區(qū)間、市番區(qū)間多處通過花崗巖球狀風化地層俗稱“孤石”層,花崗巖單軸抗壓強度在160MPa左右。由于風化球巖體的強度遠大于周圍巖土層的強度,是盾構施工的不利因素。風化球周圍巖土層主要為花崗巖強、全風化層,強度差異較大,穩(wěn)定性差,為、類圍巖。      由于風化球周圍巖體與球狀風化巖體本身強度存在較大差距,易造成刀具損壞,甚至會導致刀盤變形,至使整個盾構機癱瘓。上海某隧道公司在深圳地鐵施工就是一例,最終不得不采用礦山法貫通隧道后將盾構設備拖出。3.4.2 主要施工技術措施      超前鉆

12、探或地質(zhì)雷達物探,以預防為主,提前采取一些諸如地表或洞內(nèi)爆破等必要的處理措施。      注意觀察盾構掘進的異常情況以及掘進參數(shù)的異常變化,判斷是否碰上球狀風化巖體。一旦發(fā)現(xiàn)推力加大時,盾構進尺緩慢或停滯不前,應立即停機,切不可貿(mào)然推進。      向土倉內(nèi)加入氣壓以穩(wěn)定工作面,采用高轉(zhuǎn)速、低扭矩、低推力謹慎掘進。      如球狀風化巖體在軟地層隨刀盤一起滾動,可利用地質(zhì)超前鉆機對周圍軟地層予以加固,然后進行掘進。  

13、60;   如上述措施不能奏效,則采取以下措施:1)在開挖面穩(wěn)定(或地層加固后穩(wěn)定)情況下遇到孤石時,采用靜態(tài)爆破的方法;2)遇到長距離(100m)硬巖段或球狀風化群體,根據(jù)目前盾構機技術水平,并考慮經(jīng)濟和工期因素,可采用礦山法開挖隧道,盾構機拼裝管片通過。3.5 盾構機穿越斷裂帶3.5.1 地質(zhì)條件分析      根據(jù)廣州地鐵工程地質(zhì)情況調(diào)查,地鐵2號線、3號線、5號線多處通過斷裂地質(zhì)帶,斷裂帶埋深大約在1030m范圍內(nèi),巖體破碎,圍巖的強度大,而且強度不均勻,穩(wěn)定性差,地下水比較豐富。盾構通過時存在的主要問題: 

14、;     易發(fā)生涌水;      破碎地段的巖塊較大,易堵塞螺旋輸送機;      斷裂帶下伏的基巖多為蝕變花崗巖與硅化巖,巖體強度大,要求盾構破巖能力強。3.5.2 主要技術措施      及時將雙刃滾刀更換為單刃滾刀。因為單刃滾刀比雙刃滾刀接觸面小、破巖能力高。      采取土壓平衡工況掘進,及時調(diào)整土倉壓力,確保土壓平衡,同時采取措施防止拼裝管片時

15、盾構出現(xiàn)后退,保證工作面的土體穩(wěn)定。      適時調(diào)整掘進參數(shù),防止出現(xiàn)過大的方向偏差,同時使巖石得到充分的切削,避免大的巖塊堵塞螺旋輸送機。      掘進過程中向土倉內(nèi)注人泥水或泡沫,防止螺旋輸送機堵塞和水涌入隧道。      連續(xù)掘進,對地表和建筑物連續(xù)監(jiān)測。及時注漿充填管片與地層之間的環(huán)形間隙,防止土體塑性區(qū)的擴大,控制地表沉陷。      水壓較大時,為防止盾尾被擊穿,要及時在尾刷處注

16、油脂。3.6 盾構機穿越溶洞3.6.1 地質(zhì)條件分析      廣州地鐵五號線草暖公園至小北站區(qū)間環(huán)市中路下方以及即將建設的廣佛線等區(qū)段都存在有不同發(fā)育程度的溶洞。部分溶洞位于隧道空間范圍內(nèi),大部分溶洞位于隧道底板之下,少部分位于隧道頂板上部。盾構施工時,一旦揭穿溶洞,有可能造成突水、突泥及盾構機沉陷等工程事故,對盾構施工影響較大。同時若隧道溶洞涌水(或突水)得不到有效處理,將直接導致孔隙水位下降。從而影響周邊建筑物安全,嚴重時將造成地面塌陷。因此必須準確地掌握溶洞的分布和大小,對溶洞進行處理,以降低施工難度和施工風險。3.6.2 溶洞處理技術

17、措施      (1)加密鉆孔。在詳勘鉆孔揭示到有溶洞的地區(qū),為進一步了解和掌握溶洞的分布范圍和溶洞大小,實施加密鉆孔,并使鉆孔交錯布置,鉆孔深度至隧道結構下5m。同時在揭示到有溶洞的加密孔和既有揭示有溶洞的鉆孔周圍布設更密的鉆孔。      (2)物探(CT)法確定溶洞的大小及分布。利用工程CT技術精確探測溶洞的邊界、溶洞走向、規(guī)模,另外利用部分鉆孔作為技術孔,對溶洞的充填物進行物理力學勘察,以確定溶洞填充物的密度、含水量、溶洞水流向和滲透系數(shù)等指標,并估算溶洞水流量,以確定溶洞的注漿材料。&

18、#160;     (3)注漿?？碧姐@孔表明溶洞為充填溶洞,可利用既有鉆孔(局部加密鉆孔),采用雙液控制注漿,注漿材料為雙液漿,孔口混和,漿液經(jīng)管內(nèi)流出后快速凝固,在一定的壓力下充填密實。3.6.3 盾構機通過技術措施      做好各項準備工作,提前對盾尾密封進行檢查。      溶洞加固處理完畢后,在盾構機通過時,要適當放慢掘進速度。      調(diào)整同步注漿漿液的配合比,縮短凝結時間,同時增大注漿量和注

19、漿壓力。      在盾構機通過后及時進行二次雙液注漿,通過調(diào)整水泥水玻璃的配比參數(shù),控制雙液注漿的凝結速度,達到加固土體和加固充填溶洞的目的。      加強掘進姿態(tài)控制,全面貫徹信息化施工。      同時備好抽排水設備等應急設備和物資,制訂應急搶險預案。3.7 刀盤和切削倉聚積泥餅處理措施      在粘土礦物含量高的殘積層、混合巖全風化地層進行盾構施工時,極易在刀盤開口處和切削倉聚積泥餅。當產(chǎn)生泥餅后,掘進速度急劇下降,刀盤扭矩也會上升,大大降低開挖效率,甚至無法推進。其預防和處理措施如下:      在到達這種地層前把刀盤的部分刀具換成齒刀,增加刀盤的開口度;      在粘性土中掘進時,特別要加強盾構掘進時的地質(zhì)預測和碴土管理;      掘進時注泡沫劑,改善土體的和易性,預防粘土結塊;   &