花崗巖地層盾構施工課件

花崗巖地層盾構施工總結

肖瑞傳2010.12

三號線北延線“設計起點～永泰東站”段，約8.6km長線路沿線基巖為花崗巖、混合花崗巖或花崗片麻巖。主要穿越的地層是全斷面土層（花崗巖殘積土、全風化花崗巖、強風化花崗巖）、全斷面巖層（中風化、微風化花崗巖）、上軟下硬花崗巖地層（上部為花崗巖殘積土、下部為微風化花崗巖等巖層）、另外還有少部分為特殊的上軟下硬地層（上部為砂層、中部為土層、底部為巖層）。

以三北區(qū)間1標過南華工商學院宿舍樓案例，首先大家認識下花崗巖地層的特點：

2009年9月1日下午，右線海瑞克盾構機在647環(huán)，南華工商學院宿舍9號樓前（兩棟房屋之間的空地上），隧道洞身范圍的地層為<7H>、<9H>，采用2.4bar的氣壓進倉，進倉檢查，掌子面無水，但刀盤轉動后，掌子面的土體剝落嚴重，已無法進行帶壓作業(yè)，緊急關倉，考慮刀盤前面是宿舍樓，同時刀具損壞嚴重，往前掘進風險較大，往前掘進300mm后將土倉壓力建立，同時采用盾構機的超前注漿孔進行回填注漿，保證土倉填滿，從而防止地面沉降。南華工商學院宿舍樓范圍的平面位置圖南華工商學院宿舍樓范圍的地質斷面圖后與場地的產(chǎn)權單位進行協(xié)商，利用地面場地進行地面注漿處理。注漿加固存在既要保證加固效果能安全開倉又要防止注漿將盾構機刀盤和盾殼包裹了。加固前在盾殼和管片外圍采用了水溶性聚氨酯進行封堵，同時注漿過程中刀盤定期進行轉動。地面加固的時間受學校宿舍的限制，只能白天施工，第一次加固至9月27日才完成。開倉加固效果不理想，降壓不成功，而后再回填補充加固好后，10月10日刀盤原位將刀具更換。加固還是會造成盾構機盾殼和刀盤被水泥漿包裹。盾構機刀盤脫困、盾構機中前盾、盾尾脫困，10月19日恢復掘進。

10月19日~10月28日盾構機掘進26環(huán)，掘進參數(shù)出現(xiàn)異常，停機檢查刀具環(huán)號土倉壓力（bar）總推力（t）刀盤轉速（rpm）刀盤扭矩（bar）掘進速度（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停機采用開挖面制造泥膜，然后帶壓進倉進行檢查和更換刀具。雖然刀盤前方已有1米高的空洞，帶壓開倉成功，發(fā)現(xiàn)12#、24#刀圈掉，10#、11#、13#、14#、15#偏磨嚴重，16、17、21、25、28、29、30、31、33、34、35磨損5mm—10mm。經(jīng)過9天帶壓開倉作業(yè)，更換了正面和周邊的刀具，同時檢查到中心滾刀磨損嚴重，發(fā)現(xiàn)中心滾刀刀箱已變形：雖然經(jīng)過泥膜處理和帶壓作業(yè)，在盾構機帶壓換刀過程盡管宿舍樓的沉降沒有加大，但刀盤前殘積土逐漸剝落，空洞還是逐漸加大，最后形成了較大的空洞。更換中心滾刀刀箱的作業(yè)，必須回填土倉，并需要在中心滾刀前開挖出作業(yè)空間。這種洞內(nèi)加固，更加要保護好盾殼和刀盤不要包裹，否則后果很嚴重。事先將盾殼和刀盤用土工布包裹隔離。通過盾體上的徑向注漿孔注入水溶性聚氨酯，防止?jié){液將盾體包裹。同時利用盾構機土倉壁板上的球閥和氣體自動補償系統(tǒng)，在不同的高度裝上排氣管和注漿管，分層回填。

注漿加固后，清理至中心滾刀位置，并在刀盤前開挖尺寸為高1.9m、寬2.1m、深0.9m的作業(yè)空間

11月26日才將刀具更換。清理刀盤和刀具的過程中，左側刀盤開口上部出現(xiàn)局部坍塌，后人員出來加氣保壓。帶壓清理剩余的部分，11月28日刀盤轉動。11月28日~12月1日帶壓進倉將中心滾刀刀座螺栓焊接牢固。12月2日重新恢復掘進，未采取其他輔助措施，盾構機脫困，12月7日，盾構安全通過宿舍樓。掘進7環(huán)又更換一次刀具。整個通過該樓房4個月，共掘進37環(huán)，更換刀具3次，剛好是進入房屋前，在房屋下，出房屋后。

監(jiān)測情況：

右線盾構掘進647環(huán)—673環(huán)，同時左線盾構也同時在房屋地下掘進，房屋沉降速率較大，房屋沉降已達到38.9mm。右線盾構停機期間，在制作泥膜護壁時，左線在掘進，宿舍樓的出現(xiàn)較大沉降，最大沉降點為H19沉降值為50.7mm，柱子SZ1沉降值為24.9mm。泥膜護壁完成后帶壓換刀期間，沉降隨壓力波動變化敏感，最終最大沉降點位H19沉降值該工況下沉3.6mm，累計沉降為54.3mm，柱子SZ1沉降值該工況下沉3.5mm累計為28.4mm。盾構土倉回填期間，樓的沉降最大沉降點H19在該工況下下沉3.6mm，累計沉降值為57.9mm，柱子SZ1在該工況下下沉0.6mm，累計沉降值為29.0mm。盾構清倉換刀至恢復掘進期間，樓最大沉降點H19該工況下沉5.5mm，沉降值為63.4mm；柱子SZ1該工況下沉4.3mm，累計沉降值為33.3mm。總結該案例過程一、為什么帶壓<7H>地層還會坍塌？二、盾構機刀具和刀座為什么損壞這么嚴重？三、過程中，房屋沉降為什么這么敏感？分四部分介紹，與大家分享：第一部分：花崗巖地層的特點第二部分：盾構在花崗巖地層施工中易出現(xiàn)的問題第三部分：盾構在花崗巖地層掘進的解決辦法第四部分：管理體會第一部分：花崗巖地層的特點1、花崗巖殘積土的特點花崗巖殘積土具有很強的結構性,很容易因各種擾動因素,導致結構性損傷?；◢弾r殘積土,經(jīng)浸水飽和后,承載力降低,壓縮性增大;在具有臨空面的浸水條件下,花崗巖殘積土會因軟化崩解而坍塌?；◢弾r地層將崩解過程劃分為擾動性崩解、結構性崩解和溶解性崩解三個階段。廣州的花崗巖殘積土的微結構大多呈骨架狀,節(jié)點和顆粒之間主要靠游離氧化物的膠結作用實現(xiàn)聯(lián)結,因此花崗巖殘積土崩解的根本原因是浸水軟化導致土骨架損傷發(fā)展的結果,浸水前的擾動會使節(jié)點受到先期損傷,加速崩解。存在風化深槽和球狀風化體：巖石風化不均勻形成的風化深槽和球狀風化，而且風化深槽和球狀風化體無規(guī)律性，不確定性大。2、花崗巖硬巖的特點花崗巖微風化花崗巖地層的特點：巖石強度高、巖石完整性好，巖面起伏大。燕山期花崗巖：呈深灰、灰白色，中細粒結構，塊狀構造，巖石堅硬，較完整，巖芯多呈短柱狀、長柱狀，少量塊狀，錘擊聲脆。巖石質量指標RQD值為60～95%，巖石天然抗壓強度范圍值fc=46.4～200MPa。震旦系混合花崗巖：呈灰、灰白等色，中細粒結構，塊狀構造，裂隙稍發(fā)育～發(fā)育，巖石堅硬，較完整，巖芯多呈短柱狀、長柱狀，少量塊狀，錘擊聲脆。巖石質量指標RQD值為65～95%，巖石天然抗壓強度范圍值fc=31.7～215.6MPa。3、花崗巖地層上軟下硬的特點（1）巖面起伏大，變化快。由于風化不均勻，穩(wěn)定巖層巖面埋深在縱橫向上變化大，很不穩(wěn)定，部分地段風化深度劇增，形成風化深槽現(xiàn)象。（2）花崗巖風化程度的特點，地層經(jīng)常出現(xiàn)強風化層或者中風化層缺失的現(xiàn)象。同一斷面上，軟硬強度差異特別大。（3）巖土交界面水量大，并有一定的承壓水特點。在燕梅推進過程中在左線銀利街位置通過管片吊裝孔安裝壓力表測試水壓0.35Mpa。

南同區(qū)間右線同和端頭燕梅區(qū)間左線燕塘端頭第二部分：盾構在花崗巖地層掘進易出現(xiàn)的問題由于花崗巖地層的特點，盾構機掘進易出現(xiàn)的問題主要有刀具甚至刀盤磨損嚴重、噴涌、地面沉降甚至坍塌、掘進效率低等、更換刀具困難、這些問題尤其在上軟下硬地層更突出。刀具、刀盤磨損問題刀具、刀盤磨損問題地面坍塌、房屋開裂地面坍塌、房屋開裂噴涌第三部分：盾構在花崗巖地層掘進的解決辦法1、提前做好勘察工作，詳細分析地層，合理優(yōu)化線路，盡量減少上軟下硬的地層。南方醫(yī)院站-同和站區(qū)間，本次設計對區(qū)間線路縱斷面進行了微調(diào)，根據(jù)補充地質勘察和孤石探明勘察，詳細的掌握了區(qū)間地質情況，為避免上軟下硬的地層，以隧道拱底標高在里程YDK-4-219不低于13.1m、YDK-4-308不低于13.4m為原則，并使區(qū)間最低點里程仍基本維持原設計。微調(diào)線路縱斷面后，使其最低點提升0.616m從而拉開隧道與微風化巖的凈距，使盾構機避開上軟下硬地層。這次的線路優(yōu)化，極大的減少了盾構掘進的風險。

區(qū)間3標中間風井的埋深一直未能優(yōu)化，造成中間風井的開挖進度嚴重滯后，造成惡性循環(huán)，豎井的進度滯后，影響礦山法隧道的進度滯后，同時為保證盾構機下井，礦山法隧道長度未挖至理想位置，造成盾構機上軟下硬地層掘進長度過多，盾構掘進工效緩慢。

2、做好盾構機選型、優(yōu)化刀盤設計、選擇好的刀具泥水盾構和土壓盾構的選擇,在花崗巖地層，個人認為除常規(guī)的選型原則外，主要考慮刀盤刀具的破巖能力、防止超挖的措施及地面沉降的控制、更換刀具的輔助措施這三方面。以區(qū)間一標的為例子，區(qū)間1標1臺海瑞克盾構機、1臺小松盾構機，兩臺盾構機的特點：小松盾構機的刀盤設計，刀間距小，滾刀配備的多，破巖效果好。但存在的問題，人閘系統(tǒng)和螺旋輸送機的設計存在較大的缺陷。刀具的選擇也很關鍵，刀具的耐磨性高的話，減少換刀的次數(shù)。

區(qū)間1標實際條件泥水盾構機土壓盾構機說明場地要求4150平方米1萬平方米/2臺，但泥水場地可以轉場至附近場地4000平方-5000平方當前場地無法滿足泥水盾構地面環(huán)境、沉降控制地面房屋多，房屋基礎多為摩擦樁，地層失水就容易造成房屋下沉泥水盾構的特點能較好的滿足沉降的要求土壓平衡掘進易噴涌、易超挖，常規(guī)的渣土改良方法不能改善該類地層的沉降控制土壓盾構引起大范圍的房屋沉降，造成很多信訪問題，最終真正掌握了泥漿改良的方法才較好的控制了沉降刀盤刀具的布置區(qū)間1標巖石強度高，完整性好，同時也要通過部分殘積土土層，要有一定的開口率防止結泥餅以目前盾構機廠家設計的刀盤刀具數(shù)量相對較少，在該地段破巖有一定的難度雖然破巖效果也不是非常的理想，但相對布設滾刀數(shù)量較多區(qū)間1標刀具磨損嚴重，小松盾構機由于滾刀數(shù)量43個刀刃，破巖效果還是比較理想更換刀具輔助措施更換刀具頻率較多，帶壓進倉較頻繁，有時需要輔助措施才能進行帶壓進倉泥水盾構可快速制造泥膜，能為帶壓進倉創(chuàng)造條件花崗巖地層的特點，造成帶壓開倉也經(jīng)常造成土體坍塌。3、認真分析掘進參數(shù)，分析渣樣，準確判斷地層情況，及時并經(jīng)常檢查刀具，切忌僥幸心理花崗巖地層的特點，巖面起伏大，同一斷面強度差異大，刀具容易非正常磨損，有可能一環(huán)不到就造成刀具磨損。若不能及時發(fā)現(xiàn)更換刀具，有可能引起其他刀具，甚至影響到刀座和刀盤。但實際掘進過程中，經(jīng)常出項兩難的選擇：一是掘進參數(shù)有異常，二是地層條件差或盾構在房屋下面、盾構機開倉的風險大。并且由于花崗巖地層上軟下硬地層掘進時，掘進速度低、推力大、扭矩大，參數(shù)變化判斷也較難。

3.1、北延區(qū)間1標汽修廠坍陷事故分析事件經(jīng)過：6月10日晚10點30分左右，1標左線盾構機剛脫出盾尾管片位置的上方的德威發(fā)汽車服務有限公司修理廠房內(nèi)（ZDK-1-766~ZDK-1-772），突然發(fā)生地面塌陷，形成面積約30m2，深約2米的坑洞，造成修理廠房屋墻體開裂，地面傾斜，梁、柱多處拉裂，塌陷造成兩輛名牌汽車損傷，6輛車被困。當時，左線小松盾構已停機5天，正在實施管片地面斜孔注漿；右線海瑞克盾構在塌陷坑洞36米后的位置剛完成氣壓換刀，正在掘進，至塌陷時，已完成1環(huán)掘進。

地層情況：盾構穿越斷面主要以<6z>、<7z>為主，下部有少量<8z>，盾構機埋深約24m，盾構刀盤部為<6z>，上覆土層為<5z-2>和<4-1>為主，并摻雜少量<3-1>地層。3.2區(qū)間2標的683環(huán)位置處理該位置地層：上面為素填土、洞頂為<3-2>、<3-1>，中部為<5z-2>，底部為少量為<9Z>。盾構掘進參數(shù)突然遇到巖層，推力由600t變?yōu)?00t-1000t，扭矩150bar變?yōu)?50bar至停機，掘進速度由30mm/min-40mm/min降至2-6mm/min。掘進速度慢，對底層擾動大，出土量增加，7月10日早上塌陷，由于針對該底層早有準備，承包商提前做好坍塌處理的準備，空洞出現(xiàn)后，及時填入3m3混凝土。7月11日，停機商議是否繼續(xù)掘進還是停機進行加固。首先在刀盤前方3米鉆孔探明，盾構隧道范圍已無巖層，巖層在隧道下0.3米，除去之前已通過2米的巖層，判斷巖石最多剩下3米長。存在的風險處理時間繼續(xù)掘進，通過后再帶壓開倉進行更換刀具巖石強度高，對刀具的磨損大，刀具已通過的巖層掘進刀具已有一定的磨損，繼續(xù)將加大刀具刀座磨損嚴重，可能更換刀具更加困難，需要動火無法在帶壓下更換刀具一周停機進行加固常壓更換刀具該處恰好在人行道和道路邊，管線較多并集中，停機加固的方法選擇只能注漿加固。加固時間長需要一個月，并且注漿加固本身風險也大。同時借地手續(xù)時間尚未確定。至少一個月停機帶壓更換刀具隧道覆土淺，頂部為砂層并已經(jīng)經(jīng)過擾動，能否保壓沒有把握，同時保壓試驗有造成地面坍塌的風險。一周停機適當加固并帶壓更換刀具

考慮到地面環(huán)境，完全加固常壓開倉的要求太高，通過適當注漿加固進行帶壓開倉。存在的風險是加固后土倉填滿無法置換空氣。二周以上通過對巖層的長度、目前刀具磨損的程度等綜合判斷，盾構機不停機加固，直接通過。實踐證明，通過3mm/min以下的速度通過了2.5米的巖層，再掘進2環(huán)，經(jīng)過兩次帶壓進倉（帶壓時間一天后就開始出現(xiàn)坍塌，再掘進帶壓開倉）。4、盾構掘進做好渣土改良，防止超挖，防止噴涌，做好同步和二次注漿上軟下硬地層掘進，巖石強度高、水量大、掘進速度慢，對上面土層擾動大，同時由于花崗巖殘積土的遇水容易崩解，渣土改良不好的話容易噴涌，一旦噴涌肯定超挖，超挖就會引起地面沉降，嚴重就坍塌。膨潤土、泡沫和聚合物三種的改良效果。一類就是單一的花崗巖殘積土，這類只需要添加泡沫就能解決問題，但泡沫量氣體含量適當少一點。另一類就是上軟下硬地層，這類既要防止結泥餅，又要防止噴涌。

（對于膨潤土，一定是泥漿指標滿足要求的，不是簡單的膨潤土攪拌就直接加入的，必須經(jīng)過一定時間膨化的）

5、礦山法開挖盾構空推解決花崗巖硬巖段的辦法對于長距離花崗巖硬巖采取礦山法開挖初支、盾構機空推拼裝管片，因為礦山法可以提前進行，可以緩解整個施工工期。礦山法開挖盾構空推拼裝管片除了常規(guī)的礦山法開挖和盾構掘進外，還有一些特殊的地方。（1）礦山法開挖的成型質量，堅決不能有欠挖現(xiàn)象（2）混凝土導臺的施工質量，尤其是二次始發(fā)的導臺的線形合適。

（3）盾構空推過程中，姿態(tài)一定要監(jiān)控好，切忌盲目推進（4）空推過程中，豆礫石和漿液填充及時、飽滿，防止管片上浮。（5）注漿做到多次、控制好漿液的壓力和配比，防止注漿過程中管片上浮，一般按照先底部自流式注雙液漿，管片固定后，再進行單液水泥砂漿填充，最后再水泥漿再次檢查填充。（6）測量好隧道的邊界，計算準確回填豆礫石的數(shù)量。（7）做好二次始發(fā)的掘進控制，防止盾構機扭轉等問題。

6、孤石處理燕塘站～永泰東站總共布設了472個鉆孔，16個鉆孔揭示了有孤石，其中9個鉆孔孤石在隧道范圍內(nèi)，4個鉆孔為南同區(qū)間的孤石群、事先進行處理；3個為3標同永區(qū)間隧道范圍，提前處理了兩個，另外盾構機直接通過了6處孤石。

6.1孤石的形成孤石分為原生巖和次生巖：原生巖主要由于花崗質巖石熱脹冷縮效應明顯，巖體外部在溫差變化下易發(fā)生物理風化產(chǎn)生裂隙，繼而H2O和CO2滲入裂隙發(fā)生化學風化。而位于巖體中心的巖石難以受到這樣的物理風化、化學風化作用，未風化的新鮮巖石成為孤石殘留下來；次生巖有可能能是山體活動、自然搬運等原因造成有部分巖石滾入山谷后土體覆蓋，形成孤石。目前仍未發(fā)現(xiàn)孤石的發(fā)育和分布規(guī)律，不同地貌單元和不同深度的殘積土層中均有發(fā)育的可能。根據(jù)個人不成熟經(jīng)驗，一般原生巖，孤石周邊有少許的風化層（即周圍顏色為鐵銹色），孤石相對分布較集中。次生巖，孤石周邊基本無風化層，孤石相對是獨立的。

6.2孤石探明孤石探明主要考慮以鉆探和物探兩種方法進行考慮的。經(jīng)過總公司和總部多次討論，方案也多次調(diào)整，最終按洞身范圍為花崗巖殘積土地層和全風化帶，按10米間距布設鉆孔，洞身范圍為強風化帶花崗巖地層按20米間距布設鉆孔。發(fā)現(xiàn)孤石的地方，按前后5米、左右3米的間距補鉆，進一步探明?？偣餐瓿?72個鉆孔，探明16個鉆孔揭示了有孤石，其中9個鉆孔孤石在隧道范圍內(nèi)。探明出南方醫(yī)院旁隧道21米范圍的孤石群。

總公司總工室組織了廣東省地質科學研究所、廣東省地質物探工程勘察院等三家進行了試驗，本次試驗主要是在結合三號線北延段部分線路已知風化孤石存在的情況下，針對物探方法如何解析風化孤石異常的主要難點，分別利用地質雷達法、瞬變電磁法、地震映像法、瑞利波法、高密度電法及孔中回聲(包括單孔回聲和雙孔回聲)法對已知孤石試驗探查，并對比鉆孔資料，以探求各物探曲線對已知孤石的反映異常。地震映像法、瞬變電磁法、瑞利波法及單孔回聲法試驗結果表明，上述4種方法對已知孤石的物探曲線未表現(xiàn)出明顯的異?，F(xiàn)象。在已知孤石的情況下，地質雷達法的物探曲線對孤石有較明顯的反映，但地表淺層構、建筑物、管線等易產(chǎn)生很大的干擾，而造成成果的多解性或解析困難或難以解析，所以只能在特定的條件下，可考慮利用該法進行初步探測。在已知孤石的情況下，試驗結果表明雙孔回聲法物探曲線在鉆孔平面15～20m范圍內(nèi)可明顯接收到孤石的異常。

6.3、孤石處理6.3.1地面提前處理地面孤石處理方法有鉆孔直接爆破、地面沖孔、履帶式破巖機、人工挖孔破除等方法。區(qū)間2標南方醫(yī)院住院部附近位置的孤石，由于受周邊條件為手術室和重病監(jiān)護室的影響，院方要求不能有爆破震動和沖擊振動，最后采用人工挖孔樁人工提前破除的方法，區(qū)間3標，考慮地面有沖孔和地面爆破的條件，采用鉆孔直接爆破的辦法。

6、孤石處理燕塘站～永泰東站總共布設了472個鉆孔，16個鉆孔揭示了有孤石，其中9個鉆孔孤石在隧道范圍內(nèi)，4個鉆孔為南同區(qū)間的孤石群、事先進行處理；3個為3標同永區(qū)間隧道范圍，提前處理了兩個，另外盾構機直接通過了6處孤石。

6.3.1地面處理孤石6.3.1.1南同區(qū)間地面人工挖孔樁處理孤石在人工挖孔前，沿孤石處理范圍周邊先進行雙重管帷幕注漿人工挖孔樁布置：在有孤石段隧道縱向做三排φ2m(凈空φ1.6m)人工挖孔樁，每排7個，共21個；人工挖孔樁間距2.2m、排距2.2m、孔深至底板以下0.5m（孔深18.5m）。開挖時首先用φ16@50鋼筋超前支護，然后開挖，每循環(huán)0.5m，采用現(xiàn)澆C20鋼筋混凝土護壁，隧道影響范圍及下部7.5m采用同規(guī)格玻璃纖維筋代替鋼筋。將影響盾構掘進施工的孤石用膨脹劑或靜力破碎機破成小塊后取出，然后回填C10低標號混凝土。6.3.1.2同永區(qū)間地面鉆孔爆破處理孤石雖然孤石厚度較小,但是考慮到測量以及起爆體吊裝過程中產(chǎn)生的誤差(誤差累計不得超過10cm)。因此孤石爆破時，當單孔單體爆破時裝藥長度與巖石厚度相同,多孔單體爆破時，相鄰兩個炮孔，其中一個炮孔鉆至孤石底面（即鉆穿），裝藥至炮孔底部，孤石頂面留10cm不裝藥；其鄰孔孔底距離