软硬不均地层中的地铁盾构施工

软硬不均地层中的盾构施工

摘要：针对广州地铁二号线越秀公园—三元里区间的软硬不均地层的盾构施工，提出复合盾构的设计思想，并对复合盾构的功能及技术参数进行研究，分析刀盘、刀具与地质的适应性。研究复合盾构掘进模式的原理、掘进参数及模式之间的转换技术，解决了软硬不均地层的掘进难、效率低、成本高、地层变形不易控制等技术难题。为了有效地控制掘进方向和盾构姿态，分析盾构掘进方向偏差的原因，研究相应的控制方法，达到了防止管片裂损和控制错台的目的。为防止黏性地层掘进的“泥饼”现象及富水地层掘进的“喷涌”现象的发生，研究相应的渣土改良技术。通过盾尾环形间隙同步注浆技术的研究及采用可靠的技术措施，并加强施工监测，及时变更掘进参数，控制地层的变形，确保京广铁路正常运营及临近建构筑物的安全。

关键词：隧道工程；软硬不均地层；复合盾构；模式转换；渣土改良；同步注浆；变形控制1引言本文依托广州地铁二号线越秀公园—三元里(以下简称越三)区间隧道盾构法施工进行研究。地层软硬不均，其中强度较高、稳定性能好的中风化岩(8)和微风化岩(9)占多数，岩石单轴抗压强度最高达到78.2MPa。同时洞身还通过强风化岩(7)、全风化岩(6)(呈土状)、残积土层(5)和断层破碎带等不稳定地层，地层分界面起伏大，软硬交错，并且岩层中普遍含砾石，对刀具严重磨损。地质纵断面见图1，各种地层分布统计见图2。由于地层中存在高黏性土层，盾构掘进时轻易在刀盘前部形成泥饼，严重影响掘进。同时通过富水的断层破碎带时，施工可能发生突水现象。

越三区间隧道穿越地区地表交通繁忙，建筑物密集，有135栋建筑处于隧道上方，桩基底部距隧道最近的仅0.56m，有31根建筑物桩基距隧道顶部仅0.56～2.00m，桩基类型多，所处地层各异。约165m长隧道要穿越广州火车站14股轨道，并且站内人行天桥桩基和邮电地下通道底板离隧道顶仅3～5m。针对越三区间的软硬不均地层及复杂地质环境的盾构施工，为解决其掘进难、效率低、成本高、掘进方向及地层变形不易控制等技术难题，需要研究复合盾构及其掘进模式、掘进参数、掘进模式之间的转换技术等，同时还需研究相应的姿态控制技术、渣土改良技术以及地层变形控制技术等。2复合盾构的研究2.1复合盾构功能设计国内在如此复杂地层采用盾构法施工尚属首例，其在国际上也十分罕见，而仅有的几个工程也没有得到较好解决，如：新加坡CCL1线地铁、葡萄牙Oporto轻轨隧道和日本公司在广州地铁一号线，在采用土压或泥水盾构施工时，碰到部分强度差异大的不稳定软硬不均地层，均

进度缓慢，且多次发生地层坍塌甚至楼房倒塌事故。因此，研制能适应复杂多变软硬不均地层施工的复合盾构及其掘进配套技术，对保证越三区间工程安全、优质、高效地建成及促进我国盾构法技术水平的提高都有重大意义。根据越三区间地质及环境条件，要求盾构机必须具备各种地层的破岩掘进能力、控制地层变形能力、防喷涌及灵活的姿态调整能力、刀盘防泥饼能力等。TBM和传统盾构均不能同时具备这些功能，因此，提出了将硬岩掘进机破岩掘进原理与软土盾构切削推进及稳定工作面原理有机结合起来的复合盾构设计思想，进行复合盾构的功能设计[1～6]：(1)针对多种不同地层的破岩掘进问题：盾构机必须配置复合刀盘，使滚压破岩、切削破岩可单独或混合使用，滚刀和齿刀可互换或混装。(2)针对稳定工作面及控制地层变形问题：盾构机必须配置一机三模式功能，即土压平衡式、开敞式、半开敞式，各模式可互换，可根据需要提供稳定工作面压力；必须具有同步注浆功能，尽早填充环形间隙并控制地下水流失。(3)针对防“泥饼”问题：盾构机必须配置泡沫注入系统，刀盘倒八字形开口，向刀盘前面、土舱和螺旋输送机注入泡沫，改善渣土流塑性，利于渣土进入土舱。(4)针对防“喷涌”问题：盾构机必须配置渣土改良系统，具有两节螺旋输送机，提高渣土止水性，防止地下水流入，建立“土塞”效应。(5)针对掘进方向控制问题：盾构机必须配置自动导向系统，随动铰接装置，分区控制推进油缸。实时指示并控制行进姿态，可灵活转弯并实施纠偏。(6)针对刀盘、刀具和出土机构的磨损问题：盾构机必须配置渣土改良系统，背装式刀具。提高渣土流动性，并可根据地层情况合理配置和安全更换刀具。2.2复合盾构主要技术参数设计(1)盾尾间隙盾尾间隙包括：理论最小间隙、管片答应拼装误差、盾尾制造误差、盾尾结构变形以及盾尾密封刷的结构要求等。经计算得，理论最小间隙：b1=10mm；管片精度及拼装误差：b2=5mm；盾尾制造误差：b3=5mm；盾尾变形：b4=5mm；其他：b5=5mm；盾尾密封刷安装：b6=45mm。盾尾总间隙：b=75mm。(2)推力盾构外部荷载按照最大埋深处的松动土压和两倍盾构直径的全土柱高产生的土压计算，并取两者中最大值计算。盾构的推力应包括：在土压平衡模式下，有

总推力计算得：EPB模式为22478kN；TBM模式为18422kN。根据经验，在盾构上坡和转弯时盾构的推力按直线水平段的1.5倍考虑，越三区间的盾构机实际配备推力为34210kN，能够满足盾构的需要。(3)扭矩在软土中推进时扭矩包含：切削扭矩、刀盘自重产生的主轴承旋转力矩、刀盘推力产生的旋转阻力矩、刀盘所受推力产生的反力矩、密闭装置所产生的摩擦力矩、刀盘的前端面的摩擦力矩、刀盘后面的摩擦力矩、刀盘开口的剪切力矩、土压腔内的扰动力矩。计算得总力矩为4475kN·m。在硬岩中推进时扭矩包含：刀盘滚动阻力矩、石渣

搅拌所需要的扭矩、克服刀盘自重产生的其他力矩。计算得总力矩为2347kN·m。越三区间盾构机实际配备的刀盘驱动扭矩为4500kN·m，大于前面的计算值，满足需要。(4)螺旋输送机出土能力盾构开挖需要出土能力的理论值为

式中：D为盾构机的开挖直径，Vmax为盾构最大开挖速度，ζ为渣土松散系数。计算得所需的理论出土能力为238m3/h，越三区间盾构实际出土能力为300m3/h，满足要求。(5)盾构掘进速度计算在硬岩地段，盾构机每单转的掘进速度为V0=6～10mm/转，最大转速为6r/min，掘进速度应为60mm/min；在软土地段，盾构机的最大掘进速度为推进油缸的最大设计推进速度，即80mm/min。2.3刀盘刀具的研究设计通过力学分析，并对广州地铁施工时掘进面的岩体破裂角、滚压切槽、槽间岩棱、刀具磨耗与破坏等大量数据进行统计分析，对滚刀间距以及滚刀、切刀、面板的相对高差进行了优化设计，越三盾构刀具为：(1)双刃正滚刀13把、双刃中心刀6把，均用于硬岩掘进，最大设计破岩能力80MPa，背装式，可换齿刀，刀刃距刀盘面175mm。(2)中心齿刀6把、正齿刀8把，用于软土掘进，背装式，可换装中心齿刀，刀刃高度140mm。(3)切刀64把、软土刀具，装于排渣口一侧，同时可用作硬岩掘进中的刮渣，刀刃高度140mm。(4)弧形刮刀32把，刀盘弧形周边软土刀具，同时在硬岩掘进下可以用作刮渣。(5)仿形刀1把：用于局部扩大隧道断面，行程80mm。3掘进模式转换及姿态控制技术3.1掘进模式的基本原理复合盾构具有敞开式、半敞开式、土压平衡式三种掘进模式。(1)敞开式：土舱内不需要保持任何压力的一种盾构掘进模式。当盾构通过的地层自稳性好，且掘进对周边环境影响小或地下水较少时，可以采用敞开模式进行掘进。(2)半敞开式：掌子面虽然有一定的自稳性，但是不能完全自稳，或是虽然稳定但由于存在一定量的地下水，需要在掌子面建立一定的压力来防止地下水进入土舱，减少水土流失。为了减少刀盘转动的扭矩，只需要在土舱内保持少量的渣土(通常1/2～2/3)，然后向土舱内注入压缩空气或泡沫来辅助进行开挖，这就是半敞开模式。(3)土压平衡式：在盾构开挖时，利用掘进渣土对土舱内的土加压或加注辅助材料产生的压力来平衡开挖面的土压及地下水压力，保持工作面的稳定，以避免掌子面坍塌或地层失水过多而引起地表下沉的一种盾构掘进模式。3.2掘进模式转换技术(1)敞开式向半敞开式转换主要要确保渣舱内能够保住气压，渣舱内的渣土高度应高出螺旋输送机进料口的上部2～3m。转换时应先将螺旋输送机的转速适当调低，使出渣速度小于掘进速度所切削下来的渣土，以使渣舱内的渣土高度升高到气压平衡所需的高度，然后向渣舱内注入压缩空气建立所需气压。(2)半敞开式向敞开式转换关键是要尽快地降低渣舱内压力，同时降低渣舱内渣土高度，因此要加大螺旋输送机转速，并加

大输送机出料口开启度，以利于渣土的排出。(3)敞开式向土压平衡式转换关键是要尽快建立所需的土压，转换时一般是首先停止螺旋输送机出渣，使掘进切削下来的渣土尽快填充渣舱内的空间，以保持工作面及地层的稳定；当渣舱内的土压达到掘进设计土压值后，再开启螺旋输送机进行排土出渣，并使出渣速度与土压平衡模式的掘进速度所切削下来的渣土量相平衡。(4)土压平衡式向敞开式转换关键是尽快降低渣舱内的土压力，加大螺旋输送机的转速，以加大出渣速度而降低渣舱内的压力，降低刀盘转动所需的扭矩以便于加大刀盘的转速，降低总推力而有效地加大掘进推力，提高掘进效率。(5)半敞开式向土压平衡式转换主要目的是防止地下水渗入渣舱及在地层不稳定时要提供足够的平衡压力。因此必须将渣舱内压缩空气所占的空间用渣土替换，转换过程应减小螺旋输送机的出渣速度，以加大渣舱内的压力使渣舱内的空气以逃逸的方式进入地层，从而建立土压平衡掘进模式。(6)土压平衡式向半敞开式转换主要是将压缩空气置换出渣舱上部的渣土，因此在空气与渣土的置换过程中，出渣速度要与掘进速度所切削下来的渣土量和注入压缩空气的量之和相匹配。3.3掘进方向偏差的原因及解决办法影响盾构掘进方向偏离线形参数的主要因素[6，7]：(1)盾构机自身的因素。盾构主机的重量分布形象的描述为“头重脚轻”，只依靠掘进推力与工作面的摩擦力不足以维持盾构的姿态，因此，往往盾构自身具有“低头”的倾向。通过调加大盾构下部推进力，维持盾构的平稳前行。(2)地质因素的影响。在施工过程中由于断面内岩层软硬不均，推力和扭矩变化较大，盾构主机有着向地层较软一侧偏移的惯性。应事先把握掘进面的地层分布状况以及其地层分界面的变化情况，制定初步的掘进参数计划。(3)人员的操作水平。由于操作人员的技术水平和工作责任心的不同，往往会导致掘进方向发生较大的偏差。因此应制定严格的操作规程。(4)盾构前体与盾尾通过铰接油缸连接的中折转角影响。通常要求盾尾与未脱离盾尾的管片环之间的空隙沿周边均匀，有利于掘进方向的控制，也有利于掘进方向的调整。(6)导向系统的误差。对于控制点的误差，主要是通过多级测量复核消除误差根据上述偏差控制方法进行施工，得到越三区间盾构施工偏差的统计资料，后期的盾构掘进方向偏差得到了有效的控制，基本上都控制在±50mm的范围内，如图3所示。

4渣土改良技术4.1渣土改良的作用根据国内外经验，在盾构施工中尤其在软硬不均地层的盾构施工中，渣土改良是保证盾构施工安全、顺利、快速的一项不可缺的重要技术手段。具体作用如下：使渣土具有较好的土压平衡效果，利于稳定开挖面，控制地表沉降；使渣土具有较好的止水性，以控制地下水流失；使切削下来的渣土顺利快速进入土舱，并利于螺旋输