富水砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工关键技术研究

富水砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工关键技术研究（总报告）同济大学中铁十三局集团有限公司成都地铁项目经理部2008年9月富水砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工关键技术研究I目录1工程概况及项目研究意义...........................................11.1成都地铁1号线2标段工程简介................................11.2工程地质及水文地质概况......................................21.3本工程地层特点及施工难点....................................32砂卵石地层土压平衡控制...........................................62.1土压平衡盾构技术概述.........................................62.2砂卵石地层的掘进模拟计算....................................92.3砂卵石土压平衡特点研究.....................................102.4土压平衡控制方法...........................................182.5渣土改良试验及结果分析.....................................183刀具磨损机理研究与预测..........................................273.1硬岩中滚刀破岩机理........................................273.2切削刀具的掘进原理........................................303.3本工程滚刀磨损特点及原因分析...............................313.4刮刀磨损及离散元计算.......................................373.5刀具磨损的计算分析.........................................433.5盾构刀具损耗分析...........................................444盾尾同步注浆材料及参数..........................................484.1注浆材料试验分析...........................................484.2盾构推进至不同地段下浆液配比建议............................484.3同步注浆参数实测分析.......................................504.4松散带对注浆量的影响.......................................564.5控制措施...................................................565砂卵石地层带压换刀技术..........................................595.1带压换刀基本原理..........................................595.2气压加压试验...............................................645.3带压换刀实践...............................................68富水砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工关键技术研究II6盾构穿越施工对建筑物影响研究....................................756.1盾构穿越建筑物工程概况.....................................756.2盾构穿越冶金宾馆时采用的辅助措施............................776.3桩基荷载转移在盾构穿越施工中的效果分析......................816.4桩基托换在盾构穿越施工中的效果分析..........................866.5盾构穿越冶金宾馆桩基的施工效果分析.........................926.6盾构穿越安监局施工数值模拟计算..............................966.7盾构穿越经委安监局的施工措施及效果分析....................1007结论............................................................1037.1砂卵石地层土压平衡控制研究结论............................1037.2刀具磨损机理研究与预测研究结论.............................1047.3盾尾同步注浆材料及参数研究结论.............................1057.4砂卵石地层带压换刀技术研究结论............................1067.5盾构穿越施工对建筑物影响研究...............................107富水砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工关键技术研究11工程概况及项目研究意义1.1成都地铁1号线2标段工程简介本标段区间段地铁线路处于人民北路和人民中路上由北向南，沿人民北路南部和人民中路敷设，共三个区间：人民北路站～文武路站区间、文武路站～骡马市站区间、骡马市站～天府广场站区间。盾构区间隧道线路间距为11m～15m，隧道埋深15～20m，左线长2390.316m，右线长2407.774m。左右线区间隧道各采用一台直径6.28m海瑞克土压泥水盾构机掘进，盾构隧道采用管片拼装式衬砌，管片环宽1.5m，错缝拼装。成都地铁1号线规划图如图1.1所示，本标段线路平面图如图1.2所示。图1.1成都地铁1号线规划图图1.2线路平面示意图富水砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工关键技术研究21.2工程地质及水文地质概况1.2.1地形地貌本区间段线路呈南北向纵贯成都市区，线路区域地处成都平原岷江冲洪积扇状平原的南东边缘，其东为位置相对较高、地形起伏相对较大的成都市东部台地。区内地形较平坦，地势受扇状平原的控制，总体上西高东低，北高南低。沿线地面高程于497.7m～506m，相对高差8.3m，由于后期人类工程活动，原始地形已不甚清晰。1.2.2地质构造成都平原在构造位置上处于我国新华夏系第三沉降带之川西褶带的西南缘，界于龙门山隆褶带山前江油～灌县区域性断裂和龙泉山褶皱带之间，为一断陷盆地。从总体来看，成都市区距龙泉山褶皱带20公里，距龙门山隆褶带50公里，区内断裂构造和地震活动较微弱，历史上从未发生过强烈地震，从地壳的稳定性来看应属于稳定区。1.2.3土层特征地铁一期工程沿线初勘钻孔所揭穿的地层单位自上而下依次为第四系全新统（Q4）、上更新统（Q3）和白垩系上统（K2g）。Q4上段为杂填土，主要为建筑垃圾混粘性土，分布连续，厚度1.1～6.8m。下段上部为黄灰色粉质粘土，呈可塑～硬塑状态，湿；分布不连续，埋深1.7～3.5m，厚度1.2～3.6m。下段底部为灰黄色卵石土，卵石呈圆～次圆状。漂石组、卵石组、砾石组和土粒组在卵石土中所占的重量百分比分别为15.4%、69.2%、7.1%和8.3%。根据密实程度，卵石土可以划分出稍密卵石、中密卵石和密实卵石3个亚层。卵石层埋藏深1.6～5.3m，厚度5.2～9.7m。卵石单轴抗压强度65．5-184MPa，平均102．2MPa，极值为206MPa。在该层中还存在钙质胶结、半胶结的砾石层，硬度大。富水砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工关键技术研究31.2.4水文地质工程范围内地下水系为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水两种类型。主要以孔隙潜水为主，孔隙潜水主要埋藏于砂卵石地层中，地下水位埋藏较浅，水量丰富，渗透系数K=15～40m/d，补给来源为大气降水和地表河流、沟渠。基岩裂隙水主要赋存于泥岩风化裂隙带中，含水层厚20m左右，K=0.3～1.2m/d，裂隙水不发育，迳流条件差，主要为孔隙潜水补给。1.3本工程地层特点及施工难点1.3.1地层特点成都地层岩体松散，无胶结，自稳能力差，单个石块强度高，卵石块在地层中起骨架作用。砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，颗粒之间的空隙大，没有粘聚力，砂卵石地层在无水状态下，颗粒之间点对点传力，地层反应灵敏，刀盘旋转切削时，地层很易破坏原来的相对稳定或平衡状态而产生坍塌，引起较大的地层损失和围岩扰动。如图1.3为从基坑挖掘出来的砂卵石的照片。图1.3某砂卵石地层开挖出的渣土成都的地层富水，地下水位成都地下水枯水期埋深一般在3-5m之间,丰水期埋深一般在1-3m之间,最小埋深为0.2m。据成都前期基坑施工经验，在开挖之前进行降水之后的开挖，基坑壁自立性较好，而且由于卵石的骨架作用，降水引起的变形相对较小。但在地下水的情况下，盾构在掘进过程中，局部水压会很大，富水砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工关键技术研究4会对盾构造成一定的影响，特别是开挖面的稳定。砂卵石地层，围岩体整体强度较低，但单个岩块块体强度非常高，因此，在盾构推进过程中，不免要对盾构刀具产生大的磨损与破坏，影响盾构施工的效率与成本。1.3.2施工难点本工程区间隧道主要穿越富水、砂卵石地层。此地层具有含水量大、透水性强、砂卵石起骨架作用、结构松散等特点。因此，在此种地层种对盾构施工来说，存在卡机，高磨耗机具，和开挖面稳定难以保证，排渣困难等难题。同时,地层的塑流性差，会导致大颗粒卵石滞留土仓内或向盾构机四周移动，使得盾构机位置和姿态控制变得困难，严重时则无法推进。对不同颗粒的土压平衡盾构来说，土体改良的一般情况如图1.3所示。对于成都的土体来说，基本上不适合于进行土压平衡盾构施工，因此，需要对开挖土体进行改良，使之适合于土压平衡盾构。图1.3土压平衡盾构的土体改良的一般情况1.4本项目的研究意义盾构隧道的设计与施工在很大程度上依赖于地质条件，我国的北京、上海和广州等地已经采用盾构法成功实施了不少工程，也作过不少研究，但这些地区的地质条件与成都的地质条件差异较大。上海地区的地层为淤泥质地层，非常松软，自稳能力差，侧压力比较大且分布均匀；北京地区表层从0～80m范围基本为第四I区II区III区IV区V区粒径d/mm通过百分比/%富水砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工关键技术研究5纪冲洪积地层，既有表层的松散回填土层，又有从粘土～粉土和无水砂卵石地层；广州地区的地层除在浅表有一层比较薄的土层外，基本为强风化～中风化～微风化岩层，围岩的强度模量高，自稳能力好，而河网发育，地下水充沛，时有构造断裂出现在工程线路上。由于成都以往没有采用盾构法施工地铁隧道的工程经验，且本地区的地质条件与国内其他采用过盾构法施工的城市有比较大的区别，具有很强的区域性，在此类地层中进行盾构施工国内尚属首次。为了确保成都地铁正式施工能够顺利进行，首先应对第一次盾构掘进的地段开展试验研究，以摸索和掌握成都地区特有条件下的盾构隧道设计、施工技术，为今后成都地铁等地下工程盾构设计、施工做技术准备。富水砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工关键技术研究62砂卵石地层土压平衡控制2.1土压平衡盾构技术概述2.1.1土压平衡盾构工法基本原理该类盾构属封闭式盾构，盾构机如图2.1所示。盾构推进时，其前端刀盘旋转掘削地层土体，切削下来的土体进入土舱。当土体充满土舱时，其被动土压与掘削面上的土、水压基本相同，故掘削面实现平衡(即稳定)，如图2.2所示。这类盾构靠螺旋输送机将渣土(即掘削弃土)排送至土箱，运至地表。由装在螺旋输送机排土口处的滑动闸门或旋转漏斗控制出土量，确保掘削面稳定。图2.1土压