复合地层盾构施工技术

复合地层盾构施工技术中国中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司许建飞2011年4月目录1、定义2、孤石、上软下硬地层盾构施工技术3、岩溶地层盾构施工技术一、定义1、均一地层1.1均一地层的概念均一地层是指在开挖断面范围内和开挖延伸方向上，由一种或若干种地层组成的，或岩土力学、工程地质和水文地质等特性相近的地层或地层组合。（1）单纯的软土地层江苏、无锡、南京、宁波等地铁选用了适应软土地层的盾构机，其刀盘为平面直角型的，大开口率，只安装刮刀（2）单纯的硬岩地层（如西安~安康铁路秦岭Ⅰ线隧道）。隧道断面范围内全部以岩石为主，选用的是典型的硬岩掘进机，刀具全部安装滚刀，无需任何刮刀（见图3）。1.2均一地层中盾构工程的主要特点：（1）施工过程中盾构机的模式基本上不需要变化。在软土地层中，若采用土压平衡模式，一般无需变化成开胸模式；在硬岩地层，若采用开胸模式掘进，一般无需变化成土压模式。通常，在均一地层中的盾构机，在设计和制造时，一般不考虑模式的变化。（2）盾构机的结构不需受施工过程中进行改变。比如，在软土均一地层中，刀盘采用软土刀具，在施工过程中不需考虑是否会碰到硬岩而增加滚刀的问题。2、复合地层2.1复合地层的概念将开挖断面范围内和开挖延伸方向上，由两种或两种以上不同地层组成，且这些地层的岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊的地层组合，定义为复合地层。复合地层的组合方式是非常复杂多样的，但总的来说可分为三大类：一类是在断面垂直方向上不同地层的组合；一类是在水平方向上地层的不同组合；另一类是上述两者兼而有之。（1）复合地层在垂直方向上的变化。最典型的垂直方向上的复合地层就是所谓“上软下硬”地层，即隧道断面上部是第四系的松软土层，而下部是坚硬的岩石地层。再有一种是孤石地层，及在隧道开挖范围存在花岗岩球状风化体。（2）复合地层在水平方向上的变化。在一施工段当中，可能分布着不同时代、不同岩性或不同风化程度，从而表现出不同岩土性质的地层。比如广州地铁五号线草～陶区间的地层。2.2复合地层中盾构工程的主要特点：（1）经常变换盾构施工模式。在软土地层或以软土地层为主的“上软下硬”地层施工时，一般要采用“闭胸模式”，而在以岩石地层，特别是自稳性较好的（包括风化程度不一）岩石地层施工时则可采用半开胸式（欠土压平衡模式）或开胸模式；在以砂层或以砂层为主的“上软下硬”地层中采用土压平衡模式施工时，可能需要通过加注膨润土等工艺转化为“泥水平衡”模式等等。经常根据地层结构来转换盾构机模式，是在复合地层中施工的一大特点。（2）盾构机的配置需要做出适当的调整。在硬岩段施工时，通常要采用全断面滚刀破岩模式，采用的刀盘开口率会较小；当掘进在软岩或软土地段时，通常都要将部分或全部滚刀换成适应软岩或软土的刮刀，此时的开口率也相应增大。（3）采用的施工工艺和施工参数也要根据地层的变化而变化。这些变化主要表现在不同地层需要的添加剂的种类和数量的不同；需要的辅助设备（比如破岩机、超前钻机）的不同；盾构机姿态控制的不同等等。二、孤石、上软下硬地层盾构施工技术2.1孤石、上软下硬地层的概念在盾构施工中，“孤石”是指花岗岩球状风化体，是花岗岩不均匀风化的产物，在广州、深圳地区施工普遍存在的不良地质，存在于花岗岩全、强风化层和砾质粘土层中。“上软下硬”是指在隧道断面的下部为岩石，上部为软土，在同一掘进面形成了巨大反差，该地层在邻近山区的地方比较常见。2.2孤石、上软下硬地层的危害“孤石、上软下硬地层”对盾构施工影响极大，是盾构施工中的灾害性地质，主要体现在以下几个方面：（1）极大的降低掘进速度，造成工期延误。（2）极易造成盾构刀具、刀盘的损害导致长时间停机处理，费用高昂，而且容易出现安全风险。（3）还容易造成地面坍塌事故，社会影响也非常大。2.3“孤石、上软下硬”地层的处理思路根据我们在广州和深圳地铁施工的情况，并结合相关兄弟单位施工经验教训，我们把盾构过基岩和孤石的方法分为六步。第一步：“补探”根据详勘图纸情况，对孤石段和基岩段进行加密补充勘察，详细了解地层情况，便于制定合理的线路方案。同时对附近地面建筑物、管线和环境状况进行详细的调查，确保制定的方案的可行性。第二步：“调线”根据准确的地质勘查情况和建筑物等的调查情况，与设计院和业主进行沟通，在满足规范和使用功能的前提下进行调线调坡，尽可能避开上浮基岩和孤石。根据盾构施工情况，盾构掘进通过孤石的难度远远小于过上浮基岩，且侵入隧道范围的基岩越少，盾构通过越轻松。第三步：“处理“如无条件进行调线调坡或调线后依旧有部分地段无法避开上浮基岩和孤石，在地面条件许可的情况下要对孤石进行处理。目前比较好的处理方法是采取爆破，对基岩进行适当破碎，降低岩石的完整性。其次就利用冲孔破碎，该方法速度较慢，但也能达到效果。再者就利用挖孔桩破除孤石和矿山法处理基岩。第四步：“预设换刀点”如无条件采取有效方法对孤石进行有效处理，或进行处理后依旧有大量石块残余，需要提前设置盾构换刀点。比如周边建筑物多，居民多，无法采用爆破，且即使有条件爆破后，隧道内残余大量石块，仍然对刀具有较大的磨损和破坏作用，所以需设置一定的换刀点检查和更换刀具。第五步：“盾构机选择与参数控制”控制掘进参数，对于盾构过孤石和基岩施工非常重要，可有效防止刀具的损坏，保证盾构刀具一次掘进较长距离。其控制精髓在于控制刀具的贯入度和土仓压力。控制贯入度能有效防止刀圈断裂破坏的情况，控制土仓压力能有效控制地面沉降，保证地面安全。同时掘进过程中注意扭矩变化量，可通过扭矩变化量判断刀具是否有损坏。第六步：“停机处理”盾构非正常停机处理。在盾构过孤石和基岩期间，可能存在未探明的孤石，或可能因刀具质量原因或个别盾构司机操作不当，导致盾构机在孤石段因刀具损坏非正常停机。由于盾构过孤石和基岩段震动大，速度慢，盾构机上方会存在一定的塌空区，有可能无法保压。碰到该情况，处理的思路是先进行保压试验，看能否压气换刀，如不能保压，则采取置换换刀方法。2.4、工程实例讲解2.4.1补充勘察以深圳地铁五号线宝翻区间盾构施工为例，并结合深圳地铁一号线4标、5标盾构施工的经验教训进行总结和探讨。宝安中心站～翻身站区间，设计起讫里程DK3+400.513～DK３+986.240，区间左线长550.646m，右线长550.484m，区间总长1101.13m。区间为“人”字形坡度，最大坡度为25‰。隧道顶部覆土9.1m-17.8m，左右线中心间距13.2m。根据设计图纸和详勘报告，隧道开挖面以砾质粘性土为主，局部存在上浮基岩和孤石。其中左线在里程3+783～3+834共51m范围存在上浮基岩，局部强度最高达146Mpa，最大侵入隧道1.8米，该区段隧道上覆地层以淤泥和地面杂填层为主，杂填层夹杂大量石块。隧道上覆地层以淤泥和地面杂填层为主，其中杂填层夹杂大量石块。右线在里程3+765～3+814共49m范围存在上浮基岩，局部强度最高达162Mpa，最大侵入隧道3.5米，该区段隧道上覆地层以淤泥和地面杂填层为主，杂填层夹杂大量石块，隧道上覆地层以淤泥和地面杂填层为主，其中杂填层夹杂大量石块。在基岩和孤石区，在原详勘孔的中间按照5m间距加设补勘孔，准确掌握岩面和岩性，并更多的发现孤石。在发现孤石的钻孔周边按照1m间距外扩增加钻孔，钻孔深度至隧道底板1m。布置如图：宝安中心～翻身区间左线地质纵断面图宝安中心～翻身区间右线地质纵断面图项目类别具体描述基岩段里程、长度、侵入隧道最大高度孤石数量及侵入隧道数量详勘情况左线隧道开挖断面以砾质粘土为主，局部存在孤石，在里程3+783～3+834段存在上浮基岩。隧道上覆地层以淤泥和地面杂填层为主，其中杂填层夹杂大量石块。里程3+783～3+834长度51m，最大侵入隧道1.8m孤石3个均在隧道外右线隧道开挖断面以砾质粘土为主，局部存在孤石，在里程3+765～3+814段存在上浮基岩。隧道上覆地层以淤泥和地面杂填层为主，其中杂填层夹杂大量石块。里程3+765～3+814长度49m，最大侵入隧道3.5m孤石3个均在隧道外补勘情况左线隧道开挖断面以砾质粘土为主，局部存在孤石，在里程3+767.4～3+830.6地段存在上浮基岩。隧道上覆地层以淤泥和地面杂填层为主，其中杂填层夹杂大量石块。里程3+767.4～3+830.6，长度63。2m最大侵入隧道5.3m孤石5个其中隧道内4个右线隧道开挖断面以砾质粘土为主，局部存在孤石，在里程3+764.7～3+815.3地段存在上浮基岩。隧道上覆地层以淤泥和地面杂填层为主，其中杂填层夹杂大量石块。里程3+764.7～3+815.3，长度50.6m最大侵入隧道3.6m孤石6个其中隧道内5个左线里程3+440～3+750范围为调整为25‰上坡，坡长310m；3+750～3+950范围调整为11.195‰下坡，坡长204.116m.右线里程3+430～3+750范围调整为25‰上坡，坡长323.510m；3+750～3+950范围调整为13.015‰下坡，坡长200m.其余线路坡度保持不变。2.4.2调坡调线线路坡度对比基岩段长度及侵入隧道范围对比已发现侵入隧道开挖范围孤石数量对比掘进断面地质对比调坡前左线见上图63.2m侵入隧道5.3m4个隧道开挖断面以砾质粘土为主，无砂层和淤泥右线50.6m侵入隧道3.5m5个隧道开挖断面以砾质粘土为主，无砂层和淤泥调坡后左线29.3m侵入隧道2.3m2个隧道开挖断面以砾质粘土为主，无砂层和淤泥。侵入隧道基岩隆起区长度减少右线03个隧道开挖断面以砾质粘土为主，无砂层和淤泥。侵入隧道基岩隆起区长度减少可从表看出，通过调坡调线，侵入隧道的孤石和基岩都有大幅度的减少，已大大降低了盾构施工的难度和风险。2.4.3、孤石、基岩的提前处理对于孤石和基岩的处理方法，主要有以下几种：处理方法适用范围效果费用冲孔处理适合孤石处理和基岩处理，且地面具备施工条件，岩石界面不超过隧道一半。处理效率较低，处理效果较好，处理后的残余岩体或孤石对盾构施工基本无影响费用较高人工挖竖井处理适合孤石和小范围基岩处理，对地面环境条件要求较小。竖井穿砂层的位置小心使用。处理彻底，但效率太低。费用很高爆破处理周边无重要建筑物，并与居住区距离较远。适合大范围基岩的处理。处理速度快，处理后残余石块较多，对盾构施工仍然有一定的风险。单位长度处理费用较低。几种处理方法：1、冲孔处理a、根据岩石在隧道断面的位置，确定冲孔的平面位置和冲孔深度。b、冲孔后，孔位最好采用低标号素混凝土回填，如采用其他材料回填肯能会出现地面冒气、冒浆现象。几种处理方法：2、挖竖井处理a、准确探明孤石的位置和大小，便于确定竖井的准确位置。b、开挖至孤石或岩面位置后，采用钻孔后埋静态炸药的方式处理或利用液压岩石劈裂机处理。c、竖井的形式一般为矩形。几种处理方法：3、爆破处理在计划爆破处理的孤石或基岩区域，采用地质钻机地面垂直钻孔，土层钻孔孔径为100mm，进入岩层钻孔直径为89mm。在孔内装填炸药后，按照一定的顺序起爆，将孤石或基岩碎裂为小块，便于盾构机推进。几种处理方法：2.4.4预设换刀点加固由于宝翻区间经调线后侵入隧道的基岩和孤石已减少，项目部前期计划对孤石和基岩采取冲孔处理，但由于地面有电力、燃气、给水、通信、排水等多条管线，项目部多次协调未能获得同意，后决定采取地面预先加固，盾构机直接通过的方法。通过加固降低地层的透气性。盾构机到达加固区后，可在气压模式条件下对刀具进行检查并更换，通过盾构机直接破岩通过。加固点的选取：根据施工经验，在参数控制合理的情况下，配备硬岩刀盘的德国海瑞克盾构机，加上庞万利单刃刀具，可有效处理两个以上直径3~4m的孤石，也可掘进长度不小于15m，岩石在断面高度不大于2m的上浮基岩。2.4.5盾构机的选择与参数控制：1、根据目前国内几种盾构机施工的情况，配置硬岩刀盘的海瑞克盾构机对该地层有良好的适应性。根据该标段的地质情况，采用铲刀、滚刀和刮刀混合配置的方案，既能有效开挖各种粉质粘土、软土层等，又能适应各种强、中、微风化岩破碎的需要，刀盘的形状采用防堵塞设计，刀具型式