土压平衡盾构穿越不良地质施工技术

科 技创新 与应 用 『 ２ ０ １ ３ 年 第２ ６ 期
路 桥 科 技
土压平衡盾构穿越不 良地质施工技术
杨 强 王 璐
（ 中铁四局集团有 限公 司城市轨道 交通工程分公 司， 安徽 合肥 ２ ３ ０ ０ ２ ３ ）
摘 要： 介 绍 了上软 下 硬 复合 地层 的主要 特 征 以及球 状 风 化 地 层 的 形成 原 因 ， 分 析 了盾 构 穿越 复 杂地 层 产 生 的施 工 风 险 ， 分 析 了工程 中遇 到 的重 点 、 难 点 问题 ， 尤 其是 盾 构 隧道 施 工 中遇 到 的上 软 下硬 地 层 以及球 状 风 化 地层 不 良地 质段 ， 针 对 工程 的 难 点
提 出 了主 要应 对措 施 。 关 键词 ： 土压 平衡 盾 构 ； 上 软 下硬 复合 地 层 ； 对策
根 据 国内一些城 市 的地 铁工程 地质 隋况调查 ， 盾 构多 次穿越 上软 下硬 的残积土 复合地层 以及通过花 岗岩球状 风化地层 。国 内在如 此复 杂地层 采用盾构 法施工较 少 ， 在广州 地铁一号线 、 三号线遇 到过类 似情 况， 在采 用土压或 泥水盾构施 工时 ， 遇到 部分强 度差异大 的不稳定 软硬 不均地 层 ， 进度缓 幔， 且多次 发生地层坍 塌甚至楼 房倒塌事 故。 因此 ， 仔 细研 究球状风 化地层 和上软下硬 复合地层形 成成 因及其处理 关键 技术 对盾 构法施工 及其重要 。 １盾构 机掘进上 软下硬地层 的风 险 １ ． １上软下硬 复合地层 的主要特 征 上软 下硬 复合 地层 主要 是 由上 部 的土层 和下 部 的岩层 组合 而成 的岩土复合地 层 。 盾构隧道 中的上软下 硬复合地 层 ， 其土层 和岩层之 间 的过渡层 很薄甚 至没 有 ， 分界 线 明显 ， 上 部 的土层较 为软 弱 ， 不 能过 多 承 受施工扰 动 ，而下部 的岩层 的单轴抗 压强度往往 高达几 十甚 至一百 兆 帕以上 。 １ ． ２盾构机 在掘进 时容易产 生的施工 风险 １ ． ２ ． １底部 为硬岩 ， 刀具 贯人 岩面 困难 ， 掘进 速度 慢 ， 顶 部 为软 土 ， 刀具切削 土层容易 ， 因此盾构机 掘进时垂 直姿态容 易上抬 ； 上 部软 土因
同步注浆 配合 比 ， 提 高水泥掺加 量或加入适 量早强 剂 ， 防止管 片背后水 力通道 的形成 ， 可 以防止或减小 喷涌 的发生 ， 阻止管片 上浮 。⑤ 对排 土 量进行 严格 管理 ， 严格 控制 开挖 面压力 ； 防止 出现 下部 推进没 有速 度 ， 上部 土层垮塌严重 ， 导致沉 降的问题 出现 。 ⑥ 当掌 子面上下 断面 围岩 差 异较大 ， 方 向造成很 大偏差或无 法有效建 立泥土压力 时 ， 可利用 备用 的 超前钻 机对掌子 面上部进行 超前注浆加 固处理 。 ３ ． ２ ． ３球状风化体。若施工段出现球状风化体 ，要根据其位置 、 大 小、 强 度采取不 同的处理措施 。当地面条 件允许时 ， 优 先采 用人工挖 孔 桩法破碎球状风化体， 当深度较大时采用冲击钻破碎球状风化体 ， 破碎 后 采用粘土 回填所钻 （ 挖） 孑 Ｌ ， 再 采取地面 注浆压密 回填体 ， 最 后盾构 机 通过 ； 当地面条件 不允许 时 ， 球状 风化体 又位 于隧道边 缘且部 分位 于隧 道 外时 ， 采取 隧道 内注浆 固定岩 石 ， 盾 构机 切 削通过 ； 当不满 足上 述 ３ 种 条件 时 ， 采用洞 内注浆 后 、 带 压开舱进 行处理球 状风化体 。 ①挖孑 Ｌ 破碎法。 指在地表采用人工挖孔至球状风化体位置采用松 动爆 破方式破 碎球状 风化体的施 工方法 。球体 破碎后采 用粘土 回填挖 孑 Ｌ ， 并 进行土体压 密注浆 。 ②冲击破 碎法 。 指 在地表采用 十字 冲击 锤冲 击 钻机 冲击 破碎球状 风化体的施 工方 法 。钻孔 前首先探 明有无地 下管 钻孑 Ｌ 后 及时采用 粘土 回填钻 孑 Ｌ ， 并进行 土体压 密注 扰动大而容易变形和造成水土流失， 尤其是在富水地层中， 如果控制不 线 或其他构建 筑物 ， 好 造成 喷涌 ， 更容易 导致地层 损失 ， 最终导致 地面沉 降过大 。 浆。 ③直接切削法。 指在隧道内采用盾构机上预留的超前注浆孑 Ｌ 注浆固 １ ． ２ ． ２地层软硬不均 ， 刀具在软硬交界的地方容易磕碰岩面， 造成 定 球状风化 体 ， 然后盾构 机直接切 削球状风化体 的方法 。 要随时 注意掘 防止刀盘局 部过载 ， 造成 刀盘变形 。 ④带压 开舱法 。 当人员 刀圈崩坏、 刀轴密封漏油等刀具损坏情况； 而如果掘进速度过慢（ ／ Ｂ 于 进参数变化 ， ４ ｍ ｉ ｎ ） 时滚 刀不转 ， 又容 易造成刀偏 磨 。 需 要进入 土仓作业 而开挖面无法 自立时 ， 就需 要在对 土仓 中供 入具有 １ ． ２ ． ３为维持 上部软弱地 层 的稳 定 ，土 仓 内常需保持 较高 土压 ， 同 定压 力的空 气 ， 利用 具有 一定压 力 的空气保 持开 挖面 的 自立 ， 此时， 时因盾构机掘进速度漫， 摩擦作用使得仓内土体温度升高 ， 从而容易产 由于土仓 内和隧道存 在压 力差 ， 人 员若要进 入土仓进行 作业 ， 则 必须利 生“ 结泥饼 ” 的现象 。 用气压人 行闸 。 作业人员在 气压人行 闸 内历经缓 慢加压过程 ， 直到人 闸 ２盾构机 穿越球 状风化地层 的风险 内气压 与土仓 内压力 相等 时 ， 方 能打开 闸 门进 入土 仓 ； 同样 ， 人 员离 开 ２ ． １球 状风化地 层 的形成 原因 高压环境 时也必须 在人 闸内经 过减压过 程。 球状风化的成因主要是 由于岩石岩性不均匀、 抗风化能力差异大， ３ － ３刀具 的检查 与更换 加之断裂构造发育及岩体的次生裂隙导致岩体破碎 ， 抗风化能力减弱 ， 如果 掘进地 层 中存 在大量 风化花 岗岩及砾 质 粘土 ， 这 两种 地层对 在深 程度风化 情况下所 形成 的。 一般 于地 形平缓 ， 风 化带厚度较 大的地 盾构机刀具磨损较大， 特别是风化花岗岩对刀具的磨损更大 ， 但砾质粘 区较 发育 。 土则 更容易使刀具 产生偏 磨现象 ， 要保证 盾构施 工的顺利进 行 ， 必须 对 刀具 进行必要 的检查和更 换。 ２ ． ２盾构机穿越球时产生的施工风险 盾构穿 越该类 地层 的风险 主要 表 现为盾构 姿 态控制 困难 ， 开挖 面 ４结束语 对盾构法施工而言， 对上软下硬复合地层以及球状风化地层等复 稳 定性控制 难度大 。盾构在该类 地层 中掘进 ， 常发生盾 构偏离 轴线 、 喷 涌、 开挖面失稳 、 结泥饼 、 刀盘刀具严 重磨损 、 甚 至在岩层 中发 生因边缘 杂 地层要有 充分的认识 ，对工程地质 条件 的认 识和理解是 克服施 工难 题、 控制施工风险的前提。 穿越上软下硬复合地层以及球状风化地层确 刀 具磨损严 重而使 “ 盾 构被 围岩 卡住 ” 等风 险事件 。 实是盾构法施工的重大难题， 并且施工风险也很高。 合理的盾构掘进参 ３工程难点及 主要对 策 数 是克服施 工难题 、 控制施 工风险 的关 键 。 在 施工时充分 估计 困难 和风 ３ ． １通过建筑物时盾构推进措施 采取 必要 的辅助 措施 ， 并充 分准备 应 急预案 ， 做 到有备 无患 是 克服 （ １ ） 接近铁路前做好模拟推进 ； （ ２ ） 保持连续掘进 ， 控制平衡土压 险 、 力； （ ３ ） 土体改 良； （ ４ ） 合 理安 排施工计 划 ； （ ５ ） 做好 同步注 浆和 二次注 浆 施工难题 、 控制 施工风 险的必要手 段。 工作 ； （ ６ ） 优 化掘 进参 数 、 保 持开挖 面稳 定 ； （ ７ ） 加 强监 控量 测和 信息 反 参考文 献 馈。 『 １ １ 鲍 晓 东． 深 圳地 区花 岗岩 残积 土工 程特 性 的研 究『 ｊ １ ． 铁道勘察， ２ ０ ０ ４ （ ２ ） ： ７ ２ — ７ ４ ． ３ ＿ ２通过 不 良地 质应对措施 ３ ． ２ ． １硬岩 段 。由于盾 构机外 圈刀 间距 相对 较小 ， 刀具 线速度 相对 『 ２ １ 徐 济平 ， 管会 生． 盾构通 过不 良地质 的施 工技 术 对策 ． 建 筑机 械化 ， ０ ０ ４ ， （ １ ０ ） ． 较大 ， 破岩能力相对较好， 硬岩段采用盾构机刀盘切削通过。若岩石顶 ２ 面侵入隧道范围较大 ， 硬岩顶部侵入盾构机中心区域 ， 采用盾构机直接 『 ３ ］ 谭 忠盛 ， 洪开 荣 ， 万姜 ． 软 硬 不均地层 复 合盾 构的研 究及 掘 进技 术【 Ｊ Ｊ ． 通过 可能性不 大 ， 为减 ， Ｊ 、 施工风险 可采用矿 山法施工 ， 最 后盾构 机拼装 岩石 力学与 工程 学报 ， ２ ０ ０ ６ ， ２ ５ （ ２ ） ： ３ ９ ４ ５ — ３ ９ ５ ２ ． 李俊伟 ． 复合地 层条 件下 盾构选 型的 风险 分析叨． 地 下 空间 与工程 学 管 片通过 、 壁后 注浆 。 ３ － ２ － ２上软下硬段 。在上软下 硬但硬 度差 别不是很 大 的位 置推 进 ， 报， ２ ０ ０ ７ ， ３ （ ７ ） ： ｌ ２ ４ ｌ 一 பைடு நூலகம் ２ ４ ４ ． ｆ ５ ］ 尤显明 ， 杨 书江 短距 离硬岩及 上软 下硬地层 盾构 法施 工技 术叨． 都 市 要 注意 以下 问题 ： ２ ０ ０ ７ ． ３ ２ —