泥水盾构在典型上软下硬地层中的施工技术

泥水盾构在典型上软下硬地层中的施工技术

摘要：广州地质条件在地下工程界被称为“地质的博物馆”，在目前广州地区进行推广盾构隧道施工技术中，地质的复杂多变是盾构隧道施工中的最大难题，泥水盾构在典型上软下硬地层掘进过程中遇到了很多的困难，现将我司在广州地铁轨道交通五号线的两台泥水盾构在典型上软下硬地层中所遇困难，以及克服困难的一些研究经验做一个总结，研究泥水盾构在典型上软下硬地层中的施工技术，对以后类似的地层掘进中有一定的借鉴作用。

关键词：泥水盾构，上软下硬地层，施工技术

一、工程概况

广州地铁轨道交通五号线【大～中】盾构区间，盾构从大坦沙南盾构始发井向东100米后穿越宽260米的珠江到达东岸的青年公园，穿过铁路专用线、广三铁路和珠江大桥、内环路及广佛放射线、中山八立交、黄沙大道、中山八路等交通主干道。盾构区间单线长1021.171m，盾构从大坦沙南始发后55‰下坡，是广州地铁目前最大的坡度，左右两线都要通过小转弯半径内的掘进，其中右线290m、左线260m的半径。区间地质复杂多变，前部份地层刀盘全断面是砂层，后部份地层刀盘断面上部为<3-2>砂层下部<8>、<9>岩层，是典型的上软下硬地层，在该地层中对刀盘的磨损很大，刀盘也容易结泥饼给盾构的掘进带来了很大的困难。区间右线在394环开仓换完刀后，掘进到489环开仓后检查刀具发现外围的4把滚刀偏磨，贝壳刀磨损严重，土仓内结泥饼情况也很严重。左线445环开仓换到掘进到488环掘进速度就很慢，高推力、高扭矩，到516环位置开仓换刀发现，17把贝壳刀磨损严重。

二、工程地质

本区间隧道上覆为第四系（Q）地层，下伏基岩为白垩系上统大塱山组三元里段（K2d1）和黄花岗段（K2d2）组成。三元里段主要岩性为杂色砾岩夹暗紫红色粉砂岩、细砂岩、砾岩与粉细砂岩互层，属河流相。黄花岗段主要岩性为暗紫红色粉砂岩，含砾粉细砂岩与泥岩互层，属湖泊相。第四系覆盖层主要为海陆交互相沉积的淤泥、淤泥质土层、淤泥质砂层、冲积～洪积砂层及残积土层。隧道洞身穿越的地层主要为<2-2>、<3-2>，局部为<2-1>、<7>、<8>、<9>。区间右

线有162m（占总长的15.8％）刀盘处于上软下硬的地层中、左线有432m(占总长的42.3％)刀盘处于上软下硬的岩层中，上软下硬地层主要集中在区间的后半段，在此地层中开挖断面上部大多数为<3-2>砂层，少量的<5-2>、<6>、<7>，而下部为<8>、<9>岩层，岩层的平均单轴抗压强度在12mpa左右，<3-2> 砂层的渗透系统达到30。

三、盾构机的参数及刀盘、刀具简介

我项目部采用的是两台三菱盾构机，盾构机的外径6260mm、盾尾内径6060mm，刀头采用半圆顶式、挖掘半径6280mm、刀盘转速0.2～3.4r/min、最大扭矩6327kN/m、最大推力35961kN/m2。

刀盘是一整体半圆顶式结构，增强了刀盘的强度和刚度。采用中间支撑方式，开口率为26％，开口的布置均匀，目的是让切削下来的土渣能更快更容易进入土仓，减小刀盘前面结泥饼的机会，且利于硬岩被切削后能从刀盘不同部位同时进入土仓。

刀具配置有鱼尾刀、贝壳刀、滚刀、刮刀、仿形刀，贝壳刀采用直接焊接在刀座上的安装方法，刀座采用可拆卸连接方式，每个可更换刀座由16颗M22螺栓连接刀盘上，滚刀刀座与贝壳刀刀座尺寸相同，考察到地层的变化以便于换刀。根据硬岩、软岩的不同强度和地质特点及刀具在软、硬岩中不同的破岩机理来进行设计和选择的。由于是第一次遇到这种复杂多变的地层，在最初的刀具选择上是以贝壳刀为主，当遇到岩层以后发现上软下硬的地层对贝壳刀的磨损很大，我们针对这种典型地层，刀具选择上除中心鱼尾刀外全部选用滚刀。

四、施工碰到的困难及应对的措施

在上软下硬地层施工掘进过程中遇到了泥浆不够用、刀具偏磨、姿态不受控制、刀盘结泥饼等困难。为了克服这些困难我们做出了以下的应对措施：1．泥浆储备

由于地层复杂多变，在上软下硬的地层中隧道断面内主要以<3-2>、<8>地层为主，这种地层自造泥浆能力很差，并且由于断面上部是砂层为保证开挖面的稳定，要求使用泥浆的浓度较高。因此鉴于这种情况，结合地质情况我们事先储备好泥浆以供使用。

2．防泥饼的形成

盾构在高粘性土或泥质岩等地层中掘进时可能会在刀盘尤其是中心区部位及土仓隔板前刀盘支撑之间产生泥饼，当产生泥饼后，泥饼会裹住滚刀使用滚刀偏磨，从而导致掘进速度急剧下降，刀盘扭矩也会上升，同时造成刀盘油温过高而使盾构无法掘进，大大降低开挖效率。我们在施工中采取的以下主要技术措施：

⑴在有泥饼形成条件的地层，中央操控人员要严格监测盾构机的各种参数，合理的控制掘进速度，及时用低比重优质泥浆置换土仓内粘土，防止粘土在土仓内堆积，保证刀盘开口处通畅。

⑵在掘进过程中每掘30cm清洗一次土仓，防止土仓内结成泥饼。并且在高压水中加入分散剂（如工业用洗涤材料），可大大降低泥饼的形成或化解初步形成的泥饼。

⑶对泥浆处理设备的出土温度进行跟踪监测，对土仓隔板的温度也进行人工随时探测。以便及时发现异常苗头。

3．姿态控制

在上软下硬的地层中盾构姿态很容易抬头，因此我们掘进过程中对盾构姿态进行提前调整，提前将盾构机往下压，防止盾构机向上超限；

五、刀具对地层适应性的分析

右线刀盘刀具从489环换完刀到741环出洞共转动34604圈，741环碰壁出洞，滚刀磨损量最大36mm。穿越地层为140环<8>中风化泥岩，112环砂土层（管片环宽1.2米），其中外围的39#刀偏磨。左线445换刀到516环，9把滚刀磨损较少，而贝壳刀磨损严重。结合几次的开仓以及右线出洞的刀具的磨损情况，分析发现在典型的上软下硬地层中滚刀最适合，但是在这种地层中滚刀容易产生偏磨，因此在掘进过程中一定要采取对应措施防止刀具的偏磨。

六、刀具更换措施

区间内地质复杂多变，地层的对刀具的磨损量很大，使得左右两线各进行了两次开仓换刀，其中左线两次都对地层进行了加固处理，右线在394位置开仓换刀也进行了地层加固处理，另一处由于地层稳定性较好能满足自然开仓要求。

1．加固形式

为了满足开仓的安全要求，我项目部对开仓位置的地层结合地面情况采取了单管旋喷桩、冲钻孔桩，袖阀管注浆等加固方式。由于隧道埋深大，使得在