【含砂砾岩裂隙发育软硬不均复合地层盾构施工技术探讨】地层裂隙表贵州

【含砂砾岩裂隙发育软硬不均复合地层盾构施工技术探讨】

地层裂隙表贵州

摘要：通过对南京地铁二号线紫金山麓【苜蓿园站～明故宫站】区间盾构施工中遇到的“地质灾害”进行分析，以及在后续施工中克服该段软硬复合地层施工中采取的一系列技术措施，引发对类似地层盾构施工技术的探讨。

关键词：砂砾岩，裂隙发育，软硬不均复合地层，地面预加固，开仓，更换刀具，刀具管理，风险控制，成本管理。

0引言

随着盾构施工技术在城市地铁建设应用中的不断发展，软硬不均复合地层也越来越多的开始采用盾构法施工，但是在该类地层中采用盾构法施工也引发出相应的技术难题。工程实例表明，如：刀具损耗巨大、更换刀具困难、推进难度大、掘进模式选择困难等困扰施工的主要问题尚未得到很好的解决，特别是刀具磨损异常、消耗量大。需要经常检查更换刀具与地层不稳不满足直接开仓这一矛盾越来越

明显的影响施工，情况严重部位甚至造成盾构被困，刀盘、刀具条件无法继续推进施工，又无法开仓检查更换刀具的困境[1]。

含砂砾岩软硬不均复合地层是南京地铁二号线【苜蓿园站～明故宫站】区间盾构穿越的主要地层之一，也是该区间盾构施工中的难点，仅区间右线共210环252m含砂砾岩段软硬不均复合地层掘进就耗时6个月零6天。本文仅以区间右线推进通过该段地层施工中遇到的问题，对该地层和类似地层盾构施工提出一些分析和见解，以供探讨和参考。

1 工程简介

南京地铁二号线【苜蓿园站～明故宫站】区间隧道采用土压平衡盾构施工，区间全长1306.9m，采用钢筋混凝土管片衬砌，共1086环。盾构下穿沪宁高速匝道桥台、沪宁高速立交桥台、明城墙等建筑物，地下管线密集。隧道沿线穿越地层存在5段4种不同特点的地层，同一施工段存在垂直、水平方向不同地层的组合，地层软硬不均，地质纵断面图见图1。

图1 苜蓿园～明故宫站区间隧道地质纵断面示意图

其中83～297环含砂砾岩段软硬不均复合地层微风化砂砾岩与中微风化泥岩、强中风化泥质粉砂岩交互。盾构断面地层上软下硬，微风化砂砾岩局部强度很高，见表1。在地质补充勘察中微风化砂砾岩天然单轴抗压强度最大值为85.2MPa，饱和单轴抗压强度最大值为

41.9MPa，盾构推进刀具损耗非常大；盾构机在该地层施工中因刀具损耗又无法直接开仓更换刀具致使停机约2个月。同时在开仓检查发现地层裂隙发育，地下水丰富；

在地质补充勘察发现隧道断面内岩面差异性较大，存在低于隧道结构底且不规则、不连续的地层空洞，见图2。

表1 复合地层岩石试验指标（平均值、标准值）

图2 含砂砾岩复合地层地质空洞纵剖面图

2 含砂砾岩裂隙发育软硬不均地层特征

2.1地层风化程度不一，软硬不均。

由于砂砾岩残积地层风化程度不一，局部风化程度高，呈“土化”形态，局部风化程度低，残留为砂砾石块，强度较高，见图3。残积层中的粉粒和粘粒含量比较高，而同时非常坚硬的颗粒、孤石又较多，因此在盾构机推进的过程中若处理不好会同时发生二种问题：在结泥饼的同时，对刀盘造成严重磨损，刀具发生单边或多边严重偏磨。

图3 含砂砾岩软硬不均地层地质取芯图

2.2地层裂隙、空洞发育，地下水丰富。

地层裂隙、空洞发育，存在渗水通道，裂隙、空洞地段地下水富集；盾构穿越砂砾岩破碎带时，开挖面与破碎带富水空洞贯通，螺旋输送机易出现喷涌。同时，由于富水破碎带的存在，不具备气压进仓或敞开式进仓的条件，检修或更换刀具困难。

2.3盾构掘进难度大，工况转换频繁[2]。

由于盾构掘进断面岩层的完整程度及强度差别较大，粘粒、粉粒含量高，碴土结饼附着刀盘，碴土管理难度大；同时存在的完整性较好的坚硬大颗粒会造成刀盘及螺旋输送机被卡住，进而导致刀盘扭矩跳跃频繁。施工过程中，盾构参数控制难度较大。

2.4地质情况变化大

经过前期地层空洞处理及地面提前加固处理，发现隧道穿越地层的地质情况变化很大，在同一个隧道横断面上地质分层差异很大，1米高度内有多种地质；纵断面上差异也较大，间距在1米的两个地

质钻孔探测地质分层标高最大差异也达60cm；盾构穿越地质实际情况比地质补勘情况更为复杂。

3 盾构掘进时的主要技术措施

根据南京地铁2号线【苜蓿园～明故宫站】区间地质特点，对地质断面进行了认真分析，综合经济合理性的要求，选用了德国海瑞克Φ6400铰接型土压平衡盾构机，该型盾构机具有广泛的适应性和优良的可靠性，在世界上类似工程领域享有丰富的施工经验和业绩。

3.1盾构机优选

针对区间含砂砾岩软硬不均地层的不良地质，通过及时分析，确定了盾构机的破岩参数。值得注意的是盾构机刀盘的驱动扭矩、总推力的大小是决定一台盾构机是否能够适应复杂多变地层的关键参数。另外，刀盘的刚度强度以及刀具的选配也是至关重要的[3]。

3.2刀盘刀具配置

由于本区间地质条件复杂，经专家论证后，采用装有滚刀及切刀组成的复合式刀盘（国家863计划试验刀盘）进行施工，刀盘滚刀设计的最大硬岩开挖强度为120MPa。刀具布置方式为：64把切刀、

16把边刮刀、4把中心滚刀、7把正滚刀、6把边滚刀、2把中心齿刀。

配置切刀64把，高出刀盘面板140mm；双刃滚刀13把，高出刀盘面板175mm，刀间距90～110mm。

现场施工发现，该复合式刀盘土压平衡盾构机各项机械性能以及动力驱动指标是适应的。但是对微风化砂砾岩层中的高强度孤石，刀盘的破岩能力不足。

3.3掘进模式

根据区间的地质情况以及地层特征，选用的掘进模式不尽相同。

（1）全断面岩层：采用敞开式掘进模式，使用泡沫剂改良渣土。

（2）砂砾岩软硬不均地层：由于地层较为复杂，断面上地层差异较大。同时由于地表环境主要为需保护的重要建筑或文物，采取土压平衡模式掘进，同时使用泡沫剂改良渣土。

3.4掘进参数

掘进参数包括刀盘转速、推力、土仓压力等，应根据工程地质、水文条件、覆土厚度、地表建（构）筑物以及管线情况合理确定，并在掘进过程中进行动态调整[2]。

内容仅供参考