[精品]盾构穿越特殊(粉细砂-风化岩)复合地层施工控制技术研究

盾构穿越特殊(粉细砂-风化岩)复合地层施工控制技术研究

盾构穿越特殊(粉细砂-风化岩)复合地层施工控制技术研究

摘要：针对该种地层特殊的地质特性，对包括盾构机选型和刀盘配置等盾构机主要技术参数进行较深入的研究。同时对掘进模式的优选、掘进参数、同步注浆及二次注浆参数的设定、渣土改良和土仓保压等方面的技术措施进行了研究，总结出了一套较为成熟的施工技术要领。关键词：粉细砂―风化岩技术参数技术措施中

图分类号：U455文献标识码： A 珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段施工10标【金融高新区站～龙溪站】盾构区间沿佛山

至广州城市主干道――海八路、龙溪路下穿行，本段分布有300米上软下硬的“粉细砂―风化岩”复合地层，该地层施工难度大，施工技术要求高，通过在施工前期进行国内外资料调研，收集在软硬复合地层，盾构隧道修建中的工艺、技术，以及理论、试验研究等方面的资料。其次认真总结国内如上海、南京、广州盾构隧道砂层及复合地层掘进施工中的经验教训，对包括盾构机选型（如刀具配置、渣土改良系统配置、保压设备配置等）以及对掘进模式的优选、掘进参数、盾构机姿态的控制和同步注浆、二次注浆参数的设定等方面的技术措施进行了研究,并根据现场情况及时做出相应的调整，最终快速安全的

通过了该段上软下硬地层，同时也总结出了一套较为成熟的施工技术。

1、工程概况珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段施工

10标【金融高新区站～龙溪站】盾构区间沿佛山至广州城市主干道――海八路、龙溪路下穿行，本段分布有300米上软下硬的“粉细砂―风化岩”复合地层，隧道埋深17米，在隧道断面范围内下三分

之一至下三分之二范围内为全或强风化岩层，之上为粉细砂层，拱顶以上分布有较厚的粉细砂层及余泥质粘土层直至地面。2、典型施工案例曾经在广州地铁三号线盾构施工的过程中引发的较大

的地面沉降，特别是几次“塌通天”的沉降，几乎都是在上软下硬地质条件下造成的。形成这类事故的原因，是由于在盾构推进的过程中，刀盘切削工作面土体时上部软地层较易进入土仓，而下部较硬岩体不

易破碎，在这种情况下，往往会使上部软地层过量切削进入仓内，特别是当隧道上部地下水较丰富且为粉砂层时，一旦密封仓内有些许土压失衡，上部的松散地层会很容易造成土体流失而发生较大的沉降，甚至发生“塌通天”事故。3、施工难点此类地层盾构掘进极易引起地面沉降过大或导致地面塌陷，本段车流量大，给本工程盾构的安全掘进和施工管理带来很大困难，是工程施工中的难点。

如何对盾构机进行选型以及对掘进模式的优选、掘进参数、盾构机姿态的控制和同步注浆、二次注浆参数的设定等方面成为解决该段地层中施工困难的重点。4、盾构机主要技术参数 4.1盾构机选型盾构施工对易液化的粉细砂层产生一些不利因素,尤其是

盾构开挖面上部的砂层容易受到扰动而引起局部坍塌，该类地层宜采用闭胸式开挖，同时通过添加材料的辅助工法可以改善渣土的性状，从而避免渣土从出料口喷涌的现象发生。考虑到这一方面，并综合经济合理性的要求，本工程选用了德国海瑞克公司制造的φ6250mm复合式土压平衡盾构，盾构具有敞开式、半敞开式以及全闭胸的土压平衡式EPB式掘进模式，以适应硬岩地层，含水软岩以及软硬混合地层的掘进。同时在EPB模式下，足够的土压平衡调节能力可有效的平衡周围土体的静水压力和土压力，保证开挖面的稳定。配合可靠的同步注浆系统，必要的二次补浆，以及后期地层注浆加固技术等辅助工法，可将地表隆陷控制在规定的范围之内，另外通过泡沫注入系统、膨润土注入系统、高分子聚合物注入系统对渣土进行改良，有效的防止了结“泥饼”、管涌、流砂、冒顶或喷涌等现象，从而确保安全通过上软下硬的特殊地层。φ6250mm复合式土压平衡盾构主要基本技术参数如下表名称参数刀盘直径 6280mm 前盾直径6250mm 中盾直径 6240mm 盾尾直径 6230mm 管片外

径6000mm，内径5400mm，宽度1500mm，管片数量5+1 刀盘驱动类型液压驱动刀盘功率3×315Kw 刀具齿刀64把，边刮刀左4+右4，双刃滚刀4把，单刃滚刀31把，超挖刀1把刀盘开口率 28% 刀盘转速最大4.5rpm 刀盘扭矩 2684.6千牛米推进油缸10 × 双油缸+10 × 单油缸总推进力 34210千牛螺旋输送机功率200千瓦，速度22.15rpm 盾尾密封

数三排钢丝刷管片安装机机械抓取式 4.2刀盘配置

刀盘（右图）是一个带有多个进料槽的切削盘体，位于盾构机的最前部，用于切削土体，刀盘的开口率约为28％，刀盘直径6．28m，也

是盾构机上直径最大的部分，一个带四根支撑条幅的法兰板用来连接刀盘和刀盘驱动部分，在该种地层下，刀盘上安装有64把齿刀，8

把边刮刀，31把单刃滚刀，4把双刃滚刀，1把超挖刀。液压可伸缩式超挖刀可用于小曲径开挖。盾构机在转向掘进时，可操作超挖刀油缸使超挖刀沿刀盘的径向方向向外伸出，从而扩大开挖直径，这样易于实现盾构机的转向。超挖刀油缸杆的行程为50mm。刀盘上安装的

所有类型的刀具都由螺栓连接，都可以从刀盘后的泥土仓中进行更换。在刀盘的圆周面、正面焊接有耐磨层，增强了刀盘的耐磨能力,增强

的刀盘的使用能力。刀具在刀盘上的超前量较大，正面滚刀的

超前量为175mm，齿刀超前量为120mm，正面滚刀的轨迹间距为100mm，边缘滚刀的轨迹间距为9.59～100mm；滚刀的承载力为25t，适应掘

进的岩石抗压强度为20～120MPa；滚刀的转动阻力矩小，在砂层中

掘进时可以转动，以避免滚刀偏磨；刀盘前部的中心部位，装有一个用于注入添加剂的旋转接头，同时设备本身配备了用于渣土改良的泡沫和膨润土注入系统。在刀盘的背面焊有四根搅拌棒，以用来进行充分的渣土改良和搅拌。5、盾构掘进时的主要技术措施 5.1掘进模式的优选盾构在穿越上软下硬区段时，由于上下岩层强

度相差较大，盾构容易上抛，此施工段施工重点是盾构机的使用控制。由于断面上部地层为易液化的细砂层，容易引起上部塌方，所以采用土压平衡模式掘进。 5.2掘进参数在这种不良地层掘进时土仓压力不易控制：过高，则盾构推力和扭矩增大，作用在开挖面的有效推力不易掌握；过低，则易引起开挖面坍塌造成地面沉陷。因此，盾构施工时,要根据该种地层的工程地质特性以及隧道的埋置深度计

算确定主要的掘进参数,包括:盾构姿态、推力、扭矩、掘进速度、刀盘转速、贯入度、土仓压力,值得强调的是,由于土压平衡模式下实际上是一种通过螺旋机的旋转出土形成的动态平衡,所以在实际操作过

程中螺旋机的转速和压力也要引起足够重视。相关的掘进参数如下：①土仓压力:推进时土仓压力80～100 kPa,停机拼环土压120 kPa以