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复杂地质条件下盾构隧道施工技术综述
2017-3-27 10:15:57 浏览次数:1212

1 概述
1.1 工程简介
深圳地铁7号线7306标位于福田区、罗湖区境内,包括5站5区间,其中区间单线总长7367.011m,共投入9台土压平衡盾构机完成生产任务。
盾构隧道采用通用型管片错缝拼装而成,用M24弯螺栓连接,管片环宽1.5m,外径6.0m,内径5.4m,厚度0.3m,楔形量38mm。
1.2主要地质条件
(1)黄木岗站~八卦岭站区间
最高岩石强度99.2MPa,地下水位埋深2.00~8.00m,水位高程15.93~22.68m。
左线地质:粗砂、卵石、砾质粘性土、全/强/中/微风化花岗岩,其中:全断面中/微风化花岗岩40.78m(4.5%),非全断面硬岩(上软下硬)地层183.16m(20.3%)。
右线地质:粗砂、卵石、砾质粘性土、全/强/中风化花岗岩,其中:非全断面硬岩(上软下硬)地层29m(3.2%)。
(2)八卦岭站~红岭北站区间
最高岩石强度83.9MPa,地下水位埋深3.00~4.80m,水位高程10.66~19.40m。
左线地质:砾质粘性土、全/强/中/微风化花岗岩、强/中/微风化混合岩,其中:全断面中/微风化花岗岩和中/微风化混合岩156.68m(19.4%),非全断面硬岩(上软下硬)地层253.27m(31.4%)。
右线地质:砾质粘性土、全/强/中/微风化花岗岩、全/强/中/微风化混合岩,其中:全断面中/微风化花岗岩和中/微风化混合岩247.77m(30.7%),非全断面硬岩(上软下硬)地层118.33m(14.7%)。
八红区间右线地质图
(3)红岭北站~笋岗站区间
最高岩石强度74.41MPa,地下水位埋深1.20~4.50m,水位高程7.74~12.18m。
左线地质:砂质黏性土、全/强/中风化混合岩,其中:非全断面硬岩(上软下硬)地层77.88m(18.8%)。
右线地质:砂质黏性土、全/强风化混合岩。
(4)笋岗站~洪湖站区间
最高岩石强度114MPa,地下水位埋深0.10~7.50m,水位高程-0.14~13.45m。
左线地质:砂质粘性土、全/强/中/微风化混合岩,其中:全断面中/微风化混合岩186.3m(17.7%),非全断面硬岩(上软下硬)地层545.15m(51.8%)。
右线地质:砾砂、砂质黏性土、全/强/中风化混合岩,其中:非全断面硬岩(上软下硬)地层137.76m(13.1%)。盾构自洪湖站始发后的139m范围内3段共81m有圆砾、砾砂层侵入隧道,侵入厚度最大3.5m。
(5)洪湖站~田贝站区间
最高岩石强度123.4MPa,地下水位埋深1.38~4.70m,水位高程7.05~12.90m。
左线地质:全/强/中/微风化混合岩夹中风化细粒花岗岩岩脉,其中:全断面中/微风化混合岩、中风化细粒花岗岩岩脉162.86m(29.6%),非全断面硬岩(上软下硬)地层183.84m(33.5%)。
右线地质:砂质粘性土、全/强/中/微风化混合岩夹中风化细粒花岗岩岩脉,其中:全断面中/微风化混合岩15.13m(2.7%),非全断面硬岩(上软下硬)地层77.59m(14.1%)。
1.3现场施工情况
本标段主要技术重难点为盾构机穿过上软下硬、孤石及硬岩地层,部分岩石强度高达120MPa以上。盾构在砂层、硬岩地层、软硬不均地层、孤石地层和富水地层、浅覆土地层中掘进,既是一个施工控制的重点,同时也是一个施工上的技术难点,本标段施工过程中通过采取有效控制措施,各区间隧道顺利贯通,自2014年1月23日第一台盾构机下井组装到2015年5月24日最后一台盾构机退场,历时486天,单机最高日进度指标22.5m/d、单机最高月进度指标336m/月,全区间平均月综合进度指标146.7m/月。
2 复杂地质条件下主要施工技术
2.1盾构机的选型
2.1.1选型原则
根据本区间的工程条件、工程地质条件以及盾构施工法的特点,盾构机选型主要取决于盾构经过的地层的地质情况,同时,所选盾构机必须具有与工期相适应的掘进速度,而且能够满足隧道施工的要求。根据本区间地质特点,对盾构机有如下要求:
(1)基本功能要求
要求盾构具有开挖系统、出渣系统、渣土改良系统、管片安装系统、注浆系统、动力系统、控制系统、测量导向系统等基本功能。
(2)对岩石地层的适应性要求
盾构在硬岩地层中施工时应重点考虑以下功能:
足够的刀盘驱动扭矩和盾构推力;合理的刀盘及刀具设计,刀盘开口率足够,开口位置合理;完善的渣土改良系统,包括加泥系统、泡沫系统、聚合物系统等;易于更换刀具;盾构本体在压力状态下的防水密封性能;人舱设计;管片壁后同步注浆系统;连续开挖时盾构刀盘、刀具、螺旋输送机耐磨损;盾体的防扭转;在地质复杂区段中,有必要的手段能够对前方地层进行超前探测,以便及时采取相应的施工技术措施。
(3)在盾构机通过砂层和富水地层时具有防喷涌功能,应设置双闸门螺旋机和紧急关闭土仓的装置。
(4)在盾构机通过粘性土层地段时,渣土易粘结刀盘形成泥饼,盾构的刀盘布局及其它辅助措施必须能够有效防止刀盘中心泥饼的形成。
(5)精确的方向控制
盾构区间施工要求盾构的导向系统具有很高的精度,以保证线路方向的正确性。盾构方向的控制包括两个方面:一是采用先进的激光导向技术保证盾构掘进方向的正确。二是盾构本身能进行纠偏、转向。
(6)环境保护
盾构法施工的环境保护包括两个方面:首先是盾构施工时对周围自然环境的保护,即地面沉降满足设计要求,无大的噪声、震动等;再者要求盾构施工时使用的辅助材料如油脂、泡沫等不能对环境造成污染。
(7)掘进速度满足计划工期要求
盾构的掘进速度满足计划工期的要求是指盾构的最高掘进速度能够达到80mm/min,最高日进度达到15m/天(10环/天),最高月进度达到450m/月。
(8)设备可靠性、技术先进性与经济性统一
盾构的可靠性是工程施工的重要保障,盾构的关键部件必须在施工过程中万无一失,做到百分之百的可靠。盾构机的可靠性表现在整体设计的可靠性,即地质的适应性;设备本身的性能、质量、使用寿命等的可靠性。但盾构机设计同时也应该考虑到对先进技术的应用及经济因素的考虑。盾构选型及设计按照“可靠性、技术先进性、经济性综合兼顾”的原则进行。
2.1.2选型效果
综上考虑,选取复合式土压平衡盾构机以适应本标段复杂多变地质条件下的盾构施工。因工期压力,本标段五个区间十条隧道共投入9台土压平衡盾构机完成掘进,其中海瑞克7台、中铁装备1台、日本奥村1台。盾构机选型过程中充分考虑了各区间的周边环境、水文地质条件工期要求等因素,并从设备基本功能、对岩石地层的适应性和设备履历、性能可靠性评价等方面进行了使用前评估,总体选型较为成功。但受工期和当时设备租赁市场供求情况,所选用的一台日本奥村盾构机和一台海瑞克S-428盾构机使用效果不够理想:
(1)黄木岗站~八卦岭站区间左线的日本奥村盾构机
刀盘结构和渣土改良系统设计不够完善,在上软下硬和黏土含量高的地层中刀盘中心和刀箱内极易形成泥饼,导致掘进过程中渣温高、刀具偏磨、喷涌严重,每环掘进完成后清理盾尾泥浆耗时较长,尤其在富水地层中恶性循环,施工效率极低且喷涌带来的水土过量流失,最终造成工期无法预控、周边环境安全无法预控。
日本奥村盾构机刀盘
(2)八卦岭站~红岭北站区间左线的海瑞克S-428盾构机
设备比较陈旧,刀盘配置双刃滚刀,在硬岩地层中掘进速度较慢且刀具磨损严重,换刀频繁,尤其边刀稍有更换不及时就会卡盾体,区间掘进过程中带来了极大的安全隐患和工期损失,该条隧道掘进施工时间最长、与其它区间相比工效最低。
海瑞克S-428盾构机刀盘及刀具配置
2.2全断面硬岩掘进
盾构机穿越硬岩地层推力大、掘进速度慢、盾构调向困难、刀具更换频繁,掘进过程中需加大开仓检查的频率,勤测量刀具的磨损情况并及时更换磨损的刀具,避免损伤刀盘和卡困盾体。
(1)施工前进行详细的补充勘探,进一步查清硬岩的分布及特性;
(2)根据岩石的强度,选择匹配的硬岩刀具和耐磨刀具,降低换刀风险,同时提高掘进效率;
(3)做到勤检查、勤更换刀具,特别是边缘滚刀要及时更换,以保证盾构的开挖洞径;
(4)开启刀盘加泡沫装置,改良正面土体,降低刀具和土体的摩擦力,减小扭矩,降低刀盘和土体温度,减小刀具的偏磨;
(5)在掘进过程中,根据滚动角的大小,及时通过调整刀盘转向(左转或右转)来防止盾体产生扭转。
(6)根据不同岩层强度和岩层破碎性选择合理的贯入度,采用高转速、低扭矩的原则选取掘进参数,以保证均衡、高效施工。
全断面硬岩地层掘进
(7)全断面富水硬岩地层掘进
由于盾构开挖直径远大于管片外径,形成较大建筑空隙,成型隧道缺少地层本身的握裹力;且同步注浆浆液在富水地层中被稀释,初凝时间延长。故此类地层中掘进需要保证足够的同步注浆量,浆液配比尽量缩短初凝时间;同时及时进行二次双液注浆形成止水环箍,并有效填补同步注浆的固结收缩空隙;为有效控制成型隧道后期上浮,掘进过程中盾构姿态采用负标高方式进行预控。
富水硬岩地层盾构姿态控制
2.3上软下硬地层掘进措施
由于硬岩段标高起伏不定,在进入硬岩和脱离硬岩的时候,会经历一段上软下硬的不均匀地层。在这种地层掘进,可能发生盾构机偏移或被卡住、蛇行推进,注浆不及时易产生地面沉降甚至塌陷、隧道管片破损以及盾构机损坏等许多难以预料的问题。针对本标段上软下硬地层地质条件,盾构掘进中采取下列措施:
(1)做好补充地质勘探,在地层起伏交界处进行钻孔,查清上软下硬地层的位置和长度;
(2)掘进过程中不断观察出土情况,并结合推力、扭矩、速度、土压,以及渣土中石块的比例和大小,判断硬岩的比例,及时调整掘进参数;
(3)在岩层和土层同时存在的地段,应以硬岩的强度来进行刀具配置;掘进时采用土压平衡掘进模式,根据隧道顶部地质情况选择合适土压力,适当降低土压有利于提高刀具的寿命;
(4)盾构机在上软下硬地层中掘进时,盾构姿态容易向上抬,为了保持正确的掘进线路,应该合理控制上下千斤顶的推进油压;此时边缘滚刀承受最大的破岩压力,应选用重型破岩刀具;
(5)在上软下硬地段应该采用低转速,以减少滚刀与岩土分界面的冲击。
(6)加大发泡剂比例,以改善土体的流动性和土仓的温度,降低土仓温度有利于减少刀具磨损和偏磨;
(7)下部是硬岩,掘进速度受硬岩制约而变慢,容易多出土,应该以盾构机进尺来控制出土量,防止超挖,同时保证盾尾回填注浆。
2.4孤石地层掘进
花岗岩风化土中存在的球状风化核,俗称“孤石”,在广州、深圳地区是普遍存在的一种地质现象,其形状各异,大小从几十公分到几米,岩石单轴抗压强度可以达到100Mpa以上。
车站开挖发现的孤石          
   盾构隧道刀盘前方的孤石
(1)孤石的危害
相对于孤石的强度,周边风化土层强度小很多,盾构掘进过程中,很容易出现孤石不能被破碎,在刀盘前滚动,极易造成刀具过载、磨损严重,刀圈崩断,甚至是刀座变形或刀盘结构的严重损坏,盾构姿态难以控制并频繁卡刀盘。在此条件下掘进,刀具贯入度极低,掘进过程对周边土体扰动大,容易造成地层沉降超标,对保护下洞隧道和地面建筑物极为不利,工期无法保证。
孤石强度检测    
                土仓内捞出的损坏的刀具
(2)孤石的探测
常规采用补堪钻孔的方法进行探测,理论要求对可疑地层按5-10m的间距布孔,但该方式仍易存在漏网之鱼。
为保证准确探测,项目部引进了“微动”探测法对全强风化花岗岩地层进行地毯式扫描,并对可疑地层进行钻孔验证,探测效果较好。
(3)孤石的处理方法
常规方法有地面“深孔爆破法”和隧道内“盾构机直接切削、静态爆破、分裂破碎”等方法,本标段因地面建筑物和管线等环境问题,不具备地面爆破处理的条件,多数小块径的、预先未探明的孤石采用盾构机直接切削,部分采用地面注浆均化地层加固和盾构直接切削的方式进行处理。
(4)注浆均化地层加固
采用XY-1型地质钻机进行引孔,开孔孔径不小于Φ90mm,终孔孔径不小于Φ50mm,利用SGB6-10灌浆泵自上而下分段灌浆法进行纯压式灌浆,固结孤石并全断面加固孤石所在范围内开挖面。
灌浆浆液采用普通硅酸盐水泥浆,42.5普通硅酸盐水泥。浆液水灰比初步选用2:1、1:1、0.8:1、0.6:1四个比级(重量比级),灌浆浆液由稀至浓逐级变换,起灌水灰比为2:1。
周边孔灌浆压力为0.2MPa-0.7MPa,内部孔灌浆压力为0.3MPa-1.0MPa。在实施过程中如果压力过大导致地面隆起或者冒浆串浆严重,则根据实际情况及时调整灌浆压力。
注浆均化地层灌浆各灌浆段的结束条件为:灌浆段在设计压力下,注入率不大于1L/min后,继续灌注30min,可结束灌浆。灌浆结束后必须及时封孔,封孔采用0.5:1纯水泥浆,自孔底向孔口逐渐用浓浆置换。
注浆加固后盾构机在全断面加固体内直接切削掘进,效果较好。
孤石注浆加固效果
2.5盾构下穿洪湖湿地公园浅覆土和富水砂层施工
本标段笋岗站~洪湖站区间右线下穿洪湖湿地公园段隧道埋深5.5m~7m(包含湖底约0.5m ~ 1.0m被长期浸泡的稀泥),其中埋深<6m段长约60m。补堪资料显示,右线隧道上方主要为淤泥质黏土、粉质粘土、粗砂、砾砂、卵砾、圆砾。砂层厚度较厚,砂层底部与与隧道顶距离<2m段长约100m,部分高渗透系数的砾砂、圆砾层侵入隧道内,侵入厚度最大3.5m。
(1)施工风险分析
浅覆土洪湖湿地公园段施工过程中极易发生坍塌、透水事故,保压困难;隧道运营后湖底清淤等开挖施工可能进一步减小覆盖层厚度,对地铁运营造成重大威胁,存在较大的安全隐患。
(2)浅覆土地面处理措施
对实际埋深小于6 米隧道顶部进行覆土,筑岛回填,筑岛长60m,岛顶宽18m,岛高3m。通过筑岛增加隧道的覆盖层厚度,以保证盾构有足够覆土条件。同时,与公园管理单位协商,对筑岛做景观处理,与湖区景观协调一致,永久保留,保证运营后的区间隧道有足够的保护层。
(3)砂层处理措施
对隧顶存在砂层且隧道与砂层间隔水层<2m的砂层进行加固处理。加固采用地面搅拌桩加固。加固段长度120m,加固段宽度18m,加固深度从中到外分别为6m、3m。搅拌桩桩径600mm,采用格栅式加固。
砂层加固措施
(4)盾构掘进技术措施
通过对地质情况的分析以及借鉴其它类似项目下穿河、湖的施工经验,盾构机下穿阶段主要技术措施从以下方面重点考虑:
1)在盾构下穿布吉河时应采取连续、均衡通过的方式,重点控制推力、推进速度和土压力,严格控制出土量,特别注意控制同步注浆和二次注浆的压力、注浆量及注浆时间;
2)盾构机采用三道盾尾钢丝密封刷,能有效防止盾尾透水,掘进时定时、定量、均匀压注盾尾油脂,有效保护盾尾密封刷。如遇特殊情况,可按实际情况加大盾尾油脂的压注注量。控制好管片姿态,居中拼装,提高拼装质量,防止盾构与管片间间隙达大形成透水通道;
3)螺旋机后卸料口采用双闸门结构,有效防止喷涌现象的发生;加强渣土改良措施,防止喷涌、坍塌、结泥饼等情况发生,操作司机密切关注螺旋机的出土情况,如有喷涌现象,立即关闭螺旋输送机阀门,视渣土成分向土仓和螺旋机内注入膨润土泥浆或高分子聚合物抑制喷涌;
4)调整盾构机的掘进姿态,尽量采用负标高控制手段预留隧道上浮量;
5)调整同步注浆孔位和注浆量,调整浆液凝结时间,必要时采用速凝型浆液及时进行二次补浆;
6)合理设定土压力,有效控制渣土改良和保压过程中的气体压力;在盾构穿越过程中如果发生击穿湖(河)底、深层土体的变形超过了预定的控制范围,立即停止掘进,进行洞内注浆,并根据具体状况采用地面回灌砂浆或低标号砼的方式进行回填,回填前完成盾体外周及土仓、刀盘开挖面的膨润土泥浆注入工作,防止盾构机受困;
7)加强施工中对土体的监控量测,做到信息化施工。
3 结语
深圳地铁7号线7306标在盾构隧道施工过程中遇到了诸多地质难题,积累了大量复杂地质条件下的盾构隧道施工经验,也充分说明盾构法施工是一个系统性很强的工程,其施工技术方案的确定,要充分把握和判定地质情况,以此作为选择适宜的盾构机型、合理的掘进模式和掘进参数的依据。另外,要从土建、机械、安全、经济各个方面综合权衡,认真比选,唯有统筹安排,才能确保在复杂地质条件的安全、快速、均衡施工,有效控制成本。

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