广州地铁复杂地质条件下的土压平衡盾构掘进技术研究

1、广州地铁复杂地质条件下的土压平衡盾构掘进技术研究摘要:广州地铁由于地质条件复杂,在施工中遇到了众多难题,如穿越溶洞、穿越高强度花岗岩、穿越珠江等,在施工过程中积累了大量的盾构施工经历。对广州地铁的地质条件进展 分析 ,对复杂地质条件下的土压平衡盾构掘进技术进展了 研究 和 总结 。关键词:地铁;盾构;掘进技术1 前言1995年,广州地铁在修建一号线时,通过国际招标方式利用盾构技术在软土和复合地层中成功修建地铁隧道。1999年后,广州地铁二、三、四、五号线更是大量采用盾构技术进展隧道修建,盾构机主要以土压平衡式为主。由于地质条件异常复杂,所遇到的施工难题,是国内盾构施工中罕见的,比方穿越溶洞,穿

2、越高强度花岗岩,穿越孤石等,在施工过程中积累了大量的复杂地质条件下的盾构施工经历,对广州地铁的土压平衡盾构施工技术进展研究和总结,以期对今后的盾构法隧道施工起到借鉴作用。2 广州地质概述广州地铁沿线的工程地质、水文地质条件比较复杂,其中最重要的特点是工程范围内的岩土均一性差,物理力学特性差异大。地铁围岩既有非常松软富水的淤泥质土、中细砂层,又有较坚硬的砂砾岩、花岗片麻岩、混合岩,以及介于上述两类岩土之间具有不同风化程度的软塑硬塑状粘性土层。软硬相间的红色砂泥岩是地铁隧道施工的主要地层。3 地质条件分析及复杂地质条件下的盾构掘进技术3.1 盾构机过江技术 在盾构施工中,盾构机在富水松散地层、断层

3、或江底等地质条件下的掘进速度对其施工平安有着重要 影响 ,因此保证盾构机完好是顺利通过这些不良地层的关键,其技术要点如下:过江前仔细检查大轴承、盾壳铰接和盾尾的密封状况,以保证设备完好和进步过江平安性,同时及时更换损坏刀具,必要时需要在洞内更换盾尾密封,并保证配件供应和盾构机各系统始终处于正常工作状态,进步掘进速度,防止盾构机在江底作不必要的停留,以降低风险。施工中注意设置和控制盾构机施工参数,特别是利用声纳法或水压力感应器法等信息化反响手段,及时摸清江底隆沉情况,以及时调整盾构机施工参数,将其掘进对河床的扰动降到最低。适当缩短浆液胶凝时间,保证同步注浆质量,减少地层损失。增加洞内排污设备才能

4、,保证盾尾积水及时排除。3.2 盾构机穿越上软下硬地层3.2.1 地质条件分析广州地铁地质资料显示,上部多为人工填土或全新统海陆交互沉积的淤泥或淤泥质土、淤泥质砂;下部为上更新统陆相冲积洪积形成的砂、土层;底部为基岩残积形成的粘性土层。盾构区间大局部在残积土层和岩石风化层中穿过,软硬不均地层现象明显。盾构施工过程中存在的主要 问题 是盾构掘进控制难度大,工况转换频繁。掘进面上下岩体的完好程度及强度差异较大,容易发生盾构机抬头事故。3.2.2 主要施工技术措施结合地质资料,注意分析盾构机的状态参数,及时发现上软下硬地层,以便采取相应措施。采用土压平衡或气压平衡形式掘进,必要时注入泡沫或泥浆对碴土

5、改良,以减小刀具及刀盘的磨损。采取措施,重视盾构的轴线控制和姿态控制:合理利用超挖刀;根据测量数据及时修正千斤顶推力组合;合理利用铰接千斤顶调整盾构姿态。发现盾构机遇到孤石或硬岩时,降低推进速度和推力,增加刀盘转速,以更好地保护设备和控制轴线。3.3 盾构机穿越岩石微风化带3.3.1 地质条件分析 盾构机穿越这类岩层时,盾构掘进时主要有以下特点:掘进速度慢;刀具磨损大,刀具更换频繁;轴线控制难度大;推力增大,有可能引起管片的裂缝;岩石自稳才能强,适宜采用敞开式掘进。3.3.2 主要施工技术措施采用单刃滚刀破岩,减少换刀次数与频率,进步施工进度。掘进过程中随时监测刀具和刀盘受力状态,确保其不超载

6、。增加开仓检查的频率,注意量测刀具的磨损情况,在地质条件允许的情况下及时更换磨损的刀具,防止损伤刀盘。如可能,换刀时启动刀盘伸缩装置,缩短换刀时间并在土仓内更换刀具,减少换刀时间对掘进循环的影响,进步设备利用率。硬岩段掘进时启动盾构稳定装置,减小盾构机振动和防止盾构机产生超限改变,使管片受力稳定,确保隧道成形质量和保护管片,防止盾构变形。采用敞开形式掘进,遵循高转速、低扭矩原那么选取参数,以进步掘进速度。进入硬岩段掘进前要对盾构机进展一次全面的维修保养,确保盾构机的工作状态良好。3.4 盾构机穿越球状风化层3.4.1 地质条件分析根据广州地铁工程地质情况调查,地铁三号线如天华区间、市番区间多处

7、通过花岗岩球状风化地层俗称“孤石层,花岗岩单轴抗压强度在160MPa左右。由于风化球岩体的强度远大于周围岩土层的强度,是盾构施工的不利因素。风化球周围岩土层主要为花岗岩强、全风化层,强度差异较大,稳定性差,为、类围岩。由于风化球周围岩体与球状风化岩体本身强度存在较大差距,易造成刀具损坏,甚至会导致刀盘变形,至使整个盾构机瘫痪。上海某隧道公司在深圳地铁施工就是一例,最终不得不采用矿山法贯穿隧道后将盾构设备拖出。3.4.2 主要施工技术措施 超前钻探或地质雷达物探,以预防为主,提早采取一些诸如地表或洞内爆破等必要的处理措施。 注意观察盾构掘进的异常情况以及掘进参数的异常变化,判断是否碰上球状风化岩

8、体。一旦发现推力加大时,盾构进尺缓慢或停滞不前,应立即停机,切不可贸然推进。 向土仓内参加气压以稳定工作面,采用高转速、低扭矩、低推力慎重掘进。 如球状风化岩体在软地层随刀盘一起滚动,可利用地质超前钻机对周围软地层予以加固,然后进展掘进。3.5 盾构机穿越断裂带3.5.1 地质条件 分析根据广州地铁工程地质情况调查,地铁2号线、3号线、5号线多处通过断裂地质带,断裂带埋深大约在1030m范围内,岩体破碎,围岩的强度大,而且强度不均匀,稳定性差,地下水比较丰富。盾构通过时存在的主要 问题 : 易发生涌水; 破碎地段的岩块较大,易堵塞螺旋输送机; 断裂带下伏的基岩多为蚀变花岗岩与硅化岩,岩体强度大

9、,要求盾构破岩才能强。3.5.2 主要技术措施 及时将双刃滚刀更换为单刃滚刀。因为单刃滚刀比双刃滚刀接触面小、破岩才能高。 采取土压平衡工况掘进,及时调整土仓压力,确保土压平衡,同时采取措施防止拼装管片时盾构出现后退,保证工作面的土体稳定。 适时调整掘进参数,防止出现过大的方向偏向,同时使岩石得到充分的切削,防止大的岩块堵塞螺旋输送机。 掘进过程中向土仓内注人泥水或泡沫,防止螺旋输送机堵塞和水涌入隧道。 连续掘进,对地表和建筑物连续监测。及时注浆充填管片与地层之间的环形间隙,防止土体塑性区的扩大,控制地表沉陷。 水压较大时,为防止盾尾被击穿,要及时在尾刷处注油脂。3.6 盾构机穿越溶洞3.6.

10、1 地质条件分析广州地铁五号线草暖公园至小北站区间环市中路下方以及即将建立的广佛线等区段都存在有不同发育程度的溶洞。局部溶洞位于隧道空间范围内,大局部溶洞位于隧道底板之下,少局部位于隧道顶板上部。盾构施工时,一旦揭穿溶洞,有可能造成突水、突泥及盾构机沉陷等工程事故,对盾构施工 影响 较大。同时假设隧道溶洞涌水(或突水)得不到有效处理,将直接导致孔隙水位下降。从而影响周边建筑物平安,严重时将造成地面塌陷。因此必须准确地掌握溶洞的分布和大小,对溶洞进展处理,以降低施工难度和施工风险。3.6.2 溶洞处理技术措施(1)加密钻孔。在详勘钻孔提醒到有溶洞的地区,为进一步理解和掌握溶洞的分布范围和溶洞大小

11、,施行加密钻孔,并使钻孔交织布置,钻孔深度至隧道构造下5m。同时在提醒到有溶洞的加密孔和既有提醒有溶洞的钻孔周围布设更密的钻孔。(2)物探(CT)法确定溶洞的大小及分布。利用工程CT技术准确探测溶洞的边界、溶洞走向、规模,另外利用局部钻孔作为技术孔,对溶洞的充填物进展物理力学勘察,以确定溶洞填充物的密度、含水量、溶洞水流向和浸透系数等指标,并估算溶洞水流量,以确定溶洞的注浆材料。(3)注浆。勘探钻孔说明溶洞为充填溶洞,可利用既有钻孔(局部加密钻孔),采用双液控制注浆,注浆材料为双液浆,孔口混和,浆液经管内流出后快速凝固,在一定的压力下充填密实。3.6.3 盾构机通过技术措施做好各项准备工作,提

12、早对盾尾密封进展检查。溶洞加固处理完毕后,在盾构机通过时,要适当放慢掘进速度。调整同步注浆浆液的配合比,缩短凝结时间,同时增大注浆量和注浆压力。在盾构机通过后及时进展二次双液注浆,通过调整水泥水玻璃的配比参数,控制双液注浆的凝结速度,到达加固土体和加固充填溶洞的目的。加强掘进姿态控制,全面贯彻信息化施工。同时备好抽排水设备等应急设备和物资,制订应急抢险预案。3.7 刀盘和切削仓聚积泥饼处理措施在粘土矿物含量高的残积层、混合岩全风化地层进展盾构施工时,极易在刀盘开口处和切削仓聚积泥饼。当产生泥饼后,掘进速度急剧下降,刀盘扭矩也会上升,大大降低开挖效率,甚至无法推进。其预防和处理措施如下: 在到达

13、这种地层前把刀盘的局部刀具换成齿刀,增加刀盘的开口度; 在粘性土中掘进时,特别要加强盾构掘进时的地质预测和碴土管理; 掘进时注泡沫剂,改善土体的和易性,预防粘土结块; 刀盘反面和土仓胸板上增设空心搅动棒,增加搅拌强度和范围,并且空心棒内还可预留注水孔,以便清洗刀盘和土仓; 空转刀盘,使泥饼在离心力作用下脱落; 假设围岩隔水性较好,那么可采用气压平衡形式掘进; 在开挖面稳定的前提下,人工进仓去除泥饼。4 小结广州地质条件比较复杂,要保证盾构机可以在复杂的地质条件下顺利掘进,很重要的一点就是要保证盾构机良好的工作状态,也就是要对盾构机进展定期的维护和保养,及时排除盾构机的故障,降低故障率无论对于加快施工进度还是保证施工平安与质量都是非常重要的。另外,工程中标后,应根据已有的地质资料和实际的地表建筑物及管线等情况进展补充地质钻探,摸清隧道穿越的详细地质情况,并结合盾构机掘进状态和出土情况对地质情况作出准确的判断,以便采取或者提早采取相应的措施保证盾构机在复杂地质条件下的顺利掘进。参考 文献 :1 尹旅超,