上软下硬复合地层盾构施工技术研究(深圳).doc

上软下硬复合地层盾构施工技术研究（中铁四局城轨分公司深圳地铁11号线11306标周维）摘要：依托深圳地铁11号线11306标后亭站松岗站盾构区间，分析了上软下硬复合地层盾构掘进存在掘进进度慢、刀具偏磨、发生喷涌、地面塌陷等难点和风险，并针对风险通过从盾构刀具选择、刀具组合、施工过程渣土改良、土压设定、掘进参数调整等提出了解决措施。关键词：上软下硬 盾构 施工 施工技术1、前言盾构施工在地铁隧道建设中得到了越来越广泛的应用。而我国国土资源面积广,各地区地质条件，针对不同地区对盾构刀盘刀具配置过程掘进等要求不尽相同，特别是广深地区上软下硬复合地层盾构掘进，一旦具备开仓条件，将严重影响施工进度，本文以深圳地铁11号线11306标后亭站松岗站区间为例，从刀具配置及施工过程中如何控制，保证盾构的正常掘进和地面建筑安全。2、工程概况后亭站松岗站区间位于宝安大道下方，两端车站均为地下两层岛式车站，线路整体呈南北走向，区间起点位于后亭站北侧，线路沿宝安大道前进，在依次穿越后亭人行天桥、茅洲河、广深高速公路桥、松岗河后进入松岗站南端。右线YDK47+961YDK48+071，左线ZDK47+945YDK48+080共计2454m含岩层段需盾构直接切削通过。岩层主要分布为强风化浅粒岩、中风化浅粒岩、微风化浅粒岩，岩层裂隙发育，该段地质如图所示：根据现场取芯该段中风化花岗岩抗压强度在70100MPa之间。3、存在的重难点分析由于该段不仅为复合地层，且该段上部为一宽4m高3m的暗渠，且距离最近建筑距离仅为3m,存在诸多难点，主要有以下几个方面地层水系丰富且拱顶埋深较浅，同时该段区域地面存在多条已施工管道，据前期调查，管道施工过程发生过塌方等事故，原地质已破坏严重，盾构下穿过程中极易击穿河面形成水流通路，出现喷涌现象，另一方面暗渠采用浆砌片石施工，从现场情况来看，施工质量很差，沉降一旦超标，极有可能坍塌，施工难度大；地层软硬不均，对刀具磨损大；推进速度缓慢，极易造成超出土，引起地面塌陷；粉粒含量高，盾构掘进易结泥饼 ；地层含水量丰富，极易导致管片在脱出台车后出现上浮情况和盾尾漏水。故在施工方案制定选择前，项目部多次对刀具选择、如何掘进控制、应急措施增氧配置等采取了针对性措施。4、刀具选择方面对策在该种地质情况下掘进，对滚刀的配置主要考虑以下两个方面的影响因素：由于在该区域出现的上部全风化强风化花岗岩下部微风化岩的情况，岩石的抗压强度相差较大，由很小兆帕转入70兆帕以上，开挖断面的地质呈现上软下硬的状态，造成刀具在旋转中由软岩突然转入硬岩，这种瞬间出现的冲击，将对刀盘造成震动，也将造成我们刀具的强大冲击，很容易造成滚刀的崩刃和刮刀的合金崩裂，刀具考虑抗冲击性很重要；由于区域内有部分砂质粘性土，且花岗岩中石英含量较大，在掘进过程因刀具在软弱部位受应力较小，易导致刀具偏磨；故在刀具选择过程中，刀具应满足以下两种要求：针对抗冲击性能方面，需采用宽刃口的重型刀圈，采用梯度刀圈能确保刀圈刃部具有极高的硬度HRC59-61，这种硬度能有效对抗外部极其恶劣的工作环境。同时内圈部位的硬度为HRC50-54，中部硬度为HRC53-57，自由过渡，呈梯度变化，这样的硬度能保证极好的抗冲击性能，能吸收外部冲击功，防止刀圈的断裂现象，同时这种梯度刀圈因为刃口硬度极高，耐磨性能也十分突出，这样当我们遇到石英砂含量较高既需要刀圈耐磨同时上软下硬需要刀圈抗冲击的地层，这种刀圈的优势就凸显出来,以很大程度上减少刀圈崩刃和断裂的情况。针对偏磨情况，主要是在掘进过程刀具无法转动，这就需要要么加大推力以达到增加刀具所受应力达到足以转到刀具，要么一定程度上减小刀具转动扭矩结合这两种要求，最终选择了材质性能稳定的意大利庞万力重型滚刀刀圈，对滚刀要求转动扭矩设置在20NM。当盾构掘进至联络通道（掘进长度450m)主动换刀点开舱检查刀具时，发现仅2把刀具偏磨到10mm以上，实践证明刀具选择是合理的。5、刀具组合方面对策除选择合适的刀具外，刀具在尺寸配置等方面，也需考量以下因素。在复合地层中，尤其是上软下硬地层中掘进，刀具差应控制在3cm4cm之间，滚刀直径宜选择17英寸为宜，后松区间正是采用17英寸的滚刀进行掘进；滚刀间距应根据其岩石特性、类型等合理选择，特别是在该地层，部分强度已达100MPa，经广州深圳掘进研究分析，在花岗岩该强度下，滚刀间距设置在58cm效果最佳，故在设计盾构刀盘时，结合多年总结经验刀具间距均设置在78cm；对应上软下硬地层和需要以土压平衡模式掘进的地层，应提高其轴承密封质量，确保高土压下不会因轴承失效而导致滚刀偏磨，同时还需控制刀盘转速在1.5r/min内，防止刀圈崩坏，项目部在该段掘进刀盘转速控制1.21.3r/min之间，既防止崩坏，又控制贯入度不大于滚刀与刮刀之间高差，减小滚刀对破岩效果影响；6、施工控制方面对策刀具的合理选择，只是为我们顺利完成掘进，奠定了良好的基础，在过程中，仍需进行科学的的施工控制管理，才能让高质量的东西落实到实处，发挥作用。土压设定方面。在广深地区类似地质掘进，应努力追求气压状况下的欠土压掘进这种工况，既减少扭矩、减小推力、稳定开挖面、防止喷涌和结泥饼，同时也大大地减少刀具的磨损量，而项目部在该段掘进即采用2/3实土压+气压来进行参数设置，同时在过程充分考虑水头压力及水土压力（尤其是涨落潮），并实时调整，随水头、土层的变化而变化，以保证土仓的土压力足以平衡开挖面的压力。推进过程中顶部土仓压力设定为1.3-1.4Bar，中部土压控制在1.5Bar左右，通过在过程中根据掘进情况动态调整土压，严格渣土管理，保证了地面建筑安全。渣土改良方面。由于地层水补给较多，前期掘进过程常有喷涌现象，为保证上部明渠安全，水箱加入聚合物改良，聚合物过小效果不理想，太大又容易造成堵管，经多次现场试验调整聚合物掺量（广州合力）一般在0.81.5之间，有效控制了喷涌现象。掘进控制方面。在掘进过程，如何防止刀具的偏磨，结合其刀具性能，在前期的参数总结上，最终将掘进速度控制在15mm/min以内，使滚刀和岩面之间能够充分磨合，防止滚刀崩损，同时刀盘转速最好控制在1.21.3r/min之间，既控制了瞬间冲击力，又控制了贯入度。同步注浆方面。在河底掘进时，由于地层裂隙大，含水量高，水压力高，注浆时遵循“同步注入，快速凝结，信息反馈，适当补充”的原则，对配合比在该段地层进行了重新设定，如下表所示。序号项目配合比（1m3)稠度(cm)初凝时间1普通段水泥：粉煤灰：膨润土：河砂：水=100kg:320kg:100kg:600kg:508kg149小时25分2该段地层水泥：粉煤灰：膨润土：河砂：水=200kg:240kg:100kg:600kg:416kg136小时43分由于及时合理调整了同步注浆配比，再加上过程中根据出土及河渠的监测情况控制好注浆压力及方量，既防止了地面沉降，又保证了洞内管片质量。预防措施方面。由于暗渠施工质量较差，周边土体已扰动，且右侧又紧邻建筑物（二手车市场），为确保掘进施工安全，我们首先对暗渠两侧，按照间距1.5m设置深6m的注浆孔，采用双液浆进行预注浆，浆液压力控制在0.6MPa，确保暗渠涵洞质量，另外又对房屋基础两侧设置两排预埋袖阀管，间距按照1.5m布置，深度则设置6m,最后在掘进过程加强地面监测和巡视，根据地面情况进行动态管理。7、结语本文总结了深圳地铁11号线11306标后亭站松岗站区间近245m上软