盾构穿越特殊地层施工技术

1、盾构穿越特殊地层施工技术第五轨道交通工程队 吕岩目录目录一、工程简介一、工程简介二、特殊地层二、特殊地层 2.1复合地层 2.2复合盾构三、复合地层盾构施工三、复合地层盾构施工 3.1始发井端头加固 3.2特殊构筑物加固 3.3全断面软岩掘进控制 3.4上软下硬段掘进控制 3.5全断面硬岩掘进控制 3.6复合地层中带压作业2#2#盾构始发井盾构始发井DK38+359DK38+359位于东莞市大朗镇大井头村，施工左位于东莞市大朗镇大井头村，施工左线隧道长线隧道长2925m2925m，盾构机于，盾构机于20122012年年8 8月始发，至月始发，至20142014年年6 6月掘月掘进进870870

2、环。隧道区间地质复杂，全断面软岩、上软下硬、全环。隧道区间地质复杂，全断面软岩、上软下硬、全断面硬岩交替出现，属于标准的复合地层，地表房屋密集，断面硬岩交替出现，属于标准的复合地层，地表房屋密集，沿线房屋覆盖率高达沿线房屋覆盖率高达90%，且多为老旧无基础的土砖房，道，且多为老旧无基础的土砖房，道路空间狭小，地表注浆加固困难，因此盾构掘进风险系数极路空间狭小，地表注浆加固困难，因此盾构掘进风险系数极大。大。一、工程简介一、工程简介1#1#盾构井盾构井2#2#盾构井盾构井风井风井左线左线左线左线1#1#盾构始发井盾构始发井DK33+951DK33+951位于东莞市大朗镇黎贝岭村，位于东莞市大朗镇

3、黎贝岭村，施工左线隧道长施工左线隧道长1452m1452m，盾构机于，盾构机于20112011年年1111月始发，月始发，20142014年年4 4月贯通。隧道区间以全断面硬岩为主，岩石硬月贯通。隧道区间以全断面硬岩为主，岩石硬度平均在度平均在80MPa80MPa以上，隧道最大埋深以上，隧道最大埋深42m42m，纵坡，纵坡24.4 24.4 ，地下水丰富，因此盾构掘进困难。，地下水丰富，因此盾构掘进困难。土压平衡盾构机土压平衡盾构机土压平衡盾构机的工作原理则是向密封舱内加入塑流化改性材料，土压平衡盾构机的工作原理则是向密封舱内加入塑流化改性材料，与开挖面切削下来的土体经过充分搅拌，形成具有一定

4、塑流性和透与开挖面切削下来的土体经过充分搅拌，形成具有一定塑流性和透水性低的塑流体，同时通过伺服控制盾构机推进千斤顶速度与螺旋水性低的塑流体，同时通过伺服控制盾构机推进千斤顶速度与螺旋输送机向外排土的速度相匹配，经舱内塑流体向开挖面传递设定的输送机向外排土的速度相匹配，经舱内塑流体向开挖面传递设定的平衡压力，实现盾构机始终在保持动态平衡的条件下连续向前推进。平衡压力，实现盾构机始终在保持动态平衡的条件下连续向前推进。二、特殊地层二、特殊地层1 1 复合地层复合地层2 2 砂层砂层3 3 鹅卵石地层鹅卵石地层4 4 孤石孤石5 5 地质断裂带地质断裂带6 6 穿越江河等富水地层穿越江河等富水地层

5、7 7 穿越重要房屋、构筑物、桩基础穿越重要房屋、构筑物、桩基础8 8 穿越有害物质地层穿越有害物质地层2.1复合地层 工程涉及的围岩地层可宏观的分为两大类：一类是均一地层，另一类是复合地层。 均一地层是指在开挖断面范围内和开挖延伸方向上，由一种或若干种地层组成，但其岩土力学、工程地质和水文地质等特性相近的地层或地层组合。 复合地层是指在开挖断面范围内和开挖延伸方向上，由两种或两种以上不同地层组成，且这些地层的岩土力学、工程地质和水文地质等特性相差悬殊的地层组合。 素填土素填土 粉质粘土粉质粘土全风化混合片麻岩全风化混合片麻岩强风化混合片麻岩强风化混合片麻岩弱风化混合片麻岩弱风化混合片麻岩颜色

6、呈褐黄色，颜色呈褐黄色，黄褐色；单轴饱黄褐色；单轴饱和抗压强度和抗压强度5Mpa颜色褐黄色，岩芯颜色褐黄色，岩芯呈碎石状、短柱状、呈碎石状、短柱状、节理裂隙发育；单节理裂隙发育；单轴饱和抗压强度轴饱和抗压强度5-30Mpa颜色青灰色，节理颜色青灰色，节理裂隙交发育；单轴裂隙交发育；单轴饱和抗压强度饱和抗压强度60Mpa2#2#盾构机沿线地质纵断面图盾构机沿线地质纵断面图地表密集房屋地表密集房屋密集的建筑群密集的建筑群狭小的街道和简易、狭小的街道和简易、脆弱的老旧房屋脆弱的老旧房屋2.2复合盾构 在复合地层中进行盾构施工，需要盾构机刀盘具有广泛的适应性。对于盾构机来说，最关键的问题就是采用什么刀

7、盘结构形式和刀具配置才能够使盾构机在整个隧道掘进过程中达到最小的刀具磨损、最少的换刀次数和最快的掘进速度。 左线施工由中铁二十局施工，采用法国NFM技术北方重工生产的直径8.83m土压平衡式盾构机，右线施工由中铁十六局施工，采用德国海瑞克生产的直径直径8.83m土压平衡式盾构机左线盾构刀盘左线盾构刀盘右线盾构刀盘右线盾构刀盘刀盘配置刀盘配置左线盾构刀盘左线盾构刀盘右线盾构刀盘右线盾构刀盘开挖直径开挖直径8860mm8830mm刀盘结构形式刀盘结构形式刀盘整体采用辐条面板式，边缘采用刀盘整体采用辐条面板式，边缘采用平面斜角式；刀盘面板由左、右两部平面斜角式；刀盘面板由左、右两部分拼接而成；滚刀布

8、置在辐条上，刮分拼接而成；滚刀布置在辐条上，刮刀布置在辐条两侧刀布置在辐条两侧刀盘整体采用辐条面板式，边缘采用刀盘整体采用辐条面板式，边缘采用平面圆角式；刀盘面板由上、下、左、平面圆角式；刀盘面板由上、下、左、右和中间五部分拼接而成；滚刀布置右和中间五部分拼接而成；滚刀布置在面板上，刮刀布置在辐条两侧在面板上，刮刀布置在辐条两侧开口率开口率30%27%重量重量110T116T支撑形式支撑形式中间支撑中间支撑,6个牛腿个牛腿中间支撑，中间支撑，8个牛腿个牛腿主动搅拌棒主动搅拌棒3根根4根根驱动形式驱动形式变频电机驱动变频电机驱动变频电机驱动变频电机驱动功率功率9*220KW14*160KW转速转

9、速0-4.07r/min0-4.2r/min扭矩扭矩额定扭矩额定扭矩12680kNm脱困扭矩脱困扭矩16484kNm额定扭矩额定扭矩8121kNm脱困扭矩脱困扭矩11369kNm添加剂注入口添加剂注入口8个，前装式个，前装式8个，背装式个，背装式刀刀具具配配置置单刃滚刀单刃滚刀17寸盘形滚刀，共计寸盘形滚刀，共计44把（其中正把（其中正面滚刀面滚刀40把，偏心滚刀把，偏心滚刀4把）把）17寸盘形滚刀，共计寸盘形滚刀，共计45把（无偏心把（无偏心滚刀）滚刀）双刃滚刀双刃滚刀17寸盘形滚刀，共计寸盘形滚刀，共计5把把17寸盘形滚刀，共计寸盘形滚刀，共计4把把滚刀间距滚刀间距76/92mm90/10

10、0mm滚刀轨距滚刀轨距52条条52条条刮刀刮刀188把，其中周边刮刀把，其中周边刮刀24把把106把，其中周边刮刀把，其中周边刮刀16把把滚刀与刮刀高差滚刀与刮刀高差140/95mm160/110mm超挖刀超挖刀1个个无无三、复合地层盾构施工三、复合地层盾构施工始发井始发井端头加端头加固固特殊构特殊构筑物加筑物加固固全断面全断面软岩掘软岩掘进控制进控制上软下上软下硬段掘硬段掘进控制进控制全断面全断面硬岩掘硬岩掘进控制进控制复合地复合地层中带层中带压作业压作业3.1始发井端头加固 水纹地质条件：水纹地质条件： 本标段勘察期间地下水位埋深1.00-5.45m，水位高程18.35-32.71m，水位

11、变幅0.50-2.00m。 岩石富水性和透水性与节理裂隙发育情况关系密切，节理裂隙发育的不均匀性导致其富水性和透水性也不均匀。 加固目的：加固目的： 改良端头土体，提高端头土体强度，堵塞颗粒的间隙和地层的水，确保盾构机始发安全。 与一般地基加固的不同之处是不仅仅要有强度要求，还要有抗渗透性要求。2#2#盾构始发井端头加固采用咬合旋喷桩，盾构始发井端头加固采用咬合旋喷桩，桩型为直径桩型为直径600600，间距为，间距为500mm500mm，有效桩，有效桩长长 16.5m16.5m，端头加固宽度为，端头加固宽度为8m8m，长度，长度16.5m16.5m。为了确保盾构始发时的洞门破除施工的安全以及各

12、地层的稳定，在左线端头地连墙前方增加一排直径1m的素砼桩加固，桩心间距为1m, 素砼桩有效桩长23m,共计13根；素砼桩间采用直径0.6m的旋喷止水桩咬合，旋喷止水桩有效桩长16.5m，空桩长6.5m，共计14根。3.2特殊构筑物加固 本标段盾构区间隧道埋深13米43米，隧道穿越大朗镇老城区，地表房屋密集，构筑物高达90%以上，其中包括高架桥、东明学校、华润万家超市、5-7层居民楼、天然基础的土砖瓦房。 在广州地区的复合地层，在扰动状态下掌子面不稳定，地面沉降量和沉降速率均较大，采取何种施工措施控制建构筑物的变形是盾构施工的难点。 盾构施工机理和地质情况的限制，掘进时将引起地面隆起和沉降。如沉

13、降或隆起超过建构筑物或管线允许的变形控制极限，造成地面建构筑物和管线的变形、开裂，甚至建筑物倒塌，可能带来的纠纷对施工产生不可忽视的影响，不但影响施工进度和施工安全，并且会造成严重的社会不良影响。本段隧道在GDK 38+300处下穿省道S357银朗南路，右线线路中心与银朗南路线路中心以64的交角与银朗南路斜交，并下穿银朗南路大井头跨线桥，从桥跨桩基间穿过，呈西南至东北走向。隧道埋深约13m，左、右线线路中心间距约28.5m。盾构隧道主体结构分别从该桥的30m小箱梁两跨间桥桩桩基之间穿过,其中隧道左线从桥梁号墩和号墩之间穿过，隧道右线从桥梁号墩和号墩之间穿过。桥墩下部结构采用2.5m（长）*2.

14、5m（宽）*1.5m（高）承台结构，承台以下采用直径1.5m桩基础。其中桩基础深度分别为：号墩左桩长34.22m、右桩长32.5m；号墩左桩长34.98m、右桩长33.5m；号墩左桩长38.39m、右桩长36.82m。为保证盾构施工期间大井头跨线桥的安全，在桥桩基础外布置两排斜向袖阀管，钻孔同排间距0.8m，两排袖阀管距基础边的距离根据基础深度来确定，采用梅花型布置，尽量减小无法加固区域；钻孔布置可根据现场实际情况适当调整钻孔位置及间距。整个注浆结束后采取水泥砂浆进行封堵处理。注浆深度为桩基基底以下2m或进入微风化岩层则注浆深度入微风化层0.5m。房屋预注浆加固根据建筑物基础、地质水文及隧道埋

15、深条件，对建筑物天然基础下的松散土体及管桩周边地层进行主动注浆加固，以改善天然基础地层并加强管桩与土体摩阻力。房屋跟踪注浆加固根据建筑物基础、地质水文及隧道埋深条件，对隧道开挖中因失水、应力释放等形成的间隙或松散土层根据监控量测结果进行注浆，当建筑物沉降变形监控量测值大于设计警戒值（控制值的80%）时应立即停止隧道开挖及时对建筑物基础进行单排袖阀管跟踪注浆（跟踪注浆加固施工方法同预注浆加固方法）。大朗镇大井头村大朗镇大井头村盾构左线盾构左线盾构右线盾构右线3030米边界线米边界线掘进方向掘进方向 位于居民密集区段的天然基础建筑物，由于道路狭小，场地有限，钻机无法进入时，钻孔施工采用洛阳铲。有砼

16、硬化的地面使用多功能砼钻孔取芯机打穿硬化层，注浆钻孔深度为4.5m。 基础型式为桩基础的框架结构物，注浆加固深度超过15m的采用地质钻机施工。 房屋基础外布置两排斜向袖阀管，钻孔同排间距1.0m，两排袖阀管距基础边的间距根据基础深度确定（注浆深度为地面至建筑物基础底以下2m），两排注浆孔之间采用梅花型布置，尽量打设斜孔到房屋投影下方，尽量减小无法加固区域；钻孔布置可根据现场实际情况适当调整钻孔位置及间距。3.3全断面软岩掘进控制为了控制地表密集房屋的为了控制地表密集房屋的沉降，业主要求盾构掘进沉降，业主要求盾构掘进采取保守的满仓高压模式，采取保守的满仓高压模式，这种掘进模式相对较为安这种掘进模

17、式相对较为安全，但是满仓高压增大了全，但是满仓高压增大了盾构机掘进负荷，盾构掘盾构机掘进负荷，盾构掘进缓慢，土仓极易结泥饼，进缓慢，土仓极易结泥饼，滚刀被包死最终导致偏磨，滚刀被包死最终导致偏磨，带压进仓清理泥饼、更换带压进仓清理泥饼、更换刀具频繁。刀具频繁。措施：措施：1.1. 尝试保气压半仓掘进，尝试保气压半仓掘进，减小盾构机掘进负荷，减小盾构机掘进负荷，提高掘进速度。提高掘进速度。2.2. 土仓加装高压水路，防土仓加装高压水路，防止泥饼生成。止泥饼生成。3.3. 调节发泡率，提高渣土调节发泡率，提高渣土改良效果。改良效果。4.4. 调整滚刀扭矩，防止刀调整滚刀扭矩，防止刀具偏磨。具偏磨。

18、3.4上软下硬段掘进控制 上软下硬地层掘进上软下硬地层掘进过程中，最大危害过程中，最大危害是下面硬地层造成是下面硬地层造成掘进速度慢，但在掘进速度慢，但在较慢的掘进速度下，较慢的掘进速度下，刀盘对土体不断扰刀盘对土体不断扰动，上面的软土流动，上面的软土流入土仓，容易造成入土仓，容易造成超挖，导致地面严超挖，导致地面严重沉降，甚至重沉降，甚至“塌塌通天通天”。措施措施带压作业严格按技术交底进带压作业严格按技术交底进行，做好应急准备行，做好应急准备刀具选用配置合理，减少开刀具选用配置合理，减少开仓频率仓频率转动螺旋输送机，排出底部转动螺旋输送机，排出底部渣石渣石严格控制顶压，建立动态平严格控制顶压

19、，建立动态平衡衡掘进参数异常时及时分析调掘进参数异常时及时分析调整整采用小推力、低转速模式掘采用小推力、低转速模式掘进进风险风险带压作业风险极大带压作业风险极大掘进速度慢，超挖难控制掘进速度慢，超挖难控制喷涌，出土量难控制喷涌，出土量难控制刀具磨损异常刀具磨损异常盾构姿态难控制盾构姿态难控制3.5全断面硬岩掘进控制全断面硬岩盾构掘进相对较为安全断面硬岩盾构掘进相对较为安全，但是进仓检查更换刀具频繁。全，但是进仓检查更换刀具频繁。岩层过硬时如果检查更换偏心刀岩层过硬时如果检查更换偏心刀不及时容易出现盾构机卡壳。不及时容易出现盾构机卡壳。岩层过岩层过“脆脆”时掘进容易出现大时掘进容易出现大块石头，

20、卡死螺旋输送机、砸断块石头，卡死螺旋输送机、砸断土仓搅拌棒、泡沫管路、砸坏土土仓搅拌棒、泡沫管路、砸坏土仓传感器、管路连接箱。仓传感器、管路连接箱。岩层过岩层过“硬硬”时刀具异常损坏。时刀具异常损坏。拱顶岩层过薄时，如果土仓保压拱顶岩层过薄时，如果土仓保压过低会造成地层失水过多引起地过低会造成地层失水过多引起地表沉降。表沉降。停机过长时螺旋机会包死。停机过长时螺旋机会包死。岩层裂隙水过多时会造成管片上岩层裂隙水过多时会造成管片上浮、螺旋输送机喷涌。浮、螺旋输送机喷涌。措施：措施：1.1.定期进仓检查更换刀具，尤其是定期进仓检查更换刀具，尤其是检查负责开挖直径的刀具以及中心检查负责开挖直径的刀具

21、以及中心刀具，防止盾构机卡壳或中心变形。刀具，防止盾构机卡壳或中心变形。2.2.定期进仓复紧刀具螺栓，打捞土定期进仓复紧刀具螺栓，打捞土仓金属异物。仓金属异物。3.3.采用高强耐磨刀具，有计划分区采用高强耐磨刀具，有计划分区域进行更换，提高刀具使用效率。域进行更换，提高刀具使用效率。4.4.根据地层情况随时调整掘进参数。根据地层情况随时调整掘进参数。5.5.在不明地层时或地层较为脆弱时在不明地层时或地层较为脆弱时采用保压掘进，防止地层失水过多。采用保压掘进，防止地层失水过多。6.6.掘进过程中加适量膨润土，改良掘进过程中加适量膨润土，改良渣土。渣土。7.7.足量进行同步注浆，及时跟进二足量进行同步注浆，及时跟进二次注浆，固定管片防止管片上浮。次注浆，固定管片防止