盾构过后底岗硬岩段施工方案

1、广州市轨道交通四号线大学城专线【仑头大学城站盾构区间】土建工程盾构过后底岗硬岩段施工方案编制：审核：批准：中铁十三局集团有限公司广州地铁项目经理部二四年六月盾构过后底岗硬岩段施工方案一、工程概况本区间隧道从仑头盾构始发井始发约100m后即进入后底岗硬岩段。此段区间隧道右线起迄里程为YDK16+317.48485.1，全长167.62m，左线起讫里程为ZDK16+304.66498.18，全长193.52m。隧道埋深3545m之间。此段区间隧道平面如图1所示。图1盾构过后底岗硬岩段平面示意图根据投标文件，本区段原设计采用矿山法施工盾构拼装管片通过，根据我部对后底岗的地质补充勘察资料及目前实际情况

2、，拟采用盾构法通过。二、工程地质根据地质勘察报告及仑头后底岗段补充勘察资料，仑头后底岗段地层主要包括震旦系变质岩、白垩系红层和第四系土层，其中基岩岩性以广三断裂为界。后底岗盾构穿越硬岩段为震旦系变质岩，揭露主要为条带状混合岩，呈浅灰、浅青灰色鳞片花岗变晶结构，具条带状构造，由石英、钾长石、斜长石、黑云母组成，另见有微量电气石、榍石、石榴石等。本段区间隧道穿越地质情况如下图2所示。图2区间隧道地质剖面图根据地质总剖面图显示，盾构过仑头后底岗段主要穿越混合岩强风化带、混合岩中风化带和混合岩微风化带。为混合岩强风化带，岩石已遭强烈风化，风化裂隙发育，岩芯多呈土夹碎块状，手捏易碎。地质勘察揭露天然单轴

3、极限抗压强度最小值0.7 Mpa ，最大值3.94Mpa，平均值2.09Mpa。该层厚度0.937.70m，平均8.64m。顶面埋深0.0040.60m。为混合岩中风化带，岩石中粗粒结构，块状构造，节理裂隙较发育，岩芯较新鲜，多呈碎块状，局部短柱状。该层厚度0.723.00m，平均4.51m。顶面埋深4.5043.00m。为混合岩微风化带，中粗粒结构，块状构造，裂隙多较发育，岩芯呈短柱状、碎块状为主，部分长柱状，岩石成分为火山岩、硅质砂岩、石英岩等，岩石较完整而坚硬。该层厚度1.0023.60m，平均7.87m。顶面埋深12.5045.50m。本区间地质详勘在仑头后底岗硬岩段共有钻孔8个，后期

4、我们针对后底岗硬岩段又进行补充钻孔9个。钻孔平面布置如图3所示。根据地质钻孔柱状图和地质报告，隧道穿越地层物理力学参数见表1所示，其RQD值汇总见表2。表1隧道穿越地层物理力学参数表地层编号岩土名称天然重度（kN/m3）渗透系数（m/d）粘聚力kPa抗压强度MPa颗粒分析RQD值%特征描述强风化混合岩24.00.6050粉粒36%褐黄、褐红见灰白色，岩石已遭强烈风化，裂隙发育，手捏易碎，遇水易崩解。类中风化混合岩25.20.9050011.044.3平均23.1531褐灰、青灰色、褐红色，中粗粒结构，节理发育。类微风化混合岩26.5100021.798.1平均57.13274呈青灰色、褐灰色、

5、少量灰白色，中粗粒结构，裂隙发育。类图3 仑头后底岗地质钻孔平面布置图表2 岩层RQD值汇总表钻孔编号MDXC3-PG-617%74%MDXC3-PG-625%31%69%MDXC3-PG-6316%51%MDXC3-PG-648%62%MDXC3-PG-65032%MDXC3-PG-6661%MDXC3-PG-6739%三、采用盾构法施工的几点考虑根据招标文件及投标文件，此段区间隧道原设计采用矿山法施工、盾构拼装管片通过的施工方法。根据目前施工情况及仑头后底岗地质补充勘察，此段区间隧道拟采用盾构掘进直接通过。主要从以下几个方面考虑。1、从施工质量、安全等方面考虑，采用盾构掘进较矿山法可靠根据

6、以往类似工程的施工经验，采用先矿山法开挖后盾构拼装管片通过的施工方法较纯盾构掘进施工，在质量、安全方面存在许多不足，其比较见下表3所示。表3施工方法先矿山法，后盾构衬砌纯盾构掘进优点技术上不易受岩层硬度影响管片拼装质量、速度有保证。缺点管片拼装质量差：a.管片拼装错台大。b.止水胶条难压紧。c.易漏水。d.管片易开裂。f.拼装方向偏差大。只要加强质量监控，前述质量缺陷可以避免。总体比较拼装质量较差，难控制。质量易控制。从上表可见，由于矿山法隧道开挖净空较盾构法大，且其结构形式为圆形，矿山法隧道开挖轮廓控制较困难，矿山法隧道净空与盾构法隧道净空间存在较大的空隙，给盾构拼装管片带来许多不利。同时，

7、采用喷射砼和二次补浆填充此部分空隙又很难保证质量。因此，纯盾构法施工在质量方面优于矿山法施工。2、从工期、进度方面考虑，盾构掘进速度快从工期方面考虑，盾构法施工较矿山法施工进度快，其比较如表4所示。 表4施工方法先矿山法，后盾构衬砌纯盾构掘进施工速度300m硬岩段采用矿山法，初支、开挖约2m/天，共需150天；随后采用盾构衬砌，约10环/天，共需20天；两项总计需170天。在硬岩段掘进速度约为34环/天，共需5070天。总工期比较工期较长，与目前工期较为紧张的实际情况不适应。较矿山法节省100天以上，有利于缓解工期紧张的现状，十分具有可行性。3、从地质情况考虑，后底岗硬岩段岩性均匀，同时受广三

8、断裂的影响，裂隙较发育，有利于盾构施工对于盾构机破岩来讲，是整个刀盘全部刀具的整体行为，特别是对于滚刀，根据广州地铁以往硬岩施工经验，在过硬岩段时存在以下不利地质条件：（1）在地层中夹杂硬岩地层此种地质情况下，盾构机在掘进过程中，软岩较易破碎，而硬岩不易破碎，这样，当滚刀接触到硬岩时，硬岩即在软岩中产生移动，并没有被破碎，而是在磨损刀具，甚至磨损刀盘。（2）软硬不均地层中盾构掘进此种地质，在盾构刀盘上半断面为、软岩，下半断面为地层。盾构掘进过程中，刀盘每次旋转时，均有从软岩向硬岩转换的瞬间，产生个别滚刀瞬间冲击，从而磨损滚刀。根据地质纵剖面图，在仑头后底岗硬岩段，区间隧道全断面均匀穿越地层，掘

9、进断面地质均匀，有利于盾构掘进和开仓刀具检查。4、从盾构机性能考虑，选用的盾构配置能够通过硬岩段根据地质详勘和补充勘察资料，仑头后底岗段岩石最大抗压强度为98.1MPa，最小21.7MPa，平均为57.1MPa，岩石RQD值为3274%，岩石裂隙较发育。我们采用的德国海瑞克盾构机刀盘设计破岩能力为180MPa，其刀盘布置如下图4所示。图4 硬岩段盾构机刀盘布置示意图其刀具配置为：4把中心滚刀，31把单刃滚刀，64把切刀，8把弧形刮刀，1把超挖刀。刀盘中心开口率25%。盾构机最大推力为34200KN，最大扭矩为5300KNm。从盾构机的技术参数和性能来看，我们的盾构机能够满足硬岩掘进的要求。5、

10、从经验积累方面考虑，此段采用盾构掘进有利于过仑头海施工从本区间总体地质情况来看，我们在过仑头后底岗段和过仑头海段均要通过地层。仑头海段地质纵剖面见图5所示。从地质纵断面图可见，仑头海中间段右线YDK16+907.76YDK17+100范围（长度192.24m）隧道穿越、地层，此处共有地质钻孔7个，隧道穿越范围地层物理力学参数见表5所示。表5 仑头海硬岩物理力学参数表钻孔编号混合岩中风化带混合岩微风化带RQD值地层描述RQD值地层描述MDXC3-PG-SO50灰色 ，岩芯呈碎块状，击之易碎9%MDXC3-PG-SO70灰色，岩芯呈碎屑状0灰色，岩芯呈碎块状，见二组节理，倾角60度MDXC3-PG

11、-SO80灰色 ，岩芯呈碎块状0灰色，岩芯呈短碎块状，见二组节理MDXC3-PG-S100灰色 ，岩芯呈碎块状，击之易碎47%灰色，呈碎块长状，见一组节理，倾角60度MDXC3-PG-S120灰色 ，岩芯呈碎块状，击之易碎9%灰色，呈碎块短柱状，见三组节理MDXC3-PG-S130灰色，红色，岩芯破碎，呈碎屑状15%灰色，红色，呈碎块短柱状，见二组节理，裂隙闭合MDXC3-PG-S150灰色 ，岩芯呈碎块状，击之易碎28%灰色，红色，呈碎块短柱状，见二组节理，裂隙闭合相对来讲，仑头后底岗段地质环境较仑头海段好，我们通过仑头后底岗硬岩段盾构掘进过程，可以积累盾构施工的经验，掌握盾构掘进的刀具磨损

12、情况、盾构推进速度、扭矩、推力，从而为过仑头海段硬岩施工积累经验，确保盾构顺利通过仑头海硬岩段。基于上述六点原因及地质情况，我们认为，我们所选择的盾构机能够通过仑头后底岗硬岩段。因此，仑头后底岗硬岩段拟采用盾构掘进直接通过。四、施工措施及对策对于仑头后底岗硬岩段，无论是在思想认识、人员培训，还是在设备性能维护、配件储备，我们都有深刻的认识，做好了充分的准备。对于仑头后底岗硬岩段，盾构掘进施工过程中有以下重、难点。1、合理的盾构掘进参数盾构机从始发井采用土压平衡模式掘进通过广三断裂到达后底岗硬岩段，盾构掘进模式从土压平衡模式转换为敞开模式，盾构以敞开模式通过后底岗硬岩段。硬岩段敞开掘进时，遵循“

13、高转速、底扭矩”原则选取参数，以提高纯掘进速度。其掘进参数确定如下：盾构机推力25000KN，盾构机扭矩2400KNm，滚刀嵌岩深度为6mm，推进速度为2436mm/min。在实际施工过程中，根据盾构掘进情况，适当调整上述掘进参数。2、合适的刀盘配置盾构机采用滚刀进行破岩，其破岩形式属于滚压破碎岩石。滚压破碎岩是一种破碎量大、速度快的机械破岩方法，其特点是靠工具滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的。如图5所示是滚刀滚压破碎的示意图，轴力P使滚刀压入岩石，滚动力矩M使滚刀滚压岩石，两者的共同作用使滚刀随着刀盘的转动和自身的旋转而在开挖面上压切产生沟槽，每一个刀刃在岩石上压切出一条沟

14、槽。在向沟槽施加压力时，刀刃与岩体间产生侧向剪切力，如果产生的剪切力高到足以使槽间岩石破碎时，由于岩石具有的脆性，槽间的岩石就形成碎块而掉落。图5 滚刀滚压破岩示意图1、断裂体 2、碎断体 3、密实承载体一般情况下在滚压破碎中推力是主要的参数，因为它决定了扭矩（滚动力）以及其它参数；但是在决定滚压破碎的功率中扭矩是最主要的参数，因为它占破碎功的绝大部分。针对仑头后底岗硬岩段，我们的盾构机刀盘配置了4把中心滚刀，31把单刃滚刀，64把切刀，8把弧形刮刀，1把超挖刀。能够满足硬岩掘进施工要求。3、刀盘、刀具的磨损在硬岩地段掘进施工，刀具、刀盘的磨损较大。为此，在硬岩段盾构掘进施工，我们储备了221

15、把破岩滚刀、151把滚刀刀圈（相当于12盘破岩刀盘），27把中心滚刀。同时，我们正在进行重型刀具的调研，准备选用HTS刀具或合金钢刀具，作为盾构过硬岩段的刀具储备。施工过程中，一旦发现刀具磨损较大，则选择合适位置更换刀具。在硬岩地层掘进时，定期检查螺旋输送机的叶片并及时更换，必要时采取措施加强刀具的冷却，向土仓内、刀盘面板和螺旋输送机内注入膨润土。在硬岩段盾构掘进的同时，我们要仔细、认真的总结、积累地层盾构机在不同掘进参数下的刀具磨损情况，成立刀具检查维修小组，对刀具进行研究和管理，制定盾构掘进的“刀具管理程序”，从而为后续盾构过仑头海硬岩积累宝贵的经验，确保过海施工顺利通过。4、刀具的检查和

16、更换在以往类似工程施工过程中发现，盾构在硬岩掘进过程中，往往是一个或几个滚刀由于磨损超限而没有及时更换，其破岩能力相对减小，其他滚刀的破岩功相对要大而产生较严重的磨损直至破坏，最终导致整盘滚刀的磨损，盾构破岩能力的下降。因此，我们在仑头后底岗硬岩段掘进时，必须加强对刀盘、刀具的检查与更换的管理工作。我们已与海瑞克公司联系采用一种快速对刀具检查的方法，可利用管片拼装的时间，对刀具进行检查，达到不影响盾构掘进速率的目的。根据地质勘察报告，仑头后底岗硬岩段刀盘前方地质条件单一，均为地层，其上覆土为地层，盾构有条件根据刀具磨损情况随时开仓进行刀具检查或换刀施工。因此，盾构在硬岩段掘进过程中，要求每掘进

17、2环，即进行一次刀具检查。特别是周边滚刀磨损量的检查，以保护好盾构机刀盘。周边滚刀的磨损标准为15mm，正面滚刀的磨损标准为25mm，一旦达到更换标准必须及时更换，以免造成掘进困难及刀盘磨损。5、盾构姿态控制盾构在硬岩段掘进时，通过刀盘前方的推力和扭矩共同作用进行破岩。因此，盾构在硬岩段掘进时会产生很大的扭矩，从而产生盾体的翻转。同时，在硬岩段掘进过程中，如果盾构姿态控制不好，经常进行纠偏，势必会造成刀盘前方工作面的凸凹不平，极易产生滚刀的不均匀受力而发生磨损。为此，采取如下措施：（1）制定合理的盾构掘进参数，特别是滚刀的嵌岩深度。防止盾体产生过大的扭矩而发生滚动偏差。（2）若盾壳已发生偏转，

18、则采用刀盘反转，慢慢调正。在切换刀盘转动方向时，应保留适当的时间间隔，切换速度不宜过快。（3）根据掌子面地层情况及时调整掘进参数、掘进方向避免偏差累积过大；蛇行修正应以长距离慢慢修正为宜。（4）在进入硬岩段前有部分隧道上部为、地层，下部为地层，盾构掘进时，应注意防止盾构机仰头。当盾构机仰头上偏时，可通过局部调正推力千斤顶的推进度，向哪个方向偏差，即加大该区组千斤顶的推进度，达到纠偏的目的。6、施工参数的总结本工程在仑头后底岗段和仑头海段均存在硬岩地层，因此，盾构掘进通过硬岩地层是不可避免的。仑头后底岗段地面环境较好，无居民建筑，隧道上方覆土条件较好，而仑头海硬岩段在仑头海水下，隧道上方覆土厚度

19、相对较小，覆土地层较差，此处盾构过硬岩段施工存在一定的风险。因此，通过仑头后底岗硬岩段盾构法施工，可以积累盾构机在此硬岩地层中的掘进参数，刀具的磨损情况等相关信息，也起到“练兵”的作用，为盾构过仑头海施工提供充足的技术储备。五、其他施工措施1、刀具磨损的措施根据刀具、螺旋输送机、刀盘检查情况，若刀具磨损较为严重或超过限定值，需立即进行换刀。（1）现场储备221把破岩滚刀、151把滚刀刀圈、27把中心滚刀，随时准备更换。（2）制定刀具管理制度，成立刀具检修小组，负责刀具磨损的日常检查及研究。（3）盾构掘进每2环即进行一次刀具检查，防止刀具磨损超限。（4）适当向刀盘前方面板注入膨润土、泡沫或水，减

20、小刀具破岩产生的热量，减小刀具的磨损，延长刀具的使用寿命。（5）调研其他材质的重型刀具，并适当储备。2、岩石强度过硬，盾构无法掘进的措施在盾构进行硬岩掘进过程中，如果出现盾构无法掘进的现象，则采取如下措施：（1）安装完成管片，停止掘进，关闭出土闸门，对刀具进行检查，并探明刀盘前方地质情况。可利用盾构机刀盘前方的探孔进行超前地质钻探。（2）更换重型刀具，重新掘进一环，确定其刀具是否满足硬岩掘进的要求。3、换刀的措施换刀过程中加强地面检测工作，监测频率为3-4次/天，必要时监测频率为1次/2h或1次/1h，换刀作业时派专人巡检。在盾构恢复推进前安排监测人员进行巡查工作。当发现异常情况时，监测负责人

21、立即通知换刀作业值班人，命令工作人员撤离土仓，关闭土仓闸门，马上进行密闭式（不出土）推进工作，找到新的围岩稳定地点进行换刀作业。同时加强地表监测，准备砂土以防地表坍塌时可以马上进行回填工作。在开土仓之前应联系好有关单位，使出现险情时能及时通知有关单位进行抢险工作。六、施工预案根据目前地质调查情况，考虑实际盾构施工过程中，可能出现由于地层岩性较硬，盾构通过较困难或无法通过的现象。为此，我们制定了如下不同情况的施工预案。1、短距离岩石坚硬、盾构无法掘进的施工预案根据后底岗硬岩段地质补充勘察报告，在右线YDK16+350.28附近和左线ZDK16+391.6附近，地层抗压强度较大，其抗压强度平均值分别为78.2MPa和67.1MPa。考虑此段隧道上方地层条件较好，具备随时开仓的条件，如果盾构掘进至此段地层后无法掘进，拟采用静态爆破的方法，先进行预裂破碎后，盾构机再掘进通过，其施工方法为：（1）盾构停止掘进，螺旋输送机出土，清理土仓内的碴土。打开人闸与土仓间的闸门冷却土仓，释放土仓异味；（2）检查盾构机承力墙上的球阀及闸阀，对堵塞的球阀及闸阀