基于复杂地质条件下盾构法隧道施工
基于复杂地质条件下盾构法隧道施工
摘要：随着交通发展，地铁作为城市交通的一部分将越来越重要。由于地下铁道的特性，地铁隧道必然发生地质交叉。在这种背景下，我们有必要研究地质变化和地面建筑对下穿隧道施工的影响，该影响包括盾构机设备的选择，掘进的速度，掘进模式的转换等。文章对这种影响进行简要分析并提出简单建议。
关键词：盾构;高强度;施工技术;
Abstract: with the development of city traffic, subway as part of the traffic will be more and more important. Due to the characteristics of underground railway, subway tunnel inevitable geological cross. In this context, it is necessary for us to research geological changes and ground construction of tunnel under construction influence, the effect of including the shield machine equipment choice, driving speed, driving mode conversion. Based on this effect are briefly analyzed and proposals.
Keywords: shield; high strength; construction technology;
中图分类号：U455.49文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）
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一、工程概况
某地铁工程区处在周边环境复杂，且地质条件复杂，尤其是区间左右线穿越近3140m高强度硬岩段且间杂软弱地层，给施工带来很大的难度。
二、复杂地质条件下掘进施工
盾构在硬岩地层、软硬不均地层中的掘进，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。加上所掘进硬岩强度高、软弱岩层遇水极易崩解、且地层层间水丰富的特点，使得掘进施工难度倍增。本区段施工要求高，提前做好机械设备、技术支持等施工准备工作，认真分析地质条件为长距离掘进高强度硬岩段间杂软弱岩层段打好坚实的基础；施工过程中准备的判断碴样，经过碴样试验、分析，结合详勘、补勘资料确定所掘进的地层，以采取相应的措施。
1、配置合适的刀盘
根据区间地质状况，针对区间硬岩地层，刀盘配备以破岩能力为主的重型滚刀。
1)滚刀设置
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。
2、掘进模式
硬岩段→敞开式掘进模式；
上软下硬→土压平衡掘进模式；
软弱岩层段→土压平衡掘进模式。
3、选定掘进参数
1）上软下硬地层掘进参数
软弱岩层段向硬岩段过渡掘进、硬岩段向软弱岩层过渡段掘进采用“土压平衡模式”掘进。
a.采用小推力低转速，适当降低掘进速度，使刀盘对底部较硬地层进行充分破碎。
b.严格控制出土量。如发现出土量过大要逐步增加土仓压力，将每一环的出土量控制在理论值的95%～105%。
c.重视盾构基础数据的异常反馈，认真分析其异常原因，并采取果断措施；密切注意工程地质及地表沉降变化情况，及时调整掘进参数、减少对地层的扰动、控制地表沉降在允许范围内。
d.严格进行同步注浆，保证注浆压力及注浆量，充分填充盾尾和管片之间的建筑间隙，以减少周围土体变形。
e.根据盾构推进的地质预报及出土情况分析，充分了解前方地层情况，及时添加调整渣土改良材料，以改良渣土，防止产生“泥饼”和“喷涌”。
f.及时对盾尾密封添加足量的油脂，确保盾尾的密封性，以防止盾尾密封不好而产生漏水、漏浆和漏砂现象。
g.合理利用盾构铰接油缸，改变刀盘倾角以加强对砾质部位的切割，提高盾构掘进过程中的轴线控制能力。
h.增加土仓内的泡沫注入量，以减少刀具的磨损并防止开挖面失稳。
2)硬岩段掘进参数
硬岩段掘进采用敞开掘进模式，遵循“高转速、小推力”原则选取参数，以提高纯掘进速度。其掘进参数确定如下：盾构机在通过全断面微风化地层时盾构机推力10000～14000KN； 盾构机扭矩控制在2200-2600KN/m； 推进速度为 8～13mm/min；刀盘转速为1.7～1.9转/分钟。
三、复杂地质条件下施工技术措施
1、掘进模式转换
在盾构推进过程中，因地层的变化，会发生硬岩→穿越硬岩→上软下硬→软弱岩层之间的地层转换，掘进模式应随着地层变化及时调整。
应结合该区段范围的地质纵断面图及相应钻孔地质资料对渣样分析进行综合分析，确定盾构机当前的地质水文隋况，并预测盾构前方的地质水文情况，同时与盾构推进该段的推进参数变化情况进行分析对比，确定下一步应采取的施工措施。
施工现场渣样分析简易判定：
（1）渣样岩土特征：岩石成分，颜色、状态、硬度、风化程度、掌子面隐定性。
（2）含水性分析：含水量、渗透性。
（3）盾构推进参数分析：土仓压力、推力、扭矩、推进速度、刀盘油温、注浆量及压力。
综合以上各项参数分析，结合设计地质勘探资料分析报告，确定当前盾构所处的地质水文情况，并及时调整盾构推进参数或采取其他辅助措施，实现信息化施工，保证盾构机安全、快速的推进。
2、刀具检查及更换
为确保盾构顺利掘进，根据以往经验拟定了换刀位置及区域，为硬岩掘进、从硬岩进入软弱岩层以及软弱岩层的掘进提前准备。
1）检查及更换的位置选择
（1）硬岩段
根据刀具的磨损情况，在地层稳定的情况下，有计划的开仓进行刀具检查及
更换。掘进过程中，根据地层情况，每隔2-3环或遇到特殊情况时检查刀具情况，逐渐的掌握所配刀具在相应地层的适应性和磨损情况。
（2）软弱岩层段
出全断面硬岩之前，进入上软下硬地层掘进前；必须选择适当的位置进行刀具检查并更换磨损超标刀具。
（3）带压换刀
因地层含砂量大，石英含量高，且地层粘性度大，刀具磨损快，且极易形成泥饼。为了确保盾构机顺利掘进，经判断有泥饼形成、刀具磨损过大的情况，必须选择合适的位置及时带压进仓更换刀具或清理泥饼，确保后续施工正常。
2）硬岩段的刀具检查
根据地质勘察报告，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4～5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。
3）其他控制措施
（1）过硬岩段掘进时严格控制盾构推力，实时观察推力变化，防止过大推力造成局部刀具破坏和管片破裂。
（2）过硬岩段可适当减小泡沫剂用量，泡沫剂浓度控制在2%左右，掘进速度过小的情况下泡沫剂浓度还可以再减小一点；但注意减小泡沫剂用量时要向土仓内加水，以降低土仓温度，减小刀具、刀盘磨损。
3、碴土改良及出碴管理
1）碴土改良
泥饼（次生岩块）是盾构刀盘切削下来的细小颗粒、碎屑在密封仓内和刀盘区重新聚集而成半固结或固结的块状体。
隧道软弱地层大部分为残积层、及风化岩层、、、、，此类岩层，易产生泥饼；掘进过程中需进行碴土改良，以防止泥饼产生。
根据土层情况向刀盘和土仓内加入泡沫、膨润土等渣土改良剂，使搅拌后的切削土体具有止水性和流动性，既可顺利排出渣仓，又能降低扭矩，减小刀具的磨损。
a.通过盾构机上的泡沫系统注入泡沫，泡沫的组成比例如下：
泡沫溶液的组成：泡沫添加剂3%，水97%。
泡沫组成：90～95%压缩空气和5～10%泡沫溶液混合而成。
泡沫的注入量按开挖方量计算：300～600L/m。
b.通过膨润土注入系统以悬浮液的方式注入膨润土，其体积使用量为20%～30%。拌制的悬浮液泵入储存罐后通过不同的注入口分别注入到开挖仓及螺旋输送机进口处。
c.必要时可考虑在土仓注入泥浆。其配合比为：水:膨润土:粉煤灰:添加剂=4:1:1:0.1，加泥量为5%～20%出土量。
2)出碴管理
掘进过程必须对出碴量有详细的记录及统计，理论出碴量可以根据推进进尺×断面面积×松散系数或者推进速度×断面面积×松散系数确定。
4、盾构姿态控制及纠偏
利用PPS系统对盾构机姿态的实时监测显示，根据地层的软硬分布情况，分区操作推进油缸，设定推力和推进速度，实现对盾构姿态的实时控制，必要时一个掘进循环可分几次完成。
1）纠偏方式
盾构机掘进时，总是在进行蛇行，难免出现姿态偏差，蛇行修正以长距离慢慢修正为原则，盾构机姿态采取以下调整（纠偏）方式；纠偏方式有：滚动纠偏、竖直纠偏和水平方向纠偏等。
2）纠偏控制
盾构掘进的纠偏量越小，则对土体的扰动越小。由于同时处于小半径（左线360m、右线350m）右转弯圆曲线段、上软下硬地层及下穿密集建筑群，为防止盾构机抬头以及管片上浮及向圆曲线外侧移动，需要对掘进方向进行预偏。
通过PPS系统及DTA测量系统的差值（盾构机中心坐标与原点坐标的差值），调整盾构机姿态为：垂直方向控制在-30～-40mm之间，水平视平方向应控制在0～+15mm之间。
根据管片监测情况，如管片上浮量较大，则垂直偏差可调整为-40～-50mm之间。同时应加密移站频率，减少移站后出现的轴向偏差。
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