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1、 仑-大盾构过河段掘进难点及措施 王 成 姚明会 柴 永 模 2005.11 摘要：以广州市轨道交通四号线大学城专线中，仑头至大学城区间右线隧道，盾构机过仑头海掘进和在江底被困为例，阐述盾构机过河段掘进难点及措施，以利类似工程借鉴。关键词：隧道，盾构掘进，难点，措施。1仑-大区间隧道过河段工程概况1.1隧道平纵断面设计本盾构隧道左、右线北起仑头后底岗山下的盾构始发井，穿过广三断裂带、300m硬岩段（原设计为钻爆法开挖）、密集的仑头村民房、仑头海、果园林地下到达官洲站，过站后再始发穿过官洲村和官洲河，达到大学城盾构吊出井解体吊出。盾构掘进和拼装衬砌管片约3054环（共计4581m）。仑头海起止里
2、程为DK16+790DK17+360,全长570m，水面宽度418.87m，河床平缓。线路位于圆曲线和缓和曲线上，曲线半径分别为800m和450m，左、右线路线间距12.7m。仑头海底还设竖曲线2个，最小竖曲线半径为5000m，纵坡分别27.75下坡、4.08上坡和37上坡。一般水深11.16m，最深12.55m，涨落潮高差约2m。隧道顶部距河底最小距离12.68m。现以右线盾构穿越仑头海的掘进为例，说明盾构过河掘进难点及措施。1.2仑头海隧道段地质概况仑头海段右线隧道纵断面地质图如图1-1所示，各段地质说明于后： 隧道纵断面地质图1-1DK16+790DK16+840区间隧道主要穿过强风化混
3、合岩地层，洞顶覆盖层依次为强风化混合岩、全风化混合岩、砂质粘土、砂砾层（富水）、2-3中粗砂层（富水）和淤泥层，水深02.8m，隧道洞顶埋深1815m；DK16+840DK16+900区间隧道主要穿过中风化混合岩、微风化混合岩地层，洞顶覆盖层依次为强风化混合岩、砂砾层、淤泥质土和中粗砂层，水深2.86.0m，隧道洞顶埋深1815m；DK16+900DK17+080区间隧道主要穿过中风化混合岩、微风化混合岩地层，地层起伏较大，洞顶覆盖大部分缺5Z-1、5Z-2地层，依次为中风化混合岩、强风化混合岩、砾砂层、淤泥质土、中粗砂层、2-2淤泥质粉细砂层、2-1A淤泥层。隧道中有地层出露，厚度约2m7m
4、。水深610.8m，隧道洞顶埋深1815。DK17+080DK17+360区间隧道主要穿强风化混合岩、中风化混合岩、微风化混合岩复合地层，洞顶覆盖层大部分强风化混合岩、全风化混合岩层，但洞顶、厚度很薄且极不均匀，最薄处约为30cm，上覆层依次为砂砾层和淤泥质。为了增加该段的钻孔控制，以进一步查明局部地段对盾构施工的不良地质现象，我们将补充勘察工作委托广东省工程勘察院进行。其结论和建议如下：（1）本次补充勘察钻孔线路中，在仑头海的南侧有厚度较大的软土和砂层分布，其中粉细砂层在详勘中多为松散状态，为可液化土层，液化等级为严重（在本次补勘的钻孔中粉细砂层均为稍密或中密状态），在施工中应预以重视。（2
5、）在仑头海的南侧隧道洞顶易揭穿砂层，该砂层与仑头海中的地表水有直接水力联系，且本段洞顶有部分为软土，应采取防水和超前支护措施。施工时宜对围岩的变形进行监测，以便及时发现施工中的问题，及时处理。（3）在仑头海补充勘察段，隧道洞身顶部有类或类围岩，而底部为类围岩，同一横断面岩土可挖性等级差别较大，对盾构施工不利。1.3过河掘进段的主要难点根据线路平纵断面及工程地质情况，盾构掘进通过仑头海段施工有以下几个难点：（1）盾构掘进中的喷水、涌砂。由于隧道拱顶在仑头海两岸有饱和含水砂层，还有2m左右高差的涨潮和落潮反复影响，盾构掘进过程中易揭穿洞顶埋深较薄处的含水砂层而出现涌水、涌砂和管片上浮现象。（2）在
6、软硬不均的地层中掘进。由于地层软硬不均，盾构掘进振动及刀具磨损严重，掘进姿态难控制，掘进参数设定是重点和难点。（3）防刀盘结泥饼。在仑头海段掘进中，盾构机将穿越易结泥饼的、土层，特别是刀盘的中心部位使用滚刀的开口率最小，刀盘的中心部位极易产生泥饼，造成滚刀不滚动而偏磨损坏，掘进速度急剧下降，刀盘扭矩上升，渣土温度升高，甚至无法掘进。（4）换刀位置选择。由于仑头海范围宽达400m以上，较多地段是徵风化的混合岩，需进行一次甚至两次换刀，如何选择适当的检查和换刀地点，预先制定可靠的换刀方案，保证换刀工作的安全、快捷是本段盾构施工的一大难点。（5）气压下的换刀作业由于盾构在河床下面掘进距离较长，在气压
7、下进入土仓进行换刀难免，为此，对带气压作业人员的身体检查和业务培训是盾构施工的新问题。（6）河床沉降的监测。在盾构掘进前后轴线上监测河床沉降是盾构掘进地表沉降监测的延伸，其监测信息对河床中的建筑物控制有用，本工程进行了河床沉降监测。2难点问题的主要处理措施2.1不同喷水、涌砂原因的处理措施（1）正常的排土现象为刀盘切割下的渣土与刀盘面板上喷射出的泡沫（渣土改良添加剂）混合并进入土仓搅拌，变成密水性和流塑性好的渣土，并经土仓下部的中轴式螺旋输送机头部传送至螺旋输送机后部排土门，渣土在螺旋机管道中挤压传送10m左右后，由于管道栓塞作用将排土口土压力降至0.007MPa而顺利排土。如果排土口土压力大
8、于0.07MPa，就会在排土口产生喷涌，浆状的喷出物汇集在推进油缸处，造成拼装管片困难而不能掘进。（2）在岩石地层中停机2h以上再掘进时，由于水汇集土仓且水压逐渐升高，造成排土口喷水、涌砂。此种现象的处理措施有：若土仓中是不设定土压的开仓掘进，只需在掘进前排水卸压后，排土口喷、涌即可减弱或停止；若是在土压平衡掘进模式下，停止掘进时并向土仓加入略高于平衡土压的压气，采用压气止住水流浸入。（3）盾构掘进通过岩石断裂带后，由于断裂带的压力水不断冲洗管片背面未凝固的注入浆液，水流随时流入土仓，水压不断升高，击穿螺旋输送机中的栓塞，造成排土口喷水、涌砂严重，此时的处理措施如下：紧跟盾尾7m左右，及时向管
9、片背注入双液快凝浆，截断后面的水流通道； 选用轻便风动注浆泵及配套设备，安装在连接桥右侧平台处，可与掘进同步进行间断注入双液快凝浆液，可立即阻断后面来水，制止喷水、涌砂；浆液比例是水泥：水=1：0.8，水泥浆：水玻璃浆=1：0.5，凝结时间12S左右；目前广州地铁23台盾构机掘进中，在离盾尾五环管环距离、能紧跟盾构机掘进并与掘进同时进行双液注浆的施工企业中仅此一家，保证了穿越江底和密集民房下的掘进安全，对制止管环上浮也起到良好作用，深受各界好评。（4）防止盾体周围特别是正面来水造成的喷水、涌砂的措施是：正面来水主要是穿越透水砂层所致，采用泡沫注入系统注入泡沫聚合物改良砂质土层即可，本盾构机装有
10、泡沫聚合物注入系统，但泡沫聚合物价昂；向土仓中加气压止水原理掘进，可以取得较好的效果，需防止气压高而通“天”；在砂层掘进中注入膨润土浆（本机未购买膨润土注入系统），增加砂性土质的含泥量，提高渣土自身的密水性，从而使渣土在螺旋输送机中形成栓塞，达到防止喷涌的目的；如砂层离盾构顶部很近时，最有效的办法是预先在砂层中采用袖阀管注浆加固地层后，再掘进通过。该措施尽可能在地面实施，也可以利用机器内的预置设备实施。2.2在软硬不均地层中的掘进措施（1）采用土压平衡模式掘进，控制刀盘在切割下部硬岩时的振动；（2）适当减小推进力和推进速度，防止掘进时盾构机向上爬行；（3）严格控制掘进方向，将中铰油缸行程差控制
11、在有利调向位置，及时调整盾构机的姿态。2.3防刀盘结泥饼措施（1）根据岩土层的不同性质，正确选用改良土体的添加剂；（2）正确选用土体改良的添加剂，如泡沫添加剂（用粘质土）或膨润土浆（用于砂质土），正确选调添加剂与水的配比，泡沫发泡率和使用量，使土体改良达到好效果的同时，让刀具受到充分冷却、润滑，不易被泥土包住而形成泥饼。（3）切忌不使用泡沫添加剂的掘进。2.4换刀位置选择2.4.1 河底换刀地址选择及说明（1）根据对沿线地质环境的综合分析，过仑头海段右线检查及更换刀具地段位置选择见表2-1说明 。表2-1 右线换刀地段的选择及说明地段里程YDK16+785YDK17+050YDK17+350地
12、层情况洞顶自下往上依次为、自下往上依次为、地层、洞身地层地层、地面建筑为仑头海边公路隧道上方为仑头海果园说明距上个换刀地段约300m，盾构机掘进通过地层（有少量地层侵入隧道）后进入预定换刀地段，洞身岩层整体性强，可在无气压条件下换刀，此处换刀后盾构机仅在江底硬岩段再换一次刀即可通过仑头海底，减小海底换刀机率，防止刀具带病作业，更换整盘刀具。距离上个换刀地段虽有约260m，但该里程前后80m均具备检查和换刀条件，可灵活选址。隧道掘进通过、地层，地层约占1/2，无气压条件下换刀。距离上次换刀地段约300m，盾构机掘进通过、地层后进入预定换刀地段，开始换刀作业，把部分正面单刃滚刀换成强力刮刀（16把
13、）、部分中心滚刀换成大强力刮刀（2把），以适应盾构机将要掘进通过的地层。检查及更换刀具在无压条件下进行。线路坡度4.084.0837覆盖层厚度约30m。距离仑头海底约15m。约15m。注：右线过仑头海施工共有三次换刀，换刀前应有1-2次刀具检查，换刀时对设备进行全面检修，检查刀盘、刀具的磨损情况，修补刀盘、更换全部的刀具。（2）由于河床下的换刀作业，有许多不确定因素，为此，还准备了在土仓中带气压下的换刀作业，对带气压作业人员的身体进行检查和带压作业业务培训。（3）河底换刀作业中，由于右线在第3次换刀里程（YDK17+350）未到就被困，需要在被困处（YDK17+255）进行地层加固，实施气压下
14、换刀后才能继续掘进。2.5盾构机的脱困措施2.5.1盾构机在被困前的掘进描述右线掘进到河床中间硬岩地段更换了一盘新刀具后，再掘进了165m左右到达仑头海右岸一条小河涌叉口的水闸前，在这段（165m）掘进期间的现象有：1）由于掘进断面上岩土软硬不均，底部有约1m厚的微风化混合岩，造成四组推进油缸受力不均； 2）由于刀盘振动强烈，盾构掘进姿态难于控制；3）盾构顶部的砂层液化流进土仓而使土仓压力快速升高（0.25MPa），2005年2月5日，当盾构机掘进至YDK17+205时，发生了大的喷涌，含砂量较大，河面形成气泡柱；4）为了卸压而排土， 2月7日发现YDK17+205处河滩有很大的沉降，由于过量排土，造成堤岸坍塌；5）2月12日22时掘进至YDK17+225时，盾构机遇到2-1B淤泥质土地层，螺旋输送机出土口出现喷水涌砂现象，大量淤泥喷出，少量风化岩块被输送至渣斗车，喷涌带出的淤泥有明显的腥味；6）盾构机掘进速度下降至14mm/min，刀具的过度磨损而使刀盘直径减小，推力达19500kN2300kN，渣土温度达55；7）刀盘附近地
