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1、花岗岩地层盾构施工总结花岗岩地层盾构施工总结 肖瑞传肖瑞传 2010.122010.12 2 2 三号线北延线“设计起点永泰东站”段，约8.6km长 线路沿线基岩为花岗岩、混合花岗岩或花岗片麻岩。主要 穿越的地层是全断面土层（花岗岩残积土、全风化花岗岩 、强风化花岗岩）、全断面岩层（中风化、微风化花岗岩 ）、上软下硬花岗岩地层（上部为花岗岩残积土、下部为 微风化花岗岩等岩层）、另外还有少部分为特殊的上软下 硬地层（上部为砂层、中部为土层、底部为岩层）。 3 3 以三北区间1标过南华工商学院宿舍楼案例， 首先大家认识下花岗岩地层的特点： 2009年9月1日下午，右线海瑞克盾构机在647环，南华
2、工商学院宿舍9号楼前（两栋房屋之间的空地上），隧道洞 身范围的地层为、，采用2.4bar的气压进仓，进 仓检查，掌子面无水，但刀盘转动后，掌子面的土体剥落 严重，已无法进行带压作业，紧急关仓，考虑刀盘前面是 宿舍楼，同时刀具损坏严重，往前掘进风险较大，往前掘 进300mm后将土仓压力建立，同时采用盾构机的超前注浆孔 进行回填注浆，保证土仓填满，从而防止地面沉降。 4 4 南华工商学院宿舍楼范围的平面位置图 5 5 南华工商学院宿舍楼范围的地质断面图 6 6 后与场地的产权单位进行协商，利用地面场地进行地面 注浆处理。注浆加固存在既要保证加固效果能安全开仓又 要防止注浆将盾构机刀盘和盾壳包裹了。
3、加固前在盾壳和 管片外围采用了水溶性聚氨酯进行封堵，同时注浆过程中 刀盘定期进行转动。地面加固的时间受学校宿舍的限制， 只能白天施工，第一次加固至9月27日才完成。开仓加固效 果不理想，降压不成功，而后再回填补充加固好后，10月 10日刀盘原位将刀具更换。加固还是会造成盾构机盾壳和 刀盘被水泥浆包裹。盾构机刀盘脱困、盾构机中前盾、盾 尾脱困，10月19日恢复掘进。 7 7 10月19日10月28日盾构机掘进26环，掘进参数出现异 常，停机检查刀具 环号土仓压力（ bar） 总推力（t）刀盘转速（ rpm） 刀盘扭矩（ bar） 掘进速度（ mm/min） 出土量 （斗） 6472.027003
4、4001.6701-66 6502.4200021001.61301385-105.5 6562.1150019001.41301505-76 6602.12.4170021001.61101308-125 6652.2150017001.712015012-195 6702.32.8160018001.71301508-145.5 6712.2130016001.51301504-106 6722.1150018001.51301504-106 6732.32.535001.2901201-5 8 8 停机采用开挖面制造泥膜，然后带压进仓进行检查和更换刀具。 虽然刀盘前方已有1米高的空洞，带
5、压开仓成功，发现12#、24#刀圈掉 ，10#、11#、13#、14#、15#偏磨严重，16、17、21、25、28、29、30、 31、33、34、35磨损5mm10mm。经过9天带压开仓作业，更换了正面 和周边的刀具，同时检查到中心滚刀磨损严重，发现中心滚刀刀箱已 变形： 9 9 虽然经过泥膜处理和带压作业，在盾构机带压换刀过 程尽管宿舍楼的沉降没有加大，但刀盘前残积土逐渐剥落 ，空洞还是逐渐加大，最后形成了较大的空洞。 1010 更换中心滚刀刀箱的作业，必须回填土仓，并需要在 中心滚刀前开挖出作业空间。这种洞内加固，更加要保护 好盾壳和刀盘不要包裹，否则后果很严重。事先将盾壳和 刀盘用土
6、工布包裹隔离。 1111 通过盾体上的径向注 浆孔注入水溶性聚氨酯 ，防止浆液将盾体包裹 。同时利用盾构机土仓 壁板上的球阀和气体自 动补偿系统，在不同的 高度装上排气管和注浆 管，分层回填。 1212 注浆加固后，清理至中心滚刀位置，并在刀盘前开挖 尺寸为高1.9m、宽2.1m、深0.9m的作业空间 1313 1414 11月26日才将刀具更换。清理刀盘和刀具的过程中， 左侧刀盘开口上部出现局部坍塌，后人员出来加气保压。 带压清理剩余的部分，11月28日刀盘转动。11月28日12 月1日带压进仓将中心滚刀刀座螺栓焊接牢固。12月2日重 新恢复掘进，未采取其他辅助措施，盾构机脱困，12月7 日
7、，盾构安全通过宿舍楼。掘进7环又更换一次刀具。 整个通过该楼房4个月，共掘进37环，更换刀具3次， 刚好是进入房屋前，在房屋下，出房屋后。 1515 监测情况： 右线盾构掘进647环673环，同时左线盾构也同时在房屋地下掘进，房 屋沉降速率较大，房屋沉降已达到38.9mm。 右线盾构停机期间，在制作泥膜护壁时，左线在掘进，宿舍楼的出现较大 沉降，最大沉降点为H19沉降值为50.7mm，柱子SZ1沉降值为24.9mm。 泥膜护壁完成后带压换刀期间，沉降随压力波动变化敏感，最终最大沉 降点位H19沉降值该工况下沉3.6mm，累计沉降为54.3mm，柱子SZ1沉降值该工 况下沉3.5mm累计为28.
8、4mm 。 盾构土仓回填期间，楼的沉降最大沉降点H19在该工况下下沉3.6mm，累 计沉降值为57.9mm，柱子SZ1在该工况下下沉0.6mm，累计沉降值为29.0mm。 盾构清仓换刀至恢复掘进期间，楼最大沉降点H19该工况下沉5.5mm，沉降 值为63.4mm；柱子SZ1该工况下沉4.3mm，累计沉降值为33.3mm。 1616 总结该案例过程 一、为什么带压地层还会坍塌？ 二、盾构机刀具和刀座为什么损坏这么严重？ 三、过程中，房屋沉降为什么这么敏感？ 1717 分四部分介绍，与大家分享： 第一部分：花岗岩地层的特点 第二部分：盾构在花岗岩地层施工中易出现的 问题 第三部分：盾构在花岗岩地层
9、掘进的解决办法 第四部分：管理体会 1818 第一部分：花岗岩地层的特点 1、花岗岩残积土的特点 花岗岩残积土具有很强的结构性,很容易因各种扰 动因素,导致结构性损伤。花岗岩残积土,经浸水饱和后 ,承载力降低,压缩性增大;在具有临空面的浸水条件下, 花岗岩残积土会因软化崩解而坍塌。 1919 花岗岩地层将崩解过程划分为扰动性崩解、结构性崩 解和溶解性崩解三个阶段。广州的花岗岩残积土的微结构 大多呈骨架状,节点和颗粒之间主要靠游离氧化物的胶结 作用实现联结,因此花岗岩残积土崩解的根本原因是浸水 软化导致土骨架损伤发展的结果,浸水前的扰动会使节点 受到先期损伤,加速崩解。 2020 存在风化深槽和
10、球状风化体： 岩石风化不均匀形成的风化深槽和球状风化，而 且风化深槽和球状风化体无规律性，不确定性大 。 2121 2222 2、花岗岩硬岩的特点 花岗岩微风化花岗岩地层的特点：岩石强度高、岩石 完整性好，岩面起伏大。 燕山期花岗岩：呈深灰、灰白色，中细粒结构，块状 构造，岩石坚硬，较完整，岩芯多呈短柱状、长柱状， 少量块状，锤击声脆。岩石质量指标RQD值为6095%， 岩石天然抗压强度范围值fc=46.4200MPa。 震旦系混合花岗岩：呈灰、灰白等色，中细粒结构， 块状构造，裂隙稍发育发育，岩石坚硬，较完整，岩 芯多呈短柱状、长柱状，少量块状，锤击声脆。岩石质 量指标RQD值为6595%，
11、岩石天然抗压强度范围值 fc=31.7215.6MPa。 2323 3、花岗岩地层上软下硬的特点 （1）岩面起伏大，变化快。由于风化不均匀，稳定岩 层岩面埋深在纵横向上变化大，很不稳定，部分地段风 化深度剧增，形成风化深槽现象。 （2）花岗岩风化程度的特点，地层经常出现强风化层 或者中风化层缺失的现象。同一断面上，软硬强度差异 特别大。 （3）岩土交界面水量大，并有一定的承压水特点。在 燕梅推进过程中在左线银利街位置通过管片吊装孔安装 压力表测试水压0.35Mpa。 2424 南同区间右线同和端头燕梅区间左线燕塘端头 2525 第二部分：盾构在花岗岩地层掘进易出现的问题 由于花岗岩地层的特点，
12、盾构机掘进易出现的问题主 要有刀具甚至刀盘磨损严重、喷涌、地面沉降甚至坍塌 、掘进效率低等、更换刀具困难、这些问题尤其在上软 下硬地层更突出。 2626 刀具、刀盘磨损问题 2727 刀具、刀盘磨损问题 2828 地面坍塌、房屋开裂 2929 地面坍塌、房屋开裂 3030 喷涌 3131 第三部分：盾构在花岗岩地层掘进的解决办法 1、提前做好勘察工作，详细分析地层，合理优化线路， 尽量减少上软下硬的地层。 南方医院站-同和站区间，本次设计对区间线路纵断 面进行了微调，根据补充地质勘察和孤石探明勘察，详 细的掌握了区间地质情况，为避免上软下硬的地层，以 隧道拱底标高在里程YDK-4-219不低于
13、13.1m、YDK-4- 308不低于13.4m为原则，并使区间最低点里程仍基本维 持原设计。微调线路纵断面后，使其最低点提升0.616m 从而拉开隧道与微风化岩的净距，使盾构机避开上软下 硬地层。这次的线路优化，极大的减少了盾构掘进的风 险。 3232 区间3标中间风井的埋深一直未能优化，造成中间风 井的开挖进度严重滞后，造成恶性循环，竖井的进度滞后 ，影响矿山法隧道的进度滞后，同时为保证盾构机下井， 矿山法隧道长度未挖至理想位置，造成盾构机上软下硬地 层掘进长度过多，盾构掘进工效缓慢。 3333 2、做好盾构机选型、优化刀盘设计、选择好的刀具 泥水盾构和土压盾构的选择,在花岗岩地层，个人认
14、 为除常规的选型原则外，主要考虑刀盘刀具的破岩能 力、防止超挖的措施及地面沉降的控制、更换刀具的 辅助措施这三方面。以区间一标的为例子，区间1标1 台海瑞克盾构机、1台小松盾构机，两台盾构机的特点 ：小松盾构机的刀盘设计，刀间距小，滚刀配备的多 ，破岩效果好。但存在的问题，人闸系统和螺旋输送 机的设计存在较大的缺陷。 刀具的选择也很关键，刀具的耐磨性高的话，减少 换刀的次数。 区间1标实际条件泥水盾构机土压盾构机说明 场地要求4150平方米 1万平方米/2台 ，但泥水场地 可以转场至附 近场地 4000平方-5000 平方 当前场地无法满足 泥水盾构 地面环境 、沉降控 制 地面房屋多，房屋
15、基础多为摩擦桩， 地层失水就容易造 成房屋下沉 泥水盾构的特 点能较好的满 足沉降的要求 土压平衡掘进 易喷涌、易超 挖，常规的渣 土改良方法不 能改善该类地 层的沉降控制 土压盾构引起大范 围的房屋沉降，造 成很多信访问题， 最终真正掌握了泥 浆改良的方法才较 好的控制了沉降 刀盘刀具 的布置 区间1标岩石强度 高，完整性好，同 时也要通过部分残 积土土层，要有一 定的开口率防止结 泥饼 以目前盾构机 厂家设计的刀 盘刀具数量相 对较少，在该 地段破岩有一 定的难度 虽然破岩效果 也不是非常的 理想，但相对 布设滚刀数量 较多 区间1标刀具磨损 严重，小松盾构机 由于滚刀数量43个 刀刃，破
16、岩效果还 是比较理想 更换刀具 辅助措施 更换刀具频率较多 ，带压进仓较频繁 ，有时需要辅助措 施才能进行带压进 仓 泥水盾构可快 速制造泥膜， 能为带压进仓 创造条件 花岗岩地层的 特点，造成带 压开仓也经常 造成土体坍塌 。 3535 3、认真分析掘进参数，分析渣样，准确判断地层情况， 及时并经常检查刀具，切忌侥幸心理 花岗岩地层的特点，岩面起伏大，同一断面强度差 异大，刀具容易非正常磨损，有可能一环不到就造成刀 具磨损。若不能及时发现更换刀具，有可能引起其他刀 具，甚至影响到刀座和刀盘。但实际掘进过程中，经常 出项两难的选择：一是掘进参数有异常，二是地层条件 差或盾构在房屋下面、盾构机开仓的风险大。并且由
