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1、高强度硬岩段间杂软弱岩地层盾构施工技术中铁十三局集团第二工程有限公司 段志宏内容提要：本文结合施工经验介绍了盾构穿越高强度硬岩段间杂软弱岩地层的施工技术。其主要内容包括硬岩段掘进、上软下硬地层掘进、以及掘进中采取相关措施等方面的施工技术。关 键 词：盾构 硬岩 上软下硬 施工技术1 工程概况1.1 工程简介区间线路出香梅北站后，下穿福田区外国语小学（操场）、沁景园，再以半径350m的曲线半径横穿景田北街、景蜜花园，然后以左线400m、右线半径350m的曲线下穿红蜻蜓幼儿园、景秀中学（操场）、进入莲花路，向东延伸进入景田站。区间线路平面最小曲线半径350m，区间左右线间距9.813.2m。区间隧
2、道最大线路纵坡为25，最小纵坡为2，竖曲线半径最大为5000m，最小为3000m。隧道拱顶埋深为1022m。详见图1香梅北站景田站盾构区间平面图。盾构隧道图1 香梅北站景田站盾构区间平面图1.2 地质情况1.2.1 地质概况根据详勘报告、补充勘察资料显示，右线（396m）：YDK21+964YDK22+360，左线（419m）：YDK21+963YDK22+382为存在硬岩、或者软硬岩更迭区段，如下图2所示。根据地质剖面图，盾构掘进过程中进入硬岩穿越硬岩上软下硬软弱岩层再次进入硬岩多次反复此过程。图2 地质剖面图1.2.2 地层的物理特性隧道穿越地层主要为冲洪积层、残积层、全微风化岩层，所穿越
3、的主要土层的地基土物理力学性质如表1所示。表1 岩土分层特征及物理力学参数岩土分层名称及状态密度（g/cm3）C（KPa）（）压缩模量（MPa)承载力特征值(KPa)岩石单轴抗压强度(MPa)全风化花岗岩（土柱状）1.8626234.68300/强风化花岗岩（土柱状）1.8827244.75320/强风化花岗岩（半岩半土状）2.303230/500/中等风化花岗岩（块状）2.5040038/150013.449.4微风化花岗岩（柱状）2.59100042/250048.97全风化花岗片麻岩（土柱状）1.8625244.68300/强风化花岗片麻岩（土柱状）1.8826244.75320/强风化
4、花岗片麻岩（半岩半土状）2.303230/500/中等风化花岗片麻岩（块状）2.6040038/100012.713.2微风化花岗片麻岩（柱状）2.69100032/2200231371.2.3 岩土的渗透性区间地层在垂直剖面上，自上而下为人工素填土，冲洪积砂层及粘性土层，残积层，基岩全风化、强风化、中等风化及微风化层。见表2土层富水性及渗透系数所示。表2 土层富水性及渗透系数岩土分层名称及状态富水性 渗透系数K（m/d）透水性类别砾（砂）质粘性土（可塑）弱0.50弱透水砾（砂）质粘性土（硬塑）弱0.75弱透水全风化花岗岩弱0.75弱透水强风化花岗岩，呈土柱状中等1.00中等透水强风化花岗岩，
5、半岩半土状中等3.00中等透水中等风化花岗岩中等3.00中等透水微风化花岗岩弱0.50弱透水全风化花岗片麻岩弱0.50弱透水强风化花岗片麻岩，呈土柱状弱0.75弱透水强风化花岗片麻岩，半岩半土状中等2.00中等透水中等风化花岗片麻岩中等2.00中等透水微风化花岗片麻岩弱0.50弱透水1.2.4 特殊岩土区间隧道大部分残积层、及风化岩层、中。全风化岩呈坚硬土状，强风化岩呈半岩半土、坚硬土夹少量碎块状，软硬不均。残积土、全、强风化岩具有遇水软化、崩解，强度急剧降低的特点。2 高强度硬岩段间杂软弱岩地层施工根据地质资料显示，香景区间高强度硬岩段，距离长，且间杂软弱岩地层；盾构掘进、等硬岩地层，对盾构
6、机刀具、刀盘、螺旋输送机等设备会造成较大磨损；当盾构机在残积层和岩石的全、强风化层中掘进时，由于土层中含有一定的粘粒，在盾构施工中容易产生泥饼，使盾构掘进受阻。在本区段同时存在多处上软下硬，软硬不均地层断面，使盾构掘进易出现跑偏、刀具偏磨等现象。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
7、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。2.1 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。2.1.1 刀盘布置我们采用的盾构机刀盘设计破岩能力为250MPa，其刀盘布置如下图3所示。图3 盾构机刀盘布置示意图其刀具配置为：5把中心滚刀，30把单刃滚刀，刀盘中心开口率28%。盾构机最大推力为36100KN，最大扭矩为6305KNm。2.1.2 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。如图4所示是滚刀滚压破
8、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。 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。图4 滚刀滚压破岩示意图1、断裂体 2、碎断体 3、密实承载体2.2 选定掘进参数 2.2.1 上软下硬地层掘进参数软弱岩层段向硬岩段过渡掘进
9、、硬岩段向软弱岩层过渡段掘进采用“土压平衡模式”掘进。表3 掘进阶段的主要技术参数表盾构推力刀盘转速扭矩土仓压力1400020000KN1.3rmin2500KNm左右1.51.9bar（1）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。（2）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95105%。（3）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。（4）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
10、的建筑间隙，以减少周围土体变形。（5）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”。（6）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。（7）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。（8）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。2.2.2 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100
11、0014000KN； 盾构机扭矩控制在22002600KNm； 推进速度为 813mm/min；刀盘转速为1.71.9转/分钟。2.2.3 软弱岩层段掘进参数采用土压平衡模式掘进。表4 掘进阶段的主要技术参数表盾构推力刀盘转速推进速度扭矩土仓压力800010000KN1.52 rmin1525mmmin15002000KNm1.51.9bar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。2.3 土压平衡掘进2.3.1 掘进特点土压平衡掘进时，刀具切削下来的土充满土仓，然后利用土仓内泥土压与作业面的土压和水压相抗衡，与此同时，用螺旋式输送机排土设备进行与盾构推进量相应的排土作业，掘进
12、过程中，始终维持开挖土量与排土量的平衡，以保持正面土体稳定，并防止地下水土的流失而引起地表过大的沉降。2.3.2 掘进控制掘进控制程序。图5 掘进控制程序在高强度硬岩段间杂软弱岩地层采用土压平衡掘进，保持土仓压力与作业面压力平衡是防止地表沉降，保证施工安全的重要因素。2.3.2.1 土仓压力值的选定土仓压力值P值应能与地层土压力P0和静水压力相抗衡，在地层掘进过程中根据地质和埋深情况以及地表沉降监测信息进行反馈和调整优化。地表沉降与工作面稳定关系以及相应的对策措施见表5。表5 地表沉降与工作面稳定关系以及相应措施与对策地表沉降信息工作面状态P与P0关系措施与对策备 注下沉超过基准值工作面塌陷与
13、失水PmaxP0增大P值Pmax、Pmin分别表示P的最大值和最小值。隆起超过基准值支撑土压力过大，土仓内水进入地层PminP0减小P值2.3.2.2 土仓压力的保持土仓压力主要通过维持开挖土量与排土量的平衡来实现。可通过设定掘进速度、调整排土量或设定排土量、调整掘进速度达到要求。2.3.2.3 排土量的控制排土量的控制是盾构在土压平衡工况模式下工作时关键技术之一。理论上螺旋输送机的排土量Qs是由螺旋输送机的转速来决定的，当推进速度和P值设定，盾构可自动设置理论转速N： Qs=VsN式中：Vs设定的每转一周的理论排土量； Qs与掘进速度决定的理论渣土量Q0相当，即Q0=AVn0，其中A为切削断面面积，n0为松散系数，V为推进速度。当渣土处于干硬状态时，因摩阻力大，渣土在螺旋输送机中的输送阻力大，同时容易产生固结、阻塞现象，此时，实际排土量小于理论排土量即QsQ0，需增大转速来增大实际出土量。当渣土柔软而富有流动性时，在土仓内高压力的作用下，渣土自身有一个向外流动的能力，使实际排土量大于螺旋输送机转速决定的理论排土量，即QsQ0；必须依靠降低螺旋输送机的转速来降低实际排土量。当渣土的流动性非常好时，由于螺旋输送机对渣土的摩阻力减少，有时还可能产生渣土喷涌现象，这是，转速很小就能满足要求。渣土的排出量必须与掘进的挖掘量相匹配，以获得稳
