肖总：不同地层下的掘进技术

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1、不同地层下的盾构掘进技术肖瑞传（中铁一局集团城市轨道交通工程分公司）摘 要：结合广州轨道交通三号线客大盾构区间在复合地层盾构掘进的研究和实践，得出在各种地 层条件下如何选择盾构掘进模式和掘进参数的一些体会。关键词：盾构掘进 复合地层 掘进模式 掘进参数 刀具一、前言广州轨道交通三号线客大盾构区间隧道穿越地层同一断面软硬不均现象突出，约占50%；而且存在 不均匀现象，且变化频次多。主要穿越7岩石强风化带、8岩石中风化带、9岩石微风化带， 岩性为泥质粉砂岩。局部穿越5-1可塑或稍密状残积土、5-2硬塑或中密状残积土、6岩石全 风化带。岩石的最大单轴抗压强度为62.3MPa。在通过这些地层时，因地制

2、宜，合理选择掘进模式和掘 进参数将获得理想的掘进效果、保证开挖面稳定和有效控制地表沉降及确保地面建筑物安全。二、掘进模式的分类和特点盾构机的掘进模式分为EPB （土压平衡）模式、Open （敞开式）模式、Semi-Open （半敞开式）模 式，且三个功能模式能及时有效的转换，以适应不同地层，并能高效掘进、控制沉降。1、土压平衡模式土压平衡功能模式的工作原理就是将刀具切削下来的土体充满土仓，利用这种泥土压与作业面的土 压与水压平衡，同时利用螺旋输送机进行与盾构推进量相应的排土作业，掘进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。土仓压力通过采取调整掘进速度和排土量来维持切削土量与

3、排土量的平衡，从而达到压力平衡。盾 构机的掘进速度主要通过调整盾构推进力、转速来控制。排土量则主要通过调整螺旋输送机的转速来调 节。在实际掘进施工中，根据地质条件、排出的碴土状态，以及盾构机的各项工作状态参数等动态地调 整优化，掘进采取碴土改良措施增加碴土的流动性和止水性。力分布 影响带、敏感建筑物图1 EPB模式当土仓压力大于地层压力和水压力时，地表将引起地面隆起；当土仓压力小于地层压力和水压力时 将引起地表下沉；因此泥土仓内的土压力应与地层压力和水压力相平衡。2、敞开模式 盾构机切削下来的碴土进入土仓内，即刻被螺旋输送机排出。土仓内仅有极少量碴土，基本处于清空 状态，掘进中刀盘和螺旋输送机

4、所受的反扭力较小。土仓压IV.V类围岩、力分布部分III类围岩图2 Open模式3、半敞开模式土仓压力分布采用半敞开模式的前提是其对应的地层有相当的自稳能力，且其强度较大，其工作面的稳定依赖外 界支撑的程度相对于软弱土层要少且如采用大推力掘进，则刀盘扭矩将有可能升的很高。此模式下必要 时稳定正面的部分压力由压缩空气来实现，气压控制标准值为静水压力值与松散土柱压力值之和。z 八 -压缩空气三二-7一部分III类围岩, 重要建筑物图 2 Semi-Open 模式三、客大盾构区间的掘进模式的选择根据不同的地质条件、地面建筑物情况以及地面沉降控制的要求，选择相适应的掘进模式，既能保 证开挖面的稳定、有

5、效控制地表沉降和确保地面建筑物安全，又能大大减轻盾构机的工作负荷，改善盾 构机受力状态，降低掘进成本，加快掘进速度,从而达到良好的掘进效果。表 1 掘 进 模 式 选 择 表序号里程地层条件YCK8+668.4YCK8+500YCK8+500YCK8+350（5-1）、（ 5-2 ）、（ 6 ）、（ 7 ）洞顶为粉质粘土、淤泥质土、砂，洞身主要为泥质粉砂 岩及基岩强风化带。隧道埋深较浅。洞顶为全风化泥质粉砂岩，局部为硬塑状粉质粘土局部为粉质粘土，洞深通过全风化及 强风化泥质粉砂岩，洞底主要为强风化泥质粉砂岩。岩层单斜状，富水性弱。YCK8+350YCK7+233（7）、（8）、（9 ）洞顶为泥

6、质粉砂岩，局部加砂砾石，洞身为泥质粉砂岩，局部加砂 砾石。隧道埋深较深。4YCK7+233YCK7+130.408（7）、（8）洞顶主要位于基岩全风化和强风化砂砾石、泥质粉砂岩，洞身为砂砾石、泥质 粉砂岩。ZCK7+130.408ZCK7+195（6）、（7 ）洞顶及洞身为全风化和强风化泥质粉砂岩、砂砾石。洞底多在强风化中。6ZCK7+195ZCK7+790（8）、（9 ）洞顶、洞身为中等风化带泥质粉砂岩，局部洞身及洞底位于微风化带内。隧 道埋深较深。ZCK7+790ZCK8+210（7）、（8）、（9 ）洞顶为强、中风化泥质粉砂岩，洞身为中、微风化泥质粉砂岩，局 部加砂砾石。ZCK8+210

7、ZCK8+310（7 ）洞顶位于强风化砂砾石、泥质粉砂岩，洞身为砂砾石、泥质粉砂岩。ZCK8+310ZCK8+500（5-2）、（6）、（7 ）隧道洞顶主要为全风化泥质粉砂岩，局部为粉质粘土，洞身强 风化泥质粉砂岩，局部全风化。ZCK8+500（5-2）（5-1）（6）（7 ）洞顶、洞身主要为粉质粘土，其上为淤泥质土、砂。ZCK8+668.4四、不同地层下盾构掘进的管理通过理论计算和实践校正确定在不同地质地层中盾构推进的各项参数的调节控制方法。确定不同地 层条件下推力、扭矩的大小；盾构机姿态的控制特点；同步注浆的参数和浆液配合比；同步注浆中容易 出现的问题及解决方法；各种刀具的适应性等。选定了

8、六个施工管理的指标（土仓压力；推进速度;总推力；排土量；刀盘转速和扭矩；注浆压力和注浆量）来进行掘进控制管理。表13-1盾构机掘进的主要技术措施地层情况盾构掘进技术管理措施5-1可塑 或稍密状残 积土、5-2 硬塑或中密 状残积土、6岩石全 风化带1、采用土压平衡模式。2、以齿刀、刮刀为主切削土层，以低转速、大扭矩推进。3、土仓内土压力值P略大于静水压力和地层土压力之和p，即P-1.3P。4、向土仓和刀盘注入泡沫和水改善土体的流动性，防止出现“泥饼”现象。5、向螺旋输送机内注入水或泥浆改善土体的流动性，便于出土。6、在保证同步注浆饱满的前提下，盾构机尽量做到快速均衡掘进,减少对地层的扰动。7、

9、经常检查皮带的转轴和清理螺旋输送机等出土设备，避免泥土堆积造成皮带不正常 磨损和出土口堵塞。8、在此地段掘进加强地面隆降监测，及时分析数据，调整盾构掘进参数和注浆压力。9、盾构机停机期间，必须观察土仓压力，保持土仓压力平衡。避免长时间停机造成土 仓内碴土的固结，使土仓压力降低。砂性土层（粉 细砂、中细 砂、中砂、中 粗砂）1、采用土压平衡模式。2、进行开挖面稳定设计，控制土压力，采用土压平衡模式掘进，严格控制出土量，确 保土仓压力以稳定开挖面来控制地表沉降。3、向土仓和刀盘面注入高浓度的泥浆，形成隔水泥膜，防止水从地层中渗出，提高土 仓内渣土的稠度来改善碴土的止水性以及在螺旋输送机上安装止水保

10、压装置，以使土仓 内的压力稳定平衡。4、选择合理的掘进参数，确保快速通过，将施工对地层的影响减到最小。5、适当缩短浆液胶凝时间，保证注浆质量。6、当含水量较大，加入高浓度的泥浆充分搅拌和及时调整螺旋输送机的开门度来防止 因地下水压力过大而发生喷涌。7、若盾尾发生漏水，则在盾尾漏水部位集中压注盾尾油脂，并在距离盾尾3环管片的 位置压注聚氨酯进行堵水。地层情况盾构掘进技术管理措施8岩石中 风化带、9 岩石微风化 带1、采用敞开模式。2、掘进时，米取小推力、高转速，以滚刀破岩为主的掘进模式。3、通过该地层要向土仓内注入泡沫，减小刀盘的扭矩，减少刀具的磨损量。4、掘进期间经常、有计划地检查刀具状况，避

11、免造成刀具偏磨、刀盘磨损。5、注意保持盾构机姿态和保证注浆量，控制管片姿态，避免管片上浮。6、利用降低推进速度、刀盘正反转等措施对盾构旋转角度进行滚动角的控制。7岩石强 风化带、8 岩石中风化 带、9岩石 微风化带，软 硬复合地层1、父替米用半敞开模式和敞开模式掘进。2、了解开挖面软硬不均程度，确定掘进推力的大小，切忌盲目增大推力，避免刀具超 载工作。3、掘进过程经常、有计划地检查刀具状况，避免造成刀具偏磨、刀盘磨损。4、检查、更换刀具过程中，做好开挖面的防护措施，避免上部土体坍塌。5、刀盘转速不宜太快，一般采用较低的刀盘转速，防止刀盘震动和刀具受力的过大的 波动。五、结束语 在不同地层条件下，盾构掘进考虑的因素较多，既与地层的软硬条件、围岩的稳定性有关，还与盾 构机司机的操作技术有关，所以确保盾构机在不同地层下能安全、快速的掘进需要做到以下几点。1、选择适合地层条件的盾构掘进机类型至关重要,盾构掘进机设备性能是隧道施工安全顺利与否的 关键。2、及时预报前方地质和地面环境情况，根据前方地质和地面状态选择合适的掘进模式和参数，制 定掘进计划，是盾构安全、快速的保障。3、盾构机操作人员的兢业精神和现场应变能力，是盾构掘进安全、可靠的前提。4、制定切实可行的施工管理条例，严格按盾构操作程序，保证盾构设备的完好，切忌盲目施工是 盾构适应不同地层施工的根本条件。