廣州地鐵復雜地質條件下的土壓平衡盾構掘進技術研究摘要:廣州地鐵由于地質條件復雜,在施工中遇到了眾多難題,如穿越溶洞、穿越高強度花崗巖、穿越珠江等,在施工過程中積累了大量的盾構施工經驗。對廣州地鐵的地質條件進行分析,對復雜地質條件下的土壓平衡盾構掘進技術進行了研究和總結。關鍵詞:地鐵;盾構;掘進技術1 前言 1995年,廣州地鐵在修建一號線時,通過國際招標方式利用盾構技術在軟土和復合地層中成功修建地鐵隧道。1999年后,廣州地鐵二、三、四、五號線更是大量采用盾構技術進行隧道修建,盾構機主要以土壓平衡式為主。由于地質條件異常復雜,所遇到的施工難題,是國內盾構施工中罕見的,比如穿越溶洞,穿越高強度花崗巖,穿越孤石等,在施工過程中積累了大量的復雜地質條件下的盾構施工經驗,對廣州地鐵的土壓平衡盾構施工技術進行研究和總結,以期對今后的盾構法隧道施工起到借鑒作用。2 廣州地質概述 廣州地鐵沿線的工程地質、水文地質條件比較復雜,其中最重要的特點是工程范圍內的巖土均一性差,物理力學特性差異大。地鐵圍巖既有十分松軟富水的淤泥質土、中細砂層,又有較堅硬的砂礫巖、花崗片麻巖、混合巖,以及介于上述兩類巖土之間具有不同風化程度的軟塑～硬塑狀粘性土層。軟硬相間的紅色砂泥巖是地鐵隧道施工的主要地層。3 地質條件分析及復雜地質條件下的盾構掘進技術3.1盾構機過江技術 廣州地處珠江三角洲的河流密布區邊緣,地鐵隧道下穿江河時有發生。早在地鐵二號線海珠廣場—市二宮站區間,盾構機首次穿越了珠江,雖然經歷坎坷,但還是成功地穿越了。廣州地鐵三號線珠江新城站—客村站區間兩次穿越北珠江干流(315m寬)和支流(80m寬),瀝—大區間穿越了312m寬的三枝香水道和505m寬的南珠江。四號線大學城專線穿越了侖頭海和官州河。在盾構施工中,盾構機在富水松散地層、斷層或江底等地質條件下的掘進速度對其施工安全有著重要影響,因此保證盾構機完好是順利通過這些不良地層的關鍵,其技術要點如下: ①過江前仔細檢查大軸承、盾殼鉸接和盾尾的密封狀況,以保證設備完好和提高過江安全性,同時及時更換損壞刀具,必要時需要在洞內更換盾尾密封,并保證配件供應和盾構機各系統始終處于正常工作狀態,提高掘進速度,避免盾構機在江底作不必要的停留,以降低風險。 ②施工中注意設置和控制盾構機施工參數,特別是利用聲納法或水壓力感應器法等信息化反饋手段,及時摸清江底隆沉情況,以及時調整盾構機施工參數,將其掘進對河床的擾動降到最低。 ③適當縮短漿液膠凝時間,保證同步注漿質量,減少地層損失。 ④增加洞內排污設備能力,保證盾尾積水及時排除。3.2 盾構機穿越上軟下硬地層3.2.1 地質條件分析 廣州地鐵地質資料顯示,上部多為人工填土或全新統海陸交互沉積的淤泥或淤泥質土、淤泥質砂;下部為上更新統陸相沖積洪積形成的砂、土層;底部為基巖殘積形成的粘性土層。盾構區間大部分在殘積土層和巖石風化層中穿過,軟硬不均地層現象明顯。 盾構施工過程中存在的主要問題是盾構掘進控制難度大,工況轉換頻繁。掘進面上下巖體的完整程度及強度差別較大,容易發生盾構機抬頭事故。3.2.2主要施工技術措施 ①結合地質資料,注意分析盾構機的狀態參數,及時發現上軟下硬地層,以便采取相應措施。 ②采用土壓平衡或氣壓平衡模式掘進,必要時注入泡沫或泥漿對碴土改良,以減小刀具及刀盤的磨損。 ③采取措施,重視盾構的軸線控制和姿態控制:合理利用超挖刀;根據測量數據及時修正千斤頂推力組合;合理利用鉸接千斤頂調整盾構姿態。 ④發現盾構機遇到孤石或硬巖時,降低推進速度和推力,增加刀盤轉速,以更好地保護設備和控制軸線。3.3 盾構機穿越巖石微風化帶3.3.1 地質條件分析 廣州地鐵3號線地質鉆探資料顯示,在天河客運站—華師站區間及大塘—漢溪區間大部分為Ⅲ類以上圍巖,部分為IV、V類以上圍巖,揭露出抗壓強度最大達156MPa的硬巖。其長度范圍在50～200m。由于在盾構施工區間范圍內硬巖距離短,若采用鉆爆法施工,由于上覆土層厚達30m左右,增設豎井施工難度大,又不經濟,所以采用盾構直接通過較為合理。 盾構機穿越這類巖層時,盾構掘進時主要有以下特點: ①掘進速度慢; ②刀具磨損大,刀具更換頻繁; ③軸線控制難度大; ④推力增大,有可能引起管片的裂縫; ⑤巖石自穩能力強,適合采用敞開式掘進。3.3.2主要施工技術措施 ①采用單刃滾刀破巖,減少換刀次數與頻率,提高施工進度。掘進過程中隨時監測刀具和刀盤受力狀態,確保其不超載。 ②增加開倉檢查的頻率,注意量測刀具的磨損情況,在地質條件允許的情況下及時更換磨損的刀具,避免損傷刀盤。 ③如可能,換刀時啟動刀盤伸縮裝置,縮短換刀時間并在土倉內更換刀具,減少換刀時間對掘進循環的影響,提高設備利用率。 ④硬巖段掘進時啟動盾構穩定裝置,減小盾構機振動和防止盾構機產生超限扭轉,使管片受力穩定,確保隧道成形質量和保護管片,防止盾構變形。 ⑤采用敞開模式掘進,遵循高轉速、低扭矩原則選取參數,以提高掘進速度。 ⑥進入硬巖段掘進前要對盾構機進行一次全面的維修保養,確保盾構機的工作狀態良好。3.4 盾構機穿越球狀風化層3.4.1 地質條件分析 根據廣州地鐵工程地質情況調查,地鐵三號線如天—華區間、市—番區間多處通過花崗巖球狀風化地層俗稱“孤石”層,花崗巖單軸抗壓強度在160MPa左右。由于風化球巖體的強度遠大于周圍巖土層的強度,是盾構施工的不利因素。風化球周圍巖土層主要為花崗巖強、全風化層,強度差異較大,穩定性差,為Ⅱ、Ⅲ類圍巖。 由于風化球周圍巖體與球狀風化巖體本身強度存在較大差距,易造成刀具損壞,甚至會導致刀盤變形,至使整個盾構機癱瘓。上海某隧道公司在深圳地鐵施工就是一例,最終不得不采用礦山法貫通隧道后將盾構設備拖出。3.4.2主要施工技術措施 ①超前鉆探或地質雷達物探,以預防為主,提前采取一些諸如地表或洞內爆破等必要的處理措施。 ②注意觀察盾構掘進的異常情況以及掘進參數的異常變化,判斷是否碰上球狀風化巖體。一旦發現推力加大時,盾構進尺緩慢或停滯不前,應立即停機,切不可貿然推進。 ③向土倉內加入氣壓以穩定工作面,采用高轉速、低扭矩、低推力謹慎掘進。 ④如球狀風化巖體在軟地層隨刀盤一起滾動,可利用地質超前鉆機對周圍軟地層予以加固,然后進行掘進。 ⑤如上述措施不能奏效,則采取以下措施:1)在開挖面穩定(或地層加固后穩定)情況下遇到孤石時,采用靜態爆破的方法;2)遇到長距離(≥100m)硬巖段或球狀風化群體,根據目前盾構機技術水平,并考慮經濟和工期因素,可采用礦山法開挖隧道,盾構機拼裝管片通過。3.5 盾構機穿越斷裂帶3.5.1 地質條件分析 根據廣州地鐵工程地質情況調查,地鐵2號線、3號線、5號線多處通過斷裂地質帶,斷裂帶埋深大約在10～30m范圍內,巖體破碎,圍巖的強度大,而且強度不均勻,穩定性差,地下水比較豐富。盾構通過時存在的主要問題: ①易發生涌水; ②破碎地段的巖塊較大,易堵塞螺旋輸送機; ③斷裂帶下伏的基巖多為蝕變花崗巖與硅化巖,巖體強度大,要求盾構破巖能力強。3.5.2主要技術措施 ①及時將雙刃滾刀更換為單刃滾刀。因為單刃滾刀比雙刃滾刀接觸面小、破巖能力高。 ②采取土壓平衡工況掘進,及時調整土倉壓力,確保土壓平衡,同時采取措施防止拼裝管片時盾構出現后退,保證工作面的土體穩定。 ③適時調整掘進參數,防止出現過大的方向偏差,同時使巖石得到充分的切削,避免大的巖塊堵塞螺旋輸送機。 ④掘進過程中向土倉內注人泥水或泡沫,防止螺旋輸送機堵塞和水涌入隧道。 ⑤連續掘進,對地表和建筑物連續監測。及時注漿充填管片與地層之間的環形間隙,防止土體塑性區的擴大,控制地表沉陷。 ⑥水壓較大時,為防止盾尾被擊穿,要及時在尾刷處注油脂。3.6 盾構機穿越溶洞3.6.1 地質條件分析 廣州地鐵五號線草暖公園至小北站區間環市中路下方以及即將建設的廣佛線等區段都存在有不同發育程度的溶洞。部分溶洞位于隧道空間范圍內,大部分溶洞位于隧道底板之下,少部分位于隧道頂板上部。盾構施工時,一旦揭穿溶洞,有可能造成突水、突泥及盾構機沉陷等工程事故,對盾構施工影響較大。同時若隧道溶洞涌水(或突水)得不到有效處理,將直接導致孔隙水位下降。從而影響周邊建筑物安全,嚴重時將造成地面塌陷。因此必須準確地掌握溶洞的分布和大小,對溶洞進行處理,以降低施工難度和施工風險。3.6.2 溶洞處理技術措施 (1)加密鉆孔。在詳勘鉆孔揭示到有溶洞的地區,為進一步了解和掌握溶洞的分布范圍和溶洞大小,實施加密鉆孔,并使鉆孔交錯布置,鉆孔深度至隧道結構下5m。同時在揭示到有溶洞的加密孔和既有揭示有溶洞的鉆孔周圍布設更密的鉆孔。 (2)物探(CT)法確定溶洞的大小及分布。利用工程CT技術精確探測溶洞的邊界、溶洞走向、規模,另外利用部分鉆孔作為技術孔,對溶洞的充填物進行物理力學勘察,以確定溶洞填充物的密度、含水量、溶洞水流向和滲透系數等指標,并估算溶洞水流量,以確定溶洞的注漿材料。 (3)注漿。勘探鉆孔表明溶洞為充填溶洞,可利用既有鉆孔(局部加密鉆孔),采用雙液控制注漿,注漿材料為雙液漿,孔口混和,漿液經管內流出后快速凝固,在一定的壓力下充填密實。3.6.3 盾構機通過技術措施 ①做好各項準備工作,提前對盾尾密封進行檢查。 ②溶洞加固處理完畢后,在盾構機通過時,要適當放慢掘進速度。 ③調整同步注漿漿液的配合比,縮短凝結時間,同時增大注漿量和注漿壓力。 ④在盾構機通過后及時進行二次雙液注漿,通過調整水泥水玻璃的配比參數,控制雙液注漿的凝結速度,達到加固土體和加固充填溶洞的目的。 ⑤加強掘進姿態控制,全面貫徹信息化施工。 ⑥同時備好抽排水設備等應急設備和物資,制訂應急搶險預案。3.7 刀盤和切削倉聚積泥餅處理措施 在粘土礦物含量高的殘積層、混合巖全風化地層進行盾構施工時,極易在刀盤開口處和切削倉聚積泥餅。當產生泥餅后,掘進速度急劇下降,刀盤扭矩也會上升,大大降低開挖效率,甚至無法推進。其預防和處理措施如下: ①在到達這種地層前把刀盤的部分刀具換成齒刀,增加刀盤的開口度; ②在粘性土中掘進時,特別要加強盾構掘進時的地質預測和碴土管理; ③掘進時注泡沫劑,改善土體的和易性,預防粘土結塊; ④刀盤背面和土倉胸板上增設空心攪動棒,增加攪拌強度和范圍,并且空心棒內還可預留注水孔,以便清洗刀盤和土倉; ⑤空轉刀盤,使泥餅在離心力作用下脫落; ⑥如果圍巖隔水性較好,則可采用氣壓平衡模式掘進; ⑦在開挖面穩定的前提下,人工進倉清除泥餅。4 小結 廣州地質條件比較復雜,要保證盾構機能夠在復雜的地質條件下順利掘進,很重要的一點就是要保證盾構機良好的工作狀態,也就是要對盾構機進行定期的維護和保養,及時排除盾構機的故障,降低故障率無論對于加快施工進度還是保證施工安全與質量都是非常重要的。另外,工程中標后,應根據已有的地質資料和實際的地表建筑物及管線等情況進行補充地質鉆探,摸清隧道穿越的詳細地質情況,并結合盾構機掘進狀態和出土情況對地質情況作出準確的判斷,以便采取或者提前采取相應的措施保證盾構機在復雜地質條件下的順利掘進。參考文獻:[1] 尹旅超,朱振宏,李玉珍,等譯.日本隧道盾構新技術[M].武漢:華中理工大學出版社[M],1999.[2] 劉建航,候學淵.盾構法隧道[M].北京:中國鐵道出版社,1991.[3] 施仲衡.地下鐵道設計與施工[M].西安:陜西科技出版社,1997.[4] 袁敏正,竺維彬.盾構技術在廣州地鐵的應用及發展[J].廣東土木與建筑,2004,(8).
