廣州地鐵復(fù)雜地質(zhì)條件下的土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)研究摘要:廣州地鐵由于地質(zhì)條件復(fù)雜,在施工中遇到了眾多難題,如穿越溶洞、穿越高強(qiáng)度花崗巖、穿越珠江等,在施工過程中積累了大量的盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)。對(duì)廣州地鐵的地質(zhì)條件進(jìn)行分析,對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了研究和總結(jié)。關(guān)鍵詞:地鐵;盾構(gòu);掘進(jìn)技術(shù)1 前言 1995年,廣州地鐵在修建一號(hào)線時(shí),通過國際招標(biāo)方式利用盾構(gòu)技術(shù)在軟土和復(fù)合地層中成功修建地鐵隧道。1999年后,廣州地鐵二、三、四、五號(hào)線更是大量采用盾構(gòu)技術(shù)進(jìn)行隧道修建,盾構(gòu)機(jī)主要以土壓平衡式為主。由于地質(zhì)條件異常復(fù)雜,所遇到的施工難題,是國內(nèi)盾構(gòu)施工中罕見的,比如穿越溶洞,穿越高強(qiáng)度花崗巖,穿越孤石等,在施工過程中積累了大量的復(fù)雜地質(zhì)條件下的盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn),對(duì)廣州地鐵的土壓平衡盾構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)行研究和總結(jié),以期對(duì)今后的盾構(gòu)法隧道施工起到借鑒作用。2 廣州地質(zhì)概述 廣州地鐵沿線的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜,其中最重要的特點(diǎn)是工程范圍內(nèi)的巖土均一性差,物理力學(xué)特性差異大。地鐵圍巖既有十分松軟富水的淤泥質(zhì)土、中細(xì)砂層,又有較堅(jiān)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(fēng)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(zhì)條件分析及復(fù)雜地質(zhì)條件下的盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)3.1盾構(gòu)機(jī)過江技術(shù) 廣州地處珠江三角洲的河流密布區(qū)邊緣,地鐵隧道下穿江河時(shí)有發(fā)生。早在地鐵二號(hào)線海珠廣場—市二宮站區(qū)間,盾構(gòu)機(jī)首次穿越了珠江,雖然經(jīng)歷坎坷,但還是成功地穿越了。廣州地鐵三號(hào)線珠江新城站—客村站區(qū)間兩次穿越北珠江干流(315m寬)和支流(80m寬),瀝—大區(qū)間穿越了312m寬的三枝香水道和505m寬的南珠江。四號(hào)線大學(xué)城專線穿越了侖頭海和官州河。在盾構(gòu)施工中,盾構(gòu)機(jī)在富水松散地層、斷層或江底等地質(zhì)條件下的掘進(jìn)速度對(duì)其施工安全有著重要影響,因此保證盾構(gòu)機(jī)完好是順利通過這些不良地層的關(guān)鍵,其技術(shù)要點(diǎn)如下: ①過江前仔細(xì)檢查大軸承、盾殼鉸接和盾尾的密封狀況,以保證設(shè)備完好和提高過江安全性,同時(shí)及時(shí)更換損壞刀具,必要時(shí)需要在洞內(nèi)更換盾尾密封,并保證配件供應(yīng)和盾構(gòu)機(jī)各系統(tǒng)始終處于正常工作狀態(tài),提高掘進(jìn)速度,避免盾構(gòu)機(jī)在江底作不必要的停留,以降低風(fēng)險(xiǎn)。 ②施工中注意設(shè)置和控制盾構(gòu)機(jī)施工參數(shù),特別是利用聲納法或水壓力感應(yīng)器法等信息化反饋手段,及時(shí)摸清江底隆沉情況,以及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)施工參數(shù),將其掘進(jìn)對(duì)河床的擾動(dòng)降到最低。 ③適當(dāng)縮短漿液膠凝時(shí)間,保證同步注漿質(zhì)量,減少地層損失。 ④增加洞內(nèi)排污設(shè)備能力,保證盾尾積水及時(shí)排除。3.2 盾構(gòu)機(jī)穿越上軟下硬地層3.2.1 地質(zhì)條件分析 廣州地鐵地質(zhì)資料顯示,上部多為人工填土或全新統(tǒng)海陸交互沉積的淤泥或淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)砂;下部為上更新統(tǒng)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(gòu)區(qū)間大部分在殘積土層和巖石風(fēng)化層中穿過,軟硬不均地層現(xiàn)象明顯。 盾構(gòu)施工過程中存在的主要問題是盾構(gòu)掘進(jìn)控制難度大,工況轉(zhuǎn)換頻繁。掘進(jìn)面上下巖體的完整程度及強(qiáng)度差別較大,容易發(fā)生盾構(gòu)機(jī)抬頭事故。3.2.2主要施工技術(shù)措施 ①結(jié)合地質(zhì)資料,注意分析盾構(gòu)機(jī)的狀態(tài)參數(shù),及時(shí)發(fā)現(xiàn)上軟下硬地層,以便采取相應(yīng)措施。 ②采用土壓平衡或氣壓平衡模式掘進(jìn),必要時(shí)注入泡沫或泥漿對(duì)碴土改良,以減小刀具及刀盤的磨損。 ③采取措施,重視盾構(gòu)的軸線控制和姿態(tài)控制:合理利用超挖刀;根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)及時(shí)修正千斤頂推力組合;合理利用鉸接千斤頂調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)。 ④發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)遇到孤石或硬巖時(shí),降低推進(jìn)速度和推力,增加刀盤轉(zhuǎn)速,以更好地保護(hù)設(shè)備和控制軸線。3.3 盾構(gòu)機(jī)穿越巖石微風(fēng)化帶3.3.1 地質(zhì)條件分析 廣州地鐵3號(hào)線地質(zhì)鉆探資料顯示,在天河客運(yùn)站—華師站區(qū)間及大塘—漢溪區(qū)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(qiáng)度最大達(dá)156MPa的硬巖。其長度范圍在50～200m。由于在盾構(gòu)施工區(qū)間范圍內(nèi)硬巖距離短,若采用鉆爆法施工,由于上覆土層厚達(dá)30m左右,增設(shè)豎井施工難度大,又不經(jīng)濟(jì),所以采用盾構(gòu)直接通過較為合理。 盾構(gòu)機(jī)穿越這類巖層時(shí),盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)主要有以下特點(diǎn): ①掘進(jìn)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(wěn)能力強(qiáng),適合采用敞開式掘進(jìn)。3.3.2主要施工技術(shù)措施 ①采用單刃滾刀破巖,減少換刀次數(shù)與頻率,提高施工進(jìn)度。掘進(jìn)過程中隨時(shí)監(jiān)測(cè)刀具和刀盤受力狀態(tài),確保其不超載。 ②增加開倉檢查的頻率,注意量測(cè)刀具的磨損情況,在地質(zhì)條件允許的情況下及時(shí)更換磨損的刀具,避免損傷刀盤。 ③如可能,換刀時(shí)啟動(dòng)刀盤伸縮裝置,縮短換刀時(shí)間并在土倉內(nèi)更換刀具,減少換刀時(shí)間對(duì)掘進(jìn)循環(huán)的影響,提高設(shè)備利用率。 ④硬巖段掘進(jìn)時(shí)啟動(dòng)盾構(gòu)穩(wěn)定裝置,減小盾構(gòu)機(jī)振動(dòng)和防止盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生超限扭轉(zhuǎn),使管片受力穩(wěn)定,確保隧道成形質(zhì)量和保護(hù)管片,防止盾構(gòu)變形。 ⑤采用敞開模式掘進(jìn),遵循高轉(zhuǎn)速、低扭矩原則選取參數(shù),以提高掘進(jìn)速度。 ⑥進(jìn)入硬巖段掘進(jìn)前要對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行一次全面的維修保養(yǎng),確保盾構(gòu)機(jī)的工作狀態(tài)良好。3.4 盾構(gòu)機(jī)穿越球狀風(fēng)化層3.4.1 地質(zhì)條件分析 根據(jù)廣州地鐵工程地質(zhì)情況調(diào)查,地鐵三號(hào)線如天—華區(qū)間、市—番區(qū)間多處通過花崗巖球狀風(fēng)化地層俗稱“孤石”層,花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度在160MPa左右。由于風(fēng)化球巖體的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于周圍巖土層的強(qiáng)度,是盾構(gòu)施工的不利因素。風(fēng)化球周圍巖土層主要為花崗巖強(qiáng)、全風(fēng)化層,強(qiáng)度差異較大,穩(wěn)定性差,為Ⅱ、Ⅲ類圍巖。 由于風(fēng)化球周圍巖體與球狀風(fēng)化巖體本身強(qiáng)度存在較大差距,易造成刀具損壞,甚至?xí)?dǎo)致刀盤變形,至使整個(gè)盾構(gòu)機(jī)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(gòu)設(shè)備拖出。3.4.2主要施工技術(shù)措施 ①超前鉆探或地質(zhì)雷達(dá)物探,以預(yù)防為主,提前采取一些諸如地表或洞內(nèi)爆破等必要的處理措施。 ②注意觀察盾構(gòu)掘進(jìn)的異常情況以及掘進(jìn)參數(shù)的異常變化,判斷是否碰上球狀風(fēng)化巖體。一旦發(fā)現(xiàn)推力加大時(shí),盾構(gòu)進(jìn)尺緩慢或停滯不前,應(yīng)立即停機(jī),切不可貿(mào)然推進(jìn)。 ③向土倉內(nèi)加入氣壓以穩(wěn)定工作面,采用高轉(zhuǎn)速、低扭矩、低推力謹(jǐn)慎掘進(jìn)。 ④如球狀風(fēng)化巖體在軟地層隨刀盤一起滾動(dòng),可利用地質(zhì)超前鉆機(jī)對(duì)周圍軟地層予以加固,然后進(jìn)行掘進(jìn)。 ⑤如上述措施不能奏效,則采取以下措施:1)在開挖面穩(wěn)定(或地層加固后穩(wěn)定)情況下遇到孤石時(shí),采用靜態(tài)爆破的方法;2)遇到長距離(≥100m)硬巖段或球狀風(fēng)化群體,根據(jù)目前盾構(gòu)機(jī)技術(shù)水平,并考慮經(jīng)濟(jì)和工期因素,可采用礦山法開挖隧道,盾構(gòu)機(jī)拼裝管片通過。3.5 盾構(gòu)機(jī)穿越斷裂帶3.5.1 地質(zhì)條件分析 根據(jù)廣州地鐵工程地質(zhì)情況調(diào)查,地鐵2號(hào)線、3號(hào)線、5號(hào)線多處通過斷裂地質(zhì)帶,斷裂帶埋深大約在10～30m范圍內(nèi),巖體破碎,圍巖的強(qiáng)度大,而且強(qiáng)度不均勻,穩(wěn)定性差,地下水比較豐富。盾構(gòu)通過時(shí)存在的主要問題: ①易發(fā)生涌水; ②破碎地段的巖塊較大,易堵塞螺旋輸送機(jī); ③斷裂帶下伏的基巖多為蝕變花崗巖與硅化巖,巖體強(qiáng)度大,要求盾構(gòu)破巖能力強(qiáng)。3.5.2主要技術(shù)措施 ①及時(shí)將雙刃滾刀更換為單刃滾刀。因?yàn)閱稳袧L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(jìn),及時(shí)調(diào)整土倉壓力,確保土壓平衡,同時(shí)采取措施防止拼裝管片時(shí)盾構(gòu)出現(xiàn)后退,保證工作面的土體穩(wěn)定。 ③適時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù),防止出現(xiàn)過大的方向偏差,同時(shí)使巖石得到充分的切削,避免大的巖塊堵塞螺旋輸送機(jī)。 ④掘進(jìn)過程中向土倉內(nèi)注人泥水或泡沫,防止螺旋輸送機(jī)堵塞和水涌入隧道。 ⑤連續(xù)掘進(jìn),對(duì)地表和建筑物連續(xù)監(jiān)測(cè)。及時(shí)注漿充填管片與地層之間的環(huán)形間隙,防止土體塑性區(qū)的擴(kuò)大,控制地表沉陷。 ⑥水壓較大時(shí),為防止盾尾被擊穿,要及時(shí)在尾刷處注油脂。3.6 盾構(gòu)機(jī)穿越溶洞3.6.1 地質(zhì)條件分析 廣州地鐵五號(hào)線草暖公園至小北站區(qū)間環(huán)市中路下方以及即將建設(shè)的廣佛線等區(qū)段都存在有不同發(fā)育程度的溶洞。部分溶洞位于隧道空間范圍內(nèi),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(gòu)施工時(shí),一旦揭穿溶洞,有可能造成突水、突泥及盾構(gòu)機(jī)沉陷等工程事故,對(duì)盾構(gòu)施工影響較大。同時(shí)若隧道溶洞涌水(或突水)得不到有效處理,將直接導(dǎo)致孔隙水位下降。從而影響周邊建筑物安全,嚴(yán)重時(shí)將造成地面塌陷。因此必須準(zhǔn)確地掌握溶洞的分布和大小,對(duì)溶洞進(jìn)行處理,以降低施工難度和施工風(fēng)險(xiǎn)。3.6.2 溶洞處理技術(shù)措施 (1)加密鉆孔。在詳勘鉆孔揭示到有溶洞的地區(qū),為進(jìn)一步了解和掌握溶洞的分布范圍和溶洞大小,實(shí)施加密鉆孔,并使鉆孔交錯(cuò)布置,鉆孔深度至隧道結(jié)構(gòu)下5m。同時(shí)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(shè)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(shù)精確探測(cè)溶洞的邊界、溶洞走向、規(guī)模,另外利用部分鉆孔作為技術(shù)孔,對(duì)溶洞的充填物進(jìn)行物理力學(xué)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(shù)等指標(biāo),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(jīng)管內(nèi)流出后快速凝固,在一定的壓力下充填密實(shí)。3.6.3 盾構(gòu)機(jī)通過技術(shù)措施 ①做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作,提前對(duì)盾尾密封進(jìn)行檢查。 ②溶洞加固處理完畢后,在盾構(gòu)機(jī)通過時(shí),要適當(dāng)放慢掘進(jìn)速度。 ③調(diào)整同步注漿漿液的配合比,縮短凝結(jié)時(shí)間,同時(shí)增大注漿量和注漿壓力。 ④在盾構(gòu)機(jī)通過后及時(shí)進(jìn)行二次雙液注漿,通過調(diào)整水泥水玻璃的配比參數(shù),控制雙液注漿的凝結(jié)速度,達(dá)到加固土體和加固充填溶洞的目的。 ⑤加強(qiáng)掘進(jìn)姿態(tài)控制,全面貫徹信息化施工。 ⑥同時(shí)備好抽排水設(shè)備等應(yīng)急設(shè)備和物資,制訂應(yīng)急搶險(xiǎn)預(yù)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(fēng)化地層進(jìn)行盾構(gòu)施工時(shí),極易在刀盤開口處和切削倉聚積泥餅。當(dāng)產(chǎn)生泥餅后,掘進(jìn)速度急劇下降,刀盤扭矩也會(huì)上升,大大降低開挖效率,甚至無法推進(jìn)。其預(yù)防和處理措施如下: ①在到達(dá)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(jìn)時(shí),特別要加強(qiáng)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的地質(zhì)預(yù)測(cè)和碴土管理; ③掘進(jìn)時(shí)注泡沫劑,改善土體的和易性,預(yù)防粘土結(jié)塊; ④刀盤背面和土倉胸板上增設(shè)空心攪動(dòng)棒,增加攪拌強(qiáng)度和范圍,并且空心棒內(nèi)還可預(yù)留注水孔,以便清洗刀盤和土倉; ⑤空轉(zhuǎn)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(jìn); ⑦在開挖面穩(wěn)定的前提下,人工進(jìn)倉清除泥餅。4 小結(jié) 廣州地質(zhì)條件比較復(fù)雜,要保證盾構(gòu)機(jī)能夠在復(fù)雜的地質(zhì)條件下順利掘進(jìn),很重要的一點(diǎn)就是要保證盾構(gòu)機(jī)良好的工作狀態(tài),也就是要對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行定期的維護(hù)和保養(yǎng),及時(shí)排除盾構(gòu)機(jī)的故障,降低故障率無論對(duì)于加快施工進(jìn)度還是保證施工安全與質(zhì)量都是非常重要的。另外,工程中標(biāo)后,應(yīng)根據(jù)已有的地質(zhì)資料和實(shí)際的地表建筑物及管線等情況進(jìn)行補(bǔ)充地質(zhì)鉆探,摸清隧道穿越的詳細(xì)地質(zhì)情況,并結(jié)合盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)狀態(tài)和出土情況對(duì)地質(zhì)情況作出準(zhǔn)確的判斷,以便采取或者提前采取相應(yīng)的措施保證盾構(gòu)機(jī)在復(fù)雜地質(zhì)條件下的順利掘進(jìn)。參考文獻(xiàn):[1] 尹旅超,朱振宏,李玉珍,等譯.日本隧道盾構(gòu)新技術(shù)[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社[M],1999.[2] 劉建航,候?qū)W淵.盾構(gòu)法隧道[M].北京:中國鐵道出版社,1991.[3] 施仲衡.地下鐵道設(shè)計(jì)與施工[M].西安:陜西科技出版社,1997.[4] 袁敏正,竺維彬.盾構(gòu)技術(shù)在廣州地鐵的應(yīng)用及發(fā)展[J].廣東土木與建筑,2004,(8).