盾构穿越特殊(粉细砂-风化岩)复合地层施工控制技术研究

摘要：针对该种地层特殊的地质特性，对包括盾构机选型和刀盘配置等盾构机主要技术参数进行较深入的研究。同时对掘进模式的优选、掘进参数、同步注浆及二次注浆参数的设定、渣良和土仓保压等方面的技术措施进行了研究，总结出了一套较为成熟的施工技术要领。

关键词：粉细砂―风化岩技术参数技术措施

中图分类号：U455文献标识码： A

珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段施工10标【金融高新区站～龙溪站】盾构区间沿佛山至广州城市主干道――海八路、龙溪路下穿行，本段分布有300米上软下硬的“粉细砂―风化岩”复合地层，该地层施工难度大，施工技术要求高，通过在施工前期进行国内外资料调研，收集在软硬复合地层，盾构隧道修建中的工艺、技术，以及理论、试验研究等方面的资料。其次认真总结国内如上海、南京、广州盾构隧道砂层及复合地层掘进施工中的经验教训，对包括盾构机选型（如刀具配置、渣良系统配置、保压设备配置等）以及对掘进模式的优选、掘进参数、盾构机姿态的控制和同步注浆、二次注浆参数的设定等方面的技术措施进行了研究,并根据现场情况及时做出相应的调整，最终快速安全的通过了该段上软下硬地层，同时也总结出了一套较为成熟的施工技术。

1、工程概况

珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段施工10标【金融高新区站～龙溪站】盾构区间沿佛山至广州城市主干道――海八路、龙溪路下穿行，本段分布有300米上软下硬的“粉细砂―风化岩”复合地层，隧道埋深17米，在隧道断面范围内下三分之一至下三分之二范围内为全或强风化岩层，之上为粉细砂层，拱顶以上分布有较厚的粉细砂层及余泥质粘土层直至地面。

2、典型施工案例

曾经在广州地铁三号线盾构施工的过程中引发的较大的地面沉降，特别是几次“塌通天”的沉降，几乎都是在上软下硬地质条件下造成的。形成这类事故的原因，是由于在盾构推进的过程中，刀盘切削工作面土体时上部软地层较易进入土仓，而下部较硬岩体不易破碎，在这种情况下，往往会使上部软地层过量切削进入仓内，特别是当隧道上部地下水较丰富且为粉砂层时，一旦密封仓内有些许土压失衡，上部的松散地层会很容易造成土体流失而发生较大的沉降，甚至发生“塌通天”事故。

3、施工难点

此类地层盾构掘进极易引起地面沉降过大或导致地面塌陷，本段车流量大，给本工程盾构的安全掘进和施工管理带来很大困难，是工程施工中的难点。

如何对盾构机进行选型以及对掘进模式的优选、掘进参数、盾构机姿态的控制和同步注浆、二次注浆参数的设定等方面成为解决该段地层中施工困难的重点。

4、盾构机主要技术参数

4.1盾构机选型

盾构施工对易液化的粉细砂层产生一些不利因素,尤其是盾构开挖面上部的砂层容易受到扰动而引起局部坍塌，该类地层宜采用闭胸式开挖，同时通过添加材料的辅助工法可以改善渣土的性状，从而避免渣土从出料口喷涌的现象发生。考虑到这一方面，并综合经济合理性的要求，本工程选用了德国海瑞克公司制造的φ6250mm复合式土压平衡盾构，盾构具有敞开式、半敞开式以及全闭胸的土压平衡式EPB式掘进模式，以适应硬岩地层，含水软岩以及软硬混合地层的掘进。同时在EPB模式下，足够的土压平衡调节能力可有效的平衡周围土体的静水压力和土压力，保证开挖面的稳定。配合可靠的同步注浆系统，必要的二次补浆，以及后期地层注浆加固技术等辅助工法，可将地表隆陷控制在规定的范围之内，另外通过泡沫注入系统、膨润土注入系统、高分子聚合物注入系统对渣土进行改良，有效的防止了结“泥饼”、管涌、流砂、冒顶或喷涌等现象，从而确保安全通过上软下硬的特殊地层。

φ6250mm复合式土压平衡盾构主要基本技术参数如下表

名称 参数

刀盘直径 6280mm

前盾直径 6250mm

中盾直径 6240mm

盾尾直径 6230mm

管片 外径6000mm，内径5400mm，宽度1500mm，管片数量5+1

刀盘驱动类型 液压驱动

刀盘功率 3×315Kw

刀具 齿刀64把，边刮刀左4+右4，双刃滚刀4把，单刃滚刀31把，超挖刀1把

刀盘开口率 28%

刀盘转速 最大4.5rpm

刀盘扭矩 2684.6千牛米

推进油缸 10 × 双油缸+10 × 单油缸

总推进力 34210千牛

螺旋输送机 功率200千瓦，速度22.15rpm

盾尾密封数 三排钢丝刷

管片安装机 机械抓取式

4.2刀盘配置

刀盘（右图）是一个带有多个进料槽的切削盘体，位于盾构机的最前部，用于切削土体，刀盘的开口率约为28％，刀盘直径6．28m，也是盾构机上直径最大的部分，一个带四根支撑条幅的法兰板用来连接刀盘和刀盘驱动部分，在该种地层下，刀盘上安装有64把齿刀，8把边刮刀，31把单刃滚刀，4把双刃滚刀，1把超挖刀。液压可伸缩式超挖刀可用于小曲径开挖。盾构机在转向掘进时，可操作超挖刀油缸使超挖刀沿刀盘的径向方向向外伸出，从而扩大开挖直径，这样易于实现盾构机的转向。超挖刀油缸杆的行程为50mm。刀盘上安装的所有类型的刀具都由螺栓连接，都可以从刀盘后的泥土仓中进行更换。在刀盘的圆周面、正面焊接有耐磨层，增强了刀盘的耐磨能力,增强的刀盘的使用能力。

刀具在刀盘上的超前量较大，正面滚刀的超前量为175mm，齿刀超前量为120mm，正面滚刀的轨迹间距为100mm，边缘滚刀的轨迹间距为9.59～100mm；滚刀的承载力为25t，适应掘进的岩石抗压强度为20～120MPa；滚刀的转动阻力矩小，在砂层中掘进时可以转动，以避免滚刀偏磨；刀盘前部的中心部位，装有一个用于注入添加剂的旋转接头，同时设备本身配备了用于渣良的泡沫和膨润土注入系统。在刀盘的背面焊有四根搅拌棒，以用来进行充分的渣良和搅拌。

5、盾构掘进时的主要技术措施

5.1掘进模式的优选

盾构在穿越上软下硬区段时，由于上下岩层强度相差较大，盾构容易上抛，此施工段施工重点是盾构机的使用控制。由于断面上部地层为易液化的细砂层，容易引起上部塌方，所以采用土压平衡模式掘进。

5.2掘进参数

在这种不良地层掘进时土仓压力不易控制：过高，则盾构推力和扭矩增大，作用在开挖面的有效推力不易掌握；过低，则易引起开挖面坍塌造成地面沉陷。因此，盾构施工时,要根据该种地层的工程地质特性以及隧道的埋置深度计算确定主要的掘进参数,包括:盾构姿态、推力、扭矩、掘进速度、刀盘转速、贯入度、土仓压力,值得强调的是,由于土压平衡模式下实际上是一种通过螺旋机的旋转出土形成的动态平衡,所以在实际操作过程中螺旋机的转速和压力也要引起足够重视。相关的掘进参数如下：

①土仓压力:推进时土仓压力80～100 kPa,停机拼环土压120 kPa以上。

②推力及扭矩:推力8000～13000 kN;扭矩约1800 kN.m;

③刀盘转速: 1.0～1.5 r/min。

④贯入度(切削量): 20～30mm /rpm。

⑤同步注浆压力及注浆量:浆液采用水泥砂浆。注浆压力180～250 kPa。注浆量大约6 m3/环。

⑥螺旋机转速:低于10r/min。

5.3盾构掌子面的稳定及控制

5.3.1掌子面稳定机理

土压平衡盾构掌子面稳定机理具有以下的特征：使刀具切下的土砂呈塑性流动，充满于土藏内以控制掌子面；用螺旋输送机和排土调整装置来调整排土，使之与切削土量保持平衡，并使土仓内的土砂有一定的压力，以抵抗掌子面的土压力，水压力；用土仓内和螺旋输送机内的土砂获得止水效果。

为了保证掌子面的稳定，重要的是要使切削下来的土砂具有塑性流动，并使土砂确实充满土仓内，同时还应使开挖的土砂具有止水性。因此，土压平衡盾构稳定掌子面的机理，因工程地质条件不同而不同。

砂性土层的掌子面稳定机理

由于砂性土和砂砾土的内摩擦角大，土的摩擦阻力大，故难以获得好的流动性。当切削下来的充满满土仓和螺旋输送机内时，将使切削刀具转矩，螺旋输送机转矩，盾构推进油缸推力增大，甚至使掌子，排土无法进行。另外，此类地层渗透系数大，仅靠土仓和螺旋输送机内的压缩效应不可能完全止水，在掌子面水压高时，螺旋输送机排土闸处易出现喷涌。因此，对这类地层，通常采用给掌子面或土仓内注入外加剂和加装搅拌装置进行强制搅拌等方法，以使开挖土具有流动性和止水性。与粘土地基一样，通过控制开挖量和排土量来平衡掌子面的水压力，土压力，亦可达到保持掌子面稳定的目的。

5.3.2渣土的改良

在土压平衡盾构施工中，尤其在复杂地层及特殊地层盾构施工中，为了保持开挖面的稳定，根据围岩条件适当注入添加剂，确保渣土的流动性和止水性，同时要慎重进行土仓压力和排土量管理。渣良的目的如下：

（1）使渣土具有良好的土压平衡效果，利于稳定开挖面，控制地表沉降。

（2）提高渣土的不透水性，使渣土具有较好的止水性，从而控制地下水流失。

（3）提高渣土的流动性，利于螺旋输送机排土。

（4）防止开挖的渣土黏结刀盘而产生泥饼。

（5）防止螺旋输送机排土时出现喷涌现象。

（6）降低刀盘扭矩和螺旋输送机的扭矩，同时减少对刀具和螺旋输送机的磨损，从而提高盾构的掘进效率。

渣良就是通过盾构配置的专用装置向刀盘面，土仓内或螺旋输送机内注入水，泡沫，膨润土，高分子聚合物等添加剂，利用刀盘的旋转搅拌，土仓搅拌装置搅拌或螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与土渣混合，其主要目的就是要使盾构切削下来的渣土具有好的流塑性，合适的稠度，较低的透水性和较小的摩擦阻力，以满足在不同地质条件下盾构掘进可达到理想的工作状况。在本工程施工中，结合以往的施工经验和这段地质的实际提特殊状况，我们选用了具有对砂土有良好改良作用的泡沫剂作为砂良添加剂，这样就可以使切削下来的渣土具有较好的黏附力，便于排土输送。在含水量丰富单一靠泡沫剂来改良效果就不是那么的理想，就要考虑多种改良方法一起作用，我们经过综合考虑试验后选用了用后配套设备上的膨润土罐来配置高分子聚合物通过管路注入土仓的方法。泡沫剂和高分子聚合物两种方法的综合使用在施工中有效的减少了富水砂层的喷涌，流砂，渣土输排的困难。

当盾构穿越的地层主要有泥岩，泥质粉砂岩，砂岩，粘土层时，盾构掘进时可能会在刀盘尤其是中心部位产生泥饼。此时，掘进速度急剧下降，刀盘扭矩也会上升，大大降低开挖效率，甚至无法掘进。施工中的主要技术措施如下：

（1）加强盾构掘进时的地质预测和泥土管理，特别是在黏性土中掘进时，更应密切注意开挖面的地质情况和刀盘的工作状态。

（2）增加刀盘前部中心部位泡沫注入量并选择较大的泡沫注入比例，减少渣土的黏附性，降低泥饼产生的几率。

（3）必要时在螺旋输送机内加入泡沫，以增加渣土的流动性，利于渣土的排出。

（4）必要时采用人工处理的方式清除泥饼。

5.3.3保压措施

土压平衡控制的要点就是维持开挖面的稳定，确保土仓内的土压力平衡开挖面的地层土压力和水压力。土压平衡盾构开挖面的稳定有下列因素的综合作用的维持：适当的推进速度使土仓内的土压力平衡地层压力和水压力；通过调节螺旋输送机的转速和排土闸门开度调节排土量；适当保持泥土的流动性，根据需要调节添加剂的注入量。

土压平衡盾构以土压力为控制目标，通过将盾构土仓内的实际土压值Pi与设定土压值P0进行比较，依此压力差进行相应的排土管理：(1) Pi> P0时提高螺旋输送机转速或降低推进速度。（2）Pi =P0继续正常推进。（3）Pi＜ P0降低螺旋机转速或提高推进速度。设定土压值P0应控制在以下范围内：（水压力+主动土压力）＜P0＜（水压力+被动土压力）。

5.4同步注浆与二次注浆软弱地层沉降控制的合理参数

5.4.1同步注浆

（1）注入量与地层的关系

根据刀盘开挖直径和管片外径，可以按下式计算出一环管片的注浆量。

V=π/4×K×L×（D 2-D22）式中:

V ―― 一环注浆量（m3）

L ―― 环宽（m）

D1―― 开挖直径（m）

D2―― 管片外径（m）

K―― 扩大系数取1.5～2

代入相关数据，可得:

V=π/4×(1.5～2)×1.5×（39.4-36）

=6.0～8.0m3/环

上面经验公式计算中，注浆量取环形间隙理论体积的1.5～2倍，每环（1.5m）注浆量Q=6.0～8.0m3。

（2）配比的变化与地层的关系

根据盾构施工经验，同步注浆拟采用下表所示的配比。在施工中，根据地层条件、地下水情况及周边条件等，通过现场试验优化确定。同步注浆浆液的主要物理力学性能应满足下列指标：

每立方同步注浆材料配比和性能指标表

水泥（kg） 粉煤灰（kg） 膨润土（kg） 砂（kg） 水（kg）

120 360 120 700 500

①胶凝时间：一般为3～10h，根据地层条件和掘进速度，通过现场试验加入促凝剂及变更配比来调整胶凝时间。对于强透水地层和需要注浆提供较高的早期强度的地段，可通过现场试验进一步调整配比和加入早强剂，进一步缩短胶凝时间。

②固结体强度:一天不小于0.2MPa，28天不小于2.0MPa。

③浆液稠度:8～12cm。

在上软下硬地层中，砂浆的配比做出适当的调整：适当减小水的比重，适当增大水泥和膨润土的比重。这样的调整目的为减小砂浆的流失并且缩短砂浆的胶凝时间。

5.4.2二次注浆

同步背后注浆结束后，浆液在凝固的过程中会有1.4%左右的体积收缩，还有因浆液发生流失，在管片背面会形成空腔。由于空腔的存在，此处地层易发生坍塌变形，随围岩松动范围扩大，会引起地面沉降。用二次注浆及时填充管片背面的空腔，使地层没有发生变形的空间，有效地控制地面下沉。在广佛线上软下硬的复合地层中，控制地面沉降使用的浆液为单液浆，注浆时，用水灰比1∶1的水泥浆液填充满管片背面的空腔，注浆压力控制在0.5 MPa内，当注浆压力接近0.5 MPa时停止注浆。注完浆后要封孔，封孔时浆液凝固时间调整到15s，注完50 kg水泥，关掉注浆泵。由于上部为细砂层，注浆要求能迅速阻水，快速充填。故要求浆液凝固时间短，黏性大，保水性强，不离析，凝胶时间宜控制在4～6 h。

从施工过程看，同步注浆及二次注浆质量把握较好，地面沉降控制在+10～-20 mm内，未引起建筑物沉降、倾斜、开裂。

5.5、安全掘进控制措施

除了满足上面提到的掘进参数外，还要采取以下控制措施，来保证盾构机的安全掘进。

(1)适当放慢掘进速度，使盾构刀盘能对正面坚硬岩层进行充分破碎；

(2)合理利用盾构铰接千斤顶，改变刀盘倾角以加强对硬岩部位的切割，提高盾构掘进过程中的轴线控制能力；

(3)调整盾构机推进千斤顶的区域油压，硬岩区域推进千斤顶油压较软岩部位适当加大，以控制千斤顶的合力作用点、抵消上抛力，控制好盾构轴线位置和隧道坡度。

(4)利用刀盘边缘的扩挖刀，对下部硬岩部分适量扩挖以避免盾构上抛。

(5)如果上部太软掘进时出现塌陷，则应考虑地表注浆加固。一般情况下可以通过保持一定的土压防止上部掌子面坍塌。

6、“粉细砂―风化岩”上软下硬复合地层盾构施工技术要领总结

在粉细砂―风化岩” 上软下硬的复合地层中，易液化的粉细砂层和城市主干道敏感区段的复杂环境注定会造成极大的施工困难，通过加强管理、提前策划，并根据在施工过程中及时收集到的监测信息快速调整和优化掘进参数以及同步和二次注浆等参数，盾构施工取得了较好的效果，安全快速的通过了该段地层，并得出了一些施工经验：施工技术管理是关键，盾构机选型及合理的参数是保证。

基于在粉细砂―风化岩” 上软下硬的复合地层中的施工经验，总结出了一套适合于该地层的较为成熟的施工技术要领，主要为：

(1)合理配置刀具

在边缘和靠近边缘的正面部分要配置足够的重型齿刀或滚刀以确保刀具能够充分破碎底部的硬岩地层，保证盾构能够向前推进。

(2)必要的渣良措施

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。

(3)合理控制掘进参数

Ⅰ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。

Ⅱ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95%～105%。

Ⅲ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。

Ⅳ严格进行同步注浆，保证注浆压力和注浆量，充分填充盾尾和管片之间的建筑间隙，以减少周围土体的位移变形。

Ⅴ根据盾构推进的地质预报及出头情况分析，充分了解前方地层情况，及时添加调整渣良材料，以改良渣土，防止产生“泥饼”和“喷涌”。

Ⅵ及时对盾尾密封添加足量的油脂，确保盾尾的密封性，以防止因盾尾密封不好而产生漏水、漏浆和漏砂等现象。

Ⅶ合理利用盾构铰接油缸，改变刀盘倾角以加强对硬岩部位的切割，提高盾构掘进过程中的轴线控制能力。

Ⅷ调整盾构推进油缸的区域油压，硬岩区域推进千斤顶油压较软岩部位适当加大，以控制千斤顶的合力作用点、抵消上抛力，控制好盾构轴线位置和隧道坡度。严密关注盾构机姿态并作出准确的姿态调整。

Ⅸ检查更换刀具时，必须进行加固或带压进仓。

Ⅹ加强设备管理，做好设备故障诊断和定期保养，提高设备完好率。

7、结束语

今后城市交通建设中向地下铁道发展是大趋势，地铁施工中采用盾构机是发展主流，地铁施工中地质条件成为影响工程质量及进度的关键因素，其中“粉细砂―风化岩”上软下硬复合地层盾构掘进便是其中需克服的技术难题之一，很多工程实例表明，特殊地层掘进控制成为整个工程质量及进度最重要的一环，国内盾构隧道施工中因在“粉细砂―风化岩”上软下硬复合地层中掘进造成质量事故及工期拖延的事件时有发生，严重影响了企业形象及效益。通过本次研究，总结经验，可知，尽管盾构掘进通过富水复合地层风险较高，但是我们如果能够在盾构选型配置，盾构掘进模式参数上依据地质状况提前分析，参照以往施工经验较准确的设定数据。同步注浆和二次注浆及时饱满，配合比选择适当。风险也还是可以降低克服的，相对于因此而增加的经济成本而言，我们因为规避了施工风险或事故而获得的潜在经济效益和社会效益更大。

参考文献：

1，周立波编著，盾构法隧道施工技术及应用，中国建筑工业出版社，2009.4

2，陈馈，洪开荣，吴学松主编，盾构施工技术，人民交通出版社，2009.5

3，王江涛，陈建军，吴庆红，于澎涛编著，南水北调中线穿黄工程泥水盾构施工技术，黄河水利出版社，2010.6

4，李建斌，陈馈，康宝生主编，先进机械施工新技术及案例，中铁隧道集团有限公司，2003.12

5，张照煌，李福田编著，全断面隧道掘进机械施工技术，中国水利水电出版社，2006.1

6，宁锐，刘文斌，《四川建筑》