浅谈断裂破碎带富水地层土压盾构机掘进

浅谈断裂破碎带富水地层土压盾构机掘进

罗亚洲

广州轨道交通建设监理有限公司 广东 广州 510010

摘要：盾构在遇到断裂破碎带地层,由于该地层的岩体破碎,裂隙发育,易造成水力连通,使得盾构施工掘进时易出现掌子面坍塌、螺旋机喷涌、仓内滞排、刀具损坏等情况，.本文依托广州地铁十一号线大塘站-石榴岗站区间的土压平衡盾构工程,针对盾构穿越富水断裂破碎带地段进行了施工风险分析及有关施工控制技术总结,同时结合掘进参数,对盾构穿越破碎带地层的施工情况作了简要评价与分析,并提出了相关施工建议措施.该工程盾构在此研究基础上顺利穿越了富水断裂破碎带,可为今后类似盾构工程的施工提供经验与参考。

关键词：土压盾构机；断裂破碎带；盾构掘进；控制技术

1、工程概况

广州地铁十一号线大塘站~石榴岗站区间线路长1514.576m（右线1521.354m）。本区间间距为12.20~33.1m，纵断面为V型坡，最大坡度25‰，最小坡度为13.227‰，区间隧道覆土厚度12.63m~27.15m。

区间地貌为海积、海陆交互冲积平原，位于珠江三角洲河网发育地段，地表水体较发育，含水地层主要为地下水位以下的松散填土层、砂层及破碎地层、中风化岩带、构造破碎带。盾构所穿土层主要为：<5n-2>硬塑状碎屑残积岩、<6>全风化层、<7-1>砂岩、<7-3>泥质粉砂岩强风化层、<8-1>含砾砂岩中风化层、<8-3>泥质粉砂岩、细砂岩中风化层及、断层破碎带层。

采用盾构机主机全长8400mm，主机总重310t。带面板式刀盘，R174开口率28%，S626开口率30%，开挖直径6280mm；刀盘的设计主要以硬岩刀具为主，具体配置为刮刀52把、铲刀8把、保护刀6把、超挖刀1把、单刃滚刀31把、双刃滚刀4把。

2、断层与破碎带富水地层特点

断裂、破碎带是地层受地壳构造应力作用产生的，这类节理具有明显的方向性和规律性，发育深度较大，对地下水的活动和工程建设的影响也较大。构造节理与褶皱、断层及区域性地质构造有着非常密切的联系，它们常常相互伴生，是工程地质调查工作中的重点对象，该地层可能是地下水汇集、联通地下暗流、河床等桥梁。在盾构施工过程曾发现，掘进地层同为、断层破碎带层,前一秒掘进地层出土显示较为干燥，下一秒就出现水量过大超成螺旋机喷涌现象，地下水突变。

3、断裂破碎带富水地层盾构掘进难点、引发相关问题

3.1盾构掘进过程中的喷涌

在断裂破碎带区域，由于该段岩石较破碎，岩石裂隙水较大，根据断层走向和位置判断该断裂带与地势地下水汇集、河涌水有联系。并且由于基岩裂隙水发育，进入土仓的渣土不具一定的塑性，承压水与无塑性渣土容易形成螺旋机喷涌，所以在掘进时经常发生喷涌情况。一旦发生喷涌，掘进时间长，掘进一环一般需要5-8小时；且喷涌时掉落的泥巴较多，清理时间一环时间一般为3-10个小时。所以如果出现喷涌现象每天最多只能掘进1-2环，每天如此恶性循环，容易引发各类问题。

3.2盾尾漏水、漏浆

盾构机在进入断裂破碎带之后，断裂带内地下水丰富，且具有承压性，隧道中部水压力平均在2.3-2.5bar左右，且断裂带地层中的同步注浆效果不明显，因此对盾尾渗漏造成风险较大。根据左右线从进入断裂带后的观察，盾尾经常出现漏水、漏浆情况。受盾尾渗漏影响，盾尾密封刷受损后，因地下水十分丰富，只要密封刷局部磨损，水就会趁机而入，冲走密封油脂，破坏润滑和密封性能，水中夹带着泥沙，加速密封刷的磨损。密封一旦失去作用，地下水就源源不断地进入隧道内，超成水土流失，引发安全事故。进入破碎带开始盾尾漏浆严重，给掘进带来很大困难。

3.3管片上浮

成型隧道管片在断裂破碎带中，因大量的地下水涌入到管片与岩层之间的缝隙，会对掘进时注入管片与岩层之间的同步浆液造成稀释或流失，使浆液难以凝固或凝固时间较长，最终导致浆液失去原有的防水与固结效果，对同步注浆及二次注浆浆液配比要求大大提高，并加剧管片的上浮趋势，从而导致错台、破损。这不仅会严重影响到隧道管片的最终成型质量，更重要的是破坏了隧道的整体防水、止水构造，使成型隧道出现大量渗漏水点，影响日后的运营安全。

3.4仓内滞排

在断裂破碎带区域，由于该段岩石较破碎，岩石裂隙水较大，渣土塑性低，盾构机刀具破岩形成颗粒大小分明，在土仓压力作用下，螺旋机排出渣土如瓜米石般大小，混合这地下水排出，由于渣土塑性低，大颗粒无法有效的与细颗粒混合排出，大颗粒滞留在仓内，沉仓久而久之会引起滞排，引发出盾构机推力大、扭矩大，掘进速度2-5mm/min。影响掘进效率，更重要的是容易引起喷涌、超挖、地面沉降等问题。

4、断裂破碎带富水地层盾构掘进措施

4.1预防喷涌处理措施

4.1.1通过注入管路转换，增加一条注入管路，向土仓内注入原液高分子聚合物，利用高分子材料大量吸收渣土中水分后由液状渣土转为塑性渣土，能有效预防喷涌；在使用高分子材料后，从每天掘进2环提升到每天掘进4环的效果；

4.1.2在盾构机通过后，向离盾尾5环后的管片采用双液浆进行二次注浆施做止水环，截断后方水流通道；

4.1.3采用土压平衡模式掘进时，降低螺旋机出土速度，保持土仓内不少于半仓土，让切削下的土体基础土仓内的水。

4.2防盾尾漏水、漏浆处理措施

4.2.1及时对盾尾密封刷添加足量的油脂，确保盾尾的密封性，防止因盾尾密封性不好造成的漏水、漏浆现象；

4.2.2及时进行止水环的施做，减少后方来水压力对盾尾密封的影响，如止水环效果不明显，可考虑适当进行管片开孔放水，进一步减少后方来水压力。

4.3防止管片上浮处理措施

4.3.1结合断裂破碎带地层地下水丰富的特点，应对同步注浆浆液的填充性、初凝时间与早期强度、限定范围防止流失等方面的充分考虑，调配适合的注浆浆液，以满足管片壁后的填充效果；

4.3.2由于盾构机本身没有二次注浆设备，而每次二次注浆均需停机施工，影响掘进时间；为避免二次注浆对正常掘进的影响，采取了增加用于二次注浆以控制管片上浮问题；

4.3.3针对断裂破碎带水大问题，掘进时同步注浆的同时进行同步双液注浆，同时做好施工配合比和注浆量、注浆压力控制，防止注浆损坏盾尾刷；

4.3.4通过进行二次注浆，能较好的控制了管片壁后过来的庞大水压，间接的保证了管片的上浮与偏移。

4.4防止滞排处理措施

4.4.1在本地层中掘进需要考虑刀具保护降低渣土对刀片的磨损、同时在土仓内防止大粒径岩石沉仓，在仓内形成通道，若通道形成就会造成渣土出渣困难，含细颗粒的渣水溶液喷涌出来，使用悬浮剂，改变参内渣土塑性，达到一个预防喷涌 ，出渣顺畅，润滑刀盘，以及渣水包裹在一起的效果。在使用悬浮剂后，从速度2-5mm/min提升到20-30mm/min的效果；

4.4.2通过螺旋机正反转、前停后拉方式排出仓底大颗粒，该方法效果不明显，容易造成喷涌现象；

4.4.3定期进行置换排仓，通过往土仓注入分散型泡沫剂浸泡后，打入高浓度膨润土进行置换，排出大颗粒石子。

5结束语 

结合断裂破碎带岩石破碎且强度高、硬度大，以及地下水水压力、汇集快的特点，要成功的穿越此类地层，应在盾构穿越前做好断裂带的详细地质补勘工作，并根据地质补勘资料充分分析地层特点，采取符合工程特点的施工技术，以及在盾构通过前应做好机械设备的检查与改造，储备足够的水泵、注浆设备、刀具等易损易坏设备。在断裂带掘进施工过程中，相应的处理措施必须落实到位，如：地面安全监测、巡查、同步注浆、二次注浆以及刀具开仓检查等工作，只有相关措施落实到位才可使盾构机快速顺利的通过断裂带。最后，结合实际施工中所得经验，在断裂破碎带施工中应遵从“以排为主，以防为辅，防排结合，因地制宜，综合治理”的原则。

参考文献

[1]竺维彬，鞠世健.复合地层中的盾构施工技术.中国科学技术出版社，2006  

[2]曾伟华，盾构穿越断裂带掘进施工技术[B].第26卷增刊2.隧道建设，2006 

[3]梁怡星，盾构穿越断裂破碎带施工经验浅谈.《建筑学研究前沿》2018年第10期