全断面软硬不均岩层盾构掘进参数分析

全断面软硬不均岩层盾构掘进参数分析

李俊青

中铁十局三建公司  安徽省合肥市230000

摘 要：

针对杭州机场快线文沈盾构区间地层为全断面软硬不均地层条件下盾构施工遇到的技术难题,概述了盾构机选型及实际掘进过程中模式转换的应用，通过盾构掘进参数分析，得到了全断面软硬不均地层掘进施工时参数的变化规律，采取掘进参数合理匹配、渣土QC表管理法及二次注浆等措施,实现了在全断面软硬不均地层条件下盾构快速、安全掘进施工,拓宽了盾构的应用领域。

关键词：

盾构施工   软硬不均   掘进参数

引言：

目前地铁施工技术相对成熟，国内城市地铁隧道多采用盾构法施工，盾构法施工掘进安全、快速、广泛适用于各种地层，但在长距离全断面复杂地层下掘进过程中常见掘进效率低、掘进控制困难、易喷涌、刀盘磨损严重等问题，严重时会发生地面塌陷等安全事故。本工程盾构机掘进穿越全断面软硬不均岩层约600m，其中中风化安山玢岩最大单轴抗压强度局部可达52.9MPa，且掘进所占比例为全断面岩层的1/3，预测掘进过程中会发生掘进效率骤降、刀盘磨损、螺机喷涌等现象，为本工程掘进施工中的技术难点。

1.工程概况

杭州市机场轨道快线土建施工SGJC-6标段文三路站～沈塘桥站区间为单圆盾构区间，区间总长度1713.431m，从沈塘桥站小里程始发后沿文三路下方敷设，到达文三路站接收，区间埋深11m～33.9m，线间距约14m～17.2m。该区间采用2台中铁装备复合式土压平衡盾构机进行掘进施工,盾构机开挖直径7140mm，盾体直径7110mm，刀盘开口率41%。区间隧道衬砌管片外径6900mm、内径6100mm，壁厚400mm，环宽1500mm，管片楔形量48.5mm（双面楔形）。

1.1 地质条件

文三路站～沈塘桥站区间穿越地层为软硬复合地层，基底岩性为早白垩系侵入岩、白垩系下统朝川组泥质粉砂岩，穿越地层上部断面是呈现典型中硬土特征的全、强风化安山玢岩及强风化泥质粉砂岩，隧道下部断面由中风化上段安山玢岩及中风化泥质粉砂岩构成，整体分布呈现出明显上软下硬的基本特征。区间段掘进断面围岩里程分布、长度、围岩条件及隧道埋深统计见表1。通过地质勘查钻孔取芯及室内试验获得围岩层物理力学特性指标，统计结果见表2。

表1 全断面段分布及围岩条件

注：(21)1a全风化安山玢岩，(21)2a强风化安山玢岩，(21)3a-1中风化上段安山玢岩，(20)2a层强风化泥质粉砂岩，(20)3a层中风化泥质粉砂岩。

表2 区间段围岩层物理力学特性指标

1.2工程施工技术难点

(1)上述盾构施工掘进段地表构筑物和管线较为复杂，地表沉降控制要求高，土压平衡盾构在上软下硬地层掘进过程中，单环掘进时间长，盾构机震动对土层影响非常大出渣量难以精确统计，极易出现地表塌陷、房屋受损等重大安全事故。

(2)盾构长距离高强度全断面岩层中掘进，易产生刀具磨损，刀具更换困难。

(3)地下水含量丰富、渣土主要为岩石颗粒，几乎无粘度无法达到流塑状态，出碴不顺且易造成喷涌。

2.盾构机选型

根据文三路站～沈塘桥站区间地质条件，盾构机必须具有一定的全断面破岩掘进能力、灵活的姿态调整能力、土仓防结泥饼能力以及刀盘防磨损、防结泥饼能力。该区间采用2台中铁装备复合式土压平衡盾构机进行掘进施工,盾构机开挖直径7140mm，盾体直径7110mm，刀盘开口率41%。

(1)刀盘结构采用4主梁+4副梁的复合式刀盘，刀盘开口在整个盘面均匀分布，整体开口率为41%，刀盘中心区域具有较大开口，配合主驱动隔板固定设计以及驱动隔板的被动搅拌棒，加强了对刀盘中心区域的搅拌，改善了中心碴土的流动性，降低了刀盘中心区域“结泥饼”的风险。

(2)刀盘前面板敷设6mm+6mm复合钢板，大圆环焊接高铬高锰钢板+一整圈合金耐磨块，增强刀盘在风化岩、粉砂岩地层掘进时的耐磨性。              

图1 刀盘构造图

(3)刀盘刀具设计考虑硬、软岩刀具可进行互换，具体道具配置为：4把中心双联滚刀、36把单刃滚刀、边刮刀8把，增强刀盘破岩能力，延长刀盘在风化岩地层中连续掘进距离；切刀40把、撕裂刀11把，可用于软土掘进，同时可用于硬岩层掘进时的刮渣；仿行刀1把，可局部扩大隧道开挖面。图1为盾构刀盘构造图。

3.掘进模式转换技术

本盾构区间复合地层掘进涉及半仓、满仓土压平衡推进模式相互转换技术应用。土压平衡模式在明显上软下硬及全断面硬岩段向半仓推进模式转换，半仓推进模式主要是利用气压辅助系统将空气压缩进土仓以置换出渣舱上部的土体，在压缩气体与渣土的置换过程中，应严格控制出渣速度，即平衡出渣速度与推进速度所切削下来的渣土量和注入压缩空气量总和。此模式有效解决了城市区域典型上软下硬地层掘进时的推进效率，解决了此工况条件下盾构机掘进参数异常，导致的地表沉降情况的发生。

为保证盾构在不同地质界面掘进过程中的施工安全，该区间由强风化过渡至中风化安山玢岩之前开始逐渐转换为半仓模式推进，于384环转换完成，根据现场实际掘进进度反馈，该模式行之有效，并在后续安全快速穿越该长距离软岩地层施工中得到了印证。

4.全断面岩层掘进参数分析

该盾构区间长距离穿越软硬不均岩层，依据地勘报告及实际掘进环数取出渣样，统计洞身掘进断面里程与实际推进环数的关系如表3所示，下述为岩层段掘进参数的具体分析。

表3 岩层掘进里程与推进管片环数对应关系

4.1 总推力

盾构机在复合地层掘进施工时，总推力大小随地层变化而变化，按照岩层分布条件，盾构掘进方向依次历经5个阶段地层的变化，各阶段地层总推力与推进环号参数分析如图2所示。

(1)盾构机在第一段全、强风化安山玢岩段掘进，总推力维持在16000~18000KN，在强、中风化泥质粉砂岩构成的上软下硬地层中         掘进，总推力基本维持在17000~21000KN，在第二段中风化上段安山玢岩段中的总推力需求最大，最大峰值可达22500kN,各阶段盾构推力符合预设参数要求，盾构在全断面软弱岩层掘进中，其推力变化趋势整体与各阶段岩层力学特征相匹配。

图2 盾构推力与推进环数曲线图

(2)盾构机在风化岩层中总推力需求最小，上软下硬地层进的盾构机总推力要相对增大一些,中风化段岩层推力最大，且随着较硬岩层所占比列的增加，盾构总推力逐渐增大，这是因为随着岩石的强度增大，刀具破岩能力减弱，与实际掘进过程贯入度统计情况相吻合。

(3)实际掘进过程中，发现抵达中风化段岩层时管片破损增多，经分析原因，得出该地层总推进力增大造成管片局部破损，因此在中风化段岩层掘进时应严格控制盾构推力,防止过大造成局部管片破损。

4.2土仓压力

在设置土仓压力时，主要考虑地层土压及预先考虑的预备压力。静止土压力为处于静止的弹性平衡状态下的原状天然土体的土压力，其计算公式如下：

P=k0×r×h

P:平衡压力（包括地下水）

r:土体的平均重度

h：隧道埋深（m）

k0：土的侧向静止平衡压力系数

通常在理论计算的基础上考虑为0.1～0.2bar的压力作为预备压力。

根据盾构机的掘进位置及相应的地质情况，取r=16kN/m3，h=25.6～33.8m，k0=0.6，代入上式得：P=2.4～3.2bar。

实际掘进过程中土压统计参数直方图见图3，盾构在全断面岩层中掘进其土压基本维持在2.3～3.2bar，这与预设的土压参数相匹配.                     

图3 软岩地层上部土压分布直方图

4.3 刀盘扭矩

(1)在上软下硬及全断面岩层段,随着岩层范围逐渐增大,岩层强度增加，刀盘受到的阻力愈来愈大,刀盘扭矩相应增大。左线隧道掘进过程中,刀盘扭矩处于较高的水平,大部分在2200~4000kN·m，局部可达5600kN·m，这是因为地层发生突变，岩石越硬刀盘受到的阻力越大,扭矩增大不可避免，此外渣土改良效果不佳亦不可忽视。

(2)在全断面岩层中掘进刀盘扭矩预设控制值为2000~3000kN·m,希望通过控制扭矩减少刀具的磨损。但实际掘进中,断面岩石强度越大，刀盘受到的阻力越大,扭矩的增加是不可避免的。

图4 刀盘扭矩分布直方图

图5 刀盘扭矩随推进环号变化关系

4.4 推进速度

(1)盾构机在强、全风化安山玢岩地层掘进能够维持较高的掘进速度;由强风化向中风化安山玢岩地层过渡,掘进速度显著降低，最低仅为15mm/min;由中风化安山玢岩地层向强风化泥质粉砂岩地层过渡掘进速度显著上升，掘进速度为35～50mm/min；强风化泥质粉砂岩过渡为中风化泥质粉砂岩地层后掘进速度略有回落，掘进速度为30～40mm/min。                                  

图6 掘进速度与环号关系图

(2)隧道全断面岩层段整体掘进速度控制相对稳定,强风化岩层掘进速度控制在40～60mm/min，中风化砂岩地层控制在30～40mm/min，与预设掘进速度基本一致，中风化玢岩地层控制在15～35mm/min左右，该速度相比于设定掘进速度偏小，掘进效率低于预期。

4.5 出渣量控制

盾构区间地层主要为强、中风化安山玢岩及强、中风化泥岩地层,易出现超挖现象,盾构掘进过程中需严格控制出土量。每环的理论出土量:

式中：D为开挖直径，L为环宽，K指渣样松散系数(取1.1)

掘进过程中采用渣土QC表管理法（图7），每掘进30cm测量出渣量，并与该行程理论出土量进行比对，绘制出土量QC表，形象分析当前出土超欠挖情况。通过渣土QC管理法严格控制出渣量，防止欠挖和超挖。掘进过程中出土量为63.8～67.82m³/环，为理论量的96.7%～102.8%，均在±10%范围内，符合要求。              

图7  渣土QC管理图

4.6 同步注浆及二次注浆

同步注浆是保证地面建筑、地下管线、盾尾密封及衬砌管片安全的重要一环，同步注浆与盾构掘进同时进行，在管片衬砌环脱出盾尾后,应适当加大注浆量,以充分填充管片与地层之间空隙，图8为同步注浆系统示意图。              

图8 同步注浆系统示意图

浆液及时凝固可以减轻盾构通过时对地层扰动,避免工后沉降较大，通过现场稠度试验及注浆效果，及时与浆液站沟通，调节优化同步注浆浆液比，减小离析，提高浆液质量。图9为注浆量及注浆压力关系，由此可知：全断面软硬不均岩层盾构掘进中，每环实际注浆量为4～6m3,为理论注浆的1.0～1.5倍，注浆压力基本维持在0.4～0.5MPa，注浆量及注浆压力关系见图9。

图9 注浆压力及注浆关系图

二次注浆用于进一步填充同步注浆层与地层之间的残留间隙,压浆采取少量多次的原则，并根据地面监测点反馈数据及时调整注浆压力及注浆量,以便最大可能减小盾构推进施工对隧道周围环境的影响。

5 结论

文章以杭州机场快线文沈盾构区间为背景，针对全断面上软下硬复杂地层条件下盾构掘进技术，概述了盾构机选型及实际掘进过程中模式转换的应用，统计分析各掘进参数的变化规律，通过采取合理匹配各地层掘进参数、出渣量控制、同步注浆及二次注浆等措施，实现了全断面软硬不均岩层中盾构快速、安全掘进施工，为同类型盾构掘进施工起到了一定的指导意义。

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