北京典型地层条件下土压平衡盾构施工.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流北京典型地层条件下土压平衡盾构施工.精品文档. 摘要北京地铁五号线盾构试验段及南延工程是全线重要的地下区段之一，它位于老城区并穿越一系列北京地区典型地层。同时也是北京地区首次将盾构法应用于地铁隧道施工的工程。通过本工程的实践，为北京地层条件下的盾构施工先期进行了有益的探索，并取得了一些典型地层条件下的施工经验，为后续盾构隧道的施工提供有益的参照。盾构法在北京城区地铁建设中的首次应用获得了圆满成功，倍受各界好评。 关键词盾构施工北京典型地层地表沉降特征 1工程与地质概况 1.1工程概况 北京地铁五号线工程是北京地铁路网中一条重要的南北向轨道交通

2、线路，南起丰台区宋家庄站，北至昌平区的太平庄北站，全长27.7km，其中地下线14.88km，地下车站16座，其余为地面及高架线。线路呈南北走向穿越北京东单，所以又称“东单南北线”。 北京地铁五号线雍和宫站北新桥站张自忠站的区间隧道工程，全长约1500m，作为盾构试验段及南延工程先期开工建设。盾构掘进施工由雍和宫站南端竖井始发，经北新桥站址（该站未施工）采取直接掘进过站方式，至张自忠路站进行盾构接收与调头施工。在全线范围内，本区段环境条件、地层条件较具代表性，同时盾构法首次应用于地铁隧道施工。因此，工程的实施与进展备受关注。 本工程沿线地表环境复杂，主要穿越大片密集危旧民居区，年代久远的胡同，

3、紧邻同为南北走向的雍和宫大街、东四北大街以及大量临街商铺，道路交通流量大，商铺生意繁忙，见图1-1、图1-2。 图1-1北新桥站至雍和宫站区间线路平面图 图1-2张自忠路站至北新桥站区间线路平面图 线路由雍和宫站向南，先沿雍和宫大街西侧穿越民房区，再穿过雍和宫大街至东侧民房区到达北新桥站，最后向南沿东四北大街东侧穿越民房区至张自忠站。平面曲线最小半径R=800m，竖曲线R=5000m，隧道覆土厚度1016m，线路最大坡度为22。 隧道结构设计为单层预制装配式管片衬砌，管片外径6000mm，衬砌厚度300mm，管片分为6块，管片间采用预制弹性密封橡胶圈防水。管片环类型分为三种：标准环、左楔环与右

4、楔环。管片环与环之间采用错缝拼装方式，管片之间采用弯螺栓连接。 本工程采用加泥式土压平衡盾构机，直径6.14m，具有铰接装置。面板式刀盘，开口率38%。 1.2工程地质概况 北京地铁五号线盾构试验段及南延工程沿线地层从上到下主要有：人工填土层、粘质粉土砂质粉土层（夹粉质粘土层-1、重粉质粘土-2层。局部夹粉细砂透镜体-3层）、粉细砂层、圆砾层（一般粒径为520mm，最大粒径为150mm，中粗砂填充，局部成为中粗砂-2透镜体。该层中部或底部颗粒较粗成为卵石-3层，其粒径一般为2080mm）、粘质粉土砂质粉土层（含姜石，局部夹细砂透镜体，夹粉质粘土重粉质粘土-1层和粘土-2层）、中粗砂层（含少量砾

5、石，夹粉细砂-1层和粉质粘土重粉质粘土-2层）、卵石层（亚圆形，未风化，一般粒径为2080mm，最大粒径为200mm，中粗砂或粘性土充填，局部地段颗粒较细逐渐变为圆砾或砾砂-1层）、粉质粘土粘质粉土层和卵石层（为亚圆形，为风化微风化，一般粒径为2060mm，最大粒径为180mm，中砂或粘性土充填，夹粗砂-1层）。 1.3水文地质概况 隧道沿线地下水包括：上层滞水（贮存于杂填土-1层，粘质粉土素填土层和粘质粉土砂质粉土层的孔隙之中，水位埋深为2.310.25m）、潜水（贮存于粉细砂层，中粗砂-1层，砂砾-2层，圆砾层，中粗砂-2层卵石-3层的孔隙之中。局部地段潜水具有弱承压性，水位高出含水层顶板

6、0.52.8m）、承压水（贮存于中粗砂层，卵石层，粉细砂-2层、卵石层及其砂土夹层的孔隙中，水头高出含水层顶板13m）。地下水对砼具有弱腐蚀性。 2本区段工程特点分析 2.1地层的多样性、典型性及具有代表性 北京地铁五号线试验段及南延工程沿线多种地层并存，根据隧道穿越的不同地层，沿线可划分为三个地质段，分别为粘质粉土、粉质粘土层地质段；粉细砂、圆砾及卵石层地质段；粉细砂、中粗砂及圆砾地层地质段。本区段所穿越的上述各类地层属北京地区典型的地质条件，在本区段集中分布三种不同地质段体现了北京地区地层条件的多样性，并具有一定的代表性。 2.2城区施工的复杂性 城区施工是地铁建设难以回避的领域。本工程沿

7、线地表环境复杂，主要穿越老城区，有大片密集危旧民居区，经房屋鉴定，大多为危房；南北走向的雍和宫大街、北新桥地区以及东四北大街交通流量大，车流不畅；大量临街商铺，商铺生意繁忙。胡同狭窄密集，其中就有国子监胡同等重点控制保护地区。同时，地下管线密布，种类繁多。 北京老城区具有明显特点： 1）危旧民居多为解放前或更早建造，房屋基础浅且连同墙体均为破碎砖头堆砌。连结松散、易开裂，见图2-1； 2）不明管线众多，如排水管等，且无从查询； 3）地下防空洞纵横，积水严重，部分坍塌废弃； 4）居民院落自渗井较多，造成土体长期处于饱和状态，致使隧道上覆地层条件恶化。 上述现状增加了施工中的不确定因素，加大了施工

8、难度及风险。 2.3工程的重要性 本工程为奥运工程、北京市重点工程，备受社会各界关注。更为重要的是在施工的同时要保证沿线地表密集的居民区、繁忙道路的安全，保证良好的社会生活秩序。城区环境对盾构施工中的地层扰动及地表沉降反应敏感，因此施工中如何加强控制，减少盾构施工引起的地层扰动及地表沉降是施工中的重点。 3北京典型地层盾构施工 3.1北京地区三种具有代表性的典型地质条件下的盾构施工 根据沿线地质勘察报告，沿线可划分为三个地质段，分别为粘质粉土、粉质粘土层地质段；粉细砂、圆砾及卵石层地质段；粉细砂、中粗砂及圆砾地层地质段。 3.1.1粘质粉土、粉质粘土层地质段的掘进施工 该地质段的土层从上至下的

9、分布一般是杂填土层、粘质粉土素填土层、粘质粉土、粉质粘土层、粉细砂层、中粗砂层，详见图3-1。 图3-1粘质粉土、粉质粘土层地质纵断面图 1）隧道穿越地层地质条件在该地质段中隧道穿越地层以粉质粘土、粘质粉土为主，局部有中粗透镜体砂夹层，上覆地层为粉质粘土、粘质粉土层，潜水水位高出顶板23m，具有微弱呈压性，承压水水头比隧道底高出约3m。此类地层土体密实度高，土中粘粒成分较多，具有无水时硬度大，遇水时粘度大的特点，土体有很好的自稳能力。 2）掘进施工控制开挖面的平衡以及有效的地表沉降控制均较易实现，掘进过程中刀盘扭矩、推进速度及掘进系统的各项控制数据均处于合理高效状态。沿线同步注浆压力及注浆量较

10、恒定。刀具磨损小。 3）易出现的问题在此类地层掘进时，粘性土较易附着于刀盘表面以及靠近中心区域的刀盘开口，造成切削效率降低，刀盘扭矩增大；切削土体进入土仓后也易附着于仓板表面，影响土压传感器的数据的准确性。 4）主要施工技术措施在施工中，主要采用泡沫作为土体改良添加材料，在增加土体流动性的同时，降低其粘着性，防止土体附着于刀盘或土仓内壁。向螺旋输送机内注入适量的泡沫，增加土体的流动性，减小土体的摩擦力，使土体能经螺旋输送机顺利排出。土体改良效果十分显著。经过改良后土体变的松软，而且粘度大大降低，土体的可排性得到增加。此类地层施工中在泡沫注入时，还应根据出土的情况、盾构机掘进速度、刀盘扭矩等参数

11、合理调整泡沫在泡沫注入管路中的分配和注入泡沫的位置，使刀盘前方、土仓内和螺旋输送机内都能够有适量的泡沫注入，才能使土体改良效果达到最佳，见图3-2。 5）主要施工参数由于此段地层是在盾构始发阶段，考虑到地表的危房离始发竖井很近，而且正位于隧道上方，开始时将土仓内土压力目标值定得较高，在2.5bar左右。但在实际施工过程中，根据地表沉降监测报告，发现地表有轻微隆起，通过及时修正土压力目标值，地表隆陷控制更为理想，见图3-3。刀盘扭矩一般在10002000kNm，掘进速度4060mm/min，土仓平均土压力2.0bar。出土量每环虚方50m3。 3.1.2粉细砂、圆砾及卵石层地质段的掘进施工 该地

12、质段的土层从上至下的分布一般是杂填土层、粘质粉土素填土层、粘质粉土砂质粉土层、粉细砂层、圆砾层、粘质粉土砂质粉土层、中粗砂层，详见图3-4。 图3-4粉细砂、圆砾及卵石层地质纵断面图 1）隧道穿越地层地质条件隧道断面经过的地层以粉细砂、圆砾层及卵石层为主，上覆地层多为粉细砂，潜水水位位于粉细砂中，承压水水头比隧道底高出约23m。该段范围内地层有较好的颗粒级配，其中圆砾层及卵石层中的卵（砾）石磨圆度较好，粒径一般100mm，最大达200mm。粉砂层、砂砾层含水量较大，下部卵石层透水性强，土体之间的胶结力小，地层自稳能力较差。 2）掘进施工控制此段地层隧道覆土较前一区段薄，而且表层土质较差，土层松

13、软，施工中易产生流砂、涌水等工程问题，是施工控制难度最大的地段。由于本地段土体中以砂、砾和卵石成分为主，掘进过程需采取加气、泡沫、泥浆等多种措施才能实现土压平衡。刀盘扭矩明显增大，掘进速度慢，刀具磨损快。停止掘进时土压力消散快，再启动困难，施工中对地层的处理十分关键。 3）易出现的问题该地段正常施工，切削下来的土体较易堆积在土仓下部而难以充满整个土仓，维持土压平衡的难度增加；砂、卵石层的渗透性较大，每日掘进结束后需进行停机保养时，土仓内压力消散较快，维持开挖面稳定有一定的困难；掘进控制难度增大，较难保持系统工作状态的稳定，经常出现过载现象；停机后再启动困难；刀具磨损较快，经常出现崩刀现象；刀具

14、检查与更换难度加大，由于上覆地层多为粉细砂层，开仓检查前排土作业易造成刀盘前、上方土体失稳，形成空洞；老城区居民院落内的众多自渗井，使地层中形成较多松散的“饱和漏斗体”，增加了施工的风险，在正常掘进以及开仓检查期间，稍有不慎，较易整体下滑塌落，造成地表塌陷。沿线同步注浆压力及注浆量略有波动。 4）主要施工技术措施针对上述掘进过程遇到的各种不利现象，首先重点研究土体改良外加材料的选用以及地层处理效果的改善。采用单一的添加材料，已不能很好地解决问题。在推进过程中，除仍使用泡沫以外，增加了压缩空气、泥浆配合使用，通过这一措施，加强了对刀具的润滑、冷却，改善了工作状态，提高了切削效率，大大降低了刀具磨

15、损速度。同时改善了土体流动性和止水性以及可排性。在盾构掘进结束，需较长时间停机时，采取向土仓内注入泥浆的方法，并充分搅拌，改善土仓内土体的性质，防止了土压力的快速消散，保持了开挖面的稳定。 在砂砾和卵石层施工，普遍存在刀具磨损快、盾构推进速度慢、刀盘扭矩大、维持目标土压与保持较高的推进速度之间矛盾大等一系列现象，各要素之间相互影响、相互制约，通过采取注入泡沫、泥浆等措施，使掘进系统保持正常工作状态，同时也加大了施工成本。 盾构停机后，刀盘前方受扰动的土体、周边松散土体以仓内土体在较短时间内会沉积在刀盘周围，因此经常会出现刀盘再次启动困难的问题，严重地影响了施工进度。在泡沫和泥浆的使用上，两者发

16、挥着各自的作用，泡沫注入开挖面，以利刀具切削；泥浆注入仓内，以利降低仓内土体的摩阻力，为刀盘转动提供有利条件。在掘进操作本身，在保持土压平衡的前提下，通过合理调节排土机构与推进千斤顶，可使刀盘顺利启动。 需要对刀具进行检查或更换前，对预定停机位置地表、地下构筑物进行严密勘查与寻访，避免与不利因素遭遇。开仓前进行排土作业，即使辅以气压施工，上覆粉细砂层也易局部塌落，但可在操作过程中注意减少对地层的扰动，密切关注碴土状态与排土量，使不利影响得以有效控制。一旦发生局部空洞现象，及时采取填充注浆等措施，保证刀具检查以及更换作业期间的安全。 5）主要施工参数施工中仓内土压力目标值在1.52.0bar。刀

17、盘扭矩一般控制在26003300KNm，掘进速度2030mm/min，出土量每环虚方45m3。地表沉降较前一区段略有增大，数据显示出清晰的沉降发生过程，但控制在规定范围之内，见图3-5。 图3-5G13断面时间-沉降曲线图 3.1.3粉细砂、中粗砂及圆砾地层地质段的掘进施工 该地质段土层从上至下的分布一般是杂填土层、粘质粉土素填土层、粘质粉土砂质粉土层、粉细砂层、圆砾层、粘质粉土砂质粉土层、中粗砂层，详见图3-6。 图3-6粉细砂、中粗砂及圆砾地层地质纵断面图 1）隧道穿越地层地质条件隧道断面穿越的地层以中粗砂、圆砾为主，潜水水位较隧道顶低2m左右。此类地层土体密实度比粉细砂、圆砾层及卵石层相

18、对要高，但土体自稳能力较弱。粉细砂层位于拱顶，中粗砂、圆砾层主要位于隧道中、下部。 2）掘进施工控制由于此段地层掘进过程中经过刀盘的切削和搅拌，仓内土体添加材料与中粗砂、圆砾在土仓内较好地拌和，改善了土仓内土体的流动性，对于保持较高的掘进速度比较有利，同时刀盘扭矩较小。 3）易出现的问题该段地层也容易出现与粉细砂及砂砾层及卵石层相似的问题，主要是地层的自稳能力较弱，较难在长时间内维持稳定的土仓压力，地表沉降控制难度大。另外该段地层相对，其研磨性降低，虽然刀具磨损相对较慢，但仍远远大于粘质粉土、粉质粘土层掘进中的磨损速度，刀具检查与更换期间依然易出现与粉细砂、圆砾层及卵石层相类似的问题。 4）主

19、要施工技术措施将本区段地层的特性与前两种地层进行对比分析，在施工中的土体改良添加材料仍采用泡沫与泥浆配合使用，以加强刀具的润滑、冷却，改善工作状态，减低刀具磨损速度，其效果较粉细砂、圆砾层及卵石层更为明显，同时对土体和易性的改良也十分明显。 5）主要施工参数刀盘扭矩一般在16002400KNm，掘进速度3045mm/min，土仓平均土压力1.82.0bar。出土量虚方每环45m3，见图3-7。 图3-7 G17断面时间-沉降曲线图 3.2其它需注意的问题 3.2.1注重前期调查及建（构）筑物的鉴定与保护 老城区的特点决定了施工的复杂性与高风险性，特别需要注意的是大量民居修建年代久远，已存在不同

20、程度的损坏，房屋众多且狭小密集，其基础埋深浅，连同墙体多为碎砖块砌筑，连结强度低，对沉降非常敏感，墙体开裂现象普遍。居民院落、胡同错综复杂，排水设施缺乏，众多自渗井，给施工增加了很大难度。需要通过大量前期调查，对现况进行记录、拍照，并对建筑物房屋鉴定，为后续施工提供真实性数据，为方案制定提供有力依据。 3.2.2出土量的控制 在盾构施工中，应始终遵守出土量与盾构进尺相匹配的原则。为了保证施工中出土量控制，需要对出土量进行严格的记录、监督，并随时分析排碴的土质，及时根据地质条件的变化调整出土量。 3.2.3地质条件的多样性与施工方案的调整 本区段地质条件变化频繁，地表环境复杂，出土量、注浆量及掘

21、进参数须及时进行调整。同时对不同地质条件下仓内土体添加材料及数量进行试验、调整。根据地质条件的变化调整刀具检查与更换方案。 3.2.4刀具检查与更换 刀具的检查应结合具体工程情况进行，在城区施工，面临的是地表复杂的环境、不稳定的地层，必须根据城区施工的特点研究制定可靠的施工方案。对于不同地质段,刀具的磨损速度大不相同,需要对不同地层的刀具磨损量进行分析统计, 并及时总结经验，逐步形成刀具检查制度。刀具检查与更换期间的开挖面稳定与地表建筑物的安全,须采取可靠措施以及预案予以保证。 3.2.5长期停机 试验段施工期间由于各种原因，导致施工中出现两次长达半年以上的停机。每次停机后盾构启动时刀盘及盾壳

22、由于地层的固结出现不同程度的抱死现象，启动十分困难，同时启动时对周围地层的影响也远大于正常掘进施工造成的影响。建议在盾构施工中应尽量避免在地层中长期停机。 4地表沉降分析 4.1三种典型地层地表沉降特征 北京地区的地质条件不同于广州、上海等地区，对盾构施工引起的地表沉降规律应进行分析研究。通过沿线地表布置监测断面进行沉降监测，总结具有代表性的三种典型地层的沉降槽及沉降规律。 4.1.1粘质粉土、粉质粘土层地质段 该段隧道覆土厚度为16m,施工过程中建立的土压较高，挖掘出的土粘性比较大，属软塑至中塑粘质粉土、粉质粘土层，土壤自稳性能较好。施工使用了少量泡沫的等添加剂对土体进行改良。 由于该段的埋

23、深比较大，加之地层条件较好，地表沉降不大，最大沉降量只有6mm，沉降开始到结束过程较短，最终形成沉降槽宽度比较大。（见图4-1，图中不同颜色曲线表示该断面在不同时期的沉陷槽）。 从图中几条沉降曲线可以看出其沉降有以下几个特点：最大沉陷量不大，个别沉降槽曲线的对称性不好,地表沉降在沉降线具有沉降槽典型特征前已经结束。 4.1.2粉细砂、圆砾及卵石层地质段 该段隧道顶面的埋深约为12m。隧道断面范围内，2/3范围内为砂，其余部分为卵石层。该段最大沉降量较大达到15mm，见图4-2 。 以卵砾石为主的地层沉降最大沉陷量相对比较大，沉降槽形状明晰，能与正态分布的曲线相符，在该地层中由于盾构施工产生的地

24、层扰动较大，因此地表沉降量比粘性土层和粉质土层大。 4.1.3粉细砂、中粗砂及圆砾地层地质段 该区段隧道顶部埋埋深10m，地表最大的沉降量17.5mm，见图4-3。 沉降曲线其与卵砾石为主的地层沉降曲线相似：最大沉陷量相对比较大，沉降槽形状明晰，能与正态分布的曲线相符，能很好的反应沉降特征。但其沉降比卵砾石层的沉降更为对称，且沉降最大量大于卵砾石层。 4.2地表沉降阶段划分 北京地区进行的盾构法施工与上海地区软土地层盾构法施工引起的地表沉降组成有所差别。上海采用盾构法施工隧道沉降有明显的长期潜变的沉降过程，其产生的沉降量占总地表沉降量的35%左右，而在北京的地质条件下长期潜变并不明显，其所占比

25、重一般小于总沉降量的5%。 经统计分析，各阶段产生的地表沉降量所占的比重分别为：盾构机到达前，地表产生的沉降仅占总沉降量的5%15%，盾构机通过过程中产生的沉降占总沉降量的45%50%，通过后的后续沉降占4045%，见图4-4，以砂层G18断面为例。 5有待进一步深入研究、探讨的问题 5.1刀盘设计及刀具布置 北京地层复杂多变，目前施工中的盾构机刀盘的型式与刀具布置，其适用性需要结合施工实际进行分析总结。针对刀具磨损速度快、掘进速度慢等工况，需要认真研究刀盘设计、刀具设计、刀具布置及刀具类型的优化方案。 5.2施工中刀具检查与更换技术 在地铁区间隧道相对较长距离的掘进施工中，进行刀具更换是必要的，但在城区施工复杂的条件下，刀具检查需要制度化，需要研究刀具检查与更换期间的可靠的技术措施与方案。施工中的刀具更换频率、位置及维持开挖面稳定的方法，应进一步研究。 6结束语 北京地铁五号线试验段及南延工程，使盾构法在北京地区城市地铁建设中首次应用并获得了成功，圆满地完成了施工任务，施工中取得了日最高进尺15.6m，地表沉降量控制在+5-17mm之内，建成的隧道质量优良，隧道无大的错台，且无渗漏水，均达到国家规范的要求，工程倍受各界好评。