5 广州复合地层与盾构施工(竺维彬)1794.docx

《5 广州复合地层与盾构施工(竺维彬)1794.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《5 广州复合地层与盾构施工(竺维彬)1794.docx（12页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、复合地层层与盾构构施工技技术竺维彬 鞠世健健广州地铁铁总公司司 摘 要要:中国国采用盾盾构法已已有455年的历历史，但但前355年国内内只有少少数承包包商掌握握了在均均一软土土地层中中的盾构构施工技技术。119955年至今今，广州州地铁业业主率先先开放盾盾构工程程市场，培培育盾构构施工队队伍。随随着大批批盾构承承包商的的成长，随随着400台次盾盾构机在在广州和和深圳复复合地层层1000多公里里的实践践，复合合地层的的概念逐逐步形成成，复合合地层中中的盾构构施工技技术也有有了突破破性的发发展。在在这种背背景下，亲亲历了1100多多公里复复合地层层施工过过程的作作者，有有义务对对复合地地层的概概念

2、做出出定义，对对复合地地层盾构构施工技技术的进进展做出出概述，以以便与同同行一起起推动盾盾构工法法在全国国隧道施施工中更更广泛的的应用。关键词：均一地地层 复合地地层 盾构施施工技术术盾构法施施工与其其它传统统的地下下工程施施工工法法一样，其其终极目目标是完完成一特特色的地地下工程程，比如如一条地地下隧道道或地下下车站，它它的不同同点在于于，盾构构法采用用了特殊殊的施工工工具盾盾构机。盾构机是是根据施施工对象象而“度身定定做”，正如如裁缝要要根据具具体的人人进行“量体裁裁衣”一样，否否则缝制制的衣服服就不合合身。盾盾构机制制造所依依据的对对象，称称之为施施工环境境，它是是基础地地质、工工程地质

3、质、水文文地质、地貌、地面建建筑物及及地下管管线和构构筑物等等特征的的总和。由此可可以看出出，如果果不详细细研究施施工环境境，也就就造不出出适应性性强的盾盾构机，也也就谈不不上顺利利地进行行盾构施施工。在施工环环境的诸诸多因素素中，基基础地质质和工程程地质特特征是最最重要的的，因为为它们是是盾构机机选型及及采用盾盾构施工工工艺最最重要的的先决条条件。在在实践当当中，对对地质特特征的研研究往往往是一件件被忽视视的工作作。殊不不知，几几乎没有有哪一项项盾构施施工技术术不是与与地质特特征有关关的，尤尤其是在在复合地地层中的的盾构施施工。1 复复合地层层的概念念在盾构施施工的过过程中，围围岩岩土土力学

4、、基础地地质和工工程地质质等特征征的各向向均匀性性直接影影响盾构构机的选选型、盾盾构施工工工艺的的选择等等关键性性问题。从这个个意义上上讲，可可以宏观观地将围围岩地层层区分为为两类，一一是均一一地层，一一是复合合地层。1.1均均一地层层1）均一一地层的的概念严格意义义的各向向同性的的均质地地层在自自然界是是不存在在的，本本文定义义的均一一地层是是指在开开挖断面面范围内内和开挖挖延伸方方向上，由由一种或或若干种种地层组组成的，但但其岩土土力学、工程地地质和水水文地质质等特性性相近的的地层或或地层组组合。均一地层层有两种种情况：单纯的的软土地地层：从地质图图（图11）中可可以看出出，地铁铁隧道穿穿

5、越了层，主主要为粉粉砂质土土和层为粉粉质粘土土。这两两种地层层的物质质组成，其其结构和和构造都都存在着着一定的的差异，但但它们的的岩土力力学性质质以及工工程地质质和水文文地质特特征就盾盾构机的的选型和和盾构施施工而言言，差别别并不大大。根据上述述地层特特点，南南京地铁铁选用了了适应软软土地层层的盾构构机，其其刀盘为为平面直直角型的的，只安安装刮刀刀（见图图2）。类似的均均一地层层，还普普遍存在在于上海海地铁、天津地地铁、北北京地铁铁以及过过长江隧隧道等的的施工当当中。图1 南京AA区间某某段隧道道地质剖剖面图图2 软软土盾构构机刀盘盘图3 硬硬岩掘进进机刀盘盘 单纯纯的硬岩岩地层。比如：西安安

6、安康铁路路秦岭II线隧道道。隧道断面面范围内内以两种种岩石为为主，一一种是混混合片麻麻岩，干干抗压强强度为7781137MMPa，整整体性较较好，裂裂隙较少少。另一一种是混混合花岗岗岩，干干抗压强强度为11221622MPaa，节理理较发育育，裂隙隙较多。选用的盾盾构机（广广义）是是典型的的硬岩掘掘进机，刀刀具全部部安装滚滚刀，无无需任何何刮刀（见见图3）。2）均一一地层中中盾构工工程的主主要特点点 施工工过程中中盾构机机的模式式基本上上不需变变化。在软土地地层中，若若采用土土压平衡衡模式，则则一般无无需变化化成开胸胸模式；在硬岩岩地层，若若采用开开胸模式式掘进，则则一般无无需变化化成土压压平

7、衡模模式。通常，在在均一地地层中的的盾构机机，在设设计和制制造时，也也没有考考虑模式式的变化化。 盾构构机的结结构不需需在施工工过程中中进行改改变。比如，在在软土均均一地层层中，刀刀盘采用用软土刀刀具，在在施工过过程中根根本不需需考虑是是否会碰碰到硬岩岩而增加加滚刀的的问题。反之亦亦然。 尽管管均一地地层中其其物性也也会有较较大变化化，但只只需在施施工工艺艺上做出出调整。均一地层层上述两两特点说说明，在在施工过过程中盾盾构机无无需或无无法做出出结构型型式上的的任何改改变，但但是，正正如前面面提到的的，均一一地层并并不是绝绝对的均均质地层层，这样样，在地地层特性性改变之之后，必必需在施施工工艺艺

8、或施工工参数上上采取相相应的措措施。比比如：同是在软软土地层层中施工工，当地地层是以以砂层或或砂砾层层为主时时，以土土压平衡衡盾构机机为例，则则应适当当添加膨膨润土或或聚合物物。若地地层以粘粘性土为为主时，则则需添加加适量的的泡沫。如此等等等，这这一类的的工艺或或施工参参数上的的调整并并不因均均一地层层而避免免。1.2 复合地地层1）复合合地层的的概念图4 上上软下硬硬地质剖剖面示意意图将开挖断断面范围围内和开开挖延伸伸方向上上，由两两种或两两种以上上不同地地层组成成，且这这些地层层的岩土土力学、工程地地质和水水文地质质等特征征相差悬悬殊的组组合地层层，定义义为复合合地层。复合地层层的组合合方

9、式是是非常复复杂多样样的，但但总的来来说可分分为三大大类，一一类是在在断面垂垂直方向向上不同同地层的的组合，一一类是在在水平方方向上地地层的不不同组合合，另一一类是上上述两者者兼而有有之。 复合合地层在在垂直方方向上的的变化。最典型的的垂直方方向上的的复合地地层就是是所谓“上软下下硬”地层。即隧道道断面上上部是第第四系的的松软土土层，而而下部是是坚硬的的岩石地地层；或或者上部部是软弱弱的岩层层而下部部是硬岩岩层；或或者是在在硬岩层层中夹软软岩层，或或软岩层层夹硬岩岩层，等等等。比比如图44所示的的地层。 复合合地层在在水平方方向上的的变化。在一施工工段当中中，可能能分布着着不同时时代、不不同岩

10、性性或不同同风化程程度，从从而表现现出不同同岩土性性质的地地层。比比如广州州地铁五五号线草草陶区区间的地地层（见见图5）。图5 广广州地铁铁五号线线草陶陶区间（局局部）地地质剖面面图 图中白垩垩系红层层的粉砂砂岩为软软岩，单单轴抗压压强度一一般30MMpa；花岗岩岩和石炭炭系石灰灰岩是硬硬岩，单单轴抗压压强度一一般会60MMpa。 在水水平方向向和垂直直方向两两者兼而而有之的的更为复复杂的变变化。2）复合合地层盾盾构施工工的主要要特点。 经常常变换盾盾构施工工模式。在软土地地层或以以软土地地层为主主的“上软下下硬”地层施施工时，一一般要采采用“闭胸模模式”，而在在以岩石石地层，特特别是自自稳性

11、较较好的（包包括风化化程度不不一）岩岩石地层层施工时时则可采采用半开开胸式（欠欠土压平平衡模式式）或开开胸模式式；在以以砂层或或以砂层层为主的的“上软下下硬”地层中中采用土土压平衡衡模式施施工时，可可能需要要通过加加注膨润润土等工工艺转化化为“泥水平平衡”模式 ，如此此等等。需经常常根据地地层的变变换来转转换盾构构机模式式，是在在复合地地层中施施工的一一大特点点。 盾构构机的配配置需要要做出适适当的调调整。在硬岩的的段施工工时，通通常要采采用全断断面滚刀刀破岩模模式，采采用的刀刀盘开口口率也会会较小；当掘进进在软岩岩或软土土地段时时，通常常都要将将部分或或全部滚滚刀换成成适应软软岩或软软土的刮

12、刮刀，此此时的开开口率也也相应增增大。 采用用的施工工工艺和和施工参参数也要要根据地地层的变变化而变变化。这些变化化主要表表现在不不同地层层需要的的添加剂剂的种类类和数量量的不同同；需要要的辅助助设备（比比如破岩岩机、超超前钻机机）的不不同；盾盾构机姿姿态控制制的不同同等等。 某些些特殊的的复合地地层，可可能需要要一些辅辅助工法法。采用辅助助工法的的主要原原因是由由于盾构构机本身身的设计计功能的的局限性性造成的的，而这这种局限限性在目目前的技技术发展展阶段还还较难以以克服。比如，广广州地区区白垩系系红层的的粉砂岩岩、砂岩岩一般的的单轴抗抗压强度度最大为为3045MMPa，但但有时在在这些区区间

13、会碰碰到几十十米或几几百米长长的坚硬硬的花岗岗岩，或或花岗岩岩的球状状风化体体，其强强度一般般达到880MPPa以上上，甚至至会超过过1200MPaa。在这这种条件件下，以以软岩为为主设计计的刀盘盘和刀具具，显然然不能适适应硬岩岩的要求求，在无无法更换换新刀盘盘的情况况下，采采用其它它可行的的辅助工工法，比比如先采采用矿山山法，开开挖通过过坚硬岩岩石段，之之后，用用盾构机机拼装管管片完成成隧道，事事实证明明，这将将是一种种比较好好的辅助助选择。2 复复合地层层的分类类及其对对盾构施施工技术术的影响响复合地层层的组合合是极其其复杂的的，仅以以在广州州、深圳圳地区常常见的几几种形式式说明其其对盾构

14、构施工的的影响。1）以第第四系淤淤泥质土土层（工工程地层层编号为为）或易易液化的的粉细砂砂层为主主杂填土淤泥粉细砂砾砂淤泥2m2m2.2m6.4m8.8m隧道断面图6 黄长区间地质断面示意图与其它它松散地地层的组组合。广州地铁铁一号线线黄沙长寿路路区间最最北端约约80米米地段，盾盾构机全全断面通通过地层层（见66），这这是广州州地铁已已建和在在建盾构构工程中中唯一的的一段盾盾构隧道道下部有有淤泥层层的地质质剖面。隧道建建成后不不久，下下沉了近近1000 毫米米。在类似地地层的盾盾构施工工过程中中应密切切注意和和预防的的主要问问题有： 建筑筑物和构构筑物的的沉降：杂填土淤泥粘土粗砂强风化中风化砂

15、岩1.9m4.6m4.0m5.65m1.7m8.95m隧道断面图7 长中区间塌方地区地质断面示意图隧道断面面上部为为地层时时，应注注意土仓仓中土（水水）压平平衡的问问题，因因为地层层大部分分呈软塑塑或流塑塑状态，有有些还具具有液化化特性，对对盾构机机密封仓仓内的土土压反映映非常灵灵敏，而而土仓内内压力是是否保持持动态平平衡，直直接关系系到地面面及其建建筑物是是否发生生沉降的的问题。 隧道道的后期期沉降盾构隧道道下部如如果有一一定厚度度的淤泥泥或液化化层2，一旦旦由于某某种原因因造成失失水发生生淤泥层层的重固固结或液液化，就就会使已已建好的的隧道出出现沉降降，位移移或变形形。2）以第第四系砂砂层

16、（工工程地层层编号为为）为主主与风化化岩层的的组合。第四系砂砂层有二二种成因因，一是是陆相冲冲洪积形形成的，一一种是海海陆交互互相沉积积形成的的，其特特点是在在河床及及河漫滩滩内十分分发育，其其形态多多呈透镜镜状，有有些地段段厚度大大。此层层粉粒和和粘粒成成份低，渗渗透系数数大，是是盾构施施工过程程中也应应十分重重视的地地层。以隧道上上部断面面或隧道道上方为为砂层的的问题为为例，这这类围岩岩情况在在广州地地区的盾盾构施工工过程中中经常碰碰到，尤尤其是下下部为较较硬岩石石的情况况下会给给施工造造成较多多的问题题。典型型的例子子是广地地铁一号号线盾构构施工在在长寿路路中山山七路区区间横通通道地段段

17、时，干干砂量变变化发生生异常，由由于砂层层流失很很快，造造成了较较大的地地面沉降降，使三三幢三层层楼塌方方（图77，8）。图8 华华贵路1128-1322号房倒倒塌（竺竺维彬 摄）图9地面面塌方现现场 (魏康林林 摄)同样的问问题也出出现在三三号线的的大塘沥滘区区间，见见图9。3）以第第四系残残积层（工工程地层层编号为为）为主主与其它它地层的的组合。残积层是是其下伏伏基岩经经过长期期风化之之后，其其结构构构造已全全部消失失了，部部分岩石石成份又又经过风风化和水水化作用用产生了了新的物物质，并并在原地地残积下下来而形形成的。对盾构构施工可可能造成成严重影影响的有有二种类类型即残残积粘土土层和残残

18、积砂质质或砂砾砾质粘性性土。 残积积粘土层层。母岩大多多为沉积积岩系列列中的泥泥岩和粉粉砂质泥泥岩，其其全风化化以后形形成残积积粘土层层。图10是是广州地地铁二号号线海珠珠广场站站市二二宫区间间采用的的土压平平衡盾构构机的刀刀盘，441把滚滚刀。而而地层是是白垩系系上统三三水组东东湖段的的泥岩和和粉砂质质泥岩。工程地地层为残残积粘性性土层，全风风化和强强风化和地层。由于过过江施工工时多次次严重结结泥饼（图图11），平平均日进进不足22米，掘掘进速度度仅达到到0-55.0mmm/mmin。地铁四四号线琶琶仑区区间过涌涌段与海海江区区间是同同一时代代的地层层，盾构构施工过过程中碰碰到了与与海江江区

19、间相相同的问问题。图11滚刀在泥饼中的印模（滚刀已拆除）( 广州地铁总公司 盾构处提供)图10 海江区间盾构刀盘(广州地铁总公司 盾构处提供)图12 滚刀在花岗岩残积层中的偏磨 (鞠世健 深圳摄) 残积积砂质或或砂砾质质粘性土土：残积层中中存在坚坚硬的砂砂质或砂砂砾质颗颗粒，SSiO22质坚硬硬颗粒在在施工过过程中会会对刀具具造成严严重磨损损。比如，花花岗岩形形成的残残积层，其其原岩中中的长石石大部分分都高岭岭土化了了，而原原岩中的的石英颗颗粒，仍仍然保存存下来，这这种残积积层中的的粉粒和和粘粒含含量比较较高，而而同时非非常坚硬硬的石英英颗粒又又较多，因因此在盾盾构机推推进的过过程中若若处理不

20、不好会同同时发生生二种问问题：在在结泥饼饼的同时时，对刀刀盘造成成严重磨磨损，刀刀具发生生单边或或多边严严重偏磨磨（图112）。与花岗岩岩残积层层较类似似的地层层有各时时代的粗粗砂岩，含含砾砂岩岩和砾岩岩层的残残积地层层。4）以全全风化和和强风化化和地层为为主的组组合。千枚岩图13 地质断面示意图全风化和和强风化化地层的的原岩可可以是各各时代的的沉积岩岩以及变变质岩和和花岗岩岩，由于于原岩不不同，它它们反映映出来的的围岩特特征稍有有不同，但但总的来来说，盾盾构在此此类地层层中施工工时特别别重要的的是刀具具的选择择。举例例如下： 刀具具严重偏偏磨：深圳地铁铁一号线线某工地地，其地地质断面面示意图

21、图为图113所示示。当时采用用的是全全断面滚滚刀。由由于风化化后的岩岩层和额额定内的的总推力力无法提提供使滚滚刀滚动动的摩擦擦力，滚滚刀无法法转动而而发生偏偏图14 25 把滚刀在67号地层中全部偏磨 （竺维彬 摄）磨，在在掘进不不足100米的情情况下，致致使255把滚刀刀损坏（图图14）。通过对偏偏磨刀具具的仔细细观察发发现，刀刀刃部分分都变成成明显的的暗蓝色色“淬火现现象”（图115）。说明当当时由于于滚刀不不转产生生的磨擦擦将动能能大量转转化为热热能。这这样，在在高温和和不断研研磨的双双重作用用下，进进一步制制造了在在刀盘面面上形成成泥饼的的条件。若不设设法防止止这种恶恶性循环环，最终终

22、会损坏坏大轴承承密封而而停机。事实上上，广州州地铁三三号线天天华区区间也碰碰到了类类似的问问题，从从盾构机机密封仓仓渗出的的滴水，居居然能烫烫伤工人人的皮肤肤。由于于刀具选选择不适适应，以以及施工工参数选选择不合合理，此此类滚刀刀偏磨的的问题在在广州地地铁三号号线是较较常见的的。滚刀被烧成暗蓝色“淬火现象” 图15滚刀在高温下淬火（竺维彬 摄） 工作作面稳定定性问题题：全风化花岗岩强风化花岗岩 中、微风化花岗岩图16 深圳地铁某地质剖面由于岩性性变化较较大，所所以在盾盾构推进进的过程程中根据据不同的的围岩特特征及时时换刀是是必要的的程序。在常温温常压条条件下换换刀是人人们最希希望的，因因为这样

23、样可以简简化很多多复杂的的工序，问问题是工工作面是是否能自自稳。总总的来说说，此问问题要根根据特定定的地层层分布情情况，根根据不同同的岩性性进行具具体的分分析，否否则就会会出现预预想不到到的事故故。图16是是深圳地地铁一号号线某盾盾构段的的一个剖剖面示意意图。在换刀前前曾对开开挖面进进行过旋旋喷加固固，但加加固效果果未达要要求，地地下水仍仍比较大大，开仓仓以后发发现隧道道工作面面前上方方有小的的塌方空空洞，但但仅用一一些木条条做了简简单的支支撑。在在清仓换换刀的过过程中，剩剩最后的的几把刀刀更换时时，前方方掌子面面突然塌塌方，造造成了11人死亡亡、伤33人的事事故。广广州地铁铁三号线线没有发发

24、生过上上述严重重的事故故，但类类似的问问题经常常可见。 关于花岗岗岩中的的球状风风化问题题（图117）。图17坚坚硬的花花岗岩球球状风化化体夹在在软弱的的全风化和和强风化化地层中中刀盘与盾壳间隙变大图18 刀盘遇遇花岗岩岩球状风风化体变变形(深圳地地铁一号号线)（上海隧隧道工程程股份有有限公司司 广州项项目部提提供）球状风化化是发生生在花岗岗岩的、和地层中中一种较较常见的的地质现现象，这这在广州州地铁三三号线的的天华华区间、大石番禺广广场区段段和深圳圳一号线线盾构区区间花岗岗岩中都都曾经多多次碰到到。由于于球状风风化体的的体量并并不很大大，一般般只在11.05.00m左右右，且是是包裹在在软的

25、、号地层层中间，事事前对其其存在的的可能性性及确切切的位置置较难预预测，所所以在施施工过程程中尤其其要引起起注意。碰到的的主要问问题有三三种，一一是开挖挖面在水水的作用用下很快快失稳，无无法进入入仓内换换刀；二二是既便便可以在在短时间间内换刀刀，但未未换完前前，围岩岩一下子子又失稳稳了；三三是突然然从软地地层中碰碰到坚硬硬的花岗岗岩球状状体时，容容易卡住住刀盘，甚甚至造成成刀盘变变形（图图18）。对前两两种情况况，必须须在地层层加固或或气压下下进仓换换刀。5 ) 以和地层的的岩石地地层为主主在水平平方向上上的组合合。与前面讨讨论的一一样，由由于围岩岩不同，虽虽然都是是中风化化和微风风化岩层层，

26、其特特性也不不一样。比如，广广州地铁铁一号线线中山七七路西西门口区区间，盾盾构在白白垩系三三水组康康乐段的的砂岩中中通过，岩岩石强度度为20044MMpa。在800米的范范围内，盾盾构机损损坏了558%的的滚刀，551%的的刮刀。地铁三三号线天天华区区间在中中微风风化花岗岗岩掘进进时，其其强度超超过1000Mppa，盾盾构机仅仅前进了了4环（66.0mm）就将将滚刀大大部分磨磨损了，不不得不停停机换刀刀。3 复合合地层盾盾构施工工技术的的突破性性进展中国的盾盾构施工工技术人人员主要要在广东东（广州州、深圳圳）这块块复合地地层类型型繁多并并且极其其复杂的的施工环环境下，经经过100年、440台次

27、次、掘进进隧道长长达1000多公公里的摸摸索。11）已充充分认识识到复合合地层的的超前系系统研究究是盾构构选型的的基础，全全过程跟跟踪研究究和及时时预报各各地层的的在垂向向上、纵纵向上的的变化并并采取相相应的对对策，是是盾构能能否顺利利施工的的关键。2）在在统一认认识的基基础上，经经过艰难难困苦的的实践，施施工技术术有了突突破性进进展，概概述如下下： 确定定了什么么类型的的复合地地层，选选择什么么样盾构构机的模模式。这10年年，广东东的广州州、深圳圳几乎遇遇到了所所有类型型的复合合地层，使使用了国国际上许许多著名名盾构厂厂家的盾盾构机，诸诸如海瑞瑞克、维维尔特、三菱、川崎、住友等等。因此此什么

28、样样的复合合地层，施施工多长长距离，选选择什么么结构类类型、功功能类型型、包括括配备什什么样刀刀盘、刀刀具及其其数量等等，已建建立了选选型模式式。 首次次在国内内建立和和推广了了“泥饼”、“喷涌”、“有效推推力”、“隧道上上浮控制制”等一系系列概念念。提出出了一系系列被证证实有效效的对策策，比如如说，什什么样的的复合地地层，什什么样的的工程地地质条件件，选择择什么种种类的添添加剂以以及添加加剂的注注入方式式、注入入量等，创创造了许许多我国国盾构施施工的新新纪录。a.创造造了日掘掘进366m，月月掘进5562mm的纪录录。b.泥水盾盾构一个个月过3312mm珠江纪纪录。cc.土压压盾构222天过

29、过3188m珠江江的纪录录。d.8337米岩岩层地层层掘进不不换刀的的纪录等等等。 首次次建立和和提出了了复合地地层地表表及建筑筑物的沉沉降规律律，通过过广州地地铁一号号线的实实践，提提出了地地表及建建筑物的的沉降规规律，并并指导施施工。规规范了监监测内容容和频率率。广州州地铁二二号线之之后，国国内施工工队伍无无论过江江，无论论过铁路路、无论论过密集集、旧建建筑物，超超深桩基基，都没没有发生生过严重重损坏建建筑物和和构筑物物事件。 系列列开发和和应用了了盾构施施工的辅辅助工法法，诸如如：a. 矿山法过过硬岩，盾盾构拼装装管片的的施工技技术。b. 玻璃纤维维棒桩、连续墙墙法、砂砂桩法、钻孔素素砼桩法法加固盾盾构端头头技术。c. 高水头江江底下气气压法换换刀技术术。d. 过花岗岩岩球状风风化体，以以及过钢钢筋砼桩桩技术。e. 拔除深度度超过440m预预应力管管桩的技技术，等等等。广州地区区的工程程实践表表明，特特别是在在复合地地层中盾盾构施工工，应遵遵循地质质是基础础，盾构构机是关关键，人人（管理理）是根根本的原原则。