广州地铁复杂地质土压平衡盾构掘进技术

1 前言 1995年,广州地铁在修建一号线时,通过国际招标方式利用盾构技术在软土和复合地层中成功修建地铁隧道。1999年后,广州地铁二、三、四、五号线更是大量采用盾构技术进行隧道修建,盾构机主要以土压平衡式为主。由于地质条件异常复杂,所遇到的施工难题,是国内盾构施工中罕见的,比如穿越溶洞,穿越高强度花岗岩,穿越孤石等,在施工过程中积累了大量的复杂地质条件下的盾构施工经验,对广州地铁的土压平衡盾构施工技术进行研究和总结,以期对今后的盾构法隧道施工起到借鉴作用。 2 广州地质概述 广州地铁沿线的工程地质、水文地质条件比较复杂,其中最重要的特点是工程范围内的岩土均一性差,物理力学特性差异大。地铁围岩既有十分松软富水的淤泥质土、中细砂层,又有较坚硬的砂砾岩、花岗片麻岩、混合岩,以及介于上述两类岩土之间具有不同风化程度的软塑～硬塑状粘性土层。软硬相间的红色砂泥岩是地铁隧道施工的主要地层。 3 地质条件分析及复杂地质条件下的盾构掘进技术 3.1 盾构机过江技术 广州地处珠江三角洲的河流密布区边缘,地铁隧道下穿江河时有发生。早在地铁二号线海珠广场—市二宫站区间,盾构机首次穿越了珠江,虽然经历坎坷,但还是成功地穿越了。广州地铁三号线珠江新城站—客村站区间两次穿越北珠江干流(315m宽)和支流(80m宽),沥—大区间穿越了312m宽的三枝香水道和505m宽的南珠江。四号线大学城专线穿越了仑头海和官州河。 在盾构施工中,盾构机在富水松散地层、断层或江底等地质条件下的掘进速度对其施工安全有着重要影响,因此保证盾构机完好是顺利通过这些不良地层的关键,其技术要点如下: ①过江前仔细检查大轴承、盾壳铰接和盾尾的密封状况,以保证设备完好和提高过江安全性,同时及时更换损坏刀具,必要时需要在洞内更换盾尾密封,并保证配件供应和盾构机各系统始终处于正常工作状态,提高掘进速度,避免盾构机在江底作不必要的停留,以降低风险。 ②施工中注意设置和控制盾构机施工参数,特别是利用声纳法或水压力感应器法等信息化反馈手段,及时摸清江底隆沉情况,以及时调整盾构机施工参数,将其掘进对河床的扰动降到最低。 ③适当缩短浆液胶凝时间,保证同步注浆质量,减少地层损失。 ④增加洞内排污设备能力,保证盾尾积水及时排除。 3.2 盾构机穿越上软下硬地层 3.2.1 地质条件分析 广州地铁地质资料显示,上部多为人工填土或全新统海陆交互沉积的淤泥或淤泥质土、淤泥质砂;下部为上更新统陆相冲积洪积形成的砂、土层;底部为基岩残积形成的粘性土层。盾构区间大部分在残积土层和岩石风化层中穿过,软硬不均地层现象明显。 盾构施工过程中存在的主要问题是盾构掘进控制难度大,工况转换频繁。掘进面上下岩体的完整程度及强度差别较大,容易发生盾构机抬头事故。 3.2.2 主要施工技术措施 ①结合地质资料,注意分析盾构机的状态参数,及时发现上软下硬地层,以便采取相应措施。 ②采用土压平衡或气压平衡模式掘进,必要时注入泡沫或泥浆对碴土改良,以减小刀具及刀盘的磨损。 ③采取措施,重视盾构的轴线控制和姿态控制:合理利用超挖刀;根据测量数据及时修正千斤顶推力组合;合理利用铰接千斤顶调整盾构姿态。 ④发现盾构机遇到孤石或硬岩时,降低推进速度和推力,增加刀盘转速,以更好地保护设备和控制轴线。 3.3 盾构机穿越岩石微风化带 3.3.1 地质条件分析 广州地铁3号线地质钻探资料显示,在天河客运站—华师站区间及大塘—汉溪区间大部分为Ⅲ类以上围岩,部分为IV、V类以上围岩,揭露出抗压强度最大达156MPa的硬岩。其长度范围在50～200m。由于在盾构施工区间范围内硬岩距离短,若采用钻爆法施工,由于上覆土层厚达30m左右,增设竖井施工难度大,又不经济,所以采用盾构直接通过较为合理。 盾构机穿越这类岩层时,盾构掘进时主要有以下特点: ①掘进速度慢; ②刀具磨损大,刀具更换频繁; ③轴线控制难度大; ④推力增大,有可能引起管片的裂缝; ⑤岩石自稳能力强,适合采用敞开式掘进。 3.3.2 主要施工技术措施 ①采用单刃滚刀破岩,减少换刀次数与频率,提高施工进度。掘进过程中随时监测刀具和刀盘受力状态,确保其不超载。 ②增加开仓检查的频率,注意量测刀具的磨损情况,在地质条件允许的情况下及时更换磨损的刀具,避免损伤刀盘。 ③如可能,换刀时启动刀盘伸缩装置,缩短换刀时间并在土仓内更换刀具,减少换刀时间对掘进循环的影响,提高设备利用率。 ④硬岩段掘进时启动盾构稳定装置,减小盾构机振动和防止盾构机产生超限扭转,使管片受力稳定,确保隧道成形质量和保护管片,防止盾构变形。 ⑤采用敞开模式掘进,遵循高转速、低扭矩原则选取参数,以提高掘进速度。 ⑥进入硬岩段掘进前要对盾构机进行一次全面的维修保养,确保盾构机的工作状态良好。 3.4 盾构机穿越球状风化层 3.4.1 地质条件分析 根据广州地铁工程地质情况调查,地铁三号线如天—华区间、市—番区间多处通过花岗岩球状风化地层俗称“孤石”层,花岗岩单轴抗压强度在160MPa左右。由于风化球岩体的强度远大于周围岩土层的强度,是盾构施工的不利因素。风化球周围岩土层主要为花岗岩强、全风化层,强度差异较大,稳定性差,为Ⅱ、Ⅲ类围岩。 由于风化球周围岩体与球状风化岩体本身强度存在较大差距,易造成刀具损坏,甚至会导致刀盘变形,至使整个盾构机瘫痪。上海某隧道公司在深圳地铁施工就是一例,最终不得不采用矿山法贯通隧道后将盾构设备拖出。 3.4.2 主要施工技术措施 ① 超前钻探或地质雷达物探,以预防为主,提前采取一些诸如地表或洞内爆破等必要的处理措施。 ② 注意观察盾构掘进的异常情况以及掘进参数的异常变化,判断是否碰上球状风化岩体。一旦发现推力加大时,盾构进尺缓慢或停滞不前,应立即停机,切不可贸然推进。 ③ 向土仓内加入气压以稳定工作面,采用高转速、低扭矩、低推力谨慎掘进。 ④ 如球状风化岩体在软地层随刀盘一起滚动,可利用地质超前钻机对周围软地层予以加固,然后进行掘进。 ⑤ 如上述措施不能奏效,则采取以下措施:1)在开挖面稳定(或地层加固后稳定)情况下遇到孤石时,采用静态爆破的方法;2)遇到长距离(≥100m)硬岩段或球状风化群体,根据目前盾构机技术水平,并考虑经济和工期因素,可采用矿山法开挖隧道,盾构机拼装管片通过。 3.5 盾构机穿越断裂带 3.5.1 地质条件分析 根据广州地铁工程地质情况调查,地铁2号线、3号线、5号线多处通过断裂地质带,断裂带埋深大约在10～30m范围内,岩体破碎,围岩的强度大,而且强度不均匀,稳定性差,地下水比较丰富。盾构通过时存在的主要问题: ① 易发生涌水; ② 破碎地段的岩块较大,易堵塞螺旋输送机; ③ 断裂带下伏的基岩多为蚀变花岗岩与硅化岩,岩体强度大,要求盾构破岩能力强。 3.5.2 主要技术措施 ① 及时将双刃滚刀更换为单刃滚刀。因为单刃滚刀比双刃滚刀接触面小、破岩能力高。 ② 采取土压平衡工况掘进,及时调整土仓压力,确保土压平衡,同时采取措施防止拼装管片时盾构出现后退,保证工作面的土体稳定。 ③ 适时调整掘进参数,防止出现过大的方向偏差,同时使岩石得到充分的切削,避免大的岩块堵塞螺旋输送机。 ④ 掘进过程中向土仓内注人泥水或泡沫,防止螺旋输送机堵塞和水涌入隧道。 ⑤ 连续掘进,对地表和建筑物连续监测。及时注浆充填管片与地层之间的环形间隙,防止土体塑性区的扩大,控制地表沉陷。 ⑥ 水压较大时,为防止盾尾被击穿,要及时在尾刷处注油脂。 3.6 盾构机穿越溶洞 3.6.1 地质条件分析 广州地铁五号线草暖公园至小北站区间环市中路下方以及即将建设的广佛线等区段都存在有不同发育程度的溶洞。部分溶洞位于隧道空间范围内,大部分溶洞位于隧道底板之下,少部分位于隧道顶板上部。盾构施工时,一旦揭穿溶洞,有可能造成突水、突泥及盾构机沉陷等工程事故,对盾构施工影响较大。同时若隧道溶洞涌水(或突水)得不到有效处理,将直接导致孔隙水位下降。从而影响周边建筑物安全,严重时将造成地面塌陷。因此必须准确地掌握溶洞的分布和大小,对溶洞进行处理,以降低施工难度和施工风险。 3.6.2 溶洞处理技术措施 (1)加密钻孔。在详勘钻孔揭示到有溶洞的地区,为进一步了解和掌握溶洞的分布范围和溶洞大小,实施加密钻孔,并使钻孔交错布置,钻孔深度至隧道结构下5m。同时在揭示到有溶洞的加密孔和既有揭示有溶洞的钻孔周围布设更密的钻孔。 (2)物探(CT)法确定溶洞的大小及分布。利用工程CT技术精确探测溶洞的边界、溶洞走向、规模,另外利用部分钻孔作为技术孔,对溶洞的充填物进行物理力学勘察,以确定溶洞填充物的密度、含水量、溶洞水流向和渗透系数等指标,并估算溶洞水流量,以确定溶洞的注浆材料。 (3)注浆。勘探钻孔表明溶洞为充填溶洞,可利用既有钻孔(局部加密钻孔),采用双液控制注浆,注浆材料为双液浆,孔口混和,浆液经管内流出后快速凝固,在一定的压力下充填密实。 3.6.3 盾构机通过技术措施 ①做好各项准备工作,提前对盾尾密封进行检查。 ②溶洞加固处理完毕后,在盾构机通过时,要适当放慢掘进速度。 ③调整同步注浆浆液的配合比,缩短凝结时间,同时增大注浆量和注浆压力。 ④在盾构机通过后及时进行二次双液注浆,通过调整水泥水玻璃的配比参数,控制双液注浆的凝结速度,达到加固土体和加固充填溶洞的目的。 ⑤加强掘进姿态控制,全面贯彻信息化施工。 ⑥同时备好抽排水设备等应急设备和物资,制订应急抢险预案。 3.7 刀盘和切削仓聚积泥饼处理措施 在粘土