浅谈复杂地质条件下盾构法隧道施工技术

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摘要：随着城市发展，地下铁道作为运输通道将越来越重要，由于地下铁道的特性，地铁隧道必然发生交叉。本文结合施工经验介绍了盾构穿越复杂地质条件地层的掘进施工。其主要内容包括硬岩段掘进、上软下硬地层掘进，以及掘进中采取相关措施等方面的施工。

关键词：盾构;硬岩;隧道施工

Abstract: With the development of city, the underground railway as a transport channel will become increasingly important, due to the characteristics of underground railway, subway tunnel must cross. This paper introduces the construction experience of tunneling shield passing through complicated geological conditions of formation. The main contents include hard rock tunneling, two-layered stratum tunneling excavation, and take relevant measures and other aspects of the construction.

Key words: shield; hard rock; tunnel construction

中图分类号：U455.43文献标识码A 文章编号

1工程概况

某地铁工程区间处于市中心区地段，地面周边环境复杂，且地质条件复杂，尤其是区间左右线穿越近400m高强度硬岩段且间杂软弱地层，给施工带来很大的难度。

2复杂地质条件下施工难点

区间通过高强度硬岩段，距离长，且间杂软弱岩地层。 掘进难点：

2.1盾构掘进、、等硬岩地层，对盾构机刀具、刀盘、螺旋输送机等设备会造成较大磨损；

2.2当盾构机在残积层和岩石的全、强风化层中掘进时，由于土层中含有一定的粘粒，在盾构施工中容易产生泥饼，使盾构掘进受阻。

2.3同时存在多处上软下硬，软硬不均地层断面，使盾构掘进易出现跑偏、刀具偏磨等现象。

（1）下部地层硬，易造成盾构机抬头；

（2）对上部扰动大，易造成坍塌及多余出土。

2.4层间水丰富。软弱岩层遇水极易崩解，造成碴土泥化，极易在刀盘中心部位结成泥饼，使得掘进困难。

3 复杂地质条件下掘进施工

盾构在硬岩地层、软硬不均地层中的掘进，既是一个施工控制的重点，同时也是一个施工上的技术难点。加上所掘进硬岩强度高、软弱岩层遇水极易崩解、且地层层间水丰富的特点，使得掘进施工难度倍增。

本区段施工要求高，提前做好机械设备、技术支持等施工准备工作，认真分析地质条件为长距离掘进高强度硬岩段间杂软弱岩层段打好坚实的基础；施工过程中准备的判断碴样，经过碴样试验、分析，结合详勘、补勘资料确定所掘进的地层，以采取相应的措施。

3.1配置合适的刀盘

根据区间地质状况，针对区间硬岩地层，刀盘配备以破岩能力为主的重型滚刀。

3.1.1刀盘布置

我们采用的盾构机刀盘设计破岩能力为250MPa，其刀盘布置如下图1所示。

图1盾构机刀盘布置示意图

其刀具配置为：5把中心滚刀，30把单刃滚刀，刀盘中心开口率28%。盾构机最大推力为36100KN，最大扭矩为6305KNm。

3.1.2滚刀设置

盾构机采用滚刀进行破岩，其破岩形式属于滚压破碎岩石。滚压破碎岩是一种破碎量大、速度快的机械破岩方法，其特点是靠工具滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的。如图2所示是滚刀滚压破碎的示意图，轴力P使滚刀压入岩石，滚动力矩M使滚刀滚压岩石，两者的共同作用使滚刀随着刀盘的转动和自身的旋转而在开挖面上压切产生沟槽，每一个刀刃在岩石上压切出一条沟槽。在向沟槽施加压力时，刀刃与岩体间产生侧向剪切力，如果产生的剪切力高到足以使槽间岩石破碎时，由于岩石具有的脆性，槽间的岩石就形成碎块而掉落。

注：1—断裂体，2—碎断体，3—密实承载体。

一般情况下在滚压破碎中推力是主要的参数，因为它决定了扭矩（滚动力）以及其它参数；但是在决定滚压破碎的功率中扭矩是最主要的参数，因为它占破碎功的绝大部分。

3.2掘进模式硬岩段敞开式掘进模式；上软下硬土压平衡掘进模式； 软弱岩层段土压平衡掘进模式。

3.3土压平衡掘进

3.3.1掘进特点

土压平衡掘进时，刀具切削下来的土充满土仓，然后利用土仓内泥土压与作业面的土压和水压相抗衡，与此同时，用螺旋式输送机排土设备进行与盾构推进量相应的排土作业，掘进过程中，始终维持开挖土量与排土量的平衡，以保持正面土体稳定，并防止地下水土的流失而引起地表过大的沉降。

3.3.2掘进控制

在高强度硬岩段间杂软弱岩地层采用土压平衡掘进，保持土仓压力与作业面压力平衡是防止地表沉降，保证施工安全的重要因素。

3.3.3注意事项

（1）施工前，详细查明和分析工程的地质状况与周边环境状况，并制定相应的施工技术措施。

（2）根据所处位置和地层条件，合理设置和慎重管理开挖面压力，把地层变形值控制在容许范围内。

（3）根据地层预计壁后注浆材料、压力、流量，在施工过程中根据测量结果，进行注浆压力、流量调整，防止浆液逸出，以达到严格控制地层松弛和变形。

（4）合理选择盾构刀具形状和配置，以适应各种地层的掘进。

（5）合理选择适当的时机和地点，及时更换刀具或改变其配置，以适应前方地层的掘进。

（6）根据开挖面地质情况，调整掘进参数和壁后注浆参数，以确保开挖面的稳定和掘进速度。

（7）根据开挖面地质条件，及时调整土压平衡压力，及时调整碴良参数。

4复杂地质条件下施工技术措施

4.1掘进模式转换

在盾构推进过程中，因地层的变化，会发生硬岩穿越硬岩上软下硬软弱岩层之间的地层转换，掘进模式应随着地层变化及时调整。

应结合该区段范围的地质纵断面图及相应钻孔地质资料对渣样分析进行综合分析，确定盾构机当前的地质水文隋况，并预测盾构前方的地质水文情况，同时与盾构推进该段的推进参数变化情况进行分析对比，确定下一步应采取的施工措施，隧道渣样分析与盾构推进流程见图3所示。

图3 渣样分析与隧道掘进判断流程图

施工现场渣样分析简易判定：（1）渣样岩土特征：岩石成分，颜色、状态、硬度、风化程度、掌子面隐定性。（2）含水性分析：含水量、渗透性。（3）盾构推进参数分析：土仓压力、推力、扭矩、推进速度、刀盘油温、注浆量及压力。

综合以上各项参数分析，结合设计地质勘探资料分析报告，确定当前盾构所处的地质水文情况，并及时调整盾构推进参数或采取其他辅助措施，实现信息化施工，保证盾构机安全、快速的推进。