砂卵石地层对盾构施工的影响

浅析砂卵石地层盾构施工摘要高富水、高砂卵石含量地层由于其特殊地质条件，盾构施工中存在较大风险，控制超挖，是降低盾构施工风险的关键，文章针对施工存在的几个主要问题提出解决的办法。

关键词高富水、砂卵石地层；超挖控制；Abstract: Due to the special geological conditions of the high water-rich, high content of sand and gravel strata, there is a big risk in shield construction, and control of over break is the key to reduce the shield construction risk, articles propose solutions for several major construction.Key words: high water-rich sand and gravel strata; over break control;引言高富水、高砂卵石含量地层宜选用土压平衡盾构，泥水盾构已经证明在此地质条件下不适用。

由于地质条件的特殊性，盾构掘进过程中都均存在超挖现象。

如何提高盾构掘进过程中渣土的流动性、塑性，进而提高掘进速度，最终达到减少超挖之目的，对于超挖量大的地段提出采用顶管注浆的方式填充空隙，可以有效控制地表沉降，降低盾构施工风险。

同时对盾构刀盘刀具配置、注浆回填进行阐述，最后对盾构施工的进出洞及特殊地段沉降大问题提出了自己的看法，并给出解决的方法。

实践证明，可以有效提高盾构施工进度，降低盾构施工风险。

特殊地质盾构穿越砂卵石土层，土体透水性强、渗透系数大，地下水水量丰富，自稳性差。

现有盾构的适用性对某地砂卵石层的原始地质经过筛分实验与盾构的适用相比较(如图1，红色区域为成都砂卵石粒径范围)，从图中可以看出砂卵石地质不适用于土压平衡盾构施工，也不适用于泥水平衡盾构施工，但要想采用土压平衡盾构施工，必须采取有效的措施，使其渣土适用于土压平衡盾构施工。

例析砂卵石地层盾构施工引言：成都地铁采用盾构法施工已经多年了，盾构掘进技术有所突破，但在复杂地质条件下盾构掘进超方现象还是时有发生，导致地表产生塌陷风险。

成都地铁4号线二期西延线土建6标1队盾构施工区域，大粒径漂卵石地层土压平衡盾构掘进过程进行压力控制，掘进参数摸索制定、渣土改良、降低超方、移动围挡等，确保地表安全。

一、工程概况成都地铁4号线二期工程土建6标1队盾构施工主要工程数量有：1#盾构井～凤溪站～南熏大道站～光华公园站区间，左线区间长2126.408m，右线区间长2110.577m，盾构掘进总长度为4236.985m。

盾构施工顺序为：凤溪站→南熏大道站→光华公园站；凤溪站→1#盾构井。

盾构区间隧道施工顺序图成都地铁4号线二期工程土建6标1队盾构施工区域难度大，很具有代表性的是凤溪站～南熏大道站盾构区间，凤南区间全长878m，起于南熏大道二段与向阳大道交叉口西侧，沿南熏大道二段、上林宽境右侧绿化带、光华大道三段下方穿行至南熏大道站。

区间下穿凤溪河渠及多处雨污水管线，旁穿中国人民武装警察部队水电第九支队、中国人民武装警察部队水电第十支队、柳城谊苑和上林宽境等多处商住区。

正线线路共4处曲线，最小曲线半径为300m，最大为400m，纵断面采用“V”型節能坡型式，最大纵坡25‰，最小纵坡2‰，区间最小埋深约9.7m，最大埋深约15.5m。

区间左线在ZDK20+366.024=ZDK20+350.000设16.024m长链，区间隧道右线全长862.299m，左线全长878.324m。

联络通道兼泵房设置于ZDK20+281.000，覆土约15.8m，采用矿山法施工。

管片衬砌环宽1500mm和1200mm，外径Φ6000mm、内径Φ5400mm、厚度300mm，C50混凝土、6块/环分块形式，错缝拼装。

二、工程地质及水文地质情况盾构区间主要穿越〈2-9-2〉中密卵石土、〈2-9-3〉密实卵石土和〈3-8-3〉密实卵石土地地层，漂卵石含量70～90%，卵石粒径一般为20～200mm，漂石含量根据探坑揭示含10～25%，漂石粒径集中在200～300mm ，凤南区间大于300mm粒径漂石含2～5%（体积比），漂卵石抗压强度41～299MPa。

砂卵石地层中土压平衡盾构施工问题与对策研究作者：郭亮来源：《城市建设理论研究》2013年第21期摘要：本文依托北京地铁7号线广渠门外～广渠门内区间工程，对盾构在砂卵石地层中掘进时出现的问题做出分析，并提出针对性措施。

在工程实践中取得了良好的效果，结果对类似地层中类似工程具有一定的借鉴和参考价值。

中图分类号： TU7 文献标识码： A 文章编号：一、工程与地质概况1.1 工程概况本工程为北京地铁7号线工程广渠门内站～广渠门外站区间，本区间线路主要沿现状道路布置，呈东西走向，起点为广渠门内站，线路出站后在广渠门站后设置盾构吊出井，再沿广渠门内大街路中向东延伸，盾构区间先后下越本家润园人行天桥、京山线广渠门铁路框架桥、东护城河，旁穿领行国际地下车库、广渠门立交桥、及忠实里2栋16层楼，进入广渠门外大街，在广渠门外大街与广和里路交汇处设置广渠门外站。

左线K10+671.304～K11+705.700，长1033.057m；右线K10+670.154～K11+705.700，长1035.546m，本区间采用盾构法施工。

盾构机采用全封闭加泥式土压平衡盾构，所选择的土压平衡盾构适用于各种土层及这些土层的互层，适用范围广，采用直径6.14m 土压平衡盾构机，具有铰接装置。

面板式刀盘，开口率38%。

1.2 地质概况区间隧道覆土10～19m，隧道洞身主要穿过的地层有中粗砂层、圆砾层、砂卵石层、粉质粘土层、粉土层、细中砂层。

沿线地层条件复杂，区间隧道主要走行于渗透系数很大（约60m/d）的砂卵石地层。

区间地下水位埋深为7.00～8.60m，地下水位高程1514.90～1515.98m。

地下水主要赋存于粉土、粉质黏土及卵石土层中，属潜水类型。

该地质段的地层状况见图1。

图3 粉细砂、圆砾及卵石层地质纵断面图1 - 杂填土；2 - 粘质粉土；3 - 粉质粘土；4 - 粉细沙；5 - 中粗沙；6 - 卵石；7 - 圆砾层隧道围岩分级为Ⅵ级，土石可挖性等级为Ⅱ级，盾构掘进难度较大、施工精度不易保证。

土压平衡盾构施工中渣土改良技术的应用摘要：近年来，我国的工程建设越来越多，土压平衡盾构施工越来越多，在土压平衡盾构施工中，渣土改良技术的应用越来越广泛。

渣土改良效果的优劣是土压平衡盾构能否正常掘进的重要影响因素之一，不同的渣土改良方法对盾构推力、扭矩、地表沉降控制等产生不同结果。

为了进一步提高土压平衡盾构机施工的适应性，可对其渣土改良技术开展相应的研究，本文首先分析了常用渣土改良剂及特性，其次探讨了盾构机在砂卵石地层中掘进时可能出现的不利情况，最后就土压平衡盾构渣土改良精细化控制进行研究，以供参考。

关键词：土压平衡盾构；渣土改良；试验引言土仓内渣土改良是土压平衡盾构隧道工法的重要技术环节，渣土的改良效果直接影响着开挖面的稳定性和土仓内渣土的运输状态。

和易性是改良渣土的重要特性之一，反映了渣土自身的流动特征，改良渣土和易性差极易诱发刀盘扭矩大且磨损严重、千斤顶推力大、土体饼化堵仓、喷涌等问题，进而导致掌子面支护压力不足、甚至塌方等一系列事故。

因此，有必要针对改良渣土的和易特性及其评价指标进行深入研究。

1常用渣土改良剂及特性土压平衡盾构渣土改良所用改良剂多为泡沫、膨润土、聚合物等一种或几种材料的组合，并通过使用量的调整使盾构切削下来的渣土具有良好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩擦力。

如一般黏土地层中多使用泡沫剂、分散剂、水组合作为改良剂，砂卵石地层多使用膨润土作为改良剂，岩石地层多使用泡沫剂、水作为改良剂，富水砂、砂砾地层多使用膨润土、聚合物为改良剂。

2盾构机在砂卵石地层中掘进时可能出现的不利情况(1)当砂卵石地层处于无水状态时，由于沙粒相互咬，内部摩擦就会发生，土壤流动性差，土仓填土时，随着渣土量的增加刀盘扭矩随即增大，导致仓土排出不良，严重情况下，刀盘泥饼现象，直接影响盾构掘进。

(2)无水砂卵石地层中未改良渣土的流动塑性较差，造成掘进过程中刀盘扭矩增大，盾构机的推力也随及增大，刀盘刀具因摩擦阻力增大而产生较多的热量，从而加剧刀具的磨损，同时其磨损加剧影响着盾构机的工作性能和传动效率。

富水砂卵石地层中盾构施工的控制难点及措施
1.土层的物理特性
富水砂卵石地层的物理特性较为复杂，控制困难。

在施工前，需要对
土层进行详细的调查和分析，确定土层的厚度、颗粒大小和含水量等参数，为后续的施工做好准备。

在施工过程中，可以采用增加切割刀盘的数量和
规格、提高推进速度等方法，增强盾构机的推进力，提高施工效率。

2.地下水环境
由于富水砂卵石地层中含有大量的地下水，施工时需要进行有效的水
阻控制。

首先，需要进行地下水位的监测和测量，了解地下水的流动方向
和流速，以便合理设计降水井和排水系统。

其次，在施工前需要进行预排
水措施，将地下水降低到可控制的范围内。

在盾构施工过程中，可以采取
封顶法和预注浆法等措施，有效控制地下水位，减小土体的稳定性变化。

3.地层变形和控制方法
富水砂卵石地层的变形较大，在施工过程中需要注意地层的变形和沉
降情况，及时采取控制措施。

首先，需要进行地层的预测和分析，确定地
层的稳定性和变形特点。

在盾构机的设计中，可以采用强化盾构机结构、
增加刀盘的切割能力、减小切割面积等措施，降低地层的变形。

其次，要
加强地层监测和监控，及时掌握地层变形的情况，调整施工参数，保持施
工的稳定性。

总而言之，富水砂卵石地层中盾构施工的控制难点及措施主要涉及土
层的物理特性、地下水环境、地层变形和控制方法等方面。

针对不同的难点，可以采取相应的措施，加强施工前的调查和分析，进行地下水位的监
测和控制，加强地层变形的预测和监测等，以确保盾构施工的安全和稳定性。

4.3 大粒径卵石和漂石的处理处理措施大漂石通常是指粒径大于200mm的大石块，通常赋存在砂卵石地层或其他土层中，其空间分布具有较大的随机性，很难找到规律，由于钻探布孔密度的原因，地质勘察时不易被发现，给盾构施工造成极大困难。

其影响主要表现在刀具磨损严重、刀座变形、刀具更换困难；刀盘磨耗导致刀盘强度和刚度降低，引起刀盘变形；刀盘受力不均匀导致主轴承受损或主轴承密封被破坏；大漂石无法破碎，导致盾构掘进受阻或偏离线路。

尽管用盘形滚刀破碎大漂石常常是非常有效的方法，但在某些地质条件下隧道中的大漂石不能被破碎，必须采取其他方式进行处理，这就需要对大漂石所存在的地质状况进行研究，以便列大漂石进行预测，从而提高隧道的开挖效率。

4.3.1 大漂石破碎原理在滚刀破碎卵石的过程中，以其通过线为起点，逐渐产生拉伸力，从而将卵石破碎。

如果是较小的卵石，破碎过程就如用钢钎打人一样。

大直径卵石从表面出现细小的剥落开始，然后逐渐累积，根据切割连带效果和滚刀的连续运转带来的冲击，以刀尖为起点开始出现裂痕，最后实现破碎，见图4-03.图4-03大漂石破碎示意图4.3.2 大漂石对盾构选型的影响盾构穿越砂卵石地层时，刀具磨耗和大漂石的排出是影响盾构掘进的两个主要问题。

刀具磨耗通常通过提高刀具耐磨性和掘进过程中的换刀来解决。

大漂石的排出问题比较复杂，处理方式因地质条件、盾构的类型，以及刀盘和出渣装置的结构和形式而有所不同。

一般对于最大卵石直径不超过200mm的砂卵石地层，可采用常规排除方式，即要求在盾构选型和刀盘设计时，按可能通过的最大卵石直径确定刀盘开口率和开口宽度，并配备与上述卵石直径条件相适应的螺旋输送机排出大卵石。

对开挖坚实稳定的地层可考虑采用轮辐式刀盘。

当最大卵石直径超过200mm时（即为大漂石），如果采用常规排除方式就必须增大刀盘开口，增大螺旋输送机的直径。

这一方面会因刀盘开口增大影响开挖面稳定，另一方面也会因增大螺旋输送机直径引起排渣装置成本增加，并造成盾构空间布置困难。

砂卵石地层地铁盾构施工沉降处理技术探讨摘要：目前在地铁工程的建设过程中，大多采用盾构施工技术，通过盾构机的应用实现对相关区域地质的掘进。

本位依托成都地铁5号线砂卵石地层工程实践案例，通过对砂卵石地层地铁盾构施工沉降的原因进行阐述，分析砂卵石地层地铁盾构施工沉降处理技术的要点，从而探讨加强沉降处理的措施。

关键词：砂卵石地层；盾构施工；沉降处理；引言盾构施工主要是通过盾构机设备进行隧道挖掘的过程。

对于城市地铁的建设来说，它需要根据不同的地质情况，加强盾构机选型及施工方案设计，避免施工中出现质量及安全问题。

在成都，砂卵石地层是一种常见的地质类型，具有较强的不稳定性，由于地层颗粒凝聚力很小,在刀盘旋转切削地层时，很容易破坏原来相对稳定平衡的地层而产生地面沉降和失稳现象。

针对砂卵石地层盾构施工中存在的沉降问题，需要第一时间采取有效的措施处理，否则极有可能马上会面临地面坍塌。

1、工程概况成都地铁5号线土建3标含3站4区间,区间单向长度约1800m,隧道拱顶覆土厚度为9.9~19.35m,主要穿越中密卵石及稠密卵石地层。

地质总结为高富水、大粒径、高强度、低粘聚力、自稳性差,是盾构施工难度最大的地层。

2、砂卵石地层盾构施工沉降的原因分析2.1地质环境问题在砂卵石地层地铁盾构施工技术的应用过程中，沉降的主要原因是由于地质环境方面的问题。

首先，从盾构施工技术的特点来看，它需要在地层中进行掘进工作，并且沿着设计轴线方向对地层进行挖掘，它对于地质环境的稳定性有着较高的要求。

针对砂卵石地层来说，它是由不同粒径的卵石颗粒所构成的地质形态，自稳性差，离散性大，基本没有粘聚力，在盾构施工的外力扰动作用下就会发生不规则沉降等问题。

另一方面来说，砂卵石层具有较强的透水性，在地铁盾构施工技术的应用中，它可能会造成地下水位与砂卵石的密切接触，从而对砂卵石地层的稳定性以及整体结构造成不利的影响，在这种情况下加大了沉降问题的发生，严重时甚至会产生坍塌现象。

富水砂卵石地层泥水盾构施工地层变形规律
富水砂卵石地层是一种具有较强的渗透性和不稳定性的地层，泥水盾构在这种地层中的施工会引起地层变形，主要表现为隧道周围土体的沉降和变形。

在富水砂卵石地层中进行泥水盾构施工时，隧道周围土体会受到挤压和移动的影响，导致土体的沉降和变形。

根据研究，这种地层的变形规律主要包括三个阶段：初期沉降阶段、稳定沉降阶段和后期沉降阶段。

初期沉降阶段：泥水盾构进入地下后，由于施工挤压作用，隧道周围土体会产生较明显的沉降和变形。

在这个阶段，隧道周围土体受到较大的应力影响，土体颗粒之间的间隙逐渐减小，导致地层的压缩变形。

稳定沉降阶段：随着泥水盾构施工的进行，土体的应力逐渐趋于平衡状态，土体的沉降和变形速度逐渐减缓并趋于稳定。

在这个阶段，土体的变形主要表现为土体的侧向位移和土体中心的沉降。

后期沉降阶段：当泥水盾构施工完成后，土体的沉降和变形仍会持续一段时间。

在这个阶段，土体的压缩变形逐渐趋于饱和状态，土体的沉降速度逐渐减缓并趋于稳定。

此时，土体的变形主要表现为土体的沉降。

总之，泥水盾构施工在富水砂卵石地层中会引起地层的变形，而这种地层的变形
规律主要包括初期沉降阶段、稳定沉降阶段和后期沉降阶段。

这些规律需要在施工中得到重视，以保证隧道建设的安全和稳定。

浅谈盾构法隧道施工技术应用措施摘要：本文笔者结合工程实例,介绍其设计和施工要点、土压平衡盾构技术、盾构隧道管片衬砌结构的截面内力计算、盾构刀具与欠压推进处理技术等。

关键词：地铁工程，隧道施工，砂卵石地层，盾构法1引言砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层,在无水状态下,颗粒之间点对点传力,地层反应灵敏,刀盘旋转切削时,刀盘与卵石层接触压力不等,导致刀头震动,在顶进力作用下易产生坍塌,引起围岩扰动和地层变形。

当围岩中的砾卵石越多、粒径越大时,扰动就越大;当隧道顶部大块卵石剥落时,极易引起上覆地层的突然沉陷。

2工程概况广州市轨道交通三号线北延段施工区间2标盾构工程位于广州市白云山东侧，线路从春兰花园（南方医院站南端）向南沿广州大道北路行进，区间中部穿越梅宾街私人住宅楼群，到达怡新花园大门（梅花园站北端）；区间起止里程为Y（Z）DK-3-725.600～Y（Z）DK-2-544.300，右线隧道全长1181.3m，隧道埋深约20～26m，最大纵坡6‰。

3砂卵石地层盾构施工难点3.1隧道开挖面稳定性控制问题在砂卵石地层未受扰动情况下,土层颗粒倚靠直角的摩擦咬合作用维持区域土体稳定,盾构在砂卵石地层掘进过程中若开挖面压力不足,或大块卵石并排排出时,或螺旋输送机的排土量大于刀盘切削土量,在刀盘前上方会产生较大的空洞区域,卵石或砾石将相继松动,快速在开挖面上方引起较大的塌落区,继而使得上覆砂性土和粘性土层产生的松动范围加大,在隧道上方土层较薄处将引起较大的地表沉降。

如果上覆土体的抗剪强度较低,还会引起空区上方土体突然冒落,产生砂卵石地层盾构隧道开挖面失稳现象。

3.2盾构机密封舱土压平衡问题盾构机密封舱内建立土压平衡比较困难,甚至实现不了土压平衡的功能,因为,砂卵石地层易坍塌,不易保持开挖面的稳定;大粒径砂卵石不但切削或破碎难,而且切削下来的碴土经螺旋输送机向外排出也十分困难。

砂卵石处于密封舱内,螺旋输送机内以及盾构周围,对盾构机的扰动,振动很大,不利于掘进参数的调整,包括推进千斤顶的压力,螺旋输送机的转速及排土门的开度,盾构机位置及姿态控制等。

随着城市化进程的加快和城市交通量急剧增长,发展城市地铁已成为必然的选择。

因其自身的优势,盾构法施工在城市地铁隧道建设中正扮演越来越重要的角色。

我国上海、广州、北京等城市已经采用盾构法成功实施了不少工程。

成都的地质情况与上述城市截然不同,成都地铁施工具有独特的“三高”特点,即地层具有高富水及砂卵石含量高、卵石和漂石强度高的特点。

这种不良地质条件增大了盾构施工难度。

因此,加强盾构施工技术风险分析并找出相应的对策是极其必要的。

本文以成都地铁某盾构区间隧道为例,对施工中存在的风险进行辨识,并提出相应的控制措施,以确保盾构在富水砂卵石地质条件下的顺利掘进。

1 工程概况成都地铁某盾构区间隧道最大埋深13.5 m,最小坡度2‰,最大坡度26.99‰,左右线间距13~13.5m,最小曲线半径400 m。

隧道穿越的地层主要为卵石土层,含夹薄层粉细砂透镜体, 20~200 mm卵石含量约占55.0% ~75.4%,粒径一般以30~70mm为主,部分粒径80~120mm;填充物以细砂、中砂为主,夹少量黏性土及砾石,含量约为10.0% ~25.0%;漂石含量一般为5% ~10%,随机分布,地勘揭露漂石最大粒径为340 mm。

卵石单轴极限抗压强度为90.9~91.7 MPa,漂石单轴极限抗压强度为88.6~95.3MPa。

地下水系为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水两种类型。

孔隙潜水主要埋藏于砂卵石土层中,渗透系数k=20.0 m/d,为强透水层。

地下水位埋藏较浅,丰水期地下水位正常埋深约为3 m,成都充沛的降雨量是地下水的重要补给源之一。

基岩裂隙水主要赋存于泥岩强风化裂隙带中,透水性较差。

隧道下穿南河与滨江路下穿隧道,并近距离水平穿越锦江大桥与开行大厦(26层)。

地层“三高”特点及沿线建(构)筑物,对隧道掘进主要有以下几个方面的影响。

(1)隧道围岩均为卵石土夹透镜体砂层,自稳能力差,透水性强,地下水位较高,水量十分丰富。

区间隧道盾构施工,开挖面容易产生涌水、涌砂,造成细颗粒物质大量流失,引起开挖面失稳、地面沉降甚至塌陷。