盾构机——复合地层中的掘进

岩溶地区复合地层小型盾构掘进施工工法岩溶地区复合地层小型盾构掘进施工工法一、前言岩溶地区是指由溶蚀作用形成的特殊地质环境，其岩层特点多变、复杂，对于盾构施工提出了极大的挑战。

针对此类地质条件，岩溶地区复合地层小型盾构掘进施工工法应运而生。

本文将详细介绍该工法的工艺特点、适应范围、工艺原理、施工工艺、劳动组织、机具设备、质量控制、安全措施、经济技术分析和工程实例。

二、工法特点岩溶地区复合地层小型盾构掘进施工工法的特点如下：1. 采用小型盾构机，尺寸相对较小、灵活性高，能够适应复杂地质环境下的盾构施工。

2. 综合考虑岩溶地区地质特点，采用复合地层盾构隧道掘进方式，能够快速穿越多种地层。

3. 采用先进的控制系统和车辆引导系统，保证施工的准确性和稳定性。

4. 引入先进的防泥水处理设备，保证施工过程中的泥水处理效果，减少环境对施工的影响。

5. 施工过程中采取多重检测和监控手段，确保施工质量和安全。

三、适应范围该工法适用于岩溶地区复杂地质条件下的隧道掘进，包括岩溶地层、水溶洞、断裂带等地质构造。

特别适用于需要穿越多种地层的工程，如城市地铁、高速公路、水利工程等。

四、工艺原理岩溶地区复合地层小型盾构掘进施工工法的原理是根据实际地质情况，采取相应的技术措施和施工工艺。

具体包括：1. 喷射泥浆：在地层复杂时，采用喷射泥浆来稳定地层，减少塌方和泥水渗漏的可能性。

2. 微震探测：通过微震探测技术，实时监测地层的变化，及时调整施工参数，保证施工的稳定性。

3. 前导孔钻进：在地质条件复杂的地层中，先行进行前导孔钻进，确定地层情况，为盾构掘进提供准确的地质数据。

五、施工工艺该工法的施工工艺可以分为以下几个阶段：1. 准备工作：包括设备调试、现场布置和安全检查等。

2. 前导孔钻进：根据地质情况，先行进行前导孔钻进，获取地质数据，并掌握地层稳定情况。

3. 盾构安装：安装小型盾构机，进行初始设施和控制系统的安装和调试。

4. 盾构掘进：根据前导孔的数据，控制盾构机按照适当的速度和姿态进行掘进，同时进行泥浆喷射等工艺操作。

盾构在上软下硬地层中掘进控制措施摘要：盾构在上软下硬的地层掘进时，地质上下岩层强度相差较大，如平衡压力控制不好，盾构掘进过程中会引起刀盘切削的上部土体则容易进入土舱内；下部硬岩则掘进困难，容易导致盾构机容易上翘、刀盘刀具破损过大等问题。

施工过程中，主要控制盾构姿态、速掘进度及盾构机平衡压力，采用一定的预处理措施，使盾构机在防止刀盘刀具破坏的同时，避免盾构机姿态不平衡失控而超限。

关键词：上软下硬；盾构掘进；掘进风险；对策及控制措施地铁9号线4标花马区间掘进过程中通过提前详细了解地质勘查资料、日常加强盾构机的维保工作、采用土压平衡模式掘进、合理利用盾构铰接千斤顶、加强盾构掘进过程中土仓压力和出土量的控制、盾构掘进速度的控制、加强盾构掘进过程中地表沉降变化的巡查和监测、优化壁后注浆配合比参数、控制好掘进姿态、盾构掘进参数控制的情况等，使盾构机在防止刀盘刀具破坏的同时，防止盾构机姿态失控而超界限。

通过这些有效的措施，实际施工过程中花马区间左、右线盾构均顺利、成功的通过上软下硬地层。

一、工程概况及地质情况广州市轨道交通九号线施工4标花都广场站~马鞍山公园站区间约长1360m，为1盾构段；区间最小曲线半径400m，最大路线纵剖26.89‰。

该区间自花都广场站东端引出，一直沿着迎宾大道东行到达马鞍山公园站，位于已建迎宾大道下，起止里程：YDK9+864.500~YDK11+165.530。

本区间自地表以下依次是填土层、粉细、中粗、砾砂层、微风化灰岩（局部为中风化炭质灰岩），砂层厚度大、透水性强，直接与微风化灰岩接触，灰岩强度较高，中间无不透水层。

区间盾构隧道线路沿线基岩以灰岩为主，灰岩中揭露的岩溶有容蚀裂隙、溶洞、土洞、断层等，以溶洞为主，局部有土洞。

隧道主要穿越<3-2>冲积-洪积中砂层、<3-3>冲积-洪积砾砂层、<4-2>淤泥质土层、<5C-1A>灰岩可塑~软塑残积土层，局部穿越<9C-2>炭质灰岩微风化带，盾构区间地质为上软下硬。

浅析双模/多模盾构机在复合地层下实用性发布时间：2021-05-17T11:15:38.967Z 来源：《科学与技术》2021年4期作者：谢作成[导读] 目前国内在盾构施工领域中，通常使用单模式的盾构机谢作成中铁工程装备集团有限公司，河南郑州450016）摘要：目前国内在盾构施工领域中，通常使用单模式的盾构机：土压平衡盾构及、泥水平衡盾构机、护盾/敞开式TBM进行项目施工。

在施工的过程中，根据提前做的地勘很难遇到理想的单一地层，降低了常用的单模式盾构机施工效率。

现通过结合2种或多种模式盾构机优点，研制并已投产双模/多模盾构机。

在已使用的施工项目上，通过施工项目的地勘，制定盾构机施工方案，筹划好盾构机的洞内模式转换，极大程度的提高盾构机安全施工效率，从而降低施工成本，提高盾构机整体施工质量。

关键词：双模/多模盾构机；隧道；工程筹划；洞内换模；施工管理0引言随着我国整体建设的高速发展，近年来城市地铁、交通、综合管廊等隧道建设得到了全面铺设，地铁运营里程逐年增加。

在各施工项目的工期节点较以往提前，通过优化盾构施工技术，多元化盾构机机型，盾构机上采用新型技术与工艺实用化，能适应的地质条件增加，从而提升工效，保证盾构施工节点工期。

如土压平衡盾构机在遇到全断面硬岩地层时，掘进的效率不及护盾/敞开式TBM；遇到大埋深、高渗透性的水下、软硬不均等情况时，施工效率与可靠性不及泥水盾构机。

通过对比盾构机的适应性，结合盾构机整体性能设计，将土压平衡盾构机、泥水平衡盾构机、护盾/敞开式TBM互相进行优势结合，研制出已投入使用的土压-TBM双模盾构机、土压-泥水双模盾构机、泥水-TBM双模盾构机与土压-泥水-TBM 多模盾构机。

图1 土压-泥水-TBM多模盾构机广州地铁7号线（萝岗站~水西站），区间里程下穿山体为主，最大静水头压力3bar。

隧道穿越残积土层、全、强、中、微分化花岗岩等复杂地层，采用已投产的?6.28m土压-泥水-TBM多模盾构机施工。

掘进盾构机的工作原理
掘进盾构机是一种用于地下隧道或管道的施工设备。

其工作原理主要包括以下几个步骤：
1. 土层掘进：盾构机首先进入地下，利用推进液压缸和螺旋输送机掘进土层。

推进液压缸通过推进力将盾构机向前推进，同时螺旋输送机将挖掘的土层输送到盾构机内部。

2. 土层处理：在土层掘进的过程中，盾构机内的土层会通过螺旋输送机被输送到盾构机后部的混凝土搅拌站进行处理。

在混凝土搅拌站内，土层与混凝土和注浆材料混合，形成一种支撑土层的混凝土涂层。

3. 土层控制：通过盾构机内的管状支撑结构，以及混凝土涂层的形成，控制隧道壁的稳定性。

同时，注浆材料的注入还可以加固地下隧道，并防止土层的松动和塌陷。

4. 推进循环：在掘进过程中，盾构机不断地向前推进，同时将挖掘土层带到后方的混凝土搅拌站处理。

通过不断循环的掘进和土层处理过程，盾构机可以完成整个隧道的掘进工作。

总的来说，盾构机通过推进液压缸和螺旋输送机的协同作用，掘进土层；通过混凝土搅拌站的混凝土和注浆材料处理，形成隧道壁的支撑结构，实现地下隧道的
施工。

盾构施工典型上软地层下硬掘进参数选择1 掘进措施在上软下硬复合地层施工，添加剂的选择是关键，在推进过程中设法保持上部软土的平衡是目标，为了盾构通过时避免出现沉降以及坍塌等现象，采取主要对策措施如下：1）加强盾构机维养保养，提高设备的完好率和利用率。

并且提前有预见性的开仓检查刀具磨损情况并及时更换，保证刀具的完好率。

2）采用土压平衡模式掘进。

单纯采用较大土压力是一种理想方法，但因为下部为中风化岩层，会产生结泥饼的负面效应，而采用欠土压和辅助气压方法建立土压平衡掘进，容易造成气体泡沫冒出地面。

因此，采用土压平衡模式，在保证泡沫基本功能的前提下减小泡沫的注入量和发泡倍率。

泡沫溶液的组成参考：泡沫添加剂原液4%，水96%；发泡倍率4-6倍。

3）重视盾构掘进基础数据的异常反馈。

如推进速度、推力、扭矩、土舱压力增大、油温升高、出土闸门喷涌、渣土的含水量变化、渣样的判断、实际出渣量与理论出渣量的比较等等，认真分析异常原因，采取果断的技术措施，以免贻误最佳的处理时机。

4）严格控制掘进施工出土量。

出土量宜每环控制在58-62m3左右，最多不能超过65m3,视渣土中水量多少。

若出现出渣过多，而推进行程不够时，应停止螺旋机出土，继续掘进达到拼管片为止。

在下一环开始掘进时需要憋土保压，土压大小视刀盘扭距而定。

停机前也要憋土保压，以防止掌子面坍塌。

5）密切注意工程地质和地表沉降变化的情况。

根据地表沉降参数与推进参数总结出适应该地层掘进参数和注浆参数。

收集必要的掘进参数和地层信息，以信息反演地层结构。

及时调整推进参数，减少对地层的扰动，控制地面沉降。

6）优化壁后注浆配合比参数。

调整同步注浆配合比，加入适量早强剂，使浆液凝胶时间缩短到5h左右，使同步注浆尽快发挥其止水作用，防止管片背后水力通道的形成，可以有效防止或减小喷涌的发生，阻止管片上浮。

同时，及时进行二次双液止水环注浆，对管片背后进行堵水。

2盾构掘进参数控制3 施工总结1）在上软下硬地层，泡沫管于中心加水会出现经常堵塞，需要及时疏通，防止扭矩及渣温上升较快。

复合型土压平衡盾构掘进工法土压平衡式盾构自1974年在日本首次使用以来，以其独到的优势已广泛用于世界各地的隧道工程中。

我国上海等软土地区已经广泛应用土压平衡盾构建造地铁隧道和其他市政公用隧道。

但是，在强度差别较大的土质以及盾构掘进断面土层不均匀等复杂地质施工中，常规的土压平衡式盾构已难以适应施工要求，而复合型土压平衡盾构正是在该形势下开发研制并成功地应用于复杂地质中施工。

2 000年上海隧道工程股份有限公司在我国首次应用由该公司开发研制的Φ6140复合型土压平衡盾构建成了广州地铁二号线“海珠广场～市二宫”和“市二宫～江南新村”区间隧道；2001年上海隧道工程股份有限公司又采用复合型土压平衡盾构成功地穿越了风化岩和砾质粘土交错的复杂地层，建成了深圳地铁一期工程2A标。

复合型土压平衡盾构掘进技术已达到国际先进水平。

一、特点复合型土压平衡盾构是在土压平衡盾构的基础上发展起来的一种适用于强度差别较大的土质以及盾构掘进断面土层不均匀等复杂地质条件中施工的新盾构，其施工方法是在刀盘上装有2种或2种以上的刀具，可切削软土、硬土、砂砾和软岩等不均匀地层，为了保持开挖面的稳定，在切削刀盘后的密封舱内充填开挖下来的土体，通过螺旋输送机出土，保持土压平衡的一种施工方法。

本工法主要特点：1．具有切削软土、硬土、砂砾、岩石等不同强度的岩土功能。

2．根据土压变化调整出土和盾构推进速度，易达到工作面的稳定，减少地表变形。

3．对掘进土量和排土量能形成自动控制管理，机械自动化程度高、施工进度快。

4．施工安全性好，可在大深度、高水压下掘进工作。

5．在密闭舱内的中央部装备有效地搅拌土砂，力求土砂流动的旋转搅动罐，以及为防止粘性较强的粘土形成“泥饼”的被动搅拌棒，大大提高了盾构在复杂土层施工中的出土效率。

二、适用范围本工法是用于软土、砂砾、软岩等不同地层内掘进直径3～10m的隧道。

能适应多种环境和地层的要求。

可在强度差别较大的土质和盾构掘进断面土层不均匀等复杂地层，以及高粘度砾质粘土、风化岩等常规土压平衡盾构无法适应的地层中使用。

盾构机复掘进注意事项盾构机复掘进是指盾构机在使用过程中，在需要不同作业的情况下，需要改变推进方向或推进线路，并回收再利用之前使用的盾构机推进管片的一种施工方法。

在进行盾构机复掘进时，需要注意以下几个方面：1. 合理规划复掘进路径：复掘进可以是沿原始工程线路反向推进，也可以是从偏侧开挖并与原线路连接。

在规划复掘进路径时，需要考虑到原有地质条件、隧道线路的稳定性、复挖工作面的安全性等因素，确保复掘进的顺利进行。

2. 严格控制施工参数：复掘进是在已有推进管片的基础上进行的，需要控制好推进速度、推进力以及液压系统等施工参数。

过快的推进速度可能会导致管片受力过大，造成破坏或失稳；推进力过大则可能引起松散地层的变形或塌陷；而液压系统应调整至适当的工作压力，保证设备安全运行。

3. 保证复掘进的精确性：复掘进的精确性对于整个盾构机施工质量至关重要。

在复挖工作过程中，需要保持盾构机的水平稳定，特别是在弯曲路段的复掘进过程中，需要通过调整机械的姿态保持水平，以确保复掘进的精确性。

4. 强化地质勘测工作：盾构机复掘进的过程中地质勘测工作尤为重要，通过对地质条件的细致勘测，可以提前预测地质障碍物、断层带以及地下水等不利因素，做出合理的应对措施，确保复掘进过程的顺利进行。

5. 加强安全管理：在盾构机复掘进的施工过程中，安全管理是一项关键工作。

必须对施工人员进行安全培训，严格执行各项安全规章制度，做好设施和设备的维护管理，加强现场监督和管理，确保施工人员的人身安全和设备的正常运行。

6. 控制环境影响：盾构机复掘进过程中，由于地下水位变化、土质松散、爆破噪音等因素，可能会对周边环境造成一定影响。

因此，需要对环境影响进行预测与评估，并采取相应的环境保护措施，减少对周边环境的影响。

7. 完善监测体系：在复掘进过程中，需要对盾构机的姿态、管片的变形以及地下水位等进行实时监测。

通过建立完善的监测体系，能够及时掌握施工过程中可能出现的问题，避免事故的发生，保证工程质量。

泥水式盾构机。

在不稳定的砂砾地层或混合地层中，设备以混合式盾构机的模式工作。

在这种模式下，开挖仓内完全充满了悬浮液，而压力腔(4)则位于分隔挡板(1)后面，悬浮液由压缩气垫(12)和压力挡板(2)支撑。

气压通过一个空气调节设备(10+11)自动控制，防止隧道掌子面发生浆液喷爆和渣土进仓。

开挖仓(3)和分隔挡板后面调压腔内悬浮液之间的压力调节通过连通管(5)进行。

进泥管(9)把新鲜悬浮液输送到开挖仓。

而排泥管(6)则把格栅(13)后面开挖仓内的悬浮液输送出去。

通过调压腔内的输浆管(8)和排浆管(7)连续冲刷连通管下方，以避免渣土沉积。

在稳定的地质状况中，如硬岩或密实的粘性地层中，像小型的AVN设备一样，盾构机以泥水模式工作，无需使用压缩空气支撑。

把压缩空气供气管和排气管封闭住，并通过开挖仓把调压腔内的排气管、供气管和连通管中的空气排出去，这时，混合式盾构模式就转换为泥水盾构模式。

该转换工作同样可以在地下进行。

转换之后，调压腔就仅处于常压下，因为连通管已被封闭。

这时，对隧道掌子面的支撑就仅由泵入泵出循环管路的膨润土悬浮液来承担。

土压支撑，软土中掘进。

当盾构机在不稳定的地层中掘进时，可以通过制造支撑压力来防止隧道掌子面失稳情况的发生。

使用土压平衡盾构机开挖，刀盘（1）开挖下来的粘性土体用来支撑掌子面，而不像通过其他开挖方式的盾构机，其掌子面依靠另外的介质支撑。

刀盘旋转的盾体区域称为开挖仓（2），它通过压力挡板（3）与常压下的盾体区域分开。

刀盘旋转，带动刀具挖掘土壤。

挖掘下来的土壤通过刀盘开口进入开挖仓，与开挖仓内已有的粘性土浆混合。

推进油缸（4）的推力通过压力挡板传给开挖仓内土体，从而保证开挖面的稳定。

当开挖仓内的土体不再受外部土压力和水压力压紧时，就达到了土压平衡。

开挖仓内的渣土通过螺旋输送机（5）输送出去。

渣土输送量由螺旋速度和上部螺旋输送机驱动器的开口十字架控制。

螺旋输送机把渣土输送到第一段输送皮带上，再转运到反转皮带上。

盾构机掘进施工工艺流程一、前期准备在盾构机掘进的前期准备中，需要进行以下工作：1.调查勘察和设计：确定掘进线路、隧道尺寸和盾构机参数等；2.地质勘察：了解地层情况，为掘进提供基础数据；3.组织设计施工：制定施工方案，确定施工计划，明确人员和设备需求。

二、盾构机组装和调试1.盾构机组装：按照设计要求，将盾构机各个部分进行组装，并进行质量检查；2.盾构机调试：对盾构机进行各项功能测试和调试，确保其正常运行；3.安装衬砌设备：将衬砌设备安装到盾构机上，以便在掘进过程中进行衬砌工作。

三、掘进准备1.施工洞口准备：开挖施工洞口，搭建起洞口结构，确保盾构机顺利进入；2.安装导向系统：根据设计要求，安装导向系统，确保盾构机在掘进过程中能够保持正确的方向；3.安装环片输送系统：安装环片输送系统，用于将掘进完成的环片运出隧道。

四、盾构机掘进1.启动盾构机：启动盾构机，让其顺利进入地下，开始掘进；2.土层开挖：盾构机通过刀盘进行土层开挖，同时进行螺旋输送和膨压等工作；3.安装衬砌：在土层开挖后，盾构机会进行衬砌工作，将预制的环片逐个安装起来；4.环片固定：在安装好的环片上进行环片固定，确保隧道的稳定性；5.循环掘进：盾构机持续进行土层开挖、衬砌和环片固定的循环工作，逐渐推进掘进线路；6.盾构机掘进完成：当盾构机完成预定的掘进里程后，掘进工作结束。

五、施工完工1.拆卸盾构机：在掘进完成后，拆卸盾构机，并进行维修和保养；2.清理施工现场：清理掘进过程中产生的废渣和垃圾，恢复施工现场的整洁；3.验收和交付：对掘进完成的隧道进行验收，确保质量合格后进行交付使用。

总结：盾构机掘进施工工艺流程包括前期准备、盾构机组装和调试、掘进准备、盾构机掘进以及施工完工等阶段。

每个阶段都有具体的工作内容和要求，只有确保每个环节的顺利进行，才能保证盾构机掘进的质量和效率。

在实际施工中，需要根据具体情况进行调整和优化，以确保施工的顺利进行。