盾构穿越上软下硬地层施工关键技术研究

盾构穿越上软下硬地层施工关键技术研究摘要: 地铁盾构法施工技术面临很大的挑战，结合深圳地铁5号线工程民治站至五和站工程勘查研究上软下硬地层盾构掘进施工关键技术研究，确定了地铁软下硬地层盾构机掘进基本参数、换刀加固技术和工程地层勘查技术。

关键词:地铁，盾构法，上软下硬，施工，关键技术Abstract：Subway shield construction faces great challenges, combined with the soft under the hard strata shield tunneling construction of key technologies in the people stand to Friday and Station of Shenzhen Metro Line 5 project engineering investigations to determine the shield of the subway soft under the hard strata. The machine boring the basic parameters of the tool change to reinforce the technical and engineering stratigraphic investigation.Key words：Subway, shield, on the soft under hard, construction, key technologies1 引言随着地下工程的迅速发展，盾构法施工越来越受到业内人士的重视。

为了解决盾构穿越各种困难地层的难题，本文拟结合深圳地铁5号线工程民治站至五和站工程勘查研究上软下硬地层盾构掘进施工关键技术。

2 概况2.1 工程概况深圳地铁五号线民治站～五和站区间位于宝安区民治村，两端车站均为地下两层岛式车站，线路整体呈东西走向，区间起点布置于民治大道东侧、平南铁路南侧的既有道路下方，线路出民治站后与平南铁路平行前进，在下穿梅观高速立交桥、近距离经过坂田火车站后线路向东南方向偏转，进入布龙公路，在布龙路与五和南路交界处进入五和站，区间终点位于五和南路。

沿线有铁路、公路、燃气管线、燃气站、高层居民区、工业区。

区间左线里程为DK21+822.591~DK23+819.487，累计长链7.066m，总长度为2003.962m，右线里程为DK21+761.391~DK23+819.487，短链0.468m，总长度为2057.628m，左右线合计4061.59m。

2.2工程地质勘查民治～五和区间隧道项目在工程实施前及实施过程中，对地质进行了详细勘查，对全线的工程地质及水文地质情况有了系统的认识，尤其对硬岩地段、上软下硬地段的地质状况有了深入了解，为盾构机掘进参数的选择奠定了基础。

沿线地质条件主要包括隧道范围内含有一定量的基岩、孤石及孤石群、砾质粘土等特点。

其中，左右线上软下硬地质地层主要分布三个区域：左线DK22+060～DK22+287；右线DK22+051～DK22+252、DK23+748～DK23+801。

2.3盾构机选型针对民五区间隧道盾构穿越地层分布不均匀，土层软硬交互和球状风化体多等复杂地质条件，决定采用土压平衡盾构机。

3 关键施工技术3.1盾构机掘进技术3.1.1刀盘转速的选择在上软下硬地层中掘进，软岩部分只需对掌子面进行切削即可破坏土层，而局部岩石硬度较高，硬岩处刀盘的滚刀受力较大，局部硬岩对刀具即刀盘的损伤较大，应适当降低刀盘转速，使刀具受到的瞬时冲击小于安全荷载25t。

刀盘的转速要控制在1.3～1.5r/min。

3.1.2土舱压力的选择在软硬兼有的地质下，如只考虑保护刀盘，单纯按照硬岩方式掘进，势必造成超挖和地表沉降。

掘进时应保持较高的土舱压力与掌子面的压力平衡，即在全土压平衡模式下掘进。

3.1.3油缸推力和扭矩的选择在上软下硬的上软下硬地层中，刀盘扭矩的最大值应保持在2.0MNm以下，掘进贯入度控制在5～8 mm／r ，推力在l000~1600 t 。

根据实际情况各参数值可进行适当的调节。

3.1.4推进速度选择在上软下硬地质下掘进，必须降低推力，降低速度，由于断面强度不一，如果速度过快，在软硬交界处，极易造成刀具的意外损伤。

在此地层条件下，一般按照盾构机的贯入度进行控制，根据岩层的断面比例和岩层强度高低，选择5~8mm/r。

3.1.5土体改良技术在软硬岩中的使用。

主要作用是降低对刀具和螺旋输送机的磨损，防止涌水，一般采取向刀盘前和土舱内及螺旋输送机内注入含水量较大的泡沫。

泡沫通过盾构机上的泡沫系统注入。

泡沫的组成比例一般为：泡沫溶液的组成：泡沫添加剂3%，水97%。

泡沫组成：90～95%压缩空气和5～10%泡沫溶液混合而成。

泡沫的注入量按开挖方量及渣土实际情况计算：一般300～600L /m3。

3.1.6螺旋输送机转速由于软岩部分非常容易坍塌，而硬岩部分因硬度较高不易切削，为保护刀具需要降低掘进速度，但此时的掘进速度对软岩部分的稳定非常不利。

因此要保证掌子面的稳定性，需要保持较高的土压，转速一般保持2～4 r／mi n。

3.2姿态控制技术3.2.1盾构机的姿态控制盾构机共20组推进油缸、分四区，每区油缸可独立控制推进油压。

盾构姿态调整与控制便可通过分区调整推进油缸压力进行盾构掘进方向调整与控制。

（1）滚动偏差在盾构支承环处增设了一对横向撑靴，必要时可以使用撑靴提高盾构抵抗扭转的能力。

特别是在硬岩地段，为保持较高的掘进速度，使用横向撑靴，对限制盾构体的滚动有较大的作用。

（2）方向偏差在盾构推进过程中，不同部位推进千斤顶参数设定的偏差易引起掘进方向的偏差。

盾构表面与地层间的摩擦阻力不均衡，开挖掌子面上的土压力以及切口环切削欠挖地层所引起的阻力不均衡，也会引起一定的偏差。

开挖掌子面岩层分界面起伏较大，掌子面上软下硬，也易引起方向偏差。

即使在开挖掌子面土体的力学性质十分均衡的情况下，受盾构刀盘自重影响，盾构也有低头的趋势。

因此，在掘进的过程中，应对竖直方向的误差进行监测与控制。

3.2.2管片姿态控制及防破碎（1）控制盾构的扭转，选择合理的推力。

（2）严格管片选型，确保盾尾间隙均匀。

（3）提高管片的安装精度。

（4）正确控制好转弯地段的盾构姿态，缓慢掘进，慎重纠编。

（5）控制注浆压力，确保填充质量。

3.3换刀加固区技术3.3.1加固区位置选定根据勘查情况，以民治～五和右线为例，选定了DK22+060旋喷桩加固区，DK22+188旋喷桩加固区，DK22+424舱内注浆换刀，DK22+475带压进舱检查刀具，DK22+485冲击钻回填加固区，DK22+525风井换刀，DK22+840冲击钻回填加固区，DK23+030冲击钻回填加固区，DK23+235竖井换刀，DK23+527注浆加固区换刀。

根据实际成效，加固区位置选择基本合理，在磨损超限之前完成更换。

3.3.2换刀加固区方法（1）旋喷桩加固本区间的旋喷桩加固区有3处，分别为左线DK22+220；右线DK22+06 6，DK22+188，加固区长度3～4米，宽度9～11米，隧道范围内上下各3米，加固示意图如下。

根据加固去开舱换刀来看，效果并不理想。

几个加固区均出现了掌子面不稳定的情况，给正常的施工带来严重的危害，也对施工进度造成了严重滞后。

本区间有4处采用钻孔桩施工方法设置的加固区，为左线DK22+485，右线DK22+485，右线DK22+840，右线DK23+030。

总体设计为2排钻孔桩，前3后4，盾构机停机位置在第一排中间与第二排桩开始之间的位置。

钻孔桩操作方便，成本较低，施工中往往和处理孤石结合在一起施工，但场地有一定限制要求。

（2）注浆加固本区间共一处采用注浆法设置加固区，位置右线里程DK23+527处，采用二重管无收缩双液WSS工法注浆技术；桩有效深度9米（盾构底部以下3米至顶部以上3米）；根据开舱换刀过程来看，本加固区稳定，掌子面无漏水、塌方情况出现。

（3）带压换刀本区间共使用带压开舱一次，位置为右线里程DK22+475。

（4）舱内注浆本区间使用舱内加固方法累计共六次，有四次是被动换刀，两次是加固区无法从地面施工。

3.3.3 开舱换刀技术（1）DK22+065全断面换刀根据地质勘探，左线盾构里程从DK22+058（156环）～DK22+103（186环）、DK22+183（240环）～DK22+244（281环）存在强度在100Mpa左右的花岗岩，其中盾构穿越范围全为花岗岩。

清舱后，加气退刀盘5cm。

舱门打开后，刀盘前方掌子面为全断面花岗岩，该次换刀为主动换刀，实际开舱后掌子面情况与地质勘探吻合。

人员进入舱内开始换刀，该次共换单刀31把，中心刀4把，齿刀31把，边缘刮刀未换，刀具磨损严重，大部分刀具报废。

（2）DK22+068全断面换刀为了总结刀具在全断面推进中对刀具的磨损情况，决定以盾构机在全断面推进2环后再次开舱。

根据出渣情况判断，可以开舱。

舱门打开后，前方掌子面仍为全断面，然后检查刀具，滚刀有1/3有均磨，均磨全在15mm之内。

最后决定将均磨刀具全部换掉。

该次换单刀15把。

（3）DK22+220旋喷桩加固区换刀这次总共换了33把单刀，4把中心刀，其中13#、15#刀在盾构推进80cm 后再次更换，由于岩石突出部分为刀盘中心区域，故中心区域刀偏磨损较为严重，其他周边刀磨损主要表现为均匀磨损。

3.4取得的主要成果3.4.1 上软下硬地层盾构机掘进基本参数根据民治~五和区间上软下硬地层的推进，取右线不均匀地层DK22+051~DK22+118（194环~238环）掘进参数进行分析，提出了盾构机在上软下硬地层掘进基本参数设定。

①推力上软下硬掘进过程中，带压掘进推力一般在1450~1600t，推力超过1700t对刀具影响较大，1000t以下的情况为全断面岩层条件，敞开式掘进。

推理统计图见图4。

②扭矩由上图可以看出，推力变大，随之扭矩也有变大趋势，敞开掘进时由于舱内土石较少，扭矩也随之减少。

正常掘进过程中，扭矩值在1.5~2.0MNm，刀具磨损相对正常。

扭矩统计图见图5。

③贯入度贯入量推进中保持4-6mm，全段面掘进时可提高至6-8mm，贯入度统计图见图6。

④刀盘转速掘进过程中，刀盘转速一般控制在1.3-1.5r/min之间，全段面敞开掘进时可以至1.6r/min。

刀盘转速统计图见图7。

3.4.2 换刀加固技术在上软下硬不均匀地层中，合理的换刀非常重要。

为了保证工作面的稳定，换刀时采用了多种加固方法，主要有全断面加固、旋喷桩加固和舱内灌浆加固等。

3.4.3工程地层勘查技术采用详细地质勘查和补充勘查等手段，提高工程地质及水文地质资料的准确性。