琶仑盾构施工和监理体会.docx

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琶仑盾构施工和监理体会

琶仑盾构掘进监理工作的体会

1.工程及施工概况

1．1区间全长1915米。

从琶洲塔始发井始发，依次穿过广州市好得利电子实业发展有限公司宿舍楼、厂房及仓库，临建房（新洲农工商联合公司）、黄埔涌、广州南环高速公路仑头村段，到达仑头鱼具厂仑-大盾构始发井。

区间隧道主要在强风化带<7>、中风化岩<8>和微风化岩<9>中通过，局部在<2-1>及<2-2>层的淤泥层和<3-2>砂层中通过，岩性以泥质粉砂岩为主，岩性变化较多，软硬差别较大。

黄埔涌段隧道掘进断面内上部为〈2-2〉、〈5-1〉、〈6〉地层，下部为〈7〉、〈8〉、〈9〉地层。

1．2盾构掘进采用两台三菱土压平衡盾构机。

右线盾构机于２００４年6月3日始发（左线７月日始发），到

２００５年４月２６日贯通，完成双线掘进施工

米。

拼装管片：

右线

环；左线

环。

2．地层和工程地质特征：

2．1本区间工程地质及水文地质特征与盾构施工的特点

2.1.1本区间第四系地层的显著特点是，白垩系上统三水组的泥质粉砂岩、粉质泥岩、粉砂岩、砂岩等红色碎屑沉积岩构成了本区间的主要工程地质特征。

地层主要分为三部份：

上部为第四系（Q）软土层，厚8～18m；主要为人工填土，海陆交互相沉积的淤泥或淤泥质土、淤泥质砂；富含水的砂层，厚0～9.5m。

中部为第四系残积层，由白垩系地层风化后残积形成的粘性土层，呈可塑～硬塑状，厚0～16.3m；下部为由白垩系紫红色钙质粉砂岩，泥质粉砂岩、粉砂质泥岩夹浅灰色泥灰砂岩、泥岩组成（业主提供的岩土工程勘察报告对浅灰色粗砂岩未有描述，本区间在Y15+334.225～Y15+363.46发现）。

2.1.2本区间第四系孔隙水主要赋存于淤泥质砂及冲洪积砂层中，地下水埋深0～3m，为饱水层，水量丰富；基岩裂隙水主要赋存于基岩强风化、中等风化带的裂隙中。

根据地质剖面，在岩土分界线间存在由基岩全风化形成的残积粘土，属不透水层～微透水层，使上下二层含水层间的水力联系相对缓慢，相对隔离了第四系孔隙水下渗至基岩裂隙中。

2.1.3在白垩系三水组地层之上，部分残积粘性土层段缺失，部分变薄，残积粘性土层是第四系潜水与其下覆的岩石地层中裂隙水之间的隔水层。

隧道的上部或上方都有沙层和淤泥沙层，如果在施工的过程中对土压平衡控制的不精细，上部的沙层就会在很短的时间内流失（即从螺旋输送机排出），从而造成地面的沉降；而本标段很大一部分隧道是在顶部大部分于为<2-1B>、〈2-2〉、〈2-3〉〈5-1〉、〈5-2〉、〈7〉风化残积土层、强风化层地层。

其岩性变化很大，可以由软土、软岩变为高强度的硬岩，反之的情况也十分多见,而且同一断面内即有软土、软岩又有硬岩的现象比比皆是；单轴抗压强度并不高，仅20-30Mpa。

如果换刀不及时，盾构机的刀具就会偏磨或磨光，甚至将刀盘面都磨损。

此外,沿线通过好得利公司桩基托换区、黄埔冲河床、万亩果园、南环高速道路、仑头渔具厂,加之线路起伏较大,更加剧恶化了施工的外部条件,在这些情况下，若不及时选用合适的刀具，或若无法及时判断盾构机前方地质条件的变化，刀具的磨损率将是很高的。

2.1.4此外，首次涉足盾构法施工领域的广东省水电二局，在新购设备的适应性和人员的熟练程度上，要求盾构在始发阶段的掘进过程中，熟练掌握操作方法；施工时需要确定不同地层中盾构推进的各项参数以及调节控制方法，熟练掌握管片拼装工艺及环形间隙注桨工艺，监测地表隆陷、地中位移、管片受力、建筑物位移等，掌握不同地层中各种推进参数和工况条件下的地层位移规律和结构受力状况，以及施工对地面环境的影响，并及时反馈调整施工参数，确保区间安全顺利施工。

2.2从掘进的情况看，洞身的地层主要为强～微风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩，洞顶为红层残积土、淤泥质粉细砂、局部夹薄层砂砾等（洞身地层大致如下表1.1所示）。

表1.1洞身地层情况统计表

环号

洞身地层代号

岩性描述

备注

～

〈7〉、〈8〉

<5-1>/<5-2>可塑～硬塑粉质粘土，由白垩系红色泥质砂岩风化残积形成，呈褐红、棕红色，稍湿，呈硬塑状，质较纯，粘性较好。

〈6〉为红层全风化带，含砂

砾质粘性土；

〈7〉为红层强风化带，半岩

半土状泥质粉砂岩，土样风

干易裂，强度低。

〈8〉为红层中风化带，主要

为粉砂质泥岩，强度一般，

风干易裂，偶夹坚硬的石英

砂岩。

〈9〉为红层微风化带，致密

坚硬，断口新鲜，粉砂质泥

岩为主。

土为主，夹石块

～

〈7〉、〈8〉、

石块多

~

〈7〉、〈8〉

土为主，夹石块

～

〈8〉、〈9〉

石块多

～

〈7〉、〈8〉、〈9〉

石块较多

～

〈8〉、〈9〉

石块多

～

〈7〉、〈8〉

夹石块

～

〈7〉、〈8〉、〈9〉

石块较多

～

〈8〉、〈9〉

石块多

～

〈８〉、〈９〉

夹较多石块

～

〈9〉

石块多（灰色粗砂岩）

～

〈８〉、〈９〉

石块多（灰色粗砂岩

～

〈8〉

石块多，含砂砾

～

〈9〉

石块较多

～

〈８〉、〈９〉

石块较多

～

〈６〉、〈７〉

土为主，夹石块

～

〈

－

〉〈６〉、〈７〉

土为主，夹石块

～

〈６〉、〈７〉、〈８〉

土为主，夹石块

～

〈８〉

石块多

～

〈7〉、〈8〉

夹石块

～

〈６〉、〈７〉

土为主，夹石块

3．地面沉降原因分析.

３.1琶仑盾构自掘进施工至双线贯通，共发生大小坍塌事故十几起。

且多以右线发生坍塌事故后（左线晚其始发一个月左右），在近相同的里程地段，左线仍“前赴后继”之特点而令我深思。

如盾构在过好得利厂房时，两台盾构都出现掘不动、地面塌方现象。

右线1027环与左线的1033环；通过南环高速公路，进入中铁十三局仑大项目部驻地，前后两台盾构机均未能摆脱致地面塌方的厄运。

对此，本节作一简单回顾，与同行共析。

3.1.12004年7月29日上午，右线盾构机在76环（好得利厂）掘进过程中，刀盘上方地面出现沉陷，出现3.5m×4m，深0.9m的坑；（见图）导致附近的煤气房沉陷。

至8月2日上午，延续沉陷使周边10m范围内产生较多的裂缝，好得利厂食堂周边地裂缝最大宽度达16mm，至8月6日小煤气房沉陷48～92.2cm；

右线３２９环在坍塌前则呈现连续“喷涌”的现象。

采取二次注浆措施后，情况稍有好转。

但掘进速度时常在３～１５mm／min，单环掘进耗时多在１９６～３８７min。

１１月２日，凌晨０：

３０分，掘进尺仅１５０mm，出土异常（４矿渣车）。

我随即对渣土进行了检查，已见粉质泥砂，含有腐木、贝壳（见渣样照片一），判断地面已坍塌。

当时的推力２０８０t，扭矩８７３～４６２０KN.m，转速１.82rpm／min，速度为１～１２mm／min。

次日上午派人查看，见地面坍塌5*7*3.5m，坑内水柱喷涌（见“喷水”照片）。

这种情况在左线盾构的推进时，分别在左线74环和337环，右线1027环与左线的1033环出现。

3.1.2从地质断面图可看出，刀盘前方开挖大部分为（7）（8）洞身上部显露，夹有（6）全风化层，洞顶上覆土层依次为〈2－3〉和（2－2）层。

显然刀盘处于典型的上软下硬的特殊地层。

跟据右线盾构机推进原始记录显示，当盾构机推进接近坍塌点时，推进速度减慢，大多在3～10mm／min，土仓压力推力扭矩增大，螺旋输送机出土闸门压力增大，当打开螺旋输送机出土闸门时，以水为主，水，砂，泥及碎石从螺旋机出土口喷涌而出；在停止排土时，地层中的水很快充满土仓内，土仓压力又迅速上升，螺旋输送机出土闸门压力也随即迅速上升，当打开闸门又发生喷涌，推进过程中多次因扭矩增大，油温升高而跳闸停止推进，造成盾构机无法正常推进。

3.1.3从盾构螺旋机出渣口对渣土观察：

“喷涌”前的渣样大致是泥浆裹者原状土夹着岩石颗粒一并排出，稠稀不均；随后出现的“喷涌”后，其渣样则呈流淌状，且越来越稀，颗粒多以破碎岩石为主，岩质较坚硬（如遇＜２－３＞则是中粗砂﹑淤泥）；含水量较大，占体积的60﹪以上，中、细砂占体积的25﹪以上，其余为碎石及泥占体积的15﹪，碎石中明显出现了（8）、（9）中微风化层的岩石，可确定盾构处于裂隙发育含水量丰富的硬岩地层中。

3.2总结盾构沉陷的原因，我以为引起地面沉陷的原因有以下几个方面：

3.2.1地层方面的原因

勘察资料显示，这些部位虽然存在着厚度较大的淤泥质粉细砂层，但该层离隧道顶部有1.3m以上的距离，其下层为〈7〉强风化泥质粉细砂岩。

由沉陷时检查渣土的情况看，土中含有较多的粗砂和粉细砂，甚至有腐木、贝壳，（见图片）可见在隧道顶部或上部的一定范围已经是〈2－2〉或〈2－3〉砂层和淤泥。

淤泥和淤泥质土等沉积杂土，因自身的高灵敏度，在盾构刀盘旋转而产生震动、挤压和搅拌等作用下，其结构被破坏，形成震陷现象。

在强烈的震动作用下，饱和松散砂土及低塑性土的颗粒骨架产生急剧的增密，孔隙水就承担了全部土体自重压力及所受的外压力，从而使土中有效应力瞬时消失，因此土的抗剪强度趋于零，其结果是：

一是地面地基失稳、沉陷；二是地基沉陷点出现喷水冒砂现象。

因为松散的饱和砂土是由砂粒和水组成的二相物质，在震动作用下，砂土颗粒骨架增密，于是土体所受上覆压力（包括附加压力和自重压力）瞬时被孔隙水承担，导致有效应力的降低或消失，具体说就是砂土受震后的应力应变及相应的孔隙水压力增长与消失的过程。

饱和砂土在循环荷载作用下，可能产生相态的液化，即由固态转化为液态，也就是孔隙水压力发展过程。

由于隧道施工中没有注意碴土改良，掘进的过程中进尺又慢，刀盘的掘进震动使砂层受到严重的扰动从而产生液化，在土仓压力较低的情况下流入土仓产生喷涌，使出土量较平时增加5～10m3，出土量超标，难以准确判断出碴量。

注浆量不足，不能及时填充盾尾的空隙，或未能填充密实，致周围土体产生位移变形。

3.2.2机械设备的原因

从沉陷前，盾构机及其辅助设备存在较多的故障，影响掘进，在较弱的地质条件下，停顿时间较长；而掘进速度又在1～18mm/min间，推力和扭矩大，设备高负荷工作；呈现液压油温高于正常水准；渣土温度高，产生大量蒸汽等现象。

此情况也说明刀具配置的不合理，已不能适应上软下硬的地层或已经结了泥饼（本文在此不予以详述），致使在所谓“上软下硬”的地层中掘进时间过长不能快速通过，造成地下水夹带泥沙流入土仓内或形成大量的喷涌造成水土流失，致使地层沉陷。

3.2.3人的因素

主要表现在机手的判断能力比较差，在75环掘进过程发现有喷涌现象，对出土量的多少未引起重视，造成多出一车土，也未引起足够重视，表现出机手对盾构施工的不熟练。

未把握到位”三平衡”的原则，即土仓压力与水土压力平衡，实际出土量与理论出土量平衡，注浆量与盾尾建筑间隙量平衡的原则，及时调整推进参数。

4.盾构施工的思考

4.1掘进参数控制

采用土压平衡掘进模式。

除有效的碴土改良外，掘进过程中对其掘进参数的控制也是保证盾构机顺利掘进的关键因素，尤其是对土仓压力、千斤顶推力与刀盘转速、出土量控制、同步注浆等的控制。

4.2千斤顶推力与刀盘转速

千斤顶推力与刀盘转速是否合理是关系到刀具能否顺利切削岩层；推力过小，岩层得不到充分的压裂和切削，掘进效果差，推力过大时，由于管片断面不平整或千斤顶受力不均，容易产生管片破裂、渗水等现象。

至于刀盘转速，对于挖岩刀具，在〈8〉、〈9〉号地层，转速在1.5以上破岩效率比较高，但在较软的〈6〉、〈7〉号地层，转速应控制在1.5rpm左右，以便地层能给刀具提供足够的摩阻力，使刀具能转动破岩。

无论何种速度，均应与其它参数如刀盘扭矩、泡沫注入、推进速度等有机结合起来，才能取得理想的结果。

4.3出土量控制

出土量是前方地层稳定与否的直观反映，在泡沫与水注入正常的情况下，每环的出土量一般为52～57m3，遇到发生容易坍塌的地层，出土量往往偏大。

因此，在掘进过程中对出土量的控制十分必要。

出土量的计量方法有盾构机系统的电子称量法和碴土车计量两种，但碴土车计量比较粗略，一般以电子称量的数据为准。

不过在发生喷涌时，电子称量的准确性比较差，喷涌后，进入碴土车的土量也会偏少，因此，需要两方面进行互相比较，通过观察碴土车内的量与平时量的多少，加上喷出洒到隧道地面的量才能比较准确地估计到实际的出土量。

若实际出土量比平常多出较大量，说明地层已经坍塌，要对出土量作出严格的控制，尽管此时的掘进速度可能已经很慢，否则，地面将出现较大的沉陷。

本工程所用盾构机对出土的控制主要在螺旋机闸门开度的控制，发生喷涌时，只有螺旋机闸门的开度足够小，仅仅提供少量泥水喷出的通道，随着盾构机的推进，喷涌会慢慢消失。

4.4同步注浆

同步注浆的及时进行可以稳定隧道管片，控制隧道管片的变形，防止隧道管片在脱出盾尾后发生错台现象，从而避免管片破损现象发生，保证盾构隧道姿态的正确，加快掘进速度。

同步注浆量要控制适中，严格控制注浆压力，既不能因过少而造成地面大量沉降，也不能因过多而击穿砂层造成涌砂、涌水等事故的发生。

在掘进过程中，一定要随时对同步注浆量进行控制，事实证明，当出土量不超过理论出土量的120％时，只要注浆及时、足量（一般宜大于理论注入量的120％），地面沉降会得到较好的控制。

为确保注浆量及注浆效果，一般情况下，注浆压力可以控制在0.2～0.35Mpa，对于已经发生喷涌、沉陷的地段，注浆的压力应适当提高，上限可以提高到0.5Mpa，一般会取得比较好的效果。

4.5渣土改良

4.5.1良好的碴土改良方法能使渣土不粘结刀具、刀盘、顺利出仓，取得较快掘进速度，从而减少对软弱土层的扰动，有利于稳定地层。

因此，必须制定有效的碴土改良措施，合理的泡沫和水的注入就成为改良效果好坏的关键因素。

4.5.2泡沫的功效主要在于分离或中和粘性土中的阴阳离子，降低其吸附性能，从而起到改善碴土的流动性、润滑刀具等作用。

对于软岩和粘性土，合理的泡沫注入尤为重要。

4.5.3对于水的注入，在正常注入泡沫的情况下，使碴土有比较好的流动性，注入率按照地层的干湿情况达到理论出土量的20％～30％即可，也就是每环的注入量控制在8.5～13m3。

对于发生喷涌的情况，仍然要保证水和泡沫的正常注入，但注入量可以适当减少，发泡率也要降低，以免气量过大加大喷涌或进一步击穿上部地层。

结束语盾构机具有土压平衡功能，在自稳能力差的<2-1>、<2-2>、<2-3>、<5-1>、<5-2>、<6>等岩土层中掘进时，能够有效地控制土仓的出土量和推进千斤顶的推力，从而调节土仓内碴土的压力，对开挖面形成有效的支撑。

但是，在变化不断的地质条件下，将掘进对土体扰动控制在较小范围，防止地表沉降，是值得每一个施工管理人员重点研究的。