软硬不均地层复合盾构的研究及掘进技术.docx
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软硬不均地层复合盾构的研究及掘进技术
软硬不均地层复合盾构的研究及掘进技术
摘要：
针对广州地铁二号线越秀公园—三元里区间的软硬不均地层的盾构施工，提出复合盾构的设计思想，并对复合盾构的功能及技术参数进行研究，分析刀盘、刀具与地质的适应性。
研究复合盾构掘进模式的原理、掘进参数及模式之间的转换技术，解决了软硬不均地层的掘进难、效率低、成本高、地层变形不易控制等技术难题。
为了有效地控制掘进方向和盾构姿态，分析盾构掘进方向偏差的原因，研究相应的控制方法，达到了防止管片裂损和控制错台的目的。
为防止黏性地层掘进的“泥饼”现象及富水地层掘进的“喷涌”现象的发生，研究相应的渣土改良技术。
通过盾尾环形间隙同步注浆技术的研究及采用可靠的技术措施，并加强施工监测，及时变更掘进参数，控制地层的变形，确保京广铁路正常运营及临近建构筑物的安全。
关键词：
隧道工程；软硬不均地层；复合盾构；模式转换；渣土改良；同步注浆；变形控制
1引言
本文依托广州地铁二号线越秀公园—三元里（以下简称越三）区间隧道盾构法施工进行研究。
地层软硬不均，其中强度较高、稳定性能好的中风化岩（8）和微风化岩（9）占多数，岩石单轴抗压强度最高达到78.2MPa。
同时洞身还通过强风化岩（7）、全风化岩（6）（呈土状）、残积土层（5）和断层破碎带等不稳定地层，地层分界面起伏大，软硬交错，并且岩层中普遍含砾石，对刀具严重磨损。
地质纵断面见图1，各种地层分布统计见图2。
由于地层中存在高黏性土层，盾构掘进时容易在刀盘前部形成泥饼，严重影响掘进。
同时通过富水的断层破碎带时，施工可能发生突水现象。
越三区间隧道穿越地区地表交通繁忙，建筑物密集，有135栋建筑处于隧道上方，桩基底部距隧道最近的仅0.56m，有31根建筑物桩基距隧道顶部仅0.56～2.00m，桩基类型多，所处地层各异。
约165m长隧道要穿越广州火车站14股轨道，并且站内人行天桥桩基和邮电地下通道底板离隧道顶仅3～5m。
针对越三区间的软硬不均地层及复杂地质环境的盾构施工，为解决其掘进难、效率低、成本高、掘进方向及地层变形不易控制等技术难题，需要研究复合盾构及其掘进模式、掘进参数、掘进模式之间的转换技术等，同时还需研究相应的姿态控制技术、渣土改良技术以及地层变形控制技术等。
2复合盾构的研究
2.1复合盾构功能设计
国内在如此复杂地层采用盾构法施工尚属首例，其在国际上也十分罕见，而仅有的几个工程也没有得到较好解决，如：
新加坡CCL1线地铁、葡萄牙Oporto轻轨隧道和日本公司在广州地铁一号线，在采用土压或泥水盾构施工时，遇到部分强度差异大的不稳定软硬不均地层，均进度缓慢，且多次发生地层坍塌甚至楼房倒塌事故。
因此，研制能适应复杂多变软硬不均地层施工的复合盾构及其掘进配套技术，对保证越三区间工程安全、优质、高效地建成及促进我国盾构法技术水平的提高都有重大意义。
根据越三区间地质及环境条件，要求盾构机必须具备各种地层的破岩掘进能力、控制地层变形能力、防喷涌及灵活的姿态调整能力、刀盘防泥饼能力等。
TBM和传统盾构均不能同时具备这些功能，因此，提出了将硬岩掘进机破岩掘进原理与软土盾构切削推进及稳定工作面原理有机结合起来的复合盾构设计思想，进行复合盾构的功能设计[1～6]：
（1）针对多种不同地层的破岩掘进问题：
盾构机必须配置复合刀盘，使滚压破岩、切削破岩可单独或混合使用，滚刀和齿刀可互换或混装。
（2）针对稳定工作面及控制地层变形问题：
盾构机必须配置一机三模式功能，即土压平衡式、开敞式、半开敞式，各模式可互换，可根据需要提供稳定工作面压力；必须具有同步注浆功能，尽早填充环形间隙并控制地下水流失。
（3）针对防“泥饼”问题：
盾构机必须配置泡沫注入系统，刀盘倒八字形开口，向刀盘前面、土舱和螺旋输送机注入泡沫，改善渣土流塑性，利于渣土进入土舱。
（4）针对防“喷涌”问题：
盾构机必须配置渣土改良系统，具有两节螺旋输送机，提高渣土止水性，防止地下水流入，建立“土塞”效应。
（5）针对掘进方向控制问题：
盾构机必须配置自动导向系统，随动铰接装置，分区控制推进油缸。
实时指示并控制行进姿态，可灵活转弯并实施纠偏。
（6）针对刀盘、刀具和出土机构的磨损问题：
盾构机必须配置渣土改良系统，背装式刀具。
提高渣土流动性，并可根据地层情况合理配置和安全更换刀具。
2.2复合盾构主要技术参数设计
（1）盾尾间隙
盾尾间隙包括：
理论最小间隙、管片允许拼装误差、盾尾制造误差、盾尾结构变形以及盾尾密封刷的结构要求等。
经计算得，理论最小间隙：
b1=10mm；管片精度及拼装误差：
b2=5mm；盾尾制造误差：
b3=5mm；盾尾变形：
b4=5mm；其他：
b5=5mm；盾尾密封刷安装：
b6=45mm。
盾尾总间隙：
b=75mm。
（2）推力
盾构外部荷载按照最大埋深处的松动土压和两倍盾构直径的全土柱高产生的土压计算，并取两者中最大值计算。
盾构的推力应包括：
在土压平衡模式下，有总推力计算得：
EPB模式为22478kN；TBM模式为18422kN。
根据经验，在盾构上坡和转弯时盾构的推力按直线水平段的1.5倍考虑，越三区间的盾构机实际配备推力为34210kN，能够满足盾构的需要。
（3）扭矩
在软土中推进时扭矩包含：
切削扭矩、刀盘自重产生的主轴承旋转力矩、刀盘推力产生的旋转阻力矩、刀盘所受推力产生的反力矩、密闭装置所产生的摩擦力矩、刀盘的前端面的摩擦力矩、刀盘后面的摩擦力矩、刀盘开口的剪切力矩、土压腔内的扰动力矩。
计算得总力矩为4475kN·m。
在硬岩中推进时扭矩包含：
刀盘滚动阻力矩、石渣搅拌所需要的扭矩、克服刀盘自重产生的其他力矩。
计算得总力矩为2347kN·m。
越三区间盾构机实际配备的刀盘驱动扭矩为4500kN·m，大于前面的计算值，满足需要。
（4）螺旋输送机出土能力
盾构开挖需要出土能力的理论值为式中：
D为盾构机的开挖直径，Vmax为盾构最大开挖速度，ζ为渣土松散系数。
计算得所需的理论出土能力为238m3/h，越三区间盾构实际出土能力为300m3/h，满足要求。
（5）盾构掘进速度计算
在硬岩地段，盾构机每单转的掘进速度为V0=6～10mm/转，最大转速为6r/min，掘进速度应为60mm/min；在软土地段，盾构机的最大掘进速度为推进油缸的最大设计推进速度，即80mm/min。
2.3刀盘刀具的研究设计
通过力学分析，并对广州地铁施工时掘进面的岩体破裂角、滚压切槽、槽间岩棱、刀具磨耗与破坏等大量数据进行统计分析，对滚刀间距以及滚刀、切刀、面板的相对高差进行了优化设计，越三盾构刀具为：
（1）双刃正滚刀13把、双刃中心刀6把，均用于硬岩掘进，最大设计破岩能力80MPa，背装式，可换齿刀，刀刃距刀盘面175mm。
（2）中心齿刀6把、正齿刀8把，用于软土掘进，背装式，可换装中心齿刀，刀刃高度140mm。
（3）切刀64把、软土刀具，装于排渣口一侧，同时可用作硬岩掘进中的刮渣，刀刃高度140mm。
（4）弧形刮刀32把，刀盘弧形周边软土刀具，同时在硬岩掘进下可以用作刮渣。
（5）仿形刀1把：
用于局部扩大隧道断面，行程80mm。
3掘进模式转换及姿态控制技术
3.1掘进模式的基本原理
复合盾构具有敞开式、半敞开式、土压平衡式三种掘进模式。
（1）敞开式：
土舱内不需要保持任何压力的一种盾构掘进模式。
当盾构通过的地层自稳性好，且掘进对周边环境影响小或地下水较少时，可以采用敞开模式进行掘进。
（2）半敞开式：
掌子面虽然有一定的自稳性，但是不能完全自稳，或是虽然稳定但由于存在一定量的地下水，需要在掌子面建立一定的压力来防止地下水进入土舱，减少水土流失。
为了减少刀盘转动的扭矩，只需要在土舱内保持少量的渣土（通常1/2～2/3），然后向土舱内注入压缩空气或泡沫来辅助进行开挖，这就是半敞开模式。
（3）土压平衡式：
在盾构开挖时，利用掘进渣土对土舱内的土加压或加注辅助材料产生的压力来平衡开挖面的土压及地下水压力，保持工作面的稳定，以避免掌子面坍塌或地层失水过多而引起地表下沉的一种盾构掘进模式。
3.2掘进模式转换技术
（1）敞开式向半敞开式转换
主要要确保渣舱内能够保住气压，渣舱内的渣土高度应高出螺旋输送机进料口的上部2～3m。
转换时应先将螺旋输送机的转速适当调低，使出渣速度小于掘进速度所切削下来的渣土，以使渣舱内的渣土高度升高到气压平衡所需的高度，然后向渣舱内注入压缩空气建立所需气压。
（2）半敞开式向敞开式转换
关键是要尽快地降低渣舱内压力，同时降低渣舱内渣土高度，因此要加大螺旋输送机转速，并加大输送机出料口开启度，以利于渣土的排出。
（3）敞开式向土压平衡式转换
关键是要尽快建立所需的土压，转换时一般是首先停止螺旋输送机出渣，使掘进切削下来的渣土尽快填充渣舱内的空间，以保持工作面及地层的稳定；当渣舱内的土压达到掘进设计土压值后，再开启螺旋输送机进行排土出渣，并使出渣速度与土压平衡模式的掘进速度所切削下来的渣土量相平衡。
（4）土压平衡式向敞开式转换
关键是尽快降低渣舱内的土压力，加大螺旋输送机的转速，以加大出渣速度而降低渣舱内的压力，降低刀盘转动所需的扭矩以便于加大刀盘的转速，降低总推力而有效地加大掘进推力，提高掘进效率。
（5）半敞开式向土压平衡式转换
主要目的是防止地下水渗入渣舱及在地层不稳定时要提供足够的平衡压力。
因此必须将渣舱内压缩空气所占的空间用渣土替换，转换过程应减小螺旋输送机的出渣速度，以加大渣舱内的压力使渣舱内的空气以逃逸的方式进入地层，从而建立土压平衡掘进模式。
（6）土压平衡式向半敞开式转换
主要是将压缩空气置换出渣舱上部的渣土，因此在空气与渣土的置换过程中，出渣速度要与掘进速度所切削下来的渣土量和注入压缩空气的量之和相匹配。
3.3掘进方向偏差的原因及解决办法
影响盾构掘进方向偏离线形参数的主要因素[6，7]：
（1）盾构机自身的因素。
盾构主机的重量分布形象的描述为“头重脚轻”，只依赖掘进推力与工作面的摩擦力不足以维持盾构的姿态，因此，往往盾构自身具有“低头”的倾向。
通过调加大盾构下部推进力，维持盾构的平稳前行。
（2）地质因素的影响。
在施工过程中由于断面内岩层软硬不均，推力和扭矩变化较大，盾构主机有着向地层较软一侧偏移的惯性。
应事先掌握掘进面的地层分布状况以及其地层分界面的变化情况，制定初步的掘进参数计划。
（3）人员的操作水平。
由于操作人员的技术水平和工作责任心的不同，往往会导致掘进方向发生较大的偏差。
因此应制定严格的操作规程。
（4）盾构前体与盾尾通过铰接油缸连接的中折转角影响。
通常要求盾尾与未脱离盾尾的管片环之间的空隙沿周边均匀，有利于掘进方向的控制，也有利于掘进方向的调整。
（6）导向系统的误差。
对于控制点的误差，主要是通过多级测量复核消除误差根据上述偏差控制方法进行施工，得到越三区间盾构施工偏差的统计资料，后期的盾构掘进方向偏差得到了有效的控制，基本上都控制在±50mm的范围内，如图3所示。
4渣土改良技术
4.1渣土改良的作用
根据国内外经验，在盾构施工中尤其在软硬不均地层的盾构施工中，渣土改良是保证盾构施工安全、顺利、快速的一项不可缺的重要技术手段。
具体作用如下：
使渣土具有较好的土压平衡效果，利于稳定开挖面，控制地表沉降；使渣土具有较好的止水性，以控制地下水流失；使切削下来的渣土顺利快速进入土舱，并利于螺旋输送机顺利排土；可有效防止土渣黏结刀盘而产生泥饼；可防止或减轻螺旋输送机排土时的喷涌现象；可有效降低刀盘扭矩，降低对刀盘、刀具和螺旋输送机的磨损。
4.2不同地质的渣土改良技术
（1）在砂质黏性土和全、强、中风化泥质粉砂岩的掘进中，主要是要稳定开挖面，防止刀盘产生泥饼，并降低刀盘扭矩。
一般采取分别向刀盘面和土舱内注入泡沫的方法进行渣土改良，必要时可向螺旋输送机内注入泡沫。
（2）在硬岩地段的掘进主要是要降低对刀具磨损、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为主。
（3）在富水地段和其他含水地层采用土压平衡模式掘进时，主要是要防止涌水、防止喷涌、降低刀盘扭矩，一般向刀盘面、土舱内和螺旋输送机内注入膨润土泥浆，并增加对螺旋输送机内注入的膨润土，以利于螺旋输送机形成土塞效应。
（4）在砂土地层中掘进时，主要是保持土舱内的压力平衡，以稳定开挖面，控制地层沉降，拟采取向刀盘面和土舱内注入泡沫来改良渣土。
泡沫注入量根据具体情况确定。
4.3泡沫剂的渣土改良技术
（1）泡沫剂的使用
泡沫剂通常按1%～6%进行配制，溶于水中。
也可根据开挖土体的颗粒级配、不均匀系数、掘进速度、掘进的推力和扭矩的具体情况进行调整。
（2）泡沫剂的注入
注入方式：
泡沫剂的注入可选择采用半自动操作方式和自动操作方式。
注入率：
在一般情况下泡沫的注入率的最小值为20%，当渣土较黏时，为防止产生泥饼或堵仓，泡沫的注入率最小不小于30%。
在实际施工过程中，泡沫的注入率要根据掘进期间对渣土的观察来做相应的调整，而影响注入率的最关键因素为土体的液限、塑限以及土体的含水量。
根据经验，土体的黏稠指数Ic=0.5时，土体比较容易改良。
其中黏稠指数计算公式为
Ic=（wL－ws）/Ip（4）
式中：
wL为土体的液限，ws为土体含水量，Ip为塑性指数。
4.4渣土改良效果分析
越三区间盾构在残积土层或全风化岩层的掘进时，通过加入泡沫进行渣土改良。
掘进过程的典型特征：
渣土流动性好，呈塑性状态，渣土上有明显的水的光泽，用手抓渣土时，能比较轻松的抓取；螺旋输送机出渣连续且在皮带机上铺展良好，没有产生泥饼及球状渣土；在渣土中，能明显的闻到渣土中有泡沫剂味；渣土的稠度一般为25～40mm。
分析：
由于渣土改良效果相对较好，盾构机在掘进时表现了典型软土掘进参数状态，即扭矩不大，掘进速度高而稳定，掘进效率高。
5地层变形控制技术
5.1盾构下穿广州火车站时地层沉降控制技术
该区间隧道穿越广州火车站14股轨道，隧道与站台关系示意图如图4所示。
为保证列车运行安全，要求盾构通过时，轨面沉降值不得超过10mm，两股钢轨水平高差不得超过4mm，且在任何情况下，最大隆起量不大于+10mm。
盾构穿越站场地段的地层主要是中风化、强风化地层和硬塑残积土地层，区段长约160m，埋深约15m。
由于开挖面自稳能力较差，因此确立施工原则为：
模式正确、土压合理、快速掘进、同步注浆、及时补强、严密监测、快速反馈。
（1）地表沉降主要的控制技术[8]
①盾构掘进模式：
通过计算，为满足轨道和地表沉降的严格要求，采用土压平衡模式掘进。
②同步注浆：
必须采用同步注浆，注浆量为6.5m3/环；注浆压力：
（2.5～3.0）×105Pa。
确定注浆压力时，为避免对地层产生大的扰动，以地表不产生隆起为原则，根据地表沉降监测结果，及时进行调整。
③土压力：
为了确保开挖面稳定，理论上土压力应为静止土压力和水压力之和，并考虑预留量。
土舱内土压维持在1.5×105Pa以上，在掘进的过程中，如果沉降值偏大，适当增大土压力。
④掘进速度：
掘进速度控制在5cm/min。
为避免对地层产生较大扰动，并适当控制盾构推力，控制盾构前地表隆起小于2mm。
⑤盾构姿态控制：
盾构水平蛇行小于10mm/环；上下控制5mm/环。
减小不必要的地层损失。
⑥控制地下水流失：
地下水的流失，易引起地层产生固结沉降，使地表产生较大沉降，且影响范围很大。
为此要求密切关注作业面的出水量，一旦发现渣土太稀、水量偏大或工作面有地下水涌出，立即关闭螺旋输送机舱门，建立气压平衡或土压平衡模式。
⑦监控量测与信息反馈：
采用CZ–8Y型形变监测仪（自记连通管沉降监测仪），对轨道实行连续自动监测。
根据监测信息，及时调整掘进参数，以减小盾构掘进对地层的扰动，和盾尾通过时地层损失，有效控制地表沉降。
（2）地表沉降结果分析
①右线地表沉降控制在很小的范围内，而且变形很快稳定。
但地表受左线施工二次扰动，沉降量也有所增大。
后由于土渣舱压力较大，地表略有隆起。
②左线隧道刚进入站场施工时，由于地层稳定性稍差，相应的地层损失增大，最大沉降量5mm左右；接着由于土舱内土压力设定较高，局部地表略发生隆起；后经过压力调整，地表沉降2mm左右。
③该段达到最大隆起0.6mm，最大沉降5.4mm的效果，确保了列车运行安全与构筑物的安全。
5.2盾构下穿近接建筑物的地层沉降控制技术
在隧道施工影响的建筑物中，其中下穿的167#建筑有29根桩基距隧道顶部只有0.6～2.0m，隧道与167#楼桩基关系见图5。
如何准确预测并控制隧道施工对桩基的影响，并在施工中采取措施保护建筑物的安全有相当大的难度。
通过采用正确的掘进模式、合理的掘进参数、同步注浆等技术，并加强施工监测，根据变形速度和变形量反馈信息，及时变更掘进参数，并对建筑物基础进行加固，得到建筑物测点沉降历时曲线如图6所示，最终沉降量控制在5mm内、沉降速度控制在1mm/d内，而且后期沉降很小。
说明研究采用的施工参数比较合理，盾构施工对周围建筑物影响较小，保证了盾构顺利穿过167#建筑和其他建筑物的安全[9]。
6环形间隙同步注浆技术
盾构环形间隙同步注浆的方式：
同步注浆是通过同步注浆系统及盾尾的注浆管，在盾构向前推进盾尾空隙形成的同时进行。
浆液在盾尾空隙形成的瞬间及时起到填充作用，从而使周围岩体获得及时的支撑，可有效防止岩体的坍塌，控制地表的沉降。
在地层稳定性差，采用EPB模式掘进时，同步注浆的重要性更为明显。
6.1注浆材料试验
经过5次现场试验，不断的调整砂浆的配合比，并对试验结果进行分析。
从试验数据可以看出，前面所测试的几组砂浆的稠度、倾析率、1d强度基本符合要求，但浆液流动性未达到要求，而且浆液单价偏高，不利于降低生产成本[10]。
根据施工现场情况，为满足不同阶段施工要求，经反复试验调整，获得以下3组浆液配比，见表1。
6.2盾构环形间隙注浆技术
6.2.1主要技术参数
（1）注浆材料选择
根据注浆材料现场试验，同步注浆和即时注浆材料均为水泥砂浆，配比如表1所示[10，11]。
（2）注浆参数选择
注浆压力：
根据施工实际，越三区间背衬同步注浆和即时注浆压力控制在0.1～0.3MPa，二次补强注浆压力控制在0.3～0.5MPa。
注浆量：
根据盾构施工环形间隙同步注浆的注浆量经验计算公式：
Q=Vλ（5）
式中：
V为充填体积，λ为指注浆率。
计算得环形间隙同步注浆所需注浆量为5.65～7.82m3/环。
二次补强注浆量具体由现场情况确定，以压力控制为原则，单孔注浆量为2.42m3，每环注浆量为7.3m3。
注浆速度：
由注浆泵的性能、单环注浆量确定，应与掘进速度相适应。
假设掘进速度为1.5m/h，则单泵注浆速度应控制在70～100L/min。
二次补强注浆可控制在10～25L/min。
6.2.2注浆系统与施工工艺
（1）注浆系统
同步（即时）注浆系统为自动注浆系统，使用的两个注浆泵，为全液压双缸双出口活塞注浆泵。
浆液在搅拌站配置好以后，由砂浆运输车运至注浆站，通过软管抽送至砂浆存储罐内（即搅拌罐），连接好注浆管路，并设定压力、流量进行注浆。
注浆管路采用内径50mm的高压胶管和外径50mm的普通钢管，在注浆孔接头处有抱箍式管接头和抱箍式闸阀以及压力传感器。
注浆结束标准亦采用系统的自动控制程序。
（2）施工工艺
为了使环形间隙能较均匀地充填，并防止衬砌承受不均匀偏压，同步注浆同时对盾尾预置的4个注浆孔进行压注，在每个注浆孔出口设置分压器，以便对各注浆孔的注浆压力和注浆量进行检测与控制，从而获得对管片背后的对称均匀压注。
（3）漏浆现象的处理
盾尾漏浆：
一般采取堵漏的方法，用棉纱进行封堵。
掌子面漏浆：
由于围岩稳定性等原因，造成盾壳与岩面间空隙过大，注浆时浆液会顺着盾壳外壁漏进掌子面，遇这种情况，需利用泡沫注入系统，向盾壳与岩壁间注入一膨润土隔环，防止注浆流入掌子面。
6.3环形间隙注浆对地表沉降的影响
（1）右线隧道纵向地表沉降分析
在YDK17+694.5～YDK17+346段地层主要是中风化（8）地层，采用敞开模式开挖，注浆方式为即时注浆，其中YDK17+694.5～YDK17+651段地表沉降较大，累计沉降达9.4mm。
分析其主要原因是注浆量不足，注浆填充率小于1。
（2）左线隧道纵向地表沉降分析
在ZDK17+289和ZDK17+98出现较大的涌水，地表沉降明显增大，最大地表沉降超过50mm。
分析其原因主要是注浆量不足，没能有效填充建筑间隙，在地层压力作用下引起地层向隧道方向收缩。
7结论
本文的研究成果拓展了盾构法的技术领域，大大拓宽了盾构法应用的地质范围，成果丰富了隧道盾构法修建技术；为今后复杂地质隧道运用盾构法提供了理论支撑及很好的经验案例，有利于推进我国的盾构法技术的进一步发展。
越三区间隧道施工，达到平均机时利用率67%～75%的国内外最好水平，两度创国内盾构施工进度的最高纪录—单台盾构平均月掘进236和331.4m，最高月掘进405和562.5m。
下穿京广铁路时，地表沉降控制在5.4mm、轨道沉降控制在2.3mm内，确保了京广线正常运营；临近隧道0.56～2.0m的建筑物桩基最大变形量仅3.2mm，确保了既有建构筑物的安全。
在软硬不均地层中及复杂线形条件下控制隧道轴线偏差小于39mm，在设计要求范围内。
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