浅析盾构掘进地铁地层中的施工要点

摘要：根据广州地铁盾构施工的特点，地层地质特征，提出盾构施工在该地层中对岩溶、土洞预处理、盾构偏移、管片上浮、掘进中出现的喷涌等问题进行原因分析并提出控制措施，对类似工程有参考价值。
　　关键词：盾构施工，控制措施
　　1盾构法概述
　　盾构法就是利用盾构机在地下暗挖隧道的一种施工方法，是一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳，一边进行隧道掘进、出渣，并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆，从而不扰动围岩而修筑隧道。盾构法主要用于软弱、复杂等地层的地铁隧道施工。盾构机具备开挖、支护、推进、衬砌等多种作业功能于一体的大型暗挖隧道施工机械。
　　2岩溶、土洞的处理
　　2．1形成机理
　　(1)岩溶是指地表水或地下水对可溶性岩石进行侵蚀、溶蚀而产生的一系列地质现象的总称。地铁盾构区间岩溶主要为岩层上部的浅层浅部溶沟、溶槽、溶隙及溶洞等，属埋藏型岩溶，规模大小很难确定，起伏大，高度达0.3～11.9m，宽度大的有5m，埋深主要在10～25m，浅层岩溶大部分为半充填、全充填，深层多为半充填和未充填。
　　(2)土洞是由于地表水或地下水溶蚀、冲刷而产生的空洞。地铁盾构区间土洞主要是由于岩溶地区可溶性岩层上覆土层内的可溶成分被冲蚀而形成的,其下存在的排泄、储存冲蚀物的通道和空间，是由地表水向下渗透或地下水位于岩土交界附近升降运动时潜蚀作用而产生。根据勘探，土洞呈充填或半充填状态，洞体高度一般在0.3～3.2m，主要分布于软一硬塑层，在人为活动影响下还会加速土洞发展速度。
　　2．2处理的目的
　　岩溶、土洞大部分顶板的厚度小于洞体高度，充填不好，受外力或地下水位的急剧下降极易造成顶板塌落、引发地面发生塌陷，对地基稳定性和均匀性不利。
　　(1)通过对岩溶处理，确保盾构机安全、顺利通过洞区，避免涌水、盾构机偏移、卡壳，地面沉陷等意外事故发生。
　　(2)岩溶所处区域微风化石灰岩强度大，通过溶洞处理，使溶洞范围内的地层达到设计强度要求，为盾构掘进及换刀提供条件。
　　(3)岩溶填充物和石灰岩地层承载力有很大差别，通过对地层处理，改变周边应力分布形态，提高地基承载力，减小不同地层之间的差异沉降，切断透水通道，减小管片变形渗漏，确保隧道结构稳定，满足地铁正常运营。
　　2．3处理方案
　　(1)根据岩溶勘查结果，将工程所设计的区域划分为高风险区和低风险区。高风险区为岩土分界面在地板下10m和隧道外侧5m范围内，其它为低风险区，处理方法各异。
　　(2)在高风险区内对半充填或未充填空洞先进行全填充回填，再高压注浆；对低风险区，只作回填；对始发井地段，采用搅拌桩加固或旋喷桩水泥土墩加固。
　　3盾构掘进中出现的质量问题及对策
　　3．1盾构机掘进偏移
　　偏移主要原因：石灰岩地层岩面起伏较大，断面内出现风化或洞体填充物的处理与周边岩面差异较大，在此情况下，刀盘工作条件恶化，受力不均，掘进速度不均，姿态不易控制，易出现盾构机头下垂、机头向上的过量蛇形、偏离轴线等情况。
　　控制措施：
　　(1)姿态控制中，推进油缸的行程控制是重点，对于1.5m管片，原则上控制推进油缸的行程在1700～1800mm，行程差在O～5Omm。防止形成过大盾尾刷露出及管片脱离盾尾较多时盾体与盾尾之间夹角增大、变形较大，造成管片姿态变差。
　　(2)盾构姿态参数控制：水平偏差值、高程偏差值、滚动角控制要结合推进千斤顶和铰接千斤顶的行程差值，不断调整各分区千斤顶推力和总推力，保证盾构机姿态平稳，盾构机每循环推进中，尽量将盾构机姿态变化控制在±5mm以内。
　　3．2管片上浮
　　上浮主要原因：①掘进时同步注浆不充分。②地下水与地面水连通，管片背后与密封仓之间形成汇水通道，导致浆液流失。③浆液没有固结。
　　控制措施：①采用双液进行同步注浆，调整浆液的配合比，缩短初凝时间，试配早强砂浆。②当管片脱出盾尾后及时进行背后二次双液浆注浆，保证管片背后的空隙得到有效填充，将管片稳定下来。③管片出现上浮后，及时在相应位置打开管片背后注浆孔放掉地下水，进行二次注浆。
　　3．3管片破损与出现渗漏水
　　盾构机推进过程中管片出现的裂缝、破损，常与盾构推进方向一致，少量与推进方向相反，多数伴随密封止水带一定程度的破损，管片的破损与错台常常共生。主要原因：无论管片破损、错台，都是受力不均匀造成的，当某一点的集中荷载超过了设计极限后，必然会造成管片的相对位移或结构的破坏。
　　防止措施：①防止管片施工过程中排列错位。②加强管片出厂、下井的质量检查、严格管片的吊装和安装质量。③加强监测，注意隧道围岩应力环境和地下水环境变化造成的隧道变形。
　　4盾构机出现的故障及解决方案
　　广州地铁盾构区间一般为复合地层，盾构机选用土压平衡和泥水盾构。盾构隧道衬砌管片厚度300mm，内径5400mm，环宽主要为1500mm。衬砌全环由1块封顶块、2块邻接块及3块标准块构成，衬砌环采用错缝拼装。在石灰岩地层掘进中稍有不慎就会引发土压平衡和泥水盾构出现问题。
　　4．1螺旋输送器喷涌
　　螺旋输送器喷涌现象是指盾构机密封土仓内的高压泥浆从螺旋输送器的出口喷射出来，导致的原因：
　　(1)岩溶地层中开挖面水进入密封仓，密封土仓内由于没有足够的黏土物质，地下水与进入土仓内的固体物质不能黏合成一体，在密封土仓内形成“水是水，渣是渣”的状态，进入密封舱中的水流量大，螺旋输送器成了具有一定压力的液体管道，而不是流塑或软塑固体通道，一旦打开螺旋输送器闸门，就会有高压泥水喷出。
　　(2)在中、微风化层中掘进时，刀盘切削的渣土以大小不等的岩块为主，渣土和易性不好，当管片背后注浆不充分或流失，就会形成地下水通道，大量水积聚在管片背后并经工作面进入密封舱，螺旋输送器出土时引发喷涌。
　　控制措施：①对中、微风化地层掘进时加入适量黏性添加剂，添加膨润土泥浆改良渣土和易性。②对洞穴进行回填和注浆处理，对有连通性洞穴、连通缝隙注浆封堵，封堵和疏通地面水。
　　4．2盾构机卡壳
　　盾构机掘进过程中密封舱内刀盘切削下来的岩屑进入盾壳外，将盾构机卡住无法推进，在微风化地层中常会发生。原因：
　　(1)石灰岩地层中岩溶填充物与岩层承载力有很大差别，刀具在通过填充或未填充洞穴时，在岩层与填充物间切削渣土块状较大，部分进入盾壳背后形成挤压状，如果岩块和围岩的天然极限抗压强度过高时，盾构机无法推进。
　　(2)边缘滚刀磨损，使围岩开挖直径与盾壳的外径接近或一样时，这样切削下来的岩屑就会紧紧卡住盾壳，盾构机推力主要克服围岩与盾壳的摩擦力。
　　控制措施：
　　(1)边缘扩挖滚刀配置及其组合要适宜地层。刀盘设计时边缘滚刀数量和高差要综合考虑，如刀盘的切削直径6280mm，而前体盾壳直径为6250mm，也就是说，滚刀只要磨损15mm，开挖直径就与盾壳直径一致，在粉砂岩或砾岩中掘进时15～2O环就要更换一次刀具，适当扩大开挖外径，特别是曲线段更为关键，并经常检查刀具磨损情况。
　　(2)刀具的高度及组合高度差要适当。岩层破岩主要是通过滚刀对岩石的压碎来实现的，即对滚刀提供一定的正面压力，使滚刀能贯入到岩石中一定深度，岩石被压裂并出现缝隙，然后相邻两滚刀将压裂的缝隙连在一起，刮刀将破碎围岩刮掉，破碎的岩块呈飞碟或片状，刀具配置较理想。如果滚刀磨损高差进一步缩小，不能有效破岩，在盾构推力下变成磨岩，如不及时更换刀具，会磨损刀座甚至刀盘。在微风化层中掘进两刀高度差在35～40mm，破岩和掘进速度效果好。
　　5结语
　　盾构在该地层中施工，应提前对岩溶、土洞预处理，盾构机选型要有针对性，对施工中易出现的问题要提前采取措施。广州地铁应用盾构机成功通过该地层，积累了盾构在该地层中的施工经验，对类似工程具有一定参考价值。

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