軌道交通工程盾構施工技術項目6特殊地質條件盾構隧道施工目錄

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砂卵石地層盾構施工技術

復合地層盾構施工技術

巖溶地層盾構施工技術

巖石地層盾構施工技術

軟土地層盾構施工技術任務6.1砂卵石地層盾構施工技術6.1.1 砂卵石地層的概念及特點砂卵石地層是一種典型的力學不穩定地層。砂卵石地層通常在河流的河床、河漫灘或階地上，經沖積形成，以粗顆粒形狀的圓形及亞圓形卵石（粒徑大于20

mm的顆粒含量超過全重50%）為主。部分區域還含有粒徑更大的漂石，填充物為礫石、細砂和中砂砂卵石地層6.1.1 砂卵石地層的概念及特點砂卵石層具有如下特征：（1）渣土具有不均勻性，卵石含量高。（2）流動性差。（3）單塊卵石強度高。（4）黏聚力小或幾乎沒有黏聚力，結構松散，不連續。砂卵石地層盾構施工難點如下：6.1.2 砂卵石地層盾構施工難點刀盤、刀具磨損嚴重。開挖面易失穩。地層沉降大。排渣困難。6.1.3 砂卵石地層盾構施工關鍵技術砂卵石地層盾構刀盤設計根據土壓平衡原理和砂卵石地層的特性，刀盤結構宜采用中心開口率稍大的輻條加小面板結構。其理由是：①

開口率大，則降低中心結泥餅的概率；②砂卵石地層在無水狀態下穩定，有水狀態下不穩定；③采用大面板既保證不了開口率。6.1.3 砂卵石地層盾構施工關鍵技術（1）開口尺寸和開口率設計。砂卵石地層掘進機理強調，刀盤結構既講究開口率，更要講究開口尺寸。開口尺寸是該機理重要概念。實現開口尺寸限制的最好辦法是使用網格，即在刀盤開口處加設網格，以限制超大卵石未經滾刀切碎就進入土艙。（2）降低磨耗處理。在砂卵石地層中盾構掘進施工，磨損是不可避免的。為保證刀盤不至于在區間內就磨損過大需修補的問題，盾構降低磨耗的設置是必須要考慮的。6.1.3 砂卵石地層盾構施工關鍵技術砂卵石地層盾構刀具選用砂卵石地層是軟弱地層，屬沉積形成，掘進刀盤必須采用中心先行撕裂刀，首先對掌子面中心地層破壞，形成中心軟弱臨空面。（2）接著滾刀擠壓松散其余范圍的地層，然后其他刀具即可很容易刮開掌子面，從而實現掘進。6.1.3 砂卵石地層盾構施工關鍵技術（3）中心先行撕裂刀應采用魚尾式或十字式，在刀盤面板上刃尖高最多不能超過其他刀具刃高100

mm。（4）滾刀必須用，但數量不可過多。由此該機理掘進卵石地層的原則是：將含量較多的一般直徑卵石直接排出，將含量較少的超大直徑卵石用滾刀破碎后排出。6.1.3 砂卵石地層盾構施工關鍵技術開挖面加泥加泡沫改良渣土加泥、加泡沫的功效主要表現為以下幾個方面：保持開挖面的穩定；增加切削土體的塑性流動性；使開挖面土體及切削下的土體具有良好的止水性；防止切削土砂黏附在刀盤及螺旋輸送機內，提高了掘進速度；對刀盤、螺旋輸送機起減磨冷卻作用；①②③④⑤⑥泡沫的可壓縮性或稱之為彈性，對土壓的穩定也有積極作用。6.1.3 砂卵石地層盾構施工關鍵技術①阻止開挖面涌水，并防止坍塌；②氣體本身有擋土作用，使開挖面穩定；③壓縮空氣可使地層發生脫水作用；④對于土艙上部無土部分，能夠始終保持一定的氣壓值。預防開挖面失穩措施（1）氣壓輔助施工。氣壓施工對開挖面作用如下：6.1.3 砂卵石地層盾構施工關鍵技術（2）預加固輔助施工。加固法主要包括深層攪拌、壓密注漿等方法。加固后的土體內摩擦角和黏聚力增大，土體強度得到提高，土體的止水抗滲能力也大幅度增強，從而提高開挖面的自穩定性能。（3）降水輔助施工。地下水較豐富砂卵石地層，降低地下水位可以有效提高地層的自穩能力，從而有利于保證開挖面穩定性。不施加支護壓力也能保持開挖面穩定，因此降低地下水位可有效防止開挖面坍塌。6.1.3 砂卵石地層盾構施工關鍵技術地層損失補償砂卵石地層地面塌陷滯后性比較顯著，當盾構施工產生超出土后有補償地層損失的時間，如果在地面塌陷前能及時進行足夠的補償地層損失，則可以有效控制地層移動進而避免滯后地層塌陷地面注漿可以分為地面預注漿加固和跟蹤注漿加固。地面預注漿加固是指盾構尚未通過時對地層進行加固。跟蹤注漿加固是指盾構通過后進行地層加固，這種注漿通常在地層損失較大、且同步注漿和二次注漿已經無法解決的情況進行補償注漿。6.1.4 工程案例工程簡介北京地鐵10號線某區間采用直徑6.25m海瑞克土壓平衡盾構施工，盾構隧道主要穿越砂卵石層。地層中卵石最大粒徑達600mm，粒徑300m以上的卵石每20m約有2～3塊，一般粒徑100～300mm，亞圓形，充填物為中粗砂，含砂量約40%。地下水為層間潛水，地下水位層間潛水水位位于隧道底板以下1～2

m，對盾構施工無影響。6.1.4 工程案例存在的問題地層中的大塊卵石、礫石多，粒徑大，影響施工。盾構施工問題主要表現在以下幾個方面：①盾構推進100

m左右后出現無法正常排土現象。②盾構在砂卵石地層開始階段，掘進速度只有1～10

mm/min，而且經常出現無掘進速度的現象，掘進1環有時高達6～10

h。③盾構姿態難以控制。6.1.4 工程案例解決方法（1）刀具改進。為提高耐磨性，盾構刀具全部進行了更換，新刀具采用碳化鎢合金替代硬質欽合金鋼作為刀頭。（2）渣土改良。為增加砂卵石地層土體的塑流性和保水性，優化了泡沫劑類型，注入泡沫劑的種類，并向土艙內同時注入泥漿、泡沫劑、分散劑及發泡聚合物。（3）地表沉降控制。任務6.2復合地層盾構施工技術6.2.1 合地層的概念及特點概念：將開挖斷面范圍內和開挖延伸方向上，由兩種或兩種以上不同地層組成，且這些地層的巖土力學、工程地質和水文地質等特征相差懸殊的地層組合，定義為復合地層。復合地層的組合方式是非常復雜多樣的，但總的來說可分為3大類：①在斷面垂直方向上不同地層的組合；②在水平方向上地層的不同組合；③上述兩者兼而有之。復合地層中縱斷面上地質情況變化較大，且存在斷層、溶洞等大量不良地質體，在此地層中掘進存在許多風險，主要表現為刀盤磨損嚴重，姿態控制困難，開挖面失穩、噴涌、結泥餅等風險事件，嚴重時還造成卡機現象，不僅會延誤工期、增加成本，還會對施工安全造成嚴重威脅。復合地層施工難點主要分為以下幾點：6.2.2 復合地層施工難點磨損問題姿態控制問題泥餅問題噴涌問題6.2.3 復合地層盾構施工關鍵技術（1）盾構選型。在復合地層中盾構的選擇既要滿足硬巖掘進又要滿足軟土開挖功能，故要采用復合式盾構。（2）經常變換盾構施工模式。在軟土地層為主的“上軟下硬”地層施工時，一般要采用閉胸模式。經常根據地層結構來轉換盾構模式，是在復合地層中施工的一大特點。6.2.3 復合地層盾構施工關鍵技術（3）采用的施工工藝和施工參數也要根據地層的變化而變化。這些變化主要表現在不同地層需要的添加劑的種類和數量的不同；需要的輔助設備（比如破巖機、超前鉆機）的不同；盾構姿態控制的不同等等。（4）某些特殊的復合地層，可能需要一些輔助工法。采用輔助工法的主要原因是盾構本身的設計功能的局限性，而這種局限性在目前的技術發展階段還較難以克服。6.2.3 復合地層盾構施工關鍵技術（5）信息監測與反饋。①

盾構司機和值班工程師應根據油缸推力、驅動速度、系統溫度等參數判斷地層的軟硬度。②

在軟硬不均勻地層中，盾構司機應仔細觀察盾構的振動并聽刀具掘進的聲音，根據振動和聲音及時調整刀盤的推力和速度，并注意刀盤扭矩的變化。③

值班工程師應注意觀察土渣的顏色、形狀和溫度，以確定殘渣的土質，根據信息選擇合理的掘進參數。6.2.4 工程案例工程簡介青島地鐵1號線某區間右線長度1355.550m，左線長1369.091m。平面線間距為14～15m，線路設有1個曲線段，曲線半徑為500m。區間縱斷面整體呈V字形，最大縱向坡度為18%，豎曲線半徑為3000m、5

000m；區間結構覆土9.0～16.6m，隧道斷面為圓形結構，內徑6.4m，外徑6.0

m，采用盾構法施工，采用2臺土壓平衡盾構施工。青島地鐵1號線某區間地質示意6.2.4 工程案例2.

施工難點（1）區間洞身穿越粉質黏土、粗砂—礫砂和強風化安山、中等風化、微風化安山巖，隧道圍巖為Ⅲ～Ⅵ級，隧道縱斷面方向表現為基巖風化程度起伏較大、軟硬不均，微風化起伏多處凸起、上軟下硬明顯，上軟下硬地層約971

m（占線路總長72%）。（2）各地層掘進參數差異大，渣土改良效果不同，刀具磨損值差異大。（3）隧道地層區段間變化大，掘進模式隨之變化，掘進參數不斷調整，適應地層掘進時，若施工控制不當容易產生地面下沉。6.2.4 工程案例解決方法（1）優化設計。進行線路縱坡調整，盡最大可能減少上軟下硬地層，以提高施工工效。（2）刀盤選型。結合青島地鐵1號線區間地層特點，選用準面板結構刀盤，主要結構為輻條+面板，開口在整個盤面均勻分布，中心部位設有面積足夠的開口。（3）盾構掘進技術卡控及渣土改良。對不同地層組合掘進參數及渣土改良。任務6.3巖溶地層盾構施工技術6.3.1 巖溶地層的概念及特點巖溶是水對可溶性巖石進行以化學溶蝕作用為主，流水的沖蝕、潛蝕和崩塌等作用為輔的地質作用，以及由這些作用所產生的現象的總稱。巖溶地層是指可溶性巖石，如碳酸鹽類巖石等受含有二氧化碳的流水溶蝕并加以沉積作用而形成的地層。巖溶地層分類：按巖性可分為石灰巖喀斯特、白云巖喀斯特、石膏喀斯特、鹽喀斯特；按成分可分為碳酸鹽類巖石（石灰巖、白云巖、泥灰巖等）、硫酸鹽類巖石（石膏、硬石膏和芒硝）、鹽類巖石（鉀、鈉、鎂鹽巖石等）。巖溶個體形態主要有溶洞、溶溝溶槽、溶蝕裂隙、溶孔以及地下暗河。6.3.2 巖溶地層盾構施工難點及風險巖溶地層中由于溶洞、土洞的存在，打斷了地層連續性和影響了地層中的應力分布，當盾構經過時，就會對盾構和隧道結構產生一定的危害。①影響盾構施工安全②造成地層失水和地面塌陷等破壞③降低隧道結構永久承載力、變形性能6.3.3 巖溶地層盾構施工關鍵技術（1）區間盾構始發前，以巖溶專項勘察報告為基礎，做好巖溶補勘工作。（2）利用《城市軌道交通地下工程建設風險管理規范》風險等級劃分的方法，評定溶洞對隧道工程影響的風險。（3）對溶洞、土洞進行加固處理。盾構隧道巖溶處理應遵循以建設階段處理為主、運營階段處理為輔的原則，即盾構掘進前地面預處理和掘進過程的洞內處理為主，洞內預留措施處理為輔。6.3.3 巖溶地層盾構施工關鍵技術建設階段溶洞處理應遵循的程序如下：①首先施作止水、止漿帷幕，將處理范圍內的溶洞與外界溶洞隔離，再處理中間區域。需強調的是中間區域補充孔應跳躍施工，以防止跑漿、串漿現象。②

先對無填充、半填充溶洞填砂漿處理，然后再進行其他溶洞注漿填充處理。③

施工順序：先外后內，先下后上；溶洞大小施工，先填充大溶洞，后填充小溶洞；填充材料施工，先填充大骨料后注漿加密填充；注入量控制先大后小；注漿壓力控制先小后大。6.3.3 巖溶地層盾構施工關鍵技術注漿法是在地鐵建設中應用最廣泛的方法，對巖溶區進行注漿處理可起到以下作用：①

密布的注漿孔在施工過程中可以揭露未發現的溶洞，消除隱患。②

注漿可以充填洞穴，防止土洞塌陷。③

阻隔地下水與溶洞的水力聯系，從而阻止或延緩土潤的發生和發展。④

基底以下，巖面以上為砂層的情況，采用固結注漿，有效阻止由于下部溶洞發展帶來上部砂層的塌陷。⑤

注漿可以提高土體的密度，增強土體強度與穩定性。⑥

注漿可增強抗管涌能力，防止或減弱地下巖溶水引起的涌泥、突水，保證施工與周邊建筑安全。6.3.3 巖溶地層盾構施工關鍵技術（4）盾構隧道施工措施。做好盾構掘進參數管理，建立監控量測體系，實施信息化管理，保證在整個施工過程中盾構掘進姿態、管片姿態和地面沉降均處于受控狀態。（5）盾構隧道結構處理措施。避免隧道結構基礎因不均勻沉降和確保盾構隧道管片結構安全，一般采用加強的鋼筋混凝土管片和采用高強度螺栓的方式增加管片支護剛度。6.3.4 工程案例工程概況南寧市軌道交通4號線一期工程某區間隧道沿五象大道延伸，沿線地形較平坦，由西向東地面高程80.92～82.6m，地下水位埋深3.7～19.2m。區間長度為851.871m，線間距14.00～16.00m，線路由一段直線和兩段曲線構成，最小曲線半徑為450m，線路埋深9.5～16.3m。區間線路以25.0‰下坡出發、6‰下坡，23.0‰上坡到地鐵站。區間隧道側穿良慶河，區間右線隧道結構距離河道31.7m。區間穿越主要地層為黏土、粉制黏土、含礫黏性土。區間采用土壓平衡盾構施工，以小里程端頭始發，在大里程端頭接收。區間部分隧道底部有巖溶，巖溶在盾構掘進施工前已處理，處理范圍為：隧道底板以下5

m內溶洞加固處理，隧道左側、右側上部3m范圍內溶洞加固處理。6.3.4 工程案例2.

溶洞處理（1）地面刀盤區域圍蔽及加密施工監測頻率。（2）土艙保壓（注膨潤土）盾構停機后對土艙進行打氣保壓，并及時注入膨潤土逐漸建壓，總共在土艙內注入膨潤土15次，累計注入62m3

，艙壓穩定在0.18

MPa。（3）地質補堪：因詳勘和施工補堪孔距線路中線較遠；根據現場情況，在刀盤前方補堪3個孔，成型隧道后方補堪1個孔。（4）注漿加固。（5）注漿效果檢測。（6）盾構恢復掘進。任務6.4巖石地層盾構施工技術6.4.1 巖石地層的概念及特點堅硬程度堅硬巖較硬巖較軟巖軟

巖極軟巖飽和單軸抗壓強度RC/MPaRC>6030<RC≤6015<RC≤305<RC≤15RC<5地質歷史上某一時代形成的層狀巖石稱為巖石地層，它主要包括沉積巖、火山沉積巖以及由它們經受一定變質的淺變質巖。巖石地層指在開挖斷面范圍內和開挖延伸方向上，由一種或若干種地層組成，但力學性能、工程地質和水文地質等特征相近的地層或地層組合。巖石按堅硬度主要分為堅硬巖、較硬巖、較軟巖、軟巖和極軟巖等5類，如表。表 巖石堅硬程度分類表6.4.2 巖石地層施工難點刀具磨損大、掘進速度緩慢出渣不暢盾體滾動角大盾殼被卡管片上浮刀盤前滯排的渣土會在盾構局部不斷堆積，根據渣土堆積類型可以分為：

底部型、泥餅型。土艙底部積渣示意6.4.3 巖石地層盾構施工關鍵技術硬巖地層盾構選型掘進模式選擇盾構掘進控制刀具保護及更換滾動角控制防止管片上浮措施盾構防卡（1）刀盤轉速和推力。（2）盾構姿態。（3）渣土排放。6.4.4 工程案例工程概況廣州地鐵三號線北延段某區間以中間風井為始發井，盾構自中間風井始發，分別向區間兩端地鐵站掘進。在大里程方，隧道洞身全部穿越微風化花崗巖，裂隙不發育，巖石完整。在小里程方向，隧道洞身全部穿越微風化混合花崗巖，裂隙發育，巖石較完整，巖石天然單軸抗壓強度最大Rc=158.0

MPa，圍巖強度高，盾構掘進困難，盾構掘進最低進度3環/天，最高進度10環/天。高強硬巖段微風化花崗巖6.4.4 工程案例2.

盾構穿越高強硬巖段施工技術（1）掘進模式。（2）掘進參數設定。（3）掘進姿態控制。（4）同步注入泡沫。（5）注漿管理。（6）刀具管理盾構在硬巖中掘進，關鍵是刀盤刀具布置必須適應該地層的掘進，但同時也要做好掘進管理及施工過程中的刀盤刀具管理。（7）地下水發育，易產生“噴涌”的防治。任務6.5軟土地層盾構施工技術6.5.1 軟土地層的概念及特點概念：軟土一般是指在靜力或緩慢流水、缺氧、多有機質的條件下生成的以細顆粒為主的近代沉積物。工程上將淤泥、淤泥質土、泥炭、泥炭質土、沖填土、雜填土和飽和含水黏性土統稱為軟土。盾構在軟土地層中施工時：盾構選型應滿足密封性及抵御水土壓力的要求。盾構始發與接收端頭需對地層進行加固。容易引起地表沉降過大。掘進過程中盾構姿態不易控制等。6.5.2 軟土地層施工要點注意盾構重心位于合適位置，盾構重量分布相對均勻。軟土地層掘進中盾構易栽頭，需要保持較大的上下推力差。盾構鉸接一般可用于輔助糾偏和擬合設計曲線。開啟超挖刀和使用仿形刀對盾構也有糾偏作用。當盾構停機時間過長，需及時減壓，使土艙壓力維持在一定數值。在軟土地層中，盾構趨勢受成型管片趨勢影響較大。嚴格控制同步注漿質量，盡量縮短漿液凝結時間。注過多引起盾構上浮時，應適當減少漿液的注入量。6