复合土压盾构在地铁中的应用分析

复合土压盾构在地铁中的应用分析

黎炳浩

广州轨道交通建设监理有限公司510010

摘要：普通土压盾构均为软土盾构,对穿越路线上强度差别较大的地层,如岩层、软岩、软土等,以及掘削全断面内纵向强度不均匀复杂地层,已失去适应性。人们开发了适应各种复杂地层的土压复合盾构。为了适应复杂地层条件,需要在复合盾构机的刀盘上装有2种或2种以上的刀具,既可切削软土,也可切削软岩、砂砾和岩层。本文主要分析了复合土压盾构在地铁中的应用。

关键词：复合土压盾构；地铁；应用

1复合盾构工作原理

复合盾构机的运行多采用方式识别和智能控制系统,操作人员可根据硬岩、软岩、复合地层及软土层的条件,设定稳定掘削面的方式。稳定方式主要有以下3种：

（1)不加压稳定式。不加压稳定式即土舱内的气压为大气压,无需在土舱内建立气压或土压平衡,以支承掘削面上的土压和水压。完全依靠掘削地层自身的自立能力,确保掘削面的稳定。就这种掘削方式而言,盾构机的刀盘具有较大的切削和破碎硬岩的能力。

（2）气压稳定式。气压稳定式盾构掘进时,土舱内下半部是岩渣,上半部是压缩空气(气压<0.2MPa),靠该气压对抗掘削面上的土压+地下水压,防止掘削面的土体坍塌及地下水的涌入。

（3）土压稳定式。土压稳定式盾构工作原理,就是前面叙述过的土压平衡盾构的工作原理。即刀盘切削下来的渣土充满土舱,同时,螺旋输送机排土。掘进过程中始终维持掘削土量与排土量相等来确保掘削面的稳定及防止地下水的涌入，确保盾构掘进工作的顺利正常进行。

2施工注意事项

（1)刀具更换。在岩层中施工,如果盾构刀具受损,则可对土舱施加气压,作业人员入舱更换刀具。更换刀具时要选择土体自立性好的层段进行,最好选择全断面均为岩层的区段。在软土层或粘度较高的砾质粘土层中施工时,应尽可能不使用滚刀,同时增加刀盘的开口率。在强度较高的风化岩中施工时,应及时安装滚刀.在强度较低的风化岩中施工时,应安装T型刀具或超前刀具。

（2)盾构在不同地层分界面处的施工。盾构由软土层进入全断面岩层,即由土压平衡态向气压或不加压态过渡时,除适当降低土压设定值,增加同步注浆量,调整各区域油压差及改变盾构千斤顶的合力位置外,还应放慢推进速度。

（3)盾构穿越断裂带的施工。施工前应确切地掌握断裂带的分布状态,视实际情况对隧道顶部以上的断裂带土层进行加固。盾构切口切入断裂带时,应考虑盾构正前方岩土性质的变化,对盾构姿态和出土量等参数作相应调整,以防止盾构产生下倾、上仰。为了抑制沉降和断裂带涌水的不利影响,应及时实施同步注浆。

3某地铁1号线工程实例

3.1工程概况

地铁1号线全长为840m隧道沿线的主要土层及岩层状况如图1所示。

根据岩样测试,本区间内处于隧道断面中的泥质粉砂岩和粉质泥岩的饱和抗压强度,σr处于0~15MPa之间。鉴于上述岩土状况,该隧道工程选用两台具中折功能的复合盾构机掘进施工,盾构外径为6.14m,长为8.185m.

3.2施工措施

（1)稳定掘削面方式的选定。由于该区间隧道断面地层条件复杂,地层强度变化大,故在施工过程中需不断根据隧道所处断面的地质条件和裂隙水情况选择合理的推进模式。在该区间掘进过程中主要采用土压平衡和气压平衡两种掘削面稳定方式进行施工。

（2)盾构轴线控制。在软硬复合土层中推进,盾构的轴线控制是一大难点。在施工前需对地质勘探报告作重点分析,应把隧道轴线上地层强度突变的几个区段列为轴线控制重点部位。

（3)进发施工。由于采用冻结法加固进发口外土体,故在盾构贴靠进发口,且正面压注粘性土结束后,需有一段时间的冻土解冻期,在冻土解冻到能够拔出冻结管后,立即除掉处在推进轴线上的冻结管,随后盾构开始推进。进发初期段,由于盾构处于未完全解冻土体中掘进,为控制推进轴线、保护刀盘,控制地面沉降,在这段区域内施工时,推进速度不宜过快,盾构坡度可略大于设计坡度。在盾构推进的同时,可向切口注入泡沫剂,以改良土体,降低刀盘油压盾构出加固区,为克服地层土体强度的突变,防止地面沉降,必须将土压力的设定值逐渐提高到理论值,并根据地层变形量信息反馈,对土压力设定值做出调整。为控制冻结土体的冻融沉降,在盾构出加固区后,对冻结区用水硬性浆液进行二次注浆。

（4）土体改良。该隧道基本是在软土、夹杂中硬岩的复杂地层中推进,刀盘前安装滚刀。为了改良土体,保护刀盘以及保护盾构机正面良好止水效果,推进过程中向掘削面压注泡沫剂。

（5）盾构穿越江底时的措施。盾构离开一些站点约40m后,就进入江底区段。该区段大约长185m,竖向曲率半径R=5km,水平曲率半径R=600m,隧道埋置于全风化-中风化夹杂综合岩带和风化带中,江底及某个站段的断面顶部为强风化岩石,但顶部强风化岩的厚度较薄,部分地段仅为2m左右,其上部为(4-2)层强透水的砂层,该砂层的地下水与珠江水联系强烈,水源丰富,江中最小覆土为5.5m.故盾构穿越珠江时,必须采取切实可行的措施,防止珠江水涌入隧道。

（6)地下管线及地面构筑物的保护措施。合理控制推进速度,保证连续均衡施工,避免较长时间的搁置;严格控制土压力、出土量,防止超挖及欠挖；盾构在穿越过程中,姿态变化不可过大、过频,每次纵坡变化小于0.2%；同步注浆要求做到及时、适量；根据地面沉降情况进行二次补充注浆；如沉降量超过报警值,及时采取跟踪注浆等措施,控制构筑物及管线的变形量；及时对施工人员交底,精心施工,加强值班管理；配备足够的机动力设备,一旦发生意外情况,在第一时间投入工作。

（7)穿越太平断裂带。在人行道地面以下有一处太平断裂带,但该地段处于断裂带尾部,各破碎带宽度较窄,延伸短,透水性较弱。为确保盾构安全穿越断裂带,盾构穿越前在断列带处从地面打注浆孔进行双液注浆加固,加固以隧道中心约10m半径的圆形加固区,长度包括整个断裂带.在盾构穿越断裂带过程中,土层强度将出现几次软硬变化。所以,必须特别注意盾构正面土压力的控制,防止出现严重的轴线偏差及地面沉降.

（8)刀具的合理配置。盾构自工作井进发后,经过一段时间的掘进施工,发现盾构刀盘对强、中风化泥岩的切削能力较差,掘进过程中盾构千斤顶总推力较大,掘进速度较慢,盾构土舱容易形成泥饼,且土舱温度升高。针对该地层状况和施工状况,在确保正面土体稳定的前提下,对刀盘刀具进行改装:拆除刀盘面板上的27把盘形滚刀,设置先行刀；把原来的切削刀更换成锥形切削刀；增加土舱内搅拌棒。但当盾构进入微风化砂质泥岩时,由于正面岩层强度较高,先行刀掘削困难,故重新安装上拆除的滚刀。

4结束语

为了确保地铁施工的安全性和提高其施工质量，复合土压盾构能够在地铁中应用的范围越来越大。本文重点阐述了符合盾构工作原理及施工注意事项，并结合工程实例详细论述了复合土压盾构在地铁中的应用，该技术在地铁中的应用具有良好的效果，可为同行提供参考与借鉴。

参考文献

[1]何其平.土压平衡盾构刀盘结构探讨[J].工程机械.2003(11)

[2]杨界峰.复合地层盾构施工技术及其对周围环境影响研究[D].南京林业大学（2010）.