广州地铁特殊地质土压平衡盾构施工方法

广州地铁特殊地质土压平衡盾构施工方法【摘要】结合广州地区地质复合型特点，分析广州地铁 3、5 号线盾构掘进施工中遇到的特殊地质现象，说明重视盾构在特殊地质地段的施工是保证盾构顺利掘进的关键，重点阐述盾构在富水断裂带、石英含量高的硬岩、孤石、风化深槽、煤气层、岩溶空洞等特殊地质段采取的掘进施工方法.【关键词】广州地铁土压平衡盾构特殊地质施工掘进1、工程概述广州地铁 3 号线主线北起天区火车东站， 南至番禺区， 整条线路贯穿广州市区新城市中轴线和番禺区发展轴线，线路全长 28.73km,共设 13 座车站。3 号线是实现城市总体规划、拉开城市布局、加快城市向南发展的战略线路，其功能定位是加强广州与番禺区以及周边地区的交通联系。广州地铁 5 号线首期工程由港到黄埔区文园，线路全长约 31km,共设 23 座车站，5 号线是贯通广州市中心组团旧城中心区和珠江新城中央商务区、连接西部发展区和东部产业转移带的东西向轨道交通骨干线。广州地铁 3、5 号线地质条件比较复杂，是盾构掘进中遇到技术难题比较多的地铁线路，其设计、施工建设所取得经验对广州地铁其他线路，甚至对国内其他城市地铁线路的选线、设计、施工有很重要的指导意义。2、特殊地质对盾构施工的影响分析盾构在孤石和球形风化带掘进时，由于孤石是较难破碎的，因此盾构在掘进中常会发生刀盘变形、刀具刀圈折断等严重现象。当盾构机掘进至岩石较破碎、富含水的断裂带时，会产生喷涌”现象，大量的地下水、流砂从螺旋机出口喷涌出来，采用皮带机排渣难度大，对施工影响较大。盾构在微风化、中风化硬岩地层中掘进，刀具磨损消耗量大，对刀具的抗冲击、耐磨性要求高，在大推力的情况下，刀盘发生变形。盾构在瓦斯地段掘进时，主要做好瓦斯检测工作，防止出现人员中毒和爆炸事件。盾构在岩溶空洞地段掘进施工时，由于溶洞与盾构隧道关系的不同，对盾构掘进中的影响也是不一样的，有时候会影响到盾构姿态的控制，甚至会使得盾构机陷入到溶洞里，后果十分严重。盾构在风化深槽中掘进施工时，由于存在上软下硬地层，有时候会影响到盾构的姿态控制，使得成型隧道中心轴线严重偏离设计中线。因此，重视盾构在特殊地质地段的施工,是保证盾构顺利掘进的关键.3、盾构在特殊地质段施工的措施3。1 富水断裂带地段在富水断裂地段的施工过程中，如何把从螺旋机口喷涌出来的泥砂接入到渣土车中显得很关键，大量泥砂在皮带机上打滑无法运输，这是影响盾构施工的最大问题。富水断裂带处盾构掘进施工时采用在盾构掘进中快速通过断裂带，并对螺旋机进行一定的改造。(1)使用保压泵。保压泵被安装在螺旋机的出口处，可保持螺旋机的压力。可防止螺旋机门一打开就发生如图 1 的喷涌现象，避免了泥砂涌入隧道；在安装保压泵的过程中，要拆除皮带机，在使用上存在着一些麻烦。(2)在螺旋机出口连接管道或凹槽，从螺旋机喷涌出来的流砂、水可直接引入渣土车中，该方法简单实用。3。2 硬岩地段盾构掘进盾构在硬岩段掘进时，首先要选择好掘进模式，土压平衡盾构掘进时，掘进模式主要有以下 3 种。(1)土压平衡模式下掘进。给刀盘提供推进力容易，但是土仓中渣土对刀具的磨损比较大，甚至会造成滚刀偏磨。(2)欠土压模式掘进.一方面能够减小刀具的磨损，同时更易给刀盘提供顶推力。(3)空仓推进。盾构在空仓情况掘进主要能够降低刀盘、刀具的磨损，滚刀在转动中所受磨阻力小，但在空仓掘进时，推进力不易加载.在一般情况下，建议采用半仓欠土压模式掘进，既可以减小刀具的磨损，又能较为容易地施加推进力。硬岩段盾构掘进除选才!好掘进模式外，重视刀具管理和泡沫系统科学合理的使用尤为关键(见图 2)。图2盾构在使号段切削的岩块3.3 含煤气层地段在广州地铁 3 号线某区间盾构掘进过程中，遇到了含煤地层地段，此类地层容易产生甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、 氮(N2)、 硫化氢(H2S)等有害气体.盾构在含煤地层掘进时(见图 3),需主要防止爆炸事故，要不断向掌子面喷射泡沫和水的混合体，防止掘进中刀盘高速转动与岩石碰撞起火花发生爆炸等危险，可采取以下措施。图3盾构在含煤地层中掘进(1)对井下盾构相关的设备进行防爆改造.隧道内严禁明火，不得带入易燃物品，严禁穿化纤衣服进洞。(2)在施工操作时，要防止碰撞和磨擦产生火花，盾构隧道内增配灭火器、防毒面具等安全防护装备；使用自动检测警报仪加强对瓦斯的检测，加强隧道内通风，并确保风流稳定，避免有害气体集聚产生危险。(3)盾构人员作业区局部采用射流通风机加强通风。3.4 空洞地段3.4.1 空洞形成的原因在城市地铁修建中，盾构掘进中有时候会遇到空洞，空洞形成的原因一般归纳为水蚀、风蚀作用形成、人为活动形成.一般溶洞与盾构隧道的断面关系为：空洞断面大于盾构隧道断面，并完全包罗盾构隧道(见图 4(a);空洞断面大于盾构隧道断面，并与盾构隧道斜交(见图 4(b);空洞断面小于盾构隧道断面，并完全被盾构隧道包罗(见图 4(c);空洞断面小于盾构隧道断面，并与盾构隧道斜交(见图 4(d)。图4隧道与空洞位置关系图3.4.2 空洞的判断方法准确地判断岩溶空洞的位置至关重要，首先是通过地质勘探的方法对岩溶空洞进行判断,有时候由于受地面勘探建筑物的限制，无法进行加密钻孔，勘探只能采用物探探测进一步准确判断.(1)地质雷达。探地雷达是利用探测目标体与其周围介质的导电性、介电性的差异，通过高频脉冲电磁波在电性界面上的反射来探测有关的目标物，可用来判断地下目标的深度、大小和方位等特性参数.(2)瞬变电磁波法。基于电性差异，利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，测量二次电场。该方法不受接地条件限制，穿透能力强，随机干扰影响小，探测深度取决于大地电阻和仪器采样时间。(3)地震映像。采用锤击震源点测法，即单道地震反射波法，该方法受地形影响较小，可减少直线波、面波和折射波的干扰。3。4.3 空洞的处理方法目前,对空洞的处理方法主要有地面注浆、盾构刀盘前方注浆。(1)注浆回填。为了保证盾构机通过空洞位置，当探明隧道线路前方的空洞后，在盾构机继续掘进前需提前进行注浆回填。在场地允许的情况下，优先考虑地面注浆，即采用小型钻孔注浆设备，在空洞位置处由地面钻孔下花管进行注浆，地面注浆于发现空洞后马上实施。(2)盾构刀盘前方注浆。当场地条件无法进行地面注浆时，在盾构接近空洞位置时停止掘进，出清渣土后人工进入土仓，使用水平钻在刀盘前方进行钻孔后采用水平袖阀管法注浆.对盾构前方 10m 进行注浆加固，如地质条件较差有涌水现象，则封闭土仓向土仓内添加泡沫和聚合物，使掌子面形成止水泥膜后，再开仓对掌子面进行注浆加固。空洞地段盾构掘进措施(1)盾构姿态控制.针对特殊地质地段，采取抬头”的姿态掘进。掘进期间应特别关注盾构的姿态，如有掉头趋势应及时分析原因。若属推进力分配原因，则须及时调整盾构姿态。(2)密切注意掘进参数。在盾构掘进过程中，要密切注意注浆压力、土仓压力、刀盘压力、扭矩及出土量的变化。如有异常则立即封闭土仓保持压力，停止掘进分析原因(3)加强壁后注浆.在盾构机通过空洞时，需加强盾构机同步注浆，并视情况进行二次注浆，以保证管片壁后充分充填，防止管片脱出盾尾后发生下沉或上浮。(4)加强监测.当空洞周边有建筑物时更要加强检测，防止建筑物的沉降倾斜。孤石、风化深槽地段在隧道断面中，孤石形成主要有两个方面原因：一是由人工回填造成的存在于回填土层中的大孤石；二是由地质作用风化造成的岩石软硬不均，常出现风化深槽，类似孤石(见图5)。图5隧道断面中的深化风槽3。5.1 孤石地段在广州地铁 3、5 号线盾构掘进施工中，遇到了一定量的大小不一的孤石，并且不间断地出现。在遭遇孤石时，首先要准确判断孤石的大小和位置，同时要对孤石进行处理，确保盾构顺利通过该地段。对孤石的处理，目前主要采用以下两种方法来实现。(1)根据实际情况，对开挖面前方进行加固处理后，进舱在孤石中间打孔，采用高压空气或液压锤进行孤石破碎处理。(2)在土仓中，通过压气稳定开挖面，然后进舱在孤石中间打孔，采用高压空气或液压锤进行孤石破碎处理。3.5.2 风化深槽地段有部分似孤石地段，由于地质作用风化形成的软、硬岩分界处不明显，部分区段内坚硬岩层仅在隧道开挖面下半部分出露，通过人工处理难度较大。盾构在穿越上软下硬区段时，由于上下岩层强度相差较大，盾构容易上扬，所以该地段盾构机姿态控制采取以下措施。(1)适当放慢掘进速度，使盾构刀盘能对正面坚硬岩层进行充分破碎。(2)合理利用盾构钱接千斤顶，改变刀盘倾角，以加强对硬岩部位的切割，提高盾构掘进过程中的轴线控制能力.(3)调整盾构推进千斤顶的区域油压，硬岩区域推进千斤顶油压较软岩部位适当加大，以控制千斤顶的合力作用点、抵消上抛力，控制好盾构轴线位置和隧道坡度。(4)采用土压平衡模式，密切注意出土量，如下部岩层较硬，掘进速度比较慢，而上部土体受到扰动容易造成坍塌，此时要注意控制每环的出土量在额定的范围内，否则会造成地面的坍塌或沉陷。4、结语在广州地铁 3、5 号线修建过程中，遇到了许多特殊的地质现象，给工程施工带来诸多麻烦，甚至有些区段不得不临时调整工法，使得工程造价增加、工期滞后，造成了较大的经济损失.本文针对广州地铁 3、 5 号线盾构施工遇到的特殊地质现象进行总结， 同时也对不同地段下盾构掘进施工的措施进行了分析，希望能给在地铁施工的尤其是在盾构技术领域内的同行一些参考.参考文献1施仲衡.地下铁道设计与施工M。西安：陕西科学技术出版社，1997o2日本学会。隧道标准规范(盾构篇)及解说Mo 朱伟，译.北京：中国建筑出版工业社，1999.3杨秀仁.地铁盾构隧道设计施工要点：Jo 北京，都市快轨交通，2004,17(6)4夏明耀，曾进伦.地下工程设计施工手册Mo 北京：中国建筑工业出版社,1999.5尹旅超.日本隧道盾构新技术Mo 武汉：华中理工大学出版社,1999o6林宗元。岩土工程勘察设计手册：M.辽宁：辽宁科学技术出版社,1996.文章来源：都市快轨交通原作者：靳世鹤