1 引言 随着地下空间的开发与利用, 盾构工法在我国得到了越来越广泛的应用。盾构工法与传统的钻爆法相比具有自动化程度高、不同地质条件适应性强、对城市居民和建筑物的影响小、在软弱地层中有利于控制地表沉陷、安全性高等优点。北京、上海等城市地铁盾构工法的成功应用, 使此项施工技术在我国日臻完善。在总结广州、南京、深圳的地铁盾构施工经验的基础上, 对土压平衡式盾构法在复杂地质及穿越建筑物施工技术作初步探讨。
随着地下空间的开发与利用, 盾构工法在我国得到了越来越广泛的应用。盾构工法与传统的钻爆法相比具有自动化程度高、不同地质条件适应性强、对城市居民和建筑物的影响小、在软弱地层中有利于控制地表沉陷、安全性高等优点。北京、上海等城市地铁盾构工法的成功应用, 使此项施工技术在我国日臻完善。在总结广州、南京、深圳的地铁盾构施工经验的基础上, 对土压平衡式盾构法在复杂地质及穿越建筑物施工技术作初步探讨。
2 土压平衡式盾构概述
土压平衡式盾构又称削土密封式或泥土加压式盾构。适用于含水的软土、软岩、硬岩及混合地层的隧道掘进。掘进施工可采用土压平衡、气压平衡和敞开三种模式。掘进操作可自动控制、也可半自动控制或手动控制。盾构机配备了自动导向系统, 可控制和稳定掘进方向, 具有灵活转向纠偏能力, 掘进误差可控制在±20 mm 以内。盾构刀盘结构具有刀具(滚刀、齿刀) 的互换性和可更换性, 因此, 其可适应地层更广, 能满足不同地层的掘进速度要求。盾构配备了同步注浆系统, 对控制隧道周围土体沉陷及建筑物保护非常有利。盾构配备了泡沫及膨润土注入系统, 有利于碴土改良。配备了压缩空气系统, 有利于防止工作面的渗水及控制地表沉降。
3 复杂地质条件下的盾构掘进控制技术
3.1.1 盾构穿越软硬不均地层
结合地质资料, 事先探明上软下硬地层的软硬情况; 采用土压平衡或气压平衡模式掘进, 必要时注泡沫或泥浆对碴土改良; 采取必要措施, 重视盾构的轴线控制和姿态控制, 如: 合理利用超挖刀、根据测量数据及时修正千斤顶推力组合、合理利用铰接千斤顶调整盾构姿态、利用刀盘正反转、使用稳定翼等措施对盾构旋转进行控制、放慢掘进速度以便更好的保护设备和控制轴线。
3.1.2 盾构穿越砂层、淤泥层段
通过对南京、广州、深圳地铁盾构掘进情况调查, 在穿越部分砂层、淤泥层地段时, 所采取的施工技术主要有: 采用土压平衡模式掘进, 严格控制出土量, 确保土仓压力以稳定工作面, 控制地表沉降; 盾构掘进过程中向土仓内及刀盘面注入泡沫等添加材料, 改善碴土性能, 提高碴土的流动性和止水性, 防止涌水流砂和发生喷涌现象, 并利于螺旋输送机排土; 选择合理的掘进参数, 快速通过, 将施工对地层的影响减到最小; 运用导向系统和分区操控推进油缸, 控制盾构姿态, 防止盾构抬升; 适当缩短浆液胶凝时间保证同步注浆质量, 减少地层损失, 以控制地表沉降。
3.1.3 盾构通过断裂带地层
根据广州地铁工程地质情况调查, 地铁2 号、3 号线多处通过断裂地质带, 断裂带埋深在10～ 30 m 范围内, 岩体破碎, 原岩的强度大, 天然单轴抗压强度最大可达154M Pa, 而且强度不均匀, 稳定性差。形成了地下储水构造, 地下水比较丰富。
盾构通过时存在的主要问题有: 易发生涌水; 破碎地段的岩块较大, 易堵塞螺旋输送机; 断裂带下伏的基岩为蚀变花岗岩与硅化岩, 岩体强度大, 要求盾构破岩能力强。
盾构通过断层及破碎带时的主要技术措施有: 及时将双刃滚刀更换为单刃滚刀, 因为单刃滚刀比双刃滚刀接触面小、破岩能力高; 采取土压平衡工况掘进, 及时调整土仓压力, 确保土压平衡, 同时采取措施防止拼装管片时盾构机出现后退, 保证工作面的土体稳定; 适时调整掘进参数, 防止出现过大的方向偏差, 同时使岩石得到充分的切削, 避免大的岩块堵塞螺旋输送机; 掘进过程中向土仓内注入泥水或泡沫, 防止螺旋输送机堵塞和水涌入隧道; 连续掘进, 对地表和建筑物连续监测。并及时注浆充填管片与地层之间的环形间隙, 防止土体塑性区的扩大, 控制地表沉陷。 3.1.4 盾构通过球状风化地层
根据深圳地铁工程地质情况调查, 地铁1 号线多处通过球状风化地层, 俗称“孤石”层, 花岗岩球岩单轴抗压强度在200M Pa 以上。由于风化球岩体的强度远大于周围岩土层的强度, 是盾构施工的不利因素。
风化球周围岩土层主要为花岗岩强、全风化层, 强度差异较大, 稳定性差, 为2～ 3类围岩。花岗岩球状风化, 由于风化球周围岩体与球状风化岩体本身强度存在较大差距, 易造成刀具损坏, 甚至会导致刀盘变形, 至使整个盾构瘫痪。处理该种不良地质问题时的主要施工技术措施有: 超前钻探或地质雷达物探, 以预防为主, 提前采取诸如地表或洞内深孔爆破等必要的处理措施; 注意观察盾构掘进的异常情况以及掘进参数的异常变化, 判断是否碰上球状风化岩体, 一旦发现推力加大时, 盾构进尺缓慢或停滞不前, 应立即停机, 切不可贸然推进; 以低掘进速度和高转速掘进球状风化岩体, 掘进过程中随时监测刀具和刀盘受力状态, 确保其不超载并观测刀盘是否受力不均, 以防刀盘产生变形, 如遇刀盘卡住, 可回缩刀盘予以调整, 然后重新掘进; 如球状风化岩体在软地层随刀盘一起滚动, 可利用地质超前钻机对周围软地层予以加固, 然后进行掘进; 如上述措施不能奏效, 则人员通过压缩空气仓、切削仓进入开挖面, 对球状风化岩体予以人工处理, 如开挖面地层稳定性差, 则预先予以加固; 及时足量进行同步注浆。
3.1.5 盾构穿越硬岩地层
广州地铁3 号线地质钻探资料显示在天- 华区间和大- 汉区间揭露出抗压强度为140M Pa 和156M Pa 的硬岩, 盾构施工技术措施有: 采用单刃滚刀破岩, 减少换刀次数与频率, 提高施工进度, 掘进过程中随时监测刀具和刀盘受力状态, 确保其不超载; 适时合理更换刀具, 以提高掘进效率, 避免损伤刀盘; 换刀时启动刀盘伸缩装置缩短换刀时间并在土仓内更换刀具, 减少换刀时间对掘进循环的影响, 提高设备利用率; 硬岩段掘进时启动盾构稳定装置, 减小盾构机的振动和防止盾构机产生超限扭转, 使管片的受力稳定,确保隧道的成形质量和保护管片, 防止盾构机的变形; 采用敞开模式掘进, 遵循高转速、低扭矩原则选取参数, 以提高掘进速度; 进入硬岩段掘进前要对盾构机进行一次全面的维修保养, 确保盾构的工作状态良好。
3.1.6 盾构穿越水塘回填浅埋地段
广州地铁隧道在大溏- 汉溪区间从两座鱼塘下面穿过。隧道顶距鱼塘底不到3 m 厚地段, 为保证隧道顶部至少有6 m 的覆土厚度, 则必须做回填处理, 盾构施工采取的技术措施有: 采用土压平衡模式掘进, 严格控制出土量, 确保土仓压力以稳定工作面, 防止地下水沿原地层面与回填面渗入; 掘进中严格控制各分区推进油缸的压力, 确保盾构掘进方向正确和盾构姿态正常, 防止盾构机抬头; 严格控制同步注浆, 及时回填环形间隙, 防止无胶结的回填土松弛而造成较大的地面沉降。
3.1.7 相邻隧道小间距盾构施工
广州地铁3 号线在到达汉- 市区间北的盾构吊出井时, 左右线的线间距变得很小, 只有9 m , 净间距只有217 m , 这样小的距离对盾构施工尤其是到达段施工非常不利, 当后续盾构施工到此段时, 可能会对已经施工好的隧道造成影响和造成地层坍塌, 此段施工技术措施有: 对线间距非常小的地段进行地层加固, 提高两条隧道之间地层的强度和稳定性; 采用土压平衡模式掘进, 严格控制掘进速度、掘进推力和土仓压力, 并精确控制盾构机的姿态, 降低对地层的扰动; 加强地表沉降监测和先行隧道的变形监测, 严格控制同步注浆的压力, 一旦发现异常, 及时调整掘进参数和采取加固措施, 确保地面环境和已建成隧道的安全;必须确保左右线两台盾构机有一定的安全间距。
4 结束语
土压平衡盾构比较适应于在软弱的冲积土层中掘进。但在砾石层或者砂土层中, 只要加入适当的粘土后, 也能发挥出土压平衡盾构应有的特点。通过更换刀具, 也能适应于在强风化、中风化、微风化岩及软硬不均的混合地层中掘进。
