1、盾构穿越富水硬岩段施工技术浅析 张 婷 王少鹏 刘文豪 摘 要 随着城市轨道交通的快速发展，盾构施工以安全环保、机械化程度高、施工周期短等优势得到广泛应用 。 在广州、深圳等地区 进行盾构 施工时，经常遇到强度较高的花岗岩，掘进速度慢、刀具磨损严重 ， 尤其在含水 量较大的 地层中，易发生 “ 喷涌 ” 现象， 管片易发生错台、破损、渗漏水等质量问题，增加 了施工难度 。 本文针对深圳地铁七号线 （ 西丽 西丽湖区间 ） 的 富水硬岩段 施工情况，详细介绍了 盾构 在施工过程中遇到的问题以及处理的措施，并进行分析总结，为类似工程 施工 提供借鉴经验。 关键词 地铁 盾构 富水硬岩 措施 1 工
2、程简介 深圳地铁 7 号线西丽湖西丽站区间位于深圳市南山区，区间左线全长 1662.07m。盾构 机 在设计里程 为 DK1+655.40 DK1+709.60m 段时 穿越硬岩段 ，该段岩石 基岩中节理裂隙发育，揭露的中、微风化花岗岩较 为 破碎。隧道埋 深达 26.60m。盾体水平方向上位于半径为 500m 的转弯段，垂直方向上位于 10.80 下坡段。 2 工程地质与水文 图 1 盾构穿越地质图 该段盾构掘进 掌子面 地 层主要为全断面中风化花岗岩， 局部夹杂微风化岩，全长约84.00m， 隧 道 以 上覆土层由上至下依次为 0.50 0.70m 素填土， 5.60 14.80m 砾质黏
3、性土、2.00 7.00m 全风化花岗岩、 2.30 7.80m 强 风化花岗岩 、 2.40 6.20m 中 风化花岗岩 ，地质图见图 1。 穿越地层的岩石特性 如下： 中风化花岗岩：岩体呈碎块状，节理裂隙发育 ， 饱和单轴抗压强度范围值为 28.7048.80MPa，标准值为 17.60MPa，为较 硬 岩，较破碎。 微风化花岗岩：岩体呈碎块、块状、巨块状，局部节理裂隙发育 ， 饱和单轴抗压强度为 43.00 MPa，标准值为 81.90MPa，根据岩石抗压强度 结果，本 段 微风化花岗岩为 硬 岩，岩体较完整。 深圳市的气候属亚热带季风气候，热量丰富，日照时间长，雨量充沛。地下水含量丰富
4、，按赋存条件主要为孔隙水及基岩裂隙水。 地下水位位于隧道以上 18 21.80m 处 。 3 刀具配置 本段采用复合式土压平衡盾构机进行掘进， 主要依靠滚刀对岩层产生挤压、剪切、拉裂等综合作用冲击 、 碾压岩石， 形成 小块破碎体 ， 并产生径向裂纹 ， 其中 一般 有一条或多条裂纹向刀刃两侧延伸 ， 到达自由面或与相邻裂纹交汇形成岩石碎片 ，随后由刮刀将碎裂的岩体切削下来， 从而达到破岩 掘进 的效果 。 图 2 为盾构机刀具 配置 图 （ 图中编号为滚刀编号）。 图 2 盾构机刀具位置图 盾构 机 在该硬岩段掘进时 ， 刀具 配 置为： 4 把中心双刃滚刀、 31 把正面单刃滚刀、 52把
5、刮刀、 8 把边缘 刮 刀、 1 把超挖刀。 滚刀刀刃距刀盘面板的高度为 175mm，齿刀和刮刀刀刃距刀盘面板的高度为 140mm， 滚刀与齿刀层次间距为 35mm，以便在硬岩地段掘进时保护齿刀和刮刀 。 4 富水硬岩段主要施工方法简述 本施工段 岩石强度高，掌子面稳定，故 盾构掘进时采用半 敞开式掘进。这种模式下，切削下来的 渣土进入土仓后，螺旋机 随即 将其排出， 土仓内保持少量的渣土，土仓压力较低，推 力小、掘进速度快 。掘进时 以 “ 高转速 、低 扭矩 ” 的思想 控制 施工参数 ，土仓压力为 0.20 1.20bar 掘进速度 8 20mm，推力 900 1100t，刀盘转速 1.
6、70 2.10r/min，刀盘扭矩 1.50 2.50MN.m。 硬岩段掘进时， 由于硬岩段不易纠偏，需要密切 注意 和 控制盾构机的姿态 ，防止 姿态发生 过大 偏离， 掘进纠偏 要遵循 “ 勤纠偏、 缓纠偏 ” 的原则， 杜绝 大幅度 的 纠偏。 为保证注浆效果，采取同步注浆完成后，进行二次注浆，二次注浆采用水泥 -水玻璃双液浆，确保管片壁后注浆密实。经常对拼装管片进行变形监测检查，及时了解拼装 完成的混凝土管片变形情况，保证管片成型质量。 5 遇到的问题及 处理措施 5.1 刀具磨损及预防措施 5.1.1 刀具 磨损分析 在 该 硬岩段中掘进时， 刀具 磨损比较严重， 共 进行了四次 开
7、仓 换刀，共 更换 25 把单刃滚刀 ，经统计，均匀磨损刀具 18 把，偏磨刀具 5 把，掉块刀具 2 把 。 分析刀具磨损主要原因：（ 1）盾构在软岩地层中掘进时，滚刀启动扭矩小，部分滚刀无法转动，从而导致偏磨；（ 2）当在上软下硬的半断面岩石中掘进时，刀具撞击力大，尤其在软土向硬岩过渡时，造成刀具掉块；（ 3）由于刀具在刀盘中位置不同，靠近边缘的刀具线速 度较大，而靠近中心附近的线速度较小，因此边缘刀具磨损较为严重；（ 4） 全断面硬岩 掘进时 ，岩层 分布较为均匀， 滚刀能正常转动，因此 刀具的磨损主要 以 均匀磨损 为主；（ 5）部分滚刀装配密封性能较差，渣土进入轴承内，使轴承失效，造
8、成刀具偏磨 。 5.1.2 预防刀具磨损的措施 根据刀具磨损机理分析，可采取多种措施预防和减小刀具磨损，主要有：（ 1）严格控制掘进参数，使盾构掘进时刀具在最佳环境中运行，尤其刀盘扭矩的设定值和波动范围不宜过大，一般不大于 0.5MN.m，避免发生刀圈崩裂或掉块；（ 2）每次 刀具更换完 成 后 ，推进一环后 及时检查刀具螺栓的紧固情况，防止螺栓松动脱落。（ 3）在盾构机 恢复掘进 后 ，掘进推力和速度不宜过大，防止 新装 刀具发生 刀圈 崩裂现象 ；（ 4）加注合适的 泡沫剂 和膨润土改良渣土、 润滑刀具，降低 掘进土仓 温度 ， 减小 土体对 刀具的摩擦 ；（ 5） 根据施工计划合理设置换
9、刀点，及时进行主动换刀 ；当盾构机 出现掘进 参数异常 （如推力增加，但速度缓慢或不增加） 、 舱内响声异常（有非正常的铁件响声）等情况 时， 及时开仓处理， 避免出现更严重的刀具磨损、甚至连锁性破坏。 5.2 “ 喷涌 ” 现象频发 与处理 5.2.1 “ 喷涌 ” 发生的原因 风化岩 段 ，节理 裂隙发育，地下水丰富。当掌子面水压过高 进入土仓 ， 水 将 会通过刀盘 开口进入土仓 ； 此时，刀盘切削的渣土以 碎 石为主， 无 良好的 吸 水效果 ，导致 螺旋机 无法形成土塞，在土仓压力的作用下， 土仓内的 稀渣就会通过螺旋机向外挤压而 形成 “ 喷涌 ” ，喷涌造成的泥渣无法通过皮带机运
10、输，从而进入隧道内。当这种情况发生时， 需要花费 大量 时间对 喷涌泥渣进行 清理 ，从而增加了盾构机的停机时间，严重影响施工。 5.2.2 避免发生 “ 喷涌 ” 的处理措施 根据形成喷涌的原因，主要采取以下措施进行处理：（ 1）在盾尾 及时 进行 二次注浆，采用双液浆或化学注浆， 对 盾 构后方来水进行封堵，减少土仓内水量；（ 2）在土仓壁上的球形联通阀安装排水带，盾构掘进开始前放出仓内积水，减少仓内水量；（ 3）采用双闸门进行掘进控制，减小喷涌量；（ 4） 根据 地层变化和掘进速度 ，及时调整泡沫剂的注入量和浓度，合理改良渣土；（ 5） 保持 “ 连续 、 快速 ” 的 盾构 施工，避免
11、长时间的停机 。 5.3 管片 拼装 质量问题 5.3.1 管片 质量问题原因分析 富水硬岩段，易发生管片质量问题，主要包括：破损、渗漏水、错台过大等， 严重影响隧道整体外观和质量，甚至可能引起渗水等问题。 造成破损的主要原因有：（ 1） 管片在运 输、堆放和吊装过程中发生磕碰，导致破损；（ 2） 盾构处于转弯段上，推进过程中管片受力不均，导致管片破损； （ 3） 管片环面不平整导致管片突出，千斤顶局部应力集中，导致管片破损； （ 4） 管片上浮，导致盾尾间隙过小，盾壳挤压管片，使管片内弧 面碎损； （ 5） 拼装手操作不熟练，导致吊装口周围破损 。 造成 管片渗水 主要原因有：（ 1）由于破
12、损过大，形成渗漏通道；（ 2） 同步注浆 不充分，砂浆 没有充分填充 壁后 间隙； （ 3）遇 水膨胀 止水 条失效或损坏； （ 4） 螺栓未拧紧，使管片接缝处开口过大，橡胶止水条不密贴 ；（ 5）地下水过大引起管片上浮，止水 条失效。 造成 管片错台 的主要原因有：（ 1） 在曲线段中掘进时，千斤顶给管片分力 过大 ，使管片偏移 导致 错台； （ 2） 盾构机姿态控制不当， 纠偏过猛，管片脱出盾尾造成错台 ； （ 3） 注浆压力不平衡，相对位置的压差 过大 ； （ 4） 管片 拼装手操作不熟练，使拼装产生错台。 5.3.2 预防管片质量问题措施 通过管片拼装前、拼装时、拼装后的详细过程控制，
13、可有效提高施工管片质量，主要为： （ 1） 拼装前措施 。管片进场 前严格检验管片质量，一旦发现不符合 要求 的管片不得 验收 进场；管片在运输、堆放和吊装过程中，做好保护措施，避免损坏；按 技术 要求 粘贴 橡胶止水条，传力衬垫 、遇水膨胀条 等；掘进过程中，注意控制好盾构机的姿态，避免 大幅度纠偏 ，以免损坏管片；管片拼装前，再次 止水 条是否受损 ， 如果受损，应及时进行更换 。 （ 2） 拼装时措施 。 拼装时， 由专业人员 操作，减少人为的损坏；每环 拼装管片范围应大于环宽 300mm 以上 ，防止损坏封顶块 的橡胶条 ；管片拼装前测量盾尾间隙， 一般 最小不得低于 5cm；螺栓紧固
14、严格执行 “ 三次紧固 ” 原则，即：管片拼装时紧固 1 次，拼装第二环时紧固 1 次，管片脱出盾尾后再紧固 1 次 ，确保连接螺栓满足设计扭矩要求。 （ 3） 拼装后措施 。 盾构掘进过程中，同 步注浆必须与推进速度相匹配， 注浆管连续不断的均匀注浆，防止单侧压力过大或注浆不饱满； 发现 管片 渗水 时 ，应及时进行二次注浆 ；二次注浆的压力不宜过大，防止管片破损 ；定期对管片进行变形监测，如发生偏移及时注浆，稳定管片。 6 小 结 通过 深圳地铁 7 号线西丽湖西丽站区间 硬岩段施工 ， 分析总结掘进施工过程中出现的各类问题，通过采取合理有效措施，减少了刀具磨损，“喷涌”现象，提高了管片拼装质量，取得良好经济效益，也为类似工程施工提供借鉴。
