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盾构法施工在软硬不均地层中的掘进方案

近年来，随着科学技术的发展和大量盾构隧道工程的实践,盾构法隧道施工技术在设计理论、施工方法和设备设施方面均取得了长足的发展，从而为在软弱基础中修筑隧道和管道等工程的主导技术，在世界各国的城市建设、工业管线施工以及公路、铁路、水利工程和矿山建设中，提到了广泛的应用。

我国是在本世纪50年代开始引进盾构法修筑隧道工程的。施工中注意吸收和采用先进的技术和新工艺、新材料，参考和借鉴别国的成功经验和失败的教训，发展速度较快，成绩斐然。

但是，通过在深地铁的盾构隧道施工可以看出，盾构施工也有很多局限性和缺陷性。最明显的是盾构不能顺利通过掌子面地层软硬不均的地段。本文主要是根据中隧集团在深圳地铁福民站~会展中心遇到的典型地质软硬不均现象，总结和阐述在此种情况下盾构法施工的方法。 1、

工程实例

1．1上海隧道股份施工的购物公园站~竹子林站区间

上海隧道股份使用日本三菱盾构机，施工中因遇到孤石或掌子面地层上软下硬等软硬不均的现象，结果导致掘进速度很慢，刀盘严重损坏，先后在刀盘前方施做了两个竖井和一次旋喷桩加固，通过上述方法，进行刀盘的修理和换刀。 1．2中隧集团施工福民站~会展中心站右线盾构隧道

中隧集团使用德国海瑞克生产的土压平衡式盾构，从福民站向会展中心方向掘进，至SSK2+325.8附近时，掌子面地层出现上软下硬、左软右硬的情况，结果导致掘进速度极慢，刀具严重破坏，地面发生沉降异常，最终地面坍塌，被迫停工。 1．2．1地质情况

隧道覆土和通过范围的地质情况如图一所示。 1．2．2进入此段前后掘进施工情况

掘进参数： 进入前 进入后

推力 1000T左右 1400T最后增至2100T 推进速度 60mm/min 2~6mm/min 刀盘转速 1.5~1.8rpm 1.8~2.3rpm 刀盘扭矩 70~149bar间跳动 155bar

渣土温度 25℃左右 高达83℃ 图一 福民站~会展中心站典型软硬不均地层 施工中伴随的现象：掘进速度在瞬间降低至很低，刀盘扭矩跳动利害,常有卡死刀盘的现象，土仓内有较大的异响，有较大重物在土仓内滚动但的声音又传不出来的感觉，同时，掘进时盾构振动利害。渣土温度较高，需向土仓内加入冷水冷却刀具。掘进中，每隔5~10min就因油温过高而停机降温。 渣土中含有大量的棱角分明最大长度约为15cm的不规则花岗岩块。 1．2．3导致的结果 最终掘进速度几乎没有，掘进速度太慢，出渣量不易控制，渣土温度过高，同步注浆困难，由于上部覆土多为软土或砂砾层，地面沉降异常，加上隧道上半部仍有粘性土，可能形成泥鉼。掘进能耗大。 在强行开仓检查时，地面发生异常沉降，最终坍塌。 在刀盘前方地层中施做旋喷桩加固后，开仓换刀时证明：大部分滚刀刀圈严重磨损或崩裂，有两把刀个刀座变形，几乎全部齿刀的刀刃磨损掉，刮刀磨损下去约1/2，导致掘出来的隧道偏小，推进油缸向前拖动盾构困难。 2、 软硬不均的概念 2．1相关规定 《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》对岩石软硬程度的分类如下表所示： 岩石类别 硬质岩石 极硬岩 硬质岩 软质岩石 软质岩 极软岩 fx(Mpa) fx>60 30< fx≦60 5≦fx≦30 fx < 5 规范中对中风化和微风化岩石的划分也是根据岩石的裂隙发育情况和整体性，及风化后岩石的结构和矿物风化情况进行的。所以，对中风化岩石的划分是一个很广的范围，虽然由于裂隙发育，中风化的岩石的单轴抗压强度一般都不高，但相对于盾构刀盘切割来说，整体性却很好，掘进困难。 2．2相关试验 深圳市勘察测绘院对会展中心段（盾构通过约300m）的中风化花岗岩的试验结果表明，强度在25.6~119.6Mpa之间，平均强度为48.28Mpa。而全风化或强风化花岗岩的强度可能只有几Mpa。 2．3软硬不均的概念 虽然，通过海瑞克盾构机在广州地铁二号线越广区间穿越的一段微风化含砾质粉砂岩（掘进后发现该段岩土最硬可能已达到70~80Mpa），以及在越秀公园附近顺利通过的单轴抗压强度高达100 Mpa的青色微风化花岗岩看，该种盾构机的刀盘是可以满足硬岩掘进的需要的，也就是说，这种盾构机的刀盘及其推进、驱动系统可以在一定硬度的岩石如微风化花岗岩中正常工作。 但通过在深圳地区的施工情况可以看出，对盾构施工来说，不能单单以岩石的强度来划分掌子面地层的好与坏，或是否适合施工，或者刀盘的面板形式、刀具布置、能否满足掘进要求，而应根据掌子面范围内的地层是否全是土或全是岩石、全是岩石时总体的强度及强度变化范围、软硬不均时土和岩石各占的面积来划分掌子面地层的情况，从而决定掘进参数。可能侵入隧道只是一少部分或只是一个花岗岩残留体，掘进时也足以使盾构机发生严重损坏。 3、 软硬不均地段的掘进施工方法 3．1地质调查 任何地下土木工程的施工方案都是建立在对地质的详细了解的基础上的，盾构施工尤其为如此。《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》中也明确规定，盾构法施工应查明以下复杂地层：①含漂石或卵石的地层②开挖面的软、硬地层。 一般情况下，初步地质勘探时的地质钻孔间距一般较远，不能满足在海相洪积地层、花岗岩等侵入岩地层中经常存在侵入体、岩脉、花岗岩残留体（微风化球）和大量夹杂物地层中施工需要。 我们在施工前应进行详细的补充地质勘探，查明隧道范围内的地质情况：①软硬不均地段的硬岩分布位置和占盾构开挖面积，软土的类别和相应参数； ②硬岩的侵入隧道的高度和走势； ③硬岩的风化状况、裂隙发育情况、强度和整体性； ④是否有孤石或其它硬质夹杂体存在； ⑤软硬不均地段的上方覆土类别。 特别提出的是，我们看一个地方的地质情况，不能只看隧道纵向地层和走势，还应通过看横断面的地层情况，立体的分析盾构掘进施范围的地层情况。