软硬不均地层复合盾构的研究及掘进技术

 

摘要：针对广州地铁二号线越秀公园—三元里区间的软硬不均地层的盾构施工，提出复合盾构的设计思想，并对复合盾构的功能及技术参数进行研究，分析刀盘、刀具与地质的适应性。研究复合盾构掘进模式的原理、掘进参数及模式之间的转换技术，解决了软硬不均地层的掘进难、效率低、成本高、地层变形不易控制等技术难题。为了有效地控制掘进方向和盾构姿态，分析盾构掘进方向偏差的原因，研究相应的控制方法，达到了防止管片裂损和控制错台的目的。为防止黏性地层掘进的“泥饼”现象及富水地层掘进的“喷涌”现象的发生，研究相应的渣土改良技术。通过盾尾环形间隙同步注浆技术的研究及采用可靠的技术措施，并加强施工监测，及时变更掘进参数，控制地层的变形，确保京广铁路正常运营及临近建构筑物的安全。

关键词：隧道工程；软硬不均地层；复合盾构；模式转换；渣土改良；同步注浆；变形控制

 

1 引 言

      本文依托广州地铁二号线越秀公园—三元里(以下简称越三)区间隧道盾构法施工进行研究。地层软硬不均，其中强度较高、稳定性能好的中风化岩(8)和微风化岩(9)占多数，岩石单轴抗压强度最高达到 78.2 MPa。同时洞身还通过强风化岩(7)、全风化岩(6)(呈土状)、残积土层(5)和断层破碎带等不稳定地层，地层分界面起伏大，软硬交错，并且岩层中普遍含砾石，对刀具严重磨损。地质纵断面见图 1，各种地层分布统计见图 2。由于地层中存在高黏性土层，盾构掘进时容易在刀盘前部形成泥饼，严重影响掘进。同时通过富水的断层破碎带时，施工可能发生突水现象。

      越三区间隧道穿越地区地表交通繁忙，建筑物密集，有 135 栋建筑处于隧道上方，桩基底部距隧道最近的仅 0.56 m，有 31 根建筑物桩基距隧道顶部仅 0.56～2.00 m，桩基类型多，所处地层各异。约165 m 长隧道要穿越广州火车站 14 股轨道，并且站内人行天桥桩基和邮电地下通道底板离隧道顶仅3～5 m。

      针对越三区间的软硬不均地层及复杂地质环境的盾构施工，为解决其掘进难、效率低、成本高、掘进方向及地层变形不易控制等技术难题，需要研究复合盾构及其掘进模式、掘进参数、掘进模式之间的转换技术等，同时还需研究相应的姿态控制技术、渣土改良技术以及地层变形控制技术等。

2 复合盾构的研究

2.1 复合盾构功能设计

      国内在如此复杂地层采用盾构法施工尚属首例，其在国际上也十分罕见，而仅有的几个工程也没有得到较好解决，如：新加坡 CCL1 线地铁、葡萄牙 Oporto 轻轨隧道和日本公司在广州地铁一号线，在采用土压或泥水盾构施工时，遇到部分强度差异大的不稳定软硬不均地层，均进度缓慢，且多次发生地层坍塌甚至楼房倒塌事故。因此，研制能适应复杂多变软硬不均地层施工的复合盾构及其掘进配套技术，对保证越三区间工程安全、优质、高效地建成及促进我国盾构法技术水平的提高都有重大意义。

      根据越三区间地质及环境条件，要求盾构机必须具备各种地层的破岩掘进能力、控制地层变形能力、防喷涌及灵活的姿态调整能力、刀盘防泥饼能力等。TBM 和传统盾构均不能同时具备这些功能，因此，提出了将硬岩掘进机破岩掘进原理与软土盾构切削推进及稳定工作面原理有机结合起来的复合盾构设计思想，进行复合盾构的功能设计[1～6]：

      (1) 针对多种不同地层的破岩掘进问题：盾构机必须配置复合刀盘，使滚压破岩、切削破岩可单独或混合使用，滚刀和齿刀可互换或混装。

      (2) 针对稳定工作面及控制地层变形问题：盾构机必须配置一机三模式功能，即土压平衡式、开敞式、半开敞式，各模式可互换，可根据需要提供稳定工作面压力；必须具有同步注浆功能，尽早填充环形间隙并控制地下水流失。

      (3) 针对防“泥饼”问题：盾构机必须配置泡沫注入系统，刀盘倒八字形开口，向刀盘前面、土舱和螺旋输送机注入泡沫，改善渣土

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