富水砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工关键技术研究（总报告）同济大学中铁十三局集团有限公司成都地铁项目经理部2008年9月富水砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工关键技术研究目 录1 工程概况及项目研究意义11.1 成都地铁1号线2标段工程简介11.2 工程地质及水文地质概况21.3 本工程地层特点及施工难点32 砂卵石地层土压平衡控制62.1土压平衡盾构技术概述62.2 砂卵石地层的掘进模拟计算92.3 砂卵石土压平衡特点研究102.4 土压平衡控制方法182.5 渣土改良试验及结果分析183 刀具磨损机理研究与预测273.1 硬岩中滚刀破岩机理273.2 切削刀具的掘进原理303.3 本工程滚刀磨损特点及原因分析313.4 刮刀磨损及离散元计算373.5 刀具磨损的计算分析433.5 盾构刀具损耗分析444 盾尾同步注浆材料及参数484.1 注浆材料试验分析484.2盾构推进至不同地段下浆液配比建议484.3 同步注浆参数实测分析504.4 松散带对注浆量的影响564.5 控制措施565 砂卵石地层带压换刀技术595.1 带压换刀基本原理595.2 气压加压试验645.3 带压换刀实践686 盾构穿越施工对建筑物影响研究756.1 盾构穿越建筑物工程概况756.2盾构穿越冶金宾馆时采用的辅助措施776.3桩基荷载转移在盾构穿越施工中的效果分析816.4桩基托换在盾构穿越施工中的效果分析866.5 盾构穿越冶金宾馆桩基的施工效果分析926.6盾构穿越安监局施工数值模拟计算966.7 盾构穿越经委安监局的施工措施及效果分析1007结论1037.1 砂卵石地层土压平衡控制研究结论1037.2刀具磨损机理研究与预测研究结论1047.3盾尾同步注浆材料及参数研究结论1057.4 砂卵石地层带压换刀技术研究结论1067.5盾构穿越施工对建筑物影响研究107II富水砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工关键技术研究1 工程概况及项目研究意义1.1 成都地铁1号线2标段工程简介本标段区间段地铁线路处于人民北路和人民中路上由北向南，沿人民北路南部和人民中路敷设，共三个区间：人民北路站文武路站区间、文武路站骡马市站区间、骡马市站天府广场站区间。盾构区间隧道线路间距为11m15m，隧道埋深1520m，左线长2390.316m，右线长2407.774m。左右线区间隧道各采用一台直径6.28m海瑞克土压泥水盾构机掘进，盾构隧道采用管片拼装式衬砌，管片环宽1.5m，错缝拼装。成都地铁1号线规划图如图1.1所示，本标段线路平面图如图1.2所示。图1.1 成都地铁1号线规划图图1.2 线路平面示意图1.2 工程地质及水文地质概况1.2.1 地形地貌本区间段线路呈南北向纵贯成都市区，线路区域地处成都平原岷江冲洪积扇状平原的南东边缘，其东为位置相对较高、地形起伏相对较大的成都市东部台地。区内地形较平坦，地势受扇状平原的控制，总体上西高东低，北高南低。沿线地面高程于497.7m506m，相对高差8.3m，由于后期人类工程活动，原始地形已不甚清晰。1.2.2 地质构造成都平原在构造位置上处于我国新华夏系第三沉降带之川西褶带的西南缘，界于龙门山隆褶带山前江油灌县区域性断裂和龙泉山褶皱带之间，为一断陷盆地。从总体来看，成都市区距龙泉山褶皱带20公里，距龙门山隆褶带50公里，区内断裂构造和地震活动较微弱，历史上从未发生过强烈地震，从地壳的稳定性来看应属于稳定区。1.2.3 土层特征地铁一期工程沿线初勘钻孔所揭穿的地层单位自上而下依次为第四系全新统（Q4）、上更新统（Q3）和白垩系上统（K2g）。Q4上段为杂填土，主要为建筑垃圾混粘性土，分布连续，厚度1.16.8m。下段上部为黄灰色粉质粘土，呈可塑硬塑状态，湿；分布不连续，埋深1.73.5m，厚度1.23.6m。下段底部为灰黄色卵石土，卵石呈圆次圆状。漂石组、卵石组、砾石组和土粒组在卵石土中所占的重量百分比分别为15.4%、69.2%、7.1%和8.3%。根据密实程度，卵石土可以划分出稍密卵石、中密卵石和密实卵石3个亚层。卵石层埋藏深1.65.3m，厚度5.29.7m。卵石单轴抗压强度655-184MPa，平均1022MPa，极值为206MPa。在该层中还存在钙质胶结、半胶结的砾石层，硬度大。1.2.4 水文地质工程范围内地下水系为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水两种类型。主要以孔隙潜水为主，孔隙潜水主要埋藏于砂卵石地层中，地下水位埋藏较浅，水量丰富，渗透系数K=1540m/d，补给来源为大气降水和地表河流、沟渠。基岩裂隙水主要赋存于泥岩风化裂隙带中，含水层厚20m左右，K=0.31.2m/d，裂隙水不发育，迳流条件差，主要为孔隙潜水补给。1.3 本工程地层特点及施工难点1.3.1 地层特点成都地层岩体松散，无胶结，自稳能力差，单个石块强度高，卵石块在地层中起骨架作用。砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，颗粒之间的空隙大，没有粘聚力，砂卵石地层在无水状态下，颗粒之间点对点传力，地层反应灵敏，刀盘旋转切削时，地层很易破坏原来的相对稳定或平衡状态而产生坍塌，引起较大的地层损失和围岩扰动。如图1.3为从基坑挖掘出来的砂卵石的照片。图1.3 某砂卵石地层开挖出的渣土成都的地层富水，地下水位成都地下水枯水期埋深一般在3-5m之间,丰水期埋深一般在1-3m之间,最小埋深为0.2m。据成都前期基坑施工经验，在开挖之前进行降水之后的开挖，基坑壁自立性较好，而且由于卵石的骨架作用，降水引起的变形相对较小。但在地下水的情况下，盾构在掘进过程中，局部水压会很大，会对盾构造成一定的影响，特别是开挖面的稳定。砂卵石地层，围岩体整体强度较低，但单个岩块块体强度非常高，因此，在盾构推进过程中，不免要对盾构刀具产生大的磨损与破坏，影响盾构施工的效率与成本。1.3.2 施工难点本工程区间隧道主要穿越富水、砂卵石地层。此地层具有含水量大、透水性强、砂卵石起骨架作用、结构松散等特点。因此，在此种地层种对盾构施工来说，存在卡机，高磨耗机具，和开挖面稳定难以保证，排渣困难等难题。同时,地层的塑流性差，会导致大颗粒卵石滞留土仓内或向盾构机四周移动，使得盾构机位置和姿态控制变得困难，严重时则无法推进。对不同颗粒的土压平衡盾构来说，土体改良的一般情况如图1.3所示。对于成都的土体来说，基本上不适合于进行土压平衡盾构施工，因此，需要对开挖土体进行改良，使之适合于土压平衡盾构。I区II区III区IV区V区粒径d/mm通过百分比/%图1.3 土压平衡盾构的土体改良的一般情况1.4 本项目的研究意义盾构隧道的设计与施工在很大程度上依赖于地质条件，我国的北京、上海和广州等地已经采用盾构法成功实施了不少工程，也作过不少研究，但这些地区的地质条件与成都的地质条件差异较大。上海地区的地层为淤泥质地层，非常松软，自稳能力差，侧压力比较大且分布均匀；北京地区表层从080m范围基本为第四纪冲洪积地层，既有表层的松散回填土层，又有从粘土粉土和无水砂卵石地层；广州地区的地层除在浅表有一层比较薄的土层外，基本为强风化中风化微风化岩层，围岩的强度模量高，自稳能力好，而河网发育，地下水充沛，时有构造断裂出现在工程线路上。 由于成都以往没有采用盾构法施工地铁隧道的工程经验，且本地区的地质条件与国内其他采用过盾构法施工的城市有比较大的区别，具有很强的区域性，在此类地层中进行盾构施工国内尚属首次。为了确保成都地铁正式施工能够顺利进行，首先应对第一次盾构掘进的地段开展试验研究，以摸索和掌握成都地区特有条件下的盾构隧道设计、施工技术，为今后成都地铁等地下工程盾构设计、施工做技术准备。2 砂卵石地层土压平衡控制2.1土压平衡盾构技术概述2.1.1 土压平衡盾构工法基本原理该类盾构属封闭式盾构，盾构机如图2.1所示。盾构推进时，其前端刀盘旋转掘削地层土体，切削下来的土体进入土舱。当土体充满土舱时，其被动土压与掘削面上的土、水压基本相同，故掘削面实现平衡(即稳定)，如图2.2所示。这类盾构靠螺旋输送机将渣土(即掘削弃土)排送至土箱，运至地表。由装在螺旋输送机排土口处的滑动闸门或旋转漏斗控制出土量，确保掘削面稳定。图2.1 土压平衡盾构机剖面图图2.2 土压平衡盾构平衡原理2.1.2 稳定掘削面的机理土压盾构稳定掘削面的机理，因工程地质条件的不同而不同，一般可分为粘性土和砂质土两类，在此分别进行叙述。（1）粘性土层掘削面的稳定机理因刀盘掘削下来的土体的粘结性受到破坏，故变得松散易于流动。即使粘聚力大的土层，渣土的塑流性也会增大，故可通过调节螺旋输送机转速和出土口处的滑动闸门对排土量进行控制。对塑流性大的松软土体也可采用专用土砂泵、管道排土。地层含砂量超过一定限度时，土体塑流性明显变差，土舱内的土体发生堆积、压密、固结，致使渣土难于排送，盾构推进被迫停止。解决这个问题的措施是向土舱内注水、空气、膨润土或泥浆等注入材，并作连续搅拌，以便提高土体的塑流性，确保渣土的顺利排放。（2）砂质土层掘削面的稳定机理就砂、砂砾的砂质土地层而言，因土颗粒间的摩擦角大故摩擦阻力大；渗透系数大。当地下水位较高、水压较大时，靠掘削土压和排土机构的调节作用很难平衡掘削面上的土压和水压。再加上掘削土体自身的流动性差，所以在无其它措施的情况下，掘削面稳定极其困难。为此人们开发了向掘削面压注水、空气、膨润土、粘土、泥水或泥浆等添加材，不断搅拌，改变掘削土的成分比例，以此确保掘削土的流动性、止水性，使掘削面稳定。按稳定掘削面机理划分的土压平衡盾构大致有如下几种，见表2.1。表2.1 土压盾构的种类盾构名称稳定掘削面的措施适用土质削土加压式盾构面板一次挡土。充满土舱内的掘削土的被动土压稳定掘削面。螺旋输送机排土滑动闸门的控制作用冲积粘土：粉土、粘土、砂质粉土、砂质粘土、夹砂粉质粘土加水式土压盾构面板一次挡土。向排土槽内加水，与掘削面水压平衡，增加土体的流动性。滞留于土舱内掘削土通过螺旋传送机滑动闸门作用挡土。含水砂砾层亚粘土层高浓度泥水加压式土压盾构面板一次挡土。高浓度泥水加压平衡，并确保土体流动。转斗排土器的泥水压的保持调节作用。松软渗透系数大的含水砂层，砂砾层，易坍层加泥土压盾构向土舱内注入泥土、泥浆或高浓度泥浆，经搅拌后塑流性提高，且不渗水，稳定掘削面。检测土舱内压控制推进量，确保掘削面稳定。软弱粘土层，易坍的含水砂层及混有卵石的砂砾层。2.1.3 加泥式土压盾构（1）工作原理加泥式土压平衡盾构，是靠向掘削面注入泥土、泥浆和高浓度泥水等润滑材料，借助搅拌翼在密封土舱内将其与切削土混合，使之成为塑流性较好和不透水泥状土，以利于排土和使掘削面稳定的一类盾构机。掘进施工中可随时调整施工参数，使掘削土量与排土量基本平衡。盾构机仍由螺旋输送机排土，渣土由出土车运输。加泥式土压平衡盾构(以下简称加泥土压盾构)的构造，如图2.3所示。这类盾构主要用于在软弱粘土层、易坍塌的含水砂层及混有卵石的砂砾层等地层中隧道的掘进施工。为刀盘，为工作仓，为压力隔板，为螺旋出土器，为推力油缸，为盾尾密封，为管片，为盾尾同步浆液图2.3 加泥式土压