1、軟硬不均地層及復(fù)雜環(huán)境隧道 復(fù)合盾構(gòu)的研究與掘進(jìn)技術(shù)中鐵隧道集團(tuán)有限公司年月,一、工程概況,廣州地鐵二號線【越三區(qū)間隧道】盾構(gòu)工程包括越秀公園站至廣州火車站、廣州火車站至三元里站兩個區(qū)間雙孔隧道。最小曲線半徑400m。兩個區(qū)間均為“V”形坡，最大坡度30，隧道上方覆土厚度最大約28m，最小約9m。,越三區(qū)間隧道平面位置圖,二、工程地質(zhì)及水文地質(zhì),1、洞身通過的工程地質(zhì) 越火區(qū)間隧道80%的地段埋置于巖層中，僅有20%的洞體處在斷裂帶和土石混合層中。穿越地層大部分是強(qiáng)風(fēng)化巖及中風(fēng)化巖、及微風(fēng)化巖、有少部分為全風(fēng)化巖、殘積土層和斷裂破碎帶。 火三區(qū)間隧道穿越地層大部分是中風(fēng)化巖8、強(qiáng)風(fēng)化巖7和微風(fēng)

2、化巖9、其次為全風(fēng)化巖6和殘積土層5-2。在洞身范圍內(nèi)，基本呈上軟下硬。 2、水文地質(zhì)概況 主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水兩種。隧道穿過廣從斷裂和走馬崗斷裂，斷裂破碎帶富水，穩(wěn)定性差。,越三區(qū)間隧道縱斷面圖,三、工程周邊環(huán)境,整個區(qū)間隧道的地表建筑物密集，地面交通繁忙，地下管線復(fù)雜，共穿越135棟建筑物，其中四層樓以上的建筑物31棟，最高為7層。整個區(qū)間隧道穿越的各種地下管線達(dá)56條。,四、工程的重點(diǎn)與難點(diǎn),1.工期緊，每臺盾構(gòu)機(jī)月掘進(jìn)指標(biāo)達(dá)230米/月; 2.盾構(gòu)穿越鐵路車站軌道，對沉陷控制要求特別嚴(yán)格; 3.盾構(gòu)穿越斷層破碎帶：該斷層帶是由巖體破碎，由角礫和碎塊巖組成，地層無自穩(wěn)能力，且地

3、下水富集，有突水涌泥的可能。 4.盾構(gòu)推進(jìn)方向控制難：由于巖層軟硬不均，推力和扭矩變化較大，使盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)中的軸線控制和推進(jìn)操作有相當(dāng)大難度。尤其是當(dāng)軟硬不均勻地層分布于曲線段和線路坡度較大洞段時(shí)，更加大了盾構(gòu)掘進(jìn)和軸線控制的難度。,5.盾構(gòu)穿越線路曲線多：本標(biāo)段區(qū)間隧道最小曲線半徑400m，曲線長度大約占46%，越秀公園（體育大廈）廣州火車站區(qū)間有兩段反向曲線，且隧道縱坡分段多，變化大，在豎曲線和平曲線、緩和曲線上施工，方向控制難。 6.碴的粒徑大，出碴困難：巖層分界面起伏較大，掘進(jìn)工作面軟硬不均，不但掘進(jìn)方向控制難，掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整要求高，而且各種地層巖石與土體產(chǎn)生的碴的粒徑差異大、不均勻，

4、可能造成出碴因難，影響螺旋輸送機(jī)的使用效率，因此應(yīng)選擇適宜的出碴系統(tǒng)。,六、主要研究內(nèi)容與關(guān)鍵技術(shù),（1）適應(yīng)軟硬不均地層的盾構(gòu)機(jī)的研究設(shè)計(jì)； （2） 1.5m環(huán)寬管片結(jié)構(gòu)與防水設(shè)計(jì)技術(shù)； （3） 不同地層盾構(gòu)掘進(jìn)及模式轉(zhuǎn)換技術(shù)； （4） 環(huán)形間隙同步注漿技術(shù)； （5） 盾構(gòu)姿態(tài)控制及管片防裂損技術(shù)； （6） 渣土改良技術(shù)； （7） 重載快速運(yùn)輸設(shè)備研制與應(yīng)用技術(shù)； （8） 穿越各種復(fù)雜建筑物的地層變形分析及控制技術(shù)。,（1）適應(yīng)軟硬不均地層的盾構(gòu)機(jī)的研究設(shè)計(jì),根據(jù)工程的圍巖條件、周邊環(huán)境、斷面尺寸、隧道長度、隧道線路、工期等因素，結(jié)合開挖和襯砌方式，經(jīng)過安全性、技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性比較后確定，適應(yīng)

5、該工程的盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)見下表。,復(fù)合式盾構(gòu)圖,2. 1.5m環(huán)寬管片結(jié)構(gòu)與防水設(shè)計(jì)技術(shù),在國內(nèi)首次采用1.5m環(huán)寬管片，和國內(nèi)常用的1.0m、1.2m環(huán)寬管片相比，提高了管片拼裝效率和管片的整體剛度，提高了管片的防水性能，降低了成本，在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平。本課題開發(fā)了盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算程序（STCP），程序綜合考慮了這四種計(jì)算模型，能夠根據(jù)輸入的地層、地下水和地面超載情況按全覆土和泰沙基土壓力理論采用水土分算或水土合算模式進(jìn)行荷載計(jì)算，接近國際先進(jìn)水平。,管片制作C50、S12鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)徑5400mm、外徑6000mm、寬度1500mm,蒸氣養(yǎng)護(hù),水養(yǎng)池,三環(huán)水平拼裝,管片抗?jié)B試驗(yàn),光面

6、處理,管片鋼筋籠,3.不同地層盾構(gòu)掘進(jìn)及模式轉(zhuǎn)換技術(shù)；,根據(jù)工程水文地質(zhì)狀況和復(fù)雜周邊環(huán)境，盾構(gòu)機(jī)具有敞開式、半敞開式以及全封閉土壓平衡式（EPB式）掘進(jìn)模式，以適應(yīng)硬巖地層、含水軟巖以及軟硬混合地層的掘進(jìn)，并達(dá)到盾構(gòu)機(jī)的最佳工作狀態(tài)。同時(shí)，在EPB模式下，足夠的土壓平衡調(diào)節(jié)能力可有效的平衡周圍土體的靜水壓力和土壓力，保證開挖面的穩(wěn)定。配合可靠的同步注漿系統(tǒng)，必要的二次補(bǔ)充注漿，以及后期地層注漿加固技術(shù)等輔助工法，可將地表隆陷控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)，從而確保安全通過樁基群、廣州火車站站場、廣從斷裂等特殊區(qū)段。,敞開模式,（1）敞開式掘進(jìn)模式,盾構(gòu)穿過8、9巖層中，且滲水量較小的情況下，采用“敞開

7、式”作業(yè)。在敞開式掘進(jìn)模式下開挖刀具破碎隧道掌子面的巖層，破碎的碴石通過刀具上的卸碴口進(jìn)入位于刀盤后的開挖倉。巖碴落到開挖倉的底部后，通過位于開挖倉底部的螺旋輸送機(jī)傳送出來。 在開挖倉的底部，要有足夠的巖碴供輸送機(jī)螺旋出碴用，開挖倉的其他空間是空的。 在“敞開式”作業(yè)方式下，土倉通過螺旋輸送機(jī)的卸料口與隧道相通。,3.1. 盾構(gòu)掘進(jìn)模式與關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù),（2）半敞開式掘進(jìn)模式：,當(dāng)隧道穿過8、9巖層中,且含水水壓為11.5Bar，掌子面可以穩(wěn)定的地層中時(shí)，采用半敞開式掘進(jìn)模式進(jìn)行掘進(jìn)。半敞開式作業(yè)時(shí)隧道掘進(jìn)速度近似于敞開式作業(yè)。位于刀盤和承壓板之間的混合倉一部分是巖碴，一部分為壓縮空氣。半敞開式

8、作業(yè)的開挖和推進(jìn)與敞開式作業(yè)基本一致。,半敞開式模式,（3）EPB掘進(jìn)模式,EPB模式用于圍巖不穩(wěn)定、水壓壓力高、水量大時(shí)采用。隧道穿過地層處于4、5、6不穩(wěn)定地層和7號地層中； b、隧道穿過斷裂構(gòu)造帶時(shí)；當(dāng)?shù)貙涌赡苡休^大涌水時(shí)。 透水性低時(shí)，在開挖時(shí)可加入泡沫/膨潤土對巖土進(jìn)行改良，使之具有這些特性。 當(dāng)利用螺旋輸送機(jī)把巖碴從加壓的開挖倉中排到隧道中去時(shí)，隧道處于大氣壓狀態(tài)下，因此巖土必須具有較低的透水性。,地下水壓土壓=土倉壓力,土壓平衡模式模式,（1）穩(wěn)定地層盾構(gòu)掘進(jìn)的基本參數(shù)如下： 推力應(yīng)為：P=8001200t ； 刀具的貫入度：610mm； 轉(zhuǎn)速：23rpm ； 掘進(jìn)速度：3040

9、mm/min,3.2 掘進(jìn)參數(shù),（2）不穩(wěn)定地層盾構(gòu)掘進(jìn)的基本參數(shù)如下： 推力應(yīng)為：12001600t ； 扭矩：320412t.m； 刀盤的轉(zhuǎn)速：1.62.2rpm 刀具的貫入度：1015mm； 掘進(jìn)速度：3050mm/min,（3）軟硬不均地層盾構(gòu)掘進(jìn)的基本參數(shù)如下： 推力應(yīng)為：10002000t ； 扭矩：450500t.m； 刀盤的轉(zhuǎn)速：1.0rpm左右 刀具的貫入度：不宜超過5mm； 掘進(jìn)速度：1530mm/min,各種工況長度及比例見下表（右線）,3.3掘進(jìn)模式轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù),掘進(jìn)模式的確定主要是根據(jù)盾構(gòu)隧道所穿越的地層的穩(wěn)定性和地下水狀況，并結(jié)合隧道上部的環(huán)境來決定。掘進(jìn)模式的轉(zhuǎn)

10、換主要由工作面的穩(wěn)定性和地表環(huán)境對地層沉陷的要求控制，而轉(zhuǎn)換掘進(jìn)模式方法主要由以下幾個因素決定：掘進(jìn)速度、排碴速度、供氣速度，不同掘進(jìn)模式之間的轉(zhuǎn)換主要包括： （1）敞開式與半敞開式的相互轉(zhuǎn)換 （2）敞開模式與土壓平衡模式的相互轉(zhuǎn)換 （3）半敞開式與土壓平衡式的相互轉(zhuǎn)換,4.新型泡沫劑研制與渣土改良技術(shù),本課題對國內(nèi)外碴土改良技術(shù)進(jìn)行了全面的研究，在國內(nèi)首次系統(tǒng)研究并應(yīng)用新型泡沫劑，通過調(diào)研、試驗(yàn)研究、現(xiàn)場試驗(yàn)和產(chǎn)品使用，發(fā)泡劑研制及碴土改良技術(shù)的研究均達(dá)到了預(yù)期目的，取得了預(yù)期成果。這種泡沫劑使用后在一定時(shí)間內(nèi)自動揮發(fā)，屬于綠色產(chǎn)品，并已推廣應(yīng)用，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。,4.1 新型泡沫劑研制

11、 泡沫溶液的組成：泡沫添加劑3%，水97% 泡沫添加劑：泡沫劑0.751.5L和聚合體300600g 泡沫組成：9095%壓縮空氣和510%泡沫溶液混合而成，有時(shí)根據(jù)泥土的狀況和土倉內(nèi)的土壓，進(jìn)一步提高泡沫與壓縮空氣的比率。 泡沫的注入量按開挖方量計(jì)算：300600L/m3。,ZSK 一1型發(fā)泡劑的主要性能： （1 ）減少滲漏，加強(qiáng)工作面的密封性； （2 ）在土壤中造成塑性變形，以提供均勻可控的支撐壓及工作面的穩(wěn)定性； （ 3 ）降低內(nèi)磨擦力，減少土壤在刀盤、螺旋運(yùn)輸機(jī)、運(yùn)輸帶的磨損，降低能耗； （4 ）使土體易于分離、運(yùn)輸，同時(shí)降低了磨損成本； （ 5 ）降低土體的赫度，防止堵塞的發(fā)生； （

12、6 ）在巖土隧道及礦山施工中作為粉塵抑制劑；,4.2 碴土改良方法 在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，主要通過向刀盤、土倉、螺旋輸送機(jī)內(nèi)注入膨潤土泥漿、泡沫劑、水或聚合物進(jìn)行碴土改良。根據(jù)國內(nèi)外的使用經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)先采用泡沫劑碴土改良。,5、重載快速運(yùn)輸設(shè)備研制與應(yīng)用技術(shù),越三區(qū)間盾構(gòu)隧道首先研制采用單線重軌重載編組列車運(yùn)輸技術(shù)，和國內(nèi)的四軌三線制相比，具有運(yùn)輸速度快、費(fèi)用低、管理簡便等優(yōu)點(diǎn)。但是這種技術(shù)工序的適應(yīng)性差，當(dāng)工序脫節(jié)時(shí)，難以臨時(shí)調(diào)度彌補(bǔ)，施工中仍需要完善的調(diào)度。這項(xiàng)技術(shù)等已獲國家專利，其技術(shù)和產(chǎn)品已在多個工程應(yīng)用，在國際上也處于先進(jìn)水平。 施工水平運(yùn)輸系統(tǒng)采用軌距mm的單線編組：噸交直流電機(jī)車牽引輛

13、m3的碴車，一輛m3的砂漿車，輛管片車和輛材料車，每掘進(jìn)拼裝一循環(huán)用一列車運(yùn)輸,單線重軌重載編組列車,洞內(nèi)單線重軌布置,6.環(huán)形間隙同步注漿技術(shù),通過室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，針對盾構(gòu)施工中可能產(chǎn)生的地層穩(wěn)定和環(huán)境影響問題，深入地研究了注漿方式、注漿參數(shù)與盾構(gòu)的掘進(jìn)模式、技術(shù)參數(shù)、地層的軟硬程度和自穩(wěn)能力之間的關(guān)系，對在不同條件下運(yùn)用不同的環(huán)形間隙注漿方式（同步注漿、即時(shí)注漿和補(bǔ)強(qiáng)注漿）充填加固環(huán)向間隙和地層提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。該項(xiàng)研究成果達(dá)到了國內(nèi)先進(jìn)水平。并首次研制和運(yùn)用非惰性漿材實(shí)施同步注漿，施工過程中根據(jù)不同的圍巖條件和地下水狀況有針對性地調(diào)整漿液配比，并采用自動控制程序來控制注漿過程

14、，更好的控制地層的沉降和減少對周圍環(huán)境的影響，達(dá)到國際先進(jìn)水平。,盾構(gòu)同步注漿施工示意圖,7、盾構(gòu)姿態(tài)控制及管片防裂損技術(shù),總結(jié)國內(nèi)外盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)與結(jié)合理論分析，確定該工程盾構(gòu)姿態(tài)控制的基本技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，及管片拼裝過程中防止破損的技術(shù)措施： （1）采用梁-彈簧模型進(jìn)行管片裂損力學(xué)有限元分析，制定相應(yīng)的措施防止管片的開裂和局部破損，在以后的工程廣泛推廣，該技術(shù)達(dá)到了國內(nèi)先進(jìn)水平。 （2）認(rèn)為根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)控制與管片拼裝相互影響，相互制約的兩個過程。盾構(gòu)姿態(tài)控制與管片拼裝應(yīng)以隧道設(shè)計(jì)軸線控制為目標(biāo)，同時(shí)兩者相互協(xié)調(diào)，保證管片拼裝質(zhì)量，避免管片產(chǎn)生破損。,（3）盾構(gòu)姿態(tài)控制的基本原則：以隧道設(shè)計(jì)軸線為目標(biāo)

15、，偏差控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，同時(shí)在掘進(jìn)過程進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整確保不破壞管片。 （4）盾構(gòu)推進(jìn)過程中，依靠千斤頂不斷向前推進(jìn)，為便于軸線控制，將千斤頂設(shè)置分成不同區(qū)域。在切口水壓正確設(shè)定的前提下，應(yīng)嚴(yán)格控制各區(qū)域油壓，同時(shí)控制千斤頂?shù)男谐?，合理糾偏，做到勤糾，減小單次糾偏量，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)沿設(shè)計(jì)軸線方向推進(jìn)。,8.穿越各種復(fù)雜建筑物的地層變形分析 及控制技術(shù)。,采用理論分析與現(xiàn)場實(shí)測等方法。在進(jìn)行理論分析地表沉降時(shí)，著重對力學(xué)效應(yīng)、幾何效應(yīng)、固結(jié)沉降等三種主要原因進(jìn)行研究。力學(xué)效應(yīng)發(fā)生于盾構(gòu)通過前后，主要由于盾構(gòu)周圍及掌子面土體初應(yīng)力場的解除而導(dǎo)致，掌子面應(yīng)力的解除是導(dǎo)致土體位移的主要原因，應(yīng)力場及位移場基

16、本呈三維分布，為對施工進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬，對力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行三維分析。 幾何效應(yīng)及固結(jié)沉降引起地層沉降相對滯后，因?yàn)檫@兩部分應(yīng)力及位移分布基本呈平面狀態(tài)，采用平面應(yīng)變模型。,盾構(gòu)施工力學(xué)效應(yīng)計(jì)算模型,盾構(gòu)管片模型,幾何效應(yīng)及固結(jié)沉降計(jì)算模型,通過研究取得如下成果： （1）提出了在廣州地區(qū)采用盾構(gòu)法施工地鐵隧道，進(jìn)行地表沉降預(yù)測的方法。 （2）得到了廣州地區(qū)盾構(gòu)隧道施工對周邊環(huán)境影響的關(guān)鍵施工參數(shù)。 （3）通過系統(tǒng)監(jiān)測，為廣州地鐵盾構(gòu)施工的安全、高速掘進(jìn)提供必要了技術(shù)保證。如順利通過了廣州火車站站場等對沉降敏感的建筑物（構(gòu)筑物），并將地表隆陷控制在招投標(biāo)文件的規(guī)定+1030mm范圍內(nèi)。 （4）通過盾

17、構(gòu)施工工藝參數(shù)和監(jiān)測資料的分析，對各項(xiàng)地表沉陷機(jī)理及控制措施進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，提出了在廣州地鐵盾構(gòu)施工中的地表沉降控制技術(shù)。 （5）制定出了建筑物沉降控制技術(shù)。 （6）課題的各項(xiàng)研究成果將為我集團(tuán)公司在廣州地區(qū)的后續(xù)施工提供參考。,七、創(chuàng)新點(diǎn),（1）首次研究并選型運(yùn)用了多掘進(jìn)模式的復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)，相比其它類型的盾構(gòu)功能更強(qiáng)、地質(zhì)適應(yīng)性更強(qiáng)且方便、簡單、經(jīng)濟(jì)； （2）在國內(nèi)首次完成了1.5m寬度的盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)、施工，在提高管片拼裝效率、提高結(jié)構(gòu)剛度、提高結(jié)構(gòu)防水性能和降低成本等方面優(yōu)勢明顯，開發(fā)了盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算程序（STCP）； （3）首次系統(tǒng)研究了盾構(gòu)刀盤刀具與地質(zhì)適應(yīng)性的關(guān)系以及不同地質(zhì)、水文條件和環(huán)境條件下的盾構(gòu)掘進(jìn)模式及掘進(jìn)模式轉(zhuǎn)換技術(shù)；,（4）研制的泡沫劑已經(jīng)獲得國家專利并已產(chǎn)品化； （5）首次研究并采用了單線重軌重載編組列車快速運(yùn)輸系統(tǒng)； （6）首次研制和運(yùn)用非惰性漿材實(shí)施