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软硬不均地层及复杂环境隧道复合盾构的研究与掘进技术中铁隧道集团有限公司２００７年１０月一、工程概况广州地铁二号线【越～三区间隧道】盾构工程包括越秀公园站至广州火车站、广州火车站至三元里站两个区间双孔隧道。最小曲线半径400m。两个区间均为“V”形坡，最大坡度30‰，隧道上方覆土厚度最大约28m，最小约9m。越~三区间隧道平面位置图二、工程地质及水文地质1、洞身通过的工程地质越~火区间隧道80%的地段埋置于岩层中，仅有20%的洞体处在断裂带和土石混合层中。穿越地层大部分是强风化岩7及中风化岩8、及微风化岩9、有少部分为全风化岩6、残积土层5-2和断裂破碎带。火~三区间隧道穿越地层大部分是中风化岩〈8〉、强风化岩〈7〉和微风化岩〈9〉、其次为全风化岩〈6〉和残积土层〈5-2〉。在洞身范围内，基本呈上软下硬。2、水文地质概况主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水两种。隧道穿过广从断裂和走马岗断裂，断裂破碎带富水，稳定性差。越~三区间隧道纵断面图三、工程周边环境整个区间隧道的地表建筑物密集，地面交通繁忙，地下管线复杂，共穿越135栋建筑物，其中四层楼以上的建筑物31栋，最高为7层。整个区间隧道穿越的各种地下管线达56条。四、工程的重点与难点1.工期紧，每台盾构机月掘进指标达230米/月;2.盾构穿越铁路车站轨道，对沉陷控制要求特别严格;3.盾构穿越断层破碎带：该断层带是由岩体破碎，由角砾和碎块岩组成，地层无自稳能力，且地下水富集，有突水涌泥的可能。4.盾构推进方向控制难：由于岩层软硬不均，推力和扭矩变化较大，使盾构掘进机推进中的轴线控制和推进操作有相当大难度。尤其是当软硬不均匀地层分布于曲线段和线路坡度较大洞段时，更加大了盾构掘进和轴线控制的难度。5.盾构穿越线路曲线多：本标段区间隧道最小曲线半径400m，曲线长度大约占46%，越秀公园（体育大厦）～广州火车站区间有两段反向曲线，且隧道纵坡分段多，变化大，在竖曲线和平曲线、缓和曲线上施工，方向控制难。6.碴的粒径大，出碴困难：岩层分界面起伏较大，掘进工作面软硬不均，不但掘进方向控制难，掘进参数调整要求高，而且各种地层岩石与土体产生的碴的粒径差异大、不均匀，可能造成出碴因难，影响螺旋输送机的使用效率，因此应选择适宜的出碴系统。六、主要研究内容与关键技术（1）适应软硬不均地层的盾构机的研究设计；（2）1.5m环宽管片结构与防水设计技术；（3）不同地层盾构掘进及模式转换技术；（4）环形间隙同步注浆技术；（5）盾构姿态控制及管片防裂损技术；（6）渣土改良技术；（7）重载快速运输设备研制与应用技术；（8）穿越各种复杂建筑物的地层变形分析及控制技术。（1）适应软硬不均地层的盾构机的研究设计盾构机盾构机的标称直径最大掘进速度最大掘进力Φ6.280[mm]80[mm/min]30.100[kN]前盾除耐磨层以外的外径耐磨层前盾长度盾壳钢厚度隔板钢厚度Φ6.250[mm]2×5[mm]ca.1.700[mm]60[mm]80[mm]中部盾壳外径长度Φ6.240[mm]ca.2.580[mm]根据工程的围岩条件、周边环境、断面尺寸、隧道长度、隧道线路、工期等因素，结合开挖和衬砌方式，经过安全性、技术性、经济性比较后确定，适应该工程的盾构机关键部件设计见下表。刀盘整个刀盘标称直径旋转方向Φ6.280[mm]右/左刀具切刀数量硬岩用盘形刀双刃盘刀数量（可和在岩石疏松条件下的齿刀互换）双刃齿刀数量（可和硬岩条件下的盘形刀互换）刮刀数量仿形盘刀64St.14St.14St.2St.1St.复合式盾构图2.1.5m环宽管片结构与防水设计技术在国内首次采用1.5m环宽管片，和国内常用的1.0m、1.2m环宽管片相比，提高了管片拼装效率和管片的整体刚度，提高了管片的防水性能，降低了成本，在国内处于领先水平。本课题开发了盾构隧道结构计算程序（STCP），程序综合考虑了这四种计算模型，能够根据输入的地层、地下水和地面超载情况按全覆土和泰沙基土压力理论采用水土分算或水土合算模式进行荷载计算，接近国际先进水平。管片制作C50、S12钢筋混凝土结构内径5400mm、外径6000mm、宽度1500mm蒸气养护水养池三环水平拼装管片抗渗试验光面处理管片钢筋笼3.不同地层盾构掘进及模式转换技术；根据工程水文地质状况和复杂周边环境，盾构机具有敞开式、半敞开式以及全封闭土压平衡式（EPB式）掘进模式，以适应硬岩地层、含水软岩以及软硬混合地层的掘进，并达到盾构机的最佳工作状态。同时，在EPB模式下，足够的土压平衡调节能力可有效的平衡周围土体的静水压力和土压力，保证开挖面的稳定。配合可靠的同步注浆系统，必要的二次补充注浆，以及后期地层注浆加固技术等辅助工法，可将地表隆陷控制在规定的范围之内，从而确保安全通过桩基群、广州火车站站场、广从断裂等特殊区段。敞开模式（1）敞开式掘进模式盾构穿过〈8〉、〈9〉岩层中，且渗水量较小的情况下，采用“敞开式”作业。在敞开式掘进模式下开挖刀具破碎隧道掌子面的岩层，破碎的碴石通过刀具上的卸碴口进入位于刀盘后的开挖仓。岩碴落到开挖仓的底部后，通过位于开挖仓底部的螺旋输送机传送出来。在开挖仓的底部，要有足够的岩碴供输送机螺旋出碴用，开挖仓的其他空间是空的。在“敞开式”作业方式下，土仓通过螺旋输送机的卸料口与隧道相通。3.1.盾构掘进模式与关键掘进参数（2）半敞开式掘进模式：当隧道穿过〈8〉、〈9〉岩层中,且含水水压为1～1.5Bar，掌子面可以稳定的地层中时，采用半敞开式掘进模式进行掘进。半敞开式作业时隧道掘进速度近似于敞开式作业。位于刀盘和承压板之间的混合仓一部分是岩碴，一部分为压缩空气。半敞开式作业的开挖和推进与敞开式作业基本一致。半敞开式模式（3）EPB掘进模式EPB模式用于围岩不稳定、水压压力高、水量大时采用。隧道穿过地层处于〈4〉、〈5〉、〈6〉不稳定地层和〈7〉号地层中；b、隧道穿过断裂构造带时；当地层可能有较大涌水时。透水性低时，在开挖时可加入泡沫/膨润土对岩土进行改良，使之具有这些特性。当利用螺旋输送机把岩碴从加压的开挖仓中排到隧道中去时，隧道处于大气压状态下，因此岩土必须具有较低的透水性。地下水压＋土压=土仓压力土压平衡模式模式（1）稳定地层盾构掘进的基本参数如下：推力应为：P=800~1200t；刀具的贯入度：6~10mm；转速：2~3rpm；掘进速度：30~40mm/min3.2掘进参数（2）不稳定地层盾构掘进的基本参数如下：推力应为：1200~1600t；扭矩：320~412t.m；刀盘的转速：1.6~2.2rpm刀具的贯入度：10~15mm；掘进速度：30~50mm/min（3）软硬不均地层盾构掘进的基本参数如下：推力应为：1000~2000t；扭矩：450~500t.m；刀盘的转速：1.0rpm左右刀具的贯入度：不宜超过5mm；掘进速度：15~30mm/min右线(m/%)三元里~广州站广州站~越秀公园合计EPB模式410/39.0160/17.7570/29.2半开敞模式137/13.3325/35.9462/23.7开敞模式499/47.7420/46.4919/47.1各种工况长度及比例见下表（右线）3.3掘进模式转换的关键技术掘进模式的确定主要是根据盾构隧道所穿越的地层的稳定性和地下水状况，并结合隧道上部的环境来决定。掘进模式的转换主要由工作面的稳定性和地表环境对地层沉陷的要求控制，而转换掘进模式方法主要由以下几个因素决定：掘进速度、排碴速度、供气速度，不同掘进模式之间的转换主要包括：（1）敞开式与半敞开式的相互转换（2）敞开模式与土压平衡模式的相互转换（3）半敞开式与土压平衡式的相互转换4.新型泡沫剂研制与渣土改良技术本课题对国内外碴土改良技术进行了全面的研究，在国内首次系统研究并应用新型泡沫剂，通过调研、试验研究、现场试验和产品使用，发泡剂研制及碴土改良技术的研究均达到了预期目的，取得了预期成果。这种泡沫剂使用后在一定时间内自动挥发，属于绿色产品，并已推广应用，达到了国际先进水平。4.1新型泡沫剂研制泡沫溶液的组成：泡沫添加剂3%，水97%泡沫添加剂：泡沫剂0.75～1.5L和聚合体300～600g泡沫组成：90～95%压缩空气和5～10%泡沫溶液混合而成，有时根据泥土的状况和土仓内的土压，进一步提高泡沫与压缩空气的比率。泡沫的注入量按开挖方量计算：300～600L/m3。ZSK一1型发泡剂的主要性能：（1）减少渗漏，加强工作面的密封性；（2）在土壤中造成塑性变形，以提供均匀可控的支撑压及工作面的稳定性；（3）降低内磨擦力，减少土壤在刀盘、螺旋运输机、运输带的磨损，降低能耗；（4）使土体易于分离、运输，同时降低了磨损成本；（5）降低土体的赫度，防止堵塞的发生；（6）在岩土隧道及矿山施工中作为粉尘抑制剂；`膨润土系统接口M回转机构刀盘土压传感器M盾壳压缩空气螺旋输送机水泵泡沫剂泵泡沫发生器盾构后配套泡沫剂箱水箱泡沫及膨润土系统示意图4.2碴土改良方法在盾构机掘进过程中，主要通过向刀盘、土仓、螺旋输送机内注入膨润土泥浆、泡沫剂、水或聚合物进行碴土改良。根据国内外的使用经验，优先采用泡沫剂碴土改良。5、重载快速运输设备研制与应用技术越三区间盾构隧道首先研制采用单线重轨重载编组列车运输技术，和国内的四轨三线制相比，具有运输速度快、费用低、管理简便等优点。但是这种技术工序的适应性差，当工序脱节时，难以临时调度弥补，施工中仍需要完善的调度。这项技术等已获国家专利，其技术和产品已在多个工程应用，在国际上也处于先进水平。施工水平运输系统采用轨距９００mm的单线编组：３５吨交直流电机车牵引５辆１８m3的碴车，一辆６m3的砂浆车，２辆管片车和１辆材料车，每掘进拼装一循环用一列车运输．单线重轨重载编组列车洞内单线重轨布置6.环形间隙同步注浆技术通过室内试验与现场实验，针对盾构施工中可能产生的地层稳定和环境影响问题，深入地研究了注浆方式、注浆参数与盾构的掘进模式、技术参数、地层的软硬程度和自稳能力之间的关系，对在不同条件下运用不同的环形间隙注浆方式（同步注浆、即时注浆和补强注浆）充填加固环向间隙和地层提供了理论依据和技术支持。该项研究成果达到了国内先进水平。并首次研制和运用非惰性浆材实施同步注浆，施工过程中根据不同的围岩条件和地下水状况有针对性地调整浆液配比，并采用自动控制程序来控制注浆过程，更好的控制地层的沉降和减少对周围环境的影响，达到国际先进水平。盾构同步注浆施工示意图盾尾注浆管盾尾浆液注入范围水泥普通硅酸盐水泥42.5粉煤灰一般二级膨润土95％通过200目筛，膨胀率18—20ml/g砂细砂，通过5mm筛孔水生活用水外掺剂泵送剂（ND-105）7、盾构姿态控制及管片防裂损技术总结国内外盾构施工经验与结合理论分析，确定该工程盾构姿态控制的基本技术标准，及管片拼装过程中防止破损的技术措施：（1）采用梁-弹簧模型进行管片裂损力学有限元分析，制定相应的措施防止管片的开裂和局部破损，在以后的工程广泛推广，该技术达到了国内先进水平。（2）认为根据盾构姿态控制与管片拼装相互影响，相互制约的两个过程。盾构姿态控制与管片拼装应以隧道设计轴线控制为目标，同时两者相互协调，保证管片拼装质量，避免管片产生破损。（3）盾构姿态控制的基本原则：以隧道设计轴线为目标，偏差控制在设计范围内，同时在掘进过程进行盾构姿态调整确保不破坏管片。（4）盾构推进过程中，依靠千斤顶不断向前推进，为便于轴线控制，将千斤顶设置分成不同区域。在切口水压正确设定的前提下，应严格控制各区域油压，同时控制千斤顶的行程，合理纠偏，做到勤纠，减小单次纠偏量，实现盾构沿设计轴线方向推进。8.穿越各种复杂建筑物的地层变形分析及控制技术。采用理论分析与现场实测等方法。在进行理论分析地表沉降时，着重对力学效应、几何效应、固结沉降等三种主要原因进行研究。力学效应发生于盾构通过前后，主要由于盾构周围及掌子面土体初应力场的解除而导致，掌子面应力的解除是导致土体位移的主要原因，应力场及位移场基本呈三维分布，为对施工