深圳地铁14号线复杂地质环境下掘进技术的应用

2023年12月7日发(作者：懿德太子)

-

新材料·新装饰2021年1月第3卷第1期深圳地铁14号线复杂地质环境下掘进技术的应用许迪（中铁五局电务城通有限责任公司，湖南长沙，410075）摘要院广深片区作为我国的地质博物馆，具有地质情况复杂、地质类型多、变化频繁的特点。文章阐述了深圳地铁14号线土建四工区1#风井~大运站区间的工程概况，探究了复杂地质险情及施工方案（溶洞侵入隧道情况及其处置方案），说明了该工程地质中富水硬岩地层状况及其处理措施，分析了软硬不均地层状况及其处理措施，以确保特定环境下盾构掘进技术方案的合理性、安全性，充分有效利用地下空间，有效控制工程风险，为类似工程提供参考。关键词院深圳地铁；复杂地质环境；掘进技术中图分类号院U455文献标志码院A文章编号院1671-9344(2021)01-0004-03以深圳地铁14号线土建四工区1#风井～大运站区间为工程实例，介绍在深圳地铁复杂地质环境下，将盾构掘进存在的问题及应对措施进行汇总。1工程概况大运站～1#风井区间穿越地层主要为微风化石灰岩（长度1431m，实测单轴饱和抗压强度值为32.9～103.0MPa，平均值为55.77MPa）、局部穿越全强风化砂岩（长度310m）、中风化砂岩（长度144m）、上软下硬（长度99m），其中穿越的岩溶发育区长约1.5km，其中岩层交界面一共10处，区间地质纵断面如图1所示。盾构施工方法以其安全可靠、地层适应性好、施工影响小、机械化程度高、掘进速度快等优点，在城市轨道交通工程中得到了日益广泛的应用[1-4]。随着盾构施工技术在我国城市地铁中的发展，盾构法越来越多地应用到各种复合地层中，尤其是广深片区作为我国的地质博物馆，其地质情况复杂、种类多且变化频繁，针对复杂的地质条件如软硬不均、岩溶区、长距离硬岩、富水硬岩等特殊地段，必须对各项掘进参数和施工措施进行及时有效的调整，从而使盾构机在良好的工况下工作，保证掘进工作的安全平稳以及机具设备的经济有效使用[5-7]。本文1#风井大运站素填土粉质黏土中风化砂岩微风化砂岩微风化砂岩微风化砂岩（土状）中等风化灰岩微风化石灰岩全风化砂岩砾砂图1区间地质纵断面图2复杂地质险情及施工方案2.1溶洞侵入隧道1#风井～大运站区间左线于掘进274环过程中，刀盘附近无重要管线，该段岩溶专勘在隧道边界外3m揭露到184、185#溶洞，以及280环处有F11推测断层。地层中含水量突然增多，尾端300mm掘进困难，最终水土合计折算水土超排18.6方。约为96.6方，为了控制地下水及适应地层压力变化，需增加土仓压力及土气比例，前400mm行程上部土仓压力能稳定在2.4bar，之后土仓压力异常增加，掘进至535mm时，土仓压力已增至3.2bar，且渣样含泥量明显加大，出土明显超排，折算理论超方6.8方，总超挖约37.4方。监测数据显示刀盘前方监测点沉降速率约为2.8mm/d。2.2溶洞侵入隧道处置方案（1）地面防坍塌预案。为了避免安全事故发生，应立即启动地面防坍塌预案，建立隔离带，防止车辆、行人进入危险区域。并将备用钻机、注浆机等应急注浆设备一同放置在封闭围挡内。同时，将水钻、发电机拉至刀盘附近，DOI:10.12203/.1671-9344.202101002作者简介：许迪（1988—），男，汉族，湖南新化人，工程师，学士。研究方向：隧道建设。-4-新材料·新装饰2021年1月第3卷第1期对监测点进行加密，并使用洛阳铲在超方位置进行探孔。（2）紧急探测措施及补勘。地质雷达能够适应较为开阔的地面环境，且具有探测快、无需打凿探孔的优点，尤其适用于突发的地质情况中。针对上述未探明的地质情况，应使用地质雷达对刀盘位置附近的地面、超方位置以及附近溶洞位置进行详细扫描、补勘探明该位置的地质状况，岩溶发育地质检测结果如表1所示。表1岩溶发育地质检测结果测线位置检测方向测试深度（m）问题描述备注273～316环从南往北方向检测15雷达图像上未见不良地质—443～510环从南往北方环，埋深6～8m向检测15454存在地层不密实—516环从西往东方雷达图像上未向检测15见不良地质横断面536～570环从南往北方雷达图像上未向检测15见不良地质—根据上表分析可知，273～316环检测结果显示地下15m范围内未见明显的岩溶溶洞存在。根据274、275掘进参数及渣样分析，地质明显突变，为此进行应急钻探补勘。在地面使用钻机对刀盘附近进行钻探，其中2～5#、13#、22#深度为37m，用来探测是否存在溶洞、溶洞大小及位置；7～11#孔打至硬岩，探测184溶洞上方覆土深度，6#孔深度为24m，用来探测盾体上方是否有因超方引起的空洞；18～21#孔打至硬岩，用来探测前方岩层上方覆土深度共18个孔，补勘平面布置如图2所示。图2补勘平面布置图在现场补勘取芯的过程中，邀请地质专家查看芯样情况，并根据此次应急补勘孔情况结合地勘资料进行了内部分析会，会上确定了R184#主溶洞沿F11断层发育连通至隧道掌子面，且为串珠式溶洞；隧道范围内溶洞较小，溶洞顶板及顶板以上覆土较厚，刀盘前方基岩面较高，同时近期地面沉降及溶洞附近建构筑物沉降监测情况无异常，复推后应采取如下措施。通过分析应急补勘孔情况后发现，侵入隧道范围内溶洞较小，刀盘前方溶洞顶板及覆盖层较厚，地面及附近房屋监测无异常，建议复推；复推后控制土仓压力，尽量减少溶洞内填充物流失，但掘进过程中出现超方仍不可避免；在掘进过程中，安排专人24小时对刀盘周围30m范围内进行巡视，同时每2小时对地面、房屋以及R184溶洞监测点进行监测；如果超方严重或监测数据出现较大异常，再停止推进，利用补勘孔对隧顶1m以上地层进行加固。3富水硬岩地层3.1富水硬岩地层状况1#风井自第281环进入全断面硬岩地层后，采用空仓推进，在第294环推进200mm行程后，土仓压力由0.6bar迅速涨到1.9bar，同时推力、扭矩明显增大，掘进速度明显降低。从收集的渣样看基本为微风化灰岩，如图3所示。图3清洗后渣样3.2处理措施①放水。推进前在人仓阀门以及盾尾后方管片开孔放水，将土仓及盾构机后方的清水外排。②渣土改良。主要采用聚合物材料对渣土进行改良，操作方法为利用膨润土注入泵将聚合物，以增加渣土和易性，并控制螺机喷涌。③更换皮带挡泥胶皮。为减少皮带底部漏渣情况，需及时更换皮带挡泥胶皮。④改良同步注浆材料。在盾构推进过程中同步加大注浆量，在盾尾后第2环预埋注浆头处接入双液注浆机管路，并注入水玻璃浆。在AB料浆液注入系统投入使用后，搅拌站根据砂浆配比进行拌制，每方砂浆按该配比加入A料15kg；B台车的专门设备中按照B料颐水=1颐1的比例配制B液，每方砂浆配制B液30kg，当带有A液的水泥砂浆与B液混合后，可以大大减少浆液凝固时间，避免浆液被水冲散。4软硬不均地层4.1软硬不均地层状况当盾构机在软硬不均的地层中掘进时，刀盘刀具在软硬不均的岩面做周期性的碰撞，使刀盘刀具受到较大的冲击力，容易造成局部刀具磨损严重、受力超载，从而-5-导致刀圈崩裂、脱落。同时，由于掘进速度慢、掘进时间长，刀具长时间切削岩土释放的热量高，导致刀盘、刀具以及整个土仓温度升高，会加剧刀盘刀具的磨损以及刀盘结泥饼，对盾构机工作状态非常不利。为此，在确保掌子面稳定的前提下，需要进入土仓内了解工作面软硬不均程度，以确定掘进推力的大小和滚刀材质的选择，避免刀具超载工作而造成刀圈崩刃、轴承失效等不正常损坏。另外，在盾构机掘进时，应合理适量地注入泡沫或膨润土改良渣土以增加渣土的流塑性，便于在螺旋机出渣的同时起到润滑冷却刀具、减轻对刀具磨损的作用，从而减少换刀频次、提高整体掘进效率。当1#风井～大运站区间左线在软硬不均地层的掘进中，掘进速度下降至2mm/min，已无法推到预设常压换刀处，必须要在这里进行开仓，距离上次换刀掘进了56环。此处隧顶埋深32.6m，地勘资料显示洞身范围内主要为土状强风化砂岩，实际渣样为强风化砂岩、微风化砂岩，决定尝试常压开仓，打开螺机进行泄压、放水。监测数据反馈累计最大点388环，为－45.87mm，最大速率点为408环，为15.40mm/d，初步分析是因进行开仓准备工作的泄压、放水引起地层的扰动，且地表以下存在砾砂层，对地层的扰动较为敏感，其反应速度快，导致沉降速率及累计值超限。4.2处理措施为了避免在盾构掘进过程中发生刀具严重磨损，同时避免异常磨损，应合理设置开仓换刀点、设定合理的施工参数，同时针对深圳地层复杂的特性增加地质补勘以及对不良地质加固措施，确保盾构机能够顺利通过软硬不均地层。（1）增加补勘。①布孔原则。在左右线隧道外边线进行布孔，利用已有的溶洞取芯孔以及地勘孔，增设补勘孔，呈梅花形布置，保证线路每5环有一个可揭露地层的勘探孔。根据平面位置和岩溶发育区分布情况，左线原有地勘孔100个，可以利用的溶洞取芯孔15个，需新增71个孔，合计186个；右线原有地勘孔106个，可利用的溶洞取芯孔18个，需新增63个孔，合计187个。②孔深。钻孔深度至隧道底部1m，如果补勘取芯一直为中微风化灰岩，调整为隧道范围入岩1m。（2）预加固。①注浆原则。一是若补勘孔揭露隧道范围内为全断面中微风化或全溶洞，则不进行注浆加固；二是若补勘揭露到软弱不均地层和溶洞区域，则进行补强注浆加固。②计划换刀点如果遇到软弱不均地层或全溶洞区域，则进行注浆加固。③注浆范围及压力控制。如意路、新屯工业园、爱联小区3个掘进区域使用水泥—水-6-新材料·新装饰2021年1月第3卷第1期玻璃双液浆进行后退式注浆。龙岗大道采用水泥单液浆进行后退式注浆。注浆范围是隧底1m到隧顶以上3m，即深度为30～41m，若存在溶洞则根据溶洞位置适当增加注浆范围。注浆压力控制为1.2～1.5MPa。（3）超前探测。采用HSP、跨孔CT和地质雷达等手段对前方地质情况进行探明，进一步指导施工。（4）换刀及刀具管理。①软硬不均地层按照为不具备常压条件开仓每30环/处设置开仓检查点（提前做好加固），全断面硬岩地层按照5～10环/处设置开仓检查点。②在预设换刀点处补勘孔揭露隧道范围内如果遇到软弱不均地层或全溶洞区域，则进行注浆加固。③由刀具厂商技术人员组成刀具管理小组，并配备刀具维修车间，对每一台盾构机的刀具使用情况进行跟踪及总结。5结语广深片区作为我国地质博物馆，地质情况具有复杂、种类多、变化频繁的特点，本文以深圳地铁14号线土建四工区1#风井～大运站区间为依托，得出以下主要结论。①在项目前期筹备阶段，应提前对地层进行补勘，明确隧道的地质情况，合理设置换刀点，对不良地质提前进行加固。②在施工阶段，应做好应急预案以及应急物资设备的准备，同时在地面安排专人巡视，发现异常时第一时间处理。③在盾构掘进阶段，应提高现场管理人员对地层、参数的敏感性，及时调整掘进参数或者开仓检修刀具，避免被动开仓，保证盾构掘进的连续性。参考文献院[1]LIAOvironmentSM,LIUJH,undergroundprotectionWANGspacetechnologyinShanghaiRL,groundtunnelingtrenchless[J].Tunnellingandentechnolo&原gyrearch,2009,24(4):454-465.原[2]modellingWUHN,ofSHENshieldSL,LIAOSM,udinalstructuraltweengmentalringstunnelsconsideringshearingdislocationbe原[3]Technology,2015(50):317-323.[J].TunnellingandUndergroundSpacetunnelingTHEWES-anM,ngfactorforofminimizationtheannularofgapttlementsinshieldand[4]Congressproduction2009inperformance[J].InBudapest,dingsofWorldTunnelandLIUPF,WANGSY,GEL,sofAtterberglimitsdergroundditioningelectrochemicalagents.岩溶Spacefor地层中Technology,2018(73):aviorsshieldoftunnelling[J].TunnellingclayswithdispersantsandasconUn原原[5]大郑映旭学,2020.盾构隧道的影响特性研究[D].广州:广州[6]陈研究庆,[J].高中燕山,朱煜珣大学学.地报铁(自建然设科运学营版期),2019(10):49-58.的地质风险可拓评估模型[7]雷金研究山[D]..广长沙州地:中铁南隐大伏学型,2014.岩溶地基稳定性分析及充填处理技术

-