深圳地鐵14號線復雜地質環境下掘進技術的應用

2023年12月7日發(作者：懿德太子)

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新材料·新裝飾2021年1月第3卷第1期深圳地鐵14號線復雜地質環境下掘進技術的應用許迪（中鐵五局電務城通有限責任公司，湖南長沙，410075）摘要院廣深片區作為我國的地質博物館，具有地質情況復雜、地質類型多、變化頻繁的特點。文章闡述了深圳地鐵14號線土建四工區1#風井~大運站區間的工程概況，探究了復雜地質險情及施工方案（溶洞侵入隧道情況及其處置方案），說明了該工程地質中富水硬巖地層狀況及其處理措施，分析了軟硬不均地層狀況及其處理措施，以確保特定環境下盾構掘進技術方案的合理性、安全性，充分有效利用地下空間，有效控制工程風險，為類似工程提供參考。關鍵詞院深圳地鐵；復雜地質環境；掘進技術中圖分類號院U455文獻標志碼院A文章編號院1671-9344(2021)01-0004-03以深圳地鐵14號線土建四工區1#風井～大運站區間為工程實例，介紹在深圳地鐵復雜地質環境下，將盾構掘進存在的問題及應對措施進行匯總。1工程概況大運站～1#風井區間穿越地層主要為微風化石灰巖（長度1431m，實測單軸飽和抗壓強度值為32.9～103.0MPa，平均值為55.77MPa）、局部穿越全強風化砂巖（長度310m）、中風化砂巖（長度144m）、上軟下硬（長度99m），其中穿越的巖溶發育區長約1.5km，其中巖層交界面一共10處，區間地質縱斷面如圖1所示。盾構施工方法以其安全可靠、地層適應性好、施工影響小、機械化程度高、掘進速度快等優點，在城市軌道交通工程中得到了日益廣泛的應用[1-4]。隨著盾構施工技術在我國城市地鐵中的發展，盾構法越來越多地應用到各種復合地層中，尤其是廣深片區作為我國的地質博物館，其地質情況復雜、種類多且變化頻繁，針對復雜的地質條件如軟硬不均、巖溶區、長距離硬巖、富水硬巖等特殊地段，必須對各項掘進參數和施工措施進行及時有效的調整，從而使盾構機在良好的工況下工作，保證掘進工作的安全平穩以及機具設備的經濟有效使用[5-7]。本文1#風井大運站素填土粉質黏土中風化砂巖微風化砂巖微風化砂巖微風化砂巖（土狀）中等風化灰巖微風化石灰巖全風化砂巖礫砂圖1區間地質縱斷面圖2復雜地質險情及施工方案2.1溶洞侵入隧道1#風井～大運站區間左線于掘進274環過程中，刀盤附近無重要管線，該段巖溶專勘在隧道邊界外3m揭露到184、185#溶洞，以及280環處有F11推測斷層。地層中含水量突然增多，尾端300mm掘進困難，最終水土合計折算水土超排18.6方。約為96.6方，為了控制地下水及適應地層壓力變化，需增加土倉壓力及土氣比例，前400mm行程上部土倉壓力能穩定在2.4bar，之后土倉壓力異常增加，掘進至535mm時，土倉壓力已增至3.2bar，且渣樣含泥量明顯加大，出土明顯超排，折算理論超方6.8方，總超挖約37.4方。監測數據顯示刀盤前方監測點沉降速率約為2.8mm/d。2.2溶洞侵入隧道處置方案（1）地面防坍塌預案。為了避免安全事故發生，應立即啟動地面防坍塌預案，建立隔離帶，防止車輛、行人進入危險區域。并將備用鉆機、注漿機等應急注漿設備一同放置在封閉圍擋內。同時，將水鉆、發電機拉至刀盤附近，DOI:10.12203/.1671-9344.202101002作者簡介：許迪（1988—），男，漢族，湖南新化人，工程師，學士。研究方向：隧道建設。-4-新材料·新裝飾2021年1月第3卷第1期對監測點進行加密，并使用洛陽鏟在超方位置進行探孔。（2）緊急探測措施及補勘。地質雷達能夠適應較為開闊的地面環境，且具有探測快、無需打鑿探孔的優點，尤其適用于突發的地質情況中。針對上述未探明的地質情況，應使用地質雷達對刀盤位置附近的地面、超方位置以及附近溶洞位置進行詳細掃描、補勘探明該位置的地質狀況，巖溶發育地質檢測結果如表1所示。表1巖溶發育地質檢測結果測線位置檢測方向測試深度（m）問題描述備注273～316環從南往北方向檢測15雷達圖像上未見不良地質—443～510環從南往北方環，埋深6～8m向檢測15454存在地層不密實—516環從西往東方雷達圖像上未向檢測15見不良地質橫斷面536～570環從南往北方雷達圖像上未向檢測15見不良地質—根據上表分析可知，273～316環檢測結果顯示地下15m范圍內未見明顯的巖溶溶洞存在。根據274、275掘進參數及渣樣分析，地質明顯突變，為此進行應急鉆探補勘。在地面使用鉆機對刀盤附近進行鉆探，其中2～5#、13#、22#深度為37m，用來探測是否存在溶洞、溶洞大小及位置；7～11#孔打至硬巖，探測184溶洞上方覆土深度，6#孔深度為24m，用來探測盾體上方是否有因超方引起的空洞；18～21#孔打至硬巖，用來探測前方巖層上方覆土深度共18個孔，補勘平面布置如圖2所示。圖2補勘平面布置圖在現場補勘取芯的過程中，邀請地質專家查看芯樣情況，并根據此次應急補勘孔情況結合地勘資料進行了內部分析會，會上確定了R184#主溶洞沿F11斷層發育連通至隧道掌子面，且為串珠式溶洞；隧道范圍內溶洞較小，溶洞頂板及頂板以上覆土較厚，刀盤前方基巖面較高，同時近期地面沉降及溶洞附近建構筑物沉降監測情況無異常，復推后應采取如下措施。通過分析應急補勘孔情況后發現，侵入隧道范圍內溶洞較小，刀盤前方溶洞頂板及覆蓋層較厚，地面及附近房屋監測無異常，建議復推；復推后控制土倉壓力，盡量減少溶洞內填充物流失，但掘進過程中出現超方仍不可避免；在掘進過程中，安排專人24小時對刀盤周圍30m范圍內進行巡視，同時每2小時對地面、房屋以及R184溶洞監測點進行監測；如果超方嚴重或監測數據出現較大異常，再停止推進，利用補勘孔對隧頂1m以上地層進行加固。3富水硬巖地層3.1富水硬巖地層狀況1#風井自第281環進入全斷面硬巖地層后，采用空倉推進，在第294環推進200mm行程后，土倉壓力由0.6bar迅速漲到1.9bar，同時推力、扭矩明顯增大，掘進速度明顯降低。從收集的渣樣看基本為微風化灰巖，如圖3所示。圖3清洗后渣樣3.2處理措施①放水。推進前在人倉閥門以及盾尾后方管片開孔放水，將土倉及盾構機后方的清水外排。②渣土改良。主要采用聚合物材料對渣土進行改良，操作方法為利用膨潤土注入泵將聚合物，以增加渣土和易性，并控制螺機噴涌。③更換皮帶擋泥膠皮。為減少皮帶底部漏渣情況，需及時更換皮帶擋泥膠皮。④改良同步注漿材料。在盾構推進過程中同步加大注漿量，在盾尾后第2環預埋注漿頭處接入雙液注漿機管路，并注入水玻璃漿。在AB料漿液注入系統投入使用后，攪拌站根據砂漿配比進行拌制，每方砂漿按該配比加入A料15kg；B臺車的專門設備中按照B料頤水=1頤1的比例配制B液，每方砂漿配制B液30kg，當帶有A液的水泥砂漿與B液混合后，可以大大減少漿液凝固時間，避免漿液被水沖散。4軟硬不均地層4.1軟硬不均地層狀況當盾構機在軟硬不均的地層中掘進時，刀盤刀具在軟硬不均的巖面做周期性的碰撞，使刀盤刀具受到較大的沖擊力，容易造成局部刀具磨損嚴重、受力超載，從而-5-導致刀圈崩裂、脫落。同時，由于掘進速度慢、掘進時間長，刀具長時間切削巖土釋放的熱量高，導致刀盤、刀具以及整個土倉溫度升高，會加劇刀盤刀具的磨損以及刀盤結泥餅，對盾構機工作狀態非常不利。為此，在確保掌子面穩定的前提下，需要進入土倉內了解工作面軟硬不均程度，以確定掘進推力的大小和滾刀材質的選擇，避免刀具超載工作而造成刀圈崩刃、軸承失效等不正常損壞。另外，在盾構機掘進時，應合理適量地注入泡沫或膨潤土改良渣土以增加渣土的流塑性，便于在螺旋機出渣的同時起到潤滑冷卻刀具、減輕對刀具磨損的作用，從而減少換刀頻次、提高整體掘進效率。當1#風井～大運站區間左線在軟硬不均地層的掘進中，掘進速度下降至2mm/min，已無法推到預設常壓換刀處，必須要在這里進行開倉，距離上次換刀掘進了56環。此處隧頂埋深32.6m，地勘資料顯示洞身范圍內主要為土狀強風化砂巖，實際渣樣為強風化砂巖、微風化砂巖，決定嘗試常壓開倉，打開螺機進行泄壓、放水。監測數據反饋累計最大點388環，為－45.87mm，最大速率點為408環，為15.40mm/d，初步分析是因進行開倉準備工作的泄壓、放水引起地層的擾動，且地表以下存在礫砂層，對地層的擾動較為敏感，其反應速度快，導致沉降速率及累計值超限。4.2處理措施為了避免在盾構掘進過程中發生刀具嚴重磨損，同時避免異常磨損，應合理設置開倉換刀點、設定合理的施工參數，同時針對深圳地層復雜的特性增加地質補勘以及對不良地質加固措施，確保盾構機能夠順利通過軟硬不均地層。（1）增加補勘。①布孔原則。在左右線隧道外邊線進行布孔，利用已有的溶洞取芯孔以及地勘孔，增設補勘孔，呈梅花形布置，保證線路每5環有一個可揭露地層的勘探孔。根據平面位置和巖溶發育區分布情況，左線原有地勘孔100個，可以利用的溶洞取芯孔15個，需新增71個孔，合計186個；右線原有地勘孔106個，可利用的溶洞取芯孔18個，需新增63個孔，合計187個。②孔深。鉆孔深度至隧道底部1m，如果補勘取芯一直為中微風化灰巖，調整為隧道范圍入巖1m。（2）預加固。①注漿原則。一是若補勘孔揭露隧道范圍內為全斷面中微風化或全溶洞，則不進行注漿加固；二是若補勘揭露到軟弱不均地層和溶洞區域，則進行補強注漿加固。②計劃換刀點如果遇到軟弱不均地層或全溶洞區域，則進行注漿加固。③注漿范圍及壓力控制。如意路、新屯工業園、愛聯小區3個掘進區域使用水泥—水-6-新材料·新裝飾2021年1月第3卷第1期玻璃雙液漿進行后退式注漿。龍崗大道采用水泥單液漿進行后退式注漿。注漿范圍是隧底1m到隧頂以上3m，即深度為30～41m，若存在溶洞則根據溶洞位置適當增加注漿范圍。注漿壓力控制為1.2～1.5MPa。（3）超前探測。采用HSP、跨孔CT和地質雷達等手段對前方地質情況進行探明，進一步指導施工。（4）換刀及刀具管理。①軟硬不均地層按照為不具備常壓條件開倉每30環/處設置開倉檢查點（提前做好加固），全斷面硬巖地層按照5～10環/處設置開倉檢查點。②在預設換刀點處補勘孔揭露隧道范圍內如果遇到軟弱不均地層或全溶洞區域，則進行注漿加固。③由刀具廠商技術人員組成刀具管理小組，并配備刀具維修車間，對每一臺盾構機的刀具使用情況進行跟蹤及總結。5結語廣深片區作為我國地質博物館，地質情況具有復雜、種類多、變化頻繁的特點，本文以深圳地鐵14號線土建四工區1#風井～大運站區間為依托，得出以下主要結論。①在項目前期籌備階段，應提前對地層進行補勘，明確隧道的地質情況，合理設置換刀點，對不良地質提前進行加固。②在施工階段，應做好應急預案以及應急物資設備的準備，同時在地面安排專人巡視，發現異常時第一時間處理。③在盾構掘進階段，應提高現場管理人員對地層、參數的敏感性，及時調整掘進參數或者開倉檢修刀具，避免被動開倉，保證盾構掘進的連續性。參考文獻院[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,sofAtterberglimitsder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