微风化砂岩及砂砾岩地层盾构掘进技术探讨.docx

微风化砂岩及砂砾岩地层盾构掘进技术探讨珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段［沙涌站〜沙园站］区间盾构隧道穿越俗称“磨刀石”地层的微风化砂岩、砂砾岩地层，该地层具有抗压强度高、 岩石质量高及石英含量高的特点通过对该地层进行一系列的分析及盾构刀盘加 固改造、刀具配置及盾构掘进参数的设计，取得了良好的阶段性效果，引发对相 同地层的技术探讨标签：微风化砂岩；砂砾岩；盾构推进参数控制；开仓换刀；刀具配置0 引言随着我国城市化的快速发展，地面交通系统已经越发的繁忙，地下轨道交通 作为城市的重要资源已經得到了广泛重视，地下轨道交通的施工技术也日新月 异，其中盾构法施工具有地层适应范围广、施工效率高、安全质量可靠等优点， 已在我国地下轨道交通施工工程中得到了普遍的使用现以珠江三角洲城际快速 轨道交通广州至佛山段［沙涌站〜沙园站］区间隧道盾构穿越微风化砂岩、砂砾岩 为例，阐述盾构机在微风化砂岩、砂砾岩地层中的掘进技术，以供探讨和参考1 工程概况1.1 设计概况珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段 ［沙涌站〜沙园站］区间隧道采 用盾构法施工，区间双线总长2954.577m，隧道埋深15〜28m，平面最大转弯半 径300m，最大坡度27%。

盾构机从沙涌站始发，下穿芳村大道、沙涌河、沙涌 水闸、珠江主航道后，下穿光大花园密集建筑物，最后到达沙园站吊出井，完成 区间隧道的盾构掘进任务1 .2地质概况隧道穿越地层主要为层强风化砂岩、中风化砂岩及微风化砂岩、砂砾地层， 右线地质纵剖面图如图1图 1 中绿色区域为微风化砂岩、砂砾岩地层，该地层长度占整个隧道长度的 40%左右地质补勘探明微风化砂岩、砂砾岩的平均天然单轴抗压强度 85MPa 左右，部分地段围岩最大天然单轴抗压强度为132MPa,石英含量高达65%微 风化砂岩、砂砾岩地层裂隙不发育，岩石质量指标RQD100%岩芯及掌子面情 况如图2、图 32 施工难点分析2.1 地质围岩强度高，掘进效率低对于硬岩地层，盾构掘进速度主要由滚刀的破岩能力决定由于刀具自身材 质问题，滚刀对 60MPa 以下的岩石具有很强的破岩能力，盾构掘进效率较高； 对超过 75MPa 的硬岩破岩能力大大下降，盾构掘进效率极其低下区间隧道微 风化砂岩、砂砾岩地层平均抗压强度高达85MPa,无风化裂隙，岩石质量指标 RQD=100%，盾构贯入度2〜3.5mm/min,掘进速度3〜5mm/min2.2 地层石英含量高，刀具磨损严重区间微风化砂岩、砂砾岩石英含量高达 65%，石英具有坚硬、耐磨、化学性能稳定的特点，对刀盘、刀具的磨损较大。

盾构推进过程中，需要经常开仓检查 刀具磨损情况，尤其的周边刀的磨损情况，以避免开挖半径减少造成的盾构机卡 死事故2.3 围岩稳定性好，管片上浮严重在软卧地层中围岩自稳性差，应力释放快，塑性形变大，管片脱出盾尾后， 拱顶围岩发生形变，减少管片与地层之间的建筑空隙，有利于及时约束管片上浮 趋势微风化砂岩、砂砾岩地层中，由于基岩稳定性好，环形建筑空隙在相当长 时间内是稳定的，脱出盾尾的管片长时间处于无约束状态，随着浆液的填充及地 下水浮力的增加，使管片产生较大的上浮现象，造成成型隧道线性偏差较大3 盾构掘进参数控制措施根据珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段 ［沙涌站〜沙园站 ］区间隧 道的工程地质特点及水文地质情况，经广州“盾研所”专家论证，采用德国海瑞克 申6280 土压平衡式盾构机进行本区间的施工海瑞克申6280 土压平衡式盾构机最大推力34210KN，刀盘旋转最大扭矩 5300KNm盾构机刀盘采用复合式硬岩刀盘，可配置32把单刃或双刃滚刀、4 把双刃中心刀、 28 把中心刮刀及 28 把周边刮刀，最大开口率 28%，最大破岩能 力 135MPa3.1 刀盘加固改造微风化砂岩、砂砾岩具有抗压强度高、岩石石英含量高等特点，所以在刀盘 迎土面焊接耐磨纹的同时，加焊耐磨钢板以增加刀盘的耐磨能力；在刀盘大臂连 接处焊接连接钢板增加刀盘整体抗扭能力。

详细如图 4、图 53.2 刀具配置及更换3.2.1 刀具配置根据微风化砂岩、砂砾岩地质特点进行刀具配置，配置的刀具应满足耐磨性好、破岩能力强的要求，同时应考虑刀盘中心位置刀具的偏磨问题详细如下：(1) 周边刀39#、40#采用庞万力重型单刃刀具，刀刃外径17in；其他周边 刀采用耐磨型热熔合金单刃滚刀，刀刃外径17in2) 中心刀1#〜8#采用庞万力重型双刃刀具，刀刃外径19in3) 面刀9#〜12#配置采用耐磨型热熔合金双刃滚刀，刀刃外径19in；其 他面刀采用球齿单刃滚刀3.2.2 刀具更换微风化砂岩、砂砾岩地层中推进3〜5 环进行一次开仓检查，根据刀具磨损 控制标准进行刀具更换微风化砂岩、砂砾岩地层周边刀磨损值应控制在1 0mm 以内，面刀磨损值控制在 20mm 以内3.3 推进参数设计( 1 )掘进模式微风化砂岩、砂砾岩地层中盾构掘进，应充分利用的围岩的自稳性，采用敞 开式掘进模式刀具碾压、切削下的碴土进入土舱后，及时被螺旋机排出，土舱 内仅保留少许碴土 2)推进参数微风化砂岩、砂砾岩地层中盾构掘进参数设计以快速推进、保护刀盘刀具、 降低刀具异常磨损为原则，极力避免刀具偏磨、刀圈断裂等问题发生。

故盾构总 推力以刀盘扭矩及刀圈最大耐压能力来确定岩石完整性好，刀盘转速以高速旋 转为主，以增加盾构的掘进速度详细如表1 (3)碴土改良微风化砂岩、砂砾岩地层经刀具碾压后形成石粉及粒径15mm〜25mm的碎 石块，碴土改良以降温、润滑、保护刀具为主要原则加入泡沫剂以润滑刀具， 根据地下水情况加水以降低土舱温度碴土改良参数如表 23.4同步注浆及二次注浆微风化砂岩、砂砾岩地层中盾构同步注浆应充分考虑管片上浮问题，注浆量 满足管片不会下沉即可，同步注浆量控制在 3m3 左右，剩余建筑空隙以二次注 浆填充为避免管片壁后的地下水或者同步注浆的砂浆窜入土舱，可在同步注浆 时加注一定量的水玻璃，加快同步注浆将夜的凝固地下水丰富情况下，可直接 采用跟踪二次注浆的形式进行封环，确保管片姿态稳定、管片壁后密实无水3.5 掘进姿態控制盾构掘进姿态控制管片成型姿态，微风化砂岩、砂砾岩地层盾构掘进水平姿 态应根据设计轴线进行控制，垂直姿态必须根据管片上浮量来确定，管片姿态复 测至关重要微风化砂岩、砂砾岩地层盾构掘进姿态通常控制在-70m m〜-60mm 之间，以抵消管片上浮造成的线差4 盾构掘进效果微风化砂岩、砂砾岩地层中盾构推进速度很低，逐步增加盾构总推力、刀盘 扭矩，盾构掘进速度均无明显上升。

当总推力超过14000KN、刀盘工作压力超 过 140bar 时，会大规模出现刀具偏磨、刀圈断裂现象经多次试验，微风化砂 岩、砂砾岩地层中盾构掘进总推力控制在12000K N〜13000KN、刀盘转速1.8〜 2.0rpm、刀盘工作压力110〜120bar （刀盘扭矩2200KNm〜2500KNm）,可以有 效的避免刀具异常损耗，掘进速度可以达到5〜15mm/min盾构施工参数截图 如图 10、 11、 12、 13成型隧道管片线性水平姿态偏差在±30mm之间，垂直姿态偏差土 45mm之间, 到达线性设定目标5 结束语盾构在俗称“磨刀石”的微风化砂岩、砂砾岩中掘进需要克服多种困难，尤其 是刀具磨损严重、掘进效率低下问题通过对珠江三角洲城际快速轨道交通广州 至佛山段[沙涌站〜沙园站]区间盾构穿越微风化砂岩、砂砾岩的介绍和分析，对 刀具配置、盾构掘进参数、注浆等施工进行了分析和设定，降低了刀具偏磨、刀 圈断裂等的异常损耗，加快了盾构在微风化砂岩、砂砾岩中的掘进效率参考文献[1] 苏小江，李笑.复杂地质中盾构控制技术探讨[J].现代隧道技术，2008.[2] 郭庆华，李彦.广州地区疑难地层中土压平衡盾构推进技术措施浅谈J].煤 炭工程， 2008.⑶田科军•土压平衡盾构机穿越珠江施工重难点分析J].铁道建设技术，2009.。