盾构在复杂地层中近距离下穿运营地铁的施工控制技术课件.ppt

1、深圳复杂地层中盾构近距离下穿深圳复杂地层中盾构近距离下穿运营地铁的施工技术运营地铁的施工技术陈湘生陈湘生 刘树亚刘树亚 等等 2010年年10月月主要内容o-1-复杂的地层难点之一o-2-近距离的空间位置关系难点之二o-3-工程风险分析和技术对策o-4-组织管理措施o-5-典型工程案例的实施情况o-6-结语1 复杂的地层难点之一1.1 地铁工程和深圳地区典型地质条件 深圳地铁1、2、3期工程均为浅埋工程。盾构区间隧道埋深一般在8m-20m之间。在这个埋深位置，区间隧道主要穿过地层为残积层和风化岩，以花岗岩为主。上部残积层主要为砾质黏土和砂质黏土，下部为花岗岩全风化、强风化、中风化和微风化层。1

2、.2 花岗岩残积层地层特点 1 组分：花岗岩的主要矿物成分为石英、长石及少量的黑云母、角闪石。o花岗岩残积土中的长石、云母、角闪石已完全风化，唯有石英矿物残留成石英角砾。从残积土的颗粒组成来看，属于由细粒土和粗粒土混杂且缺乏中间颗粒的混合土，兼有砂土和粘性土的性质。从母岩角度来看，中粗粒花岗岩风化而成的残积土多为砾质粘性土，中细粒花岗岩风化成砂质粘性土，粘性土基本为岩脉风化而成。o砾质粘性土颗粒组成见下表颗粒大小/mm220.50.50.250.250.0750.075重量百分比范围20545213122123056平均31136644从表中可看出，颗粒组成明显具有两头大、中间小的混合土性质。

3、2 球状风化 花岗岩残积土的不均匀风化包括囊状风化和球状风化，深圳地铁工程中主要表现形式为球状风化，即残积土中存在球状中等风化、微风化岩体。球状风化的成因主要是由于岩石岩性不均匀、抗风化能力差异大，加之断裂构造发育及岩体的次生裂隙导致岩体破碎，抗风化能力减弱，在深程度风化情况下所形成的。一般于地形平缓，风化带厚度较大的地区较发育。风化球一般见于残积土的下部。单个风化球的最大竖向尺寸一般不超过风化带厚度的1/10，多呈水平椭球体。3 物理力学指标 残积土天然含水量25%-30%，塑性指数17左右，液性指数0.15-0.2，；内摩擦角约23度（快剪），粘聚力c为20-25kPa（快剪）；渗透系数0

4、.5m/d。全风化、强风化地层天然含水量18%-22%，塑性指数12-15左右，液性指数0.06，；内摩擦角约24-27度（快剪），粘聚力c为23kPa（快剪）；渗透系数（1-3）m/d。1.3 花岗岩岩层 中风化花岗岩单轴抗压强度15-50MPa，微风化花岗岩单轴抗压强度在50MPa以上，最大强度达140MPa。花岗岩岩面起伏和地层强度多变。规范规定的钻孔间距难以判断其岩面变化规律。1.4 盾构施工中的难点 1 刀盘结泥饼：残积土中的粘粒在盾构机切削刀具高温作用下会逐渐黏附硬化，形成泥饼包裹刀盘，使得盾构机切能力降低。工程风险：结泥饼后的刀盘使得盾构机切削能力降低；掘进速度迅速下降。为清除泥

5、饼，只能采用人员进入土仓人工清除。工程风险在于：（a）进入土仓人员存在安全风险；（b）盾构机长时间停止，花岗岩残积土在卸载和渗透力作用下已发生崩解坍塌，造成超挖，引起盾构隧道上部地层下落或变形过大，从而加大既有隧道的变形。2 刀具磨损严重：残积土中的砾砂使刀具磨损严重，一般每 环就需换刀一次。人工进仓更换刀具，工程风险基本同上，主要为：（a）进入土仓人员存在安全风险；（b）盾构机长时间停止，花岗岩残积土在卸载和渗透力作用下已发生崩解坍塌，造成超挖，引起盾构隧道上部地层下落或变形过大，从而加大既有隧道的变形。3 球状风化体（孤石）：难以勘察清楚，遇到后不易处理；若在下穿过程中，则只能在盾构机舱内

6、处理。人工进仓清除风化体，工程风险基本同上。4 上软下硬地层：盾构机姿态难以控制、刀具偏磨、掘进速度慢导致超挖。工程风险主要为：（a）掘进速度下降，刀具偏磨严重；（b）盾构机出土量难以控制，极易造成超挖，引起盾构隧道上部地层下落或变形过大，从而加大既有隧道的变形，增大周边建构筑物安全风险。2 近距离的空间位置关系难点之二地铁二期工程中，盾构隧道下穿运营隧道的距离都比较近，在13m之间。4个下穿工程具体情况如下：2.1 2号线下穿4号线运营隧道4号线是深圳市目前正在运营的地铁线路，其隧道宽约13m,高约7m。4号线隧道上部为硬塑状砾质粘性土,下部为全风化花岗岩。2号区间盾构始发端距离4号线仅1.

7、567m。4号线隧道距离2号线新建盾构始发井6.5m，受该条件限制，车站始发端头仅能加固2.7m。2号线左右线盾构下穿地铁四号线时在全风化花岗岩和土状强风化花岗岩地层中通过，距离运营隧道的净距分别为1.841m和1.567m。相对位置关系见下图。2号线下穿4号线运营隧道相对位置关系图12号线下穿4号线运营隧道相对位置关系图22.2 2号线下穿1号线运营隧道重叠隧道2号线左右线盾构隧道下穿地层为中风化花岗片麻岩和微风化花岗岩，洞顶地层为强风化花岗岩。距离1号线正在运营的重叠隧道净距分别为1.78m和2.76m。2.3 3号线盾构隧道下穿1号线运营线路新建3号线隧道右线隧道与号线隧道之间的净距为1

8、.46 m，新建左线隧道与号线隧道之间的净距为1.23 m。既有1号线隧道主要位于砾质粘土层和全风化花岗岩层中；新建区间隧道主要穿越全风化花岗岩层和强风化花岗岩层，两隧道之间所夹土体为全风化花岗岩。3号线下穿1号线运营隧道相对位置关系图13号线下穿1号线运营隧道相对位置关系图22.4 2号线小角度下穿1号线大-科区间下穿范围隧道洞身处于全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩均有存在的复合地层中。其中左线上软下硬地层共计42.8m，占下穿范围的60.7%；右线上软下硬共计地层34.9m，占下穿范围的47.3%。2号线斜下穿既有运营中的1号线，投影交叉段74m，2号线与1号线最小垂直净间距1.7

9、5m。2号线小角度下穿1号线运营隧道相对位置关系图12号线小角度下穿1号线运营隧道相对位置关系图23 工程风险分析和技术对策3.1 运营地铁的要求 1 不能停运；2 下穿区段最低限速20km/h;3 变形控制标准如下表：序号项目预警值报警值控制值1道床平顺度2.0mm/10m3.2mm/10m4.0mm/10m2左右轨道差异沉降2.0mm3.2mm4。0mm3三角坑2.0mm/18m3.2mm/18m4.0mm/18m4结构绝对变形量10mm16mm20mm5隧道相对变形量1/50001/31251/25006隧道结构的裂缝与受损情况监测设计单位确定3.2 风险事件分析 1 掘进隧道在运营线路

10、正下方开挖面失稳；2 掘进隧道在运营线路外侧开挖面失稳；3 运营隧道变形绝对值和速率超过预警值、控制值；4 运营隧道开裂、渗水、道床与隧道结构拖开；5 监测信息中断。其他风险事件还有：6 深南大道路面沉陷；（在地面沉陷情况下，还可能在地层中产生空洞）7 非机动车道地面沉陷；8 管线损伤；9 地面坍塌冒顶；10 人员进入土仓的安全风险。3.3 技术对策 1 岩土工程补充勘察 在详勘的基础上应进行补充勘察，尽可能了解下穿区段地层特点，探明岩层强度、完整性、侵入隧道范围、球状风化体等地层特点。2 试验段掘进 设置试验段，目的是获取相似地层的各项盾构推进参数，确保盾构在微扰动状态推进，为下穿施工提供较

11、合理的参数。试验段一般长度30m50m，设置在下穿段预警区以外的相似地层处。试验段应强化监测（地表沉降、地层内部沉降规律），将监测数据与盾构推进参数与工艺对比分析、优化调整。3 数值模拟分析 根据工程地质和水文地质条件、周边环境、运营隧道结构形式、空间位置关系，结合盾构掘进施工的各种工况，采用合适的专业软件进行模拟分析，了解新线施工对既有隧道的影响程度。4 根据地层岩性配置刀具根据详勘和补充勘察结果，在下穿之前对刀具组合和配置进行分析评估，按照最不利情况考虑。5 微扰动掘进（1）连续掘进、匀速推进；（2）保持土仓压力与开挖面地层压力相对平衡；（3）保持切削土体重量和排土重量相等；（4）盾构保持

12、最优姿态，减小对土体的超挖和扰动。6 渣土改良以获得理想掘进效果进行有针对新的渣土改良，以解决以下问题：（1）防止花岗岩残积土在刀盘和土仓中结饼；（2）改善全、强风化岩土体的和易性；（3）降低土仓温度。7 同步注浆配比调整和注浆压力、注浆方式优化（1）采用水泥基浆液；（2）根据推进速度调节浆液凝固时间，在不影响盾构机的情况下尽可能早地具备强度，防止在列车震动下不凝固而引起运营隧道沉降变形过大；（3）注浆压力与地层压力相对平衡，注浆方式尽可能多点同时压注。8 二次注浆（1）填充同步注浆可能残留的空隙；（2）改善管片周围土体形状，减小土体固结变形。9 自动化监测和信息化施工。（1）为不影响正常运营

13、，采用自动化监测仪器。4次下穿工程均采用ADMS测量机器人监测系统。（2）实时测量，为完全信息化施工服务。4次下穿工程中均每30分钟报告一次测量数据。（3）根据测量数据，调整土仓压力、注浆压力、推进速度等参数；2号线下穿4号线监测点布置情况10 运营车辆限速运行限速运行能够降低列车震动荷载，有利于开挖面土体稳定、注浆浆液快速凝固。在运营隧道和轨道突然的出现大变形时，限速运行能够降低车辆脱轨风险。4次下穿工程均采取限速措施，具体见下表：3号线下穿1号线2号线下穿4号线2号线小角度下穿1号线2号线下穿1号线重叠隧道第一条隧道下穿20km/h20km/h20km/h20km/h第二条隧道下穿50km

14、/h50km/h20km/h正常运营4 组织管理措施4.1 严密组织信息化施工管理施工监测信息中心、第三方监测信息中心、运营安全保障部门和盾构推进指挥中心在一个办公室联动协调，共享信息和测量数据，各部门根据最新信息及时调整工作方案，施工单位及时调整掘进参数。4.2 下穿前必要的准备工作（1）地质勘探和环境调查、重大危险源辨识登记和管理预案。（2）盾构施工方案检查：专项施工方案和专家评审意见、预加固措施的实施、二次注浆方案。（3）施工准备和实施策划：安全质量技术交底、盾构机和配套设备检修检查、管片和注浆材料验收和运输方案、盾构下穿详细倒霉环的时间策划。（4）监测方案：施工监测方案和第三方监测方案

15、审查和初始值确认、报警值的确定和报警机制、监测数据的发布及数据对施工方的指导。4.3 落实到位的运营管理应急预案（1）地铁运营应急预案：应际组织管理机构、现场值班安排、维修抢险队伍准备、结构修复预案（2）公交接驳方案：满足疏散客流的公交巴士运力配备、转运线路安排、地铁停运接驳方案。（3）乘客疏导分流：地铁车站乘客疏导指引标识、地铁停运公开告示。（4）媒体宣传准备：新闻通稿、交通电台广播、地铁车站广播和告示。（5）地铁治安管理：安排足够的地铁车站治安管理人员。4.4 现场指挥体系成立现场领导小组、专家决策支持小组、协调小组、应急抢险小组。4.5 严格的值班制度（1）建设、设计、施工、监理、监测、

16、运营、政府相关职能部门均派人值班，形成协调机制。（2）24小时值班。5 典型工程案例5.1 工程概况1 平面关系新建2号线燕南-大剧院区间下穿既有线1号线的科学馆-大剧院区间2号线斜下穿既有运营中的1号线，投影交叉段74m，2 空间几何关系2号线与1号线最小垂直净间距1.75m。穿越剖面图穿越剖面图3 地质条件（详见下图）盾构始发井大剧院站区段下穿地铁1号线范围隧道拱顶埋深为20.2m23.6m上部覆土依次为素填土、中砂、细砂、砾质粘性土、全风化花岗岩。下穿范围隧道洞身处于全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩均有存在的复合地层中其中左线上软下硬地层共计42.8m，占下穿范围的60.7%；右

17、线上软下硬共计地层34.9m，占下穿范围的47.3%。9-1全风化花岗岩1-1素填土4.10(0.65)z9.80(-5.05)5-2-3中砂20.00(-15.25)23.50(-18.75)9-2-1强风化花岗岩9-3中风化花岗岩26.00(-21.25)28.50(-23.75)9-4微风化花岗岩30.20(-25.45)砾质粘性土5.2 工程难点 1 穿越距离长、间距小（1）长距离（74m），小角度（23）的下穿掘进，对盾构机设备及盾构操作提出更高的要求（2）小间距掘进对既有线的扰动风险非常大，若发生意外则是灾难性的（3）每条线要经历两次穿越，共四次下穿，对变形的叠加效应及盾构掘进模式

18、的转换增加了施工的难度。2 穿越运营线路保护要求高在保证既有线不停运的情况下，满足以下位移及变形要求序号项目预警值报警值控制值1道床平顺度2.0mm/10m3.2mm/10m4.0mm/10m2左右轨道差异沉降2.0mm3.2mm4。0mm3三角坑2.0mm/18m3.2mm/18m4.0mm/18m4结构绝对变形量10mm16mm20mm5隧道相对变形量1/50001/31251/25006隧道结构的裂缝与受损情况监测设计单位确定3 地质条件复杂地质条件复杂地质补勘资料显示，盾构通过的地层中，全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩同时存在，属于典型的上软下硬地层：隧道洞身下部中风化花岗岩强

19、度高（100MPa）、岩质坚硬、整体性好（RQD值60%80%），对刀具损伤较严重，推进速度难以达到理想状态；隧道洞身上部全风化、强风化花岗岩风化程度强烈，腐蚀严重，裂隙发育，且颗粒成分具有“两头大、中间小”的特点，即颗粒成分中，粗颗粒（2mm）的组分及颗粒小的组分（0.075mm）的含量较多，而介于其中的颗粒成分较少。这种独特的组分特征使其既具有砂土的特性，亦具有粘性土特征，同时也为小颗粒从大颗粒的孔隙中涌出提供可能性，因此当动水压力过大时，容易产生坍塌、流土等渗透变形现象；岩土分界面存在破碎带，地下水十分丰富且部分承压，盾构掘进过程中容易发生喷涌。5.3 主要技术措施主要技术措施（管理措施

20、同前）（管理措施同前）1 1 盾构选型盾构选型 复合型土压平衡盾构 刀具配置：重型滚刀+切刀，保证对中风化地层的破岩能力 最大推力3000T 最大扭矩 7000 KNm，防止刀盘被困 完善的渣土改良系统：泡沫系统、膨润土系统、加水系统、聚合物系统2 2 优化设计线路优化设计线路经计算分析对比，对线路进行了适当的上调，减少了掘进面内硬岩的比例，降低了在既有线下方造成停机的风险。优化施工顺序，降低风险优化施工顺序，降低风险在施工组织上，先行掘进右线，待右线通过既有线的下穿段危险区之后再施工左线的穿越，减少两条线同时掘进带来的交叉干扰，降低沉降叠加效应对既有隧道结构、周边建构筑及地铁运营的安全风险。

21、信息化施工信息化施工 采用先进的自动化监测系统：对既有线采用测量机器人(莱卡全仪与自动监测软件配站套)进行自动监测，可在盾构施工期间实时对各观测点的位移情况进行数据采集，并能不影响既有隧道的运营。根据监测反馈的数据实时调整盾构施工参数，实现信息化施工自动化监测测点布置图5 分区管理分区管理将穿越过程分为三个区段：将穿越过程分为三个区段：试验段试验段：盾构机盾构刀盘距既有线40环到10环，试验段掘进的主要目标是在推进过程中设定多种推进参数、尝试不同推进模式，掌握同类型地层的地质特性、沉降规律。根据实际施工过程中的出土量、地表沉降量、深层土体变化情况等不断对土仓压力、总推力、掘进速度、注浆量及注浆

22、压力、泡沫设置、土体改良剂配比等掘进参数进行调整，总结出合适的推进模式与参数，为正式下穿地铁1号线提供经验和依据。预警区预警区：刀盘距既有线10环直至刀盘到达既有线边缘，该区域掘进渐渐接近1号线，在进入该区段盾构机应逐步调整施工参数，达到穿越区条件。风险区风险区：既有线和盾构机竖直投影有重叠的掘进段，即从刀盘进入一直到盾尾脱出既有线的竖直投影区。该区段为危险区，盾构严格控制既定的施工参数，各类应急措施准备到位。6 调整盾构施工参数调整盾构施工参数 （）土仓压力：计算得出理论土仓压力值为1.5bar，结合试验段掘进经验，根据信息化施工结果控制土仓压力在1.62.0bar，掘进过程中波动0.2ba

23、r（）同步注浆控制：注浆量与注浆压力双控。推进过程中通过盾尾同步注浆管向建筑空隙填充砂浆，以减少土体后续位移。同步注浆量宜适量加大至78m3/环，注浆压力应控制在2.03.0bar，并保证4根注浆管同时工作。（）推进速度：掘进过程中，掘进速度应控制在2030mm/min，并尽量保持稳定，减少对周边土体的扰动影响。推进过程中严禁出现为提高推进速度而随意降低土仓压力的行为。管片脱出盾尾后，具备作业条件情况下（一般为盾尾后5-8环）立即组织二次补浆。点位在11点和2点位置。注浆材料采用水泥水玻璃双液浆。二次补浆可以填充同步注浆可能残留的空隙，改善管片周围土体形状，减小土体固结变形。7 7 二次注浆二

24、次注浆.4实际穿越情况1 穿越历程燕大右线下穿一号线，6月27日启动下穿工作，6月30日刀盘进入风险区，7月23日进入下穿段危险区，8月7日刀盘下穿段危险区，8月8日盾尾脱出下穿段危险区，8月10日盾尾出线后风险区，总历时44天。燕大左线下穿一号线，7月16日刀盘进入线前风险区，8月7日右线刀盘出一号线后左线开始恢复掘进，8月10日刀盘进入下穿段危险区，8月21日盾尾出线下危险区，总历时37天。2 刀具及换刀作业 右线出试验段，进入风险段第1环，开仓全盘更换刀具。右线进入既有线两条线中间，开仓全盘更换刀具。换刀位置 左线进入既有线两条线中间，开仓全盘更换部分刀具。左线出试验段，进入风险段第1环

25、，开仓全盘更换刀具。.施工过程中存在的问题掘进速度慢：遇到上软下硬地层下部地层为中风化或者微风化时，掘进效率低，掘进速度仅为3-5mm/min。刀盘“结泥饼”。刀具磨损严重：强度高、石英含量高，造成刀具磨损严重，盾构掘进效率低。渣土温度高。.运营隧道最大沉降第一次下穿时，既有隧道沉降最大值为7.9mm。左右线下穿完毕，既有隧道最大沉降量为17mm。深圳地铁二期工程四次下穿既有线最大沉降值见下表：3号线下穿1号线2号线下穿4号线2号线小角度下穿1号线2号线下穿1号线重叠隧道第一条隧道下穿5.1mm5.7mm7.9mm3.6mm第二条隧道下穿12.1mm14mm17mm8mm6 结语1 深圳地铁二期工程共4处近距离下穿运营地铁线路证明，通过有针对性的技术措施和严密的组织措施，能够成功穿越，运营线路可以保持在安全范围内。2 包括自动化的、实时的监测手段在内的信息化施工管理体系，对深圳地区近距离下穿工程的成功至关重要。3 通过盾构掘进参数和工艺控制、时间紧凑的工序安排、更为合理的辅助措施，既有隧道的变形量有可以进一步减小。4 运营车辆的速度对近距离下穿盾构掘进的影响尚待进一步研究。