昆明地铁土压平衡盾构机穿越复杂岩层技术问题研究

周 江

昆明地铁建设管理有限公司

昆明地铁土压平衡盾构机穿越复杂岩层技术问题研究

周 江

昆明地铁建设管理有限公司

昆明城市三面临山，靠近山区部分的地层，广泛分布着砂岩、灰岩地层。岩层面起伏大，软硬不均，岩溶裂隙发育，土压平衡盾构机穿越类似地层施工存在较大风险。本文以昆明地铁6号线菊花站—东部客运站区间盾构隧道施工实例，结合复杂岩层岩土勘察工作,研究土压平衡盾构机在复杂岩层条件下应解决的主要问题。

复杂岩层；盾构机适应性；技术参数

1 工程概况

昆明地铁6号线菊花站—东部客运站盾构区间，左线长1206m，右线长1213.2m。复杂岩层地段在1、2号盾构井之间，其余为普通土层或灰岩地层。隧道埋深23.2～29.4m，隧道顶上15m为粘土层，15～29m 为中风化粉砂，中风化灰岩、粉砂与灰岩互生，隧道全断面均为该层。

1.1 复杂岩层特点

（1）中风化粉砂岩、米粒结构、中厚状构造。

岩体较完整，岩芯以短柱状、属软质层，仅少量钻孔揭露，不连续分布。

（2）灰岩：中等风化，隐晶质结构，中厚层状构造，孔隙较发育，方解脉被填充，岩体较完整，岩芯以短柱状，属较硬岩。V级次坚石，分布于隧道洞径范围内。

1.2 复杂岩层条件下的盾构施工

（1）盾构机从菊花站始发，至1号盾构井前完成掘进工作量的80%，各项施工参数平稳，可控。地面沉降在-15mm以内。

（2）盾构机掘进入复杂岩层，在此期间，盾构掘进参数变异，土仓压力从2.0br降到0.2br，同时伴有盾构姿态下降趋势，施工单位迅速采取了如下措施:加大推力，建立土压，同时加膨润土、泡沫剂等外加剂注入改良土体减小螺旋输送机出土转速，降低掘速度等措施，效果不明显。土仓压力仅能控制在0.6bar,掘进速度为10～15mm/min,推力为1900T。

（3）补充勘察工作。

针对出现的异常施工情况，昆明轨道公司在综合各方意见后决定暂缓掘进，对未施工区段进行补充勘察工作，加密钻孔间隙。补勘取芯揭示，岩石埋深在23～33m(隧道顶埋深23.2米，隧道底埋深29.4米)为岩溶裂隙较发育灰岩，中风化砂岩与白云岩互生，含有石英脉带，分布不均，孔隙发育。

（4）施工技术措施

根据补勘结果，针对存在问题，在仔细分析风险基础上，采取了如下技术措施。①对岩层孔隙段注浆加固，提高地基承载力，使盾构姿态平稳可控。②盾构机通过加固段时，减少土仓内气体、液体通过孔隙的流失，使土仓压力得到增加。③渣土改良，向土仓内注入泡沫，降低刀盘、螺旋输送机扭矩，降低盾构机负荷。

（5）后续施工

恢复掘进施工后，土仓压力最高值可建立到0.6bar。掘进速度 15～25mm/min。 刀 盘 扭 矩 140～170bar。 总 推 力 1400～1800T。在欠压模式下缓慢推进，该复杂岩层的盾构掘进工作于2016年12月8日完成。

2 技术问题分析

2.1 盾构设备适应性分析

2.1.1 本工程盾构设备主要技术参数及适应条件。

本标段采用两台海瑞克EPB-Φ6410土压平衡盾构机，主要盾构参数：功率1650KW，刀盘采用3个315KW，液压泵驱动，扭矩6934KN，推力4200T，刀盘为条幅式，开口率38%，该盾构机适用条件为泥岩、粘土、粉土等软弱土层或粉砂岩、强风化花岗岩等。该设备在昆明地铁1号线的粘土地层完成一段区间施工。

2.1.2 复杂岩层条件下的适应性分析。

该区段隧道全断面主要岩层为中风化砂岩，中风化灰岩，砂岩灰岩互生，岩层分布不均，且存在裂隙，孔隙发育，其中：中风化灰岩层体较完整，属较硬岩，V级次坚岩。

（1）按照《城市轨道交通岩土工程勘察规范》（GB50307-2012）中盾构法勘察要求中，对勘察试验及目的有明确要求。两台海瑞克EPB-Φ6410土压平衡盾构机是否满足该区段的岩层，必须根据岩石勘察的试验指标综合评价，并根据评价结果调整完善盾构机设计、刀具的重新选择、刀具配置及耐磨性评价。

（2）区间穿越地层主要分布有中风化砂岩、中风化灰岩，其中，中风化灰岩岩体较完整，属V级次坚石、较硬岩。EPB-Φ 6410刀盘采用幅条式，只有一个压力，刀盘扭矩小，对中风化较完整硬岩存在较大难度。需对刀盘进行重新设计改造，并便于刀具布置，满足大扭矩阻力、大推力工况的要求。

（3）单轴抗压强度是岩石坚硬程度的指数，不同类型、不同型号的盾构设备对岩石单轴抗压强度有不同的适用范围，需对该土压平衡盾构机的配置进行调整才能具有更好的适应性。

（4）岩石的RQD值，主要反映岩石完整程度，即裂隙连续岩层的发育程度，RQD值共分五类，根据RQD值合理配置刀具、刀盘，是实现盾构高效率掘进的基本保证。

（5）岩石的耐磨性对刀具的磨损起着决定作用，岩石的坚硬度和耐磨性越高，刀盘、刀具的磨损就越大。岩石的硬度、岩石中矿物颗粒特别是高硬度矿物颗粒如石英等的大小及含量决定岩石的耐磨指标，如果刀盘、刀具不合理对盾构掘进速度和效率将有较大影响，也增加使用成本。

盾构设备在复杂岩层下的适应性综述：地勘报告如不完整，特别是针对特殊复杂岩层区段的勘察报告，未按《城市轨道交通岩土工程勘察规范》（GB50307-2012）的要求，提供完整的岩石勘察报告，盾构设备在设计、制造或改良时缺乏必要的地质参数依据，会导致施工过程中由于盾构机选型的不适应性造成上述工程实例中出现的各种问题。

3 结语

通过昆明地铁6号线复杂岩层盾构施工存在问题的研究，得出以下结论：

（1）中风化粉砂岩、灰岩、粉砂岩、灰岩互层地质条件下盾构选型、掘进较普通土层复杂、必须引起高度重视。

（2）盾构区间隧道存在土层岩层互层时，盾构设备适应性评价，应根据地勘察报告提供的资料，复核盾构设计、刀盘、刀具的合理性，并进行必要的调整。

（3）勘察单位必须按照规范要求，提供真实、准确、完整的岩石试验指标，是岩层地质条件下盾构施工安全、顺利完成的必备条件。

[1]王怀志.富水砂层土压平衡盾构施工关键技术研究[D].华南理工大学,2012.

[2]周润卿.软弱土层双线盾构隧道穿越既有房屋施工影响分析[D].北京交通大学,2012.