曾玲剑
广州轨道交通建设监理有限公司 广东广州 510010
摘要：广州地铁所处的地层条件极为复杂，其中由于岩层受挤压或因破碎而形成的断层地带对地铁施工中造成较大的风险与困难。本文对断层带的特点进行描述，并结合广州地铁几个断层带的施工案例进行介绍，对该类地段施工中所应采取的施工措施进行探讨。
关键词：断裂破碎带；盾构施工；措施
一、断层带的形成原因及特点简述
断层主要指岩层或岩体在受力发生断裂变形时，断裂两侧岩块沿破裂面发生显著位移的断裂构造，特别是区域性的断层带，通常规模宏大、岩性复杂、破碎或坚硬，地下水较为丰富。比如，本地区的广从断裂带，切割震旦系变质岩、石炭系石灰岩、白垩系-下第三系红层以及燕山期花岗岩，总长度超过100km。在断层带中，可见到震旦系的混合岩、石炭系的石灰岩、侏罗系的煤系地层、白垩系的红色沉积碎悄岩和燕山期的花岗岩、这些岩山的成因、类型、成分、结构和构造有着天壤之别。同时，在断层形成的时候，随之也形成了一些新的角砾岩，其中某些岩石受到了不同程度的矽化作用。因此，断层带的岩性非常复杂，某些岩层可能很松散，某些部位会出现十分坚硬的岩体或岩块，某些地段可能软硬突变。
二、盾构过断层带施工简例
1.二八号线延长线南会中风井~会石中风井区间盾构过断层带
二八号线延长线南会中风井~会石中风井区间盾构机在里程YDK3+383~YDK3+343（图1）段通过F2构造断层带，该断层宽度约40m，以中风化构造角砾岩为主，岩质坚硬变，断层带为地下水排泄区，地下水体补给快，盾构喷涌，隧道清理量大，掘进速度慢，速度不均衡，5-10mm/min~15-30mm/min之间浮动；扭矩较大导致跳闸，上述情况导致单位时间内出土含水量增加，通过计算过该段时掌子面及盾体汇水面约200方/天汇水。
图1 F2断层带地质剖面示意图
左线盾构在掘时至该断层带地段时，由于事前重视不够，喷涌后应对措施准备不足，使正常掘进施工受到了严重影响，盾构机头积水，管片拼装以及清碴时间长，平均日进尺只有1.8环/日，施工工效低，且难以保证管片拼装质量。
情况发生后，监理部紧急组织相关人员召开讨论会，集思广就，研究对策，针对出现的喷涌问题制定相应的处理措施，在各项措施认真实施到位后，改善了富水地层掘进的喷涌情况，有效地降低了喷涌量，加快了掘进施工，日进尺达到3.8环/日。
三．断层带盾构施工风险以及采取措施
1.断层带盾构施工风险
由于断层带一般存有以下特点（1）软硬分布不均，围岩自稳性差；（2）岩体破碎，且原岩硬度大；（3）形成地下储水构造，水量丰富。故此盾构施工中主要存在的可能风险有以下几点：
1.1由于断层带掌子面围岩软硬不均，对刀盘刀具破坏较大，主要是发生偏磨现象；
1.2断层带岩体破碎且地层自稳性差，可能会导致掌子面坍塌，进而导致地面发生沉降；
1.3地下水含量丰富，是地下水的通道，且具有一定的承压性，可能会导致螺旋机发生喷涌；
1.4盾构机姿态难以控制
盾构机姿态控制包括两个方面：机体翻转控制和掘进方向控制，由于断面内岩层软硬不均，推力和扭矩变化较大，需要在掘进过程中根据实际地层频繁的调整，使盾构机掘进中的姿态控制、轴线控制有相当大的难度，同时盾构机因推力不均导致翻转角度过大。
1.5渣土的粒径径大，出渣困难，螺旋机易卡死
岩层分界面起伏较大，掌子面软硬不均，而且各种地层岩石与土体产生的土渣，石渣的粒径的差异大，不均匀，可能造成出渣困难，影响螺旋机的使用效率，严重时可能造成螺旋机卡死。
1.6刀盘结“泥饼”
盾构在红层（如泥岩，粉砂岩，砾岩）掘进，常遇到的问题是出土困难，刀具前面容易形成“泥饼”，特别是刀盘的中心部位，造成滚刀不滚动而偏磨损坏，掘进速度下降，刀盘扭矩上升，盾构机油温升高，渣土温度升高，甚至导致无法掘进。
2.断层带盾构施工采取措施
针对上述盾构掘时通过断层带时所可能出现的施工风险与难点，施工过程中可采取以下措施，以期达到通过该地段时降低施工风险的目的：
2.1针对刀盘刀具磨损的措施
2.1.1刀盘刀具加焊耐磨装置，选用强度大，抗剪性好的刀刃，结合使用重型刀盘；
2.1.2通过对复合式盾构机滚刀，齿刀互换，组合不同的刀具配置形式，以满足该地层的掘进要求；
2.1.3使用重型滚刀或耐磨滚刀，将双刃滚刀更换为单刃滚刀，单刃滚刀比双刃滚刀接触面积小，破岩能力强。
2.2控制地面沉降的措施
2.2.1采用土压平衡工况掘进，及时调整土仓压力，保证土压平衡；调整掘进参数，采用微扰动掘进，避免土压变化幅度过大；
2.2.2对应围岩软硬部位控制盾构机分区油缸推力，采用硬岩区油缸推力大于软岩区油缸推力，进行试推，同时测量相应的偏转量，以调整推进油缸的油压差；
2.2.3加强对出土量的计量。及时掌握开挖面的地质情况和出土量，防止超挖而造成地表塌陷；
2.2.4设备配置二次注浆系统，在每环管片背后进行二次双液浆注浆，保证管片壁后与围岩之间充填密实，确保地层稳定；
2.2.5加强监测工作及时反馈监测信息。根据地表沉降的监测数据结合地质状况、及时调整压力舱压力、千斤顶推力等施工参数；
2.3控制螺旋机喷涌的措施
由于基岩裂隙水发育，进入土仓的渣土不具有一定的塑性，承压水与无塑性渣土容易形成螺旋机喷涌。针对这种情况采用下列措施：
2.3.1在螺旋机排土口设置2道由液压缸控制的出土闸门（或设置双螺旋出土），可以通过它控制螺旋输送机的排土量，随时调节排土量来实现土塞效应，达到防止喷涌的作用；
2.3.2降低螺旋机出土速度，保持土仓内不少于半仓土，让切削下的土体挤出土仓内的水，但要预防土仓内压力过高，造成盾构机前方隆起、冒浆以及击穿盾尾密封等。当螺旋机的后门压力大于0.3bar时关闭螺旋机，让螺旋机内的压力将渣土排出螺旋机，同时要缩小出土口闸门；
2.3.3盾构处于硬岩含水地层中必须切断管片与围岩间隙汇集的地下水与开挖面的水力联系，管片处于硬岩含水层中长度越长，管片背后存储的水力和压力就越大，这就要求同步注浆效果必须达到完全封闭衬砌空隙并阻水，避免土仓与管片背后形成水力通道；
2.3.4如果发现有涌水现象，将螺旋输送器前端退出土仓，并关闭土仓闸门。启用保压泵，将渣土直接泵送至渣土车。在关闭螺旋输送器的情况下继续掘进，让切削下来的土体挤出土仓内的水，但要预防仓内压力过高，造成盾构机前方隆起、冒浆和击穿盾尾密封等事故。
2.4控制盾构机姿态的措施
2.4.1在掘进过程中，有针对性地加注泡沫减小刀盘扭矩，消除使盾构机发生滚动的外力因素；
2.4.2及时注浆，确保注浆量，采用活性浆液等措施增大盾构周边摩擦力控制盾构滚动；
2.4.3放慢推进速度，采用刀盘正、反转的措施对盾构机滚动进行控制。
2.5防止螺旋机卡死的措施
2.5.1适时调整掘进参数，防止出现过大的方向偏差，同时使岩石得到充分的切削，避免大的岩块堵塞螺旋机；
2.5.2掘进过程中向土仓内注入泥水或泡沫，防止螺旋机堵塞和水涌入隧道。
2.6防止结“泥饼”的措施
如在断层带路段形成“泥饼”造成盾构掘进停止，很有可能“喷涌”问题接踵而来，地面沉降将得不到控制。
根据以往盾构施工预防结“泥饼”施工经验，在掘进时刀盘前面加入水和适当比例的泡沫剂对改良土层粘性是十分有效的。另外结合注入TAC高分子材料来预防“泥饼”问题的发生，在土层中掘进时，加入1‰～3‰浓度的TAC，可以达到减小土壤粘性的目的，土和易性增强，流动性加大。
四、经验总结
盾构掘进通过断层带施工时由于所处地层地下水裂隙发育丰富，掘进过程中非常容易出现喷涌，而掘进不连续又导致更多水进入土仓从而使下一环掘进时继续出现喷涌，恶性循环，因此掘进通过断层带施工须高度重视，开工前结合详勘、补勘资料研究制定有针对性，可行的施工方案以及措施，盾构设备在始发前及通过断层带前应加强检修和改造（对螺旋机出土口部位进行加高等），并增加工具设备的储备，增加水泵，排水管等；施工过程中加强同步注浆、二次注浆、地表沉降监测等工作，只有在各方重视，措施落实到位的情况下，才可使盾构掘进顺利通过断层带。
广州地铁目前多线在建，在广州多变复杂的地层环境中，地铁盾构掘进施工遇断层带常会发生，如何能顺利掘进通过该地层，需要不断总结经验、改进技术。
参考文献：
[1]竺维彬 鞠世健 复合地层中的盾构施工技术 中国科学技术出版社 2006
[2]张厚美.广州轨道交通二八号线延长线盾构4标段项目管理总结 2010
论文作者:曾玲剑
论文发表刊物:《基层建设》2015年16期供稿
论文发表时间:2015/12/16
标签：盾构论文; 断层论文; 螺旋论文; 管片论文; 地层论文; 措施论文; 渣土论文; 《基层建设》2015年16期供稿论文;