本发明涉及隧道盾构技术施工领域，尤其是涉及一种高强度基岩凸起地层盾构施工方法。
背景技术
高强度基岩凸起地层自然抗压强度达到160~204mpa，地层为残积质黏土和全风化花岗岩，局部存在中、微风风化花岗岩（基岩凸起），基岩凸起土石分界面由于土壤空隙中移动的水分受到孔隙度极低的岩体阻挡，在岩体表面汇集成水流，水量丰富，施工过程中易出现糊刀盘、结泥饼、掌子面坍塌、土压盾构喷涌、刀盘刀具异常磨损、盾构机工作状态不佳、雨水管涵等建筑物沉降超限等问题，对隧道盾构施工造成很大影响，特别在市区施工受环境影响无法采用常规手段进行预破碎的情况下，盾构机如何安全穿越基岩凸起地层成为隧道盾构施工中的重大难题。
针对上述情况，基于广州地铁盾构穿越长度超过100m，岩石单轴抗压强度超过100mpa的长距离基岩凸起的工程需要，采用了矿山法开挖硬岩，盾构空推方式的施工方法，但此种方式增加了暗挖施工的风险。另外，深圳地铁5号线基岩凸起11个盾构区间开展了钻孔爆破、人工挖孔桩破碎、冲击破碎等基岩处理方式，得出了适应不同工况的基岩预破碎方法，但必须提供预破碎的施工条件，同时预破碎对周边环境和盾构掘进会带来新的次生灾害。
近年来随着盾构装备水平、地质研判能力、掘进管理理念和环境保护要求的明显提升，为避免基岩凸起预破碎带来的次生危害，国内部分学者提出了回归盾构掘进的新思路，即能够实现刀具的随时更换，保证盾构具备破岩能力，在谨慎操作情况下，上软下硬地层不采用预破碎处理而顺利掘进。
现有盾构机直接穿越软硬不均地层的工程案例中，硬岩单轴抗压强度多在120mpa以下，且隧道上方的环境单一。而现如今厦门地区极高强度基岩凸起软硬不均地层遇到平均单轴抗压强度160mpa，最高强度206mpa的极高强度硬岩，且洞顶上方4m存在大型雨水管涵的复杂工况国内外尚无可借鉴案例。实际进行施工时，主要存在以下技术问题：盾构机选型的适用性较难把握；施工过程中易出现糊刀盘、结泥饼、掌子面坍塌、土压盾构喷涌；刀盘刀具异常磨损、盾构机工作状态不佳、雨水管涵等建筑物沉降超限等问题。
技术实现要素：
为了更好解决上述现有技术中所存在的问题，本发明提供一种高强度基岩凸起地层盾构施工方法。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
一种高强度基岩凸起地层盾构施工方法，步骤如下
（1）选取盾构机：对盾构机欲掘进位置所处地层的地质进行预先勘测，并根据地质勘测结果，选取复合土压平衡盾构机掘进施工，所述复合土压平衡盾构机的刀盘及支撑系统本身设置有搅拌装置，所述复合土压平衡盾构机设有泡沫注入系统和膨润土注入系统以改良高强度基岩凸起地层的渣土；
（2）设置进仓点并对所述进仓点区域设置加固区：检测通过钻孔取芯出来的岩石，对其进行研磨性分析，预判所述复合土压平衡盾构机刀具磨损情况，预测复合土压平衡盾构机一次掘进可达长度，并根据所述复合土压平衡盾构机一次掘进可达长度设置进仓点并对所述进仓点区域设置加固区；
（3）盾构掘进施工：
所述复合土压平衡盾构机欲进入高强度基岩凸起段前主动进仓检查一次，然后开始掘进施工；盾构掘进施工过程中采用全土压满仓掘进模式，严格控制出渣量；关闭泡沫注入系统、开启膨润土泥浆注入系统注入钠基膨润土泥浆对土体进行改良；所述盾构掘进施工完成一环且所述土压平衡盾构机推进的同时，进行同步注浆，管片脱离盾尾4～6环之后进行二次注浆；盾构掘进到进仓点时，带压进仓检查刀具是否有异常磨损；
（4）盾构管片拼装施工：步骤（3）中盾构掘进施工完成一环后，按照常规管片拼装衬砌施工工艺进行盾构管片拼装施工；不断循环，直至完成所施工地铁隧道的全部施工过程；
（5）盾尾后脱出地表后，增加同步注浆量并进行管片壁后补注浆。
所述步骤（1）中的复合土压平衡盾构机采用液压驱动，驱动功率945kw，额定扭矩为6000knm，脱困扭矩为7200knm，驱动转速0-3.7rpm，破岩能力不低于210mpa、刀盘开口率为30-40%，刀盘转速为0.8~1.2r/min，贯入度为2mm/r~9mm/r，刀间距为75-90mm。
所述步骤（1）中的搅拌装置包括设置在刀盘背部的主动搅拌棒和设置在盾构机前盾隔板上的被动搅拌棒。
所述步骤（1）中的泡沫注入系统包括6个单管单泵配置的泡沫注入口，其中2路与膨润土泥浆共用。
所述步骤（1）中的盾构机刀盘前面板堆焊有复合钢板、外圈梁外表面堆焊复合钢板和合金刀。
所述步骤（2）中的进仓点间隔为20m，所述加固区尺寸为宽2.5-3.5m，长为6-7米，加固深度至隧道洞顶，加固方式为梅花形布置袖花管注浆，袖花管之间的距离为0.5-1m，加固区外圈所注浆液为双液浆、内圈为水泥浆。
所述步骤（3）中的全土压满仓掘进中每掘进33cm出渣一斗，每环出渣总量控制在56m3。
所述步骤（3）中的所述钠基膨润土泥浆由钠基膨润土和水按照1:8±1的质量比均匀配置而成，其塌落度为195-205mm、粘度为50秒，且盾构掘进中的注浆量为4m3/环。
如权利要求1中所述的高强度基岩凸起地层盾构施工方法，其特征在于：所述步骤（3）中所述同步注浆浆液由水泥、细骨料、煤粉灰、膨润土和水均匀混合而成，所述水泥、细骨料、煤粉灰、膨润土和水的质量比为120:1040:160:150:280，每环注浆量为4.7m3，注浆压力不大于0.2mpa；所述二次注浆浆液采用水泥～水玻璃双液浆，初凝时间设定为50～70s，注浆压力不大于0.4mpa。
有益效果：
1、本发明高强度基岩凸起地层盾构施工方法，采用具有大推力、强扭矩、硬刀盘、防泥饼特点的复合式土压平衡盾构机，破岩能力不低于210mpa，本发明选取的复合式土压平衡盾构机能够提供足够的推力、扭矩，并配置防止结泥饼的措施，确保管涵安全采用全土压掘进。
2、本发明高强度基岩凸起地层盾构施工方法中选取的复合式土压平衡盾构机采用液压驱动，其驱动功率，额定扭矩，最大推力可以满足在上软下硬、砂层及可能的预裂爆破等地层大扭矩的施工需求。
3、本发明高强度基岩凸起地层盾构施工方法选取的复合式土压平衡盾构机，采用小刀间距设计，能够提高刀盘的破岩能力、预裂爆破等地层大扭矩的施工需求。
4、本发明高强度基岩凸起地层盾构施工方法选取的复合式土压平衡盾构机，通过加大开口率提高了刀盘表面渣土的流动性；主被动搅拌棒设置，可对土仓内的渣土进行充分的搅拌，提高土仓内渣土的流动性，防止土仓内渣土堆积；通过增加膨润土注入系统，使其具有较强的渣土改良能力，提高渣土流动性。
5、本发明高强度基岩凸起地层盾构施工方法，设置进仓点并对所述进仓点区域设置加固区，能够及时检查更换刀具，处理土仓内的问题，不要带病作业，滚刀破岩一直保持良好状态，保证破岩能力，盾构机性能的提升可以大幅降低因扭矩、功率过载造成的盾构机突然卡停，使盾构机平稳通过。而进仓前提条件是通过预加固和带压进仓的方法保证掌子面的稳定。
6、本发明高强度基岩凸起地层盾构施工方法，全土压满仓掘进模式，仓内形成梯度压力维持掌子面土体稳定，仓内堆积的渣土形成“土塞”效应，有效抵挡掌子面主动土压力，每掘33cm出渣一斗，每环总量控制在56m3，坚决避免超量出渣，维持土压平衡，防止掌子面在压力急剧波动中也易造成坍塌。
7、本发明高强度基岩凸起地层盾构施工方法，通过加入高粘度膨润土，提高渣土和易性，使渣土性状成为即不喷渣、也不固结的流塑状，实现了出渣量及刀盘扭矩总体可控，避免喷涌带来的压力波动，解决了喷涌问题，使得出渣得以连续，盾构机便可在软硬不均地层中安全平稳通过。
8、本发明高强度基岩凸起地层盾构施工方法，刀盘通过本段基岩凸起时，推力最大为2775t，速度控制在1~4mm/min，同时良好的渣土改良效果保证了最大扭矩仅到3721knm，为额定值的60%，刀盘转速0.8~1.2r/min。贯入度2mm/r~9mm/r，渣温控制在40~50℃，安全平稳通过了该段基岩凸起，确保了管涵的安全。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述。
实施例1
本实施例以高强度基岩凸起地层盾构施工方法在厦门市轨道交通2号线一期工程五缘湾南站～五缘湾站区间施工中的具体应用为例，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
厦门市轨道交通2号线一期工程五缘湾南站～五缘湾站区间采用盾构法施工，全长869m，管片外径6200mm、内径5500mm。两台复合土压平衡盾构机自五缘湾南站始发后，沿环岛干道向北敷设到达五缘湾站。
厦门地区第四系残积土下方的花岗岩基底形成于7千至1.4亿年前。台湾海峡形成过程中形成闽东滨海断裂后，幔源岩浆沿裂隙上涌。花岗岩基岩为岩浆岩大类中的深成侵入岩，平均形成于地下6km由于其特殊的侵入式形成过程其表层形状并不像沉积岩那样平整，区域出现概率也无规律性可言。地下高温高压和缓慢地冷却速度作为良好的矿物成分分异过程，在此过程中析出的高硬度矿物：石英（30%-50%）、长石（45%-65%）平均摩氏硬度>7，作为组成花岗岩的主要矿物，因此在这样的地层中掘进极大地增加了刀具的磨损。
隧道主要穿越硬塑状残积砂质黏性土和全风化花岗岩，其中区间左线隧道里程zdk40+302.700～zdk40+382.419存在长度79.719m、中微风化花岗岩基岩凸起，平均饱和抗压强度160mpa，最高204mpa，最大侵入高度为5.62m，为上软下硬地层。由于基岩距离钟宅村民房最近仅25m，且基岩正上方存在3*dn2000mm雨水管涵，距洞顶仅4.5m，无法采用爆破或者取芯的方式进行预处理。
下面以该隧道工程隧道施工为例详细说明高强度基岩凸起地层盾构施工方法，具体包括如下步骤：
（1）选取盾构机：对盾构机欲掘进位置所处地层的地质进行预先勘测，并根据地质勘测结果，选取复合土压平衡盾构机掘进施工，所述复合土压平衡盾构机的刀盘及支撑系统本身设置有搅拌装置，所述复合土压平衡盾构机设有泡沫注入系统和膨润土注入系统以改良高强度基岩凸起地层的渣土；
所述复合土压平衡盾构机采用液压驱动，驱动功率945kw，额定扭矩为6000knm，脱困扭矩为7200knm，可以满足在上软下硬、砂层及可能的预裂爆破等地层大扭矩的施工需求；驱动转速0-3.7rpm，可满足在全断面风化岩地层高转速施工要求，破岩能力不低于210mpa，刀盘开口率为30-40%，刀盘转速为0.8~1.2r/min，贯入度为2mm/r~9mm/r，刀间距为75-90mm。
刀盘采用准面板结构设计，有6根主刀梁、有6个牛腿、6根牛腿支撑梁以及外圈梁等组成，根据施工需求，可配置滚刀或在滚刀刀箱上安装撕裂刀，本实施例中复合土压平衡盾构机的刀盘整体开口率34%，刀盘中心开口率38%，开口在整个盘面均匀分布，保证刀盘掘进过程中碴土顺利进入土仓。在滚刀刀箱上安装撕裂刀，辅以合理的渣土改良，可满足在粘土、砂层等软土地层的施工要求；若在刀盘上安装滚刀，可满足在风化岩地层的施工要求；刀盘环向牛腿支撑梁在刀盘轴向的高度低于主刀梁，刀盘中心区域开口与周边区域开口贯通，便于中心区域的碴土往周边流动，提高了刀盘径向渣土的流动性。滚刀尺寸为17寸，刀高175mm，中心双联滚刀为6把，单刃滚刀35把，共47个刃，中心滚刀刀间距90mm、正滚刀刀间距75mm，小刀间距布置，刀盘具有较强的破岩能力。所述盾构机刀盘前面板堆焊有复合钢板、外圈梁外表面堆焊复合钢板和合金刀。
所述搅拌装置包括设置在刀盘背部的主动搅拌棒和设置在盾构机前盾隔板上的被动搅拌棒。刀盘背部设计4根主动搅拌棒，利用刀盘和承压隔板的相对运动进行搅拌，改善中心土仓内碴土的流动性，并在前盾隔板上设计有2根被动搅拌棒，可对土仓内的渣土进行充分的搅拌，提高土仓内渣土的流动性，防止土仓内渣土堆积，形成”泥饼”。
所述泡沫注入系统包括均匀设置在刀盘前面板6个单管单泵配置的泡沫注入口，其中2路与膨润土泥浆共用，所述复合土压平衡盾构机的刀盘前部、土仓及螺旋机设有膨润土入接口，膨润土系统采用一台软管作为注入泵，用于碴土改良，并可为施工提供洞外膨化方案，将大量膨润土通过管路输送到设备上安装的膨润土罐内，通过软管泵从刀盘前部、土仓及螺旋机注入膨润土，增加地层细颗粒，形成良好级配帮助顺利出渣，减少磨损，具有较强的渣土改良能力，对切削下来的渣土能够进行较强的改良，提高渣土流动性，防止产生刀盘”泥饼”。
（2）设置进仓点并对所述进仓点区域设置加固区：检测通过钻孔取芯出来的岩石，对其进行研磨性分析，预判所述复合土压平衡盾构机刀具磨损情况，预测复合土压平衡盾构机一次掘进可达长度，并根据所述复合土压平衡盾构机一次掘进可达长度设置进仓点并对所述进仓点区域设置加固区；
本实施例中，针对本工程硬岩的地层特性，预测盾构在此研磨性花岗岩地层中一次掘进可达30m，进仓点间隔为20m，所述加固区尺寸为宽3m，长为6.6m，加固深度至隧道洞顶，加固方式为梅花形布置袖花管注浆，袖花管之间的距离为0.5-1m，本实施例中袖花管之间的距离为0.8m，加固区外圈所注浆液为双液浆、内圈为水泥浆。
（3）盾构掘进施工：
复合土压平衡盾构欲进入高强度基岩凸起段前主动进仓检查一次，然后开始掘进施工；盾构掘进施工过程中采用全土压满仓掘进模式，严格控制出渣量，全土压满仓掘进中每掘进33cm出渣一斗，每环出渣总量控制在56m3，严格控制出渣量；
关闭泡沫注入系统、开启膨润土泥浆注入系统注入钠基膨润土泥浆对土体进行改良，所述钠基膨润土泥浆由钠基膨润土和水按照1:8±1的质量比均匀配置而成，其塌落度为195-205mm、粘度为50秒，盾构掘进中的注浆量为4m3/环；
所述盾构掘进施工完成一环且所述土压平衡盾构机推进的同时，进行同步注浆，所述同步注浆浆液由水泥、细骨料、煤粉灰、膨润土和水均匀混合而成，所述水泥、细骨料、煤粉灰、膨润土和水的质量比为120:1040:160:150:280，每环注浆量为4.7m3，注浆压力不大于0.2mpa；所述二次注浆浆液采用水泥～水玻璃双液浆，初凝时间设定为50～70s，注浆压力不大于0.4mpa。管片脱离盾尾4～6环之后进行二次注浆，浆液采用水泥～水玻璃双液浆，初凝时间设定为50～70s，注浆压力不得大于0.4mpa，补浆量以注浆压力进行控制，进一步补充地层损失，控制地表沉降；
盾构掘进到进仓点时，带压进仓检查刀具是否有异常磨损。
（4）盾构管片拼装施工：步骤（3）中盾构掘进施工完成一环后，按照常规管片拼装衬砌施工工艺进行盾构管片拼装施工；不断循环，直至完成所施工地铁隧道的全部施工过程；
（5）盾尾后脱出地表后，增加同步注浆量并进行管片壁后补注浆。
厦门市轨道交通2号线一期工程五缘湾南站～五缘湾站区间左线自2017年1月19日开始进入基岩凸起，至2月14日完成该段基岩凸起盾构掘进，平均进度指标1-2环/天。通过加强出渣控制及渣土改良，很好的控制了沉降，地面累计沉降最大1cm，雨水管涵累计沉降5.5mm，安全顺利通过了该段基岩凸起。通过途中，按照换刀计划进仓两次，共换刀15把，磨损形式为偏磨，均及时进行了更换，有效保证了破岩效果。