盾構(gòu)穿越上軟下硬地層施工關(guān)鍵技術(shù)研究

廣東水電二局股份有限公司 523952

摘要：在我國城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動之下，我國城市軌道交通獲得較快的進(jìn)步。但是在施工之中，因?yàn)榈貙咏Y(jié)構(gòu)的特殊性，對于施工進(jìn)度以及質(zhì)量造成一定的影響，本文則探討了盾構(gòu)穿越上軟下硬地層之時(shí)的相關(guān)施工技術(shù)。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)；上軟下硬；施工

引言

花崗巖、混合巖及灰?guī)r等硬質(zhì)基巖大面積分布于我國華南、東南及華北沿海地區(qū)，上面多為花崗巖、混合巖的殘積層以及黏土層、砂層等地層?；◢弾r、混合巖的殘積層具有未擾動前比較致密、承載力較高，擾動后強(qiáng)度迅速降低、軟化、崩解，自穩(wěn)性差等特性。硬巖和軟弱地層，兩者地質(zhì)物理特性差別大，地鐵盾構(gòu)隧道由于地鐵車站埋深及線路坡度的限制，區(qū)間隧道洞身不可避免地會有部分位于硬質(zhì)基巖、部分位于風(fēng)化殘積層或其他軟弱層中。盾構(gòu)在上軟下硬地層中施工經(jīng)常遇到掘進(jìn)速度減慢、極易超挖、地面沉降嚴(yán)重甚至坍塌、盾構(gòu)刀具磨損嚴(yán)重、卡機(jī)、螺旋機(jī)噴涌等問題。如何處理好這些問題，國內(nèi)工程技術(shù)人員一直在分析和研究。

1、上軟下硬復(fù)合地層的主要特征

上軟下硬復(fù)合地層主要是由上部的土層和下部的巖層組合而成的巖土復(fù)合地層。盾構(gòu)隧道中的上軟下硬復(fù)合地層，其土層和巖層之間的過渡層很薄甚至沒有，分界線明顯，上部的土層較為軟弱，不能過多承受施工擾動，而下部的巖層的單軸抗壓強(qiáng)度往往高達(dá)幾十甚至一百兆帕以上。

2、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)上軟下硬地層的風(fēng)險(xiǎn)

盾構(gòu)隧道中上軟下硬復(fù)合地層的土層和巖層過渡較快和性質(zhì)差異顯著的特點(diǎn)，使得盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)時(shí)容易產(chǎn)生以下施工風(fēng)險(xiǎn)：

由于底部為硬巖，刀具貫入巖面困難，頂部為軟土，刀具切削土層容易，因此盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)垂直姿態(tài)容易上抬。（軟硬各半的時(shí)候就會減少，除非軟土占60%以上）

地層軟硬不均，刀具在軟硬交界的地方容易磕碰巖面，造成刀圈崩壞、刀軸密封漏油等刀具損壞情況；而如果掘進(jìn)速度過慢（小于4mm/min）時(shí)滾刀不轉(zhuǎn)，又容易造成刀偏磨。

底部為硬巖，掘進(jìn)速度慢，上部軟土因擾動大而容易變形和造成水土流失，尤其是在富水地層中，如果控制不好造成噴涌，更容易導(dǎo)致地層損失，最終導(dǎo)致地面沉降過大。

為維持上部軟弱地層的穩(wěn)定，土倉內(nèi)常需保持稍高于水土土壓，同時(shí)因盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度慢，摩擦作用使得倉內(nèi)土體溫度升高，從而容易產(chǎn)生“結(jié)泥餅”的現(xiàn)象。（結(jié)泥餅還包括噴涌時(shí)快速帶走水量）

3、施工現(xiàn)狀及問題

盾構(gòu)隧道上軟下硬地層的特性，決定了盾構(gòu)施工的困難，施工中出現(xiàn)問題難以完全避免。部分區(qū)間施工承包商對該地層認(rèn)識不足，盾構(gòu)選型、采購或改造上針對性不強(qiáng)。部分盾構(gòu)機(jī)操作手和現(xiàn)場施工技術(shù)管理人員也存在經(jīng)驗(yàn)不足的問題，施工前施工組織沒有針對性，缺乏相應(yīng)預(yù)案，造成施工中問題不斷，部分問題處理不及時(shí)，造成較大損失。

施工中出現(xiàn)的主要問題有：盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)取用不合理，刀盤轉(zhuǎn)速、貫入度、扭矩及推力等偏大；造成盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)不順、姿態(tài)難以控制等問題。盾構(gòu)掘進(jìn)困難，盾構(gòu)昂頭，出土超量，地面沉降及坍塌。盾構(gòu)刀具磨損嚴(yán)重，需頻繁開艙檢查刀具及換刀。盾構(gòu)出現(xiàn)卡機(jī)現(xiàn)象。軟弱地層松動坍塌，泥水涌入土艙，出現(xiàn)螺機(jī)噴涌；土艙保壓造成地表冒漿等。

4、施工技術(shù)分析

4.1、施工準(zhǔn)備

4.1.1、優(yōu)化參數(shù)

開始穿越地層之前，需結(jié)合沉降情況優(yōu)化施工參數(shù)，歸納總結(jié)沉降規(guī)律，針對盾構(gòu)穿越地層結(jié)構(gòu)展開合理分析，旨在實(shí)現(xiàn)最佳施工成效的最大化獲取，嚴(yán)格控制地面沉降，確保盾構(gòu)能夠平穩(wěn)安全地穿越地層結(jié)構(gòu)。

4.1.2、維護(hù)設(shè)備

針對施工所用盾構(gòu)機(jī)械設(shè)備采取有效的保養(yǎng)維護(hù)措施，確保龍門吊以及盾構(gòu)機(jī)、二次注漿機(jī)、拌合站、電瓶車等相關(guān)設(shè)備擁有良好性能，可保持最佳運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而能夠快速經(jīng)過施工風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

4.1.3、準(zhǔn)備材料

施工之前，需盡可能準(zhǔn)備數(shù)量充足且質(zhì)量較優(yōu)的工具和材料，堅(jiān)決杜絕因?yàn)椴牧隙倘笔故┕すぷ魇艿接绊?，提前?zhǔn)備好材料，確保工具數(shù)量足夠且種類齊全，有備無患，規(guī)避意外狀況的頻繁發(fā)生。

4.2、掘進(jìn)參數(shù)控制

4.2.1、脫困階段

在恢復(fù)掘進(jìn)前，為治理土倉內(nèi)積水，防止噴涌，在關(guān)閉倉門前往土倉內(nèi)倒入5～6t干膨潤土，并攪拌均勻。

采用主動交接式盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)首先使用同步千斤頂試掘進(jìn)，如果推力加到36000kN（程序保護(hù)）仍無法頂動盾體時(shí)，采用鉸接千斤頂推進(jìn)?？刂凭蜻M(jìn)參數(shù)如下：刀盤轉(zhuǎn)速1.0～1.2r/min，在利用鉸接推進(jìn)時(shí)刀盤扭矩超過5000kN·m則停止向前推進(jìn)，空轉(zhuǎn)刀盤當(dāng)?shù)侗P扭矩降低至2000kN·m時(shí)繼續(xù)利用鉸接向前推進(jìn)，如此循環(huán)掘進(jìn)，鉸接行程伸出30mm時(shí)，鉸接油缸變換為收縮模式，同時(shí)利用同步千斤頂推動盾構(gòu)機(jī)中盾和盾尾。如此循環(huán)操作，至使用同步千斤頂能正常推動盾體時(shí)恢復(fù)正常掘進(jìn)模式。

4.2.2、正常掘進(jìn)階段

根據(jù)以前過上軟下硬經(jīng)驗(yàn)及目前實(shí)際情況，控制掘進(jìn)參數(shù)如下。土壓：根據(jù)刀盤埋深及地下水位高度計(jì)算得出土倉頂部靜水壓力為（如2.8bar）；根據(jù)掘進(jìn)里程計(jì)算出理論出土量，根據(jù)實(shí)際出土量=理論出土量的原則控制出土，土倉頂部壓力可控制在2.9～3.2bar左右。推力：由于土倉內(nèi)土壓較高，所需推力相應(yīng)增高，推力3000～3600t；推力超過3600t后，及時(shí)分析掘進(jìn)參數(shù)，判斷推力增大原因。（以上參數(shù)以海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)做參考）

4.3、設(shè)備掘進(jìn)技術(shù)

在實(shí)際施工進(jìn)程中，使用盾構(gòu)機(jī)設(shè)備在上軟下硬地層中進(jìn)行覺得時(shí)候，針對軟巖部分而言，切削掌子面便會使土層結(jié)構(gòu)遭到破壞，針對局部巖石較硬部分，此處刀盤滾刀實(shí)際受力情況較大，伴隨著局部硬巖的不斷作用，刀盤所受損傷變大，因此，需將刀盤轉(zhuǎn)速適當(dāng)降低，將其所受瞬時(shí)沖擊控制在安全荷載范圍之內(nèi)。對于上軟下硬地質(zhì)而言，若僅僅考慮刀盤保護(hù)因素，結(jié)合硬巖方式單純掘進(jìn)，則會導(dǎo)致超挖問題，造成地表發(fā)生沉降情況，基于此，必須在全土壓平衡模式下進(jìn)行掘進(jìn)施工，即為在實(shí)際的掘進(jìn)過程中用需確保掌子面壓力平衡以及土艙壓力相對較高些。參考實(shí)際情況，結(jié)合各項(xiàng)參數(shù)值針對刀盤扭矩以及油缸推力、掘進(jìn)貫入度等數(shù)據(jù)因素實(shí)施合理調(diào)節(jié)。掘進(jìn)上軟下硬地層結(jié)構(gòu)的時(shí)候應(yīng)注重推力的優(yōu)化降低，控制推進(jìn)速度，原因在于所有斷面所擁有的強(qiáng)度是各不相同的，若產(chǎn)生較大速度則是刀具早軟硬交接的位置形成意外損傷問題?；诖祟惖貙拥膶?shí)際條件，通常結(jié)合盾構(gòu)機(jī)設(shè)備貫入度實(shí)施控制。盡可能采用土體改良技術(shù)，旨在將刀具及螺旋輸送機(jī)設(shè)備所產(chǎn)生的磨損情況大大降低，規(guī)避涌水問題的形成，通常將含水量較大的泡沫注至土艙內(nèi)部、刀盤前以及螺旋輸送機(jī)內(nèi)部位置，選用盾構(gòu)機(jī)泡沫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)泡沫注入，在此需注意泡沫溶液組成比例控制。再者說，因?yàn)樯宪浵掠驳貙又熊泿r部分極易催生坍塌問題，加之硬巖部分擁有較大硬度，進(jìn)而難以實(shí)施切削，所以為充分保護(hù)刀具則會將掘進(jìn)速度大大降低，然而此時(shí)卻會對軟巖部分穩(wěn)定性造成不利影響，在此需確保土壓值保持較高水平，確保掌子面擁有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

4.4、加固技術(shù)

上軟下硬地層開倉換刀時(shí)掌子面加固在上軟下硬地層中，開倉換刀時(shí)掌子面存在全風(fēng)化巖，不具自穩(wěn)性，在地下水作用下容易出現(xiàn)塌方情況，不具備開倉換刀條件，需對掌子面進(jìn)行加固處理，處理措施如下：（1）在計(jì)劃換刀里程，在地面進(jìn)行預(yù)加固處理。（2）在預(yù)加固體效果不好時(shí)，則需及時(shí)在刀盤前方掌子面進(jìn)行二次加固。①地面加固，在刀盤前方利用WSS注漿工藝進(jìn)行加固。②洞內(nèi)加固，由于WSS注漿加固體在地下水浸泡的情況下穩(wěn)定期為2～3d，時(shí)間太長會出現(xiàn)小面積失穩(wěn)，加固體和全風(fēng)化巖會隨著地下水流失，此時(shí)可將開口封住利用二次注漿機(jī)注雙液漿進(jìn)行填充加固。③在地面不具備加固條件時(shí)，且洞內(nèi)無法進(jìn)行注雙液漿加固時(shí)，可向土倉內(nèi)注入砂漿進(jìn)行置換加固。

5、結(jié)語

綜上所述，在地鐵工程建設(shè)中，穿越上軟下硬地層結(jié)構(gòu)的時(shí)候需配備高技能人才合理運(yùn)用盾構(gòu)施工技術(shù)開展施工活動，關(guān)注施工要點(diǎn)，確保施工安全，促進(jìn)工程建設(shè)的高質(zhì)完成，強(qiáng)化提升城市交通運(yùn)營能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]李光耀.獅子洋隧道泥水盾構(gòu)穿越上軟下硬地層施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010，11：89-94.

[2]翟圣智，胡蒙達(dá)，葉明勇，葉新宇，王樹英，詹濤.南昌上軟下硬地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良技術(shù)研究[J].鐵道建筑，2014，08：27-31.

[3]劉五一.大直徑泥水盾構(gòu)穿越湘江漫灘粉細(xì)砂地層施工技術(shù)研究[D].中南大學(xué)，2013.

[4]朱宏海.上軟下硬復(fù)合地層地鐵盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)及施工探析[J].隧道建設(shè)，2015，02：144-148.