上軟下硬地層中盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)探討

[摘要]在盾構(gòu)法隧道施工中，經(jīng)常會遇到特殊的地質(zhì)情況，如上硬下軟、上軟下硬等問題，如果不能對其進(jìn)行深入剖析和研究，必然會影響施工的質(zhì)量和效率。本文以深圳地鐵11號線車公廟一紅樹灣區(qū)間段的施工為例，對其隧道施工中存在的重點和難點問題進(jìn)行了分析，并且給出了具體的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，保證了良好的施工效果，希望能夠為類似工程的施工提供一些參考。

[關(guān)鍵詞]上軟下硬地層；盾構(gòu)法；隧道；施工技術(shù)

盾構(gòu)法主要是依靠旋轉(zhuǎn)推進(jìn)的刀盤，利用盤形滾刀破碎巖石，使得隧洞全斷面一次成型，是一種新型的隧道施工方法。自問世以來，盾構(gòu)施工法憑借自身高效、安全、環(huán)保等優(yōu)點，在水利、交通及采礦等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在城市地鐵隧道施工中，盾構(gòu)法有著非常廣泛的應(yīng)用，而在面對特殊地層時，需要做好合理的設(shè)計，才能保證施工的順利進(jìn)行。

1、工程概況

深圳地鐵11號線車公廟-紅樹灣區(qū)間段全長5.5km，采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工，以4臺φ6980大盾構(gòu)由中部始發(fā)井向兩端車站掘進(jìn)。經(jīng)現(xiàn)場勘查，區(qū)間隧道穿越地質(zhì)主要為礫質(zhì)粘性土、全風(fēng)化粗?；◢弾r，進(jìn)行鉆探取芯分析，發(fā)現(xiàn)巖體完整性較好，天然抗壓強度為37.3～126.1MPa，平均值也達(dá)到了81.7MPa。在頭尾兩側(cè)，均為匕軟下硬地層，對于工程的施工有著一定的負(fù)面影響。

2、施工難點

結(jié)合地質(zhì)水文數(shù)據(jù)，對工程施工的難點進(jìn)行分析，主要包括：

1）軟硬不均的地層在掘進(jìn)過程中，可能引發(fā)地表沉降問題，對周邊環(huán)境造成巨大影響，同時會導(dǎo)致掘進(jìn)刀具的嚴(yán)重磨損；

2）在硬巖段，掘進(jìn)邊滾刀磨損快，容易出現(xiàn)盾構(gòu)卡殼的情況，因此需要頻繁的對刀具進(jìn)行開倉檢查，增大了施工風(fēng)險；

3）軟硬不均地層段處于下坡段，對于掘進(jìn)施工有著一定的負(fù)面影響；

4）爆破區(qū)掘進(jìn)時，由于原有地表注漿孔可能存在封堵不密實，將會出現(xiàn)土倉壓力保不住，上下串通，螺機噴涌、地表冒漿等問題。

3、應(yīng)對措施

3.1前期準(zhǔn)備

一是應(yīng)該在原本地質(zhì)勘查的基礎(chǔ)上，進(jìn)行加密補堪操作，確保沿線每5m有—個地質(zhì)取芯資料，充分了解巖面變化情況，盡可能排查孤石分布情況，做到了然于胸；二是對于補勘過程中發(fā)現(xiàn)的孤石，應(yīng)該采取有效的處理措施，具體來講，當(dāng)發(fā)現(xiàn)取芯異常后，需要在其周邊進(jìn)行加密勘查，對孤石的大小和形狀進(jìn)行明確，然后利用沖樁機對孤石進(jìn)行破碎，以混凝土回填封堵；三是應(yīng)該做好上軟下硬段的預(yù)處理工作，采用地表鉆孔預(yù)裂爆破+深孔袖閥管預(yù)注漿工藝。要求預(yù)裂爆破后巖石塊徑≤30cm，滿足螺機出渣要求：四是應(yīng)該對盾構(gòu)機的換刀點進(jìn)行明確，以避免掘進(jìn)過程中的頻繁開倉檢查，保證施工安全。區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道范圍均設(shè)計為換刀檢查點，換刀點采用旋噴樁提前對隧道范圍進(jìn)行預(yù)加固處理。換刀加固區(qū)域的面積為9.1m*5.2m。加固的高度從隧道頂部上方3m到隧道底部下方1m。

3.2施工技術(shù)

（1）推進(jìn)參數(shù)：結(jié)合地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)，在初步設(shè)計中，擬定的盾構(gòu)機推進(jìn)參數(shù)為刀盤轉(zhuǎn)速≤1.2r/min，推力<2000t，扭矩不超過2000KN·m。貫入度不小于5mm，邊滾刀最大磨損<15mm，中心刀最大磨損<25mm，如果發(fā)現(xiàn)刀具磨損超出標(biāo)準(zhǔn)值，則需要立即停止施工，對刀具進(jìn)更換。不過，在施工中，結(jié)合實際情況，針對上述參數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化調(diào)整，刀盤轉(zhuǎn)速1.5r/min，掘進(jìn)速度8mm/min，貫入度4～6mm，上部土倉壓力1.0～1.3bar，扭矩1700～2000KN·m，實際掘進(jìn)參數(shù)基本不脫離擬定值。

（2）刀具更換：在掘進(jìn)過程中，刀具的磨損非常嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計，軟下硬地層中新更換的單刃滾刀可以使用約15-20環(huán)，中心刀15環(huán)左右。其中，內(nèi)圈滾刀較多出現(xiàn)偏磨，外圈滾刀除偏磨外，還有斷刀圈及缺口等現(xiàn)象，以中心滾刀為例，其偏磨情況如圖1所示。

考慮到中心刀的更換相對困難。尤其是在遇到螺栓斷裂的情況時，基本上需要每兩天更換一把，而新刀具的安裝需要掏挖刀槽，風(fēng)鎬作業(yè)的方式在高強度微風(fēng)化巖層中效率較低。對此，采用取芯機進(jìn)行輔助，有效提高了掏挖刀槽的效率。

（3）渣土改良：由于該區(qū)域微風(fēng)化巖層中裂隙水發(fā)育，在加密補勘的過程中.經(jīng)常會遇到漿液流失問題，往往需要耗費大量的人力和時間進(jìn)行清渣工作，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度。在這種情況下，就需要進(jìn)行渣土改良工作。結(jié)合現(xiàn)場分析數(shù)據(jù)，在該工程中，渣土改良采用優(yōu)質(zhì)泡沫+膨潤土泥漿，泡沫原液比冽1%，氣流量600L/min，注入率30%，膨脹率12%。膨潤土流量3m3/h。施工結(jié)果顯示，改良效果明顯。

（4）防噴涌措施：由于掌子面地下水含量豐富，隧道位于下坡段，盾構(gòu)外部水體匯集刀盤及土倉內(nèi)，為防止坍塌又需要保證較高土壓力，造成螺機噴涌，影響施工的順利開展。針對這個問題，采取了相應(yīng)的防噴涌措施：一是加入高粘度泥漿，改變了碴土的附著性，使得碴土可以順利通過皮帶機輸送，噴涌現(xiàn)象得到改善：二是適當(dāng)縮短了同步注漿初凝時間，調(diào)整后的漿液初凝時間為2.5h，基本吻合硬巖段每環(huán)純掘進(jìn)時間3h，調(diào)整后的同步注漿配合比見表1；三是通過二次注漿的方式，在管片外部，每5環(huán)一道雙液漿止水環(huán)，對噴涌進(jìn)行封堵。考慮到地下水含量豐富，在同步注漿過程中漿液容易被稀釋，影響二次注漿的質(zhì)量，還需要采取相應(yīng)的控制措施：1）高粘度膨潤土泥漿填滿土倉；2）高濃度膨潤土填充盾殼，從尾盾至前盾；3）打開管片吊裝孔注漿，由下至上，由掌子面向后延伸至第五環(huán)；4）間歇性注漿，注漿壓力小于1兆帕；5）相鄰管片頂部吊裝孔打開，保證壓力不會瞬時過大造成管片受損。

結(jié)語：

在上軟下硬地層中，以盾構(gòu)法進(jìn)行隧道施工。需要做好勘童工作，了解地質(zhì)水文狀況，立足實際需求，進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)計、刀具的更換、渣土的改良以及噴涌的預(yù)防，從而在充分保證施工安全的前提下，提高盾構(gòu)掘進(jìn)的效率。