盾構(gòu)穿越上軟下硬及硬巖段施工技術(shù)分析

楊寶

（中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京市 101149）

1 工程概況

橫琴盾構(gòu)隧道起迄里程左線D K7+957.500～D K9+497.100，全長 1.540 km，右線 Y D K7+987.848～Y D K9+541.298，全長1.553 km，雙洞單線，采用盾構(gòu)法施工。隧道洞頂覆土厚度水下段20～30 m，一般地段隧道洞頂埋深10～20 m。盾構(gòu)掘進(jìn)示意見圖1。在施工過程中，在軟硬不均、硬巖地層中掘進(jìn)是難點(diǎn)，區(qū)間在接收階段左線約142.5 m，右線約80.125 m，是強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化硬巖段。盾構(gòu)機(jī)在上軟下硬、硬巖地層中掘進(jìn)是難點(diǎn)。盾構(gòu)穿越上軟下硬地層，更換刀具時(shí)，開挖面不穩(wěn)定存在風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何保證安全順利地更換刀具是難點(diǎn)。

圖1 盾構(gòu)掘進(jìn)示意圖

2 上軟下硬地層盾構(gòu)施工難點(diǎn)

（1）盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)時(shí)，速度緩慢，容易發(fā)生掘進(jìn)偏差現(xiàn)象。實(shí)踐證明，在不同硬度土層中掘進(jìn)時(shí)，其掘進(jìn)速度也是不同的。但是，總而言之，盾構(gòu)機(jī)在向前掘進(jìn)時(shí)，速度較慢。比如，對(duì)于強(qiáng)度為130 MPa的巖石層來講，需要將盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度控制在7 mm/min。除此之外，盾構(gòu)機(jī)在向前掘進(jìn)時(shí)，存在頭重腳輕的現(xiàn)象，主要是由于盾構(gòu)機(jī)在工作時(shí)，僅僅依靠軟弱土層中的摩擦力和推動(dòng)力，無法有效地保持盾構(gòu)姿勢(shì)，從而出現(xiàn)低頭現(xiàn)象。因此，可以通過對(duì)盾構(gòu)下部的推動(dòng)力進(jìn)行增加來確保盾構(gòu)機(jī)的姿勢(shì)，穩(wěn)步前進(jìn)[1]。但由于土層硬度不同，掘進(jìn)速度不同。在進(jìn)行工作時(shí)，推力和扭矩存在較大的變化，從而出現(xiàn)土層偏移現(xiàn)象，并且無法對(duì)其進(jìn)行有效的控制，影響工程質(zhì)量。

（2）盾構(gòu)機(jī)刀具磨損得非常嚴(yán)重。在盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)時(shí)，刀具存在一定程度的磨損，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：a.上軟下硬的地層確定了盾構(gòu)機(jī)的工作方式，在這種情況下，如果對(duì)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)無法進(jìn)行有效地控制，則會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)刀盤出現(xiàn)結(jié)泥餅現(xiàn)象，使?jié)L刀發(fā)生偏磨現(xiàn)象；b.由于盾構(gòu)機(jī)下部單軸位移硬巖石層中，滾刀的磨損情況加劇，使刀具嚴(yán)重消耗甚至出現(xiàn)刀具崩裂的現(xiàn)象。因此，盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，需要對(duì)刀具進(jìn)行更換，并且根據(jù)實(shí)際的情況來進(jìn)行刀具的更換操作，并且確保工作的安全。

（3）巖土噴涌嚴(yán)重，清碴工作量增大。對(duì)于顆粒較小的土層來講，由于其具有砂土和黏土的特性，使小顆粒不斷地從小顆粒中落下，填補(bǔ)了空隙。并且，由于下部的硬巖石層風(fēng)華強(qiáng)度較小，存在一定的裂縫，使掘進(jìn)工作中容易發(fā)生漿液流失的現(xiàn)象[2]。因此，施工人員如果不嚴(yán)格地控制盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)，則會(huì)出現(xiàn)涌水的現(xiàn)象，并且需要增加大量的人力和財(cái)力來對(duì)碴土進(jìn)行清理，這就提高了施工成本。

3 盾構(gòu)穿越上軟下硬段及硬巖段施工

3.1 上軟下硬段施工

3.1.1 推力

對(duì)滾到破碎巖石的原理進(jìn)行分析，需要確保推力參數(shù)符合要求。隨著推力的不斷增加，扭矩也會(huì)不斷地增加，并且扭矩是巖石破碎工作中的主要部分。此外，由于推力的不斷增加，切刀和齒刀深入巖石層的深度越大，并且在相同條件下，切削下來的碴土量也不斷增加。

但是，在對(duì)上軟下硬的地層進(jìn)掘進(jìn)時(shí)，刀盤和刀具的受力失去平衡。硬巖部位受到的推力較大，而軟巖石受到的推力較小，由此也可以看出硬巖石部分減緩了盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度。如果推力過大，則會(huì)對(duì)刀具產(chǎn)生影響，導(dǎo)致刀具發(fā)生變形現(xiàn)象[3]。

對(duì)某地方進(jìn)行施工時(shí)，如果掘進(jìn)推力過大，刀盤容易出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。此外，其對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的要求也有所提高。由于受力不均勻，會(huì)使刀具發(fā)生變形。

3.1.2 刀盤轉(zhuǎn)速

在對(duì)上軟下硬的地層進(jìn)行掘進(jìn)操作時(shí)，硬巖石部位仿佛一個(gè)高強(qiáng)度的樁基，并且會(huì)對(duì)刀具的正常旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響，使刀具承受的沖擊增大。以愛因斯坦的能量公式E=m v2為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，在刀盤質(zhì)量一定時(shí)，轉(zhuǎn)速越快，對(duì)硬巖石產(chǎn)生的沖擊力越大。由此可以看出，在對(duì)上軟下硬地層進(jìn)行掘進(jìn)操作時(shí)，需要嚴(yán)格控制刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，采用勻速的方式來對(duì)進(jìn)行掘進(jìn)工作。

3.1.3 刀具貫入度

在對(duì)上軟下硬地層進(jìn)行掘進(jìn)操作時(shí)，施工人員需要密切地關(guān)注刀具的意外磨損和刀具的偏磨現(xiàn)象。一般來講，在掘進(jìn)過程中，技術(shù)人員需要密切重視渣土的情況和刀盤發(fā)出的聲音。如果渣土中石塊較少，并且無異常響動(dòng)時(shí)，可以通過增加刀具貫入量的方式來提高盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度[4]。隨著不斷地增加推力，需要密切地關(guān)注刀盤的異常和出渣情況，這樣才能有效地保證刀具正常工作。

3.1.4 渣土管理

（1）土倉壓力：在對(duì)上軟下硬地層進(jìn)行掘進(jìn)操作時(shí)，需要根據(jù)軟土的深度和物理性能來確定土倉壓力。在對(duì)上軟下硬地層進(jìn)行掘進(jìn)操作時(shí)，由于掘進(jìn)速度較慢，并且存在較大的扭矩力，無法有效地平衡土倉壓力。并且，采用氣壓平衡模式來進(jìn)行掘進(jìn)工作。

（2）出土量：由于盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)時(shí)，推進(jìn)速度比較慢，刀盤切削下來的渣土量較少，但是，螺旋輸送機(jī)每次運(yùn)輸?shù)匿z土量比較大，這就會(huì)出現(xiàn)軟土部位超挖或者過挖現(xiàn)象，造成地面下沉或者地面坍塌現(xiàn)象。因此，在對(duì)上軟下硬地層進(jìn)行掘進(jìn)操作時(shí)，需要對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)的出土量進(jìn)行嚴(yán)格控制。必要時(shí)，可以對(duì)渣土劃上刻度，從而有效地控制渣土的出土量，確保出土的平衡。

（3）渣土狀態(tài)：為了有效地控制土倉壓力，提高土倉渣土的止水性能，需要采用相應(yīng)的措施來確保泡沫系統(tǒng)能夠正常地進(jìn)行工作，并且還需要增加一些泡沫劑提高渣土的流塑性能。當(dāng)掌子面的滲透性過強(qiáng)時(shí)，可以向土倉內(nèi)加入適當(dāng)?shù)呐驖櫷羴韺?duì)渣土的性能進(jìn)行改善，否則會(huì)發(fā)生渣土噴涌現(xiàn)象，出現(xiàn)地面沉降。此外，施工人員需要不斷關(guān)注渣土的稀稠、含水量、含土量、含石量以及石塊的尺寸、顏色等，全面掌握和判斷掌子面的地層狀態(tài)。

（4）渣土濕度：一旦施工中渣土的溫度過高則會(huì)直接影響施工和機(jī)械的正常工作。主要表現(xiàn)為以下幾方面：一旦刀盤中心形成泥餅，刀具就無法有效地抵擋掌子面對(duì)巖土的切削，使泥餅在高溫下發(fā)生固結(jié)現(xiàn)象；當(dāng)?shù)毒甙l(fā)生嚴(yán)重的損壞時(shí)，刀盤面板會(huì)與掌子面發(fā)生直接的摩擦，從而引起穩(wěn)定升高；在系統(tǒng)中加入泡沫劑時(shí)，無法對(duì)渣土的性能進(jìn)行改善，使渣土在土倉內(nèi)結(jié)塊或者相互摩擦產(chǎn)生熱量，提高渣土的穩(wěn)定。通過對(duì)渣土的穩(wěn)定進(jìn)行分析和觀察，及時(shí)判斷故障或者異常，采取有效的措施來解決問題。一般來講，當(dāng)渣土溫度過高時(shí)，需要及時(shí)停止盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)操作。由于本路段含有大量的粘土，在進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，需要對(duì)渣土進(jìn)行改良，確保刀具不會(huì)出現(xiàn)磨損現(xiàn)象[5]。

（5）同步注漿：在對(duì)上軟下硬地層進(jìn)行掘進(jìn)操作時(shí)，主要需控制注漿的壓力。由于地層的穩(wěn)定性較差，在注漿操作時(shí)有可能會(huì)出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。

（6）在必須換刀的情況下，技術(shù)人員需要做好更換刀具的工作。并且，根據(jù)實(shí)際的情況來選擇刀具的更換方式。

3.1.5 碴土噴涌防治

在對(duì)上軟下硬地層進(jìn)行掘進(jìn)操作時(shí)，盾構(gòu)機(jī)螺旋出土器排出的渣土中水分的含量較低，并且壓力幾乎為0。如果此時(shí)渣土中水依然存在壓力，則會(huì)造成渣土噴涌的現(xiàn)象。為了有效地避免渣土噴涌現(xiàn)象的發(fā)生，需要通過加入發(fā)泡劑和膨潤土來對(duì)渣土性能進(jìn)行改善。膨潤土適用于細(xì)顆粒較少的砂性土壤，發(fā)泡劑適用于各類配級(jí)的砂性土壤。

3.2 硬巖段施工

（1）在對(duì)其進(jìn)行盾構(gòu)操作時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)狀態(tài)由平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘胪翂浩秸麪顟B(tài)，并且根據(jù)實(shí)際的情況來對(duì)土壓力數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，并且對(duì)注漿量、注漿壓力等進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，減緩?fù)七M(jìn)速度。

（2）在對(duì)硬巖石段進(jìn)行破碎時(shí)，需要及時(shí)更換滾刀。

（3）當(dāng)必須更換刀具時(shí)，技術(shù)人員需要做好刀具的更換工作。更換刀具是一項(xiàng)復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)大、難度大的工作，其與工程質(zhì)量有著直接的關(guān)系。因此，在更換刀具之前，需要選擇穩(wěn)定性能強(qiáng)的土層來進(jìn)行操作，避免意外事件的發(fā)生。如果土層穩(wěn)定性差，則需要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸烫幚碇?，才能進(jìn)行更換刀具的操作。

4 結(jié)語

綜上所述，盾構(gòu)穿越上軟下硬地層施工的高效進(jìn)行需要建立在裂縫處理、信息化控制、地層應(yīng)對(duì)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)上。因此施工人員應(yīng)當(dāng)對(duì)施工的關(guān)鍵技術(shù)與關(guān)鍵點(diǎn)做到了然于胸，從而能夠在此基礎(chǔ)上切實(shí)地提升盾構(gòu)穿越上軟下硬地層施工的整體水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]D G/TJ 08-2041-2008,地鐵隧道工程盾構(gòu)施工技術(shù)規(guī)程[S].

[2]何祥凡.盾構(gòu)隧道穿越上軟下硬地層擾動(dòng)機(jī)理及應(yīng)對(duì)措施研究[D].四川成都:西南交通大學(xué),2017.

[3]趙先鵬.穿越上軟下硬地層盾構(gòu)隧道施工控制技術(shù)研究[D].四川成都:西南交通大學(xué),2012.

[4]任建喜,史景陽,占有名,等.地鐵盾構(gòu)施工對(duì)既有拱橋的變形影響規(guī)律與控制技術(shù)[J].施工技術(shù),2014(18):61-65.

[5]呂向紅,楊冬梅,鄭青.全斷面卵石地層盾構(gòu)近距離下穿地鐵區(qū)間隧道施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2013(5):152-157.