土壓平衡盾構穿越不良地質施工技術

摘要：介紹了上軟下硬復合地層的主要特征以及球狀風化地層的形成原因，分析了盾構穿越復雜地層產生的施工風險，分析了工程中遇到的重點、難點問題，尤其是盾構隧道施工中遇到的上軟下硬地層以及球狀風化地層不良地質段，針對工程的難點提出了主要應對措施。

關鍵詞：土壓平衡盾構；上軟下硬復合地層；對策

根據國內一些城市的地鐵工程地質情況調查，盾構多次穿越上軟下硬的殘積土復合地層以及通過花崗巖球狀風化地層。國內在如此復雜地層采用盾構法施工較少，在廣州地鐵一號線、三號線遇到過類似情況，在采用土壓或泥水盾構施工時，遇到部分強度差異大的不穩定軟硬不均地層，進度緩慢，且多次發生地層坍塌甚至樓房倒塌事故。因此，仔細研究球狀風化地層和上軟下硬復合地層形成成因及其處理關鍵技術對盾構法施工及其重要。

1 盾構機掘進上軟下硬地層的風險

1.1 上軟下硬復合地層的主要特征

上軟下硬復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合地層。盾構隧道中的上軟下硬復合地層，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度往往高達幾十甚至一百兆帕以上。

1.2 盾構機在掘進時容易產生的施工風險

1.2.1 底部為硬巖，刀具貫入巖面困難，掘進速度慢，頂部為軟土，刀具切削土層容易，因此盾構機掘進時垂直姿態容易上抬；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，更容易導致地層損失，最終導致地面沉降過大。

1.2.2 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；而如果掘進速度過慢（小于4mm/min）時滾刀不轉，又容易造成刀偏磨。

1.2.3 為維持上部軟弱地層的穩定，土倉內常需保持較高土壓，同時因盾構機掘進速度慢，摩擦作用使得倉內土體溫度升高，從而容易產生“結泥餅”的現象。

2 盾構機穿越球狀風化地層的風險

2.1 球狀風化地層的形成原因

球狀風化的成因主要是由于巖石巖性不均勻、抗風化能力差異大，加之斷裂構造發育及巖體的次生裂隙導致巖體破碎，抗風化能力減弱，在深程度風化情況下所形成的。一般于地形平緩，風化帶厚度較大的地區較發育。

2.2 盾構機穿越球時產生的施工風險

盾構穿越該類地層的風險主要表現為盾構姿態控制困難，開挖面穩定性控制難度大。盾構在該類地層中掘進，常發生盾構偏離軸線、噴涌、開挖面失穩、結泥餅、刀盤刀具嚴重磨損、甚至在巖層中發生因邊緣刀具磨損嚴重而使“盾構被圍巖卡住”等風險事件。

3 工程難點及主要對策

3.1 通過建筑物時盾構推進措施

（1）接近鐵路前做好模擬推進；（2）保持連續掘進，控制平衡土壓力；（3）土體改良；（4）合理安排施工計劃；（5）做好同步注漿和二次注漿工作；（6）優化掘進參數、保持開挖面穩定；（7）加強監控量測和信息反饋。

3.2 通過不良地質應對措施

3.2.1 硬巖段。由于盾構機外圈刀間距相對較小，刀具線速度相對較大，破巖能力相對較好，硬巖段采用盾構機刀盤切削通過。若巖石頂面侵入隧道范圍較大，硬巖頂部侵入盾構機中心區域，采用盾構機直接通過可能性不大，為減小施工風險可采用礦山法施工，最后盾構機拼裝管片通過、壁后注漿。

3.2.2 上軟下硬段。在上軟下硬但硬度差別不是很大的位置推進，要注意以下問題：

①在保留原刀盤對軟巖、軟土地層的適應性的基礎上，著重提高刀盤對硬巖的破巖能力和對軟硬不均地層的適應性。對刀盤易磨損部位，加焊耐磨層，提高刀盤抗磨損能力。②減小推進力，降低推進速度，密切注意掘進參數的變化，嚴格控制油缸的分區推力，實時調整盾構姿態，防止刀具異常損壞。③向刀盤和土倉內加入泡沫、膨潤土等碴土改良劑，使攪拌后的切削土體具有止水性和流動性，減小刀具磨損。④調整同步注漿配合比，提高水泥摻加量或加入適量早強劑，防止管片背后水力通道的形成，可以防止或減小噴涌的發生，阻止管片上浮。⑤對排土量進行嚴格管理，嚴格控制開挖面壓力；防止出現下部推進沒有速度，上部土層垮塌嚴重，導致沉降的問題出現。⑥當掌子面上下斷面圍巖差異較大，方向造成很大偏差或無法有效建立泥土壓力時，可利用備用的超前鉆機對掌子面上部進行超前注漿加固處理。

3.2.3 球狀風化體。若施工段出現球狀風化體，要根據其位置、大小、強度采取不同的處理措施。當地面條件允許時，優先采用人工挖孔樁法破碎球狀風化體，當深度較大時采用沖擊鉆破碎球狀風化體，破碎后采用粘土回填所鉆（挖）孔，再采取地面注漿壓密回填體，最后盾構機通過；當地面條件不允許時，球狀風化體又位于隧道邊緣且部分位于隧道外時，采取隧道內注漿固定巖石，盾構機切削通過；當不滿足上述3種條件時，采用洞內注漿后、帶壓開艙進行處理球狀風化體。

①挖孔破碎法。指在地表采用人工挖孔至球狀風化體位置采用松動爆破方式破碎球狀風化體的施工方法。球體破碎后采用粘土回填挖孔，并進行土體壓密注漿。②沖擊破碎法。指在地表采用十字沖擊錘沖擊鉆機沖擊破碎球狀風化體的施工方法。鉆孔前首先探明有無地下管線或其他構建筑物，鉆孔后及時采用粘土回填鉆孔，并進行土體壓密注漿。③直接切削法。指在隧道內采用盾構機上預留的超前注漿孔注漿固定球狀風化體，然后盾構機直接切削球狀風化體的方法。要隨時注意掘進參數變化，防止刀盤局部過載，造成刀盤變形。④帶壓開艙法。當人員需要進入土倉作業而開挖面無法自立時，就需要在對土倉中供入具有一定壓力的空氣，利用具有一定壓力的空氣保持開挖面的自立，此時，由于土倉內和隧道存在壓力差，人員若要進入土倉進行作業，則必須利用氣壓人行閘。作業人員在氣壓人行閘內歷經緩慢加壓過程，直到人閘內氣壓與土倉內壓力相等時，方能打開閘門進入土倉；同樣，人員離開高壓環境時也必須在人閘內經過減壓過程。

3.3 刀具的檢查與更換

如果掘進地層中存在大量風化花崗巖及礫質粘土，這兩種地層對盾構機刀具磨損較大，特別是風化花崗巖對刀具的磨損更大，但礫質粘土則更容易使刀具產生偏磨現象，要保證盾構施工的順利進行，必須對刀具進行必要的檢查和更換。

4 結束語

對盾構法施工而言，對上軟下硬復合地層以及球狀風化地層等復雜地層要有充分的認識，對工程地質條件的認識和理解是克服施工難題、控制施工風險的前提。穿越上軟下硬復合地層以及球狀風化地層確實是盾構法施工的重大難題，并且施工風險也很高。合理的盾構掘進參數是克服施工難題、控制施工風險的關鍵。在施工時充分估計困難和風險、采取必要的輔助措施，并充分準備應急預案，做到有備無患是克服施工難題、控制施工風險的必要手段。

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