上軟下硬地層中盾構法隧道施工技術探討

[摘要]在盾構法隧道施工中，經常會遇到特殊的地質情況，如上硬下軟、上軟下硬等問題，如果不能對其進行深入剖析和研究，必然會影響施工的質量和效率。本文以深圳地鐵11號線車公廟一紅樹灣區間段的施工為例，對其隧道施工中存在的重點和難點問題進行了分析，并且給出了具體的盾構掘進參數，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。

[關鍵詞]上軟下硬地層；盾構法；隧道；施工技術

盾構法主要是依靠旋轉推進的刀盤，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，盾構施工法憑借自身高效、安全、環保等優點，在水利、交通及采礦等領域得到了廣泛應用。在城市地鐵隧道施工中，盾構法有著非常廣泛的應用，而在面對特殊地層時，需要做好合理的設計，才能保證施工的順利進行。

1、工程概況

深圳地鐵11號線車公廟-紅樹灣區間段全長5.5km，采用盾構法進行施工，以4臺φ6980大盾構由中部始發井向兩端車站掘進。經現場勘查，區間隧道穿越地質主要為礫質粘性土、全風化粗粒花崗巖，進行鉆探取芯分析，發現巖體完整性較好，天然抗壓強度為37.3～126.1MPa，平均值也達到了81.7MPa。在頭尾兩側，均為匕軟下硬地層，對于工程的施工有著一定的負面影響。

2、施工難點

結合地質水文數據，對工程施工的難點進行分析，主要包括：

1）軟硬不均的地層在掘進過程中，可能引發地表沉降問題，對周邊環境造成巨大影響，同時會導致掘進刀具的嚴重磨損；

2）在硬巖段，掘進邊滾刀磨損快，容易出現盾構卡殼的情況，因此需要頻繁的對刀具進行開倉檢查，增大了施工風險；

3）軟硬不均地層段處于下坡段，對于掘進施工有著一定的負面影響；

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

3、應對措施

3.1前期準備

一是應該在原本地質勘查的基礎上，進行加密補堪操作，確保沿線每5m有—個地質取芯資料，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現的孤石，應該采取有效的處理措施，具體來講，當發現取芯異常后，需要在其周邊進行加密勘查，對孤石的大小和形狀進行明確，然后利用沖樁機對孤石進行破碎，以混凝土回填封堵；三是應該做好上軟下硬段的預處理工作，采用地表鉆孔預裂爆破+深孔袖閥管預注漿工藝。要求預裂爆破后巖石塊徑≤30cm，滿足螺機出渣要求：四是應該對盾構機的換刀點進行明確，以避免掘進過程中的頻繁開倉檢查，保證施工安全。區間聯絡通道范圍均設計為換刀檢查點，換刀點采用旋噴樁提前對隧道范圍進行預加固處理。換刀加固區域的面積為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

（1）推進參數：結合地質勘查數據，在初步設計中，擬定的盾構機推進參數為刀盤轉速≤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，如果發現刀具磨損超出標準值，則需要立即停止施工，對刀具進更換。不過，在施工中，結合實際情況，針對上述參數進行了適當的優化調整，刀盤轉速1.5r/min，掘進速度8mm/min，貫入度4～6mm，上部土倉壓力1.0～1.3bar，扭矩1700～2000KN·m，實際掘進參數基本不脫離擬定值。

（2）刀具更換：在掘進過程中，刀具的磨損非常嚴重，據統計，軟下硬地層中新更換的單刃滾刀可以使用約15-20環，中心刀15環左右。其中，內圈滾刀較多出現偏磨，外圈滾刀除偏磨外，還有斷刀圈及缺口等現象，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，風鎬作業的方式在高強度微風化巖層中效率較低。對此，采用取芯機進行輔助，有效提高了掏挖刀槽的效率。

（3）渣土改良：由于該區域微風化巖層中裂隙水發育，在加密補勘的過程中.經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行清渣工作，嚴重影響了施工進度。在這種情況下，就需要進行渣土改良工作。結合現場分析數據，在該工程中，渣土改良采用優質泡沫+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，盾構外部水體匯集刀盤及土倉內，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，噴涌現象得到改善：二是適當縮短了同步注漿初凝時間，調整后的漿液初凝時間為2.5h，基本吻合硬巖段每環純掘進時間3h，調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環一道雙液漿止水環，對噴涌進行封堵。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，影響二次注漿的質量，還需要采取相應的控制措施：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；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。

結語：

在上軟下硬地層中，以盾構法進行隧道施工。需要做好勘童工作，了解地質水文狀況，立足實際需求，進行盾構掘進參數的設計、刀具的更換、渣土的改良以及噴涌的預防，從而在充分保證施工安全的前提下，提高盾構掘進的效率。