上軟下硬復合地層地鐵盾構隧道設計及施工研究

馮云波+馬斌

摘 要： 盾構技術在地鐵隧道建設中得到了廣泛的應用，能夠有效提高地鐵項目建設效率與質量。在盾構隧道施工中，上軟下硬復合地層條件是常見的特殊地質條件，易產生不同程度的坍塌現象，因此，必須充分掌握工程實際地質情況，確保設計方案的科學性。本文主要對上軟下硬復合地層地鐵盾構隧道的設計進行研究。

關鍵詞： 地鐵；盾構隧道；上軟下硬復合底層

近年來，我國機動車保有量呈快速攀升狀態，目前機動車數量已經達到2.9億，為緩解城市交通的擁堵問題，地鐵項目數量不斷增多。上軟下硬地層系指巖層埋深較淺，且基巖完整性好，上覆土層的地基。由于盾構隧道上軟下硬的地層特性，決定了盾構隧道施工存在一定難度。盾構法進行地鐵工程施工建設，該施工技術不會對地面交通造成很大影響，可充分保護周邊建筑物，能夠適應復雜多變的環境，應用優勢甚為明顯。

一、上軟下硬復合地層地鐵盾構隧道設計探討

盾構穿越施工前期工作為整體施工奠定了基礎，以下從合理優化施工參數、方案設計階段、施工圖紙設計階段等方面出發，對上軟下硬復合地層地鐵盾構隧道設計進行分析。

1、盾構穿越施工需要以精確的施工參數作為施工的基礎。開始穿越地層之前，需結合沉降情況優化施工參數，歸納總結沉降規律，針對盾構穿越地層結構展開合理分析，旨在實現最佳施工成效的最大化獲取，嚴格控制地面沉降，確保盾構能夠平穩安全地穿越地層結構。

2、方案設計階段。盾構區間上軟下硬底層普遍存在，在設計中不可避免的會遇到，方案設計階段應盡可能避開該地層，具體可采用以下措施：第一，線路從平面上繞避上軟下硬特殊地層。第二，各專業設計人員密切協調和溝通，調整線路縱坡，避開大量的上軟下硬地層，可采取調高（或調低）線路的手段，例如線路可由常規的V形坡改變為W形坡。第三，調整車站埋深，常規地鐵標準車站采用地下2 層方案，工程實施困難區間兩端車站可結合環境條件，比選地下1 層、地面 l 層車站和地下3層或4層車站方案，綜合車站投資、區間工程實施難度、節省的投資以及后期運營的便利及成本的增減，確定合理的區間方案。

3、在初步設計和施工圖設計階段，應在地勘初步探明上軟下硬地層分布及埋深的基礎上，采取針對性設計和措施。首先給出設計方案和措施時應包括對應數量，概算開項并有合理的費用。其次，對隧道下部堅硬的巖層，可考慮預裂爆破+袖閥管注漿方案。預裂爆破可采用地質鉆機或潛孔鉆機，鉆孔直徑90—110mm，間距800—1000m。隧道上部若為松散砂層，應結合地面條件對砂層進行加固，加固方式可考慮攪拌樁、旋噴樁或注漿等。根據區間長度，設置多個換刀加固區，加固區的設置宜結合聯絡通道地層預加固進行，具體的加固方式可選用攪拌樁、旋噴樁或注漿加固等。避免線路與巖石交接面角度小于 150 °，防止盾構刀盤切入困難。

4、施工準備階段。盾構穿越施工前期工作的關鍵是設備的維護和性能的確保。施工人員在設備前期的維修過程中，首先要采取有效措施確保盾構機在施工中的使用。狀態平穩正常的運行狀態；其次，應當對于包括二次注漿機和拌合站等必要的施工設備進行全面的性能檢測，從而能夠在此基礎上確保其能夠保持最佳運行狀態，最終能夠起到快速經過施工風險區域的效果。與此同時，施工人員應當保持盾構能均勻連續前進，并且在這一過程中針對盾構扭轉實施有效控制，實現管片安裝精度的大幅度提升。

二、上軟下硬復合地層地鐵盾構隧道的施工技術

1、補勘及施工現場環境調查

盾構穿越施工技術應用的第一步就是做好補勘和地面施工環境調查。施工人員在做好補勘和地面施工環境調查過程中，首先對工程地區的氣象條件進行細致的了解，并且將其作為工程勘察和主要內容的收集分類的關鍵；其次，應當在分析了地基層分布的成因的前提下對于當地的地下水類型進行分析，然后在此基礎上詳細研究當地的植被生長情況；最后，應當對于巖土參數進行測量，并且根據高實用性的基本原則，在復雜地質條件下的調查工作中，對于速度測試和靜態檢測在內的環境調查技術進行靈活的應用，帶來良好的效果。

2、設備掘進技術

在實際施工進程中，使用盾構機設備在上軟下硬地層中進行挖掘的過程中，針對軟巖部分而言，切削掌子面會使土層結構遭到破壞，針對局部巖石較硬部分，此處刀盤滾刀實際受力情況較大，伴隨著局部硬巖的不斷作用，刀盤所受損傷變大，因此，需將刀盤轉速適當降低，將其所受瞬時沖擊控制在安全荷載范圍之內。對于上軟下硬地質而言，若僅僅考慮刀盤保護因素，結合硬巖方式單純掘進，則會導致超挖問題，造成地表發生沉降情況，基于此，必須在全土壓平衡模式下進行掘進施工，即為在實際的掘進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。

3、采用土體改良技術

盾構穿越施工技術應用的關鍵是采用土體改良技術。施工人員在采用土體改良技術的過程中首先應當盡可能地優先采用土體改良技術，從而能夠在此基礎上將刀具及螺旋輸送機設備所產生的磨損情況大大降低；其次，應當注重規避涌水問題的形成，在這一過程中工作人員可以選擇將含水量較大的泡沫注至土艙內部來實現泡沫的合理注入；最后，還應當在充分保護刀具的前提下避免對于軟巖部分穩定性造成不利影響，最終能夠確保土壓值保持在較高的穩定水平上。

4、換刀及加固技術

對于上軟下硬地層結構而言，必須合理實施換刀行為，結合實際成效，正確選擇合理的加固區域位置，在此需要注意的是應該在磨損超限之前盡可能完成換刀工作。為確保工作面具有較強穩定性，則可選用多種加固方式，諸如旋噴樁加固以及全斷面加固、艙內灌漿加固等類型。其中，注漿加固主要指的是基于一定壓力值將擁有較強粘結性能的材料在被加固構件內部位置所存在空隙實施注入，旨在實現加固構件密實性以及完整性的強化增強，促進材料強度的優化提高。地基加固以及砌體結構裂縫缺陷加固修復等操作中較長運用注漿加固措施。

三、盾構穿越上軟下硬地層施工優化措施

1、盾構穿越施工技術應用需要建立在合理應用掘進技術的基礎上。施工人員在合理應用掘進技術的過程中，首先應當通過控制顆粒大小來避免導致土層結構遭到破壞。例如施工人員可以通過將上部土壓控在0.01～0.05MPa，下部土壓控制在0.07～0.12MPa來獲得良好的土層穩定性；其次，還應當針對局部巖石較硬部分將刀盤轉速適當降低，從而能夠順利地將其所受瞬時沖擊控制在安全荷載范圍之內；最后，還應當結合硬巖方式單純掘進，從而能夠在此基礎上有效減少超挖問題的出現，也減少地表發生沉降的概率。

2、盾構穿越上軟下硬地層施工優化需要著眼于裂縫缺陷的合理加固。施工人員在裂縫缺陷的合理加固的過程中，首先應當合理的施工活動，通過盾構施工技術，并通過關注施工要點保證施工的整體安全；其次，為了能夠促進工程建設的高質完成，則應當針對不同的地質條件采用合理的渣土改良技術，從而能夠起到保證盾構施工安全、順利、快速的效果。

四、結束語

綜上所述，城市軌道交通的建設發展能夠有效緩解地面交通擁堵的問題，上軟下硬復合地層條件是一類常見的特殊地質條件，在施工中容易出現不同程度的坍塌現象。為保證地鐵項目施工質量，必須充分掌握工程實際地質條件，確保盾構隧道設計的科學性，嚴格規范施工操作行為，并采取相應的優化措施，保證地鐵運營的安全性。■

參考文獻

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