土壓平衡盾構機在上軟下硬及全斷面硬巖地層中的應用

王 佳

（中鐵建大橋工程局集團第二工程有限公司， 廈門 361000）

1 工程背景

涉鐵段盾構隧道區間長度263m,線路為半徑800m 曲線，線間距15.0m~15.5m。采用單面坡，線路縱坡自豎井以 6.603‰的上坡到達風井，區間隧道埋深22.6m~31.3m。

隧道區間盾構掘進范圍內地基土主要為散體狀強風化花崗巖、碎裂狀強風化花崗巖、中風化花崗巖。散體狀強風化花巖：灰白、灰黃色，礦物間聯結力散失，強度較高。碎裂狀強風化花崗巖：風化裂隙發育，多呈碎塊狀，工程性能好，質軟；中等風化花崗巖：灰白，塊狀構造，風化裂隙較發育，強度高，工程性能好。

2 施工地質情況分析

隧道右線始發掘進地層，屬于典型的上軟下硬地層：上部為碎裂狀強風化花崗巖，風化程度大，巖土裂隙發育，地下水豐富；下部為中風化花崗巖，強度高、整體性好，單軸飽和抗壓強度45～112MPa，對刀具磨損嚴重。盾構在通過該地段時很可能由于下部硬巖難以達到理想的掘進速度，引起上部土質地層過度擾動，造成噴涌、超挖等現象。一旦超挖將容易引起地面的沉降，導致重大安全風險事故。

工程要穿越全斷面硬巖段，硬巖主要為中風化花崗巖，其單軸抗壓強度局部達到115MPa。硬巖段施工，刀具與掌子面摩擦產生的熱量大，溫度高。盾構掘進過程中，硬巖對盾構機刀具刀盤、螺旋輸送機等設備會造成很大磨損。因此，在前期對設備刀具選型是至關重要的。

3 掘進措施

3.1 設備依據地層選型措施

前期工程籌劃時，考慮上述地層對掘進施工的影響，采用廈工中鐵生產的盾構機，滾刀達到44 把，邊緣刮刀12 把。盾構機的破巖能力強，邊緣刀的增加，使刀具的刃間距更小，每把刀承受的壓力更小，減少刀具的更換次數。刀盤"一字型"布置的雙刃滾刀，可以將部分不能通過刀盤的巖塊（粒徑大于450mm）進行破碎后再排除；能夠更好的完成上軟下硬、全斷面硬巖等復雜地層的掘進任務。盾構泡沫系統功率大，盾構設計更加適應本項目區間掘進，完全能夠保證了后期硬巖和上軟下硬地層中碴土改良及對刀盤、刀具的保護；盾構機螺旋筒體內徑為900mm,筒體內徑的大小直接關系到最大出碴粒徑，盾構機能夠更好的適應上軟下硬及硬巖中出現的石塊等大直徑顆粒出碴，保證盾構出碴流暢性，減小卡螺旋的風險；盾構機驅動功率達到1120KW，額定扭矩及脫困扭矩能滿足本標段上軟下硬及全段面硬巖施工需求。

3.2 掘進模式

在掘進開挖面上部為碎裂狀強風化花崗巖，碎風化裂隙發育，多呈碎塊狀，質軟~較軟；下部為中風化花崗巖，塊狀構造，風化裂隙較發育，強度高。這種組合，可能導致掘進過程中，掘進速度較慢，上部“軟”土流失過多的情況，加之巖層裂隙水發育。當盾構掘進過程中各項參數控制不當時，螺旋輸送器會出現涌水、噴碴等情況，導致掘進過程中將要花費大量的人力、物力及時間來清理盾尾碴土。

開挖面上部為碎裂狀強風化地層，具有風化裂隙發育、強度較低的特點，但掘進時在一定時間內尚有自穩性。因受水的影響，需在掘進掌子面建立一定的壓力來防止地下水涌入土倉，造成水土流失及螺旋輸送器噴涌的情況發生。因此掘進采用盾構機半敞開模式，即在土倉內保留1/2～1/3 的碴土，向土倉內注入壓縮空氣或泡沫、膨潤土來維持開挖面上部土壓，并輔助開挖作業。此地層掘進，上部碎裂狀強風化地層只需掌子面進行切削便可破壞土層，但下部中風化地層硬度較高，對刀具的磨損較大，應適當的降低刀盤轉速，控制貫入度以使刀具受到的瞬時沖擊小。推力范圍在10000~15000kN；刀盤扭矩不大于2500kN·m，掘進速度不超過10mm/min，平均速度為5mm/min 左右。

而盾構機在全斷面硬巖地層掘進時，掘進掌子面的自穩性好，可采用敞開模式進行掘進。掘進時控制泡沫的注入量及比例，冷卻并潤滑刀具，降低土倉溫度。貫入度控制在20mm 內；刀盤轉速控制在1r/min，扭矩在2000kN·m 內，掘進推力視扭矩情況盡量控制在15000kN 以內。

3.3 注漿控制

因中風化花崗巖地層裂隙發育，掘進地層水主要為裂隙水，受其它類型地下水的補給；其徑流受節理裂隙形態控制,無統一的水面。因此需要注重注漿方式。經試驗段確定，同步注漿方量不小于6m3，正常段注6~6.4m3，下穿建構筑物為6.4m3~6.8m3；頂部注漿壓力0.23～0.24MPa，推進時結合掘進速度控制注漿流量，采用壓力和流量雙重控制，使漿液均勻注入壁后。每推進3 至5 環進行一次環封，在盾尾形成隔水環，避免水流匯向刀盤。采用頂部注漿孔觀察，作為漿液注飽滿的一項校核方法。

3.4 基巖鉆孔

因要穿越的中、微風化硬巖段，盾構機掘進與其摩擦熱量大，對刀具及螺旋輸送機磨損大，因距離本工程全斷面硬巖段距離杭深鐵路較近，不考慮爆破。為此采取措施在地面進行基巖鉆孔預處理，采用潛孔鉆對掘進地層進行鉆孔，孔間距30cm，孔深至隧底約31m，梅花形布設。以期一定程度上減小對盾構機掘進過程中所產生的影響。

3.5 常壓開倉檢刀、換刀

穿越全斷面硬巖地層刀具易磨損、掘進速度慢等問題。通過采取刀具檢查、更換等措施可在一定程度上解決問題。

刀具更換：要選擇穩定的地層和地點進行，我方選擇施工前規劃好的全斷面硬巖地段進行，根據刀具及巖層硬度選擇每掘進1 環檢查刀具，及時檢查和更換邊緣滾刀。新安裝刀具要在掘進20cm~50cm 再次復緊。設備進入硬巖前和出硬巖前都要檢查甚至更換刀具。以使盾構機能夠在全斷面硬巖中安全順利的掘進。

3.6 監控量測

因隧道埋深26~31m，地層復雜。上軟下硬地層上還存在黏性土層，若上軟下硬地層掘進施工中出現超挖，多出碴情況，沉降反應至地面具有滯后性。因此，不可完全依賴地面監測點。但若監測不能及時反應實際情況，將存在安全隱患，因此本工程除正常的地面布監控點外，還增設深孔監測點。地表監測點與深孔監測點數據相互對比，校核。同時關注土壓變化，出碴異常等情況與監測數據進行綜合分析。與此同時隧道內采用地質雷達掃描，對管片背后存在空隙進行檢測，對檢測空隙處及時注漿充填。

4 結語

針對本工程硬巖段盾構施工，施工進度緩慢，開倉頻繁。施工中通過掘進模式的調整，設備的提前選型，基巖的預鉆孔處理，常壓換刀點的選擇，同步及二次注漿對于地層的合理補充，使盾構機順利的穿越上軟下硬地層和近50m 的全斷面中風化硬巖。可見以上技術措施，在上軟下硬及全斷面硬巖地層中較為有效，具有一定的參考及指導價值。同時，通過采用這一系列措施，在一定程度上拓寬了盾構施工在地質上的應用領域。