嘉興盾構二標區間工程軟硬不均地層掘進技術分析

彭海庫

摘 要： 論文以嘉興盾構二標區間工程為依托，研究了軟硬不均地層掘進技術，以期能夠為類似工程的施工提供些參考性的意見。

關鍵詞： 工程軟硬不均地層;掘進

一、嘉興盾構二標D4-D3掘進狀況

（一）區間復雜地層

D4-D3井地區地形、地層復雜，有淤泥質粉質黏土，粉質黏土，泥質粉砂巖，長石砂巖，石英砂巖等。D4-D3區間盾構隧道穿越更多的軟硬不均、硬巖、斷裂破碎帶等復雜地層，施工進度和安全經常受到影響。在這些復雜易變地層中推進，將大大增加盾構機土倉壓力、掘進參數、同步注漿、姿態調整和地表沉降的控制難度，并導致刀具磨損加快等一系列技術問題。

（二）區間復雜地層的特點

區間盾構隧道在穿越淤泥、粘土、硬巖和軟硬不均等多種復雜地層，所穿越的區域雨量充沛、地下水豐富，施工難度極大。區間復雜地層的特點主要表現在以下四個方面。（1） 多樣性，地下土層和巖層種類眾多。（2） 差異性，地形高低起伏較大，各類巖層風化程度和單軸抗壓強度相差甚遠;從基本無強度的淤泥質土層到高達100多MPa的長石砂巖，石英砂巖也均有分布，高強度硬巖質地層掘進距離長達3公里。（3） 不均勻性，隧道所經地段地層上軟下硬現象十分普遍，地層變化特別快。（4） 富水性，穿越眾多地下水豐富地區，斷裂破碎帶地區，水量大。

二、軟硬不均地層對盾構施工的影響

（1）在軟硬地層開挖中，由于上部圍巖的自穩定能力差，在開挖過程中極易發生塌方，開挖的螺旋輸送機數量增多，導致孔洞形成，根據時間效應，會向地表發展孔洞，造成地表沉陷。（2）當盾構掘進到斷層等富水地段時，會出現“噴口”現象。地表水、泡沫、砂石從螺桿機出口處噴涌而出，造成盾尾及隧道內積渣，影響施工環境。對施工進度影響更大。（3）在微風的防護下，風化的長石砂巖、石英砂巖鉆進堅硬巖層，刀具磨損嚴重，換刀頻率增加，行駛速度緩慢，工期延誤，成本增加。（4）在推進粉質土時，由于土體含水量高，承載力低，難以控制盾構機的姿態，機體易“彎”，從設計軸線上，造成地面沉降超限。（5）在粘性土地層中，刀盾機中部區域容易結餅，造成刀具局部磨損，減緩前進速度。（6）當過河，如果屏蔽體的上端不是遠離河床，為刀盤很容易打擾周圍的土壤，這將導致減少銑刀盤的穿透裂紋底部的河床，這將導致切口上升。因此，在各種復雜地質條件下盾構施工的重點，是保證盾構施工順利進行的關鍵。

三、軟硬不均地層掘進出現的問題

（1）軟硬不均地層掘進時，刀盤對掌子面頂部過度擾動，會造成隧道頂部土層松弛，出渣量較難控制易產生地表沉降甚至塌陷。（2）軟硬不均地層掘進時，由于掌子面強度差異大，刀具在經過軟硬交界帶時，刀具異常磨損或非正常損壞（磕刀）。（3）軟硬不均地層掘進時盾構機姿態較難保持（特別在線路下坡時）。（4）軟硬不均地層掘進時，螺旋后倉門容易被小石塊卡滯，使之無法及時有效關閉，造成涌渣現象。（5）軟硬不均地層軟硬交界處含水量較多，盾構掘進時渣土改良時容易偏稀，易產生噴涌。（6）軟硬不均地層刀具磨損較快，開倉較頻繁，風險較大。

四、軟硬不均地段的掘進施工措施

（一）地質調查

任何地下土木工程的施工方案都是建立在對地質的詳細了解的基礎上的，詳細的地質資料為選擇掘進參數提供依據，減少施工的盲目性。所以盾構法施工前應查明以下復雜地層：含漂石或者是卵石地層，開挖面的軟、硬地層范圍;一般情況下，設計單位初步地質勘探是的地質鉆孔間距一般較遠，不能指導盾構施工地層的準確判斷性。為保證盾構掘進選擇合適的參數，我們在施工前應進行詳細的補充地質勘探，查明隧道范圍內的地質情況：1）軟硬不均地段的硬巖分布位置和占盾構開挖掌子面的面積，軟 土的類別和相應參數;2）硬巖侵入隧道的高度和走勢;3）硬巖的裂隙發育情況、強度和整體性;4）軟硬不均地段的上方覆蓋土的類別。

（二）基巖突起段進行爆破處理

鑒于基巖突起段掘進過程中風險極高，可以對已探明的有條件的基巖突起段進行部分深孔預裂爆破處理，破碎完成后，對處理段進行壓密注漿。

（三）通過基巖突起段設備準備

（1）對刀盤上所有刀具尤其是對單刃滾刀和中心滾刀進行檢查更換，周邊滾刀盡量采取加厚刀圈;如果條件允許在掘進基巖一到兩環后對滾刀安裝螺栓進行復緊。（2）對泡沫系統進行保養疏通，尤其要確保刀盤中心位置泡沫發泡效果。（3）對螺旋機前后倉門進行磨損檢測，修復磨損超限部位。（4）檢查保養水冷卻系統。（5）調試盾構機人倉及保壓系統，確保其各密封、儀表及控制元件完好、有效、可靠，時刻做好帶壓進倉準備。（6）調試檢修膨潤土注入系統。（7）檢修隧道風管，保證良好的隧道通風效果。

（四）渣土改良

軟硬不均地層掘進時一般需要將渣土改良流塑狀偏稀，保證土倉內渣土長時間摩擦不產生粘接，有利于防泥餅問題，碴土改良采用優質泡沫+膨潤土泥漿（粘度小于27S），這樣可以在掌子面軟弱地層起泥膜作用。泡沫原液比例1%，氣流量600L/min，注入率30%，膨脹率12%。膨潤土流量3m3/h。

五、軟硬不均地層掘進管理技術

（一）刀盤的轉速

在上軟下硬地層中掘進，軟巖部分只需對掌子面進行切削即可達破壞土層，而下部巖石強度較高，處于這個地方的刀盤上的滾刀受力較大，硬巖對刀具及刀盤的磨損較大。所以要適當地降低刀盤的轉速，使刀具受到的瞬時沖擊小于安全荷載。刀盤的轉速一般控制在于1.0～1.5r/min。根據實際的地質條件，在刀具的選型及布置上在著重增強其對地質的適應性。在掘進中加大對刀具的檢查力度，制定詳細的刀具換刀方案

（二）盾構姿態的控制

在上軟下硬地層中掘進時，盾構機的姿態控制較難，容易使盾構軸線與隧道設計軸線產生偏離，所以，在掘進過程要加強對盾構機姿態的控制，隨時利用導向系統觀測盾構掘進路線與設計線路之間的差異。同時，也要加強人工的復核工作，對已完成的隧道要進行中線及高程的復測工作，及時反饋誤差信息，以便及早發現問題，并采取糾偏措施進行糾偏，避免施工誤差超限。

（三）掘進模式的控制

在上軟下硬地層中，如果采用半敞開式掘進，要向土倉內注放壓縮空氣和泡沫等人工材料進行輔助開挖。這樣做既可防止上部掌子面的坍塌，又利于檢查清理刀盤和更換刀具，保證掘進順利進行。當上部土體自穩能力較差時，也可以采用全土壓平衡模式下掘進。在掘進過程中若發現盾構機多出土，應提高盾構開挖倉的壓力，保證開挖面的穩定性，過后應該在該區域管片背后注入雙液漿來加固地層，避免地表塌陷，加強沉降監測。

綜上所述，軟硬不均地層掘進要注意以下幾點：（1）前期通過地質鉆機等勘探方法盡可能的對地質情況有個比較詳實的了解。（2）對已探明的軟硬不均地層（孤石）如果有條件盡可能采用深孔預爆破、沖樁、挖孔樁等方式提前進行處理，以降低盾構掘進時風險。（3）軟硬不均地層（孤石）掘進過程要時刻以保護刀具為軸線進行刀盤扭矩控制、渣土改良等，同時密切關注并分析其他掘進參數，有異常應立即停止推進，采取常壓甚至帶壓等相應措施核實刀具是否有異常，確保刀具完好、有效。（4）盾構機在復雜地層施工的掘進成敗關鍵在操作人員，要加強對盾構司機的技術培訓和交底，提高對復雜地層的認識和應變能力。

參考文獻：

[1]陳橋，陳饋，楊書江，孫振川，李鳳遠，周建軍.蘇埃通道工程軟硬不均地層盾構掘進參數模擬試驗研究[J].施工技術，2018，47（18）：61-66.