上軟下硬復合地層盾構施工技術研究

周冠卿

中國水利水電第十一工程局有限公司（450000）

1 工程概況

本項目依托工程在西麗湖至西麗站區間，左線長度為1662.077m，右線長度為1752.073m，盾構隧道總長為3414.15m，區間設有風井一座。根據區域地質資料及其現場勘察表明，西西區間的地質主要由第四系全新統和更新統黏性土、風化花崗巖組成。

2 工程地質

工程區域內地勢基本平坦，區間范圍內上覆第四系人工堆積層（Q4ml）、沖洪積層（Q4al+pl）、坡積層（Q3dl）、殘積層（Qel），下覆燕山期花崗巖（γ53）、震旦系花崗片麻巖（Z），局部地段見輝綠巖。區間場地構造穩定性總體較好，但受區域構造影響，基巖中節理裂隙發育，部分揭露的中、微風化花崗巖均較為破碎，地下水位高于隧道頂部，地質條件較差。該段區間隧道穿越粗砂、礫質黏性土、砂質黏性土、粉質黏土、全、強、中、微風化花崗巖和全、強風化花崗片麻巖等地層。區間右線主要為中風化鈣質板巖，自穩性較好，且巖層單一；區間左線主要穿越上軟下硬不均勻巖層，上部為全風化巖層（局部有砂卵石層侵入），下部為中風化鈣質板巖層，屬于典型的垂直方向上軟下硬復合地層[1]。

3 穿越特殊地段技術措施

3.1 設備改造

3.1.1 刀盤、刀具優化

將刀盤開口處的連接輻條進行優化，降低卵石卡死在刀盤開口處的概率，防止進出不暢。在砂卵石地層中，刀具的磨損形式主要包括石英砂對刀具產生的磨損和卵石對刀具的撞擊損傷。在這種地質條件下進行盾構施工，對刀具的硬度、耐磨度有較高要求。針對此種地質條件，需要將盾構的刀具進行更換。滾刀將采用耐磨度及硬度較高的碳化鎢合金作為刀圈材料；刮刀表面將焊接整體合金塊，以加強刮刀的耐磨性、耐撞擊性及抗疲勞性。

3.1.2 渣土改良系統改造

渣土改良系統中有5條管路可以對掌子面的渣土進行改良。穿越砂卵石地層時，其中3條用來注入泡沫、空氣及水混合物，進行渣土改良、潤滑刀具；1條管路注入外加劑，防止水土離析造成螺旋機噴涌；1條管路注入自來水，以改善渣土流塑性及降低土倉溫度。

3.1.3 渣土改良

盾構穿越砂卵石地層，往往會出現刀盤扭矩增大、掌子面失穩、出土難控制、渣土離析、螺旋機噴涌、螺旋機出土不暢等現象。根據以往穿越砂卵石地層的施工經驗，注入泡沫可以有效地改善土體的流塑性及透水性，達到穩定掌子面的效果，同時泡沫膨化土體、潤滑刀具，可以有效地降低刀盤扭矩、保護刀具；根據渣土性狀，適時地注入外加劑，可以很好地改善渣土離析現象，防止螺旋機噴涌、出土量無法控制現象的出現；同時，為防止因渣土過于黏稠而導致螺旋機出土不暢，可以通過第5根改良管路注入自來水，進行補救性改良。

3.1.4 同步注漿及二次注漿

3.1.4.1 同步注漿參數的確定

1）注漿壓力

p=γh/980+（0.12～0.13）

式中:p——漿液出口壓力（MPa）；h——隧道上部覆土厚度（m）；γ——覆土層的平均容重（kN/m3）。

同步注漿壓力應略大于各注入點位置的靜止水土壓力，并避免漿液進入土倉中。注漿壓力過大，會導致地面隆起和管片變形，還易漏漿；注漿壓力過小，則漿液填充速度趕不上建筑空隙形成速度，又會引起地面沉陷。注漿壓力可大于靜止水土壓力0.5～1.0bar。根據體育公園站-杜花路區間施工經驗，1#、4#注漿孔注漿壓力取2.5bar左右，2#、3#注漿孔注漿壓力控制在3.0bar左右。

2）同步注漿配合比

采用水泥、粉煤灰、膨潤土、細砂為配置同步注漿漿液的主要材料。水泥用來調控漿液凝固的強度，粉煤灰用來調節漿液的初凝時間、和易性，膨潤土用來減緩漿液的離析以及降低漿液泌水率，細砂用作填充材料。砂卵石地層同步注漿漿液要求具備以下幾個性能:①良好的和易性，便于壓送；②適當的初凝時間，以適應盾構隧道長距離輸送的要求；③良好的充填性能，凝固后體積收縮率小、泌水率低；④凝固后，有較好的不透水性能。

根據體育公園站-杜花路區間的施工經驗及砂卵石地層對漿液的的特殊要求，經試驗驗證，同步注漿配合比見表1。

表1 同步注漿配合比（k/m3）

3）注漿量控制

盾構機刀盤直徑為6280mm，管片外徑為6 000mm。建筑空隙體積:

V=π×（D2-d2）×L/4=4.05m3

式中:D——刀盤直徑；d為管片外徑；L——管片寬度。

同步注漿量:

Q=K×V

式中:K——漿液填充系數，取值1.5～2.5；砂卵石地層確定充填系數為2.0。

砂卵石地層注漿量控制:

Q=8.0m3

若實際施工中出現以下情況，則需加大同步注漿量。

①子面塌方，導致盾構機多出土；②盾構機發生較大偏差導致土體損失；③曲線地段推進超挖引起的土體損失。

3.1.4.2 二次注漿

在穿越砂卵石地層時，地層加固二次注漿量Q=V×n×α×(1+β)，其中:V——注漿加固土體的體積；n——地層孔隙率，為確保加固效果不小于50%；α——地層填充系數，取0.8；β——漿液消耗系數，取0.2。二次注漿采用人工手動控制。注漿順序根據實際情況確定，同一環管片嚴格按“先拱頂后兩腰，兩腰對稱”的方法注入。每個循環結束后立即用水對注漿管進行清洗，使注漿管路的管壁潤滑良好，防止因漿液凝固而造成堵管現象。

1）二次注漿配合比

二次注漿漿液采用雙液漿（水泥漿+水玻璃）。水泥漿液的水灰比為0.7，水玻璃波美度為38°。水泥漿與水玻璃漿液體積比為1∶1。

2）二次注漿控制標準

①注漿壓力達到0.6～0.8MP；②注漿量達到設計注漿量,注漿效果達到注漿的目的；③當發現管片有明顯變形時，應停止注漿。

4 上軟下硬不均地層盾構掘進技術

4.1 軟硬不均復合地層盾構施工的主要特點

1）經常變換盾構施工模式。在軟土地層或以軟土地層為主的上軟下硬地層施工時，一般要采用“封閉模式”，而在巖石地層，特別是自穩性較好的（包括風化程度不一）巖石地層施工時則可采用半敞開式（欠土壓平衡模式）或敞開模式；在以砂層為主的上軟下硬地層中采用土壓平衡模式施工時，可能需要通過加注膨潤土等工藝轉化為“土壓平衡”模式等。經常根據地層結構來轉換盾構模式，是在復合地層中施工的一大特點。

2）盾構機的配置需要做出適當的調整。在硬巖段施工時，通常要采用全斷面滾刀破巖模式，刀盤的開口率會較小；當掘進在軟巖或軟土地段時，通常都要將部分或全部滾刀換成適應軟巖或軟土的刮刀，此時的開口率也相應增大。

3）施工工藝和施工參數也要根據地層的變化而變化。這些變化主要表現在添加劑種類和數量不同、輔助設備不同、盾構機姿態控制不同等方面。

4）在某些特殊的復合地層施工，可能需要一些輔助工法。采用輔助工法的主要原因是盾構機自身功能具有局限性，而這種局限性在目前的技術發展階段還較難以克服。比如，深圳地鐵西西盾構區間在到達段存在中風化輝綠巖，單軸抗壓強度≥32 MPa，在這種條件下，以中風化鈣質板巖為主設計的刀盤和刀具，顯然有時難適應這種高強度硬巖的要求，所以在無法更新刀盤的情況下，采用其它可行的輔助工法，比如先采用礦山法開挖通過堅硬巖石段之后，用盾構機拼裝管片完成隧道。根據以往工程經驗，這是一種比較好的輔助工法[2]。

4.2 盾構掘進參數的選擇

上軟下硬是一種特殊的地質，既有軟巖地層的不穩定性，又具有硬巖的強度。在這種地層中施工，由于盾構機在推進過程中，刀盤上刀具切削掌子面上的土體時，上部軟層較易進入土倉，而下部的較硬巖體不易破碎，盾構機的姿態較單一層面難控制一些。在掘進參數設定時，一般需要考慮以下幾個方面的因素:

1）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1.2～1.6r/min。根據實際的地質條件，在刀具的選型及布置上應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，制訂詳細的換刀方案。

2）盾構姿態的控制。在上軟下硬地層中掘進時，盾構機的姿態較難控制，盾構軸線容易偏離隧道設計軸線，所以，在掘進過程中要加強盾構機姿態控制，隨時利用ZED激光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，避免施工誤差超限。

3）土倉壓力及加固措施。在上軟下硬地層中，如果采用半敞開式掘進，要向土倉內注入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掘進。在掘進過程中若發現盾構機多出土，應該在地表有條件的地方注入雙液漿來加固地層，避免地表塌陷；加強沉降監測，對不良地段和重要建筑物處采取超前注漿等地層加固措施。

4）油缸推力。在上軟下硬地質下掘進，必須降低推力、調整掘進參數，以保證盾構機能夠安全、高效地掘進。由于存在硬巖，其對刀具的磨損較大，所以，為了減少施工成本，應減少刀具在掘進過程中所受的沖擊力，以保護刀盤上的刀具。在眾多掘進參數中，刀盤扭矩是刀具所受沖擊力大小的直接體現，所以在掘進過程中應適當地減少刀盤的扭矩，以減少刀具所受的沖擊力。根據以往經驗，在這種軟硬不均的上軟下硬地層中掘進，掘進速度應控制在3～5mm/min，推力一般控制在10000～18000 kN，根據現場實際情況，可對盾構各參數進行適當的調節。

5）螺旋輸送機轉速。在上軟下硬地層中，土壓或氣壓的保持是非常重要的。由于軟巖部分較易塌陷，而硬巖部分因巖石抗壓強度高不易切削，為了保護刀具在軟硬結合處不受較大的沖擊力，需要降低掘進的速度，但這樣做又會對軟巖部分的穩定造成威脅，甚至出現超挖的現象。因此，要保證開挖掌子面巖體的穩定和地表的沉降在規范允許的范圍之內，需要保持一定的土壓，所以對螺旋輸送機的出渣量有一定的要求，轉速一般控制在3～8r/min。

4.3 在地層轉換時的盾構施工措施

在上軟下硬地層中進行盾構施工時，可能遇到從硬巖進入軟巖或者從軟巖進入硬巖的情況，一般情況下，像CREC111復合型盾構機完全可以勝任，但在巖層強度特別高時，為了確保盾構機在不同地質界面轉換時的安全，可采取如下幾方面的措施:

1）西西盾構區間右線存在由全斷面硬巖進入軟巖的地質情況，盾構的推進狀態要由敞開式或半敞開式向土壓平衡狀態轉換，需根據計算出來的土壓力來設定土壓，以確保掌子面土體的穩定；同時調整同步注漿量及注漿壓力，調整各區域油壓差，改變千斤頂的合力位置，放慢推進速度。

2）換刀作業需要選擇合適的地點、時間，并要采取相應的措施。在這種地層條件下，換刀前必須選擇合適的地層。如果地層為自穩性較差的砂卵石、軟巖地層，或者臨近有建筑物，必須采用合適的方法提前對土體進行加固處理，以確保換刀作業的安全性。

3）經常觀察掌子面圍巖變化情況。要根據地質剖面，隨時監控土的性質，確定轉換界面，根據不同的地質狀況選用不同的刀具配置模式。另外，在不同轉換界面要加強地表沉降監測，并根據監測反饋信息及時調整盾構參數[3]。

5 上軟下硬地層渣土的改良

根據大量的國內外地鐵施工經驗，在軟硬不均地層中進行盾構施工時，渣土改良是保證盾構施工安全、順利、快速的一項不可或缺的輔助技術手段。渣土改良具有較好的土壓平衡效果，利于開挖面的穩定來控制地表沉降；使渣土具有較好的止水性，可防止地下水流失；使渣土具有較好的和易性，切削下來的渣土易于快速進入土艙并順利出土，可有效防止因土渣黏結刀盤而產生泥餅，這樣可以有效地降低刀盤的扭矩，改善土體對刀盤、刀具和螺旋輸送機的磨損。

在上軟下硬不均地層中掘進時，一般采取向土艙內注入膨潤土的方式，可以對軟層起到一個泥模的作用，使土艙內的高壓空氣不易逸出，可有效防止上面軟巖地層的坍塌，在砂卵石及全、強、中風化泥質粉砂巖底層中，可起到穩定開挖面、防止刀盤產生泥餅、降低刀盤扭矩的作用。一般采取分別向刀盤面及土艙內注放泡沫的方法進行渣土改良，必要時可向螺旋輸送機內注入泡沫。

6 結語

文章結合西西盾構區間右線隧道的地質條件和現場實際情況，對盾構機在軟硬不均上軟下硬地層中掘進過程中的施工控制技術進行深入的探討。在軟硬不均地層中進行掘進施工時，應根據掌子面的情況來合理確定盾構機的掘進模式和掘進參數。合理的掘進參數是確保盾構施工質量和安全的關鍵因素；同時，在做到以上各方面的同時，渣土改良也是一項不可或缺的輔助技術手段。