復合地層的大直徑盾構機穿越施工工藝

徐海鵬

在盾構施工的過程中，經常會遇到孤石地層、軟硬不均地層和完整基巖地層，受不用地層盾構施工差異性的影響，在盾構機制造與選型時，對復合地層的特殊性進行全面的考慮，在盾構掘進施工時要采取具有較強實效性的方法。本文全面地分析了大直徑復合地層盾構施工的特征，深入地研究了大直徑盾構機穿越施工的各項施工技術，為今后同類型工程施工夯實了基礎。

一、工程概況

該盾構隧道沿線以濱海沖積平原地貌為主，在人工修整以后，地形變得比較平整，施工區域主要位于塘沽市區內，地表上既有建筑物比較多。在堿廠和解放路區域內分別設置了反向曲線，堿廠盾構段的曲線直徑設置為1200m和900m，解放路盾構段曲線直徑設置為3200m和2000m。盾構段隧道的最大和最小覆土約為16m和8m，隧道的最小縱坡設置為1‰，最大縱坡設置為20‰。

二、工程地質情況

隧道穿越的土層巖性以細砂、粉砂、粉土、淤泥質粉質粘土、淤泥質粘土、粉質粘土和粘土為主，淤泥質土的主要類型為③71層、④71層和③81層，④71以層狀的形式存在，其強度比較低，但是靈敏度比較高，容易出現擾動和蠕動的情況，工程性質比較差。1923年開始開發利用地下水資源，查閱歷史水準點資料以后發現，在地下水不斷開發的情況下，地面隨之出現了不同程度的沉降。伴隨著改革開放速度的不斷加快，地下水開發量也逐年增加，使得地面出現了不同程度的沉降，其具體情況為：1950至1957年間沉降速率約為10mm/a左右；1958至1966年間沉降速率約為40mm/a左右，沉降中心也隨之慢慢的形成；1967至1985年間沉降速率約為85mm/a左右，該時間范圍之內沉降量驟然增加；1986年以后，開始治理沉降，大多數地區的沉降問題得到了基本的控制。

三、復合地層的大直徑盾構機穿越施工技術

1.過程施工控制技術

在穿越時，采取循環施工的辦法，具體施工情況詳見下圖1。

圖1 穿越過程控制流程圖

2.改造盾構設備

（1）選擇刀盤形式和改造開口率

掘進速度受刀盤形狀和開孔率的直接影響，在復合地層施工的過程中，有時會遇到砂石地層，所以會使用到輻條板刀盤。將滾刀安裝在刀頭前端，撕刀與滾刀刀座交換，圓盤表面上均勻的分布著刀頭開口，在砂礫石地層和泥巖中起到較好的挖掘效果。在挖掘砂石地層以前，要先改造刀盤開口，將具有開口尺寸的限流板安裝在刀盤四周，并將格柵設置在刀盤位置處，將單盤給四周地層造成的干擾降到最低，使地面沉降問題得到較好的管控。

（2）選型與布置刀具

復合地層的刀具和刀盤磨損會比較嚴重，加之地下水位比較高，掌子面會出現失衡的情況，在更換刀具時，易于出現倒塌的情況。所以，要將加強型側刮刀、刮刀和滾刀安裝在刀盤上。挖掘施工區域的上部易于出現復合地層，在施工的過程中，可以使用抗沖擊光滑寬刃的工具來完成施工。使用增強型球齒滾刀來充當中前單刃滾刀。穿透使刀具的工作效率和使用壽命得到保證，使復合地層中刀換刀和刀具磨損的風險降到最低。將仿形超挖刀配置齊全，仿形超挖刀在底部完成加長處理，使盾構姿態得到積極的改善。在最外層的軌跡滾刀受到磨損以后，仿形刀能夠發揮積極的作用，使施工距離得到有效的延長。

（3）土改造倉加水系統

大直徑盾構挖掘施工的挖掘面非常大，在復合地層挖掘施工時，要采取措施做好保壓掘進施工，所以要將渣土改良工作放在核心位置上。在該地層中施工的過程中，為防止出現泥餅和改善淤泥時，最經濟有效的方法就是加水。①使用膨潤土泵改良土倉壁上部的注水孔；②在清洗泵，使用的主要設備為臺車灌漿系統，并與刀盤緊緊的連接在一起，使桿實現被動的攪拌；③連接注水時，將刀盤中心面和中心清洗泵的三個注水孔連接好。在采取一系列的改造措施以后，與土倉實現緊密的連接，使得土倉中的水始終保持著注滿的狀態，使泥餅無法形成。

3.軟硬不均地層盾構施工

（1）施工難點

①刀具磨損異常嚴重。在施工過程中，軟硬不均地層滾刀偏磨的情況時有發生，在軟弱地層中盾構滾刀施工，受貫入度的影響，地層中提供的反力比較小，地層與滾刀之間存在的摩擦力使得刀具滾動存在著很大的困難。基巖地層的天然抗壓強度比較高，刀具切割地層的反作用力會產生摩擦力，帶動刀具實現快速轉動。刀具在地層中施工時，軟弱層滾刀轉動比較慢，地層應土面磨損嚴重。如果軟弱地層中石英含量比較多，刀具局部會出現磨損偏差的情況；刀具在軟弱地層磨損比較小時，會在基巖地層中找到比較薄弱的弦磨損，刀具磨損速度比較快。

②地層下硬上軟，盾構切割基巖非常困難，軟弱地層挖掘施工比較容易，盾構機刀盤與掌子面無法全斷面靠近，使得掌子面穩定性比較差，會給四周地層造成活動的情況。掌子面地層變化比較大，開挖面穩定性很差；基巖中完整的巖塊會隨著刀盤來回轉動，使得上部軟弱地層出現松動的情況，使地層的移動速度持續增加。

（2）采取的措施

①水泥處理設備和盾構機設備要采取綜合措施進行處理，將地層軟弱不均造成的損失降到最低。該施工技術的主要施工范圍為監測刀具轉動和磨損情況、平衡開挖面的水土壓力、不斷提升刀具與刀盤的地層適應性。

②隧道頂部地層的物理力學性能被徹底的改善，將注漿孔預留在盾構機上，采取洞內注漿的辦法，使隧道四周地層變得更加堅固，采取科學有效的加固措施，使得盾構挖掘施工作業區域頂部的塌方和脫落問題得到高效的管控，頂部地層處于穩定的狀態，盾構施工結束以后，采取二次注漿的方法使其達到密實的效果。

③實時監控盾構機各項掘進參數，尤其是進漿量和排漿量，掘進施工速度與進漿量和排漿量保持一致。在檢測循環泥漿密度時，使用射線密度計和差壓式密度計完成自動檢測。在判斷盾構開挖量時，要采取觀測進漿管泥漿比重和出漿管泥漿比重的方法。當盾構掘進速度比較慢、泥漿比重差非常明顯時，表明盾構掘進施工出現了異常，掘進施工時，頂部出現了塌方的情況，使得大量的渣土灌入到了土倉中，隨著排漿系統排出掉了。然而在實際施工的過程中，排漿管帶出的土石并不是盾構挖掘施工挖掘出的土石，而是頂部塌方的土石，盾構機掘進施工受到了影響。

④與正常施工進行比較，非正常施工的表現為以盾構始發后正常掘進施工參數為基礎，對比相關數據以后，發現盾構掘進施工參數出現了明顯的異常，此時要積極采取有效措施解決問題，將施工損失降到最低。

四、結語

綜上所述，比較一般土層與復合地層，盾構施工難度系數非常大，在施工時經常會遇到各種各樣的問題。本文以大直徑復合地層盾構施工特點為核心，詳細的分析了盾構選型與掘進施工的相關技術方法，并在實際施工中取得了良好的效果，值得今后大范圍推廣。