巖溶地區(qū)上軟下硬地層盾構(gòu)施工技術(shù)

戴升宏/DAI Sheng-hong

（廣東華隧建設(shè)集團股份有限公司，廣東 廣州 510335）

盾構(gòu)法施工已經(jīng)成為地鐵隧道一種重要的施工方式。由于盾構(gòu)推進對土體的擾動會影響到地表以及施工范圍內(nèi)的建筑物，所以盾構(gòu)對施工段地層的適應(yīng)性和盾構(gòu)施工措施的選擇，是盾構(gòu)施工的重中之重。在實際施工中，需要針對不同的地質(zhì)情況，選取合適的施工方案。

廣州市某盾構(gòu)區(qū)間工程地處鬧市區(qū)，屬巖溶地區(qū)，必須有效控制區(qū)間發(fā)育溶土洞和砂層中地下水的穩(wěn)定平衡，確保地上建構(gòu)筑物的安全。區(qū)間線路地質(zhì)情況較為復雜，軟硬變化較大，軟硬交替，沿線的巖面線起伏較大，存在全斷面軟弱地層、全斷面硬巖及上軟下硬3種復雜地層，盾構(gòu)在本區(qū)間施工過程中難度較大，需適應(yīng)不同地層掘進要求，砂層及巖層對刀具的磨損十分嚴重，同時上層軟弱覆土要求盾構(gòu)施工對地層的擾動降至最小，盾構(gòu)施工需制定相應(yīng)不同應(yīng)對措施。

1 地質(zhì)概況及存在的重難點

區(qū)間隧道穿越的地層主要有：粉細砂＜3-1＞、中粗砂＜3-2＞、礫砂＜3-3＞、沖洪積土層＜4N-2＞、＜4N-3＞，淤泥質(zhì)粘土＜4-2B＞、殘積土＜5C-2＞、炭質(zhì)灰?guī)r及灰?guī)r殘積土＜5C-2＞、灰?guī)r強風化＜7C＞、灰?guī)r中風化＜8C-1＞、灰?guī)r微風化帶＜9C-2＞。其中＜8C-1＞地層單軸抗壓強度最大為32.7MPa、＜9C-1＞地層單軸抗壓強度最大為66.2MPa，＜9C-2＞地層單軸抗壓強度最大為92.83MPa。巖相變化、風化程度不均勻、地層組成成分不同及掘進面的巖性不一，是盾構(gòu)法施工的不利條件。

盾構(gòu)區(qū)間存在全斷面中風化炭質(zhì)灰?guī)r＜8C-1＞、微風化灰?guī)r＜9C-2＞，局部存在泥巖、頁巖中風化＜8C-2＞、灰?guī)r微風化帶＜9C-2＞，隧道盾構(gòu)掘進面巖層強度差異較大，盾構(gòu)在上軟下硬地層中掘進，盾構(gòu)姿態(tài)控制困難，不僅容易抬頭，而且容易整體抬升引起盾構(gòu)掘進偏位或抬頭，在該類地層中如何有效控制盾構(gòu)姿態(tài)、確保準確控制施工軸線是須解決的難題之一。

泥水盾構(gòu)在上軟下硬地層中掘進會遇到種種難題。例如在含有高粘性土或泥質(zhì)巖夾層的地層中掘進時可能會在刀盤尤其是中心區(qū)部位及土倉隔板前刀盤支撐之間產(chǎn)生泥餅，當產(chǎn)生泥餅后，泥餅會裹住滾刀使?jié)L刀偏磨，從而導致掘進速度急劇下降,刀盤扭矩也會上升，并造成刀盤油溫過高使盾構(gòu)無法掘進；在上軟下硬地層中掘進時，由于軟土層和硬巖層的壓縮變形模量不同，掘進過程中刀盤受力不均，容易產(chǎn)生偏心受力，損壞刀盤和主軸承密封等等問題。

本區(qū)間位于廣花凹陷區(qū)域，受廣從斷裂控制，設(shè)計詳勘階段鉆孔揭示見洞率為35%，多呈串珠狀。掘進過程中有可能出現(xiàn)未探明溶洞，由于漏漿導致盾構(gòu)土倉欠壓引起掌子面坍塌、地面塌陷等問題。

2 主要對策

2.1 溶土洞的探查及處理

隧道施工前，對于詳勘揭示的溶洞提前進行鉆孔，探查溶洞具體的位置、大小、填充狀態(tài)，然后在地面通過注漿設(shè)備填充水泥漿或者水泥與水玻璃雙液漿。本區(qū)間溶洞發(fā)育強烈，見洞率高，所以還需要在詳勘的基礎(chǔ)上，對區(qū)間進行加密補充勘察，盡可能地發(fā)現(xiàn)溶洞，并提前處理，避免出現(xiàn)不必要的險情。

本工程對盾構(gòu)配備超前注漿系統(tǒng)，可保證掘進過程中在隧道前方進行溶土洞探測及處理（圖1）。在掘進過程中每掘進一環(huán)進行一次超前探孔工作，通過盾構(gòu)改造的超前孔向刀盤前方插入鉆桿，深度至刀盤前方0.5m處，若在0.5m方位內(nèi)出現(xiàn)掉管的情況說明前方存在空洞，則將鉆桿繼續(xù)向前深入至出現(xiàn)阻力位置，根據(jù)進桿長度大概計算土洞大小，采用盾構(gòu)注漿泵向前方進行砂漿注入，注漿過程中控制好切口水壓的波動情況，注漿壓力控制在切口水壓值以下，注入過程中緩慢抽回鉆桿，同時通過觀察排漿口出漿情況判斷空洞是否填滿，注漿完畢后繼續(xù)盾構(gòu)掘進施工。

2.2 刀具的優(yōu)化配置

區(qū)間盾構(gòu)隧道施工中，針對區(qū)間硬巖沿線分布較多且砂層為主的特點，配置全斷面滾刀，中心部配置（圖2）每個刀圈可獨立回轉(zhuǎn)的強化型雙刃滾刀（帶合金粒），轉(zhuǎn)速快磨耗多的外周部配置了高強耐磨單刃滾刀，既可有效地提高破巖能力，又可有效防止刀具磨損的不均衡性，從而可減少進倉換刀的次數(shù)。由于輻條兩側(cè)刮刀合金在灰?guī)r地層中容易出現(xiàn)崩塊情況，所以在本工程中將刮刀強度等級由13降至12，使其有更好的抗沖擊能力。

圖1 盾構(gòu)機超前注漿口改造示意圖

圖2 刀具配置示意圖

本工程刀具配置主切削刀以滾刀為主，正面環(huán)向并排的軟巖刀具將高度稍矮的一把割掉，在施工過程中，刀具檢查時所有刮刀只要有磨損或者崩角的全部更換新刀；刮刀新刀具采用低一號硬質(zhì)合金刀具，特別是在灰?guī)r地層中掘進，當開倉檢查發(fā)現(xiàn)磨損大于1cm的刀具都需要進行保養(yǎng)，滾刀重新更換密封，測量扭矩后更換至內(nèi)圈使用；最外圍3把滾刀同一軌跡線上加焊貝殼保護刀，保證開挖直徑。

2.3 建立動態(tài)泥漿性能控制系統(tǒng)

在典型的上軟下硬地層中，在無粘土夾層存在的情況下，地層含泥量低，土體自身的造漿能力差，而要穩(wěn)定開挖斷面內(nèi)上部砂層，需要相對密度較大的泥漿，使切削表面的成膜速度增加，盡快穩(wěn)定切削面，而要將掘削下來的大塊土石顆粒帶入環(huán)流系統(tǒng)要求較高的泥漿粘度，因此需要事先儲備較大比重的泥漿以備使用。在由粘土夾層存在的地層情況下，土層自身的造漿能力強，需要適當降低入口泥漿粘度和比重，從而使泥漿保持合理的性能。

根據(jù)我司在廣州地鐵五號線大～中區(qū)間及九號線5標泥水盾構(gòu)施工中幾例典型的上軟下硬地層掘進施工經(jīng)驗，為保證施工的順利進行，利用現(xiàn)有的地質(zhì)資料對切削面地層的分布，并根據(jù)環(huán)流出口的泥漿性能指標進行分析，判斷現(xiàn)有地層特征，建立動態(tài)的泥漿性能控制系統(tǒng)，實時調(diào)控泥漿的性能指標，保證泥漿最優(yōu)性能。

另外，因掘進過程中有可能遇到勘察階段未發(fā)現(xiàn)的溶土洞，所在在平時施工過程中，需注意現(xiàn)場泥漿的儲備，同時在現(xiàn)場備置一定數(shù)量的膨潤土。當遇到竄珠洞或是連通的溶土洞及時補充泥漿，使盾構(gòu)穩(wěn)壓，且在施工過程中也要密切注意艙內(nèi)壓的波動。

2.4 建立盾構(gòu)掘進參數(shù)動態(tài)控制系統(tǒng)

進入上軟下硬地層后，盾構(gòu)的推進千斤頂由于受力不均，不僅容易抬頭，而且容易整體抬升，因此，在掘進過程中提前采用改變推進千斤頂數(shù)量和鉸接控制的方法對盾構(gòu)姿態(tài)進行調(diào)整，提前將盾構(gòu)姿態(tài)向下調(diào)整一定角度進行掘進，防止盾構(gòu)向上超限。

除此之外，在典型的上軟下硬地層中掘進時，下部的硬巖要求刀盤高速轉(zhuǎn)動并增加推力快速掘進，而上部軟土層則要求刀盤低轉(zhuǎn)速，略高于正常值的切口水壓掘進。同時由于軟土層和硬巖層的壓縮變形模量的不同，容易使刀盤受力不均而發(fā)生偏心受力，導致刀盤和主軸承密封損壞，故需要根據(jù)實時的地質(zhì)條件調(diào)整盾構(gòu)的掘進推力、扭矩以及排泥泵轉(zhuǎn)速等參數(shù)建立動態(tài)控制系統(tǒng)來保護機器設(shè)備。

盾構(gòu)掘進參數(shù)控制建議：①適當降低刀盤轉(zhuǎn)速；②切口水壓根據(jù)地層進行計算，合理選擇軟、硬地層的切口水壓；③掘進速度控制在5～8mm/min，推力在1000～1800t之間，根據(jù)實際地層情況適當調(diào)節(jié)各參數(shù)。

2.5 盾構(gòu)姿態(tài)的控制與管片防裂損

在此種地層中掘進，管片易形成裂縫或破損，因此通常做法是：①控制盾構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，選擇合理的推力；②嚴格管片選型，以適應(yīng)盾尾間隙為主，兼顧設(shè)計線型，確保盾尾間隙均勻；③提高管片的安裝精度。對于管片環(huán)面不平整和千斤頂撐靴重心偏位，要及時更換新的千斤頂撐靴，并予以調(diào)整。④正確控制好盾構(gòu)姿態(tài)，緩慢掘進，慎重糾偏。盾構(gòu)糾偏時應(yīng)注意：在切換刀盤轉(zhuǎn)動方向時應(yīng)保留適當?shù)拈g隔，切換速度不宜過快；根據(jù)掌子面地層情況及時調(diào)整掘進參數(shù)和掘進方向，避免引起更大的偏差；蛇形的修正應(yīng)以長距離慢慢進行為原則，如修正得過急，蛇形反而更加明顯；⑤控制注漿壓力，確保填充質(zhì)量。

2.6 防止泥餅的形成

針對本工程的地質(zhì)情況，對刀盤結(jié)泥餅從兩方面入手，一是盾構(gòu)自有性能防結(jié)泥餅，另一方面從掘進控制防結(jié)泥餅。

1）盾構(gòu)自有性能防結(jié)泥餅 ①開口率達到31%，保證渣土順利進入土倉；②刀具配置上，同軌跡線只配置一把刀具，防止刀具布置過密刀盤結(jié)泥餅；③盾構(gòu)配置P0泵循環(huán)系統(tǒng)，盾構(gòu)P0泵可將泥漿通過中軸送至刀盤前方，有效對前方刀盤中心進行沖刷，有效防止刀盤結(jié)泥餅。

2）掘進控制防結(jié)泥餅 ①做好泥漿指標的控制，每班不得少于3次監(jiān)控泥漿指標；②當出現(xiàn)泥漿粘度變化較快，扭矩上升較快的情況，多數(shù)因為已結(jié)成泥餅，要及時開倉清理，要加強各項指標監(jiān)控，及時調(diào)整，及時開倉；③在粘土層掘進時，每掘進30cm利用切口水壓后退盾構(gòu)3cm進行洗倉。

3 結(jié) 語

在本工程巖溶地區(qū)上軟下硬地質(zhì)條件中進行盾構(gòu)掘進施工，所采取的措施都取得良好效果。盾構(gòu)刀具配置的優(yōu)化，促使盾構(gòu)的掘進效果較好，并在我司其他車站區(qū)間的灰?guī)r地區(qū)得到成功運用；建立動態(tài)的泥漿性能控制系統(tǒng)，實時調(diào)控泥漿的性能指標，在本工程中保證泥漿的最優(yōu)性能；建立盾構(gòu)掘進參數(shù)動態(tài)控制系統(tǒng)，可針對不同地質(zhì)條件進行參數(shù)調(diào)整，確保盾構(gòu)順利掘進。

[參考文獻]

[1]陳 饋，洪開榮，吳學松．盾構(gòu)施工技術(shù)[M]．北京：人民交通出版社，2009.