軟硬不均復(fù)雜地層盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)與管控

丁 濤 孫 艷

廣東榮文科技集團(tuán)有限公司 廣東 東莞 523000

1 工程簡(jiǎn)介

本區(qū)間工程單線設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1713.89m，采用盾構(gòu)法+礦山法施工，其中盾構(gòu)法單線長(zhǎng)度為539.73m，最大縱坡為25‰的V型坡隧道，管片外徑6000mm，內(nèi)徑5400mm，寬度1500mm，采用開挖外徑為6300mm的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。該區(qū)間盾構(gòu)段主要穿越上軟下硬地層和全斷面巖層，地層起伏變化較大，地表以下地層為素填土、粉質(zhì)粘土、碎石土、粗粒砂、中微風(fēng)化巖石，地下水類型主要為第四系潛水和基巖裂隙水，其中第四系潛水向下補(bǔ)給基巖裂隙水。此隧道位于市區(qū)次干道下方，設(shè)防水位線以下6.2m-11.6m，覆蓋層厚度H=12.5m-14m，全斷面巖層段隧道圍巖等級(jí)為Ⅲ-Ⅳ級(jí)。

2 軟硬不均復(fù)雜地層盾構(gòu)施工中的重難點(diǎn)問(wèn)題

2.1 始發(fā)、到達(dá)施工問(wèn)題

盾構(gòu)段設(shè)計(jì)采用反力架+基座始發(fā)，始發(fā)洞身范圍上部2/3為較密實(shí)的粗粒砂，下部1/3為較完整的堅(jiān)硬巖，上軟下硬強(qiáng)度差距大始發(fā)姿態(tài)控制困難，易造成反力架變形量大，盾構(gòu)機(jī)抬頭、偏移，洞周地表大面積下沉等問(wèn)題。接收段采用礦山法進(jìn)行初期支護(hù)后回填渣土，再由盾構(gòu)平推拼管片通過(guò)，礦山法初支面凈空尺寸超欠及弧形導(dǎo)臺(tái)施工強(qiáng)度低厚薄不均，易造成盾構(gòu)卡機(jī)、軸線偏移等問(wèn)題。

2.2 開倉(cāng)換刀施工問(wèn)題

盾構(gòu)主要穿越軟硬復(fù)合地層和全斷面巖層，在這種地質(zhì)條件下施工，對(duì)盾構(gòu)刀具的磨損非常嚴(yán)重，開倉(cāng)換刀頻次高，既有常壓換刀又有帶壓換刀（氣壓作業(yè)），盾構(gòu)帶壓換刀作業(yè)時(shí)間比較長(zhǎng)，周圍地層條件需要滿足氣體保壓的要求，否則在上軟下硬地層中換刀容易出現(xiàn)地層失穩(wěn)、地下水滲漏等問(wèn)題。本區(qū)間地下水類型主要為地表潛水和巖石裂隙水，其中地表潛水向下補(bǔ)給巖石裂隙水，在中風(fēng)化巖層、上軟下硬地質(zhì)條件下更換刀具存在地下水的涌入的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。

2.3 刀盤結(jié)泥餅問(wèn)題

當(dāng)開挖斷面地層黏土礦物含量超過(guò)25%時(shí)，結(jié)餅幾率隨著黏土礦物含量增加而增大，根據(jù)本勘察揭露的巖土層結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)上軟下硬地層中粉、黏粒最高含量達(dá)40%。盾構(gòu)刀盤型式為6輻條軟土式，開口率約35%，針對(duì)巖土復(fù)合地層對(duì)刀具高磨損性和高沖擊性的特點(diǎn)，刀具選擇上更傾向于破巖功能，同時(shí)鑒于本工程盾構(gòu)段存在全斷面的硬巖，因此刀具選擇較合理，但本盾構(gòu)區(qū)間同時(shí)又存在軟硬不均地層，刀盤存在結(jié)泥餅的可能性較高，此外，刀盤外周配耐磨板，過(guò)渡區(qū)加焊耐磨網(wǎng)格，刀轂部分加焊耐磨層，使得切削下來(lái)的碴屑與軟土顆粒易被擠壓堆積在刀盤開口和密封倉(cāng)處，流動(dòng)不暢，易形成泥餅。

2.4 盾構(gòu)穿越上軟下硬特殊地段施工問(wèn)題

盾構(gòu)機(jī)在上軟下硬地層中掘進(jìn)，下部硬巖勢(shì)必會(huì)造成掘進(jìn)緩慢，而導(dǎo)致上部軟土應(yīng)力釋放時(shí)間長(zhǎng)，土體松弛易產(chǎn)生超挖，引起地表沉降過(guò)大，而硬巖強(qiáng)度過(guò)高易致使其掘進(jìn)困難，且推力過(guò)大會(huì)損壞管片。另外當(dāng)盾構(gòu)刀具在軟硬地層交界面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于地層強(qiáng)度變化較大，刀具受到巨大沖擊，造成非正常磨損（如偏磨、弦磨等）甚至損壞。盾構(gòu)在上軟下硬地層中施工，掘進(jìn)姿態(tài)控制困難，易發(fā)生偏移或被卡住、蛇行推進(jìn)、抬頭現(xiàn)象，導(dǎo)致超挖出土量加大而引起地面沉降過(guò)大等問(wèn)題。由于上軟下硬地層的復(fù)雜多變性，若盾構(gòu)土倉(cāng)壓力、掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置以及壁后注漿等關(guān)鍵工序控制不好，也易出現(xiàn)地面沉降過(guò)大，管片上浮、錯(cuò)臺(tái)、滲漏水等問(wèn)題。

3 軟硬不均復(fù)雜地層盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)與管控

3.1 盾構(gòu)選型與主要配置[1]

盾構(gòu)選型主要依據(jù)工程水文地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、隧道線路設(shè)計(jì)要求，采用的輔助工法，以及施工安全、環(huán)保和工期要求，并結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)等方面綜合考慮，對(duì)不同選擇進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析后擇其優(yōu)者，選型的主要方法包括地層滲透法、地層顆粒級(jí)配法等。基于此本工程盾構(gòu)采用土壓平衡式盾構(gòu)，其主要配置選擇依據(jù)如下：

刀盤裝備總扭矩應(yīng)滿足地質(zhì)條件和脫困要求，主要考慮切削土體阻力及附加阻力，并按經(jīng)驗(yàn)公式T=α×D3（α為扭矩系數(shù)，其土壓平衡盾構(gòu)不宜小于16，D為刀盤外徑）進(jìn)行復(fù)核。

盾構(gòu)施工中所需總推力的決定因素：盾體的摩擦阻力、刀盤正面推進(jìn)阻力、刀具貫入阻力、盾尾與管片間的摩擦阻力、后配套牽引力等，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)型及施工情況對(duì)上述阻力求總和，再考慮所需的安全系數(shù)即可求出盾構(gòu)所需總推力F，然后根據(jù)掌子面單位面積推力的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行復(fù)核，在軟土地層中不宜低于1050KN/m2，在硬巖地層中不宜低于1250KN/m2。

3.2 地層加固與處理

針對(duì)開挖面巖土強(qiáng)度差異性過(guò)大導(dǎo)致掘進(jìn)困難的地段進(jìn)行改善，對(duì)其單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc＞100Mpa的硬巖地段進(jìn)行深孔爆破預(yù)處理，預(yù)裂孔間距為600mm×600mm，孔徑為108mm，深度超過(guò)開挖面底部500mm，嚴(yán)格控制裝藥量，確保破碎后巖體不大于30cm，必要時(shí)利用預(yù)裂孔對(duì)其進(jìn)行注漿加固；采用地表引孔方式對(duì)開挖面及其以外3m范圍內(nèi)的砂層進(jìn)行注漿加固，注漿孔1500×1500梅花布置，注漿范圍的地層最外側(cè)采用水泥-水玻璃雙液漿，內(nèi)側(cè)采用水灰比為0.8 : 1-1: 1的水泥漿，注漿壓力控制在0.2-1MPa，注漿后地層滲透系數(shù)要求＜10-7cm/s，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度＞0.3MPa。

盾構(gòu)始發(fā)段10m范圍采用φ900@600三重管高壓旋噴樁止水加固，旋噴樁應(yīng)進(jìn)入不透水層1.5m，采用樁底標(biāo)高及嵌固要求雙控，水泥采用P.O42.5，水灰比1-1.5，水泥摻量30%-40%，樁位偏差≤50mm，垂直度偏差≤0.5%，提升速度≤20cm/min，旋轉(zhuǎn)速度10-20r/min，采用跳孔施工，跳孔間隔4-6m，加固后地層滲透系數(shù)不大于10-7m/s，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1MPa。

3.3 開倉(cāng)作業(yè)

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中判斷是否需要開倉(cāng)檢查的情況主要有以下幾種：在硬巖段掘進(jìn)，渣土明顯呈現(xiàn)粉碎狀；刀盤在掌子面的切割聲音出現(xiàn)異常；渣土溫度明顯比正常情況下升高；推力明顯增大，但是推進(jìn)速度仍然很慢，刀盤扭矩增大，貫入度?。痪蜻M(jìn)姿態(tài)異常，不好控制；刀盤結(jié)泥餅。

在進(jìn)行盾構(gòu)開倉(cāng)作業(yè)前，先對(duì)掌子面的穩(wěn)定性做出判斷，本工程在上軟下硬地層中開倉(cāng)作業(yè)時(shí)，采取氣壓作業(yè)方式，以確保掌子面安全穩(wěn)定。對(duì)于氣壓作業(yè)（帶壓換刀），開挖倉(cāng)內(nèi)氣壓應(yīng)與開挖面外的水土壓力相適應(yīng)，以防止開挖面失穩(wěn)和地下水涌入，因此氣壓作業(yè)前，必須進(jìn)行氣密性試驗(yàn)和理論計(jì)算確定合理氣壓值。帶壓換刀工作氣壓理論值按公式e=ew+er（ew為開挖面中心水頭壓力，er為壓力調(diào)整值可取0-20KPa）計(jì)算。帶壓進(jìn)倉(cāng)作業(yè)時(shí)間，當(dāng)壓力小于0.36MPa時(shí)，應(yīng)按現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《盾構(gòu)法開倉(cāng)及氣壓作業(yè)技術(shù)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，當(dāng)壓力大于0.36MPa時(shí)，按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《空氣潛水減壓技術(shù)要求》有關(guān)規(guī)定執(zhí)行[1]。

3.4 泥餅防治

盾構(gòu)在通過(guò)上軟下硬地層時(shí)當(dāng)粉、黏粒含量過(guò)高土渣易黏結(jié)刀盤而產(chǎn)生泥餅，在推進(jìn)過(guò)程中，向刀盤正面或土倉(cāng)內(nèi)壓注泡沫或膨潤(rùn)土等碴土改良劑，以穩(wěn)定開挖面，改善切削下來(lái)的碴土的和易性以及水密性，同時(shí)降低刀盤、刀具等的磨損，有效防止土渣黏結(jié)刀盤而產(chǎn)生泥餅和螺旋輸送機(jī)排土?xí)r的噴涌現(xiàn)象。

在渣土改良點(diǎn)布置方面，在保證徑向均勻布置的前提下，加強(qiáng)中心區(qū)域的渣土改良點(diǎn)和沖洗口布置，提高中心區(qū)域的渣土流動(dòng)性能，進(jìn)而降低結(jié)泥餅的風(fēng)險(xiǎn)。

在保證刀盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下加大開口率，以提高渣土的通過(guò)粒徑和通過(guò)率，用以提高掘進(jìn)效率，降低滯磨率，從而降低泥餅形成的危險(xiǎn)。開口處的縱深方向采用梯形設(shè)計(jì)即“嚴(yán)進(jìn)寬出”的結(jié)構(gòu)，也有利于渣土的縱向流動(dòng)，提高渣土的流動(dòng)效率[2]。

當(dāng)?shù)侗P結(jié)泥餅情況較輕微時(shí)，可通過(guò)沖刷系統(tǒng)利用高壓泥漿或清水對(duì)中心刀盤進(jìn)行沖刷清洗，利用氧化劑對(duì)泥餅進(jìn)行化學(xué)剝落，往泥漿里添加工業(yè)洗衣粉、漂白粉等潤(rùn)滑劑，高速空轉(zhuǎn)刀盤等方法清除泥餅；當(dāng)泥餅將刀箱和輻板的空隙填滿密實(shí)時(shí)，最有效的方法就是人工開倉(cāng)倉(cāng)進(jìn)行泥餅清理[3]。

3.5 始發(fā)管控要點(diǎn)

拆除洞口圍護(hù)結(jié)構(gòu)前確認(rèn)洞口土體加固效果，始發(fā)加固端須進(jìn)行鉆芯取樣檢測(cè)其加固效果，取芯過(guò)程監(jiān)理全程見證，加固土體改良范圍、止水效果和強(qiáng)度大設(shè)計(jì)要求，以確保地層不發(fā)生坍塌或涌水，保證始發(fā)過(guò)程開挖面的穩(wěn)定。

盾構(gòu)基座、反力架要具備足夠的剛度，始發(fā)過(guò)程總推力必須小于反力架所能承受的范圍，確保其承載后變形量滿足盾構(gòu)掘進(jìn)方向要求。尤其加強(qiáng)反力架立柱和斜撐與底板錨固質(zhì)量的隱蔽驗(yàn)收工作，確保錨固筋的規(guī)格型號(hào)、數(shù)量、錨固深度均符合反力驗(yàn)算結(jié)果要求，以防始發(fā)過(guò)程推力控制不當(dāng)導(dǎo)致其變形與位移過(guò)大。

始發(fā)測(cè)量工作是盾構(gòu)施工質(zhì)量的重要保障，放樣和復(fù)測(cè)結(jié)果必須滿足要求。安裝盾構(gòu)基座和反力架時(shí)，確保盾構(gòu)掘進(jìn)方向符合隧道設(shè)計(jì)軸線，安裝負(fù)環(huán)管片時(shí)，保證其橢圓度并采取穩(wěn)定措施，以防影響盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)管片的拼裝精度。

在盾構(gòu)全部進(jìn)入地層前，僅使用下部硬巖范圍內(nèi)的千斤頂施加推力，在通過(guò)洞口地層加固段前，采用低速掘進(jìn)，減小推力，以便控制盾構(gòu)掘進(jìn)方向成功始發(fā)，在通過(guò)加固段后的初始掘進(jìn)，跟蹤監(jiān)測(cè)地表變形量數(shù)據(jù)，分析調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)并收集整理，為后續(xù)盾構(gòu)正常掘進(jìn)控制提供依據(jù)。

3.6 掘進(jìn)參數(shù)控制

適當(dāng)保持土倉(cāng)壓力的目的是控制地表變形和確保開挖面的穩(wěn)定，盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程，應(yīng)通過(guò)地表變形量測(cè)數(shù)據(jù)判定預(yù)設(shè)的土倉(cāng)壓力的準(zhǔn)確程度，及時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整。根據(jù)日本隧道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（盾構(gòu)篇）及地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范，計(jì)算土壓力的方法，對(duì)于砂質(zhì)土一般采用水土分算，對(duì)于粘性土則將水作為土的一部分進(jìn)行計(jì)算，在能形成拱效應(yīng)的良好地層中當(dāng)覆蓋厚度為1-2D（盾構(gòu)外徑）以上時(shí)多采用泰沙基公式計(jì)算松弛土壓，當(dāng)隧道上覆地層自穩(wěn)性較差時(shí)，宜采用靜止土壓力理論計(jì)算，巖質(zhì)隧道的圍巖壓力按現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定確定。

基于上述原則，本工程盾構(gòu)在通過(guò)上軟下硬地層時(shí)采用地面注漿預(yù)加固，土倉(cāng)壓力設(shè)定采用松弛土壓計(jì)算，并根據(jù)推進(jìn)中所產(chǎn)生的地表變形，刀盤扭矩、推力和推進(jìn)速度等變化及時(shí)調(diào)整，設(shè)置在0.8bar-1.5bar范圍（無(wú)水地段取低值，有水地段取高值）；盾構(gòu)在通過(guò)全斷面巖層時(shí)，土倉(cāng)壓力設(shè)定采用現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)巖質(zhì)隧道圍巖壓力的計(jì)算方法，并根據(jù)地表沉降監(jiān)測(cè)情況及時(shí)調(diào)整，設(shè)置在0.1bar-0.8bar范圍（無(wú)水地段取低值，有水地段取高值）。推進(jìn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壓力的波動(dòng)，及時(shí)調(diào)整、控制推進(jìn)速度和螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速，確保土壓穩(wěn)定，不得低于最低控制值，避免地表沉降超限。

為了防止掘進(jìn)過(guò)程土體超挖，嚴(yán)格控制出土量不得超過(guò)理論值（理論體積×松散系數(shù)）的6%，并及時(shí)記錄每環(huán)出土量，出現(xiàn)超標(biāo)的情況應(yīng)立即進(jìn)行二次補(bǔ)漿。刀盤的扭矩主要考慮切削土體阻力及附加阻力，根據(jù)工程地質(zhì)情況的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合實(shí)際施工情況，本工程在土巖混合地層中控制在2000-4000KN.m，全斷面巖層中控制在1000-3000KN.m，在扭矩增大時(shí)通過(guò)降低刀盤轉(zhuǎn)速和推力來(lái)控制其增大趨勢(shì)，當(dāng)扭矩高于控制范圍應(yīng)加強(qiáng)土體改良效果來(lái)降低扭矩。施工中所需總推力主要考慮正面推進(jìn)阻力、切削和摩擦阻力，根據(jù)其計(jì)算結(jié)果，結(jié)合實(shí)際施工情況，本工程在掘進(jìn)過(guò)程中總推力控制在10000-30000KN，在保證切削刀具貫入土體后，不再增加推力，考慮盾構(gòu)姿態(tài)和管片受力的影響，推力不宜過(guò)高。

同步注漿壓力控制在大于注漿口處?kù)o止水土壓力0.1MPa；注漿量填充系數(shù)在土巖混合地層中不低于1.6，在全斷面巖層中不低于1.4；同步注漿采用單液漿，初凝時(shí)間小于6h，結(jié)實(shí)率大于90%。二次補(bǔ)漿采用雙液漿，在管片脫出盾尾4~5環(huán)后，每4-5環(huán)一組進(jìn)行補(bǔ)漿，壓力控制在大于注漿口壓力0.2-0.3MPa，補(bǔ)漿量以壓力控制為準(zhǔn)。

3.7 盾構(gòu)姿態(tài)與線形控制

盾構(gòu)水平、垂直姿態(tài)偏差控制在±50mm以內(nèi)，通過(guò)分組控制千斤頂行程差進(jìn)行糾偏，曲線段使用仿形刀適量超挖增大建筑間隙，每環(huán)糾偏量不超過(guò)±5mm；滾動(dòng)角偏差控制在±3°以內(nèi)，利用刀盤向偏轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)反力進(jìn)行糾偏。

拼裝管片時(shí)，各連接面拼接整齊，錯(cuò)臺(tái)控制在環(huán)內(nèi)5mm、環(huán)間6mm范圍內(nèi)，先緊固管片環(huán)向連接螺栓，在整環(huán)管片拼裝完成后，利用全部千斤頂均勻施加壓力，充分緊固軸向連接螺栓，管片脫出盾尾后及時(shí)復(fù)緊，到最后一節(jié)臺(tái)車處再次復(fù)緊螺栓。

管片拼裝過(guò)程中，對(duì)成型隧道軸線平面位置和高程進(jìn)行控制，偏差不得大于50mm；直線段及轉(zhuǎn)彎半徑大于500m的區(qū)段，每掘進(jìn)120m對(duì)隧道軸線進(jìn)行測(cè)量；轉(zhuǎn)彎半徑小于500m的區(qū)段，每掘進(jìn)75m對(duì)其軸線進(jìn)行測(cè)量；盾構(gòu)施工每掘進(jìn)300m，對(duì)隧道內(nèi)的導(dǎo)向控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核測(cè)量。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，盾構(gòu)在軟硬不均地層施工存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，分析施工中可能存在的問(wèn)題，通過(guò)盾構(gòu)選型、地層加固與處理、優(yōu)化刀具配置、優(yōu)化施工參數(shù)等關(guān)鍵手段，并融合嚴(yán)格的盾構(gòu)施工監(jiān)理管控，有利于盾構(gòu)安全快速出洞，提高盾構(gòu)施工效率和質(zhì)量。