馮立君

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盾構穿越上軟下硬地層施工技術措施

馮立君

摘 要：文章圍繞典型的上軟下硬的地質環(huán)境，對盾構穿越上軟下硬地層時的施工問題和風險進行了分析，并針對穿越上軟下硬這種不良地層盾構施工發(fā)生的常見問題，研究了相應的解決措施和技術對策，以提高上軟下硬地質環(huán)境下的盾構施工質量和地表建筑物安全。

關鍵詞：盾構施工；穿越上軟下硬地層；施工控制技術

馮立君：中鐵十八局集團有限公司，工程師，天津300222

1　上軟下硬地層特點

上軟下硬地層主要是指盾構在掘進的過程中上半部或者大半部分都處于花崗巖、混合巖全風化層及殘積土層或者砂層、淤泥層以及軟塑狀黏土層中，而下半部分則處于花崗巖、混合巖、灰?guī)r以及含礫砂巖等巖層中，由于硬巖地層和軟弱地層的地質特性不一，盾構掘進的過程中往往很難兩者兼顧，對施工的順利進行造成了很大的困擾。

上軟下硬地層中的軟弱層主要是花崗巖、混合巖的風化層或者是殘積土層或者是砂層、淤泥層以及黏土層，其構成成分比較復雜，具有以下2個特性：①成分構造不夠均勻，土層的強度不一致，風化層、殘積層在遇到水的時候容易出現(xiàn)崩解、軟化現(xiàn)象，導致土層的強度降低；②風化層和殘積層顆粒具有鮮明的“兩頭大，中間小”的特點，地層顆粒主要是直徑＞0.5 mm 的粗顆粒和＜0.075 mm 的細微顆粒組成，并且這些顆粒以長石、石英等顆粒類型為主，而處于0.075～0.5 mm 之間的顆粒成分則比較小，這種情況下，盾構在掘進中一旦水壓力較大，就會出現(xiàn)管涌、流土等現(xiàn)象。

2　上軟下硬地層盾構施工難點

（1）建筑物存在的風險。地表建筑物通常是磚混結構，一旦地層的擾動過大，那么就會使得建筑物的基礎和結構出現(xiàn)破壞，進而導致建筑物的沉降或者開裂。盾構在穿越上軟下硬地層時首先要考慮的就是建筑物安全風險，詳細了解建筑物的主要結構形式和樁基的承載能力，然后再選擇合適的方法來降低風險，例如，盾構機在通過之前就預先埋好注漿管，在通過之后再根據(jù)建筑物的沉降變化情況來實施跟蹤注漿，進而控制建筑物的沉降程度。

（2）盾構掘進緩慢，掘進方向易發(fā)生偏差。實踐證明，盾構機在不同硬度的地層中掘進速度也是不同的，而在上軟下硬的地層中，盾構機的掘進速度則是完全取決于下部的巖石硬度。但是總體而言，盾構機的掘進速度是比較慢的，例如，在單軸抗壓強度為130 MPa的巖石層中，盾構機的掘進速度大概在7 mm/min 左右，非常緩慢。此外，盾構機掘進過程中存在“頭重腳輕”現(xiàn)象，主要原因就在于盾構機在掘進的時候，如果單純的依靠軟弱土層中的摩擦力和自身的推動力的話是很難一直維持盾構的姿態(tài)不變，以至出現(xiàn)“低頭”的傾向，這可通過加大盾構下部的推動力來確保盾構機在掘進的過程中維持盾構姿態(tài)不變，平穩(wěn)掘進。但是和均質土層中掘進有所不同，盾構機在上軟下硬的地層中進行掘進工作時，推力和扭矩的變化幅度很大，盾構機有著向軟土層偏移的慣性，這一慣性在盾構機向硬巖一側調線時更加難以控制，使得掘進方向很容易出現(xiàn)偏差。

（3）刀具磨損嚴重。盾構機在掘進過程中，刀具磨損主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面是上軟下硬的地層決定了盾構機的上部是處于黏性土層中進行工作的，這種情況下，掘進參數(shù)控制不當就很容易造成盾構機的刀盤結泥餅，從而導致滾刀偏磨；另一方面，由于盾構機下部處于單軸抗壓程度很高的硬巖層中，這使得盾構機的滾刀磨損嚴重，加劇了刀具的消耗甚至會出現(xiàn)刮刀崩裂現(xiàn)象。因此，盾構機在上軟下硬地層中掘進時，開艙換刀的幾率要遠遠高于在均質土層中開艙換刀的幾率。值得注意的是，在盾構掘進中，盾構機上部的土層較軟，覆蓋厚度也不足，這個時候開艙換刀會導致土艙內的氣壓難以保證，一旦冒然地選擇了錯誤的開艙位置進行刀具的檢查和更換，那么就會由于無法保證土艙的氣壓而造成地面的沉降變形甚至坍塌，對地表建筑物造成影響和安全隱患。

（4）噴涌嚴重，清碴量大。對于顆粒處于0.075～0.5 mm 的土層，由于其既具有砂土的特征，也同時具有黏性土的特征，為小顆粒從大顆粒的空隙中涌出提供了可能性。而其下部的硬巖層風化程度不強，普遍存在著裂隙，這使得在盾構掘進中容易出現(xiàn)漿液流失現(xiàn)象。因此，一旦盾構機的盾構掘進參數(shù)控制不當，那么螺旋出土器就會出現(xiàn)涌水、涌碴現(xiàn)象，導致盾構機的每次掘進都需要花費大量的人力和物力來清理碴土。

3　上軟下硬地層盾構施工技術措施

3.1盾構掘進參數(shù)控制

（1）掘進模式。上軟下硬地層中的上部軟弱地層雖然具有在遇水時容易出現(xiàn)軟化崩解、強度降低的特性，但是在盾構機的掘進中可以在一定時間內保持其穩(wěn)定。因此在掘進的時候，可以考慮在盾構機的土艙內保留一定程度的碴土，碴土的規(guī)模不能過大，一般占據(jù)整個土艙的三分之一即可。為了有效地維持開挖面頂部的穩(wěn)定性，防止坍塌現(xiàn)象的出現(xiàn)，一般采用向土艙內注入壓縮空氣或者泡沫的方式來輔助盾構機掘進，這種方式對于地下水滲入土艙、螺旋出土器出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象也有著很大的預防作用。

（2）刀盤轉速、掘進速度。在上軟下硬地層中盾構機刀盤受力大小不同，其中下部硬度較大的地層，刀盤的滾刀受力相對較大，導致刀具的損傷也比較大。因此，在掘進開挖時需要適當降低刀盤的轉速，在掘進速度為3 mm/min 的情況下，刀盤的轉速一般控制在1.6 r/min，此時刀具受到的瞬時沖擊力為25 t。

（3）刀盤扭矩以及油缸推力。盾構機在掘進過程中如果遇到單軸抗壓強度較高的硬巖，其刀具往往會受到嚴重磨損，在這種情況下可以通過降低刀盤扭矩和受到的沖擊力來降低刀具的磨損。一般而言，盾構機在上軟下硬地層中進行掘進工作時刀盤扭矩應當保持在1750 kN/m 左右，油缸推力保持在1100～1850 t 之間。

（4）盾構掘進方向偏差。為了能夠有效地控制盾構機的掘進方向，首先，要對掘進地層進行深入的分析，充分掌握地層界面的變化狀況，針對性地制定出掘進參數(shù)；其次，利用導航系統(tǒng)來實時控制盾構機的掘進方向；最后，如果盾構機的掘進方向偏離了事先設計好的線路，要及時地調整掘進參數(shù)。盾構縱坡的最大糾偏量 i縱按公式（1）計算，盾構平面最大糾偏量 i平按公式（2）計算：

式（1）、（2）中，i盾為盾構縱坡；i襯為襯砌縱坡；［i ］為允許坡度差； S 為兩腰對稱千斤頂?shù)闹行木?；?為盾構與襯砌允許的水平夾角。

3.2結泥餅防治

當盾構機在黏性土層或者黏粒含量很高的地層中進行掘進工作時，常常會因為黏性土本身所具有的摩擦力小、黏性大、流動困難的特性出現(xiàn)切削下來的黏土通過刀盤碴槽進入壓力艙，在壓力艙的壓力影響下形成“泥餅”的現(xiàn)象。一旦刀盤和壓力艙內形成堅硬的“泥餅”，那么刀具的損傷就會加快，刀盤的扭矩和盾構機的推進力也會受到很大的阻礙，輕則導致螺旋出土器無法正常出土，盾構機無法進行掘進工作，重則會縮短刀盤主軸承的使用壽命，加速主軸承的損壞。工程中，盾構機在上軟下硬地層中穿越時，一般采用發(fā)泡劑來對碴土進行改良。

3.3碴土噴涌防治

在掘進過程中，盾構機螺旋出土器排出的碴土中的水在螺旋出土器口的壓力一般接近為0，若此時碴土中的水還具有一定的壓力，那么就會出現(xiàn)碴土噴涌。對于碴土噴涌的防止，一般采用發(fā)泡劑和膨潤土來進行，其中膨潤土比較適合在細粒含量較少的砂性地層中使用，而發(fā)泡劑則適用于各種級配的砂性地層。實踐表明，當膨潤土質量百分比達到12% 或者發(fā)泡劑質量百分比達到8% 的時候，碴土噴涌就能夠得到完全控制。

3.4帶壓開艙換刀

盾構在上軟下硬地層中穿越建筑時，開艙檢查、更換刀具是必要的，只有這樣才能夠隨時的掌握刀具的損傷情況，及時地更換刀具，確保刀具的巖石切削能力。但其中的主要問題在于在開艙換刀的時候如果開艙的位置選擇不恰當，那么長時間的開艙換刀將會造成地表大面積的沉降變形甚至坍塌，對地表建筑物造成極大的安全隱患。工程中一般采用帶壓開艙換刀技術。

3.4.1開艙換刀工作壓力計算

帶壓開艙換刀就是工作人員在土艙內進行刀具檢查和更換時，土艙壓力和平常的工作壓力基本相同。為此，首先要做好土艙的密封性，然后利用空氣壓縮機逐步增加土艙內的氣壓，以確保開挖面保持穩(wěn)定不會出現(xiàn)坍塌，地下水也無法滲入土艙。對于土艙內的氣壓值 P 按式（3）計算：

式（3）中，k 為氣壓系數(shù)；K 為開挖面頂部各地層朗肯主動土壓力系數(shù)；r 為開挖面頂部各地層天然濃度或飽和容重；h 為開挖面頂部各地層厚度。

3.4.2土艙密封

（1）對盾構機的停機刀盤里程進行精準的測量，對可能存在的縫隙進行封堵。

（2）對從盾尾倒數(shù)第3環(huán)到第7環(huán)的每1個注漿孔注入雙液漿或者聚氨酯，確保壁后填充密實。

（3）通過盾構機胸壁中上部的預留孔用同步注漿泵注入膨潤土。對于膨潤土的黏度則是通過實際實驗來確定，只有在稠度達到80～100 s 左右的時候方可使用。值得注意的是，在注入膨潤土之后需要對土艙的壓力進行仔細控制，確保壓力保持在工作壓力的1.5倍左右即可。通過緩慢的轉動刀盤來促使膨潤土能夠充分的進入刀盤周圍的地層，形成氣壓保護膜。在做好土艙的密封措施之后才可以進行開艙檢查、換刀作業(yè)，在作業(yè)的過程中還要隨時注意土艙的密封狀況，一旦發(fā)現(xiàn)問題要及時的停止作業(yè)，重新對土艙進行密封。

3.4.3注意事項

（1）土艙的壓力不能過大，最高不能超過計算出壓力值的1.2倍；

（2）負責帶壓開艙換刀作業(yè)的工作人員身體素質必須符合要求，在24 h 之內只能夠進行1次作業(yè)；

（3）要及時關注工作艙內的溫度變化，其中溫度的變化以27℃ 為基準線，如果工作艙的溫度超過了27℃，就要采取特殊的充氣方法，如果溫度不能夠維持在27℃ 以下，壓氣作業(yè)就必須要停止下來；

（4）在停止工作之后，減壓的時間不能太短，不允許溫度在5 min 之內降低到10℃ 以下或者上升到27℃以上。

參考文獻

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責任編輯 朱開明

Metro Shield Tunneling Techniques for Upper Soft and Down Hard Formation

Feng Lijun

Abstract:The paper focuses on the typical upper soft and down hard geological conditions, analyzes the problems and risks in shield tunneling in upper soft and down hard strata. Aiming at the common problems in passing the upper soft and down hard unfavorable stratum in shield tunneling, the paper also studies the corresponding solutions and technical counter-measures, in order to improve the tunneling engineering quality and surface buildings safety of shield tunneling for upper soft and down hard geological environment.

Keywords:shield tunneling, passing upper soft and down hard strata, tunneling control technology

中圖分類號：U455.43

收稿日期2015-11-24