泥水盾构在上软下硬地层中的施工技术探讨

摘要：文章结合在广州地铁九号线施工的一些经验，分析了在泥水盾构施工中遇到上软下硬地层施工的难点，探讨了通过从盾构机适应性的要求、掘进参数的控制等方面去采取相应的措施，从而去提高泥水盾构在上软下硬地层中掘进效率及安全。

关键词：泥水盾构；上软下硬；岩层；施工技术；掘进效率 文献标识码：A

中图分类号：U455 文章编号：1009-2374（2015）24-0092-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.045

广州所处地区的地质构造、水文条件非常复杂、岩土特性多种多样。在这个区域进行地铁施工，会遇到各种各样的地质风险和施工难题。就从目前广州地铁完成的多条线路的施工中，就非常频繁地遇到盾构需要在上软下硬地层中掘进，特别是泥水盾构在这类地层中施工时，局限于其环流输送系统的特点，遇到的问题会更多。在广州地铁九号线隧道施工中，就存在以石灰岩为主，风化程度不一、岩层与软土层交错的上软下硬地层。本文介绍了在这段区间泥水盾构施工中采用的一些掘进控制方法和措施。

1 上软下硬地层中泥水盾构掘进的难点

当盾构在上软下硬地层里掘进时，由于整个开挖断面围岩整体性差，刀盘滚刀在岩面上进行碾压，破裂面会在岩层裂隙处产生，不均匀的岩块崩落进土仓，很多体积较大的岩石块，常常在土仓排泥口、排泥管的弯管处以及排泥泵造成堵塞，严重影响了环流系统的稳定。

岩面的软硬不均会让盾构机刀具在转动切削中不断与突出的岩面发生碰撞，使得刀具受到很大的冲击造成损坏，从而降低盾构的掘进效率，甚至损伤刀盘。盾构姿态也容易在软硬不均地层内向偏软的方向发生惯性的偏移。盾构掘进时引起的振动和环流系统的波动也会加剧对周边地层的扰动，从而造成地面出现沉降。

2 施工控制措施

2.1 盾构机的适应性

2.1.1 扭矩推力的要求。盾构机选型之初，要考虑盾构机装备足够大的刀盘驱动力矩和盾构推力，特别是正常最大工作扭矩应不小于5000kNm，确保刀盘在复杂地层情况下的掘进安全系数。

2.1.2 破碎机的配备。盾构机的环流系统也要考虑装备破碎机，以具备对切削岩块的进一步破碎，减小渣土岩块粒径，提高环流系统的输送顺畅性。

2.1.3 刀盘的开口率的控制。对于泥水盾构机而言，过大的岩块进入土仓将不容易通过管路输送出去，而且容易堵塞排泥口。因此，当泥水盾构机上软下硬岩层地层掘进时，可考虑将刀盘的开口尺寸进行针对性减小。部分较大的岩块能在刀盘前可以有效碾磨破碎，而不是直接从过大的刀盘开口中直接进入土仓内。

2.1.4 刀具的选用。软岩中夹杂大石块及中风化地层和微风化地层的交界面，形成类似孤石的状态。刀盘转动过程中，给孤石周围轨迹线内的刀具造成巨大的冲击。中心滚刀转动不良，刀圈受到轴向剪切力过大，使得刀圈断裂。盾构机选用的滚刀、贝壳刀和刮刀都必须采用特殊硬质高强度合金钢。为应对过大冲击对刀具的损伤，滚刀的刀圈应选用硬度在HRC45～50。同时滚刀的启动扭矩需结合地质情况进行相应的增大，确保轴承具有足够的承载力，确保所有刀具复杂地层条件下具备高的使用寿命，减小更换刀具的频率和次数。在刀盘外周环部还必须安装外周保护刀，与外周环上的硬质堆焊一同发挥防止刀盘外周部磨损的作用。

2.2 盾构掘进控制

2.2.1 刀盘转速和推力的控制。刀盘转速，掘进速度太快或是刀盘转速过高都不能较好的切碎岩体，同时容易造成刀具的偏磨。通常盾构掘进的速度决定刀具的贯入度，速度越大刀具入岩的进尺越大。而盾构在上软下硬的岩层中内掘进，由于岩体存在裂隙发育，刀具进尺过大会使得开挖掌子面的岩体沿裂隙整块剥离，起不到切碎岩体的作用，并且剥离下来的大块岩体无法带出，会堆积在土仓内影响盾构的掘进。因此盾构在这类地层掘进，其速度要控制在15mm以内，并且刀盘的转速也不能超过1rap/min，以减少刀具撞击到突出岩石时受到的瞬间反冲力，从而对刀具起到一定的保护作用。

2.2.2 盾构姿态的控制。进入上软下硬地层后，盾构机的推进千斤顶由于受力不均，导致盾构机方向控制困难，造成盾构姿态出现偏差。因此，在掘进过程中密切观察盾构机自动测量系统的盾构姿态的趋势，提前采用改变推进千斤顶数量和改变铰接行程的方法对盾构姿态进行调整，提前将盾构机往另一侧压，防止盾构机超限。同时，如果刀盘设置有仿形刀，也可以利用仿形刀对硬岩部分适当超挖亦可以避免盾构机姿态偏移过大。如盾构姿态已经发生较大的误差时，需及时遵循“连续、缓纠”的原则逐个方向地进行纠偏。同时，在纠偏过程中要经常松开一下顶在管片上的千斤顶，防止对管片造成损坏。

2.2.3 切口水压的控制。在上软下硬的地质条件下，隧道开挖断面上部及隧道顶部存在较为松软的土层或砂层。为了保证施工过程和地面建筑物的安全，必须保持掌子面稳定，必须要推进过程中保持切口水压稳定，防止切口水压变化幅度过大引起上部土层的坍塌或者击穿地面引起冒浆。

2.2.4 环流操作控制。通常泥水盾构掘进，环流是采用正循环，而盾构在上软下硬岩层中掘进，由于岩体破碎会有较大粒径的碎石进入土仓无法从排泥管带出，使得环流容易堵塞无法掘进。因此盾构在此类地层掘进，当出现环流堵塞情况后，结合逆洗送正操作，及时通过正送尽可能多的排出石块。始终保证土仓内岩块和渣土不急剧增多，虽然掘进速度慢但可保证盾构的正常掘进。可大大减少开仓取砾的次数，提高进度。不能单一采用逆循环掘进，这样部分小粒径的碎石可通过送泥管带出，部份大粒径的碎石也会在土仓内磨成小碎石从送泥管带出。但逆推的排渣效率很低，时间一久必然造成土仓被渣土堆满。

通过使用土仓循环泵，加大泥水盾构机土仓内的泥浆流量，使得岩块不易大量积存在底部的排泥口，有利于渣土的排出。

2.2.5 人工开仓清除石块。由于岩体破碎切屑过程中将有较多粒径不一的碎石自行剥落，无法通过环流带出的大粒径碎石将积存在土仓内，因此掘进过程中应密切关注推力、扭矩的变化，当推力、扭矩异常增大时要立即停机开仓检查，人工清除土仓内积存的大粒径岩块。

2.2.6 注浆管理。在盾构机掘进过程中，要及时对土体与管片间的开挖间隙及时进行注浆填充。要考虑盾构姿态和开挖扰动的影响，实际注浆量往往要达到理论计算空隙的130%～180%。注浆压力根据切口水压和埋深厚度进行确定，一般比切口水压大100kPa左右。同时，注浆过程中还应根据地表隆陷监测情况进行调整和动态管理。在结构与地层变形不能得到有效控制、下穿地面建筑物或存在地下水渗漏区段，通过吊装孔对管片背后进行补充注浆，以增加注浆层的密实性并提高防水效果。必要时间隔5～10环注入双液注浆（水泥浆+水玻璃）形成止浆环，减小地下水渗漏通道。

2.3 泥浆质量控制

由于多处在全断面岩层和开挖断面内无全风化岩层或黏土层，地层的造浆能力差。而要稳定开挖断面内软弱地层并确保泥浆的携渣能力，需要浓度较高的优质泥浆。在掘进中需要及时检测泥浆的黏度、比重、析水率等参数，确保泥浆具备较高性能的指标。泥浆比重可控制在1.25～1.35g/cm3，黏度24～26s。由于地层的造浆能力差，随着不断推进，泥浆消耗速度也非常快。要结合地质情况事先储备较高浓度的泥浆进行备用，或者储备足够高质量的膨润土进行及时的调浆补充。

3 结语

通过在广州地铁九号线上软下硬地层中的施工经验来看，盾构机进行针对性的适应性改造，并在施工中采用信息法指导施工，采取针对实际地质条件的掘进方案和控制措施，可以确保泥水盾构在上软下硬地层中施工的效率和安全。

参考文献

[1] 竺维彬，鞠世健.复合地层中的盾构施工技术[M].北京：中国科学技术出版社，2006.

[2] 杨书江.广州地铁大石～汉溪区间盾构施工关键技术[J].现代隧道技术，2004，（41）.

作者简介：龙国强（1985-），男，广西桂林人，广东华隧建设股份有限公司工程师，研究方向：盾构施工技术。

（责任编辑：秦逊玉）