盾构穿越上软下硬地层施工技术措施

冯立君



盾构穿越上软下硬地层施工技术措施

冯立君

摘 要：文章围绕典型的上软下硬的地质环境，对盾构穿越上软下硬地层时的施工问题和风险进行了分析，并针对穿越上软下硬这种不良地层盾构施工发生的常见问题，研究了相应的解决措施和技术对策，以提高上软下硬地质环境下的盾构施工质量和地表建筑物安全。

关键词：盾构施工；穿越上软下硬地层；施工控制技术

冯立君：中铁十八局集团有限公司，工程师，天津300222

1　上软下硬地层特点

上软下硬地层主要是指盾构在掘进的过程中上半部或者大半部分都处于花岗岩、混合岩全风化层及残积土层或者砂层、淤泥层以及软塑状黏土层中，而下半部分则处于花岗岩、混合岩、灰岩以及含砾砂岩等岩层中，由于硬岩地层和软弱地层的地质特性不一，盾构掘进的过程中往往很难两者兼顾，对施工的顺利进行造成了很大的困扰。

上软下硬地层中的软弱层主要是花岗岩、混合岩的风化层或者是残积土层或者是砂层、淤泥层以及黏土层，其构成成分比较复杂，具有以下2个特性：①成分构造不够均匀，土层的强度不一致，风化层、残积层在遇到水的时候容易出现崩解、软化现象，导致土层的强度降低；②风化层和残积层颗粒具有鲜明的“两头大，中间小”的特点，地层颗粒主要是直径＞0.5 mm 的粗颗粒和＜0.075 mm 的细微颗粒组成，并且这些颗粒以长石、石英等颗粒类型为主，而处于0.075～0.5 mm 之间的颗粒成分则比较小，这种情况下，盾构在掘进中一旦水压力较大，就会出现管涌、流土等现象。

2　上软下硬地层盾构施工难点

（1）建筑物存在的风险。地表建筑物通常是砖混结构，一旦地层的扰动过大，那么就会使得建筑物的基础和结构出现破坏，进而导致建筑物的沉降或者开裂。盾构在穿越上软下硬地层时首先要考虑的就是建筑物安全风险，详细了解建筑物的主要结构形式和桩基的承载能力，然后再选择合适的方法来降低风险，例如，盾构机在通过之前就预先埋好注浆管，在通过之后再根据建筑物的沉降变化情况来实施跟踪注浆，进而控制建筑物的沉降程度。

（2）盾构掘进缓慢，掘进方向易发生偏差。实践证明，盾构机在不同硬度的地层中掘进速度也是不同的，而在上软下硬的地层中，盾构机的掘进速度则是完全取决于下部的岩石硬度。但是总体而言，盾构机的掘进速度是比较慢的，例如，在单轴抗压强度为130 MPa的岩石层中，盾构机的掘进速度大概在7 mm/min 左右，非常缓慢。此外，盾构机掘进过程中存在“头重脚轻”现象，主要原因就在于盾构机在掘进的时候，如果单纯的依靠软弱土层中的摩擦力和自身的推动力的话是很难一直维持盾构的姿态不变，以至出现“低头”的倾向，这可通过加大盾构下部的推动力来确保盾构机在掘进的过程中维持盾构姿态不变，平稳掘进。但是和均质土层中掘进有所不同，盾构机在上软下硬的地层中进行掘进工作时，推力和扭矩的变化幅度很大，盾构机有着向软土层偏移的惯性，这一惯性在盾构机向硬岩一侧调线时更加难以控制，使得掘进方向很容易出现偏差。

（3）刀具磨损严重。盾构机在掘进过程中，刀具磨损主要体现在两个方面：一方面是上软下硬的地层决定了盾构机的上部是处于黏性土层中进行工作的，这种情况下，掘进参数控制不当就很容易造成盾构机的刀盘结泥饼，从而导致滚刀偏磨；另一方面，由于盾构机下部处于单轴抗压程度很高的硬岩层中，这使得盾构机的滚刀磨损严重，加剧了刀具的消耗甚至会出现刮刀崩裂现象。因此，盾构机在上软下硬地层中掘进时，开舱换刀的几率要远远高于在均质土层中开舱换刀的几率。值得注意的是，在盾构掘进中，盾构机上部的土层较软，覆盖厚度也不足，这个时候开舱换刀会导致土舱内的气压难以保证，一旦冒然地选择了错误的开舱位置进行刀具的检查和更换，那么就会由于无法保证土舱的气压而造成地面的沉降变形甚至坍塌，对地表建筑物造成影响和安全隐患。

（4）喷涌严重，清碴量大。对于颗粒处于0.075～0.5 mm 的土层，由于其既具有砂土的特征，也同时具有黏性土的特征，为小颗粒从大颗粒的空隙中涌出提供了可能性。而其下部的硬岩层风化程度不强，普遍存在着裂隙，这使得在盾构掘进中容易出现浆液流失现象。因此，一旦盾构机的盾构掘进参数控制不当，那么螺旋出土器就会出现涌水、涌碴现象，导致盾构机的每次掘进都需要花费大量的人力和物力来清理碴土。

3　上软下硬地层盾构施工技术措施

3.1盾构掘进参数控制

（1）掘进模式。上软下硬地层中的上部软弱地层虽然具有在遇水时容易出现软化崩解、强度降低的特性，但是在盾构机的掘进中可以在一定时间内保持其稳定。因此在掘进的时候，可以考虑在盾构机的土舱内保留一定程度的碴土，碴土的规模不能过大，一般占据整个土舱的三分之一即可。为了有效地维持开挖面顶部的稳定性，防止坍塌现象的出现，一般采用向土舱内注入压缩空气或者泡沫的方式来辅助盾构机掘进，这种方式对于地下水渗入土舱、螺旋出土器出现喷涌现象也有着很大的预防作用。

（2）刀盘转速、掘进速度。在上软下硬地层中盾构机刀盘受力大小不同，其中下部硬度较大的地层，刀盘的滚刀受力相对较大，导致刀具的损伤也比较大。因此，在掘进开挖时需要适当降低刀盘的转速，在掘进速度为3 mm/min 的情况下，刀盘的转速一般控制在1.6 r/min，此时刀具受到的瞬时冲击力为25 t。

（3）刀盘扭矩以及油缸推力。盾构机在掘进过程中如果遇到单轴抗压强度较高的硬岩，其刀具往往会受到严重磨损，在这种情况下可以通过降低刀盘扭矩和受到的冲击力来降低刀具的磨损。一般而言，盾构机在上软下硬地层中进行掘进工作时刀盘扭矩应当保持在1750 kN/m 左右，油缸推力保持在1100～1850 t 之间。

（4）盾构掘进方向偏差。为了能够有效地控制盾构机的掘进方向，首先，要对掘进地层进行深入的分析，充分掌握地层界面的变化状况，针对性地制定出掘进参数；其次，利用导航系统来实时控制盾构机的掘进方向；最后，如果盾构机的掘进方向偏离了事先设计好的线路，要及时地调整掘进参数。盾构纵坡的最大纠偏量 i纵按公式（1）计算，盾构平面最大纠偏量 i平按公式（2）计算：

式（1）、（2）中，i盾为盾构纵坡；i衬为衬砌纵坡；［i ］为允许坡度差； S 为两腰对称千斤顶的中心距；α 为盾构与衬砌允许的水平夹角。

3.2结泥饼防治

当盾构机在黏性土层或者黏粒含量很高的地层中进行掘进工作时，常常会因为黏性土本身所具有的摩擦力小、黏性大、流动困难的特性出现切削下来的黏土通过刀盘碴槽进入压力舱，在压力舱的压力影响下形成“泥饼”的现象。一旦刀盘和压力舱内形成坚硬的“泥饼”，那么刀具的损伤就会加快，刀盘的扭矩和盾构机的推进力也会受到很大的阻碍，轻则导致螺旋出土器无法正常出土，盾构机无法进行掘进工作，重则会缩短刀盘主轴承的使用寿命，加速主轴承的损坏。工程中，盾构机在上软下硬地层中穿越时，一般采用发泡剂来对碴土进行改良。

3.3碴土喷涌防治

在掘进过程中，盾构机螺旋出土器排出的碴土中的水在螺旋出土器口的压力一般接近为0，若此时碴土中的水还具有一定的压力，那么就会出现碴土喷涌。对于碴土喷涌的防止，一般采用发泡剂和膨润土来进行，其中膨润土比较适合在细粒含量较少的砂性地层中使用，而发泡剂则适用于各种级配的砂性地层。实践表明，当膨润土质量百分比达到12% 或者发泡剂质量百分比达到8% 的时候，碴土喷涌就能够得到完全控制。

3.4带压开舱换刀

盾构在上软下硬地层中穿越建筑时，开舱检查、更换刀具是必要的，只有这样才能够随时的掌握刀具的损伤情况，及时地更换刀具，确保刀具的岩石切削能力。但其中的主要问题在于在开舱换刀的时候如果开舱的位置选择不恰当，那么长时间的开舱换刀将会造成地表大面积的沉降变形甚至坍塌，对地表建筑物造成极大的安全隐患。工程中一般采用带压开舱换刀技术。

3.4.1开舱换刀工作压力计算

带压开舱换刀就是工作人员在土舱内进行刀具检查和更换时，土舱压力和平常的工作压力基本相同。为此，首先要做好土舱的密封性，然后利用空气压缩机逐步增加土舱内的气压，以确保开挖面保持稳定不会出现坍塌，地下水也无法渗入土舱。对于土舱内的气压值 P 按式（3）计算：

式（3）中，k 为气压系数；K 为开挖面顶部各地层朗肯主动土压力系数；r 为开挖面顶部各地层天然浓度或饱和容重；h 为开挖面顶部各地层厚度。

3.4.2土舱密封

（1）对盾构机的停机刀盘里程进行精准的测量，对可能存在的缝隙进行封堵。

（2）对从盾尾倒数第3环到第7环的每1个注浆孔注入双液浆或者聚氨酯，确保壁后填充密实。

（3）通过盾构机胸壁中上部的预留孔用同步注浆泵注入膨润土。对于膨润土的黏度则是通过实际实验来确定，只有在稠度达到80～100 s 左右的时候方可使用。值得注意的是，在注入膨润土之后需要对土舱的压力进行仔细控制，确保压力保持在工作压力的1.5倍左右即可。通过缓慢的转动刀盘来促使膨润土能够充分的进入刀盘周围的地层，形成气压保护膜。在做好土舱的密封措施之后才可以进行开舱检查、换刀作业，在作业的过程中还要随时注意土舱的密封状况，一旦发现问题要及时的停止作业，重新对土舱进行密封。

3.4.3注意事项

（1）土舱的压力不能过大，最高不能超过计算出压力值的1.2倍；

（2）负责带压开舱换刀作业的工作人员身体素质必须符合要求，在24 h 之内只能够进行1次作业；

（3）要及时关注工作舱内的温度变化，其中温度的变化以27℃ 为基准线，如果工作舱的温度超过了27℃，就要采取特殊的充气方法，如果温度不能够维持在27℃ 以下，压气作业就必须要停止下来；

（4）在停止工作之后，减压的时间不能太短，不允许温度在5 min 之内降低到10℃ 以下或者上升到27℃以上。

参考文献

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［2］ 李长山. 盾构在上软下硬地层中穿越建筑物施工控制［J］. 山西建筑，2015（6）.

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［4］ 朱宏海. 上软下硬复合地层地铁盾构隧道设计及施工探析［J］. 隧道建设，2015（2）.

［5］ 张明聚，刘晓娟，杜永骁. 复合地层中盾构施工对邻近建筑物群的影响分析［J］. 北京工业大学学报，2013（2）.

［6］ 王景峰. 典型上软下硬地层盾构施工技术［J］. 铁道建筑技术，2014（9）.

责任编辑 朱开明

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

中图分类号：U455.43

收稿日期2015-11-24