上软下硬地层中盾构法的隧道施工技术

夏丽丽

摘要：我国幅员辽阔，地质条件复杂多变，隧道施工技术的方法也随着实际施工中的要求产生着相应的变化，盾构法就是一种应用较多的隧道施工技术，很多时候在应用盾构法施工时，很容易遇到软粘土层、上硬下软土层、上软下硬土层等。本文主要对上软下硬地层中应用盾构法施工的重点和难点进行分析。从施工参数和施工注意事项以及施工对策三方面进行论述说明，从而使读者对盾构法在上软下硬地层中的施工方法有更多的了解，为相关行业人士提供技术参考。

关键词：上软下硬；盾构法；隧道施工；技术对策

引言：

地下通道、隧道的开发和利用，可以在一定程度上缓解交通压力，并且提高交通的运输能力和运输效率，这就使越来越多的地下空间被开发和利用，但是由于施工工程在地下进行，地质地层结构复杂，对于推进工程极为不利，因此在实际的施工过程中就要科学的制定隧道施工方案，并且施工技术人员应该按照施工的方案谨慎的执行。上软下硬的地层施工中，稍有不慎就会出现严重的施工问题。因此在施工开始之前就要对复杂的地质情况和实际的工程条件进行细致的勘察和规划。

一、施工中的主要技术及注意事项

1.主要施工技术

盾构隧道上软下硬地层施工，施工前必须有针对性的施工组织及应急预案，对技术管理及操作人员进行专项培训。施工技术措施主要有：

针对上软下硬地段，在详勘基础上，进行有针对性的补充钻孔勘察，进一步探明隧道范围岩层、土层厚度及分布；

盾构推进前，根据地勘报告和地面对沉降要求，对上软下硬地段隧道掘进影响范围岩石进行预裂爆破，爆破后再对岩层及隧道影响范围土层注浆加固。岩石预裂爆破孔距、深度、装药量等需进行试验和检验，同时需根据相关规范进行爆破安全校核，爆破后石块粒径应小于300mm；

施工前需对推进控制参数进行研究，建议参数为：刀盘转速≤1.2r/min，盾构推力<20MN，扭矩<2000kN·m，贯入度<5mm，边滚刀最大磨损<15mm，中心刀最大磨损<25mm，超过需更换；

盾构掘进过程中严格控制出土量，建议每环至少检查并确认3次盾构掘进时向土舱及时足量注入渣土改良剂，保持开挖面稳定，渣土改良可采用泡沫或泡沫和膨润土；

可以采用以下防喷涌措施：土舱中加入高黏度泥浆；调短同步注浆浆液初凝时间；及时二次注浆，同时每5-10环管片考虑设一道双液浆止水环。

2.注意事项

在进行施工中，要尽量多的增加和设置换刀加固区，这样有利于对刀具进行检查和更换，并且要时刻对地面进行巡查工作，以确保施工环境的安全，对于可能出现的安全风险进行最大程度的预防。在施工中遇到异常情况应及时停机处理，在对岩层预裂爆破后，仔细对残留孔进行封堵，以免盾构掘进时地面冒浆。由于对岩层进行了预裂爆破，隧道洞内应加强通风和进行有害气体检测。施工过程中盾构姿态控制很重要，加强掘进参数控制，对掘进异常情况和参数异常要有足够的敏感性。遇有坍塌及时围蔽回填，以免造成不良影响。

二、上软下硬地层中盾构法的隧道施工技术

1.盾构掘进参数控制

（1）掘进模式

开挖面上部“软”土层虽然具有遇水软化、崩解，强度急剧降低的特点，但正常掘进时在一定时间内尚有一定的自稳性。又由于受地下水头的影响，需要在开挖面建立一定的压力来防止地下水大量涌入土舱，减少水土流失及防止出土器喷涌。因此在该段上软下硬地层掘进时，盾构机采用半敞开模式，即在土舱内保留1/2-1/3的碴土，然后向土舱内注入压缩空气及泡沫或膨润土来维持开挖面顶部土压，并辅助进行开挖。开挖面支护压力控制以压力舱顶部支护压力测量值为准，而且极限支护压力大小由顶部软弱土体的极限最小支护压力确定。

（2）刀盘转速、掘进速度及贯入度

在上软下硬不均地层中掘进，局部岩石硬度较高，硬岩处刀盘的滚刀受力较大，而软岩部分只需对掌子面进行切削即可破坏土层，但局部硬岩对刀具即刀盘的损伤较大，应适当降低刀盘转速，控制贯入度以使刀具受到的瞬时冲击小于安全荷载25t为准。

（3）刀盘扭矩及油缸推力

由于局部存在的硬岩对刀具的磨损很严重，应减少刀具在连续工作时受到的冲击力来保护刀具。刀盘扭矩就是刀具在受到冲击力后的直接体现，所以降低刀盘扭矩实际是减少刀具所受冲击力。在软硬不均的地层中刀盘扭矩的最大值应保持在1700kN/m，推力在1000～1800t之间。

（4）掘进方向偏差控制

在上软下硬地层中控制盾构掘进偏差，首先就要掌握开挖面的地层分布状况，以及其地层分界面的变化情况，制定初步的掘进参数计划；其次，要充分利用GPS导向系统控制盾构机的掘进方向。如果盾构线路偏离设计线路，及时调整各项掘进参数，遵循“及时、连续、限量”的原则，逐环、小量纠偏对盾構姿态进行调整，避免纠偏过猛引起盾构机蛇形前进，加剧刀具磨损、损坏已拼装管片和盾尾密封.

2.结泥饼的防治技术

结泥饼的形成主要是由于盾构在特殊的土层施工的过程中中，粘性土体很容易附着在刀盘之上，并且饼切削下来的粘土在压力舱中压力的作用下会被压实形成结实的固状物体。这样就会从刀盘主轴开始堵塞，然后就会将碴槽彻底堵死，这样就会导致土体不能正常的人进入压力舱，就会将整个压力舱堵满，从而导致摩擦力的急剧上升，根据能力转换原则，动能逐渐转为热能，从而使刀盘的温度急剧上升，进一步的将固化物质烧结，这就会使压力舱内形成坚硬的泥饼。这样会严重的影响刀具的使用寿命，造成浪费和损耗，并且由于刀具出现问题，刀盘和盾构机也会逐渐的出现问题，导致最终无法工作，甚至是主设备的损坏，因此在一些特殊的容易形成泥饼的地层中，要采用一定的方法应对。

3.带压开舱换刀技术

在工程的实施阶段要适当的增加检查刀具的次数，对刀具的具体情况有所了解，及时的对磨损的刀具进行跟换，以确保其正常的工作能力，在刀具的问题上一定要时刻的保持谨慎，因为一旦刀具出现问题，那么不仅会影响施工的进度，还会影响盾构机的运行寿命。在进行刀具更换时一定要对更换条件进行选择，尽量选择地质条件好、地层稳得地方进行更换作业。

结语：

盾构机在全断面硬岩地层掘进时，掌子面自稳性好，不易发生坍塌，掘进可以在半敞开或完全敞开模式下进行；掘进时不易引起地表沉降，可保持较小的土仓压力进行掘进。盾构穿越上软下硬地层是盾构隧道施工中重点与难点，本文重点从盾构施工参数和渣土改良技术角度，探讨盾构在软硬不均地层中掘进的关键控制技术。

参考文献：

[1]石正光.上软下硬地层盾构施工技术分析[J].工程技术：全文版，2016（10）：00007-00007；

[2]何祥凡，申兴柱，王帆，等.盾构隧道穿越上软下硬地层施工力学特性分析[J].铁道标准设计，2017，61（2）：89-95.