盾构穿越上软下硬及硬岩段施工技术分析

杨宝

（中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京市 101149）

1 工程概况

橫琴盾构隧道起迄里程左线D K7+957.500～D K9+497.100，全长 1.540 km，右线 Y D K7+987.848～Y D K9+541.298，全长1.553 km，双洞单线，采用盾构法施工。隧道洞顶覆土厚度水下段20～30 m，一般地段隧道洞顶埋深10～20 m。盾构掘进示意见图1。在施工过程中，在软硬不均、硬岩地层中掘进是难点，区间在接收阶段左线约142.5 m，右线约80.125 m，是强风化～弱风化硬岩段。盾构机在上软下硬、硬岩地层中掘进是难点。盾构穿越上软下硬地层，更换刀具时，开挖面不稳定存在风险。因此，如何保证安全顺利地更换刀具是难点。

图1 盾构掘进示意图

2 上软下硬地层盾构施工难点

（1）盾构机向前掘进时，速度缓慢，容易发生掘进偏差现象。实践证明，在不同硬度土层中掘进时，其掘进速度也是不同的。但是，总而言之，盾构机在向前掘进时，速度较慢。比如，对于强度为130 MPa的岩石层来讲，需要将盾构机的掘进速度控制在7 mm/min。除此之外，盾构机在向前掘进时，存在头重脚轻的现象，主要是由于盾构机在工作时，仅仅依靠软弱土层中的摩擦力和推动力，无法有效地保持盾构姿势，从而出现低头现象。因此，可以通过对盾构下部的推动力进行增加来确保盾构机的姿势，稳步前进[1]。但由于土层硬度不同，掘进速度不同。在进行工作时，推力和扭矩存在较大的变化，从而出现土层偏移现象，并且无法对其进行有效的控制，影响工程质量。

（2）盾构机刀具磨损得非常严重。在盾构机向前掘进时，刀具存在一定程度的磨损，主要表现在以下几点：a.上软下硬的地层确定了盾构机的工作方式，在这种情况下，如果对盾构机的掘进参数无法进行有效地控制，则会导致盾构机刀盘出现结泥饼现象，使滚刀发生偏磨现象；b.由于盾构机下部单轴位移硬岩石层中，滚刀的磨损情况加剧，使刀具严重消耗甚至出现刀具崩裂的现象。因此，盾构机在进行掘进时，需要对刀具进行更换，并且根据实际的情况来进行刀具的更换操作，并且确保工作的安全。

（3）岩土喷涌严重，清碴工作量增大。对于颗粒较小的土层来讲，由于其具有砂土和黏土的特性，使小颗粒不断地从小颗粒中落下，填补了空隙。并且，由于下部的硬岩石层风华强度较小，存在一定的裂缝，使掘进工作中容易发生浆液流失的现象[2]。因此，施工人员如果不严格地控制盾构机的掘进参数，则会出现涌水的现象，并且需要增加大量的人力和财力来对碴土进行清理，这就提高了施工成本。

3 盾构穿越上软下硬段及硬岩段施工

3.1 上软下硬段施工

3.1.1 推力

对滚到破碎岩石的原理进行分析，需要确保推力参数符合要求。随着推力的不断增加，扭矩也会不断地增加，并且扭矩是岩石破碎工作中的主要部分。此外，由于推力的不断增加，切刀和齿刀深入岩石层的深度越大，并且在相同条件下，切削下来的碴土量也不断增加。

但是，在对上软下硬的地层进掘进时，刀盘和刀具的受力失去平衡。硬岩部位受到的推力较大，而软岩石受到的推力较小，由此也可以看出硬岩石部分减缓了盾构机的掘进速度。如果推力过大，则会对刀具产生影响，导致刀具发生变形现象[3]。

对某地方进行施工时，如果掘进推力过大，刀盘容易出现卡死现象。此外，其对推进系统的要求也有所提高。由于受力不均匀，会使刀具发生变形。

3.1.2 刀盘转速

在对上软下硬的地层进行掘进操作时，硬岩石部位仿佛一个高强度的桩基，并且会对刀具的正常旋转产生影响，使刀具承受的冲击增大。以爱因斯坦的能量公式E=m v2为基础进行分析，在刀盘质量一定时，转速越快，对硬岩石产生的冲击力越大。由此可以看出，在对上软下硬地层进行掘进操作时，需要严格控制刀盘的转动速度，采用匀速的方式来对进行掘进工作。

3.1.3 刀具贯入度

在对上软下硬地层进行掘进操作时，施工人员需要密切地关注刀具的意外磨损和刀具的偏磨现象。一般来讲，在掘进过程中，技术人员需要密切重视渣土的情况和刀盘发出的声音。如果渣土中石块较少，并且无异常响动时，可以通过增加刀具贯入量的方式来提高盾构机的掘进速度[4]。随着不断地增加推力，需要密切地关注刀盘的异常和出渣情况，这样才能有效地保证刀具正常工作。

3.1.4 渣土管理

（1）土仓压力：在对上软下硬地层进行掘进操作时，需要根据软土的深度和物理性能来确定土仓压力。在对上软下硬地层进行掘进操作时，由于掘进速度较慢，并且存在较大的扭矩力，无法有效地平衡土仓压力。并且，采用气压平衡模式来进行掘进工作。

（2）出土量：由于盾构机向前掘进时，推进速度比较慢，刀盘切削下来的渣土量较少，但是，螺旋输送机每次运输的锄土量比较大，这就会出现软土部位超挖或者过挖现象，造成地面下沉或者地面坍塌现象。因此，在对上软下硬地层进行掘进操作时，需要对每个环节的出土量进行严格控制。必要时，可以对渣土划上刻度，从而有效地控制渣土的出土量，确保出土的平衡。

（3）渣土状态：为了有效地控制土仓压力，提高土仓渣土的止水性能，需要采用相应的措施来确保泡沫系统能够正常地进行工作，并且还需要增加一些泡沫剂提高渣土的流塑性能。当掌子面的渗透性过强时，可以向土仓内加入适当的膨润土来对渣土的性能进行改善，否则会发生渣土喷涌现象，出现地面沉降。此外，施工人员需要不断关注渣土的稀稠、含水量、含土量、含石量以及石块的尺寸、颜色等，全面掌握和判断掌子面的地层状态。

（4）渣土湿度：一旦施工中渣土的温度过高则会直接影响施工和机械的正常工作。主要表现为以下几方面：一旦刀盘中心形成泥饼，刀具就无法有效地抵挡掌子面对岩土的切削，使泥饼在高温下发生固结现象；当刀具发生严重的损坏时，刀盘面板会与掌子面发生直接的摩擦，从而引起稳定升高；在系统中加入泡沫剂时，无法对渣土的性能进行改善，使渣土在土仓内结块或者相互摩擦产生热量，提高渣土的稳定。通过对渣土的稳定进行分析和观察，及时判断故障或者异常，采取有效的措施来解决问题。一般来讲，当渣土温度过高时，需要及时停止盾构机的掘进操作。由于本路段含有大量的粘土，在进行掘进时，需要对渣土进行改良，确保刀具不会出现磨损现象[5]。

（5）同步注浆：在对上软下硬地层进行掘进操作时，主要需控制注浆的压力。由于地层的稳定性较差，在注浆操作时有可能会出现坍塌现象。

（6）在必须换刀的情况下，技术人员需要做好更换刀具的工作。并且，根据实际的情况来选择刀具的更换方式。

3.1.5 碴土喷涌防治

在对上软下硬地层进行掘进操作时，盾构机螺旋出土器排出的渣土中水分的含量较低，并且压力几乎为0。如果此时渣土中水依然存在压力，则会造成渣土喷涌的现象。为了有效地避免渣土喷涌现象的发生，需要通过加入发泡剂和膨润土来对渣土性能进行改善。膨润土适用于细颗粒较少的砂性土壤，发泡剂适用于各类配级的砂性土壤。

3.2 硬岩段施工

（1）在对其进行盾构操作时，盾构机的推进状态由平衡状态转变为半土压平整状态，并且根据实际的情况来对土压力数值进行调整，并且对注浆量、注浆压力等进行及时调整，减缓推进速度。

（2）在对硬岩石段进行破碎时，需要及时更换滚刀。

（3）当必须更换刀具时，技术人员需要做好刀具的更换工作。更换刀具是一项复杂、风险大、难度大的工作，其与工程质量有着直接的关系。因此，在更换刀具之前，需要选择稳定性能强的土层来进行操作，避免意外事件的发生。如果土层稳定性差，则需要对其进行适当的加固处理之后，才能进行更换刀具的操作。

4 结语

综上所述，盾构穿越上软下硬地层施工的高效进行需要建立在裂缝处理、信息化控制、地层应对等关键环节上。因此施工人员应当对施工的关键技术与关键点做到了然于胸，从而能够在此基础上切实地提升盾构穿越上软下硬地层施工的整体水平。

参考文献：

[1]D G/TJ 08-2041-2008,地铁隧道工程盾构施工技术规程[S].

[2]何祥凡.盾构隧道穿越上软下硬地层扰动机理及应对措施研究[D].四川成都:西南交通大学,2017.

[3]赵先鹏.穿越上软下硬地层盾构隧道施工控制技术研究[D].四川成都:西南交通大学,2012.

[4]任建喜,史景阳,占有名,等.地铁盾构施工对既有拱桥的变形影响规律与控制技术[J].施工技术,2014(18):61-65.

[5]吕向红,杨冬梅,郑青.全断面卵石地层盾构近距离下穿地铁区间隧道施工技术[J].现代隧道技术,2013(5):152-157.