土压平衡盾构机在上软下硬及全断面硬岩地层中的应用

王 佳

（中铁建大桥工程局集团第二工程有限公司， 厦门 361000）

1 工程背景

涉铁段盾构隧道区间长度263m,线路为半径800m 曲线，线间距15.0m~15.5m。采用单面坡，线路纵坡自竖井以 6.603‰的上坡到达风井，区间隧道埋深22.6m~31.3m。

隧道区间盾构掘进范围内地基土主要为散体状强风化花岗岩、碎裂状强风化花岗岩、中风化花岗岩。散体状强风化花岩：灰白、灰黄色，矿物间联结力散失，强度较高。碎裂状强风化花岗岩：风化裂隙发育，多呈碎块状，工程性能好，质软；中等风化花岗岩：灰白，块状构造，风化裂隙较发育，强度高，工程性能好。

2 施工地质情况分析

隧道右线始发掘进地层，属于典型的上软下硬地层：上部为碎裂状强风化花岗岩，风化程度大，岩土裂隙发育，地下水丰富；下部为中风化花岗岩，强度高、整体性好，单轴饱和抗压强度45～112MPa，对刀具磨损严重。盾构在通过该地段时很可能由于下部硬岩难以达到理想的掘进速度，引起上部土质地层过度扰动，造成喷涌、超挖等现象。一旦超挖将容易引起地面的沉降，导致重大安全风险事故。

工程要穿越全断面硬岩段，硬岩主要为中风化花岗岩，其单轴抗压强度局部达到115MPa。硬岩段施工，刀具与掌子面摩擦产生的热量大，温度高。盾构掘进过程中，硬岩对盾构机刀具刀盘、螺旋输送机等设备会造成很大磨损。因此，在前期对设备刀具选型是至关重要的。

3 掘进措施

3.1 设备依据地层选型措施

前期工程筹划时，考虑上述地层对掘进施工的影响，采用厦工中铁生产的盾构机，滚刀达到44 把，边缘刮刀12 把。盾构机的破岩能力强，边缘刀的增加，使刀具的刃间距更小，每把刀承受的压力更小，减少刀具的更换次数。刀盘"一字型"布置的双刃滚刀，可以将部分不能通过刀盘的岩块（粒径大于450mm）进行破碎后再排除；能够更好的完成上软下硬、全断面硬岩等复杂地层的掘进任务。盾构泡沫系统功率大，盾构设计更加适应本项目区间掘进，完全能够保证了后期硬岩和上软下硬地层中碴土改良及对刀盘、刀具的保护；盾构机螺旋筒体内径为900mm,筒体内径的大小直接关系到最大出碴粒径，盾构机能够更好的适应上软下硬及硬岩中出现的石块等大直径颗粒出碴，保证盾构出碴流畅性，减小卡螺旋的风险；盾构机驱动功率达到1120KW，额定扭矩及脱困扭矩能满足本标段上软下硬及全段面硬岩施工需求。

3.2 掘进模式

在掘进开挖面上部为碎裂状强风化花岗岩，碎风化裂隙发育，多呈碎块状，质软~较软；下部为中风化花岗岩，块状构造，风化裂隙较发育，强度高。这种组合，可能导致掘进过程中，掘进速度较慢，上部“软”土流失过多的情况，加之岩层裂隙水发育。当盾构掘进过程中各项参数控制不当时，螺旋输送器会出现涌水、喷碴等情况，导致掘进过程中将要花费大量的人力、物力及时间来清理盾尾碴土。

开挖面上部为碎裂状强风化地层，具有风化裂隙发育、强度较低的特点，但掘进时在一定时间内尚有自稳性。因受水的影响，需在掘进掌子面建立一定的压力来防止地下水涌入土仓，造成水土流失及螺旋输送器喷涌的情况发生。因此掘进采用盾构机半敞开模式，即在土仓内保留1/2～1/3 的碴土，向土仓内注入压缩空气或泡沫、膨润土来维持开挖面上部土压，并辅助开挖作业。此地层掘进，上部碎裂状强风化地层只需掌子面进行切削便可破坏土层，但下部中风化地层硬度较高，对刀具的磨损较大，应适当的降低刀盘转速，控制贯入度以使刀具受到的瞬时冲击小。推力范围在10000~15000kN；刀盘扭矩不大于2500kN·m，掘进速度不超过10mm/min，平均速度为5mm/min 左右。

而盾构机在全断面硬岩地层掘进时，掘进掌子面的自稳性好，可采用敞开模式进行掘进。掘进时控制泡沫的注入量及比例，冷却并润滑刀具，降低土仓温度。贯入度控制在20mm 内；刀盘转速控制在1r/min，扭矩在2000kN·m 内，掘进推力视扭矩情况尽量控制在15000kN 以内。

3.3 注浆控制

因中风化花岗岩地层裂隙发育，掘进地层水主要为裂隙水，受其它类型地下水的补给；其径流受节理裂隙形态控制,无统一的水面。因此需要注重注浆方式。经试验段确定，同步注浆方量不小于6m³，正常段注6~6.4m³，下穿建构筑物为6.4m3~6.8m³；顶部注浆压力0.23～0.24MPa，推进时结合掘进速度控制注浆流量，采用压力和流量双重控制，使浆液均匀注入壁后。每推进3 至5 环进行一次环封，在盾尾形成隔水环，避免水流汇向刀盘。采用顶部注浆孔观察，作为浆液注饱满的一项校核方法。

3.4 基岩钻孔

因要穿越的中、微风化硬岩段，盾构机掘进与其摩擦热量大，对刀具及螺旋输送机磨损大，因距离本工程全断面硬岩段距离杭深铁路较近，不考虑爆破。为此采取措施在地面进行基岩钻孔预处理，采用潜孔钻对掘进地层进行钻孔，孔间距30cm，孔深至隧底约31m，梅花形布设。以期一定程度上减小对盾构机掘进过程中所产生的影响。

3.5 常压开仓检刀、换刀

穿越全断面硬岩地层刀具易磨损、掘进速度慢等问题。通过采取刀具检查、更换等措施可在一定程度上解决问题。

刀具更换：要选择稳定的地层和地点进行，我方选择施工前规划好的全断面硬岩地段进行，根据刀具及岩层硬度选择每掘进1 环检查刀具，及时检查和更换边缘滚刀。新安装刀具要在掘进20cm~50cm 再次复紧。设备进入硬岩前和出硬岩前都要检查甚至更换刀具。以使盾构机能够在全断面硬岩中安全顺利的掘进。

3.6 监控量测

因隧道埋深26~31m，地层复杂。上软下硬地层上还存在黏性土层，若上软下硬地层掘进施工中出现超挖，多出碴情况，沉降反应至地面具有滞后性。因此，不可完全依赖地面监测点。但若监测不能及时反应实际情况，将存在安全隐患，因此本工程除正常的地面布监控点外，还增设深孔监测点。地表监测点与深孔监测点数据相互对比，校核。同时关注土压变化，出碴异常等情况与监测数据进行综合分析。与此同时隧道内采用地质雷达扫描，对管片背后存在空隙进行检测，对检测空隙处及时注浆充填。

4 结语

针对本工程硬岩段盾构施工，施工进度缓慢，开仓频繁。施工中通过掘进模式的调整，设备的提前选型，基岩的预钻孔处理，常压换刀点的选择，同步及二次注浆对于地层的合理补充，使盾构机顺利的穿越上软下硬地层和近50m 的全断面中风化硬岩。可见以上技术措施，在上软下硬及全断面硬岩地层中较为有效，具有一定的参考及指导价值。同时，通过采用这一系列措施，在一定程度上拓宽了盾构施工在地质上的应用领域。