盾构法穿越基岩凸起及上软下硬地层时的施工风险分析及技术研究

摘  要：本文以厦门市地铁2号线为例，介绍了城市地铁中基岩凸起段和上软下硬地层的盾构法施工技术，分析了盾构法施工技术在不同地层的掘进参数和注意事项。通过在工程施工前期全面进行地质勘查工作，积极探究工程地质条件，并有计划的进行刀具更换，合理选取掘进参数，可以有效保证该工程的土建施工质量。

关键词：短距离;硬岩;上软下硬;盾构法

中图分类号：U455.43      文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2020）10-0000-00

盾构法施工技术应用于基岩凸起段及上软下硬地层时，刀具很容易出现严重磨损和不正常损坏、更换困难等问题，导致刀盘强度和刚度降低，从而难以正常掘进。本文所研究的厦门轨道交通2号线工程区间主要涉及翁角路站至马青路站，以及翁角路站至中间风井。区间使用盾构法进行施工（盾构采用复合式土压平衡盾构），所穿越地层主要涉及粉质黏土、中砂、残积砂质黏性土、凝灰熔岩、全风化花岗岩和散体状强风化花岗岩，局部有基岩突起及孤石分布。

1 厦门地铁短距离穿越基岩凸起和上软下硬地层施工风险分析

1.1穿越基岩凸起段时的施工风险

（1）较大地质层的岩层强度系数容易增加刀盘道具发生的磨损率。

（2）在刀具磨损超限的情况下，未及时进行配套设施更换或者是在盾构开挖直径过小时，刀盘在有限空间回旋作业，很容易让刀盘直接卡在岩体之间。

（3）在掘进作业过程中，当刀盘振动频率较大时则很容易让刀具的螺栓出现松弛情况，从而让刀具稳固性受到影响，甚至还会直接掉落在高速运转的螺旋机上，增加地铁工程的施工风险[1]。

（4）在硬质岩土地层隧道工程施工中，宜在注浆浆液初凝前直接安装管片，避免管片浮力超过自体重量，从而导致管片出现上浮情况。

1.2穿越上软下硬地层时的施工风险

（1）在上软下硬的地质结构中持续性的开展高强度掘进作业，很容易让刀具的磨损率增加。当情况严重时还会让刀盘出现损坏情况，从而导致掘进作业难度不断增大，逐步增加风险系数。

（2）一般盾构掘进速率较为缓慢，控制出碴量的难度较高，这样很容易导致地表发生不规则沉降现象，严重威胁建筑地基的结构稳定性。

（3）盾构姿态的控制难度较大，拼装管片很容易侵入建筑物的限界。

（4）不均衡的油缸油压将对管片造成损害，导致地铁隧道区间发生渗漏。

2 技术措施

2.1工程地质勘查

整个工程的地质及水文资料是否准确，将直接关系到整个盾构机选型是否正确，也将直接关系到整个地铁工程施工能否成功[1]。如，当在进行盾构机掘进过程中发现围岩条件与地质勘测资料出现不吻合情况时，很容易增加盾构机施工难度[2]。因此，需要积极做好轨道交通施工阶段的地质补充勘察工作，以此来弥补因初步勘察和详细勘察过程中由于地形地貌和其他条件受到的限制，从而出现探孔远离线路或者是间距过大问题，整个区间内隧道范围的探孔间距控制在50m以内。这样便需要重点勘察特殊地段及附属结构处的地质情况，以此来保证轨道交通地质资料的准确性。

在厦门市轨道交通2号线二期工程土建施工监理3标段进行施工前，对地质情况进行了详细补勘，全面了解该标段范围内的地质情况，具体如下：（1）软硬条件不均匀地段的硬岩与开挖面的位置关系和面积占比，本标段软土的类别和对应参数;（2）硬岩侵入整个隧道的高度以及侵入的走势情况;（3）硬岩出现风化时的状况，裂隙发育情况和整体性;（4）是否有孤石或者是其他的硬质夹杂体存在;（5）在软硬不均匀地段上方的覆盖土的类别。

在整个详细的补充勘探过程中需充分注意对地质情况的判断，切忌片面重视盾构区间的纵向地层和走势，还应该以横断面的地层情况来判断盾构掘进范围的地层情况。

2.2合理选取掘进参数

为了能够有效避免刀盘发生较大振动或者是刀具受力过大时产生波动，在进行基岩凸起地段及上软下硬地层的掘进过程中应避免片面的追求施工进度，始终坚持以刀具破岩贯入量作为掘进速度控制的重要基准，真正做好刀具的保护工作。

2.2.1基岩凸起段的掘进

当盾构机在基岩凸起段掘进时，其掌子面的自稳性较强，所以不容易出现坍塌情况。尤其是在掘进时采取半敞开或者是完全敞开模式时，可以尽可能地在掘进过程中保持较小的土仓压力，因此整个掘进过程不容易出现地表沉降情况。

（1）掘进参数选择：

首先，刀盘转速的选择。由于基岩凸起段的断面岩石比较硬，这样当盾构施工掘进中出现滚压破岩现象时，刀具在受到较大的压力情况下，为了能够让瞬时冲击力被控制在安全荷载内，因此不适合使用较大的刀盘转动速度进行掘进。通常在这个过程中需将刀盘转速控制在1.6r/min左右。

其次，土仓压力的选择。通常工程硬岩中的掌子面具有较好的自稳性时，不需要使用外力来支撑掌子面，所以可以较低的土压来进行掘进[3]。其中，上部的土压可尽量控制在0.01～0.05MPa间，下部土压则只需要控制在0.07～0.12MPa间。因此，一旦地层的含水量比较大时，便需要将上部的土压适当提高到0.03～0.05MPa间，这样便能够将地层水与开挖仓之间更好的隔离开，有效减少地层水流失情况，从而更好的防止地表发生沉降[2]。

再次，油缸推理的选择。在主要配置单刃盘形的滚刀进行破岩掘进过程中，主要是利用滚刀转动时产生的冲击力和剪切力，使其产生破岩效果。其中，当刀盘的转速被控制在1.5～1.7r/min间时，其每轉一圈，刀具的贯入量控制在3～5mm区间范围，掘进速度在4.5～7.5mm/min之间;当扭矩被控制在1800KN·m左右时，油缸的推力则可在14～17MN范围内进行调节。

最后，螺旋输送机转速的选择。在进行硬岩掘进过程中，不仅掘进的速度较慢，而且在土仓内的碴土量非常少。通常螺旋输送机的转速在调节时需控制在6～10r/min间。

（2）掘进注意事项：

首先，判断前方地层硬度时需统筹结合油缸推力、掘进速度和盾构机各个系统的温度参数。同时，在进行确定碴土石质时，应该统筹观察碴土颜色、形状和温度，并紧密结合具体温度来判断刀具情况。通过对上述信息进行综合分析，能够更加准确的选取掘进参数，让设备在正常荷载情况下不受任何损坏。

其次，注重碴土改良。通常需要在硬岩中注入35 L/m的泡沫量，再根据碴土情况进行适量加水。让刀盘在受到泡沫剂作用下，能够让作用于掌子面的扭矩增加，以此减少道具在连续工作状态下的磨损量。

2.2.2上软下硬地层的掘进

在进行这种类型的地层施工过程中，当盾构机在进行推进时，其刀盘切削工作面土体上部的软地层很容易进入到密封的土舱内，而下部一些较硬的岩体则不容易出现破碎情况，所以控制盾构机的姿态具有较大难度。

首先，合理选择刀盘转速。在上软下硬的地层掘进过程中，对于软岩部分则只需要切削掌子面便可达到破坏土层的情况。但是，当遇到一些局部硬度较高的岩石时，当硬岩处刀盘的滚刀受力较大时，其局部硬岩便会对刀具的刀盘产生较大损伤。因此，需要适当降低刀盘转速，刀盘转速建议控制在1.2r/min内，这样刀具在瞬间所受到的冲击力将会低于安全荷载25t。

其次，土仓压力的选择。当城市轨道交通工程在软硬兼有的地质情况下施工时，如果只是考虑到对刀盘的保护，只是单纯的按照硬岩方式进行掘进，便很容易导致超挖或者是地表发生沉降。因此，在进行掘进过程中应该让较高的土仓压力与掌子面压力保持平衡状态，即始终采取全土压平衡模式进行掘进。

再次，选择油缸推力。在上软下硬地层中，应尽量将刀盘扭矩的最大值控制在2000 kN·m内，而掘进的速度则需要控制在3～5mm/min，而推力需控制在20MN内。但是，上述参数值需根据实际情况再进行适当调节，以此来满足短距离基岩凸起段及上软下硬地层盾构法施工技术要求。同时，还应该对刀具勤加检查并及时更换，保证边滚刀最大磨损不超过15mm，中心刀最大磨损不超过5mm。

3 结语

本文以厦门地铁2号线的施工为例进行分析，做好轨道交通施工阶段的地质补充勘察工作，准确了解该工程的地质条件，合理的进行局部硬岩地层掘进和上软下硬地层的掘进工作，可保证轨道交通盾构区间工程的施工质量。

参考文献

[1]韩超，张利军，张林，等.上软下硬地层盾构法与矿山法交界处隧道段地表加固结构[P].中国专利：CN201922112196.4，2020-07-17.

[2]宋德文，陈振豪，谢永盛.灰岩区不良地层下盾构施工技术难点研究[J].工程技术研究，2020，63（7）：94-96.

[3]王凯，赵辉，林宝刚，等.南昌地铁3号线上软下硬地层盾构机选型[J].铁道建筑技术，2020（1）：111-114+120.

收稿日期：2020-08-05

作者簡介：林永奇（1987—），男，福建莆田人，本科，工程师，研究方向：轨道交通工程技术与管理。