软硬交错地质盾构空舱模式下土体改良和加固技术

钟传强

(中铁十八局集团 第四工程有限公司，天津 津南 300350)

引言

地下隧道盾构法施工技术近些年来发展十分迅速，具有安全系数高、不受外部交通和气候影响等优势。在地下轨道交通盾构法施工时，如果遭遇下部硬上部软地质，不仅非常容易导致刀具被严重磨损，而且还会引发盾构掌子面容易塌方、地面容易塌陷、盾构设备偏离设计范围等安全质量事故[1]。本文结合南京轨道交通4号线蒋王庙站-岗子村站区间工程实例，对下部硬上部软地质盾构施工面临的难题进行分析，介绍泡沫剂改良土体技术以及盾构空舱快速施工技术，为盾构穿越软硬交错地质提供借鉴。

1 工程概况

南京轨道交通4号线蒋王庙站-岗子村站区间采用盾构施工技术，其中两段区间直径分最小曲线直径和最大曲线直径分别为1400 m和4000 m，最大和最小纵坡度分别为4.3 %、坡度是2.2 %。盾构区间分左、右区间，通过海瑞克S-282土压平衡盾构进行施工，区间隧道覆土深度是8～22 m。

该轨道交通隧道区间穿越的软硬交错地质具有“下部硬上部软”的特点，上半部分大部分为质地较软的黏质粉土，下半部分为质地较硬的强风化砂岩。其硬岩层与软土层间的过渡层比较少甚至无过度，软硬分界比较突出，能承受的压力、剪力等物理力学差距明显，而且穿越一些断层破碎带和富水带，未知风险因素较大，这些特殊地质条件下容易产生非线性、时变性等不确定性状况，很容易导致隧道盾构机刀盘加快磨损，姿态产生较大偏移等困难。此外，该地铁隧道区间还下穿一些住宅楼。

2 下部硬上部软地层施工弊端

出现下部硬上部软地质情况时，因为掌子面周边地质情况复杂，导致刀盘接触的岩石力学指标不均，盾构施工时，常常会出现刀具受损率高、盾构姿态不容易掌握、地表出现不均匀沉降、出碴异常、刀盘容易结泥饼、岩体坍塌、泥浆喷涌等异常现象[2]，上述现象的出现原因主要如下：

2.1 下部硬上部软地质影响盾构功能正常使用

出现下部硬上部软地质的时候，盾构刀盘受力极不均匀。盾构施工时，重点工序之一就是构建并保持掌子面的水土压力平衡体系，最大程度降低对地层扰动，实现防止沉降及环保目的。下部硬上部软地质受力不均。在下部硬上部软情况显著的地层中，常常影响盾壳及刀盘不均不平稳的受力，导致盾构机原设计施工方向和实际施工方向出现误差，这个时候需要通过经常性的工序转换进行调节，以免影响施工效率。另外，刀盘旋转时，当刀具处于软硬不均岩土分界面时，很容易受到硬岩层岩石的冲击，从而导致刀圈出现裂缝、折断甚至脱落，刀体受损严重[3]。

2.2 下部硬上部软地质导致碴土不易改良

在下部硬上部软地质情况下，掌子面围岩受压情况多变，由于松散土、软性土、黏性土、流状土和粉质土及坚硬岩石混合，造成碴土不容易改良。此外，盾构机需要水土平衡，这对碴土改良提出了更严格的标准。因为隧道区间地质水文条件异常复杂、改良碴土机理分析不全和进行碴土改良工艺不匹配等因素，盾构施工时，如果掌子面出现欠压，那么就容易引发上部软性地层失稳、出碴过量及不均匀沉降等情况。而掌子面出现超压情况，在松散土、软性土、黏性土、流状土和粉质土地层中，常常导致结泥饼、喷涌、刀具偏磨、糊刀盘、刀圈损坏等异常情况发生[4]。

2.3 下部硬上部软地质容易导致刀具超载损坏

在下部硬上部软地质中，因为适合软土施工的盾构机摩擦力、土舱堆碴反力激增，可能会突破刀具所承受载荷的极限范围。如果刀盘受到摩擦力、土舱堆碴反力过大，导致刀盘刀具长时间承受过大载荷，进而导致滚刀轴因承压过大出现变形，进而造成滚刀刀具受损率偏高，滚刀刀圈出现偏磨或断裂。

3 复合盾构空舱施工技术

盾构机在软硬交替软硬交错地质施工中，土舱内及刀盘表面很容易出现结泥饼的情况，并容易导致施工速度变慢、出现涌泥、严重超方、推力增大、刀盘和刀具损坏严重等现象。下面主要介绍盾构空舱模式下土体改良和加固技术，很好地解决了以上问题，确保地铁盾构安全顺利施工[5]。

3.1 空舱模式技术特点和优点

所谓空舱施工模式，通常在下部硬上部软地质条件中，盾构机进行施工时，当掌子面没有支护压力情形时，岩土体可以保持一段时间不坍塌，或者掌子面土体在进行加固后，可以保持不坍塌状态。把盾构机土舱里的岩土清空处理，确保滚刀和其他刀具可以最大程度发挥功效[6]。该模式能够有效处理刀盘易结泥饼现象，并提升掘进效率。在空舱施工模式下，因为把土舱中的渣土进行了清空处理，减少了刀盘的带土量，有效降低了结泥饼的成因。通过工程实践，在下部硬上部软地质环境施工时，刀盘没有被破坏，刀具和刀盘最大磨损量只有8 mm左右。出现下部硬上部软地层情况时，进行空舱掘进的推力不大，另外推力几乎没有明显起伏变化；而非空仓时的推力比较大，刀箱容易把渣土固结，常常因为刀具被损坏导致受力较大变化，刀盘扭矩较大,刀具破坏较多。空舱状态下，由于刀盘不容易被附着土体，受力比较均匀，受损破坏程度较小，能较好发挥刀具破岩功效，掘进速度比土平衡和欠压模式都高。在下部硬上部软的软硬交错地质，进行地层加固后的空舱模式，施工效果更佳。

3.2 空舱模式施工条件

软硬交错地质适合进行空舱施工的应用范围：①如果上部土体为质地较硬、遇水时比较稳定的全风化岩、粉质黏土或黏土时，由于该种土质稳定性较强，可以长驱直入采取空舱方式；②当上部为稍密黏质粉土，通过注浆加固后满足在一定时间保持不坍塌，就能够开展空舱施工。不适用地质为：上部为淤泥层、含水粉沙土、砂卵石等自稳性差无法进行固结的地层。当下部为质地较硬的混合土和强风化泥质粉砂岩时，由于其自稳性较强，所以空舱模式对软硬交错地质下部硬岩的地质条件没有过多限制。

3.3 空舱模式施工参数与地层适应性

空舱施工模式在软硬交错地质中施工，如果不科学地提高施工速度和推力，容易破坏刀圈。为避免刀具在岩石与岩土临界处转速过快导致受损，在确保对地层产生最小扰动的前提下，为提升掘进速度，当推力较小时，掘进速度优先，然后再选择刀盘低转速参数。通过施工实践统计分析得到参数详见表1，综合考虑选择2.3 r/min，贯入度8.3 mm/r。

表1 施工试验参数

3.4 泡沫剂进行土体改良技术

南京轨道交通4号线盾构区间穿越区域上部软性土体具有较大黏性，出于提升盾构机对“下部硬上部软”软硬交错地质适应性之目的，方便出渣土及土仓压力的掌控，通过泡沫剂对刀盘前的渣土进行科学改良，有效降低其渗透系数、抗剪强度和黏附强度，确保渣土具备一定可塑性、流动性、压缩性。

为确保盾构能安全掘进及顺利出土，通常对每环土体通过泡沫进行土体改良，1000 L泡沫大约能满足20～33环需求。

泡沫剂的合理使用，能确保盾构顺利推进、有效降低刀盘扭矩、对油缸总推力进行调节，确保土仓压力，使盾构能够按照设计要求推进，实现地面沉降控制，确保推进速度并且借助分析使用过程，最大限度降低泡沫剂用量，节约成本。盾构推进时，因为泡沫剂占比可以反映泡沫剂使用占比率和及含量值，所以泡沫剂的占比率是施工的重要参数指标。

通过对地铁区间右线泡沫剂占比、刀盘受压力和扭矩、掘进速度、盾构总推力等几项重要指标的变化趋势进行统计和研究分析，可以明确土仓压力与泡沫剂占比率不存在直接关联，另外分析得出以下研究成果：

(1)右线155～315施工区间的地质粘黏性比较强，当施工区间泡沫剂占比率偏小时，出现盾构总推力偏较大的情况。通过分析可以做出这样的判断：区间的地质粘黏性比较强时，刀具和土仓隔板等构件由于土体粘黏，刀具的扭矩被加大甚至被破坏，因此在地质粘黏性比较强的区间，盾构进行推进时，可以适当调整刀盘转速、总推力以及泡沫剂占比率，避免刀盘前端因为温度和压力偏高导致出现结泥饼的现象。

(2)右线盾构始发段及接收端，这两段都位于三轴搅拌桩和旋喷桩加固区，水泥含量很多，盾构推进速度不高的施工区域，泡沫剂占比率较高，通过分析可以做出这样的判断：对于经过水泥加固的区间以及土质较硬的区间，可以把泡沫剂占比率调整到3.6-4.6 %。

(3)右线525～575环区间的土质比较松软，大多为淤泥以及质粉质黏土地质，容易出现沉降，最大沉降量达到19 mm。在该区域施工，泡沫剂占比率较低，约为0.9-1.9 %;盾构施工速度较快，可达到39 mm/min;刀盘扭矩较小,仅为1509～1999 mN.m;盾构推力较小,仅为6689～7000 kN;土压力较大，达到1.9 Bar。为避免隧道区间周边出现大范围沉降，可以进行以下举措应对：

a.为防止刀盘前端土体出现大范围塌陷，将土仓压力提高到2.1～3.1bar。

b.盾构掘进的同时,需同步进行厚浆注浆来及时填充管片壁外产生的空隙，避免土层产生过大的沉降。注浆孔布置在隧道管片环的封顶块、标准块、邻接块上的管片吊装孔，施工前利用钢钎将吊装孔外端的素混凝土捅破后注浆。厚浆配合比(Kg/m3)——消石灰:粉煤灰:膨润土:砂:水=60:400:70:800:360，配比根据实际掘进情况作合理优化。在过土质比较松软等特殊地段时，仅靠盾构同步注浆不能完全满足对地层沉降或沿线建构筑物沉降要求时,就需要通过二次注浆的方法防沉降。在注浆孔安装带有双向球阀的注浆咀，以便注浆。按理论管片壁厚空隙填充量的120 %～140 %注浆压力控制在0.35～0.45MPa，确保管片壁后不存在任何空隙。同步注浆浆液一般地段采用厚浆进行填充，合比(Kg/m3)为——消石灰:粉煤灰:砂:膨润土:水=80:350:1080:80:350。距离建构筑物较近采用水泥砂浆，水泥砂浆配合比(Kg/m3)为——普通硅酸盐水泥:膨润土:粉煤灰:砂:水=170:55:245:770:270；加速盾构机推进，将盾构机在淤泥层中的滞留时间缩短。

c.将刀盘转速降低至0.9-1.1 r/min，从而将刀盘对土体的扰动程度降低。

d.如果一些区域的沉降速率和沉降量比较大，通过二次双液浆注浆形式进行加固处理。如果区域内无构造物，那么就无须进行二次双液浆注浆，有效规避对土体的二次扰动，避免再次出现沉降。

总而言之，在盾构施工时，通过先进的发泡设备，对泡沫剂配合比进行合理优化，将刀盘进行正、反旋转；另外，借助刀盘加泥加水系统加入冰水对刀盘进行降温，防止温度过高损坏刀盘、轴承等构件。对后续软硬交错地质段，将施工时泡沫剂的压注量限制在每环30～50 L范围内。

3.5 地层综合加固技术

当掌子面出现空腔，上层土体缺乏土舱压力的有力支撑，为避免引发掌子面出现失稳和地表出现沉降，此时需要对空腔进行注浆充填，实现上层土体的综合预注浆加固。综合加固技术包括地层加固技术、建筑物预加固技术和跟踪注浆技术。

3.5.1 地层加固技术施作办法

软硬交错地质段，对盾构进行开舱前，采取地层加固技术确保土体的稳定性。为保证上部软土层和硬岩层临界位置的加固效果，双液浆分层注浆浆液配合比详见表2。为避免注浆后的土体对盾构机“抱死”，可以在双液浆内加入适量的粉煤灰。

表2 每m3注浆浆液配比一览表

常压换刀注浆通常进行加固区域：注浆标高为岩层面到盾构机上方3 m，注浆宽度9.5 m，其他详细数据如图1所示。

图1 加固区纵剖面图(单位：m)

3.5.2 建筑物预加固和跟踪注浆

对建筑物下部基础通过水泥-水玻璃双液浆进行注浆加固。在盾构施工时，必须实时做好沉降观测和安全防范，及时做好跟踪注浆，在盾构完成软硬交错地质穿越后，要马上进行二次注浆。

3.6 包裹膜技术

对地层进行注浆加固的时候，通过采取膨润土砂浆保护、改性水玻璃浆液或者和油性聚氨酯浆液等包裹膜技术，对盾构机进行包裹隔离处理，避免盾构机不能正常运转。

3.6.1 膨润土砂浆保护

预制膨润土砂浆具有便于操作、价格便宜、包裹迅速等优点。测量人员要实时观察管片的实际情况，如果察觉管片出现开裂或较大变形，需要马上与施工员取得联系，暂停注浆，并及时分析原因。

3.6.2 改性水玻璃或油性聚氨酯保护膜

改性水玻璃浆液或者油性聚氨酯浆液能够将凝结性浆液进行屏蔽，防止其包裹盾构机出现“抱死”现象。改性水玻璃浆液主要材料为水玻璃溶液和磷酸溶液，但是聚氨酯挥发时气味较浓，而且注浆速度比较慢。

3.7 空舱模式施工及加固效果

在软硬交错地质段，通过采用空舱模式有效规避了刀盘容易结泥饼现象，防止了隧道塌方灾害，通过综合注浆加固后，对正上方的地表进行沉降监测，地基沉降比较稳定，从图2地表沉降监测曲线可知最大沉降量为2 cm，满足要求。

图2 地表沉降监测曲线

结语

依托南京轨道交通4号线蒋王庙站-岗子村站区间工程实例，研究了在城市轨道交通施工中所遇到下部硬上部软岩层采取空舱模式施工技术及泡沫剂改良、地层加固措施，通过技术分析和实践可知，在盾构机上通过配制性能较好的泡沫剂发泡设备，在进入软硬交错地质段前，通过泡沫剂对土体有效改良。由于被改良土的状况影响泡沫剂性能的发挥，所以为确保泡沫最佳效果，必须充分考虑相关的土质情况。对滚刀扭矩进行合理设置，提高周边刀具厚度，依据岩层贯入度对施工速度进行调节，从而降低刀具磨损度，通过空舱施工模式能很好解决盾构施工刀盘结泥饼问题，确保地铁盾构安全顺利施工。