软硬不均复杂地层盾构施工关键技术与管控

丁 涛 孙 艳

广东荣文科技集团有限公司 广东 东莞 523000

1 工程简介

本区间工程单线设计长度1713.89m，采用盾构法+矿山法施工，其中盾构法单线长度为539.73m，最大纵坡为25‰的V型坡隧道，管片外径6000mm，内径5400mm，宽度1500mm，采用开挖外径为6300mm的土压平衡盾构机进行施工。该区间盾构段主要穿越上软下硬地层和全断面岩层，地层起伏变化较大，地表以下地层为素填土、粉质粘土、碎石土、粗粒砂、中微风化岩石，地下水类型主要为第四系潜水和基岩裂隙水，其中第四系潜水向下补给基岩裂隙水。此隧道位于市区次干道下方，设防水位线以下6.2m-11.6m，覆盖层厚度H=12.5m-14m，全断面岩层段隧道围岩等级为Ⅲ-Ⅳ级。

2 软硬不均复杂地层盾构施工中的重难点问题

2.1 始发、到达施工问题

盾构段设计采用反力架+基座始发，始发洞身范围上部2/3为较密实的粗粒砂，下部1/3为较完整的坚硬岩，上软下硬强度差距大始发姿态控制困难，易造成反力架变形量大，盾构机抬头、偏移，洞周地表大面积下沉等问题。接收段采用矿山法进行初期支护后回填渣土，再由盾构平推拼管片通过，矿山法初支面净空尺寸超欠及弧形导台施工强度低厚薄不均，易造成盾构卡机、轴线偏移等问题。

2.2 开仓换刀施工问题

盾构主要穿越软硬复合地层和全断面岩层，在这种地质条件下施工，对盾构刀具的磨损非常严重，开仓换刀频次高，既有常压换刀又有带压换刀（气压作业），盾构带压换刀作业时间比较长，周围地层条件需要满足气体保压的要求，否则在上软下硬地层中换刀容易出现地层失稳、地下水渗漏等问题。本区间地下水类型主要为地表潜水和岩石裂隙水，其中地表潜水向下补给岩石裂隙水，在中风化岩层、上软下硬地质条件下更换刀具存在地下水的涌入的风险问题。

2.3 刀盘结泥饼问题

当开挖断面地层黏土矿物含量超过25%时，结饼几率随着黏土矿物含量增加而增大，根据本勘察揭露的岩土层结构及物理力学参数指标，发现上软下硬地层中粉、黏粒最高含量达40%。盾构刀盘型式为6辐条软土式，开口率约35%，针对岩土复合地层对刀具高磨损性和高冲击性的特点，刀具选择上更倾向于破岩功能，同时鉴于本工程盾构段存在全断面的硬岩，因此刀具选择较合理，但本盾构区间同时又存在软硬不均地层，刀盘存在结泥饼的可能性较高，此外，刀盘外周配耐磨板，过渡区加焊耐磨网格，刀毂部分加焊耐磨层，使得切削下来的碴屑与软土颗粒易被挤压堆积在刀盘开口和密封仓处，流动不畅，易形成泥饼。

2.4 盾构穿越上软下硬特殊地段施工问题

盾构机在上软下硬地层中掘进，下部硬岩势必会造成掘进缓慢，而导致上部软土应力释放时间长，土体松弛易产生超挖，引起地表沉降过大，而硬岩强度过高易致使其掘进困难，且推力过大会损坏管片。另外当盾构刀具在软硬地层交界面转动时，由于地层强度变化较大，刀具受到巨大冲击，造成非正常磨损（如偏磨、弦磨等）甚至损坏。盾构在上软下硬地层中施工，掘进姿态控制困难，易发生偏移或被卡住、蛇行推进、抬头现象，导致超挖出土量加大而引起地面沉降过大等问题。由于上软下硬地层的复杂多变性，若盾构土仓压力、掘进参数设置以及壁后注浆等关键工序控制不好，也易出现地面沉降过大，管片上浮、错台、渗漏水等问题。

3 软硬不均复杂地层盾构施工关键技术与管控

3.1 盾构选型与主要配置[1]

盾构选型主要依据工程水文地质条件、周边环境、隧道线路设计要求，采用的辅助工法，以及施工安全、环保和工期要求，并结合以往施工经验等方面综合考虑，对不同选择进行风险分析后择其优者，选型的主要方法包括地层渗透法、地层颗粒级配法等。基于此本工程盾构采用土压平衡式盾构，其主要配置选择依据如下：

刀盘装备总扭矩应满足地质条件和脱困要求，主要考虑切削土体阻力及附加阻力，并按经验公式T=α×D3（α为扭矩系数，其土压平衡盾构不宜小于16，D为刀盘外径）进行复核。

盾构施工中所需总推力的决定因素：盾体的摩擦阻力、刀盘正面推进阻力、刀具贯入阻力、盾尾与管片间的摩擦阻力、后配套牵引力等，根据盾构机型及施工情况对上述阻力求总和，再考虑所需的安全系数即可求出盾构所需总推力F，然后根据掌子面单位面积推力的经验值进行复核，在软土地层中不宜低于1050KN/m2，在硬岩地层中不宜低于1250KN/m2。

3.2 地层加固与处理

针对开挖面岩土强度差异性过大导致掘进困难的地段进行改善，对其单轴饱和抗压强度Rc＞100Mpa的硬岩地段进行深孔爆破预处理，预裂孔间距为600mm×600mm，孔径为108mm，深度超过开挖面底部500mm，严格控制装药量，确保破碎后岩体不大于30cm，必要时利用预裂孔对其进行注浆加固；采用地表引孔方式对开挖面及其以外3m范围内的砂层进行注浆加固，注浆孔1500×1500梅花布置，注浆范围的地层最外侧采用水泥-水玻璃双液浆，内侧采用水灰比为0.8 : 1-1: 1的水泥浆，注浆压力控制在0.2-1MPa，注浆后地层渗透系数要求＜10-7cm/s，无侧限抗压强度＞0.3MPa。

盾构始发段10m范围采用φ900@600三重管高压旋喷桩止水加固，旋喷桩应进入不透水层1.5m，采用桩底标高及嵌固要求双控，水泥采用P.O42.5，水灰比1-1.5，水泥掺量30%-40%，桩位偏差≤50mm，垂直度偏差≤0.5%，提升速度≤20cm/min，旋转速度10-20r/min，采用跳孔施工，跳孔间隔4-6m，加固后地层渗透系数不大于10-7m/s，无侧限抗压强度不小于1MPa。

3.3 开仓作业

在盾构掘进过程中判断是否需要开仓检查的情况主要有以下几种：在硬岩段掘进，渣土明显呈现粉碎状；刀盘在掌子面的切割声音出现异常；渣土温度明显比正常情况下升高；推力明显增大，但是推进速度仍然很慢，刀盘扭矩增大，贯入度小；掘进姿态异常，不好控制；刀盘结泥饼。

在进行盾构开仓作业前，先对掌子面的稳定性做出判断，本工程在上软下硬地层中开仓作业时，采取气压作业方式，以确保掌子面安全稳定。对于气压作业（带压换刀），开挖仓内气压应与开挖面外的水土压力相适应，以防止开挖面失稳和地下水涌入，因此气压作业前，必须进行气密性试验和理论计算确定合理气压值。带压换刀工作气压理论值按公式e=ew+er（ew为开挖面中心水头压力，er为压力调整值可取0-20KPa）计算。带压进仓作业时间，当压力小于0.36MPa时，应按现行行业标准《盾构法开仓及气压作业技术规范》有关规定执行，当压力大于0.36MPa时，按现行国家标准《空气潜水减压技术要求》有关规定执行[1]。

3.4 泥饼防治

盾构在通过上软下硬地层时当粉、黏粒含量过高土渣易黏结刀盘而产生泥饼，在推进过程中，向刀盘正面或土仓内压注泡沫或膨润土等碴土改良剂，以稳定开挖面，改善切削下来的碴土的和易性以及水密性，同时降低刀盘、刀具等的磨损，有效防止土渣黏结刀盘而产生泥饼和螺旋输送机排土时的喷涌现象。

在渣土改良点布置方面，在保证径向均匀布置的前提下，加强中心区域的渣土改良点和冲洗口布置，提高中心区域的渣土流动性能，进而降低结泥饼的风险。

在保证刀盘结构强度的前提下加大开口率，以提高渣土的通过粒径和通过率，用以提高掘进效率，降低滞磨率，从而降低泥饼形成的危险。开口处的纵深方向采用梯形设计即“严进宽出”的结构，也有利于渣土的纵向流动，提高渣土的流动效率[2]。

当刀盘结泥饼情况较轻微时，可通过冲刷系统利用高压泥浆或清水对中心刀盘进行冲刷清洗，利用氧化剂对泥饼进行化学剥落，往泥浆里添加工业洗衣粉、漂白粉等润滑剂，高速空转刀盘等方法清除泥饼；当泥饼将刀箱和辐板的空隙填满密实时，最有效的方法就是人工开仓仓进行泥饼清理[3]。

3.5 始发管控要点

拆除洞口围护结构前确认洞口土体加固效果，始发加固端须进行钻芯取样检测其加固效果，取芯过程监理全程见证，加固土体改良范围、止水效果和强度大设计要求，以确保地层不发生坍塌或涌水，保证始发过程开挖面的稳定。

盾构基座、反力架要具备足够的刚度，始发过程总推力必须小于反力架所能承受的范围，确保其承载后变形量满足盾构掘进方向要求。尤其加强反力架立柱和斜撑与底板锚固质量的隐蔽验收工作，确保锚固筋的规格型号、数量、锚固深度均符合反力验算结果要求，以防始发过程推力控制不当导致其变形与位移过大。

始发测量工作是盾构施工质量的重要保障，放样和复测结果必须满足要求。安装盾构基座和反力架时，确保盾构掘进方向符合隧道设计轴线，安装负环管片时，保证其椭圆度并采取稳定措施，以防影响盾构掘进时管片的拼装精度。

在盾构全部进入地层前，仅使用下部硬岩范围内的千斤顶施加推力，在通过洞口地层加固段前，采用低速掘进，减小推力，以便控制盾构掘进方向成功始发，在通过加固段后的初始掘进，跟踪监测地表变形量数据，分析调整掘进参数并收集整理，为后续盾构正常掘进控制提供依据。

3.6 掘进参数控制

适当保持土仓压力的目的是控制地表变形和确保开挖面的稳定，盾构在掘进过程，应通过地表变形量测数据判定预设的土仓压力的准确程度，及时做出相应的调整。根据日本隧道标准规范（盾构篇）及地铁设计规范，计算土压力的方法，对于砂质土一般采用水土分算，对于粘性土则将水作为土的一部分进行计算，在能形成拱效应的良好地层中当覆盖厚度为1-2D（盾构外径）以上时多采用泰沙基公式计算松弛土压，当隧道上覆地层自稳性较差时，宜采用静止土压力理论计算，岩质隧道的围岩压力按现行行业标准《铁路隧道设计规范》有关规定确定。

基于上述原则，本工程盾构在通过上软下硬地层时采用地面注浆预加固，土仓压力设定采用松弛土压计算，并根据推进中所产生的地表变形，刀盘扭矩、推力和推进速度等变化及时调整，设置在0.8bar-1.5bar范围（无水地段取低值，有水地段取高值）；盾构在通过全断面岩层时，土仓压力设定采用现行行业标准《地铁设计规范》中有关岩质隧道围岩压力的计算方法，并根据地表沉降监测情况及时调整，设置在0.1bar-0.8bar范围（无水地段取低值，有水地段取高值）。推进过程中实时监测土压力的波动，及时调整、控制推进速度和螺旋输送机转速，确保土压稳定，不得低于最低控制值，避免地表沉降超限。

为了防止掘进过程土体超挖，严格控制出土量不得超过理论值（理论体积×松散系数）的6%，并及时记录每环出土量，出现超标的情况应立即进行二次补浆。刀盘的扭矩主要考虑切削土体阻力及附加阻力，根据工程地质情况的计算结果，结合实际施工情况，本工程在土岩混合地层中控制在2000-4000KN.m，全断面岩层中控制在1000-3000KN.m，在扭矩增大时通过降低刀盘转速和推力来控制其增大趋势，当扭矩高于控制范围应加强土体改良效果来降低扭矩。施工中所需总推力主要考虑正面推进阻力、切削和摩擦阻力，根据其计算结果，结合实际施工情况，本工程在掘进过程中总推力控制在10000-30000KN，在保证切削刀具贯入土体后，不再增加推力，考虑盾构姿态和管片受力的影响，推力不宜过高。

同步注浆压力控制在大于注浆口处静止水土压力0.1MPa；注浆量填充系数在土岩混合地层中不低于1.6，在全断面岩层中不低于1.4；同步注浆采用单液浆，初凝时间小于6h，结实率大于90%。二次补浆采用双液浆，在管片脱出盾尾4~5环后，每4-5环一组进行补浆，压力控制在大于注浆口压力0.2-0.3MPa，补浆量以压力控制为准。

3.7 盾构姿态与线形控制

盾构水平、垂直姿态偏差控制在±50mm以内，通过分组控制千斤顶行程差进行纠偏，曲线段使用仿形刀适量超挖增大建筑间隙，每环纠偏量不超过±5mm；滚动角偏差控制在±3°以内，利用刀盘向偏转方向旋转产生的回转反力进行纠偏。

拼装管片时，各连接面拼接整齐，错台控制在环内5mm、环间6mm范围内，先紧固管片环向连接螺栓，在整环管片拼装完成后，利用全部千斤顶均匀施加压力，充分紧固轴向连接螺栓，管片脱出盾尾后及时复紧，到最后一节台车处再次复紧螺栓。

管片拼装过程中，对成型隧道轴线平面位置和高程进行控制，偏差不得大于50mm；直线段及转弯半径大于500m的区段，每掘进120m对隧道轴线进行测量；转弯半径小于500m的区段，每掘进75m对其轴线进行测量；盾构施工每掘进300m，对隧道内的导向控制点进行复核测量。

4 结语

综上所述，盾构在软硬不均地层施工存在一定的风险，分析施工中可能存在的问题，通过盾构选型、地层加固与处理、优化刀具配置、优化施工参数等关键手段，并融合严格的盾构施工监理管控，有利于盾构安全快速出洞，提高盾构施工效率和质量。