泥水盾構在上軟下硬地層中的施工技術探討

摘要：文章結合在廣州地鐵九號線施工的一些經驗，分析了在泥水盾構施工中遇到上軟下硬地層施工的難點，探討了通過從盾構機適應性的要求、掘進參數的控制等方面去采取相應的措施，從而去提高泥水盾構在上軟下硬地層中掘進效率及安全。

關鍵詞：泥水盾構；上軟下硬；巖層；施工技術；掘進效率 文獻標識碼：A

中圖分類號：U455 文章編號：1009-2374（2015）24-0092-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.045

廣州所處地區的地質構造、水文條件非常復雜、巖土特性多種多樣。在這個區域進行地鐵施工，會遇到各種各樣的地質風險和施工難題。就從目前廣州地鐵完成的多條線路的施工中，就非常頻繁地遇到盾構需要在上軟下硬地層中掘進，特別是泥水盾構在這類地層中施工時，局限于其環流輸送系統的特點，遇到的問題會更多。在廣州地鐵九號線隧道施工中，就存在以石灰巖為主，風化程度不一、巖層與軟土層交錯的上軟下硬地層。本文介紹了在這段區間泥水盾構施工中采用的一些掘進控制方法和措施。

1 上軟下硬地層中泥水盾構掘進的難點

當盾構在上軟下硬地層里掘進時，由于整個開挖斷面圍巖整體性差，刀盤滾刀在巖面上進行碾壓，破裂面會在巖層裂隙處產生，不均勻的巖塊崩落進土倉，很多體積較大的巖石塊，常常在土倉排泥口、排泥管的彎管處以及排泥泵造成堵塞，嚴重影響了環流系統的穩定。

巖面的軟硬不均會讓盾構機刀具在轉動切削中不斷與突出的巖面發生碰撞，使得刀具受到很大的沖擊造成損壞，從而降低盾構的掘進效率，甚至損傷刀盤。盾構姿態也容易在軟硬不均地層內向偏軟的方向發生慣性的偏移。盾構掘進時引起的振動和環流系統的波動也會加劇對周邊地層的擾動，從而造成地面出現沉降。

2 施工控制措施

2.1 盾構機的適應性

2.1.1 扭矩推力的要求。盾構機選型之初，要考慮盾構機裝備足夠大的刀盤驅動力矩和盾構推力，特別是正常最大工作扭矩應不小于5000kNm，確保刀盤在復雜地層情況下的掘進安全系數。

2.1.2 破碎機的配備。盾構機的環流系統也要考慮裝備破碎機，以具備對切削巖塊的進一步破碎，減小渣土巖塊粒徑，提高環流系統的輸送順暢性。

2.1.3 刀盤的開口率的控制。對于泥水盾構機而言，過大的巖塊進入土倉將不容易通過管路輸送出去，而且容易堵塞排泥口。因此，當泥水盾構機上軟下硬巖層地層掘進時，可考慮將刀盤的開口尺寸進行針對性減小。部分較大的巖塊能在刀盤前可以有效碾磨破碎，而不是直接從過大的刀盤開口中直接進入土倉內。

2.1.4 刀具的選用。軟巖中夾雜大石塊及中風化地層和微風化地層的交界面，形成類似孤石的狀態。刀盤轉動過程中，給孤石周圍軌跡線內的刀具造成巨大的沖擊。中心滾刀轉動不良，刀圈受到軸向剪切力過大，使得刀圈斷裂。盾構機選用的滾刀、貝殼刀和刮刀都必須采用特殊硬質高強度合金鋼。為應對過大沖擊對刀具的損傷，滾刀的刀圈應選用硬度在HRC45～50。同時滾刀的啟動扭矩需結合地質情況進行相應的增大，確保軸承具有足夠的承載力，確保所有刀具復雜地層條件下具備高的使用壽命，減小更換刀具的頻率和次數。在刀盤外周環部還必須安裝外周保護刀，與外周環上的硬質堆焊一同發揮防止刀盤外周部磨損的作用。

2.2 盾構掘進控制

2.2.1 刀盤轉速和推力的控制。刀盤轉速，掘進速度太快或是刀盤轉速過高都不能較好的切碎巖體，同時容易造成刀具的偏磨。通常盾構掘進的速度決定刀具的貫入度，速度越大刀具入巖的進尺越大。而盾構在上軟下硬的巖層中內掘進，由于巖體存在裂隙發育，刀具進尺過大會使得開挖掌子面的巖體沿裂隙整塊剝離，起不到切碎巖體的作用，并且剝離下來的大塊巖體無法帶出，會堆積在土倉內影響盾構的掘進。因此盾構在這類地層掘進，其速度要控制在15mm以內，并且刀盤的轉速也不能超過1rap/min，以減少刀具撞擊到突出巖石時受到的瞬間反沖力，從而對刀具起到一定的保護作用。

2.2.2 盾構姿態的控制。進入上軟下硬地層后，盾構機的推進千斤頂由于受力不均，導致盾構機方向控制困難，造成盾構姿態出現偏差。因此，在掘進過程中密切觀察盾構機自動測量系統的盾構姿態的趨勢，提前采用改變推進千斤頂數量和改變鉸接行程的方法對盾構姿態進行調整，提前將盾構機往另一側壓，防止盾構機超限。同時，如果刀盤設置有仿形刀，也可以利用仿形刀對硬巖部分適當超挖亦可以避免盾構機姿態偏移過大。如盾構姿態已經發生較大的誤差時，需及時遵循“連續、緩糾”的原則逐個方向地進行糾偏。同時，在糾偏過程中要經常松開一下頂在管片上的千斤頂，防止對管片造成損壞。

2.2.3 切口水壓的控制。在上軟下硬的地質條件下，隧道開挖斷面上部及隧道頂部存在較為松軟的土層或砂層。為了保證施工過程和地面建筑物的安全，必須保持掌子面穩定，必須要推進過程中保持切口水壓穩定，防止切口水壓變化幅度過大引起上部土層的坍塌或者擊穿地面引起冒漿。

2.2.4 環流操作控制。通常泥水盾構掘進，環流是采用正循環，而盾構在上軟下硬巖層中掘進，由于巖體破碎會有較大粒徑的碎石進入土倉無法從排泥管帶出，使得環流容易堵塞無法掘進。因此盾構在此類地層掘進，當出現環流堵塞情況后，結合逆洗送正操作，及時通過正送盡可能多的排出石塊。始終保證土倉內巖塊和渣土不急劇增多，雖然掘進速度慢但可保證盾構的正常掘進。可大大減少開倉取礫的次數，提高進度。不能單一采用逆循環掘進，這樣部分小粒徑的碎石可通過送泥管帶出，部份大粒徑的碎石也會在土倉內磨成小碎石從送泥管帶出。但逆推的排渣效率很低，時間一久必然造成土倉被渣土堆滿。

通過使用土倉循環泵，加大泥水盾構機土倉內的泥漿流量，使得巖塊不易大量積存在底部的排泥口，有利于渣土的排出。

2.2.5 人工開倉清除石塊。由于巖體破碎切屑過程中將有較多粒徑不一的碎石自行剝落，無法通過環流帶出的大粒徑碎石將積存在土倉內，因此掘進過程中應密切關注推力、扭矩的變化，當推力、扭矩異常增大時要立即停機開倉檢查，人工清除土倉內積存的大粒徑巖塊。

2.2.6 注漿管理。在盾構機掘進過程中，要及時對土體與管片間的開挖間隙及時進行注漿填充。要考慮盾構姿態和開挖擾動的影響，實際注漿量往往要達到理論計算空隙的130%～180%。注漿壓力根據切口水壓和埋深厚度進行確定，一般比切口水壓大100kPa左右。同時，注漿過程中還應根據地表隆陷監測情況進行調整和動態管理。在結構與地層變形不能得到有效控制、下穿地面建筑物或存在地下水滲漏區段，通過吊裝孔對管片背后進行補充注漿，以增加注漿層的密實性并提高防水效果。必要時間隔5～10環注入雙液注漿（水泥漿+水玻璃）形成止漿環，減小地下水滲漏通道。

2.3 泥漿質量控制

由于多處在全斷面巖層和開挖斷面內無全風化巖層或黏土層，地層的造漿能力差。而要穩定開挖斷面內軟弱地層并確保泥漿的攜渣能力，需要濃度較高的優質泥漿。在掘進中需要及時檢測泥漿的黏度、比重、析水率等參數，確保泥漿具備較高性能的指標。泥漿比重可控制在1.25～1.35g/cm3，黏度24～26s。由于地層的造漿能力差，隨著不斷推進，泥漿消耗速度也非常快。要結合地質情況事先儲備較高濃度的泥漿進行備用，或者儲備足夠高質量的膨潤土進行及時的調漿補充。

3 結語

通過在廣州地鐵九號線上軟下硬地層中的施工經驗來看，盾構機進行針對性的適應性改造，并在施工中采用信息法指導施工，采取針對實際地質條件的掘進方案和控制措施，可以確保泥水盾構在上軟下硬地層中施工的效率和安全。

參考文獻

[1] 竺維彬，鞠世健.復合地層中的盾構施工技術[M].北京：中國科學技術出版社，2006.

[2] 楊書江.廣州地鐵大石～漢溪區間盾構施工關鍵技術[J].現代隧道技術，2004，（41）.

作者簡介：龍國強（1985-），男，廣西桂林人，廣東華隧建設股份有限公司工程師，研究方向：盾構施工技術。

（責任編輯：秦遜玉）