盾構穿越上軟下硬地層施工關鍵技術研究

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摘要：在我國城市經濟發展的推動之下，我國城市軌道交通獲得較快的進步。但是在施工之中，因為地層結構的特殊性，對于施工進度以及質量造成一定的影響，本文則探討了盾構穿越上軟下硬地層之時的相關施工技術。

關鍵詞：盾構；上軟下硬；施工

引言

花崗巖、混合巖及灰巖等硬質基巖大面積分布于我國華南、東南及華北沿海地區，上面多為花崗巖、混合巖的殘積層以及黏土層、砂層等地層。花崗巖、混合巖的殘積層具有未擾動前比較致密、承載力較高，擾動后強度迅速降低、軟化、崩解，自穩性差等特性。硬巖和軟弱地層，兩者地質物理特性差別大，地鐵盾構隧道由于地鐵車站埋深及線路坡度的限制，區間隧道洞身不可避免地會有部分位于硬質基巖、部分位于風化殘積層或其他軟弱層中。盾構在上軟下硬地層中施工經常遇到掘進速度減慢、極易超挖、地面沉降嚴重甚至坍塌、盾構刀具磨損嚴重、卡機、螺旋機噴涌等問題。如何處理好這些問題，國內工程技術人員一直在分析和研究。

1、上軟下硬復合地層的主要特征

上軟下硬復合地層主要是由上部的土層和下部的巖層組合而成的巖土復合地層。盾構隧道中的上軟下硬復合地層，其土層和巖層之間的過渡層很薄甚至沒有，分界線明顯，上部的土層較為軟弱，不能過多承受施工擾動，而下部的巖層的單軸抗壓強度往往高達幾十甚至一百兆帕以上。

2、盾構機掘進上軟下硬地層的風險

盾構隧道中上軟下硬復合地層的土層和巖層過渡較快和性質差異顯著的特點，使得盾構機在掘進時容易產生以下施工風險：

由于底部為硬巖，刀具貫入巖面困難，頂部為軟土，刀具切削土層容易，因此盾構機掘進時垂直姿態容易上抬。（軟硬各半的時候就會減少，除非軟土占60%以上）

地層軟硬不均，刀具在軟硬交界的地方容易磕碰巖面，造成刀圈崩壞、刀軸密封漏油等刀具損壞情況；而如果掘進速度過慢（小于4mm/min）時滾刀不轉，又容易造成刀偏磨。

底部為硬巖，掘進速度慢，上部軟土因擾動大而容易變形和造成水土流失，尤其是在富水地層中，如果控制不好造成噴涌，更容易導致地層損失，最終導致地面沉降過大。

為維持上部軟弱地層的穩定，土倉內常需保持稍高于水土土壓，同時因盾構機掘進速度慢，摩擦作用使得倉內土體溫度升高，從而容易產生“結泥餅”的現象。（結泥餅還包括噴涌時快速帶走水量）

3、施工現狀及問題

盾構隧道上軟下硬地層的特性，決定了盾構施工的困難，施工中出現問題難以完全避免。部分區間施工承包商對該地層認識不足，盾構選型、采購或改造上針對性不強。部分盾構機操作手和現場施工技術管理人員也存在經驗不足的問題，施工前施工組織沒有針對性，缺乏相應預案，造成施工中問題不斷，部分問題處理不及時，造成較大損失。

施工中出現的主要問題有：盾構掘進參數取用不合理，刀盤轉速、貫入度、扭矩及推力等偏大；造成盾構機掘進不順、姿態難以控制等問題。盾構掘進困難，盾構昂頭，出土超量，地面沉降及坍塌。盾構刀具磨損嚴重，需頻繁開艙檢查刀具及換刀。盾構出現卡機現象。軟弱地層松動坍塌，泥水涌入土艙，出現螺機噴涌；土艙保壓造成地表冒漿等。

4、施工技術分析

4.1、施工準備

4.1.1、優化參數

開始穿越地層之前，需結合沉降情況優化施工參數，歸納總結沉降規律，針對盾構穿越地層結構展開合理分析，旨在實現最佳施工成效的最大化獲取，嚴格控制地面沉降，確保盾構能夠平穩安全地穿越地層結構。

4.1.2、維護設備

針對施工所用盾構機械設備采取有效的保養維護措施，確保龍門吊以及盾構機、二次注漿機、拌合站、電瓶車等相關設備擁有良好性能，可保持最佳運行狀態，進而能夠快速經過施工風險區域。

4.1.3、準備材料

施工之前，需盡可能準備數量充足且質量較優的工具和材料，堅決杜絕因為材料短缺使施工工作受到影響，提前準備好材料，確保工具數量足夠且種類齊全，有備無患，規避意外狀況的頻繁發生。

4.2、掘進參數控制

4.2.1、脫困階段

在恢復掘進前，為治理土倉內積水，防止噴涌，在關閉倉門前往土倉內倒入5～6t干膨潤土，并攪拌均勻。

采用主動交接式盾構機掘進時首先使用同步千斤頂試掘進，如果推力加到36000kN（程序保護）仍無法頂動盾體時，采用鉸接千斤頂推進?？刂凭蜻M參數如下：刀盤轉速1.0～1.2r/min，在利用鉸接推進時刀盤扭矩超過5000kN·m則停止向前推進，空轉刀盤當刀盤扭矩降低至2000kN·m時繼續利用鉸接向前推進，如此循環掘進，鉸接行程伸出30mm時，鉸接油缸變換為收縮模式，同時利用同步千斤頂推動盾構機中盾和盾尾。如此循環操作，至使用同步千斤頂能正常推動盾體時恢復正常掘進模式。

4.2.2、正常掘進階段

根據以前過上軟下硬經驗及目前實際情況，控制掘進參數如下。土壓：根據刀盤埋深及地下水位高度計算得出土倉頂部靜水壓力為（如2.8bar）；根據掘進里程計算出理論出土量，根據實際出土量=理論出土量的原則控制出土，土倉頂部壓力可控制在2.9～3.2bar左右。推力：由于土倉內土壓較高，所需推力相應增高，推力3000～3600t；推力超過3600t后，及時分析掘進參數，判斷推力增大原因。（以上參數以海瑞克土壓平衡盾構機做參考）

4.3、設備掘進技術

在實際施工進程中，使用盾構機設備在上軟下硬地層中進行覺得時候，針對軟巖部分而言，切削掌子面便會使土層結構遭到破壞，針對局部巖石較硬部分，此處刀盤滾刀實際受力情況較大，伴隨著局部硬巖的不斷作用，刀盤所受損傷變大，因此，需將刀盤轉速適當降低，將其所受瞬時沖擊控制在安全荷載范圍之內。對于上軟下硬地質而言，若僅僅考慮刀盤保護因素，結合硬巖方式單純掘進，則會導致超挖問題，造成地表發生沉降情況，基于此，必須在全土壓平衡模式下進行掘進施工，即為在實際的掘進過程中用需確保掌子面壓力平衡以及土艙壓力相對較高些。參考實際情況，結合各項參數值針對刀盤扭矩以及油缸推力、掘進貫入度等數據因素實施合理調節。掘進上軟下硬地層結構的時候應注重推力的優化降低，控制推進速度，原因在于所有斷面所擁有的強度是各不相同的，若產生較大速度則是刀具早軟硬交接的位置形成意外損傷問題?；诖祟惖貙拥膶嶋H條件，通常結合盾構機設備貫入度實施控制。盡可能采用土體改良技術，旨在將刀具及螺旋輸送機設備所產生的磨損情況大大降低，規避涌水問題的形成，通常將含水量較大的泡沫注至土艙內部、刀盤前以及螺旋輸送機內部位置，選用盾構機泡沫系統實現泡沫注入，在此需注意泡沫溶液組成比例控制。再者說，因為上軟下硬地層中軟巖部分極易催生坍塌問題，加之硬巖部分擁有較大硬度，進而難以實施切削，所以為充分保護刀具則會將掘進速度大大降低，然而此時卻會對軟巖部分穩定性造成不利影響，在此需確保土壓值保持較高水平，確保掌子面擁有較強的穩定性。

4.4、加固技術

上軟下硬地層開倉換刀時掌子面加固在上軟下硬地層中，開倉換刀時掌子面存在全風化巖，不具自穩性，在地下水作用下容易出現塌方情況，不具備開倉換刀條件，需對掌子面進行加固處理，處理措施如下：（1）在計劃換刀里程，在地面進行預加固處理。（2）在預加固體效果不好時，則需及時在刀盤前方掌子面進行二次加固。①地面加固，在刀盤前方利用WSS注漿工藝進行加固。②洞內加固，由于WSS注漿加固體在地下水浸泡的情況下穩定期為2～3d，時間太長會出現小面積失穩，加固體和全風化巖會隨著地下水流失，此時可將開口封住利用二次注漿機注雙液漿進行填充加固。③在地面不具備加固條件時，且洞內無法進行注雙液漿加固時，可向土倉內注入砂漿進行置換加固。

5、結語

綜上所述，在地鐵工程建設中，穿越上軟下硬地層結構的時候需配備高技能人才合理運用盾構施工技術開展施工活動，關注施工要點，確保施工安全，促進工程建設的高質完成，強化提升城市交通運營能力。

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