軟硬不均地層盾構技術的思考

郭衛社

(中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

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軟硬不均地層盾構技術的思考

郭衛社

(中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

軟硬不均地層盾構施工難題一直考驗著工程技術人員的智慧，業界為此付出的代價頻現報端。文章以發展的眼光，梳理了國內盾構在軟硬不均地層施工的曲折歷程。從什么是軟硬不均地層、軟硬不均地層盾構施工所面臨的問題、軟硬不均地層為什么易發生掌子面坍塌入手，引出了國內軟硬不均地層盾構技術發展，詳細闡述了深孔爆破預破碎方案對盾構施工所帶來的次生危害，提出了新形勢下軟硬不均地層盾構技術的思考。主要結論如下：以盾構裝備技術發展實現軟硬不均地層順利掘進，而不再進行預處理,符合科技進步規律與社會發展要求。

軟硬不均地層；盾構；常壓換刀；環保；預處理

0 引言

自盾構工法在國內應用以來，軟硬不均地層盾構掘進的難題一直困擾著工程技術人員，而針對軟硬不均地層盾構施工技術的探索與研究也從未中斷。洪開榮[1]和劉輝等[2]研究了泥水盾構與土壓平衡盾構在軟硬不均地層施工的技術細節；彭桂彬等[3]和鞠世健等[4]就軟硬不均地層地質勘探方法進行了研究；黃恒儒[5]對盾構隧道孤石處理技術進行了研究；宋天田等[6]對復合地層中盾構盤形滾刀偏磨做了分析；劉建國[7]提出了深圳地鐵軟硬不均復雜地層盾構施工對策；赫學林等[8]研究了上軟下硬特殊地層的加固換刀方法；張士龍[9]分析了南京緯三路過江通道工程技術難點；韓偉鋒等[10]對滾刀常壓換刀技術進行了研究；孫志洪等[11]對復合盾構滾刀磨損的無線實時監測系統進行了研究；郭衛社等[12]就臺山核電越海盾構隧洞軟硬不均地層盾構技術進行了研究。

以上研究僅圍繞軟硬不均地層盾構隧道的地質勘探手段、盾構裝備革新發展以及盾構施工技術某一方面展開分析。近年來盾構裝備水平、地質物探技術、工程建造理念和環境保護要求明顯提高。本文就是在此種新形勢下對軟硬不均地層盾構技術方向和趨勢的綜合性思考。

1 什么是軟硬不均地層

軟硬不均地層是復合地層的一種典型表現。軟硬不均地層是指在隧道開挖范圍存在2種以上巖土力學性質、地質特征差異較大的地層。通俗講就是工作面上同時存在“軟”和“硬”2種地層，軟的地層不能滿足盾構常壓開艙；硬的地層需要滾刀破巖。圖1所示的孤石群就是典型的軟硬不均地層，圖2所示的巖土分界面以及孤石群都是典型的軟硬不均地層。

(a) 明挖基坑

(b) 暗挖隧道

Fig.1 Boulder group exposed of open-cut foundation and mined tunnel

圖2 路塹邊坡所揭示的典型軟硬不均地層

2 軟硬不均地層盾構掘進面臨的問題

軟硬不均地層由于工作面地層巖石力學指標及地質特征差異大，盾構掘進過程中容易出現掌子面坍塌、土壓盾構噴涌、泥水盾構環流異常、超量出碴、地表沉降超限、刀盤結泥餅、刀具偏磨損壞和盾構姿態難以控制等問題，出現上述問題的原因主要如下。

2.1 軟硬不均地層中工作面平衡難以建立

盾構施工的核心之一就是要建立和維持工作面的水土壓力平衡，從而達到減少地層擾動、控制沉降和保護環境的目的。在軟土地層中，盾構可以建立起理想的水土壓力平衡模式；在軟硬不均地層中，掌子面上部需要平衡水土壓力，下部僅需要平衡水壓力，如圖3所示。若僅考慮掌子面上部平衡，則下部可能出現超壓；若僅考慮掌子面下部平衡，則掌子面上部出現欠壓。

(a)全斷面軟土(b)上軟下硬地層

圖3 全斷面軟土、上軟下硬地層掌子面水土壓力分布示意

Fig.3 Distribution of water pressure of working face in full-face soft ground and upper-soft lower-hard ground

掌子面超壓在富含黏、粉粒地層中極易出現結泥餅、糊刀盤和刀具異常磨損現象；掌子面欠壓則會發生上部軟弱地層坍塌、超量出碴和沉降超限等情況。

2.2 軟硬不均地層中盾構工作狀態不佳

盾構在軟硬不均地層掘進時，刀盤受力復雜，刀具在掌子面上、下部位貫入度相差很大。刀盤旋轉過程中刀具接觸巖土分界面產生的撞擊易造成刀圈崩刃、開裂和脫落，刀體損壞。

2.3 軟硬不均地層中滾刀容易過載

軟硬不均地層中盾構總推力克服盾殼摩擦力、土艙堆碴反力和后配套拖車牽引反力后，剩余的凈推力全部作用在接觸掌子面硬巖的部分滾刀上面，推力控制稍有不慎，即可造成滾刀過載損壞，引起刀具損壞的多米諾骨牌效應。

2.4 軟硬不均地層中碴土改良難度大

軟硬不均地層中掌子面圍巖物理力學性狀差異大，從松散、流塑、軟塑到堅硬石同時存在。一方面碴土改良的客觀難度增加，另一方面掌子面水土平衡對碴土改良的要求更高。

3 為什么軟硬不均地層易發生掌子面坍塌失穩

土壓或泥水平衡盾構在軟硬不均地層中發生掌子面坍塌、地面沉陷，有人不能理解，既然具備平衡掌子面水土壓力的功能，為何還發生坍塌失穩？

當進入軟硬不均地層后，盾構推力、扭矩等掘進參數波動較大，掘進速度急劇下降，盾構司機本能反應是以出碴換取掘進速度，這必然會導致上部軟弱地層坍塌(見圖4)[13]，從而造成變形與沉降。

另外，盾構艙內所建立的壓力平衡狀態，并非理想的平穩壓力狀態，嚴格意義上講是一種波動的動態平衡狀態。在軟硬不均地層中，艙內壓力平衡的操作稍有不慎，就會發生掌子面坍塌。

圖4 軟硬不均地層掌子面坍塌示意圖

Fig.4 Sketch diagram of collapse of working face in heterogeneous ground

4 軟硬不均地層盾構施工技術歷程

回顧國內軟硬不均地層盾構施工技術的發展歷程，大致可分為4個階段。

4.1 摸索與碰壁階段

國內盾構施工初期，隧道工程技術人員面對日成洞數十米的盾構技術，猶如剛品嘗到駕駛樂趣的新司機駛上了高速公路，新奇、刺激、自信滿滿，唯獨對雨、雪、霧、風等惡劣路況估計不足。2002年3月深圳地鐵2號線某區間盾構軟硬不均地層施工控制不當造成盾構主軸承密封損壞；2003年8月廣州地鐵3號線某區間盾構在軟硬不均地層發生噴涌引起地面塌陷(見圖5)[13]。

(a)

(b)

Fig.5 Ground surface subsidence of heterogeneous ground of a section on Line No.3 of Guangzhou Metro in 2003

圖6為深圳地鐵某盾構區間軟硬不均地層中盾構刀盤超磨的情況；圖7為廣州地鐵某盾構區間盾構刀盤破損情況。

圖6 深圳地鐵某區間軟硬不均地層刀盤超磨

Fig.6 Over-wear of cutterhead of shield tunneling in heterogeneous ground of Shenzhen Metro

圖7 廣州地鐵某區間軟硬不均地層刀盤破損

Fig.7 Wear of cutterhead of shield tunneling in heterogeneous ground of Guangzhou Metro

4.2 預破碎階段

經過初期的嘗試摸索付出了慘重代價之后，工程技術人員認識到軟硬不均地層盾構施工“預則立，不預則廢”，因此，2006年深圳地鐵某區間對軟硬不均地層下伏硬巖進行了沖孔及人工挖井預破碎處理，如圖8所示。

(a) 沖孔預破碎處理方案

(b) 人工挖井預破碎處理方案

圖8 2006年深圳地鐵某盾構區間軟硬不均地層預處理方案(單位：m)

Fig.8 Pretreatment of heterogeneous ground of Shenzhen Metro in 2006 (m)

隨后在廣州、深圳、東莞等地鐵工程及臺山核電海底盾構隧洞工程建設中，各個單位先后應用了深孔爆破預破碎下伏基巖的的方案應對軟硬不均地層。圖9是臺山核電盾構海底隧洞進行爆破預破碎的情況[14]。

(a)

(b)

Fig.9 Deep-hole blasting construction of shield tunnel of Taishan Nuclear Power Station

無論采取何種預破碎方式，為保證盾構順利掘進，破碎后的地層必須進行注漿固結以滿足地層氣密性要求。

盡管深孔爆破預破碎工法工期長、造價高、對環境影響大，但相比較不做預處理盾構施工產生的后果，這些困難都可以接受。這一階段“預破碎”的技術思路規避了許多工程風險，也成了業內的普遍技術法則。但深孔爆破預破碎方案并非完美無缺，破碎后的松散巖塊為盾構掘進帶來了新的次生問題。

1)極易造成泥水盾構艙內滯排。圖10是破碎后巖塊在艙內堆積造成滯排的情景[15]。以臺山核電海底盾構隧洞為例，2012年3—8月累計進艙662次，2 009人次處理艙內滯排，共打撈巖塊824塊，圖11為艙內打撈巖塊情景[14]。

2)預破碎后松散的不規則巖塊會造成一系列設備損壞。首先極易損毀刀具,刀具崩刃、斷裂、脫落幾率大大增加；其次易造成攪拌棒變形、脫落；第三易造成泥水盾構破碎機故障；最后不得不頻繁停機，帶壓進艙處理，帶來較大的工程風險。

3)容易發生漏氣導致艙內失壓現象。雖然預破碎處理后都要進行注漿固結封堵地層空隙，但由于諸多因素影響，盾構掘進過程中發生漏氣失壓的問題比較嚴重。圖12為某盾構區間深孔爆破預破碎段掘進中漏氣失壓的情況。

圖10 破碎松散巖塊造成泥水艙內滯排

圖11 臺山核電海底盾構隧洞艙內撈石處理滯排

Fig.11 Rock treatment in slurry chamber of Taishan Nuclear Power Station

圖12 某盾構區間軟硬不均地層預破碎后出現盾構漏氣

4.3 預加固處理階段

為了避免發生以上的次生問題，工程師們想到能否僅對軟硬不均地層上部的軟弱部分進行預加固改良，然后盾構掘進通過。東莞至惠州的城際鐵路某盾構區間采用了這種方案，加固方案如圖13所示。加固方式為袖閥管梅花形布置，間距1 m。加固體外圈為雙液漿，中間為水泥漿。

從盾構掘進效果來看，在進行了預加固的上軟下硬地層順利掘進通過，沒有發生掌子面坍塌，避免了地表沉陷事故。開艙過程發現，軟弱地層中袖閥管的的作用與樹根樁類似，能夠增加側壁自穩能力。

圖13 莞惠城際鐵路某盾構區間軟硬不均地

Fig.13 Heterogeneous ground of a shield section of Dongguan-Huizhou Intercity Railway

4.4 回歸盾構掘進階段

理論上講只要能夠實現刀具的隨時更換，保證盾構具備破巖能力，在謹慎操作情況下，上軟下硬地層不預處理而順利掘進不無可能。經過二十多年的摸索，工程師們有了回歸盾構掘進的想法，此時，工程技術人員對軟硬不均地層的認識已今非昔比。

圖14為深圳地鐵11號線某區間所做的軟硬不均地層回歸盾構掘進的嘗試。工程師們對長約91 m的軟硬不均段不做預處理，采用盾構掘進通過。該項目使用φ6.98 m土壓平衡復合式盾構，配備人閘裝置。

(a) 平面

(b) 剖面

圖14 深圳地鐵11號線某區間軟硬不均地層回歸盾構掘進方案(單位：m)

Fig.14 Regression shield tunneling program in heterogeneous ground of a section on Line No.11 of Shenzhen Metro (m)

掘進前制定了嚴格的軟硬不均段掘進參數控制標準:刀盤轉速≤1.2 r/min，推力<20 000 kN，扭矩不超過2 000 kN·m,貫入度不小于5 mm；邊滾刀最大磨損<15 mm，中心刀最大磨損<25 mm，超過該指標立即更換。

過程中雖然出現了滾刀偏磨、刀圈斷裂崩刃和螺機噴涌等情況，但全程未出現不可控事故。過程雖然痛苦，但結果好于預期。

2016年3月廣州地鐵4號線南延5標φ11.6 m泥水盾構掘進通過約70 m長花崗巖軟硬不均地層取得成功。

5 新形勢下軟硬不均地層盾構技術的思考

首先，與30多年前相比，中國社會環境保護意識大幅度提高，公民的人權意識也空前高漲，今后若還想在城市或居住區進行深孔爆破預破碎施工，其所面臨的協調與公共監督壓力不可想象；其次，盾構常壓更換刀具的技術日臻成熟，使得隨時更換刀具具備了技術可能。在此種形勢之下，軟硬不均地層盾構技術的進步勢在必行。

5.1 預破碎方案有背于環境保護的要求

黨的十八大將生態文明建設納入中國特色社會主義事業總體布局，把生態文明建設放在突出地位。環境保護是生態文明建設的主陣地和根本措施，各個城市對環境保護的認識高度前所未有；而原來的地面深孔爆破預破碎方案，不可避免要擠占交通道路，產生震動、噪音、粉塵和污水排放，軟硬不均地層預破碎方案在環境保護方面技術先進性不足。

5.2 預破碎方案帶來的次生問題逐漸被業界所認識

如前所述，預破碎方案不可避免地帶來刀具異常損壞幾率增加、泥水盾構艙內滯排與破碎機故障、攪拌棒脫落變形和盾構掘進中漏氣失壓等問題。這些問題都會造成被迫停機，需要帶壓進艙處理，增加了工程風險，方案在安全保證方面先進性不足。

5.3 盾構常壓更換刀具技術取得突破

近年來盾構常壓更換刀具技術已得到工程實踐的檢驗。南京地鐵10號線長江隧道及南京緯七路長江隧道、緯三路長江隧道都應用了常壓更換切刀的技術；土耳其伊斯坦布爾隧道成功應用了滾刀的常壓更換技術。此項技術將在佛山至東莞城際鐵路獅子洋隧道以及汕頭蘇埃通道工程中得到應用。

對于直徑13 m以上的盾構，刀盤刀具設計上可保證每條破巖軌跡上至少有1把刀具可常壓更換，可實現切刀與滾刀互換，因此大大提高了盾構設備在軟硬不均地層中的技術可靠性。

5.4 社會需要更安全、環保、先進的盾構技術

當盾構配置常壓更換滾刀的刀盤后，合理控制掘進參數，攻克軟硬不均地層必將成為盾構技術發展的方向，業界從未放棄此項努力與嘗試，這個方向更符合安全、環保及技術先進性的社會需求。

6 結論與討論

1)盾構以裝備技術發展實現軟硬不均地層的順利掘進，符合科技進步規律與社會發展要求；

2)軟硬不均地層預破碎方案會引發較多次生施工難題，且對環境的影響較大，工程實踐中應根據具體情況謹慎對待；

3)中、小直徑盾構若不具備帶壓進艙條件，推薦預加固軟硬不均地層上部軟弱部分后盾構掘進；

4)軟硬不均地層遇到高水壓、大直徑和極硬巖的情況，對盾構技術來講，其面臨的困難與挑戰難于言表，諸多的技術細節還需要在工程實踐中摸索解決；

5)軟硬不均地層中盾構操作應嚴格限制刀盤轉速，控制推力和扭矩，選取合理貫入度，同時加強刀具的檢查，以精細化的掘進管理彌補技術上的困境與不足，“豫兮若冬涉川”方能保證安全。

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Reflecting on Technologies for Shield Tunneling in Heterogeneous Ground

GUO Weishe

(ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

The technologies for shield tunneling in heterogeneous ground are very important.The development of technologies for shield tunneling in heterogeneous ground is introduced.The development of technologies for shield tunneling in heterogeneous ground in China is presented in terms of definition of heterogeneous ground,problems met during shield tunneling and causes for collapse.The secondary damage for shield tunneling induced by deep-hole blasting is introduced in detail.The reflecting on technologies for shield tunneling in heterogeneous ground is proposed.The author suggests that the development of shield-dedicated equipment technology is the key to successful shield tunneling in heterogeneous ground.

heterogeneous ground; shield machine; cutting tool replacement under atmospheric pressure; environmental protection; pretreatment

2016-04-28;

2016-05-16

郭衛社(1971—)，男，陜西乾縣人，1994年畢業于長沙鐵道學院，鐵道工程專業，碩士，教授級高級工程師，長期從事隧道與地下工程施工技術管理工作。E-mail：112899002@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.005

U 45

A

1672-741X(2016)10-1196-06