巖溶地區上軟下硬地層盾構施工技術

戴升宏/DAI Sheng-hong

（廣東華隧建設集團股份有限公司，廣東 廣州 510335）

盾構法施工已經成為地鐵隧道一種重要的施工方式。由于盾構推進對土體的擾動會影響到地表以及施工范圍內的建筑物，所以盾構對施工段地層的適應性和盾構施工措施的選擇，是盾構施工的重中之重。在實際施工中，需要針對不同的地質情況，選取合適的施工方案。

廣州市某盾構區間工程地處鬧市區，屬巖溶地區，必須有效控制區間發育溶土洞和砂層中地下水的穩定平衡，確保地上建構筑物的安全。區間線路地質情況較為復雜，軟硬變化較大，軟硬交替，沿線的巖面線起伏較大，存在全斷面軟弱地層、全斷面硬巖及上軟下硬3種復雜地層，盾構在本區間施工過程中難度較大，需適應不同地層掘進要求，砂層及巖層對刀具的磨損十分嚴重，同時上層軟弱覆土要求盾構施工對地層的擾動降至最小，盾構施工需制定相應不同應對措施。

1 地質概況及存在的重難點

區間隧道穿越的地層主要有：粉細砂＜3-1＞、中粗砂＜3-2＞、礫砂＜3-3＞、沖洪積土層＜4N-2＞、＜4N-3＞，淤泥質粘土＜4-2B＞、殘積土＜5C-2＞、炭質灰巖及灰巖殘積土＜5C-2＞、灰巖強風化＜7C＞、灰巖中風化＜8C-1＞、灰巖微風化帶＜9C-2＞。其中＜8C-1＞地層單軸抗壓強度最大為32.7MPa、＜9C-1＞地層單軸抗壓強度最大為66.2MPa，＜9C-2＞地層單軸抗壓強度最大為92.83MPa。巖相變化、風化程度不均勻、地層組成成分不同及掘進面的巖性不一，是盾構法施工的不利條件。

盾構區間存在全斷面中風化炭質灰巖＜8C-1＞、微風化灰巖＜9C-2＞，局部存在泥巖、頁巖中風化＜8C-2＞、灰巖微風化帶＜9C-2＞，隧道盾構掘進面巖層強度差異較大，盾構在上軟下硬地層中掘進，盾構姿態控制困難，不僅容易抬頭，而且容易整體抬升引起盾構掘進偏位或抬頭，在該類地層中如何有效控制盾構姿態、確保準確控制施工軸線是須解決的難題之一。

泥水盾構在上軟下硬地層中掘進會遇到種種難題。例如在含有高粘性土或泥質巖夾層的地層中掘進時可能會在刀盤尤其是中心區部位及土倉隔板前刀盤支撐之間產生泥餅，當產生泥餅后，泥餅會裹住滾刀使滾刀偏磨，從而導致掘進速度急劇下降,刀盤扭矩也會上升，并造成刀盤油溫過高使盾構無法掘進；在上軟下硬地層中掘進時，由于軟土層和硬巖層的壓縮變形模量不同，掘進過程中刀盤受力不均，容易產生偏心受力，損壞刀盤和主軸承密封等等問題。

本區間位于廣花凹陷區域，受廣從斷裂控制，設計詳勘階段鉆孔揭示見洞率為35%，多呈串珠狀。掘進過程中有可能出現未探明溶洞，由于漏漿導致盾構土倉欠壓引起掌子面坍塌、地面塌陷等問題。

2 主要對策

2.1 溶土洞的探查及處理

隧道施工前，對于詳勘揭示的溶洞提前進行鉆孔，探查溶洞具體的位置、大小、填充狀態，然后在地面通過注漿設備填充水泥漿或者水泥與水玻璃雙液漿。本區間溶洞發育強烈，見洞率高，所以還需要在詳勘的基礎上，對區間進行加密補充勘察，盡可能地發現溶洞，并提前處理，避免出現不必要的險情。

本工程對盾構配備超前注漿系統，可保證掘進過程中在隧道前方進行溶土洞探測及處理（圖1）。在掘進過程中每掘進一環進行一次超前探孔工作，通過盾構改造的超前孔向刀盤前方插入鉆桿，深度至刀盤前方0.5m處，若在0.5m方位內出現掉管的情況說明前方存在空洞，則將鉆桿繼續向前深入至出現阻力位置，根據進桿長度大概計算土洞大小，采用盾構注漿泵向前方進行砂漿注入，注漿過程中控制好切口水壓的波動情況，注漿壓力控制在切口水壓值以下，注入過程中緩慢抽回鉆桿，同時通過觀察排漿口出漿情況判斷空洞是否填滿，注漿完畢后繼續盾構掘進施工。

2.2 刀具的優化配置

區間盾構隧道施工中，針對區間硬巖沿線分布較多且砂層為主的特點，配置全斷面滾刀，中心部配置（圖2）每個刀圈可獨立回轉的強化型雙刃滾刀（帶合金粒），轉速快磨耗多的外周部配置了高強耐磨單刃滾刀，既可有效地提高破巖能力，又可有效防止刀具磨損的不均衡性，從而可減少進倉換刀的次數。由于輻條兩側刮刀合金在灰巖地層中容易出現崩塊情況，所以在本工程中將刮刀強度等級由13降至12，使其有更好的抗沖擊能力。

圖1 盾構機超前注漿口改造示意圖

圖2 刀具配置示意圖

本工程刀具配置主切削刀以滾刀為主，正面環向并排的軟巖刀具將高度稍矮的一把割掉，在施工過程中，刀具檢查時所有刮刀只要有磨損或者崩角的全部更換新刀；刮刀新刀具采用低一號硬質合金刀具，特別是在灰巖地層中掘進，當開倉檢查發現磨損大于1cm的刀具都需要進行保養，滾刀重新更換密封，測量扭矩后更換至內圈使用；最外圍3把滾刀同一軌跡線上加焊貝殼保護刀，保證開挖直徑。

2.3 建立動態泥漿性能控制系統

在典型的上軟下硬地層中，在無粘土夾層存在的情況下，地層含泥量低，土體自身的造漿能力差，而要穩定開挖斷面內上部砂層，需要相對密度較大的泥漿，使切削表面的成膜速度增加，盡快穩定切削面，而要將掘削下來的大塊土石顆粒帶入環流系統要求較高的泥漿粘度，因此需要事先儲備較大比重的泥漿以備使用。在由粘土夾層存在的地層情況下，土層自身的造漿能力強，需要適當降低入口泥漿粘度和比重，從而使泥漿保持合理的性能。

根據我司在廣州地鐵五號線大～中區間及九號線5標泥水盾構施工中幾例典型的上軟下硬地層掘進施工經驗，為保證施工的順利進行，利用現有的地質資料對切削面地層的分布，并根據環流出口的泥漿性能指標進行分析，判斷現有地層特征，建立動態的泥漿性能控制系統，實時調控泥漿的性能指標，保證泥漿最優性能。

另外，因掘進過程中有可能遇到勘察階段未發現的溶土洞，所在在平時施工過程中，需注意現場泥漿的儲備，同時在現場備置一定數量的膨潤土。當遇到竄珠洞或是連通的溶土洞及時補充泥漿，使盾構穩壓，且在施工過程中也要密切注意艙內壓的波動。

2.4 建立盾構掘進參數動態控制系統

進入上軟下硬地層后，盾構的推進千斤頂由于受力不均，不僅容易抬頭，而且容易整體抬升，因此，在掘進過程中提前采用改變推進千斤頂數量和鉸接控制的方法對盾構姿態進行調整，提前將盾構姿態向下調整一定角度進行掘進，防止盾構向上超限。

除此之外，在典型的上軟下硬地層中掘進時，下部的硬巖要求刀盤高速轉動并增加推力快速掘進，而上部軟土層則要求刀盤低轉速，略高于正常值的切口水壓掘進。同時由于軟土層和硬巖層的壓縮變形模量的不同，容易使刀盤受力不均而發生偏心受力，導致刀盤和主軸承密封損壞，故需要根據實時的地質條件調整盾構的掘進推力、扭矩以及排泥泵轉速等參數建立動態控制系統來保護機器設備。

盾構掘進參數控制建議：①適當降低刀盤轉速；②切口水壓根據地層進行計算，合理選擇軟、硬地層的切口水壓；③掘進速度控制在5～8mm/min，推力在1000～1800t之間，根據實際地層情況適當調節各參數。

2.5 盾構姿態的控制與管片防裂損

在此種地層中掘進，管片易形成裂縫或破損，因此通常做法是：①控制盾構的扭轉，選擇合理的推力；②嚴格管片選型，以適應盾尾間隙為主，兼顧設計線型，確保盾尾間隙均勻；③提高管片的安裝精度。對于管片環面不平整和千斤頂撐靴重心偏位，要及時更換新的千斤頂撐靴，并予以調整。④正確控制好盾構姿態，緩慢掘進，慎重糾偏。盾構糾偏時應注意：在切換刀盤轉動方向時應保留適當的間隔，切換速度不宜過快；根據掌子面地層情況及時調整掘進參數和掘進方向，避免引起更大的偏差；蛇形的修正應以長距離慢慢進行為原則，如修正得過急，蛇形反而更加明顯；⑤控制注漿壓力，確保填充質量。

2.6 防止泥餅的形成

針對本工程的地質情況，對刀盤結泥餅從兩方面入手，一是盾構自有性能防結泥餅，另一方面從掘進控制防結泥餅。

1）盾構自有性能防結泥餅 ①開口率達到31%，保證渣土順利進入土倉；②刀具配置上，同軌跡線只配置一把刀具，防止刀具布置過密刀盤結泥餅；③盾構配置P0泵循環系統，盾構P0泵可將泥漿通過中軸送至刀盤前方，有效對前方刀盤中心進行沖刷，有效防止刀盤結泥餅。

2）掘進控制防結泥餅 ①做好泥漿指標的控制，每班不得少于3次監控泥漿指標；②當出現泥漿粘度變化較快，扭矩上升較快的情況，多數因為已結成泥餅，要及時開倉清理，要加強各項指標監控，及時調整，及時開倉；③在粘土層掘進時，每掘進30cm利用切口水壓后退盾構3cm進行洗倉。

3 結 語

在本工程巖溶地區上軟下硬地質條件中進行盾構掘進施工，所采取的措施都取得良好效果。盾構刀具配置的優化，促使盾構的掘進效果較好，并在我司其他車站區間的灰巖地區得到成功運用；建立動態的泥漿性能控制系統，實時調控泥漿的性能指標，在本工程中保證泥漿的最優性能；建立盾構掘進參數動態控制系統，可針對不同地質條件進行參數調整，確保盾構順利掘進。

[參考文獻]

[1]陳 饋，洪開榮，吳學松．盾構施工技術[M]．北京：人民交通出版社，2009.