地鐵建設中上軟下硬地層盾構法施工技術

吉尚峰

（中鐵十二局集團有限公司，山西 太原 030000）

近幾年來，隨著科技的迅速發展以及城市空間的緊縮，使得城市地下空間逐漸被大面積的開發。在全國各地中，有許多地鐵是分布于比較復雜的地層中，而在對復雜的地層進行施工時，給現在施工團隊帶來非常大的挑戰，比如對于上軟下硬地層結構，盾構法就是難度挺大的一種施工技術，盾構法推進如果處理不好，會造成許多危害，如地面沉降值超過國家標準值而造成建筑物的傾斜破壞，地面塌陷等等不良情況。本文以上軟下硬的地層結構施工為例子，總結其施工經驗，并結合實際情況提出了這種復雜地質結構的地層在地鐵施工時應該注意的事項。

1 施工技術和施工經驗及其注意事項

1.1 地鐵建設的施工技術

在對上軟下硬的地層結構進行施工時，首先應該提前明確施工組織的針對性和準備好在施工過程中可能遇到突發狀況的預防措施，除此之外，還應該強化對施工的技術管理人員以及盾構機操作人員的培訓。詳細的施工技術方法包括以下六點。第一，在施工過程中如遇上軟下硬的地層結構，首先應該詳細勘察確定巖層和土層的分布范圍以及厚度，如果通過普通觀察不能獲得基本信息，就需要借助鉆孔機進行鉆孔勘察，直到獲得實際巖層和土層的分布范圍和厚度；第二，在盾構隧道掘進機開始施工前，應該結合施工區域的地質勘測報告和地面允許沉降值，預裂爆破隧道掘進機能夠輻射的范圍的巖石層和土層，巖石層和土層在爆破后破裂后，需要進行注漿加固修復。在預裂爆盾構機影響范圍內的巖石和土層時，應該提前檢驗和試驗孔距和爆破的深度以及所裝的炸藥量，與此同時，還應該參照國標的《爆破安全規程》校核，巖石經過爆破后對石塊粒徑的大小還有標準的要求，如不超過30 厘米。第三是，工程在開始施工前，還需要提前研究盾構隧道掘進機的推進控制參數，通常情況下盾構機的推進參數控制為：刀盤的轉速每分鐘不超過1.2 轉，盾構機的推進力度不超過20MN，扭矩也應該控制在2000kN·m之內，貫入度不超過＜0.5 厘米，要求掘進機的邊滾刀最大磨損控制在1.5 厘米之內，中心刀的最大磨損不能超過2.5 厘米，在施工中如果發現磨損超過標準要求的范圍，應該立即更換。第四，盾構機在掘進的過程應該對出土量進行嚴格控制，通常每還檢查次數應該超過3 次。第五，盾構機在掘進時應該及時向土艙注入渣土改良劑，確保有穩定的開挖面，一般常用的渣土改良劑有兩種，一種是泡沫，另一種是泡沫與膨潤土的混合物。第六，防止發生噴涌現象常采用的措施有三種，其一，在土艙及時加入高黏度的泥漿；其二，將注漿漿液的初凝時間調短；其三，在恰當的時間進行二次注漿。

1.2 經驗及注意事項

對施工經驗和應該注意的事項進行總結如下：1） 在施工過程中如果遇到突發情況，首先應該先停止機器；2） 對渣土改良的工藝進行不斷的改進和完善；3） 經常檢查刀片的磨損程度，對磨損嚴重的刀片要及時更換；4） 預裂爆破盾構機影響范圍的巖石后，應該仔細尋找殘留孔，并進行封堵，防止盾構機在推進時地面出現冒漿的現象；5） 巖石經過預裂爆破后，隧道洞內通常會出現有害氣體，為了安全起見，應該加強隧道洞內的通風力度和檢測是否存在有害氣體；6） 在施工中藥控制盾構機的施工姿態和施工的技術參數，要時常關注并警惕掘進機和其參數的異常狀況；7） 對地面應該加大巡查的力度，做好突發情況的預案措施，保障施工正常進行。

2 上軟下硬地層盾構施工對策研究

2.1 盾構掘進參數控制

（1） 盾構機掘進的模式。盾構機在開挖地上“軟”土層部分時，具有以下幾個特點，遇水土層發生軟化、土層容易崩解以及軟土層的強度下降等特點，但是在一定的時間內盾構機進行掘進時還是存在一定的穩定性的。考慮到地下水源對施工的影響，在施工前應該在開挖面設置一定的壓力來避免地下水涌入土艙的風險，同時還能降低水土流失的程度和避免出土器出現噴涌的現象。所以，在施工過程中，對于這種地層復雜的上軟下硬結構土層進行掘進時，盾構隧道掘進機通常采用的是半敞開模式，半敞開模式就是指1/2-1/3 的渣土需要滯留在土艙內，其次在土艙內注入渣土改良來穩定開挖面的壓力，通常采用的渣土改良劑包括泡沫或者膨潤土。

（2） 盾構機技術參數的設置。盾構機的技術參數主要包括刀盤的轉速掘和機器掘進的速度以及貫入度。在盾構機在上軟下硬的復雜地質結構土層中進行施工時，有些區域的巖石硬度非常高，這種情況下處刀盤滾刀的受力面積較大，如果刀盤的轉速非常大的情況下，則會對刀片的損耗特別大，所以遇到這種特殊復雜的地質結構應該降低刀盤轉速；而對于軟土層來說則不存在類似問題。因此，盾構機在這上軟下硬的土層中和掘進時應該將貫入度控制在25t 以內，掘進的速度應該控制在每分鐘0.3 厘米，刀盤的轉速應該不超過每分鐘1.6 轉。

（3） 刀盤扭矩及油缸推力。對于遇到硬巖石的施工區域時，為例最大限度的降低刀具的磨損程度，最常采用額方式就是盡可能的減少刀具在連續工作時所受到的沖擊力。通常來說，刀具受到硬巖石的沖擊力所體出的特征就是刀盤扭矩，因此，換一種方式說就是通過減小刀具受到的沖擊力是減少刀盤出現扭矩現象最有效的方式。對于上軟下硬的復雜地層結構，盾構機的刀盤扭矩力應該控制在1700kN/m 左右，推進力應該控制在1000-1800 噸范圍內。

（4） 掘進方向偏差控制。對于如何有效的控制上軟下硬地層盾構機掘進方向的偏差，需要注意兩方面的內容，第一方面，不僅要對開挖面的地層分布情況要求進行充分的勘察和了解，同時還要對開挖面地層分界面的變化情況要充分掌握，以此初步制定一個掘進的技術參數方案；第二方面，對盾構機掘進的方向要進行嚴格的控制，采用的方式就是GPS導向系統。在盾構機掘進的過程中藥密切關注盾構機的路線，如果發現方向發生偏移，應該立即停止機器重新調整技術參數，掘進機基數參數的調整通常遵循一個原則就是“及時性、連續性、限量性”，應該對盾構機進行逐環、小量的調整其姿態，避免調整力度過大導致盾構機出現曲折前進的現象，調整不當還可能造成刀具磨損嚴重。

2.2 碴土改良技術

為了保證開挖面壓力的穩定性，土艙中添加渣土主要作用體現在以下幾個方面：1） 使得注入土艙內的土砂的塑性和流動性得以提高；2） 土砂與渣土的混合物可以降低滲水性；3） 避免盾構機機體內吸附土砂的現象；4） 可以降低刀盤的磨損；5） 降低刀盤所受沖擊力而出現的扭矩現象。

2.3 帶壓開艙換刀技術

盾構機在上軟下硬復雜地層區域中施工時，特別應該注意加大檢查刀具的次數，密切關注掘進機刀盤受損狀況，確保掘進機的刀盤處于鋒利狀態。如果發現刀盤的磨損超過標準要求的范圍，應該及時對刀盤進行更換，如果沒能更換刀盤繼續進行掘進時，非但不能加快工作進度，反而會適得其反，對掘進機的刀盤和刀盤造成不同程度的損壞，更嚴重的會減少盾構隧道掘進機的正常壽命。在更換盾構機的刀具時，最好應該選擇在地質條件好、地層穩定的區域進行。如果施工區域沒有穩定的區域可供掘進機更換刀具時，必須要對地面進行地層注漿加固，務必營造一個穩定的開挖面。

3 結語

盾構隧道掘進機在硬巖層區域施工時，其穩定性非常好，不會輕易發生坍塌現象，因此掘進機可以采用半敞開模式或者全敞開模式。這種模式下掘進機推進時地標也不會下沉，因此土艙壓力維持很小就可以推進。盾構機在上軟下硬的復雜土層結構土層中施工時，盾構穿越是難度系數最大的，因此，本文的重點就是從盾構機施工的技術參數和渣土改良的技術兩個角度出發，來研究探索在上軟下硬的土層中掘進機的關鍵控制點和注意事項。