復合地層盾構施工技術研究

周書宇 趙現偉

摘 要：針對廣州地鐵為代表的復合地層，分析了盾構機在復合地層中常見的刀盤刀具磨損、姿態難控制、結泥餅和噴涌等施工風險，并提出了相對的應對措施。

關鍵詞：盾構施工；復合地層；姿態控制；應對措施

Abstract：in view of the composite strata represented by Guangzhou metro，the construction risks such as tool wear，attitude difficult control，mud cake and gushing are analyzed in the composite stratum，and relative measures are given.

Key words：shield construction；composite strata；attitude control；Countermeasures

隨著我國經濟和城市建設的大力發展，城市交通擁擠等問題也逐漸成為各城市要解決的首要問題。而城市地鐵作為一種安全、快捷、高效、環保的交通形式，迅速成為許多大城市解決交通問題的首要選擇[1-2]。據中國城市軌道交通協會信息2018年第1期公開數據顯示：截至2017年12月31日，中國內地累計有34個城市建成投運城軌線路5032.7公里；2017 年新增石家莊、珠海、貴陽、廈門4個運營城市；新增33條運營線路，868.9 公里運營線路長度。新增線路再創歷史新高，比2016 年新增線路534.8 公里增加334.1 公里，增幅達62.5%。而在地鐵施工中盾構法由于對環境影響小，不受地形、地貌、江河水域等條件限制，以及施工安全、快速等諸多優點[3-4]成為眾多工程的最佳施工方法。在盾構施工中涉及復合巖層開挖面的工程案例有很多，例如四川成都的地鐵 1 號線，重慶銅鑼山隧道，長沙地鐵2號線，廣深港獅子洋隧道，廣州地鐵隧道工程等，故地鐵盾構施工中會不可避免的面臨復合地層的掘進問題。

1、施工風險

在許多工程開挖斷面范圍或開挖延伸方向上，由2種或2種以上不同地層組成，且這些巖層的物理力學、地質狀態等特征相差懸殊，這種地層組合可稱為復合地層[5]。其中以廣州地鐵隧道為代表，開挖面多為復合地層。而復合地層中縱斷面上地質情況變化較大，且存在斷層、溶洞、等大量不良地質體，在此地層中掘進存在許多風險，主要表現為刀盤磨損嚴重，姿態控制困難，開挖面失穩、噴涌、結泥餅等風險事件，嚴重時還造成卡機現象，不僅會造成工期延誤，成本增加，還會對施工安全造成嚴重威脅。

（1）磨損問題

盾構機在復合地層中掘進時，由于復合地層中多出現軟硬復合的復合地層，在這種地層種，滾刀荷載、扭矩變化幅度大頻率高，導致刀盤受力不均，引起刀盤振動，造成滾刀磨損增加，特別是滾刀的異常磨損增加。

（2）姿態控制問題

在復合地層盾構掘進過程中，刀盤切削工作面上部軟弱地層易進入密閉倉，下部較硬巖層不易破碎。盾構機的豎向姿態容易向軟弱地層偏移，從而導致盾構機的姿態不易控制，機頭定向困難，刀盤卡住不能轉動。

（3）泥餅問題

復合地層中粘土顆粒含量普遍較高，為了保證軟土層的穩定性，倉內土壓需要保持較高。同時，由于下部堅硬的巖石部分掘進較慢，倉內土體由于摩擦作用溫度上升，致使刀盤易產生泥餅現象。

（4）噴涌問題

如泥餅問題一樣軟土層需倉內保持較高土壓，硬巖部分掘進困難，在大透水性的復合地層中易出現噴涌問題。

2、應對措施

根據盾構機在復合地層中施工常見刀具磨損、姿態難控制困難、結泥餅、噴涌等施工風險，參考廣州復合地層中地鐵盾構施工經驗 [5-8]，從盾構選型、刀具選擇、信息監測與反饋等方面提出應對措施。

（1）盾構選型

盾構機的選型主要根據工程地質條件選擇，但同時還要考慮工期條件、造價、環境、設計路線和基地條件等綜合因素。在復合地層中盾構機的選擇既要滿足硬巖掘進和又要滿足軟土開挖功能，故要采用復合式盾構機。同時針對具體工程條件還要進行垂直注漿加固、地表沖孔、洞內爆破開挖處理、地表垂直爆破及洞內水平鉆孔切割等輔助工法進行處理。

（2）刀具選擇

在復合地層中盾構機應選用復合式盾構機，刀具的設計應既能滿足軟土地層又能適應硬巖地層，同時要能夠滿足刀具更換、修理的方便及時。對刀具應“勤檢查、勤更換”。

（3）信息監測與反饋

盾構機在復合地層中掘進施工，應加強掘進信息監測和地層沉降監測工作，并及時作出信息反饋。

1.盾構機司機和值班工程師應根據油缸推力、驅動速度、系統溫度等參數判斷地層的軟硬度。

2.在硬、硬不均勻地層中，盾構機司機應仔細觀察盾構機的振動并聽刀具掘進的聲音，根據振動和聲音及時調整刀盤的推力和速度，并刀盤扭矩的變化。

3.值班工程師應注意觀察土渣的顏色、形狀和溫度，以確定殘渣的土質，根據信息選擇合理的掘進參數。

3、結語

在復合地層施工中應選擇選擇合適的盾構、選用相應的滾刀配置和刀具組合及進行科學的施工控制管理。本文針對廣州地區復合地層條件下的盾構掘進存在的刀具磨損、姿態難控制困難、結泥餅和噴涌等施工風險，在盾構選型、刀具選擇、信息監測與反饋等方面提出應對措施，為盾構隧道建設在復合地層中盾構施工提供參考。

參考文獻

[1]顧岷.我國城市軌道交通發展現狀與展望[J].城市軌道交通，2011（10）：53-56.

[2]施仲衡，王新杰，沈子鈞.解決我國大城市交通問題的根本途徑：穩步發展地鐵與輕軌交通[J].地鐵與輕軌，1996（1）：2-5.

[3]劉建航，侯學淵.盾構法隧道[M].北京：中國鐵道出版社，1991：3.

[4]HE Chuan，WANG Bo.Research progress and development trends of highway tunels in Chin[J].Journal of Modern Transportation，2013，21（4）：209-223.

[5]劉學偉，魏萊，雷廣峰，劉泉聲.復合地層TBM雙滾刀破巖過程數值流形模擬研究[J].煤炭學報，2015，40（06）：1225-1234

（作者單位：河南大學土木建筑學院）