土压平衡盾构在上软下硬复合地层中的施工风险及技术应对措施

陈振豪

摘要：文章结合工程实例，介绍了土压平衡盾构穿越上软下硬复合地层所面临的施工风险，分析了施工中遇到的难点问题，并针对施工风险提出了主要技术应对措施，最终保证了盾构机顺利完成掘进施工，对类似地层的土压平衡盾构隧道施工有参考和指导作用。

关键词：土压平衡盾构；地铁隧道工程施工；上软下硬地层

盾构法是地铁隧道工程施工中一种十分重要的施工工法，该工法在科学合理的控制下可以保证地面交通正常通行而不会造成不良影响，并且能够良好地保护隧道工程周边建构筑物，能够适应市政工程复杂多变的施工条件，在地铁隧道工程施工中有明显应用优势。

1研究实例

某盾构区间上软下硬地层段，总长206.7m（DK27+260.6~DK27+467.3），位于盾构到达端部位，下部主要为<9C-2>微风化灰岩，岩面较陡，在隧道范围内沿盾构掘进方向高低起伏，最大高差约6m，岩层上部为<3-1>粉细砂、<3-2>中粗砂、<3-3>砾砂，灰岩的主要矿物成分为隐晶质结构、硅质胶结，局部裂隙稍发育，见少量方解石细脉，岩芯强度较高，饱和单轴抗压强度21.3～95.6MPa、标准值63.41MPa，天然单轴抗压强度35.8～138.3MPa、标准值69.4MPa，属较硬岩～坚硬岩，岩体较完整但岩芯多见溶蚀沟槽，近似RQD值多在60%～80%左右，岩体基本质量等级为Ⅱ～Ⅲ级。而上部的<3-1>粉细砂、<3-2>中粗砂、<3-3>砾砂地层透水性较高，渗透系数达3-11m/d。

土压平衡盾构在该段上软下硬地层中掘进时，面临着刀具易损坏、螺旋机出土口易喷涌、开挖面易失稳以及盾构掘进各项重要参数难以控制等多个造成盾构掘进困难的施工技术难点，存在导致地面塌陷及连带建构筑物沉降破坏等风险，通过采取渣土改良、优化刀具配置以及合理控制盾构施工参数等多种技术应对措施，保证了盾构施工安全顺利。

2主要施工难点及风险分析

土压平衡盾构机的简单原理是在切削开挖面岩体或土体等单一地层时，通过控制土仓内渣土压力与开挖面的水土压力动态平衡，实现掘进过程能够保持开挖面的稳定，从而控制地层中的水土压力保持稳定而消除地表沉降等风险。在上软下硬地层中掘进时，由于上下地层的力学性能差异大，且各自占开挖面比例随着掘进在不断变化，土压平衡盾构机在单一地层所采用的掘进参数、刀盘配置以及姿态控制方法等控制方案不能适应复合地层，需要根据复合地层变化情况动态调整控制方案，而往往控制方案的调整滞后于复合地层的变化，故上软下硬的施工难度大，而主要存在以下多种施工难点及风险，会造成盾构机的掘进过程中难以控制地层中的水土压力保持稳定继而可能产生地表沉降等险情。

2.1刀具易损坏

在该段上软下硬地层中掘进时，盾构机刀盘上的刀具与下部硬岩作周期性碰撞，容易造成刀具偏磨、崩边、刀圈开裂等损坏，甚至刀盘和轴承受偏心荷载作用易致使主轴承受损或主轴承密封被破坏。

2.3螺旋机喷涌

由于该段上软下硬地层的上部为富水砂层，在掘进过程中，螺旋机出土口易发生喷涌造成地面沉降风险，影响盾构连续掘进。

2.4开挖面失稳

盾构机在该段上软下硬地层中掘进时，刀盘对下部硬岩切削效率低会导致上方渗透性较强的细砂层会因受到频繁扰动及振动而流失较多，即砂层超挖，最终造成开挖面失稳且上方土体坍陷后携裹地下水涌入土仓。

2.5盾构掘进各项重要参数难以控制

在上软下硬地层掘进过程中，由于开挖面地层的软硬不均匀性，在软硬交界处盾构的千斤顶推力易出现不均匀现象且刀盘扭矩波动幅度较大，受此影响，盾构机掘进轴线易偏向上部的软土层，从而偏离设计轴线造成盾构姿态控制困难，且盾构千斤顶推力的不均匀也容易导致衬砌管片的错台、破损等，故盾构的掘进效率会受到极大限制。

3针对性技术措施

3.1上部砂性土加固

为避免螺旋机发生喷涌，采取对上部砂层进行注浆双液浆加固的措施，通过固化上部砂性土，增强其自立性和稳定性，从而减少软硬地层的不均匀性并为后续的气压开仓换刀提供必要的外部环境。

3.2采用楔形合金滚刀

通过采用最合适盾构刀具，提高隧道掘进机开挖刀具抗冲击能力，降低盾构掘进过程中刀具损坏（偏磨、崩边、刀圈开裂），减少开仓换刀次数，控制地面沉降或塌陷，并降低开仓过程中对周边环境的影响及风险，保证盾构机平安顺利快速掘进，提高掘进效率。而楔形合金滚刀体性能较好，对灰岩区及上软下硬地层适应性较强，抗冲击、抗偏磨性能较好适用于对刀具使用耐久性较高的软硬不均地层。

3.3设定合理的施工参数

盾构在上软下硬地层中掘进，可通过稳定的贯入度控制来调整总推力、刀盘扭矩，从而控制推进速度，以降低刀具的冲击损坏风险，并且根据线路的埋深及地层情况，通过试验段来选取适宜的施工参数控制值。

3.3.1贯入度

盾构机装配的滚刀在硬岩层中掘进，如贯入度设定过小，则滚刀受力不足导致难以转动，从而造成刀具偏磨损耗较大；如贯入度设定过大，刀具受到的冲击荷载一旦超过本身的极限荷载，则很可能崩裂损坏，并且还可能产生一连串的连锁反应，造成刀盘上刀具大范围损坏，因此选择适宜的贯入度就显得极为重要。

3.3.3刀盘转速

在上软下硬地层中掘进，由于下部硬岩的硬度较高，刀盘刀具在切削硬岩时受力较大，使刀盘刀具的受损也较大，因此应适当降低刀盘转速，使刀具受到的瞬时冲击小于安全荷载。

刀盘的转速控制在1.4～1.6r/min，同时在掘进过程中加强对刀具的监控检查，在满足条件的前提下进仓检查、更换刀具。

3.3.4土压

在上软下硬的地质条件下，盾构掘进应保持合适的土仓压力与掌子面的压力平衡，即在全土压平衡模式下掘进，确保土仓压力不至于过低导致掌子面失稳坍塌、地面沉降，也不至于过高导致地面隆起、刀具过度磨损，经试验该种地层下的盾构掘进土压控制在1.1~1.5bar左右。

3.4渣土改良

土压平衡盾构的掘进过程中，通常采用的渣土改良剂为膨润土浆液及泡沫剂。膨润土与水混合后形成膨润土浆液，具有一定的黏滞性、触变性和润滑性，膨润土浆液与水、泥、砂等物质的掺合物具备可塑性和黏结性的特性，泡沫剂可起到改良土质、润滑、冷却和减摩的作用。二者共同作用，既增加了渣土的稳定性，又对盾构掘进起到了润滑作用。

盾构掘进时，渣土改良剂可由泵送设备通过中心回转轴连接刀盘，通过刀盘面板上分布的8个注射孔注入到刀盘前方。

3.5有意识地进行开仓换刀

在上软下硬地层掘进过程中，盾构机刀盘滚刀的磨损量超过标准值时，若不及时更换刀具，强行掘进很可能导致刀具、刀座甚至刀盘的损坏，在影响盾构机掘进效率的同时也严重影响盾构的使用寿命。因此，应该有意识地在满足开仓的条件下增加开仓检查的频率，观察刀具的磨损情况，对磨损严重或损坏的刀具进行更换，确保刀具持续有效工作的能力，同时也根据刀具的磨损情况来总结施工参数的设置经验。

盾构的开仓换刀宜选择在工作井或地质条件较好、地层较稳定的地段进行。针对上软下硬地层，由于上部为不稳定地层，因此必须采用地层加固或气压法开仓等方面的措施，确保开仓期间开挖面维持稳定。

4实施效果

盾构在掘进过程中，通过软弱地层注浆加固，采用楔形合金滚刀，对刀盘刀具的勤查勤换，采用气压进仓更换刀具，设定合理的施工参数，并加强监控量测等多措施并举，最终实现了盾构安全地掘进，正常掘进阶段以平均3~4环/d的速度进行施工。

5结语

综上所述，在地铁工程盾构施工穿越上软下硬地层结构时，需合理运用盾构施工技术。在本工程施工中，盾构刀具配置的优化、注浆加固上部砂层、合理设置施工参数、渣土改良以及有意识地进行开仓换刀等技术措施是盾构施工顺利进行的有力保证。鉴于地质情况的特殊性，本人相信除了上述施工技术措施，仍有许多其他行之有效的施工技术措施值得不断探索、学习，应继续根据盾构操作经验，多思考，多归纳，总结出一套合理的盾构操作技术，切实提升盾构穿越上软下硬地层施工的整体水平。

参考文献：

[1]杨强，王璐.土压平衡盾构穿越不良地质施工技术[J].科技创新与应用，2013（26）：190-190.