軟硬不均復雜地層盾構施工關鍵技術與管控

丁 濤 孫 艷

廣東榮文科技集團有限公司 廣東 東莞 523000

1 工程簡介

本區間工程單線設計長度1713.89m，采用盾構法+礦山法施工，其中盾構法單線長度為539.73m，最大縱坡為25‰的V型坡隧道，管片外徑6000mm，內徑5400mm，寬度1500mm，采用開挖外徑為6300mm的土壓平衡盾構機進行施工。該區間盾構段主要穿越上軟下硬地層和全斷面巖層，地層起伏變化較大，地表以下地層為素填土、粉質粘土、碎石土、粗粒砂、中微風化巖石，地下水類型主要為第四系潛水和基巖裂隙水，其中第四系潛水向下補給基巖裂隙水。此隧道位于市區次干道下方，設防水位線以下6.2m-11.6m，覆蓋層厚度H=12.5m-14m，全斷面巖層段隧道圍巖等級為Ⅲ-Ⅳ級。

2 軟硬不均復雜地層盾構施工中的重難點問題

2.1 始發、到達施工問題

盾構段設計采用反力架+基座始發，始發洞身范圍上部2/3為較密實的粗粒砂，下部1/3為較完整的堅硬巖，上軟下硬強度差距大始發姿態控制困難，易造成反力架變形量大，盾構機抬頭、偏移，洞周地表大面積下沉等問題。接收段采用礦山法進行初期支護后回填渣土，再由盾構平推拼管片通過，礦山法初支面凈空尺寸超欠及弧形導臺施工強度低厚薄不均，易造成盾構卡機、軸線偏移等問題。

2.2 開倉換刀施工問題

盾構主要穿越軟硬復合地層和全斷面巖層，在這種地質條件下施工，對盾構刀具的磨損非常嚴重，開倉換刀頻次高，既有常壓換刀又有帶壓換刀（氣壓作業），盾構帶壓換刀作業時間比較長，周圍地層條件需要滿足氣體保壓的要求，否則在上軟下硬地層中換刀容易出現地層失穩、地下水滲漏等問題。本區間地下水類型主要為地表潛水和巖石裂隙水，其中地表潛水向下補給巖石裂隙水，在中風化巖層、上軟下硬地質條件下更換刀具存在地下水的涌入的風險問題。

2.3 刀盤結泥餅問題

當開挖斷面地層黏土礦物含量超過25%時，結餅幾率隨著黏土礦物含量增加而增大，根據本勘察揭露的巖土層結構及物理力學參數指標，發現上軟下硬地層中粉、黏粒最高含量達40%。盾構刀盤型式為6輻條軟土式，開口率約35%，針對巖土復合地層對刀具高磨損性和高沖擊性的特點，刀具選擇上更傾向于破巖功能，同時鑒于本工程盾構段存在全斷面的硬巖，因此刀具選擇較合理，但本盾構區間同時又存在軟硬不均地層，刀盤存在結泥餅的可能性較高，此外，刀盤外周配耐磨板，過渡區加焊耐磨網格，刀轂部分加焊耐磨層，使得切削下來的碴屑與軟土顆粒易被擠壓堆積在刀盤開口和密封倉處，流動不暢，易形成泥餅。

2.4 盾構穿越上軟下硬特殊地段施工問題

盾構機在上軟下硬地層中掘進，下部硬巖勢必會造成掘進緩慢，而導致上部軟土應力釋放時間長，土體松弛易產生超挖，引起地表沉降過大，而硬巖強度過高易致使其掘進困難，且推力過大會損壞管片。另外當盾構刀具在軟硬地層交界面轉動時，由于地層強度變化較大，刀具受到巨大沖擊，造成非正常磨損（如偏磨、弦磨等）甚至損壞。盾構在上軟下硬地層中施工，掘進姿態控制困難，易發生偏移或被卡住、蛇行推進、抬頭現象，導致超挖出土量加大而引起地面沉降過大等問題。由于上軟下硬地層的復雜多變性，若盾構土倉壓力、掘進參數設置以及壁后注漿等關鍵工序控制不好，也易出現地面沉降過大，管片上浮、錯臺、滲漏水等問題。

3 軟硬不均復雜地層盾構施工關鍵技術與管控

3.1 盾構選型與主要配置[1]

盾構選型主要依據工程水文地質條件、周邊環境、隧道線路設計要求，采用的輔助工法，以及施工安全、環保和工期要求，并結合以往施工經驗等方面綜合考慮，對不同選擇進行風險分析后擇其優者，選型的主要方法包括地層滲透法、地層顆粒級配法等?；诖吮竟こ潭軜嫴捎猛翂浩胶馐蕉軜?，其主要配置選擇依據如下：

刀盤裝備總扭矩應滿足地質條件和脫困要求，主要考慮切削土體阻力及附加阻力，并按經驗公式T=α×D3（α為扭矩系數，其土壓平衡盾構不宜小于16，D為刀盤外徑）進行復核。

盾構施工中所需總推力的決定因素：盾體的摩擦阻力、刀盤正面推進阻力、刀具貫入阻力、盾尾與管片間的摩擦阻力、后配套牽引力等，根據盾構機型及施工情況對上述阻力求總和，再考慮所需的安全系數即可求出盾構所需總推力F，然后根據掌子面單位面積推力的經驗值進行復核，在軟土地層中不宜低于1050KN/m2，在硬巖地層中不宜低于1250KN/m2。

3.2 地層加固與處理

針對開挖面巖土強度差異性過大導致掘進困難的地段進行改善，對其單軸飽和抗壓強度Rc＞100Mpa的硬巖地段進行深孔爆破預處理，預裂孔間距為600mm×600mm，孔徑為108mm，深度超過開挖面底部500mm，嚴格控制裝藥量，確保破碎后巖體不大于30cm，必要時利用預裂孔對其進行注漿加固；采用地表引孔方式對開挖面及其以外3m范圍內的砂層進行注漿加固，注漿孔1500×1500梅花布置，注漿范圍的地層最外側采用水泥-水玻璃雙液漿，內側采用水灰比為0.8 : 1-1: 1的水泥漿，注漿壓力控制在0.2-1MPa，注漿后地層滲透系數要求＜10-7cm/s，無側限抗壓強度＞0.3MPa。

盾構始發段10m范圍采用φ900@600三重管高壓旋噴樁止水加固，旋噴樁應進入不透水層1.5m，采用樁底標高及嵌固要求雙控，水泥采用P.O42.5，水灰比1-1.5，水泥摻量30%-40%，樁位偏差≤50mm，垂直度偏差≤0.5%，提升速度≤20cm/min，旋轉速度10-20r/min，采用跳孔施工，跳孔間隔4-6m，加固后地層滲透系數不大于10-7m/s，無側限抗壓強度不小于1MPa。

3.3 開倉作業

在盾構掘進過程中判斷是否需要開倉檢查的情況主要有以下幾種：在硬巖段掘進，渣土明顯呈現粉碎狀；刀盤在掌子面的切割聲音出現異常；渣土溫度明顯比正常情況下升高；推力明顯增大，但是推進速度仍然很慢，刀盤扭矩增大，貫入度??；掘進姿態異常，不好控制；刀盤結泥餅。

在進行盾構開倉作業前，先對掌子面的穩定性做出判斷，本工程在上軟下硬地層中開倉作業時，采取氣壓作業方式，以確保掌子面安全穩定。對于氣壓作業（帶壓換刀），開挖倉內氣壓應與開挖面外的水土壓力相適應，以防止開挖面失穩和地下水涌入，因此氣壓作業前，必須進行氣密性試驗和理論計算確定合理氣壓值。帶壓換刀工作氣壓理論值按公式e=ew+er（ew為開挖面中心水頭壓力，er為壓力調整值可取0-20KPa）計算。帶壓進倉作業時間，當壓力小于0.36MPa時，應按現行行業標準《盾構法開倉及氣壓作業技術規范》有關規定執行，當壓力大于0.36MPa時，按現行國家標準《空氣潛水減壓技術要求》有關規定執行[1]。

3.4 泥餅防治

盾構在通過上軟下硬地層時當粉、黏粒含量過高土渣易黏結刀盤而產生泥餅，在推進過程中，向刀盤正面或土倉內壓注泡沫或膨潤土等碴土改良劑，以穩定開挖面，改善切削下來的碴土的和易性以及水密性，同時降低刀盤、刀具等的磨損，有效防止土渣黏結刀盤而產生泥餅和螺旋輸送機排土時的噴涌現象。

在渣土改良點布置方面，在保證徑向均勻布置的前提下，加強中心區域的渣土改良點和沖洗口布置，提高中心區域的渣土流動性能，進而降低結泥餅的風險。

在保證刀盤結構強度的前提下加大開口率，以提高渣土的通過粒徑和通過率，用以提高掘進效率，降低滯磨率，從而降低泥餅形成的危險。開口處的縱深方向采用梯形設計即“嚴進寬出”的結構，也有利于渣土的縱向流動，提高渣土的流動效率[2]。

當刀盤結泥餅情況較輕微時，可通過沖刷系統利用高壓泥漿或清水對中心刀盤進行沖刷清洗，利用氧化劑對泥餅進行化學剝落，往泥漿里添加工業洗衣粉、漂白粉等潤滑劑，高速空轉刀盤等方法清除泥餅；當泥餅將刀箱和輻板的空隙填滿密實時，最有效的方法就是人工開倉倉進行泥餅清理[3]。

3.5 始發管控要點

拆除洞口圍護結構前確認洞口土體加固效果，始發加固端須進行鉆芯取樣檢測其加固效果，取芯過程監理全程見證，加固土體改良范圍、止水效果和強度大設計要求，以確保地層不發生坍塌或涌水，保證始發過程開挖面的穩定。

盾構基座、反力架要具備足夠的剛度，始發過程總推力必須小于反力架所能承受的范圍，確保其承載后變形量滿足盾構掘進方向要求。尤其加強反力架立柱和斜撐與底板錨固質量的隱蔽驗收工作，確保錨固筋的規格型號、數量、錨固深度均符合反力驗算結果要求，以防始發過程推力控制不當導致其變形與位移過大。

始發測量工作是盾構施工質量的重要保障，放樣和復測結果必須滿足要求。安裝盾構基座和反力架時，確保盾構掘進方向符合隧道設計軸線，安裝負環管片時，保證其橢圓度并采取穩定措施，以防影響盾構掘進時管片的拼裝精度。

在盾構全部進入地層前，僅使用下部硬巖范圍內的千斤頂施加推力，在通過洞口地層加固段前，采用低速掘進，減小推力，以便控制盾構掘進方向成功始發，在通過加固段后的初始掘進，跟蹤監測地表變形量數據，分析調整掘進參數并收集整理，為后續盾構正常掘進控制提供依據。

3.6 掘進參數控制

適當保持土倉壓力的目的是控制地表變形和確保開挖面的穩定，盾構在掘進過程，應通過地表變形量測數據判定預設的土倉壓力的準確程度，及時做出相應的調整。根據日本隧道標準規范（盾構篇）及地鐵設計規范，計算土壓力的方法，對于砂質土一般采用水土分算，對于粘性土則將水作為土的一部分進行計算，在能形成拱效應的良好地層中當覆蓋厚度為1-2D（盾構外徑）以上時多采用泰沙基公式計算松弛土壓，當隧道上覆地層自穩性較差時，宜采用靜止土壓力理論計算，巖質隧道的圍巖壓力按現行行業標準《鐵路隧道設計規范》有關規定確定。

基于上述原則，本工程盾構在通過上軟下硬地層時采用地面注漿預加固，土倉壓力設定采用松弛土壓計算，并根據推進中所產生的地表變形，刀盤扭矩、推力和推進速度等變化及時調整，設置在0.8bar-1.5bar范圍（無水地段取低值，有水地段取高值）；盾構在通過全斷面巖層時，土倉壓力設定采用現行行業標準《地鐵設計規范》中有關巖質隧道圍巖壓力的計算方法，并根據地表沉降監測情況及時調整，設置在0.1bar-0.8bar范圍（無水地段取低值，有水地段取高值）。推進過程中實時監測土壓力的波動，及時調整、控制推進速度和螺旋輸送機轉速，確保土壓穩定，不得低于最低控制值，避免地表沉降超限。

為了防止掘進過程土體超挖，嚴格控制出土量不得超過理論值（理論體積×松散系數）的6%，并及時記錄每環出土量，出現超標的情況應立即進行二次補漿。刀盤的扭矩主要考慮切削土體阻力及附加阻力，根據工程地質情況的計算結果，結合實際施工情況，本工程在土巖混合地層中控制在2000-4000KN.m，全斷面巖層中控制在1000-3000KN.m，在扭矩增大時通過降低刀盤轉速和推力來控制其增大趨勢，當扭矩高于控制范圍應加強土體改良效果來降低扭矩。施工中所需總推力主要考慮正面推進阻力、切削和摩擦阻力，根據其計算結果，結合實際施工情況，本工程在掘進過程中總推力控制在10000-30000KN，在保證切削刀具貫入土體后，不再增加推力，考慮盾構姿態和管片受力的影響，推力不宜過高。

同步注漿壓力控制在大于注漿口處靜止水土壓力0.1MPa；注漿量填充系數在土巖混合地層中不低于1.6，在全斷面巖層中不低于1.4；同步注漿采用單液漿，初凝時間小于6h，結實率大于90%。二次補漿采用雙液漿，在管片脫出盾尾4~5環后，每4-5環一組進行補漿，壓力控制在大于注漿口壓力0.2-0.3MPa，補漿量以壓力控制為準。

3.7 盾構姿態與線形控制

盾構水平、垂直姿態偏差控制在±50mm以內，通過分組控制千斤頂行程差進行糾偏，曲線段使用仿形刀適量超挖增大建筑間隙，每環糾偏量不超過±5mm；滾動角偏差控制在±3°以內，利用刀盤向偏轉方向旋轉產生的回轉反力進行糾偏。

拼裝管片時，各連接面拼接整齊，錯臺控制在環內5mm、環間6mm范圍內，先緊固管片環向連接螺栓，在整環管片拼裝完成后，利用全部千斤頂均勻施加壓力，充分緊固軸向連接螺栓，管片脫出盾尾后及時復緊，到最后一節臺車處再次復緊螺栓。

管片拼裝過程中，對成型隧道軸線平面位置和高程進行控制，偏差不得大于50mm；直線段及轉彎半徑大于500m的區段，每掘進120m對隧道軸線進行測量；轉彎半徑小于500m的區段，每掘進75m對其軸線進行測量；盾構施工每掘進300m，對隧道內的導向控制點進行復核測量。

4 結語

綜上所述，盾構在軟硬不均地層施工存在一定的風險，分析施工中可能存在的問題，通過盾構選型、地層加固與處理、優化刀具配置、優化施工參數等關鍵手段，并融合嚴格的盾構施工監理管控，有利于盾構安全快速出洞，提高盾構施工效率和質量。