软硬不均地层盾构技术的思考

郭卫社

(中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009)



软硬不均地层盾构技术的思考

郭卫社

(中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009)

软硬不均地层盾构施工难题一直考验着工程技术人员的智慧，业界为此付出的代价频现报端。文章以发展的眼光，梳理了国内盾构在软硬不均地层施工的曲折历程。从什么是软硬不均地层、软硬不均地层盾构施工所面临的问题、软硬不均地层为什么易发生掌子面坍塌入手，引出了国内软硬不均地层盾构技术发展，详细阐述了深孔爆破预破碎方案对盾构施工所带来的次生危害，提出了新形势下软硬不均地层盾构技术的思考。主要结论如下：以盾构装备技术发展实现软硬不均地层顺利掘进，而不再进行预处理,符合科技进步规律与社会发展要求。

软硬不均地层；盾构；常压换刀；环保；预处理

0 引言

自盾构工法在国内应用以来，软硬不均地层盾构掘进的难题一直困扰着工程技术人员，而针对软硬不均地层盾构施工技术的探索与研究也从未中断。洪开荣[1]和刘辉等[2]研究了泥水盾构与土压平衡盾构在软硬不均地层施工的技术细节；彭桂彬等[3]和鞠世健等[4]就软硬不均地层地质勘探方法进行了研究；黄恒儒[5]对盾构隧道孤石处理技术进行了研究；宋天田等[6]对复合地层中盾构盘形滚刀偏磨做了分析；刘建国[7]提出了深圳地铁软硬不均复杂地层盾构施工对策；赫学林等[8]研究了上软下硬特殊地层的加固换刀方法；张士龙[9]分析了南京纬三路过江通道工程技术难点；韩伟锋等[10]对滚刀常压换刀技术进行了研究；孙志洪等[11]对复合盾构滚刀磨损的无线实时监测系统进行了研究；郭卫社等[12]就台山核电越海盾构隧洞软硬不均地层盾构技术进行了研究。

以上研究仅围绕软硬不均地层盾构隧道的地质勘探手段、盾构装备革新发展以及盾构施工技术某一方面展开分析。近年来盾构装备水平、地质物探技术、工程建造理念和环境保护要求明显提高。本文就是在此种新形势下对软硬不均地层盾构技术方向和趋势的综合性思考。

1 什么是软硬不均地层

软硬不均地层是复合地层的一种典型表现。软硬不均地层是指在隧道开挖范围存在2种以上岩土力学性质、地质特征差异较大的地层。通俗讲就是工作面上同时存在“软”和“硬”2种地层，软的地层不能满足盾构常压开舱；硬的地层需要滚刀破岩。图1所示的孤石群就是典型的软硬不均地层，图2所示的岩土分界面以及孤石群都是典型的软硬不均地层。

(a) 明挖基坑

(b) 暗挖隧道

Fig.1 Boulder group exposed of open-cut foundation and mined tunnel

图2 路堑边坡所揭示的典型软硬不均地层

2 软硬不均地层盾构掘进面临的问题

软硬不均地层由于工作面地层岩石力学指标及地质特征差异大，盾构掘进过程中容易出现掌子面坍塌、土压盾构喷涌、泥水盾构环流异常、超量出碴、地表沉降超限、刀盘结泥饼、刀具偏磨损坏和盾构姿态难以控制等问题，出现上述问题的原因主要如下。

2.1 软硬不均地层中工作面平衡难以建立

盾构施工的核心之一就是要建立和维持工作面的水土压力平衡，从而达到减少地层扰动、控制沉降和保护环境的目的。在软土地层中，盾构可以建立起理想的水土压力平衡模式；在软硬不均地层中，掌子面上部需要平衡水土压力，下部仅需要平衡水压力，如图3所示。若仅考虑掌子面上部平衡，则下部可能出现超压；若仅考虑掌子面下部平衡，则掌子面上部出现欠压。

(a)全断面软土(b)上软下硬地层

图3 全断面软土、上软下硬地层掌子面水土压力分布示意

Fig.3 Distribution of water pressure of working face in full-face soft ground and upper-soft lower-hard ground

掌子面超压在富含黏、粉粒地层中极易出现结泥饼、糊刀盘和刀具异常磨损现象；掌子面欠压则会发生上部软弱地层坍塌、超量出碴和沉降超限等情况。

2.2 软硬不均地层中盾构工作状态不佳

盾构在软硬不均地层掘进时，刀盘受力复杂，刀具在掌子面上、下部位贯入度相差很大。刀盘旋转过程中刀具接触岩土分界面产生的撞击易造成刀圈崩刃、开裂和脱落，刀体损坏。

2.3 软硬不均地层中滚刀容易过载

软硬不均地层中盾构总推力克服盾壳摩擦力、土舱堆碴反力和后配套拖车牵引反力后，剩余的净推力全部作用在接触掌子面硬岩的部分滚刀上面，推力控制稍有不慎，即可造成滚刀过载损坏，引起刀具损坏的多米诺骨牌效应。

2.4 软硬不均地层中碴土改良难度大

软硬不均地层中掌子面围岩物理力学性状差异大，从松散、流塑、软塑到坚硬石同时存在。一方面碴土改良的客观难度增加，另一方面掌子面水土平衡对碴土改良的要求更高。

3 为什么软硬不均地层易发生掌子面坍塌失稳

土压或泥水平衡盾构在软硬不均地层中发生掌子面坍塌、地面沉陷，有人不能理解，既然具备平衡掌子面水土压力的功能，为何还发生坍塌失稳？

当进入软硬不均地层后，盾构推力、扭矩等掘进参数波动较大，掘进速度急剧下降，盾构司机本能反应是以出碴换取掘进速度，这必然会导致上部软弱地层坍塌(见图4)[13]，从而造成变形与沉降。

另外，盾构舱内所建立的压力平衡状态，并非理想的平稳压力状态，严格意义上讲是一种波动的动态平衡状态。在软硬不均地层中，舱内压力平衡的操作稍有不慎，就会发生掌子面坍塌。

图4 软硬不均地层掌子面坍塌示意图

Fig.4 Sketch diagram of collapse of working face in heterogeneous ground

4 软硬不均地层盾构施工技术历程

回顾国内软硬不均地层盾构施工技术的发展历程，大致可分为4个阶段。

4.1 摸索与碰壁阶段

国内盾构施工初期，隧道工程技术人员面对日成洞数十米的盾构技术，犹如刚品尝到驾驶乐趣的新司机驶上了高速公路，新奇、刺激、自信满满，唯独对雨、雪、雾、风等恶劣路况估计不足。2002年3月深圳地铁2号线某区间盾构软硬不均地层施工控制不当造成盾构主轴承密封损坏；2003年8月广州地铁3号线某区间盾构在软硬不均地层发生喷涌引起地面塌陷(见图5)[13]。

(a)

(b)

Fig.5 Ground surface subsidence of heterogeneous ground of a section on Line No.3 of Guangzhou Metro in 2003

图6为深圳地铁某盾构区间软硬不均地层中盾构刀盘超磨的情况；图7为广州地铁某盾构区间盾构刀盘破损情况。

图6 深圳地铁某区间软硬不均地层刀盘超磨

Fig.6 Over-wear of cutterhead of shield tunneling in heterogeneous ground of Shenzhen Metro

图7 广州地铁某区间软硬不均地层刀盘破损

Fig.7 Wear of cutterhead of shield tunneling in heterogeneous ground of Guangzhou Metro

4.2 预破碎阶段

经过初期的尝试摸索付出了惨重代价之后，工程技术人员认识到软硬不均地层盾构施工“预则立，不预则废”，因此，2006年深圳地铁某区间对软硬不均地层下伏硬岩进行了冲孔及人工挖井预破碎处理，如图8所示。

(a) 冲孔预破碎处理方案

(b) 人工挖井预破碎处理方案

图8 2006年深圳地铁某盾构区间软硬不均地层预处理方案(单位：m)

Fig.8 Pretreatment of heterogeneous ground of Shenzhen Metro in 2006 (m)

随后在广州、深圳、东莞等地铁工程及台山核电海底盾构隧洞工程建设中，各个单位先后应用了深孔爆破预破碎下伏基岩的的方案应对软硬不均地层。图9是台山核电盾构海底隧洞进行爆破预破碎的情况[14]。

(a)

(b)

Fig.9 Deep-hole blasting construction of shield tunnel of Taishan Nuclear Power Station

无论采取何种预破碎方式，为保证盾构顺利掘进，破碎后的地层必须进行注浆固结以满足地层气密性要求。

尽管深孔爆破预破碎工法工期长、造价高、对环境影响大，但相比较不做预处理盾构施工产生的后果，这些困难都可以接受。这一阶段“预破碎”的技术思路规避了许多工程风险，也成了业内的普遍技术法则。但深孔爆破预破碎方案并非完美无缺，破碎后的松散岩块为盾构掘进带来了新的次生问题。

1)极易造成泥水盾构舱内滞排。图10是破碎后岩块在舱内堆积造成滞排的情景[15]。以台山核电海底盾构隧洞为例，2012年3—8月累计进舱662次，2 009人次处理舱内滞排，共打捞岩块824块，图11为舱内打捞岩块情景[14]。

2)预破碎后松散的不规则岩块会造成一系列设备损坏。首先极易损毁刀具,刀具崩刃、断裂、脱落几率大大增加；其次易造成搅拌棒变形、脱落；第三易造成泥水盾构破碎机故障；最后不得不频繁停机，带压进舱处理，带来较大的工程风险。

3)容易发生漏气导致舱内失压现象。虽然预破碎处理后都要进行注浆固结封堵地层空隙，但由于诸多因素影响，盾构掘进过程中发生漏气失压的问题比较严重。图12为某盾构区间深孔爆破预破碎段掘进中漏气失压的情况。

图10 破碎松散岩块造成泥水舱内滞排

图11 台山核电海底盾构隧洞舱内捞石处理滞排

Fig.11 Rock treatment in slurry chamber of Taishan Nuclear Power Station

图12 某盾构区间软硬不均地层预破碎后出现盾构漏气

4.3 预加固处理阶段

为了避免发生以上的次生问题，工程师们想到能否仅对软硬不均地层上部的软弱部分进行预加固改良，然后盾构掘进通过。东莞至惠州的城际铁路某盾构区间采用了这种方案，加固方案如图13所示。加固方式为袖阀管梅花形布置，间距1 m。加固体外圈为双液浆，中间为水泥浆。

从盾构掘进效果来看，在进行了预加固的上软下硬地层顺利掘进通过，没有发生掌子面坍塌，避免了地表沉陷事故。开舱过程发现，软弱地层中袖阀管的的作用与树根桩类似，能够增加侧壁自稳能力。

图13 莞惠城际铁路某盾构区间软硬不均地

Fig.13 Heterogeneous ground of a shield section of Dongguan-Huizhou Intercity Railway

4.4 回归盾构掘进阶段

理论上讲只要能够实现刀具的随时更换，保证盾构具备破岩能力，在谨慎操作情况下，上软下硬地层不预处理而顺利掘进不无可能。经过二十多年的摸索，工程师们有了回归盾构掘进的想法，此时，工程技术人员对软硬不均地层的认识已今非昔比。

图14为深圳地铁11号线某区间所做的软硬不均地层回归盾构掘进的尝试。工程师们对长约91 m的软硬不均段不做预处理，采用盾构掘进通过。该项目使用φ6.98 m土压平衡复合式盾构，配备人闸装置。

(a) 平面

(b) 剖面

图14 深圳地铁11号线某区间软硬不均地层回归盾构掘进方案(单位：m)

Fig.14 Regression shield tunneling program in heterogeneous ground of a section on Line No.11 of Shenzhen Metro (m)

掘进前制定了严格的软硬不均段掘进参数控制标准:刀盘转速≤1.2 r/min，推力<20 000 kN，扭矩不超过2 000 kN·m,贯入度不小于5 mm；边滚刀最大磨损<15 mm，中心刀最大磨损<25 mm，超过该指标立即更换。

过程中虽然出现了滚刀偏磨、刀圈断裂崩刃和螺机喷涌等情况，但全程未出现不可控事故。过程虽然痛苦，但结果好于预期。

2016年3月广州地铁4号线南延5标φ11.6 m泥水盾构掘进通过约70 m长花岗岩软硬不均地层取得成功。

5 新形势下软硬不均地层盾构技术的思考

首先，与30多年前相比，中国社会环境保护意识大幅度提高，公民的人权意识也空前高涨，今后若还想在城市或居住区进行深孔爆破预破碎施工，其所面临的协调与公共监督压力不可想象；其次，盾构常压更换刀具的技术日臻成熟，使得随时更换刀具具备了技术可能。在此种形势之下，软硬不均地层盾构技术的进步势在必行。

5.1 预破碎方案有背于环境保护的要求

党的十八大将生态文明建设纳入中国特色社会主义事业总体布局，把生态文明建设放在突出地位。环境保护是生态文明建设的主阵地和根本措施，各个城市对环境保护的认识高度前所未有；而原来的地面深孔爆破预破碎方案，不可避免要挤占交通道路，产生震动、噪音、粉尘和污水排放，软硬不均地层预破碎方案在环境保护方面技术先进性不足。

5.2 预破碎方案带来的次生问题逐渐被业界所认识

如前所述，预破碎方案不可避免地带来刀具异常损坏几率增加、泥水盾构舱内滞排与破碎机故障、搅拌棒脱落变形和盾构掘进中漏气失压等问题。这些问题都会造成被迫停机，需要带压进舱处理，增加了工程风险，方案在安全保证方面先进性不足。

5.3 盾构常压更换刀具技术取得突破

近年来盾构常压更换刀具技术已得到工程实践的检验。南京地铁10号线长江隧道及南京纬七路长江隧道、纬三路长江隧道都应用了常压更换切刀的技术；土耳其伊斯坦布尔隧道成功应用了滚刀的常压更换技术。此项技术将在佛山至东莞城际铁路狮子洋隧道以及汕头苏埃通道工程中得到应用。

对于直径13 m以上的盾构，刀盘刀具设计上可保证每条破岩轨迹上至少有1把刀具可常压更换，可实现切刀与滚刀互换，因此大大提高了盾构设备在软硬不均地层中的技术可靠性。

5.4 社会需要更安全、环保、先进的盾构技术

当盾构配置常压更换滚刀的刀盘后，合理控制掘进参数，攻克软硬不均地层必将成为盾构技术发展的方向，业界从未放弃此项努力与尝试，这个方向更符合安全、环保及技术先进性的社会需求。

6 结论与讨论

1)盾构以装备技术发展实现软硬不均地层的顺利掘进，符合科技进步规律与社会发展要求；

2)软硬不均地层预破碎方案会引发较多次生施工难题，且对环境的影响较大，工程实践中应根据具体情况谨慎对待；

3)中、小直径盾构若不具备带压进舱条件，推荐预加固软硬不均地层上部软弱部分后盾构掘进；

4)软硬不均地层遇到高水压、大直径和极硬岩的情况，对盾构技术来讲，其面临的困难与挑战难于言表，诸多的技术细节还需要在工程实践中摸索解决；

5)软硬不均地层中盾构操作应严格限制刀盘转速，控制推力和扭矩，选取合理贯入度，同时加强刀具的检查，以精细化的掘进管理弥补技术上的困境与不足，“豫兮若冬涉川”方能保证安全。

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Reflecting on Technologies for Shield Tunneling in Heterogeneous Ground

GUO Weishe

(ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

The technologies for shield tunneling in heterogeneous ground are very important.The development of technologies for shield tunneling in heterogeneous ground is introduced.The development of technologies for shield tunneling in heterogeneous ground in China is presented in terms of definition of heterogeneous ground,problems met during shield tunneling and causes for collapse.The secondary damage for shield tunneling induced by deep-hole blasting is introduced in detail.The reflecting on technologies for shield tunneling in heterogeneous ground is proposed.The author suggests that the development of shield-dedicated equipment technology is the key to successful shield tunneling in heterogeneous ground.

heterogeneous ground; shield machine; cutting tool replacement under atmospheric pressure; environmental protection; pretreatment

2016-04-28;

2016-05-16

郭卫社(1971—)，男，陕西乾县人，1994年毕业于长沙铁道学院，铁道工程专业，硕士，教授级高级工程师，长期从事隧道与地下工程施工技术管理工作。E-mail：112899002@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.005

U 45

A

1672-741X(2016)10-1196-06