岩溶地区上软下硬地层盾构施工技术

戴升宏/DAI Sheng-hong

（广东华隧建设集团股份有限公司，广东 广州 510335）

盾构法施工已经成为地铁隧道一种重要的施工方式。由于盾构推进对土体的扰动会影响到地表以及施工范围内的建筑物，所以盾构对施工段地层的适应性和盾构施工措施的选择，是盾构施工的重中之重。在实际施工中，需要针对不同的地质情况，选取合适的施工方案。

广州市某盾构区间工程地处闹市区，属岩溶地区，必须有效控制区间发育溶土洞和砂层中地下水的稳定平衡，确保地上建构筑物的安全。区间线路地质情况较为复杂，软硬变化较大，软硬交替，沿线的岩面线起伏较大，存在全断面软弱地层、全断面硬岩及上软下硬3种复杂地层，盾构在本区间施工过程中难度较大，需适应不同地层掘进要求，砂层及岩层对刀具的磨损十分严重，同时上层软弱覆土要求盾构施工对地层的扰动降至最小，盾构施工需制定相应不同应对措施。

1 地质概况及存在的重难点

区间隧道穿越的地层主要有：粉细砂＜3-1＞、中粗砂＜3-2＞、砾砂＜3-3＞、冲洪积土层＜4N-2＞、＜4N-3＞，淤泥质粘土＜4-2B＞、残积土＜5C-2＞、炭质灰岩及灰岩残积土＜5C-2＞、灰岩强风化＜7C＞、灰岩中风化＜8C-1＞、灰岩微风化带＜9C-2＞。其中＜8C-1＞地层单轴抗压强度最大为32.7MPa、＜9C-1＞地层单轴抗压强度最大为66.2MPa，＜9C-2＞地层单轴抗压强度最大为92.83MPa。岩相变化、风化程度不均匀、地层组成成分不同及掘进面的岩性不一，是盾构法施工的不利条件。

盾构区间存在全断面中风化炭质灰岩＜8C-1＞、微风化灰岩＜9C-2＞，局部存在泥岩、页岩中风化＜8C-2＞、灰岩微风化带＜9C-2＞，隧道盾构掘进面岩层强度差异较大，盾构在上软下硬地层中掘进，盾构姿态控制困难，不仅容易抬头，而且容易整体抬升引起盾构掘进偏位或抬头，在该类地层中如何有效控制盾构姿态、确保准确控制施工轴线是须解决的难题之一。

泥水盾构在上软下硬地层中掘进会遇到种种难题。例如在含有高粘性土或泥质岩夹层的地层中掘进时可能会在刀盘尤其是中心区部位及土仓隔板前刀盘支撑之间产生泥饼，当产生泥饼后，泥饼会裹住滚刀使滚刀偏磨，从而导致掘进速度急剧下降,刀盘扭矩也会上升，并造成刀盘油温过高使盾构无法掘进；在上软下硬地层中掘进时，由于软土层和硬岩层的压缩变形模量不同，掘进过程中刀盘受力不均，容易产生偏心受力，损坏刀盘和主轴承密封等等问题。

本区间位于广花凹陷区域，受广从断裂控制，设计详勘阶段钻孔揭示见洞率为35%，多呈串珠状。掘进过程中有可能出现未探明溶洞，由于漏浆导致盾构土仓欠压引起掌子面坍塌、地面塌陷等问题。

2 主要对策

2.1 溶土洞的探查及处理

隧道施工前，对于详勘揭示的溶洞提前进行钻孔，探查溶洞具体的位置、大小、填充状态，然后在地面通过注浆设备填充水泥浆或者水泥与水玻璃双液浆。本区间溶洞发育强烈，见洞率高，所以还需要在详勘的基础上，对区间进行加密补充勘察，尽可能地发现溶洞，并提前处理，避免出现不必要的险情。

本工程对盾构配备超前注浆系统，可保证掘进过程中在隧道前方进行溶土洞探测及处理（图1）。在掘进过程中每掘进一环进行一次超前探孔工作，通过盾构改造的超前孔向刀盘前方插入钻杆，深度至刀盘前方0.5m处，若在0.5m方位内出现掉管的情况说明前方存在空洞，则将钻杆继续向前深入至出现阻力位置，根据进杆长度大概计算土洞大小，采用盾构注浆泵向前方进行砂浆注入，注浆过程中控制好切口水压的波动情况，注浆压力控制在切口水压值以下，注入过程中缓慢抽回钻杆，同时通过观察排浆口出浆情况判断空洞是否填满，注浆完毕后继续盾构掘进施工。

2.2 刀具的优化配置

区间盾构隧道施工中，针对区间硬岩沿线分布较多且砂层为主的特点，配置全断面滚刀，中心部配置（图2）每个刀圈可独立回转的强化型双刃滚刀（带合金粒），转速快磨耗多的外周部配置了高强耐磨单刃滚刀，既可有效地提高破岩能力，又可有效防止刀具磨损的不均衡性，从而可减少进仓换刀的次数。由于辐条两侧刮刀合金在灰岩地层中容易出现崩块情况，所以在本工程中将刮刀强度等级由13降至12，使其有更好的抗冲击能力。

图1 盾构机超前注浆口改造示意图

图2 刀具配置示意图

本工程刀具配置主切削刀以滚刀为主，正面环向并排的软岩刀具将高度稍矮的一把割掉，在施工过程中，刀具检查时所有刮刀只要有磨损或者崩角的全部更换新刀；刮刀新刀具采用低一号硬质合金刀具，特别是在灰岩地层中掘进，当开仓检查发现磨损大于1cm的刀具都需要进行保养，滚刀重新更换密封，测量扭矩后更换至内圈使用；最外围3把滚刀同一轨迹线上加焊贝壳保护刀，保证开挖直径。

2.3 建立动态泥浆性能控制系统

在典型的上软下硬地层中，在无粘土夹层存在的情况下，地层含泥量低，土体自身的造浆能力差，而要稳定开挖断面内上部砂层，需要相对密度较大的泥浆，使切削表面的成膜速度增加，尽快稳定切削面，而要将掘削下来的大块土石颗粒带入环流系统要求较高的泥浆粘度，因此需要事先储备较大比重的泥浆以备使用。在由粘土夹层存在的地层情况下，土层自身的造浆能力强，需要适当降低入口泥浆粘度和比重，从而使泥浆保持合理的性能。

根据我司在广州地铁五号线大～中区间及九号线5标泥水盾构施工中几例典型的上软下硬地层掘进施工经验，为保证施工的顺利进行，利用现有的地质资料对切削面地层的分布，并根据环流出口的泥浆性能指标进行分析，判断现有地层特征，建立动态的泥浆性能控制系统，实时调控泥浆的性能指标，保证泥浆最优性能。

另外，因掘进过程中有可能遇到勘察阶段未发现的溶土洞，所在在平时施工过程中，需注意现场泥浆的储备，同时在现场备置一定数量的膨润土。当遇到窜珠洞或是连通的溶土洞及时补充泥浆，使盾构稳压，且在施工过程中也要密切注意舱内压的波动。

2.4 建立盾构掘进参数动态控制系统

进入上软下硬地层后，盾构的推进千斤顶由于受力不均，不仅容易抬头，而且容易整体抬升，因此，在掘进过程中提前采用改变推进千斤顶数量和铰接控制的方法对盾构姿态进行调整，提前将盾构姿态向下调整一定角度进行掘进，防止盾构向上超限。

除此之外，在典型的上软下硬地层中掘进时，下部的硬岩要求刀盘高速转动并增加推力快速掘进，而上部软土层则要求刀盘低转速，略高于正常值的切口水压掘进。同时由于软土层和硬岩层的压缩变形模量的不同，容易使刀盘受力不均而发生偏心受力，导致刀盘和主轴承密封损坏，故需要根据实时的地质条件调整盾构的掘进推力、扭矩以及排泥泵转速等参数建立动态控制系统来保护机器设备。

盾构掘进参数控制建议：①适当降低刀盘转速；②切口水压根据地层进行计算，合理选择软、硬地层的切口水压；③掘进速度控制在5～8mm/min，推力在1000～1800t之间，根据实际地层情况适当调节各参数。

2.5 盾构姿态的控制与管片防裂损

在此种地层中掘进，管片易形成裂缝或破损，因此通常做法是：①控制盾构的扭转，选择合理的推力；②严格管片选型，以适应盾尾间隙为主，兼顾设计线型，确保盾尾间隙均匀；③提高管片的安装精度。对于管片环面不平整和千斤顶撑靴重心偏位，要及时更换新的千斤顶撑靴，并予以调整。④正确控制好盾构姿态，缓慢掘进，慎重纠偏。盾构纠偏时应注意：在切换刀盘转动方向时应保留适当的间隔，切换速度不宜过快；根据掌子面地层情况及时调整掘进参数和掘进方向，避免引起更大的偏差；蛇形的修正应以长距离慢慢进行为原则，如修正得过急，蛇形反而更加明显；⑤控制注浆压力，确保填充质量。

2.6 防止泥饼的形成

针对本工程的地质情况，对刀盘结泥饼从两方面入手，一是盾构自有性能防结泥饼，另一方面从掘进控制防结泥饼。

1）盾构自有性能防结泥饼 ①开口率达到31%，保证渣土顺利进入土仓；②刀具配置上，同轨迹线只配置一把刀具，防止刀具布置过密刀盘结泥饼；③盾构配置P0泵循环系统，盾构P0泵可将泥浆通过中轴送至刀盘前方，有效对前方刀盘中心进行冲刷，有效防止刀盘结泥饼。

2）掘进控制防结泥饼 ①做好泥浆指标的控制，每班不得少于3次监控泥浆指标；②当出现泥浆粘度变化较快，扭矩上升较快的情况，多数因为已结成泥饼，要及时开仓清理，要加强各项指标监控，及时调整，及时开仓；③在粘土层掘进时，每掘进30cm利用切口水压后退盾构3cm进行洗仓。

3 结 语

在本工程岩溶地区上软下硬地质条件中进行盾构掘进施工，所采取的措施都取得良好效果。盾构刀具配置的优化，促使盾构的掘进效果较好，并在我司其他车站区间的灰岩地区得到成功运用；建立动态的泥浆性能控制系统，实时调控泥浆的性能指标，在本工程中保证泥浆的最优性能；建立盾构掘进参数动态控制系统，可针对不同地质条件进行参数调整，确保盾构顺利掘进。

[参考文献]

[1]陈 馈，洪开荣，吴学松．盾构施工技术[M]．北京：人民交通出版社，2009.