复合地层盾构施工技术研究

周书宇 赵现伟

摘 要：针对广州地铁为代表的复合地层，分析了盾构机在复合地层中常見的刀盘刀具磨损、姿态难控制、结泥饼和喷涌等施工风险，并提出了相对的应对措施。

关键词：盾构施工；复合地层；姿态控制；应对措施

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

随着我国经济和城市建设的大力发展，城市交通拥挤等问题也逐渐成为各城市要解决的首要问题。而城市地铁作为一种安全、快捷、高效、环保的交通形式，迅速成为许多大城市解决交通问题的首要选择[1-2]。据中国城市轨道交通协会信息2018年第1期公开数据显示：截至2017年12月31日，中国内地累计有34个城市建成投运城轨线路5032.7公里；2017 年新增石家庄、珠海、贵阳、厦门4个运营城市；新增33条运营线路，868.9 公里运营线路长度。新增线路再创历史新高，比2016 年新增线路534.8 公里增加334.1 公里，增幅达62.5%。而在地铁施工中盾构法由于对环境影响小，不受地形、地貌、江河水域等条件限制，以及施工安全、快速等诸多优点[3-4]成为众多工程的最佳施工方法。在盾构施工中涉及复合岩层开挖面的工程案例有很多，例如四川成都的地铁 1 号线，重庆铜锣山隧道，长沙地铁2号线，广深港狮子洋隧道，广州地铁隧道工程等，故地铁盾构施工中会不可避免的面临复合地层的掘进问题。

1、施工风险

在许多工程开挖断面范围或开挖延伸方向上，由2种或2种以上不同地层组成，且这些岩层的物理力学、地质状态等特征相差悬殊，这种地层组合可称为复合地层[5]。其中以广州地铁隧道为代表，开挖面多为复合地层。而复合地层中纵断面上地质情况变化较大，且存在断层、溶洞、等大量不良地质体，在此地层中掘进存在许多风险，主要表现为刀盘磨损严重，姿态控制困难，开挖面失稳、喷涌、结泥饼等风险事件，严重时还造成卡机现象，不仅会造成工期延误，成本增加，还会对施工安全造成严重威胁。

（1）磨损问题

盾构机在复合地层中掘进时，由于复合地层中多出现软硬复合的复合地层，在这种地层种，滚刀荷载、扭矩变化幅度大频率高，导致刀盘受力不均，引起刀盘振动，造成滚刀磨损增加，特别是滚刀的异常磨损增加。

（2）姿态控制问题

在复合地层盾构掘进过程中，刀盘切削工作面上部软弱地层易进入密闭仓，下部较硬岩层不易破碎。盾构机的竖向姿态容易向软弱地层偏移，从而导致盾构机的姿态不易控制，机头定向困难，刀盘卡住不能转动。

（3）泥饼问题

复合地层中粘土颗粒含量普遍较高，为了保证软土层的稳定性，仓内土压需要保持较高。同时，由于下部坚硬的岩石部分掘进较慢，仓内土体由于摩擦作用温度上升，致使刀盘易产生泥饼现象。

（4）喷涌问题

如泥饼问题一样软土层需仓内保持较高土压，硬岩部分掘进困难，在大透水性的复合地层中易出现喷涌问题。

2、应对措施

根据盾构机在复合地层中施工常见刀具磨损、姿态难控制困难、结泥饼、喷涌等施工风险，参考广州复合地层中地铁盾构施工经验 [5-8]，从盾构选型、刀具选择、信息监测与反馈等方面提出应对措施。

（1）盾构选型

盾构机的选型主要根据工程地质条件选择，但同时还要考虑工期条件、造价、环境、设计路线和基地条件等综合因素。在复合地层中盾构机的选择既要满足硬岩掘进和又要满足软土开挖功能，故要采用复合式盾构机。同时针对具体工程条件还要进行垂直注浆加固、地表冲孔、洞内爆破开挖处理、地表垂直爆破及洞内水平钻孔切割等辅助工法进行处理。

（2）刀具选择

在复合地层中盾构机应选用复合式盾构机，刀具的设计应既能满足软土地层又能适应硬岩地层，同时要能够满足刀具更换、修理的方便及时。对刀具应“勤检查、勤更换”。

（3）信息监测与反馈

盾构机在复合地层中掘进施工，应加强掘进信息监测和地层沉降监测工作，并及时作出信息反馈。

1.盾构机司机和值班工程师应根据油缸推力、驱动速度、系统温度等参数判断地层的软硬度。

2.在硬、硬不均匀地层中，盾构机司机应仔细观察盾构机的振动并听刀具掘进的声音，根据振动和声音及时调整刀盘的推力和速度，并刀盘扭矩的变化。

3.值班工程师应注意观察土渣的颜色、形状和温度，以确定残渣的土质，根据信息选择合理的掘进参数。

3、结语

在复合地层施工中应选择选择合适的盾构、选用相应的滚刀配置和刀具组合及进行科学的施工控制管理。本文针对广州地区复合地层条件下的盾构掘进存在的刀具磨损、姿态难控制困难、结泥饼和喷涌等施工风险，在盾构选型、刀具选择、信息监测与反馈等方面提出应对措施，为盾构隧道建设在复合地层中盾构施工提供参考。

参考文献

[1]顾岷.我国城市轨道交通发展现状与展望[J].城市轨道交通，2011（10）：53-56.

[2]施仲衡，王新杰，沈子钧.解决我国大城市交通问题的根本途径：稳步发展地铁与轻轨交通[J].地铁与轻轨，1996（1）：2-5.

[3]刘建航，侯学渊.盾构法隧道[M].北京：中国铁道出版社，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]刘学伟，魏莱，雷广峰，刘泉声.复合地层TBM双滚刀破岩过程数值流形模拟研究[J].煤炭学报，2015，40（06）：1225-1234

（作者单位：河南大学土木建筑学院）