地铁建设中上软下硬地层盾构法施工技术

吉尚峰

（中铁十二局集团有限公司，山西 太原 030000）

近几年来，随着科技的迅速发展以及城市空间的紧缩，使得城市地下空间逐渐被大面积的开发。在全国各地中，有许多地铁是分布于比较复杂的地层中，而在对复杂的地层进行施工时，给现在施工团队带来非常大的挑战，比如对于上软下硬地层结构，盾构法就是难度挺大的一种施工技术，盾构法推进如果处理不好，会造成许多危害，如地面沉降值超过国家标准值而造成建筑物的倾斜破坏，地面塌陷等等不良情况。本文以上软下硬的地层结构施工为例子，总结其施工经验，并结合实际情况提出了这种复杂地质结构的地层在地铁施工时应该注意的事项。

1 施工技术和施工经验及其注意事项

1.1 地铁建设的施工技术

在对上软下硬的地层结构进行施工时，首先应该提前明确施工组织的针对性和准备好在施工过程中可能遇到突发状况的预防措施，除此之外，还应该强化对施工的技术管理人员以及盾构机操作人员的培训。详细的施工技术方法包括以下六点。第一，在施工过程中如遇上软下硬的地层结构，首先应该详细勘察确定岩层和土层的分布范围以及厚度，如果通过普通观察不能获得基本信息，就需要借助钻孔机进行钻孔勘察，直到获得实际岩层和土层的分布范围和厚度；第二，在盾构隧道掘进机开始施工前，应该结合施工区域的地质勘测报告和地面允许沉降值，预裂爆破隧道掘进机能够辐射的范围的岩石层和土层，岩石层和土层在爆破后破裂后，需要进行注浆加固修复。在预裂爆盾构机影响范围内的岩石和土层时，应该提前检验和试验孔距和爆破的深度以及所装的炸药量，与此同时，还应该参照国标的《爆破安全规程》校核，岩石经过爆破后对石块粒径的大小还有标准的要求，如不超过30 厘米。第三是，工程在开始施工前，还需要提前研究盾构隧道掘进机的推进控制参数，通常情况下盾构机的推进参数控制为：刀盘的转速每分钟不超过1.2 转，盾构机的推进力度不超过20MN，扭矩也应该控制在2000kN·m之内，贯入度不超过＜0.5 厘米，要求掘进机的边滚刀最大磨损控制在1.5 厘米之内，中心刀的最大磨损不能超过2.5 厘米，在施工中如果发现磨损超过标准要求的范围，应该立即更换。第四，盾构机在掘进的过程应该对出土量进行严格控制，通常每还检查次数应该超过3 次。第五，盾构机在掘进时应该及时向土舱注入渣土改良剂，确保有稳定的开挖面，一般常用的渣土改良剂有两种，一种是泡沫，另一种是泡沫与膨润土的混合物。第六，防止发生喷涌现象常采用的措施有三种，其一，在土舱及时加入高黏度的泥浆；其二，将注浆浆液的初凝时间调短；其三，在恰当的时间进行二次注浆。

1.2 经验及注意事项

对施工经验和应该注意的事项进行总结如下：1） 在施工过程中如果遇到突发情况，首先应该先停止机器；2） 对渣土改良的工艺进行不断的改进和完善；3） 经常检查刀片的磨损程度，对磨损严重的刀片要及时更换；4） 预裂爆破盾构机影响范围的岩石后，应该仔细寻找残留孔，并进行封堵，防止盾构机在推进时地面出现冒浆的现象；5） 岩石经过预裂爆破后，隧道洞内通常会出现有害气体，为了安全起见，应该加强隧道洞内的通风力度和检测是否存在有害气体；6） 在施工中药控制盾构机的施工姿态和施工的技术参数，要时常关注并警惕掘进机和其参数的异常状况；7） 对地面应该加大巡查的力度，做好突发情况的预案措施，保障施工正常进行。

2 上软下硬地层盾构施工对策研究

2.1 盾构掘进参数控制

（1） 盾构机掘进的模式。盾构机在开挖地上“软”土层部分时，具有以下几个特点，遇水土层发生软化、土层容易崩解以及软土层的强度下降等特点，但是在一定的时间内盾构机进行掘进时还是存在一定的稳定性的。考虑到地下水源对施工的影响，在施工前应该在开挖面设置一定的压力来避免地下水涌入土舱的风险，同时还能降低水土流失的程度和避免出土器出现喷涌的现象。所以，在施工过程中，对于这种地层复杂的上软下硬结构土层进行掘进时，盾构隧道掘进机通常采用的是半敞开模式，半敞开模式就是指1/2-1/3 的渣土需要滞留在土舱内，其次在土舱内注入渣土改良来稳定开挖面的压力，通常采用的渣土改良剂包括泡沫或者膨润土。

（2） 盾构机技术参数的设置。盾构机的技术参数主要包括刀盘的转速掘和机器掘进的速度以及贯入度。在盾构机在上软下硬的复杂地质结构土层中进行施工时，有些区域的岩石硬度非常高，这种情况下处刀盘滚刀的受力面积较大，如果刀盘的转速非常大的情况下，则会对刀片的损耗特别大，所以遇到这种特殊复杂的地质结构应该降低刀盘转速；而对于软土层来说则不存在类似问题。因此，盾构机在这上软下硬的土层中和掘进时应该将贯入度控制在25t 以内，掘进的速度应该控制在每分钟0.3 厘米，刀盘的转速应该不超过每分钟1.6 转。

（3） 刀盘扭矩及油缸推力。对于遇到硬岩石的施工区域时，为例最大限度的降低刀具的磨损程度，最常采用额方式就是尽可能的减少刀具在连续工作时所受到的冲击力。通常来说，刀具受到硬岩石的冲击力所体出的特征就是刀盘扭矩，因此，换一种方式说就是通过减小刀具受到的冲击力是减少刀盘出现扭矩现象最有效的方式。对于上软下硬的复杂地层结构，盾构机的刀盘扭矩力应该控制在1700kN/m 左右，推进力应该控制在1000-1800 吨范围内。

（4） 掘进方向偏差控制。对于如何有效的控制上软下硬地层盾构机掘进方向的偏差，需要注意两方面的内容，第一方面，不仅要对开挖面的地层分布情况要求进行充分的勘察和了解，同时还要对开挖面地层分界面的变化情况要充分掌握，以此初步制定一个掘进的技术参数方案；第二方面，对盾构机掘进的方向要进行严格的控制，采用的方式就是GPS导向系统。在盾构机掘进的过程中药密切关注盾构机的路线，如果发现方向发生偏移，应该立即停止机器重新调整技术参数，掘进机基数参数的调整通常遵循一个原则就是“及时性、连续性、限量性”，应该对盾构机进行逐环、小量的调整其姿态，避免调整力度过大导致盾构机出现曲折前进的现象，调整不当还可能造成刀具磨损严重。

2.2 碴土改良技术

为了保证开挖面压力的稳定性，土舱中添加渣土主要作用体现在以下几个方面：1） 使得注入土舱内的土砂的塑性和流动性得以提高；2） 土砂与渣土的混合物可以降低渗水性；3） 避免盾构机机体内吸附土砂的现象；4） 可以降低刀盘的磨损；5） 降低刀盘所受冲击力而出现的扭矩现象。

2.3 带压开舱换刀技术

盾构机在上软下硬复杂地层区域中施工时，特别应该注意加大检查刀具的次数，密切关注掘进机刀盘受损状况，确保掘进机的刀盘处于锋利状态。如果发现刀盘的磨损超过标准要求的范围，应该及时对刀盘进行更换，如果没能更换刀盘继续进行掘进时，非但不能加快工作进度，反而会适得其反，对掘进机的刀盘和刀盘造成不同程度的损坏，更严重的会减少盾构隧道掘进机的正常寿命。在更换盾构机的刀具时，最好应该选择在地质条件好、地层稳定的区域进行。如果施工区域没有稳定的区域可供掘进机更换刀具时，必须要对地面进行地层注浆加固，务必营造一个稳定的开挖面。

3 结语

盾构隧道掘进机在硬岩层区域施工时，其稳定性非常好，不会轻易发生坍塌现象，因此掘进机可以采用半敞开模式或者全敞开模式。这种模式下掘进机推进时地标也不会下沉，因此土舱压力维持很小就可以推进。盾构机在上软下硬的复杂土层结构土层中施工时，盾构穿越是难度系数最大的，因此，本文的重点就是从盾构机施工的技术参数和渣土改良的技术两个角度出发，来研究探索在上软下硬的土层中掘进机的关键控制点和注意事项。