嘉兴盾构二标区间工程软硬不均地层掘进技术分析

彭海库

摘 要： 论文以嘉兴盾构二标区间工程为依托，研究了软硬不均地层掘进技术，以期能够为类似工程的施工提供些参考性的意见。

关键词： 工程软硬不均地层;掘进

一、嘉兴盾构二标D4-D3掘进状况

（一）区间复杂地层

D4-D3井地区地形、地层复杂，有淤泥质粉质黏土，粉质黏土，泥质粉砂岩，长石砂岩，石英砂岩等。D4-D3区间盾构隧道穿越更多的软硬不均、硬岩、断裂破碎带等复杂地层，施工进度和安全经常受到影响。在这些复杂易变地层中推进，将大大增加盾构机土仓压力、掘进参数、同步注浆、姿态调整和地表沉降的控制难度，并导致刀具磨损加快等一系列技术问题。

（二）区间复杂地层的特点

区间盾构隧道在穿越淤泥、粘土、硬岩和软硬不均等多种复杂地层，所穿越的区域雨量充沛、地下水丰富，施工难度极大。区间复杂地层的特点主要表现在以下四个方面。（1） 多样性，地下土层和岩层种类众多。（2） 差异性，地形高低起伏较大，各类岩层风化程度和单轴抗压强度相差甚远;从基本无强度的淤泥质土层到高达100多MPa的长石砂岩，石英砂岩也均有分布，高强度硬岩质地层掘进距离长达3公里。（3） 不均匀性，隧道所经地段地层上软下硬现象十分普遍，地层变化特别快。（4） 富水性，穿越众多地下水丰富地区，断裂破碎带地区，水量大。

二、软硬不均地层对盾构施工的影响

（1）在软硬地层开挖中，由于上部围岩的自稳定能力差，在开挖过程中极易发生塌方，开挖的螺旋输送机数量增多，导致孔洞形成，根据时间效应，会向地表发展孔洞，造成地表沉陷。（2）当盾构掘进到断层等富水地段时，会出现“喷口”现象。地表水、泡沫、砂石从螺杆机出口处喷涌而出，造成盾尾及隧道内积渣，影响施工环境。对施工进度影响更大。（3）在微风的防护下，风化的长石砂岩、石英砂岩钻进坚硬岩层，刀具磨损严重，换刀频率增加，行驶速度缓慢，工期延误，成本增加。（4）在推进粉质土时，由于土体含水量高，承载力低，难以控制盾构机的姿态，机体易“弯”，从设计轴线上，造成地面沉降超限。（5）在粘性土地层中，刀盾机中部区域容易结饼，造成刀具局部磨损，减缓前进速度。（6）当过河，如果屏蔽体的上端不是远离河床，为刀盘很容易打扰周围的土壤，这将导致减少铣刀盘的穿透裂纹底部的河床，这将导致切口上升。因此，在各种复杂地质条件下盾构施工的重点，是保证盾构施工顺利进行的关键。

三、软硬不均地层掘进出现的问题

（1）软硬不均地层掘进时，刀盘对掌子面顶部过度扰动，会造成隧道顶部土层松弛，出渣量较难控制易产生地表沉降甚至塌陷。（2）软硬不均地层掘进时，由于掌子面强度差异大，刀具在经过软硬交界带时，刀具异常磨损或非正常损坏（磕刀）。（3）软硬不均地层掘进时盾构机姿态较难保持（特别在线路下坡时）。（4）软硬不均地层掘进时，螺旋后仓门容易被小石块卡滞，使之无法及时有效关闭，造成涌渣现象。（5）软硬不均地层软硬交界处含水量较多，盾构掘进时渣土改良时容易偏稀，易产生喷涌。（6）软硬不均地层刀具磨损较快，开仓较频繁，风险较大。

四、软硬不均地段的掘进施工措施

（一）地质调查

任何地下土木工程的施工方案都是建立在对地质的详细了解的基础上的，详细的地质资料为选择掘进参数提供依据，减少施工的盲目性。所以盾构法施工前应查明以下复杂地层：含漂石或者是卵石地层，开挖面的软、硬地层范围;一般情况下，设计单位初步地质勘探是的地质钻孔间距一般较远，不能指导盾构施工地层的准确判断性。为保证盾构掘进选择合适的参数，我们在施工前應进行详细的补充地质勘探，查明隧道范围内的地质情况：1）软硬不均地段的硬岩分布位置和占盾构开挖掌子面的面积，软 土的类别和相应参数;2）硬岩侵入隧道的高度和走势;3）硬岩的裂隙发育情况、强度和整体性;4）软硬不均地段的上方覆盖土的类别。

（二）基岩突起段进行爆破处理

鉴于基岩突起段掘进过程中风险极高，可以对已探明的有条件的基岩突起段进行部分深孔预裂爆破处理，破碎完成后，对处理段进行压密注浆。

（三）通过基岩突起段设备准备

（1）对刀盘上所有刀具尤其是对单刃滚刀和中心滚刀进行检查更换，周边滚刀尽量采取加厚刀圈;如果条件允许在掘进基岩一到两环后对滚刀安装螺栓进行复紧。（2）对泡沫系统进行保养疏通，尤其要确保刀盘中心位置泡沫发泡效果。（3）对螺旋机前后仓门进行磨损检测，修复磨损超限部位。（4）检查保养水冷却系统。（5）调试盾构机人仓及保压系统，确保其各密封、仪表及控制元件完好、有效、可靠，时刻做好带压进仓准备。（6）调试检修膨润土注入系统。（7）检修隧道风管，保证良好的隧道通风效果。

（四）渣土改良

软硬不均地层掘进时一般需要将渣土改良流塑状偏稀，保证土仓内渣土长时间摩擦不产生粘接，有利于防泥饼问题，碴土改良采用优质泡沫+膨润土泥浆（粘度小于27S），这样可以在掌子面软弱地层起泥膜作用。泡沫原液比例1%，气流量600L/min，注入率30%，膨胀率12%。膨润土流量3m3/h。

五、软硬不均地层掘进管理技术

（一）刀盘的转速

在上软下硬地层中掘进，软岩部分只需对掌子面进行切削即可达破坏土层，而下部岩石强度较高，处于这个地方的刀盘上的滚刀受力较大，硬岩对刀具及刀盘的磨损较大。所以要适当地降低刀盘的转速，使刀具受到的瞬时冲击小于安全荷载。刀盘的转速一般控制在于1.0～1.5r/min。根据实际的地质条件，在刀具的选型及布置上在着重增强其对地质的适应性。在掘进中加大对刀具的检查力度，制定详细的刀具换刀方案

（二）盾构姿态的控制

在上软下硬地层中掘进时，盾构机的姿态控制较难，容易使盾构轴线与隧道设计轴线产生偏离，所以，在掘进过程要加强对盾构机姿态的控制，随时利用导向系统观测盾构掘进路线与设计线路之间的差异。同时，也要加强人工的复核工作，对已完成的隧道要进行中线及高程的复测工作，及时反馈误差信息，以便及早发现问题，并采取纠偏措施进行纠偏，避免施工误差超限。

（三）掘进模式的控制

在上软下硬地层中，如果采用半敞开式掘进，要向土仓内注放压缩空气和泡沫等人工材料进行辅助开挖。这样做既可防止上部掌子面的坍塌，又利于检查清理刀盘和更换刀具，保证掘进顺利进行。当上部土体自稳能力较差时，也可以采用全土压平衡模式下掘进。在掘进过程中若发现盾构机多出土，应提高盾构开挖仓的压力，保证开挖面的稳定性，过后应该在该区域管片背后注入双液浆来加固地层，避免地表塌陷，加强沉降监测。

综上所述，软硬不均地层掘进要注意以下几点：（1）前期通过地质钻机等勘探方法尽可能的对地质情况有个比较详实的了解。（2）对已探明的软硬不均地层（孤石）如果有条件尽可能采用深孔预爆破、冲桩、挖孔桩等方式提前进行处理，以降低盾构掘进时风险。（3）软硬不均地层（孤石）掘进过程要时刻以保护刀具为轴线进行刀盘扭矩控制、渣土改良等，同时密切关注并分析其他掘进参数，有异常应立即停止推进，采取常压甚至带压等相应措施核实刀具是否有异常，确保刀具完好、有效。（4）盾构机在复杂地层施工的掘进成败关键在操作人员，要加强对盾构司机的技术培训和交底，提高对复杂地层的认识和应变能力。

参考文献：

[1]陈桥，陈馈，杨书江，孙振川，李凤远，周建军.苏埃通道工程软硬不均地层盾构掘进参数模拟试验研究[J].施工技术，2018，47（18）：61-66.