土压平衡盾构软硬不均地层掘进控制策略

刘东亮

(中铁隧道局集团有限公司，广东 广州 511458)

1 软硬不均地层对施工的影响

随着盾构技术的进步与发展，盾构法用于隧道掘进施工已经成为一种成熟的施工方法，特别是在上软下硬复合地层盾构施工的困难地层上，经过多年施工探索，形成各种复合地层中施工的技术。广深地区上软下硬复合地层最具有代表性，其特点是：岩性变化频繁，基岩风化界面起伏大，断层破碎带分布密集，含水量差异明显。具体体现为：同一里程隧道横断面表现为上下或左右软硬不均，在隧道纵剖面上表现为软硬相间，物理力学特性差异大，对盾构施工的影响尤为明显。危害为：①掘进过程中渣温升高，会在刀盘表而或土舱内形成泥饼；②上软下硬或上硬下软的不均匀地层难以进行动态平衡控制，导致坍塌；③螺旋输送机出土喷涌严重，造成施工困难；④刀具磨损严重。

因此对上软下硬地层盾构掘进控制策略的研究尤为重要，掘进参数的管理、刀具更换、等是盾构掘进控制关键环节。

2 上软下硬地层典型案例分析

案例1：深圳地铁14 号线某区间在穿越既有地铁线的过程中，发生地表塌陷。该部位从上至下依次包括填土层、粉质黏土、砾质黏土、中砂、粗砂、砾质黏性土、全风化花岗岩、土状强风化花岗岩、块状强风化花岗岩、中、微风化花岗岩。根据地质勘查资料显示，下穿既有运营地铁线左、右线地质主要为：砾质黏性土、全风化花岗岩，土状强风化花岗岩、块状强风化花岗岩、中风化花岗岩（图1、图2）。

为了控制地表沉降，采用满仓掘进，在148环掘进过程中，因满仓掘进困难、容易结泥饼，掘进开始后逐渐转换为气压辅助模式，仓内空气量增高，渣土较稀，加剧了出渣喷涌，由于无法对盾构正上方土体进行垂直加固，且不具备洞内直接注浆条件，长时间停机将造成较大的风险，决定继续掘进。在149 环掘进过程中，渣温不断升高，达到48℃，掘进速度降低至5mm/min，掘进150 环至1 200mm 过程中，掘进参数持续恶化，掘进速度下降至3～4mm/min，渣温高达54℃，无法继续掘进，停机向刀盘仓内注入膨润土做带压进仓准备工作，在准备过程中，由于超量出渣，致使地表出现塌陷。

图1 区间左线与既有线断面关系图

图2 区间右线与既有线断面关系图

案例2：如图3 所示，深圳地铁6 号线某区间，区间左线洞身范围上部2m 为砂土状强风化粗粒花岗岩，下部4.3m 为微风化粗粒花岗岩；右线洞身范围上部2.5m 为砂土状强风化粗粒花岗岩，下部3.8m 为中、微风化粗粒花岗岩。施工过程中发生如下情况。

图3 左右线地质纵断面图

1)喷涌现象 在上软下硬地层掘进中，由于裂隙水较大，土仓压力较高，产生喷涌严重，由于喷涌使盾尾堆积大量渣土和水，将管片输送机完全淹没，无法正常掘进，以致进度缓慢。

2)结泥饼 在上软下硬地层掘进中，由于泡沫目前只有两路正常使用（设计4 路），渣土改良未达到更好的效果，以致结泥饼几率增加（图4）。

图4 刀盘仓内结泥饼情况

3)换刀频繁 在上软下硬地层掘进中，由于掌子面岩层软硬不均，下部岩层强度高达120MPa，对刀具磨损严重（图5），换刀较频繁，从始发掘进以来左线换刀15 次，右线换刀14 次。

图5 刀具磨损情况

4)进仓困难 在上软下硬地层掘进中，由于该段地层覆土较厚，土质松软，地层较敏感，创造带压进仓条件难，每次进仓消耗时间较多。

3 掘进控制策略

3.1 掘进参数管理

一般情况下主要控制的掘进参数：刀盘扭矩波动值、贯入度、刀盘转速、渣土温度、出土量等。首先分析地质情况，根据地质情况选择掘进模式，一般的上软下硬地层中，气密性都能够满足半敞开模式掘进，特殊地段采用全土压模式掘进，全土压掘进时一定要控制好渣土改良，否则就会因渣土滞排而堵仓结泥饼。

在软硬不均地层中，一般情况下贯入度与软硬不均的硬岩的硬度成反比，硬度越高、贯入度越小，在掘进100MPa 以上的岩石时一般是采取低转速、低贯入度的模式进行推进，贯入度5mm/min 左右，甚至更低，如果贯入度太高而岩石过硬，刀具就很快会异常损坏。因此刀盘转速选择低转速，以保护刀具为主的模式，也就是尽最大的可能防止刀具被撞击损坏，增加刀具使用寿命。

参数选择完成以后，要根据实际掘进情况合理地进行参数调整，总结一套上软下硬段掘进参数的警戒值，对刀盘扭矩波动值、贯入度、渣土温度、出土量等制定相应的报警值，达到指导施工，减少因异常而出现长时间停机的目的。

掘进过程中扭矩波动值、出渣量要严控，出渣量在稀渣情况下要体积和称重互相校正。出现异常要第一时间掌握掘进参数的所有变化值，例如出渣量，是否连续几环都少出了（1～2m3），会不会造成渣土滞排，所有的参数都要及时的统计，以天为周期每天由现场技术员将参数填写完成，后台由专人进行参数的数据分析和统计工作，来达到指导现场掘进的目的。一旦发现参数异常，立即反馈给现场进行调整。

3.2 刀具管理

一般情况下，掘进抗压强度100MPa 左右的岩石时，边刀掘进20 环左右就需要更换，正滚刀、中心刀具掘进里程稍长，但一般不会超过50环，在软硬不均地层，开仓异常麻烦和困难，每次时间都较长，因此保护刀具不要异常损坏，做好渣土改良工作，是控制的重点。

建立刀具台账，每把刀具的使用寿命，是否经过参数异常段的统计，维修次数，以及刀具的启动扭矩等，刀具的管理还包括开仓时刀具检查工作，开仓完成后刀具是否安装到位，螺栓是否紧固等的检查，以及是否有刀具及切块掉落土仓中等等。

3.3 提前预处理

第一种岩体抗压强度高于100MPa 的岩层，有些能够提前的处理的软硬不均地层，建议提前进行地表处理，处理方案有两种，一是直接钻孔爆破，二是用取芯的方式将岩石取出。

第二种是软硬不均地层的换刀点的提前加固工作（在地质条件不好无法保证气密性的地段），加固范围洞顶2m 以上，保证带压进仓安全性。

通过地质补勘摸清软硬不均的交接点也尤为关键，尤其是在软土进入软硬不均地层时，一定要及时调整掘进参数，因此一定要有相关的地质补勘资料做支撑。

3.4 换刀点的选择以及注意事项

软硬不均地层换刀点（岩体抗压强度100MPa以上），按照20 环左右一个点来选择，根据地质情况进行分析，尽量选择地层漏气量小的地段进行开仓作业。在换刀点要提前将地质钻孔以及其他漏气通道处理好，防止地层漏气，影响盾构掘进以及带压作业。

如果掘进出现异常，应立即停机，分析清楚异常的原因后再做后续安排，如有需要则立即启动带压进仓作业。不要盲目地进行复推，如果出现堵仓现象，要想办法置换仓内渣土（一般使用膨润土进行置换），复推后异常段试验掘进参数，一定要把控好原则，尤其是出渣量一定要严格管控，不能多出土也不能少出土，为后续是否掘进或者带压提供良好的条件。

带压进仓作业前要对安全措施准备情况进行验收，保压系统调试、压力表的校正、土仓气密性测试、气体检测设备调试以及备用的内燃空压机、发电机的准备等。

3.5 开仓作业

开仓时首先要做气体检测、仓内温度的测试工作，提前做好通风以及降温等措施，开仓后首先要对地层情况进行排查，判断掌子面是否稳定、刀盘切口环位置是否稳固，是否存在渣土脱落风险等，其次对刀具进行测量，判定本次作业的工作量，做好换刀方案，确定本次带压操作的具体工作时间，统筹安排具体的换刀顺序，杜绝盲目操作。对仓内安全以及工作情况进行确认后再进行刀盘的转动，原则上减少刀盘的转动次数。

4 进入硬岩地层注意事项

盾构进入全段面硬岩后，要及时地调整掘进参数，尤其是刀盘转速一定要调整，在覆岩厚度小于2m 的硬岩地层，不能提前释放土压，继续用气压平衡的模式进行推进，由于覆岩厚度不足，且处于交界面位置，提前降低土压会导致盾壳后部失水，刀盘的转动，造成地层扰动，击穿地层的风险，当覆岩厚度超过2m 后，可以开仓检查刀具，掘进时可调整土仓压力采取敞开模式掘进。硬岩段掘进管理的重点在于刀具，只要将刀具管理做到位，才能够保证掘进顺利。