摘要：结合地铁隧道盾构施工，阐述了复合地层中土压平衡盾构施工的主要技术难点和重点，对此必须采取切实有效的施工对策，以保证盾构能安全、顺利的作业掘进。
关键词：土压平衡；盾构；复合地层；关键技术
一、复合地层
复合地层包含矿物质含量较高的粘土残积层、软弱地层、复杂线行地层带、硬岩地层、富水断层破碎带、“孤石”地层、上软下硬地层等等。
二、复合地层中盾构施工
1矿物质含量较高的粘土残积层施工
在矿物质含量较高的粘土层中施工，泥饼很容易在刀盘和土仓内堆积。对此，预防泥饼堆积的措施有以下几个方面：
（1）作业掘进前，可注入浓度较高的泡沫和泥浆，以此改变土体的和易性，从而进一步预防粘土结块；
（2）增设搅拌棒且搅拌棒为空心的，这样就能增加搅拌强度和范围。注水孔预留在空心棒内，以便清洗土仓和刀盘；
（3）泥饼一旦堆积后，可用空转刀盘的方法，这样泥饼就会在离心力的作用下自动脱落下来；
（4）气压平衡模式作业掘进，但前提是岩围隔水性佳；
（5）人工作业，人工清除掉泥饼，但前提是开挖面必须够稳定；
2软弱地层施工
软弱层即砂层，在砂层段作业掘进。很容易使地表下沉。对此，预防此种情况的措施有以下几方面：
（1）在未进入砂层作业掘进前，监控开挖面土仓内的压力变化。观察螺旋输送机出口处渣土的状、流态及组成部分；
（2）控制出土量，保证土仓压力，此种作业模式又称为平衡作业掘进模式，这样工作面就能很好的稳定，最终管控地表的下沉；
（3）可在盾构作业掘进过程中仓内和刀盘面喷注泡沫或泥浆等添加材料，改善碴土性能，提高碴土的流动性和密水性，防止涌水、流砂、喷涌现象等的发生，并利用螺旋输送机排土；
（4）把施工引起的对地层的影响降到最低，前提是选择更为合理的作业掘进参数快节奏作业通过；
（5）控制盾构姿态，原理是运用导向系统和分区操控推进油缸，以防止盾构抬高；
（6）确保同步注浆的质量，方法是缩短同步注浆浆液胶凝时间，在减少地层损失前提下以控制地表下沉。
3复杂线行地层带施工
在复杂线型段施工，因为曲线段很多，隧道的曲率半径就会很小，往往转弯也会很急，曲线段的累积长度较长等等，这些都可影响盾构作业掘进的速度、模式及姿态。对此，主要从以下几方面采取措施：
（1）对技术操作人员实行技术交底，即在每一段曲线段作业掘进施工前，对盾构机操作人员进行线路特点的技术交底，制定出相应的操作策略。特别是线路参数，汇成表格的形式，贴在盾构机操作室内，以供操作人员随时查阅参考；
（2）严格把控盾构机的作业掘进参数，在大多数情况下，必须保证机身竖直和水平方向的轴向偏差在士20mm之内；
（3）把轴线偏差降到最低，方法是控制变线段及变坡点附近的作业掘进方向；
（4）如果发现开挖断面地层特征对作业掘进方向控制有所影响，应改进作业掘进策略；
（5）根据不同的线路特点选择不同的管片类型，把隧道轴线偏差降到最低，以保证高质量的管片拼装。
4硬岩地层施工
在硬岩地层段施工时，因为岩石的天然单轴极限抗压强度特别高，盾构机在该岩层作业掘进时会困难重重。比如：刀具的磨损特别大，需要频繁的更换刀具；作业的速度提不上去；轴线控制难度系数增大；推力变大等等。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆对此，由以下几方面入手解决这个问题：
（1）及时更换掉已经存在磨损的刀具；
（2）保证在曲线和复合地层作业掘进的方向控制，更加合理地去使用超挖刀；
（3）把管片的损坏降到最低，方法是选用匹配的推力和匹配的作业掘进速度；
（4）把刀盘振动降到最低，并提供必要的反转扭矩，方法是正确使用稳定器；
（5）监管作业掘进过程，在出现问题后，及时修改作业掘进参数；
（6）采用传统的矿山法，此方法适合长距离硬岩段，即模仿矿山法在隧道中施工作业；
5在富水断层破碎带施工
富水断层破碎带一般存在岩体破碎、围岩强度特别大、强度分散不均匀、稳定性欠佳、地下储水结构固结、地下水丰富等特征，盾构机在此种地层段施工作业时，首先容易发生涌水的现象，其次是破碎带的一些比较大的岩石块会堵塞掉螺旋输送机等，对此，可从以下几方面入手解决此类问题：
（1）保证刀盘受力不超载，方法是依据围岩的变化及时更换刀具，随时把控好刀具和刀盘的受力状态；
（2）一旦发生涌水的现象时马上关掉螺旋输送机的出口，把水拦在盾构机之外，方法是在螺旋输送机出口配置防喷涌设施。
（3）充分破碎、切削岩石块、保证不让大的岩石块把螺旋输送机堵塞掉；
（4）防止螺旋输送机被堵塞，和水涌入隧道，方法是在掘进机作业掘进过程中向土舱内喷注泡沫或泥浆；
（5）保证地表不下沉，方法是监测地表和建筑物，及时注入浆液把管片和地层之间的环形间隙填充满；
（6）当地下水压变大时，要防止盾尾密封被击穿，方法是及时在尾刷处压注油脂；
（7）开启盾构稳定装置，把盾构震动降低到最小，以保证隧道有高的成型质量；
6 “孤石”地层段施工
盾构机在“孤石”段施工很容易磨损刀具、使刀具变形，最严重的是让盾构机瘫痪无法作业掘进。对此，当盾构机在“孤石”段作业掘进时，务必从以下几方面克服：
（1）应用静态爆破方法，结合人工凿除，去除孤石，前提是开挖面够稳定；
（2）稳定工作面，方法是向土仓内注入气压，然后采用高转速、低扭矩的方
法作业掘进。
6.1破石机制
常规破石机制，岩石破碎在工程界及矿山、地质界公认的方法主要有爆破破岩、机械破岩、流体破岩和热能破岩。其中，流体破岩有高压水射流、高压泥浆射流、电子束射流、高能加速器共4种；热能破岩有火焰喷射破岩、激光破岩，红外线破岩、微波破岩、高频破岩共5种。流体及热能2种破岩由于盾构土仓空间小、操作环境多水等环境影响及破岩设备体积、作业环境要求高等限制，无法在隧道中应用。
6.2盾构破岩机制
目前盾构普遍认可的破岩机制有冲击破岩、刮削破岩和挤压破岩3种方株式。冲击破岩方法有盘型滚刀、钎头破岩、潜孔钻头破岩、射弹冲击破岩。刮削破岩有锯齿切割破岩、刮刀破碎、金刚石钻头、环形取芯钻头破岩等。挤压破岩有牙轮钻头、盘型滚刀、齿形滚刀等，牙轮钻头分单牙轮、双牙轮、三牙轮、多牙轮等；盘型滚刀有单刃和双刃；齿形写滚刀有铣齿滚刀、铸齿滚刀、镶齿滚刀等。目前地下工程普遍采用滚刀破岩。滚刀破岩是靠滚刀滚动产生冲击压碎和剪切的作用达到破碎岩石，属滚压破岩；当地层中母岩对卵石缺少约束力时，地层无法给滚刀提供足够的转动力矩和滚刀破岩的支撑淌力，会导致滚刀不转，破岩效果下降。
7上软下硬地层段施工
在上软下硬地层段施工，很容易导致实际曲线和设计方向不一致，增大盾构机作业掘进难度系数，为此，主要从以下几方面入手：
（1）探明软硬不均地层的方位与区域大小，方法是使用超前钴；
（2）调整盾构千斤顶的压力差；
（3）运用一些辅助设备：把开挖刀具更换掉，以适应较硬地层，减少开挖阻力等。
结束语
综上所述，复合地层中盾构工程的主要特点有：经常变换盾构施工模式，在软土地层或以软土地层为主的上软下硬地层施工时，一般要采用闭胸模式，而在以岩石地层，特别是自稳性较好的（包括风化程度不一）岩石地层施工时则可采用半开胸式（欠土压平衡模式）或开胸模式；在以砂层或以砂层为主的上软下硬地层中采用土压平衡模式施工时，可能需要通过加注膨润土等工艺转化为“泥水平衡”模式等等。同时盾构机的配置需要做出适当的调整。在硬岩段施工时，通常要采用全断面滚刀破岩模式，采用的刀盘开口率会较小；当掘进在软岩或软土地段时，通常都要将部分或全部滚刀换成适应软岩或软土的刮刀，此时的开口率也相应增大。最后，采用的施工工艺和施工参数也要根据地层的变化而变化。这些变化主要表现在不同地层需要的添加剂的种类和数量的不同；需要的辅助设备（比如破岩机、超前钻机）的不同；盾构机姿态控制的不同等等。
参考文献：
[1]龚劲，张一华.浅谈盾构机穿越复合地层问题与思考[J].四川水泥，2016（3）：261-266.
[2]周磊，朱挺.分析土压平衡盾构穿越复合地层的问题及解决对策[Y].建筑工程技术与设计，2013（11）：3307-3310.
论文作者:岳风华
论文发表刊物:《基层建设》2019年第10期
论文发表时间:2019/7/4
标签：盾构论文; 地层论文; 作业论文; 方法论文; 牙轮论文; 模式论文; 刀具论文; 《基层建设》2019年第10期论文;