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摘要：以广州地铁4号线南延段施工3标大涌站~塘坑站盾构区间项目为例，分析盾构法施工在上软下硬地层中存在的掘进缓慢、刀具磨损严重、喷涌、结泥饼等难点和风险，详细介绍盾构法在上软下硬地层中施工的参数控制、渣土改良等关键技术，并为类似工程提供参考。
关键词：上软下硬地层 盾构法 参数控制 渣土改良
1 引言
广州地铁4号线南延段施工3标大涌站~塘坑站盾构区间双线采用盾构法施工。盾构机自塘坑站始发掘进至第207环、第970环时，出现掘进参数异常、螺旋机喷涌、刀具偏磨严重等问题。通过对两段地层出渣渣样筛分及对970环前后补充勘察，207环处，开挖面底部往上1/3范围为微风化花岗岩，剩余上部2/3范围为强风化混合花岗岩及全风化混合花岗岩；970环处，开挖面底部往上1/2范围为微风化花岗岩，剩余上部范围为硬塑残积土及淤泥、回填土，两段开挖地段均为典型的上软下硬地层。两段地层均位于环市大道主干道，车流量大，且970环处盾构下穿居民用水管、污水管、10KV高压电缆及民用网络专线等管线，隧道埋深最浅处距管线下缘不足8m。
盾构穿越上软下硬地层是盾构施工中的难点和风险点，本文依据广州地铁4号线南延段施工3标大涌站~塘坑站的实际施工案例，探讨盾构在软弱不均地层中掘进的关键控制技术。
2上软下硬地层盾构法施工的难点及风险点分析
2.1掘进速度缓慢，盾构姿态难以控制
根据渣样筛分实验及补堪显示，这两段上软下硬地段开挖面为中、微风化混合花岗岩及淤泥、硬塑状残积土、全/强风化混合花岗岩。中、微风化混合花岗岩岩体坚硬，单轴极限抗压强度最大可达119MPa。盾构机在该地段最大掘进速度不足5mm/min，非常缓慢。分析盾构机结构图知盾构机自身刀盘最重，整机呈“头重脚轻”现象，在软土地层中盾构机姿态通过千斤顶分区加力即可达到理想姿态，如盾构机需抬头，只需加大下部千斤顶推力即可。但是在上软下硬地层掘进时，推力和扭矩变化较大，盾构机主机易向较软侧偏移的趋势，姿态调整或需向硬岩侧偏移时，姿态更加难以控制，强行增加推力不仅对刀具极易造成磨损，甚至会导致刀盘磨损从而造成盾构机卡住。
2.2螺旋输送机喷涌严重，清渣耗时耗力
在开挖面为软硬不均地段掘进时，开挖出渣中粗颗粒、粗砾石及细颗粒、细砾石含量大，过渡颗粒、砾石很少。这种颗粒间空隙过大，不密实的渣土组成结构，为小颗粒从大颗粒的孔隙中喷出提供了条件。加之中、微风化混合花岗岩裂隙水发育，970环处原河道回填，地下水丰富。因此，当盾构掘进施工参数控制不当时，就会造成螺旋输送机喷涌渣土现象，清理渣土往往要耽误一个作业班组半天甚至更长时间，费时费力，对施工进度影响很大[1]。
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2.3刀具磨损严重，开仓换刀风险大
开挖面的软硬不均本身对刀具的磨损比较严重，全、强风化混合花岗岩中细颗粒及残积土积结都容易造成泥饼效应，刀盘结泥饼极易造成刀具偏磨，加剧刀具在软弱不均地层的破坏。在上软下硬地段开仓换刀风险极大，且970环处上部为原河道回填，无法进行压气进仓作业。盾构机在软弱地段换刀停留时间过长，易造成开挖面软土范围滑塌，甚至引起路面塌陷。
3上软下硬地层盾构施工技术分析及解决方法
3.1掘进参数的控制
1）掘进模式的选择
当开挖面为软弱不均地段时，单独参照硬岩段掘进采用的敞开、半敞开式掘进施工，容易造成开挖面软弱范围超挖、甚至塌陷；单独参照软土段掘进采用的实土压掘进施工，刀盘易结泥饼，且掘进缓慢。对比分析不同地段掘进方法的优劣，采用向土仓内加气并保证土仓半仓渣土的气压法掘进模式，既能保证开挖面的稳定，又解决了满仓实土掘进时出现的结泥饼及掘进缓慢的问题。气压法掘进模式的气压值以刀盘上部土压测量值为准，结合覆土情况、有无构建筑物，可比实土压值高0.01MPa~0.03MPa。
2）掘进速度、刀盘转速的选择
由于开挖面为软弱不均断面，软弱部分只需对掌子面土体进行切削就可满足开挖，而局部坚硬岩对刀具磨损较大，刀盘转速过快会加剧刀具所受的集中冲击力，故刀盘转速不宜过快。[2]控制掘进速度与刀盘转速也即控制了贯入度，以安全荷载25t为准，刀具所受荷载最大值不得大于安全荷载，以掘进速度10mm/min，刀盘转速宜控制在1.5r/min。
3）刀盘扭矩、油缸推力的选择
刀盘扭矩是刀具所受冲击力的直接体现。由于开挖面为软弱不均断面，为保护刀具在此类地段的使用寿命，应减小其所受连续冲击的力。参照刀具在硬岩中掘进的使用情况，油缸推力宜控制在1200~1700t，结合贯入度的选择，刀盘扭矩应保持在1700kN/m。
3.2渣土改良
盾构机自带渣土改良系统，也就是常用的泡沫系统、膨润土系统。渣土改良系统通常有以下几方面的作用：
1、使渣土具有良好的土压平衡效果，利于稳定开挖面，控制地表沉降；
2、提高渣土的不透水性，使渣土具有良好的止水性，从而控制地下水流失；
3、提高渣土的流动性，便于螺旋输送机排土；
4、防止螺旋输送机排土时出现喷涌现场；
5、降低刀盘扭矩和螺旋输送机的扭矩，同时减小对刀具和螺旋输送机的磨损，提高盾构施工效率。在软弱不均地层的盾构施工，渣土改良往往在达到以上目的的同时，还需满足其他特殊的要求。
1）稳固掌子面、保障气密性
向土仓内注入高性能易钻膨润土，通过低粘度的泥浆（粘度在24~35s）置换土仓内的土，通过低浓度泥浆循环，对黏贴在刀盘面的浮土进行清理，从而达到泥浆能接触到掌子面，确保掌子面能形成真正的泥膜。通过逐级增加泥浆的浓度和泥浆的填充压力将泥浆置换，让泥浆在掌子面充分渗透，形成泥膜，从而达到稳定掌子面、提高气密性的目的。
2） 治理泥饼
泥饼是盾构刀盘切削下来的细小颗粒、碎屑在密封土仓和刀盘区重新聚集而成的固状、半固状的块状体。泥饼的产生，不仅会严重影响刀具的正常使用，加剧刀具偏磨，甚至引起掘进参数突变、异常，导致盾构施工难以控制。在易结泥饼的地层，通常通过更改泡沫系统参数，如加大流量，提高发泡倍率，或者根据出渣情况更换泡沫原材等措施进行提前预防，并根据地层情况提前计划在稳定地层开仓检查，避免泥饼的产生给盾构施工造成不可挽回的损失[8]。
4结论
盾构在软弱不均地层的掘进模式和掘进参数应根据地层稳定性确定。合理有据的掘进参数是克服施工难点、有效控制掘进施工的关键；针对不同的地质条件选用合理的渣土改良技术时保证盾构安全、稳定、连续的一项不可或缺的重要手段；提前做好施工线路地质情况的勘察和对比，有计划、有依据的施工风险预判，是规避盾构风险源的可靠保障。
参考文献:
[1]朱宏海 上软下硬复合地层地铁盾构隧道设计及施工探讨[J].隧道建设，2015.02:146-148
[2]付艳斌 上软下硬地层盾构法隧道施工技术[J].交通科技与经济，2009.04
[3]李茂问，刘建国，韩雪峰等，长距离硬岩地层盾构施工关键技术研究[J] .隧道建设，2009（08）：470-474
[4]崔玖江 盾构隧道施工风险与规避对策[J] .隧道建设，2009（08）:377-396
[5] 管会生 土压平衡盾构机关键参数与力学行为的计算模型研究[D]. 西南交通大学, 2007.08
[6] 张志伟，贾艳敏，赵艳娟 地铁盾构法施工事故预防及处理措施[J] .铁道建筑，2010（11）:50-53
论文作者:云强
论文发表刊物:《防护工程》2017年第21期
论文发表时间:2017/12/25
标签：盾构论文; 渣土论文; 地层论文; 刀具论文; 不均论文; 花岗岩论文; 软弱论文; 《防护工程》2017年第21期论文;