摘要：本文是针对四号线南延段大盾构区间典型上软下硬施工过程数据分析总结经验以便日后大盾构施工中针对上软下硬地层质量控制提供参考
关键词：广州地铁 大盾构 上软下硬 花岗岩微风化
一、概况
1.1、工程概况
中间风井-南沙客运港站区间（以下简称大盾构区间），本盾构区间为广州市首条单洞双线地铁隧道，全长1484.77m，最小曲线半径为800m，线路纵断面为V形坡，最大纵坡8‰，最小纵坡2‰。管片型式采用通用的双面楔形管片，楔形量为55mm；，管片外径11300mm，内径10300mm，厚500mm，宽2000mm。每环管片采用“6＋2＋1”型式，分为九块，一块封顶块，两块邻接块，六块标准块。
1.2工程地质
大盾构区间覆土厚度为11.47～17.0m，主要穿越地层为淤泥层、淤泥质土层、粉质黏土层、全风化、强风化混合花岗岩层，隧道底部主要位于全、强风化混合花岗岩层，局部位于淤泥层。
1.2.1上软下硬段（300~320环）工程特性
根据详勘资料显示，上软下硬基岩突起位于盾构始发后约574m的位置，隧道轮廓范围内长约65m，突起最大侵入隧道净空6.84m。穿越地层其主要特点为：上部为<2-1A>平均厚度6.46m，标贯击数N=1～3击，平均1.7击，<2-4>平均厚度3.19m，标贯击数N=3～13击，平均8.9击，<5H-2>平均厚度4.89m，标贯击数N=13～29击，平均22.5击，下部为<6H>平均厚度5.67m，标贯击数N=30～49击，平均39.2击，<7H>平均厚度10.95m，标贯击数N=50～97击，平均57.2击，<8H>岩体基本质量等级为Ⅳ类，平均厚度6.55m。
1.3水文地质
根据详勘资料显示，上软下硬段地下水位为2.9m，。本地区每年4～9月为雨季，大气降雨充沛，水位会明显上升，而在冬季因降雨减少，地下水位随之下降。
二、过硬岩段前的准备工作
2.1盾构配置
刀盘开挖直径Ø 11710mm，开口率32%，刀盘驱动形式变频电机驱动双向，刀盘转速0~3.2r/min（双向、无级调速）1.2~3.2双向无级调速，刀盘额定最大扭矩15356kN•m，刀盘最大转速下的扭矩5910 kN•m，刀盘脱困扭矩19965kN•m，刀盘驱动装机功率2000Kw（80×250kw），前体直径、长度、钢板厚度Ø 11642 mm、长2410 mm、厚60 mm，中体直径、长度、钢板厚度Ø 11630 mm、长3870 mm、厚60 mm，盾尾直径、长度、钢板厚度Ø 11630 mm、长5070 mm、厚60mm，盾尾间隙保护环部分40mm、尾刷部分65mm，盾构最大推力96700 kN（280 bar）。
2.1刀盘配置
刀盘是安装在主轴承的内齿圈上，通过8个变频电机驱动，刀盘设计为双向旋转，其转速可无级调节。
2.2穿越上软下硬前更换刀具配置
1、在盾构机掘进至285环后进入上软下硬段前带压进仓进行刀具检查工作，进仓后对刀盘刀具进行全面的排查、维修或更换，确保盾构顺利通过上软下硬段和后续全部软土地层掘进施工安全高效进行，并对偏磨超过15mm的边沿滚刀进行更换。
2、将刀具更换回18寸，开挖直径由原来的11700变为11730，控制刀盘与盾壳超挖量45mm。
三、掘进控制参数
3.1掘进速度
为防止掘进速度过快而造成扭矩增大加快刀具磨损，或造成对地层较大的扰动，采用低速度掘进，盾构机正常掘进速度30~40mm，而在上软下硬段基本控制在15~20mm的掘进速度掘进。
3.2刀盘转速
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破坏土层，而在下部<8H>岩石硬度较高，硬岩处刀盘的滚刀受力较大，局部硬岩对刀具即刀盘的损伤较大。应适当降低刀盘转速，使刀具受到的瞬时冲击小于安全荷载，刀盘转速控制在0.9-1.1r/min。
3.4刀盘转速与扭矩的关系
1、适当提高刀盘转速可部分降低扭矩值，如图中304、316、317、318环可以看出刀盘转速提高，而扭矩降低。
2、随着刀盘转速的变化看扭矩变化可以看出，刀盘转速范围控制也需要合理，因此在上软下硬段掘进时，应综合考虑转速、扭矩大小等因素，采用最合理的刀盘转速掘进，从图中可以看出刀盘转速一般控制在0.99~1.03范围内对应的扭矩是最合适的。
3.5地表沉降控制
从控制盾构掘进参数的选择中，有效的控制了对地表沉降的影响，地表沉降最大累计沉降量为-13.8mm。
四、泥浆质量控制
4.1在上软下硬地层中掘进，大部分渣土容易堆积在开挖仓底部，泥浆带不出来而造成长期堵管，无法发挥预期作用。
4.2在上软下硬地层掘进中，泥浆制备能力差，渣土滞排相对严重，而为了能够顺畅的把渣土带出，应适当提高泥浆性能指标，即能将渣土带出、又不出现堵管现象，一般泥浆进浆比重控制在1.2-1.4之间、进浆粘度控制在20~23s。
4.3上软下硬岩层中掘进，由于岩体破碎会有较大粒径的碎石进入土仓无法从排泥管带出，使得环流容易堵塞无法掘进。当出现环流堵塞情况后，及时通过反循环模式排出石块，始终保证土仓内岩块和渣土不急剧增多，虽然掘进速度慢但可保证盾构的正常掘进。
五、同步注浆
5.1同步注浆采用抗水分散型单液浆液材料，其原理为在普通注浆材料中添加硅灰、纤维素、减水剂等材料，改善浆液的抗水分散性能，用水陆强度比和pH值指标衡量，一般情况下，水陆强度比应大于80％，pH值应小于9。
5.2配合比：注浆浆液采用水泥砂浆，砂浆施工配合比已经过反复试验，重新优化，初步定为（kg/m3）：水泥110：水305：砂410：粉煤灰330：膨润土50
5.3注浆量：每环管片理论注浆量V=（π/4）×（11.72-11.32）×2=14.44m³，在上软下硬地层掘进时，注浆量一般控制在理论空隙值的1.5～1.8倍，每环注浆量控制在21～26m³。，对应的填充系数为1.97，一般不应小于1.5。
六、姿态控制
6.1在姿态控制管理中，管片姿态与盾构姿态处于同等重要的位置，一般情况下管片姿态应适应于盾构姿态。姿态控制的重点不是盾构或管片偏离设计轴线的绝对值，而是两者的相对关系，两者相对位置关系直接影响着管片的变形、开裂、渗水等质量隐患。在上软下硬地层中，由于盾构姿态存在突变的情况，更要加强对管片点位选择的管理。
6.2在上软下硬地层中，管片在脱出盾尾后有上浮的趋势，要高度重视脱出盾尾管片的变形对盾构和管片姿态的影响。当管片的上浮量较大时，要综合考虑盾构姿态、管片姿态、变形后的管片姿态三者的相互关系，按照“管片姿态适应于盾构姿态”的原则，动态调整盾构姿态和选择管片拼装点位。
6.3盾构姿态纠偏时，可采取分区油压差和改变油缸使用数量两种方式来达到纠偏的目的。在上软下硬地层进行纠偏时，一般采用分区油压差的方式，以预防产生新的姿态突变，在特殊的情况下（偏离轴线过大、管片产生内爆等）可采取改变油缸使用数量和应力释放的技术手段。纠偏要遵循长距离缓慢修正的原则，纠偏半径一定要大于偏移半径。
6.4上软下硬地层地层掘进过程中容易出现“盾构抬头、上漂”的现象，姿态跳动难以控制，因此根据详勘补勘资料和掘进参数情况来判断进入上软下硬地层前，刻意将盾构机趋势微调为“低头”趋势，即负趋势，一定程度上能中和、克服上软下硬抬头难题。
七、隧道施工质量控制
7.1管片拼装质量控制，管片拼装应依据盾构姿态、管片姿态、盾尾间隙、油缸行程、封顶块位置等因素综合选定合适的点位。加强对管片拼装人员的培训教育，提高操作人员责任心，在你拼装过程中应精细操作，减小拼装误差。精细控制封顶块的嵌入，防止管片环面不平整或卡槽而受力开裂。合理的管片选型，以便盾构掘进过程中的纠偏所需。
7.2成型管片偏差分析
在上软下硬段掘进管片垂直偏差最大为-25、最小为+2，水平偏差最大为+29、最小为+2，在本段上软下硬地层中穿越时，盾构及管片的姿态控制在预期的范围以内。
八、结语
截至目前，我国已成为世界上大型盾构隧道工程数量最多、规模最大、技术难度最复杂、发展最快的国家。然而，随着大型水下盾构隧道日趋向深埋化、超长化、大断面化以及高水压方向的发展，盾构穿越的地层种类越来越多，从单一的砂层、卵石层、硬岩层开始朝着复合地层演变，其中上软下硬地层就是其中最为显著的地层之一。与均一地层相比，在“软硬不均地层”中进行盾构掘进，施工难度普遍较大，经常发生盾构姿态易失控，千斤顶受力不均易使管片破碎，刀盘被打坏、刀具损耗多；掘进速度慢且易超挖，地面沉降不可控；由于软土层和硬岩层压缩变形模量的不同，易使刀盘受力不均而发生偏心受力，刀盘易被卡住，刀盘和主轴承密封易受损等问题，基于此，本文对复合地层大直径泥水盾构穿越上软下硬地层施工技术与控制措施作出的一系列分析，对我国的盾构工程建设起到了一定的参考意义。
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论文作者:刘振华
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/8/27
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