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摘要：文章结合工程实例，介绍了土压平衡盾构穿越上软下硬复合地层的产生的施工风险，分析了工程中遇到的重点、难点问题，并针对工程的难点提出了主要技术措施，最终保证了盾构机安全、顺利地完成掘进施工任务，对相似地层的施工有借鉴和指导作用。
关键词：土压平衡盾构；地铁施工；上软下硬地层
随着我国经济的飞速增长，社会生活节奏加快，这也对我们的交通运输行业提出了更高的要求，地铁应运而生，该项交通工具拥有便捷、环保以及高效等特征，在交通日益紧张的城市中能够起到有效缓解交通压力的作用，可谓是城市交通组织的重要手段。盾构法是地铁工程施工建设工中一种重要的施工方法，该项施工技术不会对地面交通造成很大影响，可充分保护周边建筑物，能够适应复杂多变的环境，应用优势甚为明显。但由于地质条件的复杂性，盾构在掘进时常需面对不同的复杂地质。其中，上软下硬复合地层是盾构隧道中常见的不良地层之一，盾构机在该类地层中掘进时存在较大的困难及风险，需采取一系列的技术措施来保证盾构的顺利掘进。
1 研究背景
某地铁区间上软下硬地层段，总长约18m，下部主要为17中风化花岗岩，且在隧道范围内沿盾构掘进方向逐渐降低，上部主要为⑤2细砂层，花岗岩的主要矿物成分为石英、长石及少量的黑云母、角闪石，硬度较高，而⑤2层细砂层透水性较高，渗透系数达到10-2cm/s，且与水系贯通。
土压平衡盾构在该段上软下硬地层中掘进时，面临着掘进困难、螺旋机易发生喷涌、盾构参数难以控制以及刀具易损坏等多个技术难点，通过采取渣土改良、刀具配置改良以及设置合理的盾构施工参数等一系列措施，保证了盾构的顺利掘进。
2 主要施工难点及风险分析
土压平衡盾构机在切削开挖面土体的同时，使土仓内渣土压力和开挖面的水土压力实现动态平衡，在掘进的同时也保持开挖面的稳定，控制地表的沉降，但在上软下硬地层中掘进时，存在以下一系列难点及风险，会对盾构机的土压平衡掘进产生不良影响。
2.1 刀具易受损或磨损
盾构机在该段上软下硬地层中掘进时，刀盘上的刀具与下部硬岩作周期性碰撞，刀盘受到的冲击力很大，容易造成局部刀具受力超限而损坏（图1），且刀盘和轴承受偏心荷载作用易致使主轴承受损或主轴承密封被破坏。
在上软下硬地层中掘进时，由于盾构开挖面地层的软硬不均匀性，在软硬交界处盾构的千斤顶推力易出现不均匀现象且刀盘扭矩波动幅度较大，受此影响，盾构机掘进轴线易偏向上部的软土层，从而偏离设计轴线。
2.3 螺旋机喷涌
由于该段地层上部为高渗透性细砂层，盾构在其中掘进时，螺旋机出渣易发生喷涌等风险，造成盾构不能连续出渣，且盾构千斤顶推力的不均匀也容易导致衬砌管片的错台、破损等，盾构的掘进效率会受到极大限制（图2）。
2.4 开挖面失稳
盾构在该段上软下硬地层中掘进时，刀盘在对下部硬岩进行充分切削的同时，上方渗透性较强的细砂层会因受到频繁扰动及振动导致流失较多，从而导致上部土层结构被破坏，失去自稳能力，最终造成开挖面失稳且上方土体坍陷后携裹江水涌入土仓。
3 针对性技术措施
3.1 上部砂性土加固
为避免螺旋机发生喷涌，采取对上部砂层进行高压旋喷加固的措施，通过固化上部砂性土，增强其自立性和稳定性，并为后续的气压开仓换刀提供必要的外部环境（图3）。
盾构机配置的滚刀可用于挤压、切削硬岩并保护刮刀，而切刀可用于切削被滚刀挤压破碎后的硬岩或软岩等，刮刀则用于收集疏松的石碴等并通过刀盘开口导入开挖仓的内部。
针对该区间的上软下硬地层，考虑其下部的17中风化花岗岩硬度较大，平均已达到176MPa，最高达到183MPa，对于刀具的破岩能力及耐磨损有较高的要求，而其上部主要为⑤2细砂层，则要求刀具具备足够的切削、收刮作用，因此为保证盾构的顺利掘进，对刀盘进行了改良，特别采用了从国外进口的优质滚刀，并在刀盘上加焊先行刀及周边耐磨块等，如图5所示。
改良后的刀盘共配备17英寸中心双刃滚刀4把、17英寸单刃滚刀32把、焊接式先行刀57把、切刀56把、边缘刮刀8把、超挖滚刀1把、注入口保护刀8把及外周保护块240块。
3.3 设定合理的施工参数
盾构在上软下硬地层中掘进，可通过稳定的贯入度控制来调整总推力、刀盘扭矩，从而控制推进速度，以降低刀具的冲击损坏风险，并且根据线路的埋深及地层情况，选取适宜的施工参数控制值。
3.3.1 贯入度
盾构机装配的滚刀在硬岩层中掘进，如贯入度设定过小，则滚刀受力不足导致难以转动，从而造成刀具偏磨损耗较大；如贯入度设定过大，刀具受到的冲击荷载一旦超过本身的极限荷载，则很可能崩裂损坏，并且还可能产生一连串的连锁反应，造成刀盘上刀具大范围损坏，因此选择适宜的贯入度就显得极为重要。
贯入度可根据CSM模型采用以下经验公式进行计算：
3.3.3 刀盘转速
在上软下硬地层中掘进，由于下部硬岩的硬度较高，刀盘刀具在切削硬岩时受力较大，使刀盘刀具的受损也较大，因此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。
刀盘的转速控制在1.4～1.6r/min，同时在掘进过程中加强对刀具的监控检查，在满足条件的前提下进仓检查、更换刀具。
3.3.4 土压
在上软下硬的地质条件下，盾构掘进应保持较高的土仓压力与掌子面的压力平衡，即在全土压平衡模式下掘进，盾构掘进时土压控制在270kPa左右。
3.4 渣土改良
土压平衡盾构的掘进过程中，通常采用的渣土改良剂为膨润土浆液及泡沫剂。膨润土与水混合后形成膨润土浆液，具有一定的黏滞性、触变性和润滑性，膨润土浆液与水、泥、砂等物质的掺合物具备可塑性和黏结性的特性，泡沫剂可起到改良土质、润滑、冷却和减摩的作用。二者共同作用，既增加了渣土的稳定性，又对盾构掘进起到了润滑作用。
盾构掘进时，渣土改良剂可由泵送设备通过中心回转轴连接刀盘，通过刀盘面板上分布的8个注射孔注入到刀盘前方。
其中膨润土注入2个部分，一是地面拌和系统，二是注入系统。膨润土在地面与水拌和并发酵存储，拌和发酵完成后通过管道等方式输送至盾构机的膨润土存储罐中，根据盾构掘进的要求注入至前方的工作区域。泡沫剂注入系统共配备4根泡沫注入管，每根注入管关联2个注入孔，形成单管单控输送效果（图6）。
3.5 气压开仓换刀
盾构在上软下硬地层中掘进时，滚刀可起到挤压、切削硬岩并保护刮刀等方面的作用，一旦滚刀的磨损量超过标准值，若不及时更换刀具，反而强行掘进，就可能导致刀座、刀盘或其他刀具的损坏，在影响盾构机掘进效率的同时也严重影响盾构的使用寿命。因此，在满足开仓的条件下应适当增加开仓检查的频率，观察刀具的磨损情况，对磨损严重或损坏的刀具进行更换，确保刀具持续有效工作的能力。
盾构的开仓换刀宜选择在工作井或地质条件较好、地层较稳定的地段进行。针对上软下硬地层，由于上部为不稳定地层，因此必须采用地层加固或气压法开仓等方面的措施，确保开仓期间开挖面维持稳定。
气压开仓的工作原理是：在保证刀盘前方周围地层和土仓满足气密性要求的条件下，利用空气压缩机在盾构机土仓内注入压缩空气，通过逐步置换土仓内的土体，以气压代替土压，通过在土仓内建立合理的气压来平衡刀盘前方水、土压力，达到稳定开挖面和防止地下水渗入的目的，然后经过专业培训的施工人员在气压稳定的条件下，进入土仓内进行刀具检查及更换等作业。
气压开仓施工作业流程为：施工前准备工作→土仓渣土卸装→气体检测→换刀人员与工具进入人仓，关闭人仓门→人仓升压→开启土仓密封门→观察掌子面稳定性→人员进入土仓作业→作业完成，人员退回人仓→关闭土仓密封门→人仓减压→打开人仓门，人员走出人仓→作业完成。
4 实施效果
盾构在掘进过程中，通过软弱地层加固，对刀盘刀具的勤查勤换，必要时在满足条件的前提下采用气压进仓的方式对磨损严重的刀具进行更换，设定合理的施工参数，并加强监控量测等一系列措施，最终实现了盾构高效、安全地掘进，正常掘进阶段以平均2环/d的速度进行施工，如图7所示。
5 结语
综上所述，在地铁工程盾构施工穿越上软下硬地层结构时，需配备高技能人才合理运用盾构施工技术开展施工活动。在本工程施工中，盾构刀盘改良、上部砂性土加固、合理设置施工参数等技术措施是盾构施工顺利进行的有力保证。鉴于地质情况的特殊性，在日后的施工中，为保障施工效果，保证地面建筑物的安全，同时降低施工成本，相关技术人员仍要不断学习、探索，根据盾构操作经验，多思考，多归纳，总结出一套合理的盾构操作技术，切实提升盾构穿越上软下硬地层施工的整体水平。
参考文献：
[1]杨强，王璐.土压平衡盾构穿越不良地质施工技术[J].科技创新与应用，2013（26）：190-190.
[2]黄恒儒.土压平衡盾构在上软下硬复合地层中的施工技术[J].广州建筑，2010，38（6）：17-19.
论文作者:曾勇
论文发表刊物:《基层建设》2017年6期
论文发表时间:2017/6/23
标签：盾构论文; 刀具论文; 地层论文; 渣土论文; 气压论文; 层中论文; 在上论文; 《基层建设》2017年6期论文;