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摘要：本文结合深圳地铁7号线7301-2标西西区间的工程实例，详细地分析了地铁隧道在穿越上软下硬不均地层时的盾构施工的主要特点、掘进参数、渣土改良技术及盾构在地层转换时的施工措施等关键技术，为今后在类似地层中采用盾构法施工提供一定的参数的价值。
关键词：上软下硬；盾构；施工技术
1 工程概述
西丽湖至西丽站区间左线里程为DK0+600.00～DK2+283.58，长度1662.077m（含长链5.837m，短链27.347m）；右线里程为DK0+558.426～DK2+304.987，长度1752.073m（含长链5.512m），盾构隧道总长3414.15m，区间设有风井一座。根据区域地质资料及其现场勘察表明，西西区间的地质主要由第四系全新统和更新统粘性土、风化花岗岩组成。
深圳地铁7号线路7301-2标西西盾构区间工程平面见图1所示。
图1 深圳地铁7号线7301-2标西西盾构工程平面示意图
2 工程地质
工程区域内地势基本平坦，区间范围内上覆第四系人工堆积层（Q4ml）、冲洪积层（Q4al+pl）、坡积层（Q3dl）、残积层（Qel），下伏燕山期花岗岩（γ53）、震旦系花岗片麻岩（Z），局部地段见辉绿岩。区间场地构造稳定性总体较好，但受区域构造影响，基岩中节理裂隙发育，部分揭露的中、微风化花岗岩均较破碎，地下水位高于隧道顶部，地质条件较差。
该段区间隧道穿越粗砂、砾质粘性土、砂质粘性土、粉质粘土、全、强、中、微风化花岗岩和全、强风化花岗片麻岩等地层。区间右线主要为中风化钙质板岩，自稳性较好，且岩层单一。而区间左线主要穿越上软下硬不均匀岩层，上部为全风化岩层或局部位置有砂卵石层侵入，下部为中风化钙质板岩层，属于典型的垂直方向上软下硬复合地层，其隧道地质剖面图如图2所示。
图2 右线隧道地质剖面图
3 上软下硬不均地层盾构掘进技术
3.1 软硬不均复合地层盾构施工的主要特点
（1）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“封闭模式”，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敞开式（欠土压平衡模式）或敞开模式；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“土压平衡”模式等等。经常根据地层结构来转换盾构机模式，是在复合地层中施工的一大特点。
（2）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。
（3）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。
（4）某些特殊的复合地层，可能需要一些辅助工法。采用辅助工法的主要原因是由于盾构机本身的设计功能的局限性造成的，而这种局限性在目前的技术发展阶段还较难以克服。比如，深圳地铁7301-2标西西盾构区间在到达段存在中风化辉绿岩，单轴抗压强度≥32MPa，在这种条件下，以中风化钙质板岩为主设计的刀盘的刀具，显然有时难适应这种高强度硬岩的要求，所以在无法更新刀盘的情况下，采用其它可行的辅助工法，比如先采用矿山法，开挖通过坚硬岩石段之后，用盾构机拼装管片完成隧道，根据以往工程经验，这是一种比较好的辅助选择。
深圳地铁西西盾构工区现场岩层情况见图3所示。
图3 现场岩层图
3.2 盾构掘进参数的选择
上软下硬是一种特殊的地质，既有软岩地层的不稳定性，又具有硬岩的强度。在这地层施工中，由于盾构机在推进过程中，刀盘上刀具切削掌子面上的土体时，上部软层较易进入土仓，而下部的较硬岩体不易破碎，盾构机的姿态较单一层面较难控制一些。其在掘进过程中参数的设定一般需要考虑以下几个方面的因素：
（1）刀盘的转速：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，而下部岩石强度较高，处于这个地方的刀盘上的滚刀受力较大，硬岩对刀具及刀盘的磨损较大。所以要适当地降低刀盘的转速，使刀具受到的瞬时冲击小于安全荷载。刀盘的转速一般控制在于1.2～1.6r/min。根据实际的地质条件，在刀具的选型及布置上在着重增强其对地质的适应性。在掘进中加大对刀具的检查力度，制定详细的刀具换刀方案。
（2）盾构姿态的控制：在上软下硬地层中掘进时，盾构机的姿态控制较难，容易使盾构轴线与隧道设计轴线产生偏离，所以，在掘进过程要加强对盾构机姿态的控制，随时利用ZED激光导向系统观测盾构掘进路线与设计线路之间的差异。同时，也要加强人工的复核工作，对已完成的隧道要进行中线及高程的复测工作，及时反馈误差信息，以便及早发现问题，并采取纠偏措施进行纠偏，避免施工误差超限。
（3）土仓压力及加固措施：在上软下硬地层中，如果采用半敞开式掘进，要向土仓内注放压缩空气和泡沫等人工材料进行辅助开挖。这样做既可防止上部掌子面的坍塌，又利于检查清理刀盘和更换刀具，保证掘进顺利进行。当上部土体自稳能力较差时，也可以采用全土压平衡模式下掘进。在掘进过程中若发现盾构机多出土，应该在地表有条件的地方注入双液浆来加固地层，避免地表塌陷，加强沉降监测，对不良地段和重要建筑物处进行超前注浆等地层加固措施。
（4）油缸推力：在上软下硬地质下掘进，必须降低推力，调整掘进参数，保证盾构机能够安全、高效地掘进，由于存在硬岩，其对刀具的磨损较大，所以，为了减少施工成本，应减少刀具在掘进过程中所受的冲击力来保护刀盘上的刀具。在掘进众多参数中，刀盘扭矩是刀具受到冲击力大小的直接体现，所以在掘进过程中我们应适当的减少刀盘的扭矩来减少刀具所受的冲击力，根据以往经验，在这种软硬不均的上软下硬地层中掘进，掘进速度应控制在3～5mm/min，推力一般控制在10000～18000KN，根据现场实际情况盾构各参数可进行适当的调节。
（5）螺旋输送机转速：在上软下硬地层中，土压或气压的保持是非常重要的，由于软岩部分较易塌陷，而硬岩部分因岩石抗压强度高不易切削，为了保护刀具在软硬结合处不受较大的冲击力需要降低掘进的速度，但这样做又会对软岩部分的稳定造成威胁，甚至出现超挖的现象。因此，要保证开挖掌子面岩体的稳定和地表的沉降在规范允许的范围之内，需要保持一定的土压，所以对螺旋输送机的出渣量有一定的要求，转速一般控制在3～8r/min。
3.3 盾构在地层转换时的施工措施
盾构在上软下硬地层中施工时，可能遇到从硬岩进入软岩或者从软岩进入硬岩的情况，一般情况下像深圳地铁CREC111复合型盾构机完全可以胜任，但在岩层强度特别高时，为了确保盾构在不同地质界面转换的安全，可采取如下几方面的措施：
（1）在深圳地铁7号线7301-2标西西盾构区间右线，存在由全断面硬岩进入软岩的地质情况（见图4所示），盾构的推进状态要由敞开式或半敞开式向土压平衡状态转换，需根据计算出来的土压力来设定土压来确保掌子面土体的稳定，同时调整同步注浆量及注浆压力，调整各区域油压差，改变千斤顶的合力位置，同时放慢推进速度。
图4 右线隧道地质界面示意图
（2）换刀：换刀作业需要选择合适的地点、时间、并要采取相应的措施。在这种地层条件下换刀前必须选择合适的地层，如果地层为砂卵石、软岩地层，这些地层自稳性较差或者临近有建筑物，必须提前对土体采用合适的方法进行加固处理来确保换刀作业的安全性。
（3）经常观察掌子面围岩变化情况，要根据地质剖面图，随时监控土的性质确定转换界面，根据不同的地质状况选用不同的刀具配置模式。另外，在不同转换界面要加强地表沉降监测的频率，并根据监测反馈信息及时调整盾构在掘进过程中的参数。
4 上软下硬地层渣土的改良
根据大量的国内外地铁施工经验，在软硬不均地层盾构施工中，渣土改良是保证盾构施工安全、顺利、快速的一项不可或缺技术辅助手段。渣土改良具有较好的土压平衡效果，利于开挖面的稳定从而来控制地表沉降；使渣土具有较好的止水性，可防止地下水流失；使渣土具有较好的和易性，切削下来的渣土易于快速进入土舱并顺利出土，可有效防止土渣黏结刀盘而产生泥饼，这样可以有效地降低刀盘的扭矩，改善土体对刀盘、刀具和螺旋输送机的磨损。
在上软下硬不均地层中掘进时，一般采取向土舱内注入膨润土的方式，可以对软层起到一个泥模的作用，使土舱内的高压空气不易逸出，可有效防止上面软岩地层的坍塌，如遇到砂卵石及全、强、中风化泥质粉砂岩的掘进中，主要是可以稳定开挖面，防止刀盘产生泥饼，并降低刀盘的扭矩。一般采取分别向刀盘面及土舱内注放泡沫的方法进行渣土改良，必要时可向螺旋输送机内注入泡沫。
深圳地铁7号线路7301-2标西西盾构工间盾构掘进机的渣土改良系统如图5所示。
图6 CREC111盾构泡沫系统
结束语：
本文给合深圳地铁7号线7301-2标西西盾构区间右线隧道穿越的地质条件和现场实际情况，对盾构机在软硬不均上软下硬地层中掘进过程中的施工控制技术进行一定的探讨。得出了盾构机在软硬不均地层中掘进时掘进的模式、掘进的参数应根据掌子面观察的情况来合理确定。合理的掘进参数是确保盾构施工的质量、安全的关键技术；同时，在做到以上各方面同时，渣土改良的也是一项不可或缺技术辅助手段。
在实际施工过程中，我部严格按照上述施工控制措施，并产生了较好的施工效果，主要体现在以下几个方面：
（1）刀盘的刀具磨损均属于正常磨损，没有产生严重的刀具崩刃现象；
（2）在此区域段掘进时，没有发生过掌子面坍塌现象，出土量正常，地表的沉降均在规范的允许的范围之内，并安全、高效地完成了开仓换刀作业；
（3）盾构姿态控制良好，从已完成施工的隧道复测结果来看，其高程、中心误差均在±50mm之内。
参考文献：
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[2]陶建勋，段浩，李博.成都地铁天府广场站盾构机调头技术仁[J]；山西建筑：2009年24期.
[3]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.
论文作者:王鑫
论文发表刊物:《北方建筑》2016年11月第33期
论文发表时间:2017/1/10
标签：盾构论文; 地层论文; 刀具论文; 渣土论文; 地质论文; 区间论文; 隧道论文; 《北方建筑》2016年11月第33期论文;