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摘要：盾构法作为一种隧道施工的新型方法，依靠的主要是旋转推进的刀盘，破碎岩石的工具是盘形滚刀，做出的隧道特点是全断面一次成型。盾构法施工以它高效、环保且安全的特点，在交通（尤其是地铁施工）、水利和采矿等许多领域得到了广泛应用。上软下硬地层是一种非常特殊的地质，它同时具有软岩地层稳定性差的特点和硬岩地层强度高的特点。盾构机在这类地层中推进施工时，对于刀盘切削工作面而言，软底层土体进入密封土舱非常容易，但是处于下部的岩体，质地非常硬，很难被破碎，盾构机就很难控制运行姿态，一旦控制不好，将会出现地面不规则沉降、盾构机损坏甚至是人员伤亡等问题，所以，对于上软下硬的地层，盾构机的施工技术研究非常重要。
关键词：上软下硬地层；盾构法；施工技术
1 盾构施工法特点分析
盾构施工法具有基本不影响环境，施工质量高、速度快，机械化程度高等诸多优点，它的运用也非常广泛。但是盾构法施工因其施工特点，所以难免会对施工地点周围的土体造成扰动，进而因其地表沉降，对施工造成巨大影响，不仅延误施工进度，影响施工的工程进度，甚至还可能造成安全事故，使人们的生命财产安全受到破坏。所以，地表沉降研究是盾构法施工研究的一个重要方向。
2 上软下硬地层盾构法施工技术
2.1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0．01 ～0．03 MPa 。(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。控制掘进速度与刀盘转速也即控制了贯入度，以安全荷载 25 t 为准，刀具所受荷载最大值不得大于安全荷载，掘进速度为 10 mm/min，刀盘转速宜控制在 1． 5 r/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1 200 ～1 700 t，结合贯入度的选择，刀盘扭矩应保持在 1 700 kN/m 。
2.2 建立预测模型
工程穿越地层主要为粗砂、碎石以及强风化岩，局部为煌斑岩、花岗斑岩及中等风化以下的花岗岩。其中，粗砂、碎石是主要含水层，为强透水层；强风化岩遇水易软化崩解。隧道区间通过的地层以饱水砂层为主，自稳能力差，易坍塌，易发生突水、涌砂，部分开挖断面上软下硬；隧道掘进条件较差，因此，先对工程采用预测模型评价。Midas IT（韩国）公司开发的有限元分析软件是一种针对沿途和隧道领域的分析通用软件，专业性和针对性比较强。在对盾构法开挖施工进行模拟时，横向的地表沉降可通过建立有限元数值预测模型进行预测。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆根据各土层的性质参数，在建立模型时，需要简化盾构法施工模型。在实际施工时，考虑到土质不均，局部夹硬的团块，同一开挖断面上软下硬，盾构掘进过程中可能对盾构机刀具造成损坏，碎石层碎石粒径一般 2~10cm，最大粒径约 20cm，岩性为花岗斑岩，风化程度多为中等~微风化（其单轴抗压强度值可按微风化花岗斑岩考虑），不排除施工过程中遇到大粒径的块石对盾构机施工可能会产生的不利影响。盾构机的外壳和盾尾壁后注浆厚度比较小，所以管片和各层土体用实体单元进行模拟，这样运算效率就能大幅度提高。其中，板模型的切面用 TH 表示大小，用“—”表示 3D 实体情况下，不将切面大小考虑在内。
2.3衡盾泥护壁、开仓检查及更换刀具
盾构机在通过上软下硬复合地层及长距离硬岩地层时，通过传统的泥膜护壁难以达到保压效果，为降低开仓作业风险、防止出现开仓作业事故频发的现象，采取衡盾泥护壁带压进仓方式清理刀盘、土仓，检查及更换刀具。衡盾泥是一种以无机黏土为主要材料，通过改性后与增黏剂反应形成一种高黏度的触变泥浆，具有良好的和易性和黏附性，在水中不易被稀释带走，成膜稳定，附着力好，是一种绿色环保材料。衡盾泥浆体泥膜护壁具有较好的时效耐用性，封闭保压效果稳定，能满足带压开仓的需要。开仓点的选择原则：盾构进入上软下硬地层前，尽量选择在全断面硬岩地层常压开仓检查及更换刀具，保证盾构机以最佳状态掘进；上软下硬地层中掘进每15~20环带压开仓1次，开仓点应尽量避开地质钻孔处和地下水丰富区域。根据建业路站～湖滨中路站盾构区间上软下硬段地质揭示情况，拟定在上软下硬复合地层左线常压开仓3次，带压开仓3次，右线常压开仓4次，带压开仓5次。
2.4施工阶段模拟
盾构机施工是一个循序渐进的过程，随着盾构机不断向前推进，一些模型单元逐步开始参与运算，与此同时会有另外一些模型单元退出运算。模型单元在有限元软件中不断进行激活和钝化，就能将整个开挖过程模拟出来。盾构采用 XY-180 型钻机进行施工，采用回转钻进，并结合泥浆护壁及套管跟进的钻进工艺，其目的是划分地层结构、岩土层厚度、进行孔内原位测试、取样和观测地下水位，要求回次进尺不超过 1.5m。钻孔直径根据钻探目的和用途确定，取样孔、基岩终孔孔径不小于 110mm，并且开孔直径 准127mm，终孔直径不小于 准75mm。
2.5渣土改良
(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，通过低黏度的泥浆(黏度在 24 ～35 s)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料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。
结语
盾构法在上软下硬地层施工中运用时，先根据施工地段的土层情况及土层参数，用有限元分析软件进行模拟，就能得出精确度较高、可靠性较好和预测数值较为准确的分析模型，这样就能有效地预测地表沉降。对于上软下硬地层，地表沉降得到准确预测后，对于运用盾构法的施工过程具有重要意义。
参考文献
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[3]杨梅.全断面硬岩地层盾构掘进问题分析及解决措施[J].铁道建筑技术，2015(5):54－57．
论文作者:王欢
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/2
标签：盾构论文; 地层论文; 刀具论文; 泥浆论文; 断面论文; 模型论文; 斑岩论文; 《防护工程》2019年第6期论文;