馮立君

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盾構(gòu)穿越上軟下硬地層施工技術(shù)措施

馮立君

摘 要：文章圍繞典型的上軟下硬的地質(zhì)環(huán)境，對(duì)盾構(gòu)穿越上軟下硬地層時(shí)的施工問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，并針對(duì)穿越上軟下硬這種不良地層盾構(gòu)施工發(fā)生的常見問(wèn)題，研究了相應(yīng)的解決措施和技術(shù)對(duì)策，以提高上軟下硬地質(zhì)環(huán)境下的盾構(gòu)施工質(zhì)量和地表建筑物安全。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)施工；穿越上軟下硬地層；施工控制技術(shù)

馮立君：中鐵十八局集團(tuán)有限公司，工程師，天津300222

1　上軟下硬地層特點(diǎn)

上軟下硬地層主要是指盾構(gòu)在掘進(jìn)的過(guò)程中上半部或者大半部分都處于花崗巖、混合巖全風(fēng)化層及殘積土層或者砂層、淤泥層以及軟塑狀黏土層中，而下半部分則處于花崗巖、混合巖、灰?guī)r以及含礫砂巖等巖層中，由于硬巖地層和軟弱地層的地質(zhì)特性不一，盾構(gòu)掘進(jìn)的過(guò)程中往往很難兩者兼顧，對(duì)施工的順利進(jìn)行造成了很大的困擾。

上軟下硬地層中的軟弱層主要是花崗巖、混合巖的風(fēng)化層或者是殘積土層或者是砂層、淤泥層以及黏土層，其構(gòu)成成分比較復(fù)雜，具有以下2個(gè)特性：①成分構(gòu)造不夠均勻，土層的強(qiáng)度不一致，風(fēng)化層、殘積層在遇到水的時(shí)候容易出現(xiàn)崩解、軟化現(xiàn)象，導(dǎo)致土層的強(qiáng)度降低；②風(fēng)化層和殘積層顆粒具有鮮明的“兩頭大，中間小”的特點(diǎn)，地層顆粒主要是直徑＞0.5 mm 的粗顆粒和＜0.075 mm 的細(xì)微顆粒組成，并且這些顆粒以長(zhǎng)石、石英等顆粒類型為主，而處于0.075～0.5 mm 之間的顆粒成分則比較小，這種情況下，盾構(gòu)在掘進(jìn)中一旦水壓力較大，就會(huì)出現(xiàn)管涌、流土等現(xiàn)象。

2　上軟下硬地層盾構(gòu)施工難點(diǎn)

（1）建筑物存在的風(fēng)險(xiǎn)。地表建筑物通常是磚混結(jié)構(gòu)，一旦地層的擾動(dòng)過(guò)大，那么就會(huì)使得建筑物的基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，進(jìn)而導(dǎo)致建筑物的沉降或者開裂。盾構(gòu)在穿越上軟下硬地層時(shí)首先要考慮的就是建筑物安全風(fēng)險(xiǎn)，詳細(xì)了解建筑物的主要結(jié)構(gòu)形式和樁基的承載能力，然后再選擇合適的方法來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)，例如，盾構(gòu)機(jī)在通過(guò)之前就預(yù)先埋好注漿管，在通過(guò)之后再根據(jù)建筑物的沉降變化情況來(lái)實(shí)施跟蹤注漿，進(jìn)而控制建筑物的沉降程度。

（2）盾構(gòu)掘進(jìn)緩慢，掘進(jìn)方向易發(fā)生偏差。實(shí)踐證明，盾構(gòu)機(jī)在不同硬度的地層中掘進(jìn)速度也是不同的，而在上軟下硬的地層中，盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度則是完全取決于下部的巖石硬度。但是總體而言，盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度是比較慢的，例如，在單軸抗壓強(qiáng)度為130 MPa的巖石層中，盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度大概在7 mm/min 左右，非常緩慢。此外，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中存在“頭重腳輕”現(xiàn)象，主要原因就在于盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)的時(shí)候，如果單純的依靠軟弱土層中的摩擦力和自身的推動(dòng)力的話是很難一直維持盾構(gòu)的姿態(tài)不變，以至出現(xiàn)“低頭”的傾向，這可通過(guò)加大盾構(gòu)下部的推動(dòng)力來(lái)確保盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)的過(guò)程中維持盾構(gòu)姿態(tài)不變，平穩(wěn)掘進(jìn)。但是和均質(zhì)土層中掘進(jìn)有所不同，盾構(gòu)機(jī)在上軟下硬的地層中進(jìn)行掘進(jìn)工作時(shí)，推力和扭矩的變化幅度很大，盾構(gòu)機(jī)有著向軟土層偏移的慣性，這一慣性在盾構(gòu)機(jī)向硬巖一側(cè)調(diào)線時(shí)更加難以控制，使得掘進(jìn)方向很容易出現(xiàn)偏差。

（3）刀具磨損嚴(yán)重。盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中，刀具磨損主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是上軟下硬的地層決定了盾構(gòu)機(jī)的上部是處于黏性土層中進(jìn)行工作的，這種情況下，掘進(jìn)參數(shù)控制不當(dāng)就很容易造成盾構(gòu)機(jī)的刀盤結(jié)泥餅，從而導(dǎo)致滾刀偏磨；另一方面，由于盾構(gòu)機(jī)下部處于單軸抗壓程度很高的硬巖層中，這使得盾構(gòu)機(jī)的滾刀磨損嚴(yán)重，加劇了刀具的消耗甚至?xí)霈F(xiàn)刮刀崩裂現(xiàn)象。因此，盾構(gòu)機(jī)在上軟下硬地層中掘進(jìn)時(shí)，開艙換刀的幾率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在均質(zhì)土層中開艙換刀的幾率。值得注意的是，在盾構(gòu)掘進(jìn)中，盾構(gòu)機(jī)上部的土層較軟，覆蓋厚度也不足，這個(gè)時(shí)候開艙換刀會(huì)導(dǎo)致土艙內(nèi)的氣壓難以保證，一旦冒然地選擇了錯(cuò)誤的開艙位置進(jìn)行刀具的檢查和更換，那么就會(huì)由于無(wú)法保證土艙的氣壓而造成地面的沉降變形甚至坍塌，對(duì)地表建筑物造成影響和安全隱患。

（4）噴涌嚴(yán)重，清碴量大。對(duì)于顆粒處于0.075～0.5 mm 的土層，由于其既具有砂土的特征，也同時(shí)具有黏性土的特征，為小顆粒從大顆粒的空隙中涌出提供了可能性。而其下部的硬巖層風(fēng)化程度不強(qiáng)，普遍存在著裂隙，這使得在盾構(gòu)掘進(jìn)中容易出現(xiàn)漿液流失現(xiàn)象。因此，一旦盾構(gòu)機(jī)的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制不當(dāng)，那么螺旋出土器就會(huì)出現(xiàn)涌水、涌碴現(xiàn)象，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)的每次掘進(jìn)都需要花費(fèi)大量的人力和物力來(lái)清理碴土。

3　上軟下硬地層盾構(gòu)施工技術(shù)措施

3.1盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

（1）掘進(jìn)模式。上軟下硬地層中的上部軟弱地層雖然具有在遇水時(shí)容易出現(xiàn)軟化崩解、強(qiáng)度降低的特性，但是在盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)中可以在一定時(shí)間內(nèi)保持其穩(wěn)定。因此在掘進(jìn)的時(shí)候，可以考慮在盾構(gòu)機(jī)的土艙內(nèi)保留一定程度的碴土，碴土的規(guī)模不能過(guò)大，一般占據(jù)整個(gè)土艙的三分之一即可。為了有效地維持開挖面頂部的穩(wěn)定性，防止坍塌現(xiàn)象的出現(xiàn)，一般采用向土艙內(nèi)注入壓縮空氣或者泡沫的方式來(lái)輔助盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，這種方式對(duì)于地下水滲入土艙、螺旋出土器出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象也有著很大的預(yù)防作用。

（2）刀盤轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)速度。在上軟下硬地層中盾構(gòu)機(jī)刀盤受力大小不同，其中下部硬度較大的地層，刀盤的滾刀受力相對(duì)較大，導(dǎo)致刀具的損傷也比較大。因此，在掘進(jìn)開挖時(shí)需要適當(dāng)降低刀盤的轉(zhuǎn)速，在掘進(jìn)速度為3 mm/min 的情況下，刀盤的轉(zhuǎn)速一般控制在1.6 r/min，此時(shí)刀具受到的瞬時(shí)沖擊力為25 t。

（3）刀盤扭矩以及油缸推力。盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中如果遇到單軸抗壓強(qiáng)度較高的硬巖，其刀具往往會(huì)受到嚴(yán)重磨損，在這種情況下可以通過(guò)降低刀盤扭矩和受到的沖擊力來(lái)降低刀具的磨損。一般而言，盾構(gòu)機(jī)在上軟下硬地層中進(jìn)行掘進(jìn)工作時(shí)刀盤扭矩應(yīng)當(dāng)保持在1750 kN/m 左右，油缸推力保持在1100～1850 t 之間。

（4）盾構(gòu)掘進(jìn)方向偏差。為了能夠有效地控制盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)方向，首先，要對(duì)掘進(jìn)地層進(jìn)行深入的分析，充分掌握地層界面的變化狀況，針對(duì)性地制定出掘進(jìn)參數(shù)；其次，利用導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)控制盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)方向；最后，如果盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)方向偏離了事先設(shè)計(jì)好的線路，要及時(shí)地調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。盾構(gòu)縱坡的最大糾偏量 i縱按公式（1）計(jì)算，盾構(gòu)平面最大糾偏量 i平按公式（2）計(jì)算：

式（1）、（2）中，i盾為盾構(gòu)縱坡；i襯為襯砌縱坡；［i ］為允許坡度差； S 為兩腰對(duì)稱千斤頂?shù)闹行木?；?為盾構(gòu)與襯砌允許的水平夾角。

3.2結(jié)泥餅防治

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在黏性土層或者黏粒含量很高的地層中進(jìn)行掘進(jìn)工作時(shí)，常常會(huì)因?yàn)轲ば酝帘旧硭哂械哪Σ亮π?、黏性大、流?dòng)困難的特性出現(xiàn)切削下來(lái)的黏土通過(guò)刀盤碴槽進(jìn)入壓力艙，在壓力艙的壓力影響下形成“泥餅”的現(xiàn)象。一旦刀盤和壓力艙內(nèi)形成堅(jiān)硬的“泥餅”，那么刀具的損傷就會(huì)加快，刀盤的扭矩和盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)力也會(huì)受到很大的阻礙，輕則導(dǎo)致螺旋出土器無(wú)法正常出土，盾構(gòu)機(jī)無(wú)法進(jìn)行掘進(jìn)工作，重則會(huì)縮短刀盤主軸承的使用壽命，加速主軸承的損壞。工程中，盾構(gòu)機(jī)在上軟下硬地層中穿越時(shí)，一般采用發(fā)泡劑來(lái)對(duì)碴土進(jìn)行改良。

3.3碴土噴涌防治

在掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)螺旋出土器排出的碴土中的水在螺旋出土器口的壓力一般接近為0，若此時(shí)碴土中的水還具有一定的壓力，那么就會(huì)出現(xiàn)碴土噴涌。對(duì)于碴土噴涌的防止，一般采用發(fā)泡劑和膨潤(rùn)土來(lái)進(jìn)行，其中膨潤(rùn)土比較適合在細(xì)粒含量較少的砂性地層中使用，而發(fā)泡劑則適用于各種級(jí)配的砂性地層。實(shí)踐表明，當(dāng)膨潤(rùn)土質(zhì)量百分比達(dá)到12% 或者發(fā)泡劑質(zhì)量百分比達(dá)到8% 的時(shí)候，碴土噴涌就能夠得到完全控制。

3.4帶壓開艙換刀

盾構(gòu)在上軟下硬地層中穿越建筑時(shí)，開艙檢查、更換刀具是必要的，只有這樣才能夠隨時(shí)的掌握刀具的損傷情況，及時(shí)地更換刀具，確保刀具的巖石切削能力。但其中的主要問(wèn)題在于在開艙換刀的時(shí)候如果開艙的位置選擇不恰當(dāng)，那么長(zhǎng)時(shí)間的開艙換刀將會(huì)造成地表大面積的沉降變形甚至坍塌，對(duì)地表建筑物造成極大的安全隱患。工程中一般采用帶壓開艙換刀技術(shù)。

3.4.1開艙換刀工作壓力計(jì)算

帶壓開艙換刀就是工作人員在土艙內(nèi)進(jìn)行刀具檢查和更換時(shí)，土艙壓力和平常的工作壓力基本相同。為此，首先要做好土艙的密封性，然后利用空氣壓縮機(jī)逐步增加土艙內(nèi)的氣壓，以確保開挖面保持穩(wěn)定不會(huì)出現(xiàn)坍塌，地下水也無(wú)法滲入土艙。對(duì)于土艙內(nèi)的氣壓值 P 按式（3）計(jì)算：

式（3）中，k 為氣壓系數(shù)；K 為開挖面頂部各地層朗肯主動(dòng)土壓力系數(shù)；r 為開挖面頂部各地層天然濃度或飽和容重；h 為開挖面頂部各地層厚度。

3.4.2土艙密封

（1）對(duì)盾構(gòu)機(jī)的停機(jī)刀盤里程進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)量，對(duì)可能存在的縫隙進(jìn)行封堵。

（2）對(duì)從盾尾倒數(shù)第3環(huán)到第7環(huán)的每1個(gè)注漿孔注入雙液漿或者聚氨酯，確保壁后填充密實(shí)。

（3）通過(guò)盾構(gòu)機(jī)胸壁中上部的預(yù)留孔用同步注漿泵注入膨潤(rùn)土。對(duì)于膨潤(rùn)土的黏度則是通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，只有在稠度達(dá)到80～100 s 左右的時(shí)候方可使用。值得注意的是，在注入膨潤(rùn)土之后需要對(duì)土艙的壓力進(jìn)行仔細(xì)控制，確保壓力保持在工作壓力的1.5倍左右即可。通過(guò)緩慢的轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤來(lái)促使膨潤(rùn)土能夠充分的進(jìn)入刀盤周圍的地層，形成氣壓保護(hù)膜。在做好土艙的密封措施之后才可以進(jìn)行開艙檢查、換刀作業(yè)，在作業(yè)的過(guò)程中還要隨時(shí)注意土艙的密封狀況，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題要及時(shí)的停止作業(yè)，重新對(duì)土艙進(jìn)行密封。

3.4.3注意事項(xiàng)

（1）土艙的壓力不能過(guò)大，最高不能超過(guò)計(jì)算出壓力值的1.2倍；

（2）負(fù)責(zé)帶壓開艙換刀作業(yè)的工作人員身體素質(zhì)必須符合要求，在24 h 之內(nèi)只能夠進(jìn)行1次作業(yè)；

（3）要及時(shí)關(guān)注工作艙內(nèi)的溫度變化，其中溫度的變化以27℃ 為基準(zhǔn)線，如果工作艙的溫度超過(guò)了27℃，就要采取特殊的充氣方法，如果溫度不能夠維持在27℃ 以下，壓氣作業(yè)就必須要停止下來(lái)；

（4）在停止工作之后，減壓的時(shí)間不能太短，不允許溫度在5 min 之內(nèi)降低到10℃ 以下或者上升到27℃以上。

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責(zé)任編輯 朱開明

Metro Shield Tunneling Techniques for Upper Soft and Down Hard Formation

Feng Lijun

Abstract:The paper focuses on the typical upper soft and down hard geological conditions, analyzes the problems and risks in shield tunneling in upper soft and down hard strata. Aiming at the common problems in passing the upper soft and down hard unfavorable stratum in shield tunneling, the paper also studies the corresponding solutions and technical counter-measures, in order to improve the tunneling engineering quality and surface buildings safety of shield tunneling for upper soft and down hard geological environment.

Keywords:shield tunneling, passing upper soft and down hard strata, tunneling control technology

中圖分類號(hào)：U455.43

收稿日期2015-11-24