软硬不均地层盾构掘进技术

刘 畅 中铁二十二局集团轨道工程有限公司

本文依托广州市珠三角城际琶洲支线明莲区间隧道盾构施工进行研究。盾构穿越的地层主要为W4 全风化花岗岩、W4 全风化与W2 中风化花岗岩混合地层，其中W2 中风化花岗岩强度较高，稳定性能好，岩石单轴抗压强度最高达到120 MPa。软硬不均地层占总区间长度的13.2%（430 m），地面穿越鱼塘较多，地层分界面起伏大，软硬交错，施工风险较高且难度较大，容易造成地面塌陷。

1 工程概况

新建工程铁路珠江三角洲城际轨道交通穗莞深城际琶洲支线明莲区间YDK13+512.639 ～YDK16+770 右线盾构隧道全长为3 257.361 m，隧道管片外径为8.8 m、内径为8 m，宽度均为1.8 m，采用楔形量均为40 mm 的通用环管片错缝拼装成型。近距离侧穿在建佛莞城际高架桥和110 kV 高压铁塔，并且连续下穿37 处鱼塘，穿越软硬不均及硬岩特殊地层。

2 地层介绍

盾构区间从上至下地层分别为素填土、淤泥质砂、淤泥质土、细砂、粉质黏土、中风化花岗岩、含砾砂岩、强风化花岗岩以及全风化花岗岩。盾构区间洞身穿越地层大部分为W4 全风化花岗岩，少部分为淤泥质地层，还有部分地段为W2 中风化、W3 强风化以及W4 全风化花岗岩的混合地层，具体如图1 所示，各地质层占隧道全长百分比如表1 所示。

表1 各地质层长度及占隧道全长百分比

图1 盾构区间分布

3 现场调研

从工程实际出发，通过对盾构区间地层及盾构机本身功能的仔细研究，发现盾构机在穿越软硬不均地层掘进时存在以下难点。一是掘进过程中参数不易控制，盾构机推力大，刀盘扭矩高，推进速度缓慢。二是盾构在软硬不均地层掘进，地面极易造成塌陷形成安全隐患。三是地面因构建筑物影响或管线影响无法进行地面预加固。

4 重难点分析与解决措施

4.1 重难点分析

根据现场盾构实际掘进过程中所遇到的重难点，项目重难点公关小组先收集现场实际掘进的参数、采集渣土样本、提取地面监控量测的数据，然后对各项数据进行详细分析。基于分析结果最终确定了影响盾构机穿越软硬不均地层的各种因素，制定出了一套软硬不均地层掘进管理方案。首先优化盾构机掘进参数，其次对软硬不均地层进行预处理，最后对不满足地面预加固的地层进行洞内超前加固处理[1]。

4.2 难点解决措施

措施一，利用盾构机的气压辅助功能优化盾构机参数。通常情况下，盾构机掘进土仓保压是先使刀盘切削下的渣土掉落到土仓，利用土仓内渣土堆积形成仓内压力来支撑仓外土体，达到盾构机土仓内外土压平衡。但在软硬不均的地层中掘进，这种满仓渣土保压方式会导致刀盘扭矩及推力增大，掘进速度降低。因土仓内大量刀盘碾压破碎后的花岗岩岩石碎块及石粉在土仓内反复搅动，使得刀盘辐条、牛腿、搅拌棒及刀具在旋转中反复摩擦、搅动，增加了刀盘的旋转阻力，刀盘扭矩大大增加。同时又因沉积在土仓内的渣土未及时排出，严重地影响了刀盘前方渣土的流动性。其在刀盘、刀具与开挖土体中间堆积，使刀盘切削下的新渣土不能掉落，渣土被动地堆积到了刀盘前方而形成了一道缓冲层，盾构机推力增大，速度降低。

根据以上分析出的原因进行盾构机掘进参数的优化[2]。先是结合地层埋深及水位高度计算出土仓压力值，再利用盾构机保压系统向土仓内打入压缩空气，然后适当减少土仓内渣土量，使得舱内压力达到初始设定压力值。通过气体置换渣土方式，既保证了土仓内外压力平衡，又大大减少了土仓内渣土量，使土仓内渣土流动性更好，达到了优化盾构机参数及减小刀具磨损的目的。盾构机掘进参数如表2 所示。

表2 盾构机掘进参数对比表

措施二，软硬不均地层掘进过程中，因掘进断面下部中风化花岗岩较硬导致盾构机掘进速度慢，上部强风化花岗岩较软有遇水崩解的特性，两者形成了恶性配合关系导致断面上方土体极易连续塌落，为了降低掘进风险，安全顺利掘进，也为了降低检查更换刀具的风险，采用了地层预加固措施。加固措施采用深孔注浆方式，必须在掘进软硬不均地层前进行加固，对上部软土进行注浆加固，并在盾构施工中进行补偿性注浆，严格控制注浆压力，以免浆液进入到土仓及盾体周围[3]。水泥浆采用强度等级为42.5 级的普通硅酸盐水泥，水泥浆液的水灰比按照0.6 ∶1 拌制，注浆控制压力在0.5 ～1.5 Mpa，注浆管道喷浆孔间距按1.5 m×1.5 m 梅花形布置，布孔长度按实测软硬不均地层长度布设，宽度大于盾构机开挖直径两侧各0.5 m，孔径为100 mm，浆液扩散半径为1.0 m，深度打入上软下硬交界位置，注浆量按压力控制，终值压力为当前注浆深度实测水压的两倍，边提管边注浆直至注到盾构机拱顶以上3 m 位置停止，再进行下一个孔位的施工，孔位布置如图2 所示。

图2 孔位布置图

措施三，地面因构建筑物和管线等不满足加固条件时，通过盾构机预留的超前注浆孔进行上软下硬地层超前加固，可以有效避免盾构掘进过程中渣土超排所导致的各种风险。通过实践证明上软下硬地层必须要进行加固处理才能确保安全顺利掘进。

超前加固前，为避免造成盾体抱死、刀盘密封受损以及同步注浆管堵塞等，在注浆前采取了通过盾体径向注浆孔向盾壳周围及土仓注入膨润土泥浆和黄油的保护措施。泥浆采用膨润土和水为1 ∶3的比例拌制，注入量不少于6 m3。注浆完成后通过盾体径向孔检查注入质量，在浆液储存罐内拌制膨润土泥浆，并通过同步注浆系统注入，防止盾尾被浆液抱死，注浆管路被浆液堵塞。通过刀盘密封系统注入一定量的EP1 油脂，防止刀盘主轴承密封受损。

盾构机盾体的中盾上设置有10 个外插角为13.5°的超前地质钻孔，其中上部有4 个孔，中部左右侧各有3 个孔。本次超前注浆通过上部4 个超前地质钻孔进行注浆管打入及注浆，先采用气腿式地质钻机向刀盘斜上方钻孔，成孔后插打超前注浆管。根据加固距离超前注浆管可选择长为10 m 或12 m 的 Φ40 钢花管，出浆孔径为8 mm。超前注浆插入深度为10 m，可到达刀盘前方5.8 m 位置，插入深度为12 m 可达到刀盘前方7.8 m位置[4]。不同超前注浆导管长度和角度示意如图3 和图4 所示。

图3 超前注浆管为10 m 时的示意图

图4 超前注浆管为12 m 时的示意图

超前注浆采用水、灰、水玻璃比为0.5 ∶0.5 ∶1 的双液浆，通过7.5 kW 电动注浆机注入到刀盘前方土体，注浆控制压力为5 bar。注浆过程中需观察土仓压力是否变化，若土仓压力随超前注浆有所升高，则说明水泥浆液已窜入土仓内，必须停止注浆。间歇1 h 后继续注浆至注浆压力达到5 bar 后停止注浆，利用注浆机伸缩功能将管倒退1 m 进行下个循环注浆。根据所需加固长度将盾构机刀盘前方4.7 m 或3.36 m 全部加固完成。

注浆完成后需检查前方地层加固效果，首先检查仓内浆液凝固情况，判断能否开仓。打开土仓壁上的两个球阀，利用粗10 mm左右的钢筋向土仓内砸入，根据砸入的情况判断凝固。然后打开土仓门上方的球阀，同样的方法检查仓内凝固情况，看是否还有水流出。如两个条件均满足，可进行开仓工作。待土仓门打开后，先进行土仓清理，清理到刀盘开口后，利用风钻进行打孔，检查注浆后刀盘前方土体的固结情况和渗水情况，两个条件均较好才可进行盾构掘进[5]。

5 盾构机软硬不均地层掘进

盾构机穿越软硬不均地层前地表具备地面注浆条件，先将软硬不均地层范围进行深孔式注浆加固。如遇地面因构建筑物和管线等因素影响不具备地表加固条件时，则采用隧道内超前注浆加固方法，将盾构机刀盘前方土体进行加固。待前方土体加固完成后，再进行盾构机气压辅助模式掘进，这样既能保证地面安全避免塌陷，又加快了盾构机掘进速度，同时节约了大量因面塌方、盾构机掘进速度缓慢而造成的成本花销。

6 结语

通过对盾构施工难点进行调查、分析、研究与总结，为盾构顺利穿越软硬不均地层提供强大的技术支持，可以为今后类似施工情况提供借鉴。盾构机掘进参数灵活多变，使用不同的设备其性能不同，掘进不同的地层其参数不同。因此，盾构施工的关键就是充分了解设备功能，认真分析地层，制定相应措施，严格执行方案，确保施工安全、快速地掘进。