盾构在硬岩及软硬不均地层施工技术研究陆贤辉

盾构在硬岩及软硬不均地层施工技术研究陆贤辉

陆贤辉

广东建科建设监理有限公司广东广州510000

摘要：软硬不均地层盾构施工难题一直考验着工程技术人员的智慧，业界为此付出的代价频现报端。文章从什么是软硬不均地层、软硬不均地层盾构施工所面临的问题、软硬不均地层为什么易发生掌子面坍塌入手，引出了国内软硬不均地层盾构技术发展，详细阐述了深孔爆破预破碎方案对盾构施工所带来的次生危害，提出了新形势下软硬不均地层盾构技术的思考。

关键词：软硬不均地层；施工技术；研究

盾构施工方法以其安全可靠、地层适应性好、施工影响小、机械化程度高、掘进速度快等优点，在城市轨道交通工程中得到了日益广泛的应用。自盾构工法在国内应用以来，软硬不均地层盾构掘进的难题一直困扰着工程技术人员，而针对软硬不均地层盾构施工技术的探索与研究也从未中断。

1什么是软硬不均地层

软硬不均地层是复合地层的一种典型表现。软硬不均地层是指在隧道开挖范围存在2种以上岩土力学性质、地质特征差异较大的地层。通俗讲就是工作面上同时存在“软”和“硬”2种地层，软的地层不能满足盾构常压开舱；硬的地层需要滚刀破岩。

2软硬不均地层盾构掘进面临的问题

软硬不均地层由于工作面地层岩石力学指标及地质特征差异大，盾构掘进过程中容易出现掌子面坍塌、土压盾构喷涌、泥水盾构环流异常、超量出碴、地表沉降超限、刀盘结泥饼、刀具偏磨损坏和盾构姿态难以控制等问题。

2.1软硬不均地层中碴土改良难度大

软硬不均地层中掌子面围岩物理力学性状差异大，从松散、流塑、软塑到坚硬石同时存在。一方面碴土改良的客观难度增加，另一方面掌子面水土平衡对碴土改良的要求更高。

2.2软硬不均地层中滚刀容易过载

软硬不均地层中盾构总推力克服盾壳摩擦力、土舱堆碴反力和后配套拖车牵引反力后，剩余的净推力全部作用在接触掌子面硬岩的部分滚刀上面，推力控制稍有不慎，即可造成滚刀过载损坏，引起刀具损坏的多米诺骨牌效应。

2.3软硬不均地层中工作面平衡难以建立

盾构施工的核心之一就是要建立和维持工作面的水土压力平衡，从而达到减少地层扰动、控制沉降和保护环境的目的。在软土地层中，盾构可以建立起理想的水土压力平衡模式；在软硬不均地层中，掌子面上部需要平衡水土压力，下部仅需要平衡水压力。

2.4软硬不均地层中盾构工作状态不佳

盾构在软硬不均地层掘进时，刀盘受力复杂，刀具在掌子面上、下部位贯入度相差很大。刀盘旋转过程中刀具接触岩土分界面产生的撞击易造成刀圈崩刃、开裂和脱落，刀体损坏。

3软硬不均地层易发生掌子面坍塌失稳

土压或泥水平衡盾构在软硬不均地层中发生掌子面坍塌、地面沉陷。当进入软硬不均地层后，盾构推力、扭矩等掘进参数波动较大，掘进速度急剧下降，盾构司机本能反应是以出碴换取掘进速度，这必然会导致上部软弱地层坍塌，从而造成变形与沉降。另外，盾构舱内所建立的压力平衡状态，并非理想的平稳压力状态。在软硬不均地层中，舱内压力平衡的操作稍有不慎，就会发生掌子面坍塌。

4软硬不均地层盾构施工技术历程

4.1摸索与碰壁阶段

国内盾构施工初期，隧道工程技术人员面对日成洞数十米的盾构技术，犹如刚品尝到驾驶乐趣的新司机驶上了高速公路，新奇、刺激、自信满满，唯独对雨、雪、雾、风等恶劣路况估计不足。

4.2预破碎阶段

经过初期的尝试摸索付出了惨重代价之后，工程技术人员认识到软硬不均地层盾构施工“预则立，不预则废”，因此，2006年深圳地铁某区间对软硬不均地层下伏硬岩进行了冲孔及人工挖井预破碎处理。随后在广州、深圳、东莞等地铁工程及台山核电海底盾构隧洞工程建设中，各个单位先后应用了深孔爆破预破碎下伏基岩的的方案应对软硬不均地层。无论采取何种预破碎方式，为保证盾构顺利掘进，破碎后的地层必须进行注浆固结以满足地层气密性要求。这一阶段“预破碎”的技术思路规避了许多工程风险，也成了业内的普遍技术法则。但深孔爆破预破碎方案并非完美无缺，破碎后的松散岩块为盾构掘进带来了新的次生问题。

4.2.1容易发生漏气导致舱内失压现象。虽然预破碎处理后都要进行注浆固结封堵地层空隙，但由于诸多因素影响，盾构掘进过程中发生漏气失压的问题比较严重。

4.2.2极易造成泥水盾构舱内滞排。以台山核电海底盾构隧洞为例，2012年3—8月累计进舱662次，2009人次处理舱内滞排，共打捞岩块824块。

4.2.3预破碎后松散的不规则岩块会造成一系列设备损坏。首先极易损毁刀具，刀具崩刃、断裂、脱落几率大大增加；其次易造成搅拌棒变形、脱落；第三易造成泥水盾构破碎机故障；最后不得不频繁停机，带压进舱处理，带来较大的工程风险。

4.3预加固处理阶段

为了避免发生以上的次生问题，工程师们想到能否仅对软硬不均地层上部的软弱部分进行预加固改良，然后盾构掘进通过。东莞至惠州的城际铁路某盾构区间采用了这种方案。加固方式为袖阀管梅花形布置，间距1m。加固体外圈为双液浆，中间为水泥浆。从盾构掘进效果来看，在进行了预加固的上软下硬地层顺利掘进通过，没有发生掌子面坍塌，避免了地表沉陷事故。

4.4回归盾构掘进阶段

理论上讲只要能够实现刀具的随时更换，保证盾构具备破岩能力，在谨慎操作情况下，上软下硬地层不预处理而顺利掘进不无可能。经过二十多年的摸索，工程师们有了回归盾构掘进的想法，此时，工程技术人员对软硬不均地层的认识已今非昔比。为深圳地铁11号线某区间所做的软硬不均地层回归盾构掘进的尝试。工程师们对长约91m的软硬不均段不做预处理，采用盾构掘进通过。过程中虽然出现了滚刀偏磨、刀圈断裂崩刃和螺机喷涌等情况，但全程未出现不可控事故。过程虽然痛苦，但结果好于预期。

5新形势下软硬不均地层盾构技术的思考

5.1预破碎方案带来的次生问题逐渐被业界所认识

预破碎方案不可避免地带来刀具异常损坏几率增加、泥水盾构舱内滞排与破碎机故障、搅拌棒脱落变形和盾构掘进中漏气失压等问题。这些问题都会造成被迫停机，需要带压进舱处理，增加了工程风险，方案在安全保证方面先进性不足。

5.2盾构常压更换刀具技术取得突破

近年来盾构常压更换刀具技术已得到工程实践的检验。南京地铁10号线长江隧道及南京纬七路长江隧道都应用了常压更换切刀的技术；土耳其伊斯坦布尔隧道成功应用了滚刀的常压更换技术。此项技术将在佛山至东莞城际铁路狮子洋隧道以及汕头苏埃通道工程中得到应用。

5.3预破碎方案有背于环境保护的要求

党的十八大将生态文明建设纳入中国特色社会主义事业总体布局，把生态文明建设放在突出地位。环境保护是生态文明建设的主阵地和根本措施，各个城市对环境保护的认识高度前所未有；而原来的地面深孔爆破预破碎方案，不可避免要挤占交通道路，产生震动、噪音、粉尘和污水排放，软硬不均地层预破碎方案在环境保护方面技术先进性不足。

5.4社会需要更安全、环保、先进的盾构技术

当盾构配置常压更换滚刀的刀盘后，合理控制掘进参数，攻克软硬不均地层必将成为盾构技术发展的方向，业界从未放弃此项努力与尝试，这个方向更符合安全、环保及技术先进性的社会需求。

结束语

近年来盾构装备水平、地质物探技术、工程建造理念和环境保护要求明显提高。针对复杂的地质条件、技术难度较大、施工风险突出的工程特点，指出采用盾构法施工应当制定完善的施工方案，并对施工过程进行实时监测和动态管理，从而保证了掘进过程的安全平稳进行以及工具设备的经济有效使用。

参考文献：

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[2]肖明清.大型水下盾构隧道结构设计关键问题研究[D].西南交通大学，2014.

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[5]杨全亮，梁青槐.软硬不均地层盾构法施工技术措施[J].山西建筑，2007，29：306-307.