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广东水电二局股份有限公司 523952
摘要：在我国城市经济发展的推动之下，我国城市轨道交通获得较快的进步。但是在施工之中，因为地层结构的特殊性，对于施工进度以及质量造成一定的影响，本文则探讨了盾构穿越上软下硬地层之时的相关施工技术。
关键词：盾构；上软下硬；施工
引言
花岗岩、混合岩及灰岩等硬质基岩大面积分布于我国华南、东南及华北沿海地区，上面多为花岗岩、混合岩的残积层以及黏土层、砂层等地层。花岗岩、混合岩的残积层具有未扰动前比较致密、承载力较高，扰动后强度迅速降低、软化、崩解，自稳性差等特性。硬岩和软弱地层，两者地质物理特性差别大，地铁盾构隧道由于地铁车站埋深及线路坡度的限制，区间隧道洞身不可避免地会有部分位于硬质基岩、部分位于风化残积层或其他软弱层中。盾构在上软下硬地层中施工经常遇到掘进速度减慢、极易超挖、地面沉降严重甚至坍塌、盾构刀具磨损严重、卡机、螺旋机喷涌等问题。如何处理好这些问题，国内工程技术人员一直在分析和研究。
1、上软下硬复合地层的主要特征
上软下硬复合地层主要是由上部的土层和下部的岩层组合而成的岩土复合地层。盾构隧道中的上软下硬复合地层，其土层和岩层之间的过渡层很薄甚至没有，分界线明显，上部的土层较为软弱，不能过多承受施工扰动，而下部的岩层的单轴抗压强度往往高达几十甚至一百兆帕以上。
2、盾构机掘进上软下硬地层的风险
盾构隧道中上软下硬复合地层的土层和岩层过渡较快和性质差异显著的特点，使得盾构机在掘进时容易产生以下施工风险：
由于底部为硬岩，刀具贯入岩面困难，顶部为软土，刀具切削土层容易，因此盾构机掘进时垂直姿态容易上抬。（软硬各半的时候就会减少，除非软土占60%以上）
地层软硬不均，刀具在软硬交界的地方容易磕碰岩面，造成刀圈崩坏、刀轴密封漏油等刀具损坏情况；而如果掘进速度过慢（小于4mm/min）时滚刀不转，又容易造成刀偏磨。
底部为硬岩，掘进速度慢，上部软土因扰动大而容易变形和造成水土流失，尤其是在富水地层中，如果控制不好造成喷涌，更容易导致地层损失，最终导致地面沉降过大。
为维持上部软弱地层的稳定，土仓内常需保持稍高于水土土压，同时因盾构机掘进速度慢，摩擦作用使得仓内土体温度升高，从而容易产生“结泥饼”的现象。（结泥饼还包括喷涌时快速带走水量）
3、施工现状及问题
盾构隧道上软下硬地层的特性，决定了盾构施工的困难，施工中出现问题难以完全避免。部分区间施工承包商对该地层认识不足，盾构选型、采购或改造上针对性不强。部分盾构机操作手和现场施工技术管理人员也存在经验不足的问题，施工前施工组织没有针对性，缺乏相应预案，造成施工中问题不断，部分问题处理不及时，造成较大损失。
施工中出现的主要问题有：盾构掘进参数取用不合理，刀盘转速、贯入度、扭矩及推力等偏大；造成盾构机掘进不顺、姿态难以控制等问题。盾构掘进困难，盾构昂头，出土超量，地面沉降及坍塌。盾构刀具磨损严重，需频繁开舱检查刀具及换刀。盾构出现卡机现象。软弱地层松动坍塌，泥水涌入土舱，出现螺机喷涌；土舱保压造成地表冒浆等。
4、施工技术分析
4.1、施工准备
4.1.1、优化参数
开始穿越地层之前，需结合沉降情况优化施工参数，归纳总结沉降规律，针对盾构穿越地层结构展开合理分析，旨在实现最佳施工成效的最大化获取，严格控制地面沉降，确保盾构能够平稳安全地穿越地层结构。
4.1.2、维护设备
针对施工所用盾构机械设备采取有效的保养维护措施，确保龙门吊以及盾构机、二次注浆机、拌合站、电瓶车等相关设备拥有良好性能，可保持最佳运行状态，进而能够快速经过施工风险区域。
4.1.3、准备材料
施工之前，需尽可能准备数量充足且质量较优的工具和材料，坚决杜绝因为材料短缺使施工工作受到影响，提前准备好材料，确保工具数量足够且种类齐全，有备无患，规避意外状况的频繁发生。
4.2、掘进参数控制
4.2.1、脱困阶段
在恢复掘进前，为治理土仓内积水，防止喷涌，在关闭仓门前往土仓内倒入5～6t干膨润土，并搅拌均匀。
采用主动交接式盾构机掘进时首先使用同步千斤顶试掘进，如果推力加到36000kN（程序保护）仍无法顶动盾体时，采用铰接千斤顶推进。控制掘进参数如下：刀盘转速1.0～1.2r/min，在利用铰接推进时刀盘扭矩超过5000kN·m则停止向前推进，空转刀盘当刀盘扭矩降低至2000kN·m时继续利用铰接向前推进，如此循环掘进，铰接行程伸出30mm时，铰接油缸变换为收缩模式，同时利用同步千斤顶推动盾构机中盾和盾尾。如此循环操作，至使用同步千斤顶能正常推动盾体时恢复正常掘进模式。
4.2.2、正常掘进阶段
根据以前过上软下硬经验及目前实际情况，控制掘进参数如下。土压：根据刀盘埋深及地下水位高度计算得出土仓顶部静水压力为（如2.8bar）；根据掘进里程计算出理论出土量，根据实际出土量=理论出土量的原则控制出土，土仓顶部压力可控制在2.9～3.2bar左右。推力：由于土仓内土压较高，所需推力相应增高，推力3000～3600t；推力超过3600t后，及时分析掘进参数，判断推力增大原因。（以上参数以海瑞克土压平衡盾构机做参考）
4.3、设备掘进技术
在实际施工进程中，使用盾构机设备在上软下硬地层中进行觉得时候，针对软岩部分而言，切削掌子面便会使土层结构遭到破坏，针对局部岩石较硬部分，此处刀盘滚刀实际受力情况较大，伴随着局部硬岩的不断作用，刀盘所受损伤变大，因此，需将刀盘转速适当降低，将其所受瞬时冲击控制在安全荷载范围之内。对于上软下硬地质而言，若仅仅考虑刀盘保护因素，结合硬岩方式单纯掘进，则会导致超挖问题，造成地表发生沉降情况，基于此，必须在全土压平衡模式下进行掘进施工，即为在实际的掘进过程中用需确保掌子面压力平衡以及土舱压力相对较高些。参考实际情况，结合各项参数值针对刀盘扭矩以及油缸推力、掘进贯入度等数据因素实施合理调节。掘进上软下硬地层结构的时候应注重推力的优化降低，控制推进速度，原因在于所有断面所拥有的强度是各不相同的，若产生较大速度则是刀具早软硬交接的位置形成意外损伤问题。基于此类地层的实际条件，通常结合盾构机设备贯入度实施控制。尽可能采用土体改良技术，旨在将刀具及螺旋输送机设备所产生的磨损情况大大降低，规避涌水问题的形成，通常将含水量较大的泡沫注至土舱内部、刀盘前以及螺旋输送机内部位置，选用盾构机泡沫系统实现泡沫注入，在此需注意泡沫溶液组成比例控制。再者说，因为上软下硬地层中软岩部分极易催生坍塌问题，加之硬岩部分拥有较大硬度，进而难以实施切削，所以为充分保护刀具则会将掘进速度大大降低，然而此时却会对软岩部分稳定性造成不利影响，在此需确保土压值保持较高水平，确保掌子面拥有较强的稳定性。
4.4、加固技术
上软下硬地层开仓换刀时掌子面加固在上软下硬地层中，开仓换刀时掌子面存在全风化岩，不具自稳性，在地下水作用下容易出现塌方情况，不具备开仓换刀条件，需对掌子面进行加固处理，处理措施如下：（1）在计划换刀里程，在地面进行预加固处理。（2）在预加固体效果不好时，则需及时在刀盘前方掌子面进行二次加固。①地面加固，在刀盘前方利用WSS注浆工艺进行加固。②洞内加固，由于WSS注浆加固体在地下水浸泡的情况下稳定期为2～3d，时间太长会出现小面积失稳，加固体和全风化岩会随着地下水流失，此时可将开口封住利用二次注浆机注双液浆进行填充加固。③在地面不具备加固条件时，且洞内无法进行注双液浆加固时，可向土仓内注入砂浆进行置换加固。
5、结语
综上所述，在地铁工程建设中，穿越上软下硬地层结构的时候需配备高技能人才合理运用盾构施工技术开展施工活动，关注施工要点，确保施工安全，促进工程建设的高质完成，强化提升城市交通运营能力。
参考文献：
[1]李光耀.狮子洋隧道泥水盾构穿越上软下硬地层施工技术[J].铁道标准设计，2010，11：89-94.
[2]翟圣智，胡蒙达，叶明勇，叶新宇，王树英，詹涛.南昌上软下硬地层土压平衡盾构渣土改良技术研究[J].铁道建筑，2014，08：27-31.
[3]刘五一.大直径泥水盾构穿越湘江漫滩粉细砂地层施工技术研究[D].中南大学，2013.
[4]朱宏海.上软下硬复合地层地铁盾构隧道设计及施工探析[J].隧道建设，2015，02：144-148.
摘要：在我国城市经济发展的推动之下，我国城市轨道交通获得较快的进步。但是在施工之中，因为地层结构的特殊性，对于施工进度以及质量造成一定的影响，本文则探讨了盾构穿越上软下硬地层之时的相关施工技术。
关键词：盾构；上软下硬；施工
引言
花岗岩、混合岩及灰岩等硬质基岩大面积分布于我国华南、东南及华北沿海地区，上面多为花岗岩、混合岩的残积层以及黏土层、砂层等地层。花岗岩、混合岩的残积层具有未扰动前比较致密、承载力较高，扰动后强度迅速降低、软化、崩解，自稳性差等特性。硬岩和软弱地层，两者地质物理特性差别大，地铁盾构隧道由于地铁车站埋深及线路坡度的限制，区间隧道洞身不可避免地会有部分位于硬质基岩、部分位于风化残积层或其他软弱层中。盾构在上软下硬地层中施工经常遇到掘进速度减慢、极易超挖、地面沉降严重甚至坍塌、盾构刀具磨损严重、卡机、螺旋机喷涌等问题。如何处理好这些问题，国内工程技术人员一直在分析和研究。
1、上软下硬复合地层的主要特征
上软下硬复合地层主要是由上部的土层和下部的岩层组合而成的岩土复合地层。盾构隧道中的上软下硬复合地层，其土层和岩层之间的过渡层很薄甚至没有，分界线明显，上部的土层较为软弱，不能过多承受施工扰动，而下部的岩层的单轴抗压强度往往高达几十甚至一百兆帕以上。
2、盾构机掘进上软下硬地层的风险
盾构隧道中上软下硬复合地层的土层和岩层过渡较快和性质差异显著的特点，使得盾构机在掘进时容易产生以下施工风险：
由于底部为硬岩，刀具贯入岩面困难，顶部为软土，刀具切削土层容易，因此盾构机掘进时垂直姿态容易上抬。（软硬各半的时候就会减少，除非软土占60%以上）
地层软硬不均，刀具在软硬交界的地方容易磕碰岩面，造成刀圈崩坏、刀轴密封漏油等刀具损坏情况；而如果掘进速度过慢（小于4mm/min）时滚刀不转，又容易造成刀偏磨。
底部为硬岩，掘进速度慢，上部软土因扰动大而容易变形和造成水土流失，尤其是在富水地层中，如果控制不好造成喷涌，更容易导致地层损失，最终导致地面沉降过大。
为维持上部软弱地层的稳定，土仓内常需保持稍高于水土土压，同时因盾构机掘进速度慢，摩擦作用使得仓内土体温度升高，从而容易产生“结泥饼”的现象。（结泥饼还包括喷涌时快速带走水量）
3、施工现状及问题
盾构隧道上软下硬地层的特性，决定了盾构施工的困难，施工中出现问题难以完全避免。部分区间施工承包商对该地层认识不足，盾构选型、采购或改造上针对性不强。部分盾构机操作手和现场施工技术管理人员也存在经验不足的问题，施工前施工组织没有针对性，缺乏相应预案，造成施工中问题不断，部分问题处理不及时，造成较大损失。
施工中出现的主要问题有：盾构掘进参数取用不合理，刀盘转速、贯入度、扭矩及推力等偏大；造成盾构机掘进不顺、姿态难以控制等问题。盾构掘进困难，盾构昂头，出土超量，地面沉降及坍塌。盾构刀具磨损严重，需频繁开舱检查刀具及换刀。盾构出现卡机现象。软弱地层松动坍塌，泥水涌入土舱，出现螺机喷涌；土舱保压造成地表冒浆等。
4、施工技术分析
4.1、施工准备
4.1.1、优化参数
开始穿越地层之前，需结合沉降情况优化施工参数，归纳总结沉降规律，针对盾构穿越地层结构展开合理分析，旨在实现最佳施工成效的最大化获取，严格控制地面沉降，确保盾构能够平稳安全地穿越地层结构。
4.1.2、维护设备
针对施工所用盾构机械设备采取有效的保养维护措施，确保龙门吊以及盾构机、二次注浆机、拌合站、电瓶车等相关设备拥有良好性能，可保持最佳运行状态，进而能够快速经过施工风险区域。
4.1.3、准备材料
施工之前，需尽可能准备数量充足且质量较优的工具和材料，坚决杜绝因为材料短缺使施工工作受到影响，提前准备好材料，确保工具数量足够且种类齐全，有备无患，规避意外状况的频繁发生。
4.2、掘进参数控制
4.2.1、脱困阶段
在恢复掘进前，为治理土仓内积水，防止喷涌，在关闭仓门前往土仓内倒入5～6t干膨润土，并搅拌均匀。
采用主动交接式盾构机掘进时首先使用同步千斤顶试掘进，如果推力加到36000kN（程序保护）仍无法顶动盾体时，采用铰接千斤顶推进。控制掘进参数如下：刀盘转速1.0～1.2r/min，在利用铰接推进时刀盘扭矩超过5000kN·m则停止向前推进，空转刀盘当刀盘扭矩降低至2000kN·m时继续利用铰接向前推进，如此循环掘进，铰接行程伸出30mm时，铰接油缸变换为收缩模式，同时利用同步千斤顶推动盾构机中盾和盾尾。如此循环操作，至使用同步千斤顶能正常推动盾体时恢复正常掘进模式。
4.2.2、正常掘进阶段
根据以前过上软下硬经验及目前实际情况，控制掘进参数如下。土压：根据刀盘埋深及地下水位高度计算得出土仓顶部静水压力为（如2.8bar）；根据掘进里程计算出理论出土量，根据实际出土量=理论出土量的原则控制出土，土仓顶部压力可控制在2.9～3.2bar左右。推力：由于土仓内土压较高，所需推力相应增高，推力3000～3600t；推力超过3600t后，及时分析掘进参数，判断推力增大原因。（以上参数以海瑞克土压平衡盾构机做参考）
4.3、设备掘进技术
在实际施工进程中，使用盾构机设备在上软下硬地层中进行觉得时候，针对软岩部分而言，切削掌子面便会使土层结构遭到破坏，针对局部岩石较硬部分，此处刀盘滚刀实际受力情况较大，伴随着局部硬岩的不断作用，刀盘所受损伤变大，因此，需将刀盘转速适当降低，将其所受瞬时冲击控制在安全荷载范围之内。对于上软下硬地质而言，若仅仅考虑刀盘保护因素，结合硬岩方式单纯掘进，则会导致超挖问题，造成地表发生沉降情况，基于此，必须在全土压平衡模式下进行掘进施工，即为在实际的掘进过程中用需确保掌子面压力平衡以及土舱压力相对较高些。参考实际情况，结合各项参数值针对刀盘扭矩以及油缸推力、掘进贯入度等数据因素实施合理调节。掘进上软下硬地层结构的时候应注重推力的优化降低，控制推进速度，原因在于所有断面所拥有的强度是各不相同的，若产生较大速度则是刀具早软硬交接的位置形成意外损伤问题。基于此类地层的实际条件，通常结合盾构机设备贯入度实施控制。尽可能采用土体改良技术，旨在将刀具及螺旋输送机设备所产生的磨损情况大大降低，规避涌水问题的形成，通常将含水量较大的泡沫注至土舱内部、刀盘前以及螺旋输送机内部位置，选用盾构机泡沫系统实现泡沫注入，在此需注意泡沫溶液组成比例控制。再者说，因为上软下硬地层中软岩部分极易催生坍塌问题，加之硬岩部分拥有较大硬度，进而难以实施切削，所以为充分保护刀具则会将掘进速度大大降低，然而此时却会对软岩部分稳定性造成不利影响，在此需确保土压值保持较高水平，确保掌子面拥有较强的稳定性。
4.4、加固技术
上软下硬地层开仓换刀时掌子面加固在上软下硬地层中，开仓换刀时掌子面存在全风化岩，不具自稳性，在地下水作用下容易出现塌方情况，不具备开仓换刀条件，需对掌子面进行加固处理，处理措施如下：（1）在计划换刀里程，在地面进行预加固处理。（2）在预加固体效果不好时，则需及时在刀盘前方掌子面进行二次加固。①地面加固，在刀盘前方利用WSS注浆工艺进行加固。②洞内加固，由于WSS注浆加固体在地下水浸泡的情况下稳定期为2～3d，时间太长会出现小面积失稳，加固体和全风化岩会随着地下水流失，此时可将开口封住利用二次注浆机注双液浆进行填充加固。③在地面不具备加固条件时，且洞内无法进行注双液浆加固时，可向土仓内注入砂浆进行置换加固。
5、结语
综上所述，在地铁工程建设中，穿越上软下硬地层结构的时候需配备高技能人才合理运用盾构施工技术开展施工活动，关注施工要点，确保施工安全，促进工程建设的高质完成，强化提升城市交通运营能力。
参考文献：
[1]李光耀.狮子洋隧道泥水盾构穿越上软下硬地层施工技术[J].铁道标准设计，2010，11：89-94.
[2]翟圣智，胡蒙达，叶明勇，叶新宇，王树英，詹涛.南昌上软下硬地层土压平衡盾构渣土改良技术研究[J].铁道建筑，2014，08：27-31.
[3]刘五一.大直径泥水盾构穿越湘江漫滩粉细砂地层施工技术研究[D].中南大学，2013.
[4]朱宏海.上软下硬复合地层地铁盾构隧道设计及施工探析[J].隧道建设，2015，02：144-148.