盾构机穿越上软下硬地层及全断面硬岩地层质量控制

盾构机穿越全断面硬岩及上软下硬地层质量控制

摘要：深圳地铁1号线续建工程固～后区间，盾构机要穿越3段上软下硬地层（最长70m）及一段全断面硬岩（90m），施工风险较大，本文从盾构参数设置，辅助措施实施以及盾构机操作技巧等多方面阐述了盾构机穿越过程中的质量控制。

摘要：盾构机上软下硬全断面质量控制

一、工程概况

1.1工程简介

深圳地铁一号线续建工程固戍站～后瑞站区间，起止里程为SK35+037.20～SK36+800.00，线路南北走向，盾构机从明挖段南端下井始发，沿线穿行宝安大道下方，通过下锚段明挖施工段，到达固戍站北端头解体吊出，完成掘进施工。

1.2地质条件

区间隧道结构洞身大部分为残积土及风化岩，在不受施工扰动的情况下，地层具较高的承载力，如受施工扰动残积土极易变形，遇水软化崩解，承载力大幅度降低，在短时间内极易发生坍塌变形；中～微风化岩自稳性较好，其它岩土结构松散、松软，稳定性差，极易发生坍塌变形。基底处于不同地层中，可能产生差异沉降。

该区间最大最小标贯击数及抗压强度见下表。

3

⑨3和⑨4作硬地层考虑，⑨2及以上的地层作为软地层考虑。该区间隧道洞身穿越地层的全断面硬地层和上软下硬地层分布范围见下表。

表1-2右线洞身地层分段统计表

可知，区间隧道存在3段上软下硬地层（最长段70m），1段全断面硬岩（90m），洞身地层抗压强度最大达89.9Mpa；上述地层对盾构掘进及刀具能力是一个极大的挑战，刀具的磕碰磨损及偏磨比较严重，掘进速度较慢，刀具长期破岩产生高温，且地下水丰富容易造成喷涌，盾构机姿态较难控制，且容易造成隧道轴线偏移和地面的沉降超限。

二、盾构穿越的技术措施

2.1穿越上软下硬地层的掘进措施

由于硬岩段标高起伏不定，在进入硬岩和脱离硬岩的时候，会经历一段上软下硬的不均匀地层。在这种地层掘进，可能发生盾构机偏移或被卡住、蛇行推进，注浆不及时易产生地面沉降甚至塌陷、隧道管片破损以及盾构机损坏等许多难以预料的问题。

本区间上软下硬复合地层长度为119.7m，占隧道掘进全长的6.8%。

针对本区间上软下硬地层地质条件，盾构掘进中采取了下列措施：

1）做好补充地质勘探，在地层起伏交界处进行钻孔，查清上软下硬地层的位置和长度；

掘进过程中不断观察出土情况，并结合推力、扭矩、速度、土压，以及渣土中石块的比例和大小，判断硬岩的比例，及时调整掘进参数。

2）在岩层和土层同时存在的地段，应以硬岩的强度来进行刀具配置；掘进时采用土压平衡掘进模式，根据隧道顶部地质情况选择合适土压力，适当降低土压有利于提高刀具的寿命。

3）盾构机在上软下硬地层中掘进时，盾构姿态容易向上抬，为了保持正确的掘进线路，应该合理控制上下千斤顶的推进油压；此时边缘滚刀承受最大的破岩压力，应选用重型破岩刀具。

4）在上软下硬地段应该采用低转速，以减少滚刀与岩土分界面的冲击。

5）加大发泡剂比例，以改善土体的流动性和土仓的温度，降低土仓温度有利于减少刀具磨损和偏磨；

6）下部是硬岩，掘进速度受硬岩制约而变慢，容易多出土，应该以盾构机进尺来控制出土量，防止超挖，同时保证盾尾回填注浆。

2.2穿越全断面地层硬岩段的掘进措施

本段长度为90m，该地层天然单轴抗压强度最高达89.9MPa，受此硬岩影响，盾构掘进时可能会遇到以下困难：1）掘进速度慢；2）刀具磨损快，换刀频繁，工作量大；3）盾构容易出现“卡壳”现象，推进困难；4）盾构姿态不好控制，造成隧道质量缺陷；5）管片上浮；6）地下水流失。

针对本区间的硬岩地质条件，盾构掘进中采取了下列措施：

1) 施工前进行详细的补充勘探，进一步查清硬岩的分布及特性；

2) 根据岩石的强度，选择匹配的硬岩刀具和耐磨刀具，掘进时，通过提高刀盘转速，减少贯入度，来保证掘进速度；

3) 每3～5环检查一次刀具，做到勤检查、勤更换，特别是边缘滚刀要及时更换，以保证盾构的开挖洞径。现场准备足量的刀具，以便需要时能及时更换刀具。

4) 在中、微风化岩层中采用敞开式掘进模式；

5) 开启刀盘加泡沫、加水装置，改良正面土体，降低刀具和土体的摩擦力，减小扭矩，降低刀盘和土体温度，减小刀具的偏磨；

6) 在掘进过程中，根据滚动角的大小，及时通过调整刀盘转向（左转或右转）来防止盾体产生扭转；

三、具体的技术措施

3.1进入全断面前，在上软下硬的区域预加固

盾构机进入全断面硬岩段前，在里程SK35+501.250～SK35+485.640范围下半部是岩层，上半部是软土层。此时，盾构机已经掘进了约500m，刀具难以克服这一段上软下硬地层。项目部在里程SK35+503.200～SK35+485.200预先进行地面加固，进行一次全面换刀。加固采用三重管旋喷桩，加固区呈倒L型，平面施工范围为横向9.3m，纵向20m，加固深度为桩顶在隧道拱顶以上3米，桩底在隧道拱底以下1米（其中一段为隧道顶部3m至隧道顶），隧道左侧1.65米，右侧1.65米，详见下图1：

图1：进硬岩前上软下硬地层加固示意图

3.2 做止水环防止喷涌，在该地层中防止喷涌相通。

施工过程中，产生的喷涌使盾堆积大量泥沙和水流，将管片输送机完全淹没，无法正常掘进；同时大量泥沙的喷出导致地层超挖而地面沉降。

针对喷涌，可以采取以下几种措施防止：

1）出现喷涌，立即关闭螺旋输送机后门，适当向前掘进，使土仓内建立平衡，通过刀盘的转动，将土仓内的土体搅拌均匀。然后将螺旋输送机后门慢慢打开，开门度约为20%，流出的渣土随传送带带走。然后边掘边出土，始终保持土仓内压力稳定。

2）向刀盘前掌子面注入膨润土（膨润土以悬浮液的形式加入，其体积使用量为25%-40%），在刀盘前形成一层厚厚的泥膜，阻止地下水的涌入。同时，向土仓注入化学改良剂如高分子吸水材料，用刀盘充分搅拌以改良渣土。

3）通过管片进行双液二次注浆，形成止水环，尽快封堵隧道背后汇水通道，阻断来自盾尾后方的水流。

4）尽量保持连续掘进，避免掌子面前方土体内部形成流水通道。

3.3 上软下硬复合地层掘进参数的确定

初期掘进为盾构施工中技术难度最大的环节之一。在初始掘进段内，对盾构的推进速度、土仓压力、注浆压力作相应的调整，指标为：

1）上土仓压力控制在0.07-0.1Mpa（即0.7Bar-1Bar）之间；

2) 推力控制在1400T吨以内；

3) 推进速度控制在0-30mm/min；

4) 注浆上部压力在0.25-0.3Mpa，每环注浆量不少于6方，并且及时做好二次注浆。

表1 同步注浆材料配比和性能指标表

度为6MPa。

在坚持同步注浆的同时，及时对脱出盾尾的管片进行补强注浆，注浆材料选取水泥浆混合30波美度的水玻璃，一般每一环注双液浆2-3m3。