上软下硬复合地层盾构施工技术及控制策略研究_李腾蛟.pdf

2 0 2 3 4第卷总第期5459第期44上软下硬复合地层盾构施工技术及控制策略研究李腾蛟，陆帅中交天和机械设备制造有限公司摘要针对上软下硬地层盾构施工关键难点，依托和燕路过江通道某区间盾构隧道工程开展研究，首先介绍该区段上软下硬地层的地层分布，探究盾构施工技术的主要难点，然后通过施工中记录的掘进参数，分析掘进换刀前、后主要掘进参数的波动情况，基于推进平均速度、刀盘转矩、总推力以及管片浮动的变化情况，探究掘进过程中掘进参数控制方式，最后针对上软下硬复合地层的施工关键问题给出相应的控制策略，可为类似盾构施工工程提供建议。关键词：上软下硬地层；盾构施工；掘进参数控制；施工策略作者简介：李腾蛟（1985），男，河南登封人，工程师，学士，研究方向：盾构设备技术管理。近年来盾构施工技术发展迅速，盾构隧道施工已经成为一种成熟的施工方法，上软下硬地层施工的工程也日益增加，然而在这种地层下的施工会面对各种难点。因此，针对该类施工工程的施工技术和策略研究十分重要。郑鹏飞1等研究泥岩和砂卵石相交地层分析的掘进参数，依据地质条件确定了合理的掘进参数范围。李经纬2等研究上软下硬地层中盾构施工主要掘进参数的分布情况，总结出各个掘进参数的分布模型。麻歆3等分析了在上软下硬地层中新建隧道对已有隧道的影响，总结了已有隧道沉降和变形特点。刘东亮4从刀具磨损、掘进参数及舱内状况等方面研究了盾构施工管理。李洪哲5等从刀具管理、掘进参数及冲刷系统等方面进行分析，提供盾构施工过程中的掘进管理建议。王文威6研究了上软下硬富水砂层掘进过程中的注浆控制，采用了洞内超前注浆加固施工技术，保证施工安全。目前，在上软下硬地层施工技术方面已经有很多专家学者进行研究，但缺少对上软下硬地层掘进参数的分析研究。本文基于和燕路过江通道某区间盾构隧道工程，分析盾构施工技术的主要难点，探究掘进过程中掘进参数的变化情况，总结出解决主要施工难点的控制策略。1上软下硬地层分布及施工难点1.1隧道工程概况和燕路过江通道南段隧道工程采用盾构施工，盾构117施工技术Construction Technologies2 0 2 3 4在江底段掘进施工，盾构隧道穿越上软下硬地层主要为粉细砂、中粗砂、强风化角砾岩，冲槽段从上到下穿越的地层主要为强风化角砾岩、中风化角砾岩、中风化角砾岩（破碎）。幕府山焦山断裂带 F7，宽度为 38 m，带内岩体破碎，具有较好的导水性。在此区段，盾构开挖地层由之前的砂层逐渐变为上部砂层、下部全风化角砾岩层，为典型的上软下硬地层，然后进入上部强风化角砾岩、下部中风化角砾岩层的软硬不均地层。1.2施工存在难点以及风险地层未被开挖之前，地层内各处的压力保持相对平衡状态。一旦地层被挖开，其原有的压力平衡状态遭到破坏，在地表层压力与底层压力之间产生的压差作用下，地层内所含的流体就会渗出开挖面。江底水压力高、埋深大、透水性强，隧道的静水压力通常很大，容易引发突发性地面塌陷，给施工增添了较大难度，同时对盾构的性能提出更高要求。工程施工存在的难点以及风险：（1）在多种复合地层中，刀具在同一断面上从软弱地层转入岩层时，所受冲击较大，会出现“磕刀”现象，使刀具出现崩齿、断刃等非正常磨损，以及刀具毁损、脱落等。（2）盾构水压力大且切口水压力变化大，对盾尾密封效果要求较高，盾尾漏水、漏浆风险加大。（3）隧道处于各种复杂地层交汇处，掘进参数变化大，盾构姿态不易控制。（4）在上软下硬地层中，掌子面拱顶部位软土（砂层）易坍塌，并且受冲槽底浅覆土影响，当江水水位急速回落时，泥浆可能击穿江底土层，导致冒顶。（5）管道磨损破坏，在该段地层掘进时，由于渣土中含有不规则的石块颗粒，且较为坚硬，在泥浆循环带出过程中，容易对排浆管道和泥水分离设备，特别是弯头部位，造成快速磨损破坏。（6）进入硬岩段后，管片上浮较大，易产生管片错台、裂缝，对盾构隧道防水和结构安全都产生较大隐患。2盾构施工掘进参数分析2.1换刀前掘进参数根据记录的掘进刀盘转矩数据，发现转矩从 700 环开始出现较大波动，其中 706 环波动最大，转矩上下差值约 5 000 kN m，最大差值达到 9 000 kN m，波动频率约为刀盘转动 1 周的时间，掘进地层上部为粉细砂层，下部为中粗砂层，地层未出现变化。在 719735 环停机前转矩逐渐增大，掘进地层上部粉细砂，中部中粗砂，下部为圆砾及强风化角砾岩（渣样主要为圆砾）。在盾构掘进至 735 环停机检刀，此时隧道埋深 55.3m，覆土厚度 27.1 m，隧道掘进长度 1 480.078 m，掌子面里程为 YK3+229.081 m，所处地层上部为粉细砂层，中部为中粗砂层，下部为圆砾加强风化角砾岩（渣样主要为圆砾）。2.2换刀后掘进参数在 735 环停机后，开舱检查刀盘刀具情况，统计刀盘刀具的换刀情况。部分刀具检查情况如表 1 所示。表 1部分刀具检查情况刀具编号刀具使用距离（环=2 m）磨损情况刀具类型（换前）刀具类型（换后）7573676424 mm，合金局部有非正常磨损现象撕裂刀滚刀54/5673676435 mm/35 mm，合金局部有非正常磨损现象撕裂刀滚刀66/6873676413 mm/23 mm撕裂刀滚刀58/6073676415 mm/45 mm，合金局部有非正常磨损现象撕裂刀滚刀在该区间施工过程中，记录了掘进过程的掘进参数数据，选取推进平均速度（mm/min）、刀盘转矩（kN m）、推进液压缸总推力（kN）为主要掘进参数，绘制刀具更换后主要掘进参数随掘进环数变化的折线图，如图 1 所示，同时单独绘制刀盘转矩的变化如图 2 所示。从图 2 可以看出，736743 环转矩较平稳，从 744 环1182 0 2 3 4第卷总第期5459第期44图 1主要掘进参数变化图 2刀盘转矩变化开始出现较大波动，749764 环转矩逐渐增大，764 环波动最大，最大波动范围约为 14 0005 000 kN m，最大值达到 20 000 kN m，波动频率约为刀盘转动 1 圈的时间，地层上部为粉细砂层、下部为中粗砂层、底部由强风化角砾岩逐渐过渡到全、强风化角砾岩层，岩面也逐渐升高。从 764 环开始掘进 23 环左右，掘进区域的岩层厚度将达到 7.5 m，所有轨迹上的刀具全部掘岩。将撕裂刀更换为滚刀后，转矩会有所减小。从图 1 可以看出，在停机后起始掘进的前两环环推力会增大，掘进后地层的部分收敛及同步注浆浆液的凝固会对盾体有包裹现象，但随岩面的升高推力会逐渐减小，可明显看到总推力在前 5 环（735740）先增大后逐渐减小，在 741749 环，推力基本平稳，没有明显变化。换刀完成复推进 5 环后，总推力有明显的减小趋势，但此段管片上浮比较明显，在 740750 环上浮比较严重，而且这 10 环在推进时同步注浆的过程中，明显感觉到泥水舱与盾尾部分有连通现象，在同步注浆时，泥水舱压力对应有增长趋势，且空气室的液位也有明显上涨，绘制管片上浮水平、垂直偏差如图 3 所示。在掘进施工的 740750 环，管片上浮的垂直偏差超过 30 mm，管片渗漏水也比较严重，部分管片渗漏水情况如图 4 所示，对管片渗漏水采用人工堵塞、二次注浆以及自愈的方式进行止水。119施工技术Construction Technologies2 0 2 3 4图 4管片渗漏水情况图 3上软下硬地层管片上浮线形图3盾构施工控制策略3.1盾构姿态的控制盾构的推进千斤顶在进入上软下硬地层时容易受力不均，从而使得盾构前进方向控制困难、盾构姿态产生偏差。因此在掘进过程中可通过测量系统观测盾构姿态信息，提前采取措施对盾构姿态进行调整，防止盾构向上超限，同时控制好管片上浮量，每掘 500 cm 管片上浮量不得超过 1 cm。3.2刀盘转速和推力的控制盾构的掘进速度决定刀具的贯入度，掘进速度越大则贯入度越大，在上软下硬的岩层中掘进时，上软下硬的地层条件限制了刀具的贯入度，使用过大的掘进速度会造成开挖掌子面剥离出大块岩体，堆积在土舱影响正常掘进。因此盾构在上软下硬地层中掘进时，掘进速度要控制在 15 mm/min，同时保证转速不能超过 1 r/min。3.3同步注浆的控制在盾构掘进过程中，采用同步注浆，及时填充建筑空隙，减少盾构施工对土体的影响，防止管片的变形错位。上软下硬地层掘进中注浆的控制点：（1）切口水压的控制。注浆过程中及时检测切口水压，空气室水位有无增大和上升的趋势，推进速度增大，总接触力增大，以及注浆压力不得超过 1.8 MPa。（2）同步注浆量的控制。上软下硬地层从上到下穿越的地层主要为粉细砂、中粗砂、强风化角砾岩土质，因此将松散系数选定为 k=1.21.4，根据理论同步注浆量计算公式7计算注浆量，在本工程掘进过程中，同步注浆量应控制在 30.635.7 m3左右。（3）注浆速度的控制。同步注浆速度应与掘进速度相匹配，按盾构掘进一环 2 m 的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度，达到均匀注浆的目的。3.4拼装时切口水压控制随着盾构覆土的增大，切口水压随之增大，导致正常停机状态盾体所受的反作用力也越大。在管片拼装的过程中，随着推进液压缸的回缩，切口水压、空气室水位下降明显问题处理过程：（1）回缩液压缸个数的控制。在回缩液压缸时，保证回缩当前管片相对应的液压缸，避免回缩其他液压缸。（2）回缩液压缸压力的控制。在回缩下一块管片的顶伸液压缸前，必须保证当前拼装管片的液压缸压力达到额定压力值，同时密切关注拼装时切口水压和空气室水1202 0 2 3 4第卷总第期5459第期44位及时补充。3.5二次注浆的控制二次注浆一般在管片与土层间的空隙充填密实性差，地表沉降得不到有效控制或管片衬砌出现较严重渗漏的情况下实施。盾构穿越后考虑到地表沉降控制和隧道稳定因素，如发现同步注浆有不足的地方，通过管片注浆孔进行二次注浆，从而减少盾构通过后土体的后期沉降，减轻隧道的防水压力。（1）注浆孔位的控制。在注浆前根据现场情况，选择合适的二次注浆孔位。（2）注浆压力的控制。当最大注入压力超过规定值时，立即停止注浆。3.6盾尾油脂的注入控制在上软下硬地层中，根据推进速度合理选择盾尾密封油脂注入控制策略，可以保障盾构安全施工，同时降低施工成本及工程风险。（1）油脂泵注脂率的控制。盾构掘进过程中，推进速度和油脂泵的注脂率必须匹配。推进速度过快，则注入盾尾的油脂不能满足其使用量，造成盾尾密封效果减弱，盾尾漏浆；推进速度过慢，则会造成一定油脂浪费。（2）油脂注入模式的控制。在推进过程中选择自动控制模式，根据实际需要间隔一段时间进行注脂；在推进 1m 及推进完成后油脂选为连续模式，分点式注入油脂，观察盾尾油脂压力，加固盾尾密封效果。（3）油脂注入量的控制。按照盾尾密封油脂注入量控制基本原则 1.52 环 1 桶，长时间停机，必须每隔 45 h注入油脂 40 L 左右，观察油脂压力的变化。4结论依托和燕路过江通道某区间盾构隧道工程，针对上软下硬地层的盾构施工，分析该区段上软下硬地层盾构施工技术的主要难点，研究掘进过程中掘进参数控制方式，并给出控制策略。（1）上软下硬的地层中地质情况不均，盾构姿态容易有偏差，因此需要加强对盾构姿态的合理控制，提前采取措施对盾构姿态进行调整，防止盾构向上超限。（2）盾构在高水压区，穿过砂石土层时，更易造成掌子面失稳，因此必须减慢掘进速度，降低盾构推力和刀盘转速，防止由于掘进过快，造成掌子面失稳。（3）采用泥水盾构掘进时，根据地质和水文条件及地层压力，适当调整泥水压力，保证泥水压力与掌子面土压力及水压力之和平衡，并保持其稳定性。（4）加强盾尾注浆、注脂质量管理，防止泥浆通过盾尾流入隧道，造成掌子面和隧道上部土体坍塌和沉陷。（5）加强泥浆管理，做好泥水质量管理，根据具体施工情况，合理调整泥浆比重、黏性和含砂量等数值，特别关注在超高水压地段处的泥浆质量。参考文献1 郑鹏飞，郭治岳，陈文宇，等.泥岩和砂卵石交互地层盾构施工参数优化研究J.四川建筑，2021，41（1）：119-122.2 李经纬.上软下硬复合地层土压盾构掘进参数演化规律分析J.中国