谈复合地层盾构施工的技术措施
时间：2022-09-16 08:32:40
摘要：进入21世纪，世界经济的迅猛发展加速了城市化建设。随着城市密集度的提高和高层建筑的不断增加，地面可利用空间越来越少，而地下又布满了各种用途的管线，所以，如何更有效利用和创造地下空间已成为当今城市现代化建设的重要课题，采用盾构法来开发地下空间则是一种最佳选择。使盾构机如何能在各种地层中顺利掘进，成为当下盾构施工技术的重点，本文就盾构机在复合地层（软土与硬岩相结合）的施工，做简单分析，以供参考。
中图分类号：U455文献标识码： A
一、分析盾构区间的地层特征，确定盾构机选型。
盾构的类型是指与特定的盾构施工环境。特别是与特定的基础地质、工程地质和水文地质特征相匹配的盾构种类。根据施工环境，隧道掘进机的类型分为软土盾构、硬岩掘进机（TBM）、复合盾构三类。因此，盾构的类型分为软土盾构和复合盾构两类。
软土盾构是指适用于未固结成岩的软土、某些半固结成岩及全风化和强风化岩条件下的一类盾构。软土盾构的主要特点是刀盘仅安装软土刀具（先行刀、切刀、刮刀），无需滚刀。
复合盾构是指既适用于软土、又适用于硬岩的一类盾构，主要用于既有软土又有硬岩的复杂地层施工。复合盾构的主要特点是刀盘既安装有软土刀具，如切刀、刮刀，又安装有硬岩刀具（滚刀）。下面谈一下，复合盾构机选型的具体注意事项。
1、盾构内主要机械、液压、电气元器件宜采用国际知名品牌产品，要充分保证盾构机的各部件质量，其主轴承使用寿命要大于10000小时。能从容面对复合地层中各种突发事件。
2、刀盘具有适宜的开口率，刀盘开口设计限制大的块石进入，进入土舱的块石可以通过螺旋输送机运送出去。
3、刀盘采用宜多个主辐条的设计形式，以使每个旋转方向都有多个进土开口，进土通道的具有专门的几何设计使开挖舱的进土更加容易，角度渐变能够防止碴土沉积。具有大尺寸的物料通道从刀盘外缘通到刀盘中心区域，便于将挖掘的碴土运输到土舱。
4、刀盘前面宜设置多条独立的注入管用于碴良以降低磨损保证出土顺畅。
5、刀具/刀盘配有专门磨损保护 (例如刀盘面上焊有耐磨板，外圈上有耐磨格条)，刀盘切口耐磨环的耐磨加强处理。同时刀箱的设计要满足滚刀与切刀的更换。刀箱要更加稳固，防止刀箱变形换刀困难。
二、由于在长距离风化岩层中推进，地层的不可预见性较多，盾构刀具难免会产生一定量的磨损，如果刀具磨损量过大或者出现损坏的现象，就会产生推进速度慢、出土温度升高、刀盘磨损等危机情况出现，为了保证刀具的正常作业，开仓检查刀具、更换磨损刀具是唯一能保证正常推进的途径。
根据以往复合地层中的开仓换刀经验，一般情况下盾构在涉及全断面中风化安山岩中推进150m左右需进行一次刀具的检查。如在隧道断面上部为土层的位置换刀，则需提前打设降水井，待刀头位置的地下水位降至刀盘下1m左右位置时，再开仓换刀；若隧道断面范围内及上部均为自立性较好的风化岩层，则可以直接开仓换刀。
换刀作业施工是一项高风险的作业，必须对参加施工的人员进行详细的技术和安全交底，对进仓施工人员进行培训和考核；
盾构到达预定换刀位置，作好换刀准备后，停止掘进，管片与盾尾之间间隙用海绵塞填，盾尾油脂压注至一定压力。观察刀盘中心标尺，在预定设定的刀具更换所需的最佳角度位置，停止刀盘旋转。
打开土仓下部阀门，观察水位是否已经降至盾构底部，如果阀门不流水，出土至仓门打开，继续出土，在仓门处观察出土情况。保证土仓内有1／2渣土存在（也可根据实际情况调整），在上部刀盘开口、刀盘和盾壳切口处焊接钢板（预先加工配好），随后关闭仓门，不旋转刀盘，将仓内剩余半仓土出空，打开仓门，人员进入，在下部刀盘开口、刀盘和盾壳装钢封板，保证每个进土开口、刀盘和盾壳切口用钢板封严，正面和侧面土体不下落。
刀盘正面密封以后，开始刀具检查和更换工作。可根据检测情况，确定刀具更换的数量和种类。刀具更换时尽量不旋转刀盘，考虑刀具更换最适宜位置。
刀具更换完成之后，须将刀盘开口、刀盘和盾壳切口处焊接钢板进行割除。自下而上，逐步割除，每部分完成时由专人进行检查，确认后方可进行其他部分的作业。顶部封板割除时人员站位考虑封板割除后土体等坠落的影响，可用绳子预先绑住钢封板，焊缝割除，随后用绳子将钢板拉出。
封板割除后，准备恢复推进。土仓内压注厚浆，填充空隙，以免地面坍塌。注浆压力适当高于计算土压力。
三、复合盾构施工时常见问题及控制要点
综合复合地层中的盾构施工，很容易产生刀具磨损严重，刀盘、土仓结泥饼以及地面沉降控制等共性难题，针对以往复合盾构施工经验，对复合地层施工可能产生的一些通病，拟采取以下相关技术措施。
1、刀具磨损控制措施
当盾构全断面穿越岩层时，对刀具磨损比较严重，采取以下措施：
①采用欠平衡模式的推进方式
在岩层中，采用欠平衡推进时，滚刀处于相对独立的状态；每把滚刀刀刃都能抵住岩面发挥最大效能。一旦建立土压后，密封土仓压力将部分抵消盾构机总推力，从而造成滚刀正面压力不足，摩擦扭矩不足，导致滚刀转动更加困难。这种情况出现后，就会造成刀具的偏磨。
②合理配置具有耐磨性的盾构刀具
选用合理的刀具配置，采用全滚刀、刮刀组合的形式。
③进行合理的土体改良
在风化粉细砂层中施工，通过渣良，可以更好地建立正面平衡压力，盾构切削下来的渣土也具有更好的流塑性和稠度，同时可减少刀具、刀盘、螺旋机的磨损。
④选择合理的盾构推进参数
根据试验段的盾构推进，通过刀盘扭矩、盾构推力、出土量、地面沉降值等数据综合进行分析，并通过出渣状态及温度，确定合理推进参数保护刀具。
⑤定期检查、更换刀具
根据出渣情况和盾构推进参数、地面情况等决定检查刀具的地点，根据检查情况确定是否更换刀具。
2、出渣困难、土仓内易形成泥饼应对措施
当盾构处于“上软下硬”的复合地层时，隧道上部为粉质粘土且黏聚力较大，极易形成“泥饼”，造成螺旋机的出渣困难，又极易造成喷涌。
针对此情况采取以下措施：
①选择合理的土体改良剂
针对不同地质、不同情况下分别采用泡沫剂、膨润土或者二种改良剂结合使用。
②选用刀盘具有较大开口率、较大的螺旋机直径，从而保证螺旋机出土顺畅。
③刀盘上设置主动与被动搅拌装置
渣土搅拌装置分为2类：活动型搅拌棒--固定在刀盘的后盘上；固定搅拌棒--固定在土仓壁上。
④刀盘上具有足够的土体改良注入口，保证喷出的改良剂覆盖切削面。
⑤定期向土仓内加注膨润土浆液并搅拌
定期向土仓加注3～4方的膨润土浆液搅拌，搅拌后停止一段时间再推进，让膨润土浆液与土仓内土体完全融合，增加土仓内土体的和易性。
3、地面沉降控制控制措施
在上软下硬的复合地层中推进，极易产生超挖现象，在刀盘上方或侧方产生空洞，此时同步注浆还没达到此地，从而引发沉降过大或地面塌陷。采取措施如下：
①控制盾构正面土体平衡压力，即使采用欠平衡模式，平衡压力也不易过小。
②严格出土量控制，控制到每箱土，做到每箱土的出土量与推进行程相匹配，不超挖不欠挖。如遇到超挖情况要及时汇报，并采取补压浆，加强地面沉降监测，并严格监控地面情况。
③加强地面变形监测。
④严格控制盾尾同步注浆量和浆液质量。
⑤在盾构穿越时，根据沉降监测结果可适当在壳体经行衬背注浆，穿越在管片上的注浆孔经行二次补压浆。根据沉降情况，采取二次补压浆的方法加固土体，直至稳定。
4、喷涌防治措施
尽管局部地区呈破碎状的中风化粉细砂层中只是含有一定的裂隙水，但是雨季施工时，突遇补给充足、水头压力超过土仓平衡压力的水源是，会产生喷涌现象，为了防治此情况出现，采取以下措施：
①推进前分析研究地质条件，根据不同地层合理选择土体改良方式和改良剂，防止产生泥饼。
②如果同步注浆不充分，可在管片上压注双液浆封堵隧道背后的汇水通道。
③ 必要时可采用保压泵渣装置。
本文只针对复合地层盾构施工中采取的技术措施及部分常见问题进行了介绍，随着盾构技术在城市轨道交通工程中的大规模应用，笔者坚信，通过工程师们的努力，国内的盾构施工水平将会不断的完善，与世界一线水平缩短距离。
