上软下硬复合地层地铁盾构隧道施工技术

上软下硬复合地层地铁盾构隧道施工技术

陈云飞

中铁九局集团第七工程有限公司  辽宁省  沈阳市  110000

摘要：地铁盾构隧道作为现代城市交通建设的重要组成部分，其施工技术的发展和创新对于保证工程的安全和高效完成至关重要。然而，在地铁建设中，常常会遇到上软下硬的地层结构，这种地层结构往往增大了施工难度。目前，一些北方地区的施工单位普遍存在对上软下硬地层结构认识不充分的问题。部分盾构隧道操作人员和技术人员缺乏丰富的施工经验，导致在施工过程中突发状况出现时无法采取相应的预防措施，进而影响施工进度并增加成本。

关键字：地铁盾构隧道；上软下硬；复核地层；施工技术

1前言

地铁盾构隧道是城市交通系统中至关重要的组成部分，其质量和施工效率直接影响城市交通的正常运行。在盾构隧道施工中，上软下硬复合地层是一种常见的地质情况，其施工技术需要特殊考虑。上软下硬复合地层对盾构掘进提出了不同的要求，因为上部软土对掘进作用力较下部硬岩较弱，这也使得盾构在软硬地层之间存在适应性差异。同时，上部软土受重力作用更容易导致超挖，进而增加沉降的风险。

本论文旨在介绍上软下硬复合地层地铁盾构隧道施工技术的关键控制要点。通过对现有文献和工程案例的分析和总结，得出该施工技术在提高工程质量、减少工程风险和确保工期方面的积极作用。

2工程背景

台州市域铁路S1线一期工程土建三工区位于浙江省台州市椒江区，总长度为2.912公里，主要包括一座车站和两个区间。其中，中开区间从中间风井到开发大道站，全长2108m。中开区间位于上软下硬地层区间，该区域潜水位一般埋深在0.5m到2m左右。该区间的复合地层主要为上部软土和下部硬岩组成，其中包括上部软土、下部硬岩组合而成的复合地层，上部软岩下部硬岩组合的复合地层，软岩中含硬岩夹层、或硬岩中含软岩夹层，岩石地层含破碎带、溶洞等四种情况。

图2-1典型上软下硬复合地层示意图

3复合地层盾构施工特点

在上软下硬复合地层中，进行盾构施工需要采用复合盾构施工法。复合盾构法是一种新型盾构法，它融合了气压盾构和硬岩掘进机的原理和优点，以适应掘进断面和掘进方向软硬强度不均的地层。复合盾构机具有三种工作模式，即敞开模式、半敞开模式和土压平衡模式。在敞开模式下，与掌子面水土压力平衡的主要是气压，土舱内只含有少量渣土。这种模式适用于地下水少、自稳能力强的地层。在半敞开模式下，土舱内渣土未完全填满，掌子面水土压力由土舱渣土压力和气压共同平衡。这种模式适用于地下水含量不高、自稳能力较强的地层。在土压平衡模式下，土舱内渣土填满，掌子面水土压力由土舱压力平衡。这种模式适用于地下水含量丰富、自稳能力较弱的地层。这三种模式可以根据实际地层条件实时切换，具有良好的适应性。

上软下硬地层的下部硬岩开挖较困难，盾构施工速度慢，需较大的土仓压力来维持开挖面的稳定，要重视渣土的改良情况，确保渣止的顺利输出，建立合理土仓压力。在上软下硬复合地层中盾构掘进，上下部岩土体切削程度不一致，容易形成上部超挖，引起上部土体坍塌。且盾构机上下部千斤顶受力不均匀，容易影响盾构姿态，出现“磕头”、“抬头”现象。刀具从软土突然转向硬岩时，由于软硬岩强度差较大，会产生瞬间的强反冲击力，从而造成刀具脱落或破损，还可能造成盾体自转，对起隧道周围岩土体造成较大扰动。为控制盾构进程顺利进行，需要根据上软下硬地层的分布情况，合理选择千斤顶的数量及分布形式，根据施工情况及时调整千斤顶压力。如果上部土层太软，在推进过程中应保持切口水压稳定，防止切口水压变化幅度过大引起上部土层塌陷。

4复合地层施工风险控制及对策

4.1刀盘优化及开仓换刀技术

针对隧道区间穿越不同岩层、软硬不均复合地层的情况，为保持开挖面稳定以及为了确保滚刀的安装面积和必要的或辅助的刮刀的安装面积，宜选取既能配置破岩滚刀，又能配置切削刀具的辐板式刀盘。对于刀具配置，总体来讲软土地层中应该适当增加刮刀数量，减小滚刀数量，硬岩地层则相反。盾构掘进长距离下穿复合地层，对刀具的更换必不可免，可对盾构掘进距离、刀具磨损量、掘进参数变化以及渣土检查结果进行综合分析，判断是否需要进行换刀。若需采取换刀措施，通过对下穿地层水文地质条件，地表既有建筑物以及地下相邻建筑的特性分析，选择合理的开仓换刀点，保证换刀人员安全，减少换刀成本，缩短换刀耗时。

4.2 midas GTS有限元模拟

盾构隧道穿越密集房屋群进行带压换刀时，施加合理的气压值才能维持掌子面稳定。气压值过大，会导致地表隆起；气压值过小，掌子面易坍塌。通过对数值模拟结果分析，在上软下硬地层，掌子面施加0.0bar~3.0bar的气压值，在掌子面穿越地层硬岩占比相同条件下，维持掌子面稳定的临界气压值和掌子面不发生挤出位移的气压值都与隧道埋深成正相关。在隧道埋深一定情况下，维持掌子面稳定的临界气压值与掌子面硬岩占比成负相关，掌子面硬岩占比达到一定值时，掌子面能够自稳可进行常压换刀。在盾构掘进过程中，若需要进行带压换刀，可先对换刀地层进行地质探测，然后进行数值模拟得到掌子面最大挤出位移随气压变化图，进行插值得到换刀施加合理气压值。

4.3盾构机掘进速度控制

盾构机在穿越上软下硬地层的过程中，掘进速度不是恒定的，而是随着地层变化而发生改变的。下部微风化岩层强度较大，造成掘进困难，掘进速度下降。当硬岩石占掌子面比例较大时（50%以上），若仍然采用较大掘进速度（12mm/min以上），将导致软岩受扰动较大、地表隆起和刀具严重磨损等不良现象，此阶段建议掘进速度控制在5~10mm/min内；当硬岩占掌子面比例较小时（50%以下），上部地层受盾构机掘进影响较小，可将掘进速度适度增大至8~13mm/min范围内。刀盘转速对软岩地层扰动较大，在上软下硬地层中，随着掌子面上硬岩占比的增大，刀盘扭矩显著增大，可适当减低贯入度以降低扭矩，同时适当提高转速但不宜超过1.7r/min。同理，随着硬岩比例的减小，盾构掘进所需扭矩逐渐减小，可适当减小刀盘转速至1.3r/min以内以避免产生较大地层扰动。

4.4渣土改良技术

针对不同地层分布下的渣土改良风险，首先对渣土改良系统进行改进，同时根据现场实验，提出渣土改良技术方案。在以粉质粘土层为主的地层施工时，采用泡沫作为改良剂，当泡沫稀释浓度为3%，发泡倍率为9，注入率为20%时能取得较好的效果。当盾构在以风化岩层为主的基层掘进时，采用泡沫和膨润土作为改良剂，当泡沫稀释浓度为3%，发泡倍率为10，膨润土溶液浓度为20%，两者注入率为15%时能取得较好的效果，呈现良好的流塑性、排土顺畅。在以圆砾卵石层为主的地层施工时，采用泡沫和聚合物进行渣土改良，当稀释液浓度为3%，发泡倍率为9，聚合物稀释浓度为0.5%，且两者注入率分别为20%、15%时，能建立稳定的土仓压力，使渣土达到合适的流塑性。

4.5基于上软下硬地层的盾构姿态控制技术

针对盾构姿态控制研究，首先改进系统配置以提高盾构姿态调节效率，并根据上软下硬土层地层分布特点，从掘进方向、掘进速度、出土量、注浆控制四个方面提出盾构掘进控制措施。同时明确纠偏原则，提出了采用盾构推动油缸、铰接油缸、超挖刀、正反转、管片选型等措施进行盾构姿态调整的纠偏策略。

4结论

本文以台州市域铁路S1线工程中某盾构区间为背景，针对土压盾构在上软下硬地层掘进时可能存在的施工风险进行分析。通过对地质、水文条件的统计，结合近十年来类似地层典型工程施工经验，找出对盾构安全掘进和降低对周围土体扰动的关键因素。包括盾构机刀盘的合理选择、刀具的合理更换、掌子面气压的控制、盾构掘进速度的控制、渣土改良和盾构姿态的调整等措施。这些措施为类似工程提供了宝贵的经验。

参考文献：

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