中国建筑第六工程局有限公司 天津 300457
摘要：针对上软下硬地层中盾构掘进这一工程界难题，以徐州地铁3号线项目为试验依托，不断探索盾构掘进方法，从掘进参数、渣土改良和出土量控制、带压换刀、地面加固等方面优化施工，最大限度地降低工程塌陷、换刀、掘进姿态控制等施工风险，确保工程顺利实施。为行业发展带来一定的借鉴意义。
关键词：上软下硬地层；掘进风险；参数；渣土改良；加固；换刀
1 前言
目前，由于地铁建设城市越来越多，所面临的地层情况也日益复杂。上软下硬地层中如何有效地进行掘进成了普遍存在的施工难题。如何调整其施工技术参数和进行必要的加固措施是是否能保证顺利掘进的关键所在，也成了一个迫切需要解决的问题。
2 工程概况和地质与水文情况
徐州地铁3号线土建2标淮塔东路站-和平路站区间存在着典型的上软下硬地层。上软下硬地层右线起止点里程DK11+773.5-DK11+585.95，左线起止点里程DK11+840.95-DK11+602.8。
地层情况如下：上软下硬地层地段从地面到盾构掘进位置，地层分布情况依次为：1-1杂填土层、2-4-2粉土层、2-4-3粉土层、2-5-3粉砂层、12-4-3中风化石灰岩层及石灰岩层中存在的12-4A溶洞，地质剖面图见图1。中风化石灰岩的饱和单轴抗压强度为50MPa。盾构掘进掌子面为粉砂层和中风化石灰岩层的结合面。淮和区间右线上软下硬地层范围内拱顶埋深26.2m。
根据本次勘察揭露，场区内潜水地下水水位埋深1.10～8.30m，水位标高29.48～39.50m，受地形起伏及地表水（勘察期间故黄河水位标高36.0m，奎河水位标高29.48m）影响较大。故黄河北侧存在水位地质天窗（粉土、粉砂层直接与基岩接触），潜水、地表水通过河底粉土、粉砂层相互补给，潜水通过水文地质天窗部位补给基岩水，潜水、基岩承压水与故黄河地表水之间存在密切的水力联系。
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图1 地层剖面图 图2 刀具破损图片
3 上软下硬地层中盾构掘进风险
3.1 涌水涌砂、地面易塌陷
上软下硬区段粉砂层透水率高，加之盾构刀盘转动带来的震动影响，土仓内的富水砂土呈液化状态，在螺旋机出渣口会极易出现涌水涌砂的的情况。隧道掌子面的稳定和地面的沉降控制难度较大。同时由于粉砂粘结性较差，且其具有很强的“灵敏性”，一旦出现涌水涌砂等超排现象，将会迅速地将结果传递到地面，引起道面的整体的下沉或者道面下部的严重脱空，给路面行人生命安全带来极大风险。
3.2 刀具磨损严重、带压开仓换刀风险高
由于在上软下硬地层中掘进，属于土岩结合面，其地层不具有均一性，各地层粘聚力和内摩擦角等参数差异较大，刀具不断反复承受变化的外部荷载。上部的粉砂土层中当膨润土等改良土体设置不合理时易造成泥饼现象，下部的石灰岩等抗压强度较高，所以刀具极易磨损，刀具磨损见图2所示，造成换刀次数变多。同时上软下硬地层中开仓换刀，为防止粉砂土层流入土仓掩埋人员，必须采用带压的方式进行，风险大大增加。
3.3 刀盘受力不均，姿态易变形
盾构穿越故黄河北岸上软下硬地段时，地层强度差异大，刀盘在转动过程中受到的阻力不均匀，容易造成盾构推进姿势控制困难，盾构主机有着向岩层较软一侧偏移的惯性，引起“抬头”现象，使推进方向偏离设计轴线。不加任何附加措施的单独推进，只能依靠后部顶部千斤顶加大推力，控制抬头，形成下压的趋势。
4 上软下硬地层中掘进应对措施
4.1 掘进参数调整
掘进参数随着盾构机前进而逐步进行动态调整。
刀盘由全断面岩层刚刚进入上软下硬地层，逐步提高土压，正常目标土压值为1.6-2.0bar，保证掘进时土压值为实压，保持低转速。掘进速度2-10mm/min，刀盘转速1-1.5r/min，总推力18000-25000kN，刀盘扭矩2200-3000kN•m。
刀盘进入上软下硬地层将近各占刀盘1/2位置处及以后，保证土压目标值为2.2bar，保证掘进时土压值为实压，保持低转速。掘进速度8-15mm/min，刀盘转速1-1.3r/min，总推力18000-20000kN，刀盘扭矩2800-3500kN•m。
严格控制盾构掘进各项参数，及时跟进二次注浆；同步注浆量6.5方/环，注浆压力与土压力平衡。考虑注浆处的土压力，且应使浆液不进入土仓和压坏管片和不因注浆压力过大造成地表隆起。
掘进时，严格控制盾构机的姿态，尽可能地减少每次纠偏的幅度，并使其不超过盾构直径的0.4%。
4.2 渣土改良及出土量控制
调整泡沫原液比例为3%，发泡率18倍，添加至刀盘前方和土仓内，具体根据出土情况适度调整。
渣土改良采用钠基膨润土进行改良，膨润土的配比依据试验结果采用质量比膨润土：水=100kg：1000kg的比例进行，膨润土配比试验见图3，粘稠度试验见图4。膨润土需要提前进行膨化不小于12h，每环注入膨润土约3方。
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图3 膨润土配比试验 图4 膨润土的粘稠度试验
出渣量应控制在43 m3～50 m3/环（松散系数取1.1-1.3）范围之内，每出半斗土（8方，按照每辆渣土车容积设计为16m3）推进行程不超过16cm，及时上报每出半斗土的推进行程，出现异常情况立即反馈。结合盾构进尺，同时在掘进过程中应严格控制出渣量。除此之外，还要坚持对每环渣样进行地质水文分析，发现与开挖断面地质情况不符，应马上采取措施。
4.3 开仓位置地面垂直加固
由于气压开仓换刀风险较高，掌子面是否稳固直接关系到施工作业人员的安全。拟对盾构换刀位置掌子面土体进行地面垂直加固，鉴于要求是大深度范围和大直径桩体的加固，且在地面施工对周边环境污染控制要求高的情况下，综合考虑提出采用三排MJS工法+泥浆分离设备进行加固，由于MJS工法有专用排泥管集中处理泥浆，对周边环境影响极小，不存在泥浆翻浆等现象。
换刀区加固位置选定左线1007环、950环，右线1035环、995环，成桩直径为2.4m，桩中心间距为2m，总根数52根，梅花型布置，采用4-5-4梅花型进行布置。换刀区加固范围由隧道上方2m至岩面下50cm，加固高度3.34～6.33m。
本工程MJS工法采用40%的水泥掺量，水灰比采用1：1，水泥浆压力38-40MPa，空气压力为0.7-1.05MPa，削孔水压力为10-30MPa，提升速度为40min/m。采用水泥浆液进行回填钻孔除喷射浆液剩余部分的空间，每孔回填量计算值约为0.98方。
图7 MJS加固横剖面图
4.4 带压开仓换刀
上软下硬地层中盾构换刀为保证掌子面上部粉砂土层的稳定性，采用带压方式进行。利用空气压缩机将空气加压至仓内，用气体压力来平衡掌子面的土体压力和水压力。为换刀人员提供安全的作业空间。
准备：加压前采取制作泥膜的方法进行开挖掌子面的稳固和保气措施，通过加压和保压，十泥浆逐渐渗透入掌子面，嵌入到土体颗粒间的间隙，形成一层可支撑稳固掌子面土体的“泥膜”。
升压：缓慢地升高主仓的压力，达到预设的工作压力2.0bar（根据土压理论分析计算可得）；加压过程中，加压速度应控制在0.05bar/min～0.1bar/min，在第一分钟内不应超过0.1bar的压力。注意：一旦有人耳朵感觉不适，应停止加压，直到不适症状消失再继续加压。如果再次感觉不适，就必须停止加压，将不适人员减压出仓，由候补压气作业人员代替。换刀人员必须由经过体检合格且取得地铁带压作业培训合格证书的人员担任。
保压：当加压至预定气压后，人闸值班员应当调节进、出气流量，待气压稳定后通知人闸内压气作业人员打开人仓与土仓之间的平衡阀，打开平衡阀后，如出现压力波动，人闸值班员应及时进行调节，保持压力稳定，并保持足够的新鲜空气进入。建立主仓进出气平衡，气压稳定在预设压力值（+0.1bar）。
减压：由于本次预定人仓内压力为2.0bar，所以规定每班带压工作时间不超过3h，减压时间一般为1-2h，人员从进仓作业至出仓历时不超过5h。
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图8 刀盘结构图布置 图9 人仓内压力显示
表1 刀盘相关参数数据
5 结论
根据本标段淮塔东路-和平路站区间内将近240米的上软下硬地层掘进施工，从掘进参数调整、渣土改良及出土量控制、带压换刀及地面加固等四种措施上保证盾构掘进的顺利进行，将安全风险降低到最低、将施工效率提高到最优、将地面沉降控制到最小。
依据地面施工监测结果反馈，盾构在上软下硬地层中掘进时经过地表沉降监测点右线RDBC-42、RDBC-43、RDBC-44、RDBC-45时，盾构机上方引起的地表沉降变化量依次为-0.26、-0.38、-0.19、-0.43，累计变化量依次为-9.48、-6.34、-4.97、-5.10，均满足控制指标+10～-20的范围要求。达到了预期的效果。具有一定的推广意义和借鉴价值。
参考文献：
［1］竺维彬，鞠世健，等.复合地层中盾构施工技术［M］.北京：中国科学技术出版社，2006
［2］邓彬，顾小芳.上软下硬地层盾构施工技术研究［J］.现代隧道技术，2012，4：59-63
［3］王景峰.典型上软下硬地层盾构施工技术［J］.铁道建筑技术，2014，9：21-23