漆亚军
（中铁二十五局集团有限公司 广州）
摘要：上软下硬顶部中粗砂地层为特殊的不良地质地层，既有软岩地层的不稳定性，又具有硬岩的高强度，掘进时扰动大，加之顶部又有中粗砂层，其含水量丰富，渗透性好，受扰动时易液化，易发生塌方喷涌现象，地面沉降难以控制，因此在这类地层中盾构施工比较困难。本文通过广州地铁十八号线某某盾构区间盾构施工，总结土压平衡盾构机在上软下硬顶部中粗砂地层掘进中的技术经验，为之后类似工程提供参考。
关键词：上软下硬地层；土压平衡盾构 ；渣土改良；
正文
1 工程概况
1.1项目概况
广州地铁十八号线某某区间盾构隧道全长2749m，区间覆土最小埋深14m，最大36.43m，穿越鱼飞变电站 、广深港高铁 、南二环 、南沙港快速、雕塑厂房及简东街居民区等控制性建构筑物，下穿南沙大道上软下硬顶部中粗砂层839m，下穿广深港高铁右线距高铁桥墩仅5.4m。本区间沿道路两侧地下管网众多、长距离平行下穿南沙大道，穿越南二环、南沙港快速、广深港高铁等市政高铁网络，道路交通繁忙，路面车辆和人流量多，社会影响大，对施工车辆机械和社会车辆出行有较大的影响，对路面和地面沉降控制要求较高。
1.2地质水文情况
1.2.1 地质情况
该区间隧道洞身主要穿越<2-4>粉质粘土、<N-3>硬朔状粉质黏土、<5H-2>硬朔状砂质黏性土、<6>全风化质粉砂、<7>强风化泥质粉砂岩、<8-2>中风化粉砂质泥岩、<8-3>中风化泥质粉砂岩等。
1.2.2 水文情况
（1）地表水
线路下穿简沥涌、一些鱼塘。穿越河涌段水深约2-3m，宽15-20m，有涨退潮现象，径流量与降水变化亦有关联。
（2）地下水
根据穿越高铁段地质勘探情况揭示：初见水位2.10～2.60m，稳定水位2.70～3.30m，水位年变化幅度为1～1.5m。地下水按赋存方式分为：第四系松散土层孔隙水和基岩裂隙水（层状基岩裂隙水、块状基岩裂隙水、构造裂隙水），第四系含水层与基岩含水层有一定水力联系。
2 地质条件相关性分析
该区间淤泥下分布有砂层，局部隧道穿过深厚淤泥层，区间隧道施工开挖过程中，如果施工时止水不好，会导致淤泥质土失水引起地面沉降。区间残积土及其全、强风化带较多，天然状态下物理力学性质较好，但土水理性质差，有遇水易软化、花岗岩残积土及土状风化岩遇水软化及膨胀造成土涌和碎块状风化岩受到扰动易坍塌的风险，在线路方向存在围岩变化差异大，大部分地段均有出现隧道范围内岩土层全断面硬岩、上下左右软硬不均的工程特性，容易造成差异变形和不均匀沉降问题，盾构施工中会对轴线控制产生不利影响，盾构姿态难以控制。
3 上软下硬顶部中粗砂层盾构掘进
3.1 上软下硬顶部中粗砂地层盾构掘进的难点和风险
上软下硬地层为特殊的不良地质，一般为上半断面为全、强风化岩层，而下半断面却为中风化或微风化岩层。本文所述区间洞身地层顶部为中粗砂层，之后是<7-2>强风化泥质粉砂岩和<8-2><8-3>中微风化泥质粉砂岩，底部为<9>泥岩、粉砂岩微风化带，为典型的上软下硬地层。上软下硬地层既有软岩地层的不稳定性，又具有硬岩的高强度，而本区间顶部又有中粗砂层，其含水量丰富，渗透性好，受扰动时易液化，因此在此类地层中掘进比较困难，主要表现在以下几个方面：
（1）盾构机姿态难以控制
在盾构机推进过程中，上部软地层较易被切削进入密封土仓，而下部较硬岩体不易破碎，导致盾构机的姿态不易被控制。
（2）刀具损坏严重且更换困难
由于隧道断面下部坚硬的岩石强度很高，有的高达70MPa以上，刀具完全不能适应，整盘刀在很短时间内就可能损坏殆尽，需要频繁换刀。而开挖面上半部为全、强风化泥质粉砂岩和中粗砂层，自稳性极差，遇水软化易崩解，甚至泥化成流塑状，或发生喷涌，会给换刀带来极大的困难。
（3）地面沉降难以控制，易造成地面塌方、建筑物开裂损坏
一方面，由于刀具和软硬不均的岩面作周期性碰撞，刀盘振动很大，且掘进速度非常慢，对地层的扰动比较大；另一方面，上部软弱地层稳定性差，掘进时不可避免的会造成砂层失水，易喷涌易坍塌，控制不好易造成地面塌方、建构筑物开裂。
（4）盾构机易被卡住
在上软下硬地层中进行盾构掘进，边缘滚刀及扩挖刀极易被损坏，造成开挖直径缩小，导致盾构机卡壳的现象发生。
3.2 上软下硬顶部中粗砂地层盾构掘进
3.2.1 分析盾构掘进施工范围内地层情况
一般情况，地质勘察时地质钻孔间距较大，不能充分说明地质情况，特别是对一个地方地质情况分析时，不能只看隧道纵向地层和走势，还应通过横断面地层情况，立体分析盾构掘进范围内具体情况，具体明确以下几点：
（1）软硬不均地段的硬岩分布位置和占盾构开挖面积的比例；
（2）硬岩侵入隧道的高度和走势；
（3）硬岩的强度、整体性，风化状况和裂隙发育情况；
（4）是否有孤石或硬质杂体存在；
（5）软硬不均地段上方覆土类别，软土分布位置和占盾构开挖面比。
3.2.2 盾构掘进及参数设置
（1）刀盘及刀具配置
在此类特殊地层地段掘进，刀盘形式必须要满足同时能掘进硬岩软岩、砂土等的需要，在掘进时既要保证硬岩能够切削软岩也能切削，同时切削下来的岩块和软岩都能顺利进入土仓。我项目在刀盘和刀具配置中，选择适当的开口形状，适当加大开口率，刀盘采用面板形，周边圆弧过渡，滚刀均匀布置。这样有利于布置了滚刀后的刀盘结构强度，能承受大的荷载，同时软硬岩不均地段发生塌方时可起到支撑作用。
在软硬不均地层掘进，应在软岩部位安装齿刀、切刀，与刀盘角度在57度左右合适。为适应强、微风化泥质粉砂岩掘进，安装了刃的前角和后角，并适当减小了其角度。由于有些断面全强风化泥质粉砂岩占比较大，切削下来的渣土有一定黏性，为防止掘进时形成泥饼，在滚刀部位中也安装了适当数量的齿刀和切刀。
（2）掘进参数选择
①推力
盾构穿越上软下硬顶部中粗砂地层，推力是主要参数，推力越大扭矩越大，而扭矩占破碎功的绝大部分，推力越大，齿刀、切刀入岩越深，切削的渣土也越多。但是，在这类地层掘进，刀盘和刀具是受力不均的，硬岩部位受力较多，也正是硬岩阻碍了掘进速度，如果推力过大，就会使部分刀具提前破坏，甚至刀座变形。
根据实际情况，最大推力按下式计算：
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式中 m-------硬岩范围内的滚刀数量；
T------每把滚刀能承受的最大力。
在盾构经过这种特殊地层前，务必开仓检查刀具，使用承受压力更大的刀具，如合金刀等，更换磨损超过10mm的刀具，以较大推力通过该地层。
②转速
在软硬不均地段掘进，硬岩阻碍刀盘旋转，刀具承受较大扭矩和冲击荷载。根据能量公式：
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在刀盘质量m一定的情况下，转速越快，则和硬岩撞击后的冲击能越大。因此在上软下硬不良地层掘进，刀盘转速不能快，要慢慢匀速向前推进，根据经验，以1.2~1.6 r/min为宜。
③渣土控制
上软下硬地层宜采用气压平衡模式掘进，保持泡沫系统工作状况良好，使渣土具有良好的流塑性，并向土仓内添加纳基高粘膨润土来改良渣土，防止发生喷涌。给刀盘降温时，不能直接加水，应加入稀的膨润土泥浆。实践证明，在此类特殊地质条件下掘进中，做好渣土改良显得尤为重要。
④盾构操作
在不良地质条件下掘进选择经验丰富的盾构司机很重要，其次是土木工程师结合以前的施工经验，通过机械和施工人员进行研究，使盾构机推进速度、刀盘转速、推力、土仓压力、渣土改良外加剂的添加、同步注浆等重要参数得到完美的结合，使盾构机安全、稳定的通过不能地质段。
4 总结
在不良地质条件下掘进，尤其是上软下硬顶部又是中粗砂地层，前期务必先加强地质补勘，摸清地层特性及岩层分界，对周边建构筑物详细调查，安全评估，每个建构筑物都制定应对方案和措施。其次，选择良好的组织配置，关键岗位重点加强，上下协调统一，掘进时在参数不在正常范围内时要立即分析原因，不可盲目冒险推进。在开仓检查刀具或更换刀具时，应根据刀具更换计划在换刀地段提前预加固，预加固地点选择宁可提前但不能滞后。
参考文献
1.陈克济，地铁工程施工技术，北京：中国铁道出版社，2014.6
作者简介 漆亚军、男、1993.03、三峡大学土木工程专业毕业，工学学士，现从事工程项目施工管理，工程师。