赵夫强
广东华隧建设集团股份有限公司 广东广州510800
摘要：以沿海复合地层泥水盾构施工为主要条件，分析泥水盾构施工的适应性条件。在实际施工过程中，不同地层条件下盾构掘进施工面临问题也存在差异，在具体研究当中，得到了在不同地层条件下盾构掘进施工中存在的问题，如掘进速度慢、道具磨损严重等，通过分析，阐述沿海复合地层泥水盾构施工的适应性。
关键词：复合地层；泥水；盾构施工；适应性
在现有资料当中，如果施工场地为软土地层，则可以选择水泥平衡盾构掘进，这种盾构方式施工速度快；如果遇到软硬不均地层的掘进，则需要优化对边刀具，并且适当调整刮刀和滚刀之间的高差；如果遇到全断面硬岩地层，这种地层掘进速度慢，刀具磨损严重，如果在断层破碎地段施工，必须加强刀盘驱动系统与推进系统的性能，保证最大承受荷载，根据地层变化来优化各项参数，维持施工。
1.盾构施工技术
盾构法施工具有多种优势，不会对交通造成影响，能够在软弱地层施工，适应性非常强，地表沉降控制方便、施工中不易产生噪音，甚至还可以避免对道路两边管线造成的干扰。但是盾构法施工整体工艺含量比较高，具体施工步骤是：①在施工隧道起始段、终末段建设工作井，被称作始发井、到达井。接下来将盾构机在起始段进行拼装，之后对洞口地层加固。②依靠盾构的千斤顶推力，从起始段开始将工作井的墙壁朝着开口处推出。③盾构在地层中根据设计轴线进行推进，在推进过程中不断出土、安装砌管片。施工过程中朝着衬砌背后的空隙注浆，避免地层移动，也可以固定砌环位置。④盾构施工进入到终端阶段，之后将工作井拆除，该工序为盾构进洞。如果施工有需要，则穿越工作井、盾构过站向前推进[1]。
2.工程概述
2.1 工程案例
某市项目工程正在建设，建设过程中第一期工程共计区间18个，因为施工环境对施工造成的限制，其中14个区域内都需要使用盾构法进行施工。这期工程总长度为22.8KM，其中约有16.2KM长度需要采用盾构施工，编制施工方案设计，确定施工周期为30个月。项目人员通过对施工区域进行勘察与分析，施工区域地层条件比较复杂，其中有人工填土、粉质沙土粘土、卵石与强风化泥质粉砂岩等，部分地位为上软下硬地质层，这一类地层还存在各种溶洞尚未探明。预计盾构埋深在6m~20m之间。整个项目工程施工难度很大，地质条件限制了施工的顺利开展。在具体施工过程中部分地段上软下硬的复杂地质，需要使用切换土压模式来掘进施工。
2.2施工重点难点
泥水盾构施工穿越长度较长，其中多人工填土、粉质沙土与粘土，在掘进过程中对刀具要求比较高。如果在掘进过程中遇到大块砂岩，盾构掘进参数控制难度也会随之增加，砂岩会严重磨损水循环系统，对盾构本身的刀盘、刀具造成严重磨损。其次，盾构施工在软硬不均匀的地层掘进姿势很难控制。其三，在全断面硬岩层中，盾构存在刀具磨损和变形的风险。其四，施工使用泥水平衡盾构施工，遭遇透水断层破碎地带的时候泥膜很难成型，掌子面和顶部块石脱落、出现塌方等事故，导致掘进施工的难度增加。
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图1 全断面硬岩地层导致的刀具磨损
2.3盾构设备的选择
根据本次项目工程地质条件具体情况，实际地质存在上软下硬地层的实际情况，根据各方面考虑确定采用泥水、土压平衡双模盾构机施工，施工主要选择泥水土压平衡模式，土压平衡模式辅助完成。盾构开挖廓径为10.968m，刀盘的开口率为31%，根据设计进入到切削腔内的石块粒径不允许超过0.5m。在掘进过程中如果存在粒径超过0.5m的石块，则可以通过刀具或者是刀盘再次进行切割、压碎，之后再次送人到泥浆舱内。盾构机掘进过程中，进浆流量为1400 m3/ h，排浆量为1182m3/ h，送泥浆管道的直径为406.4mm，内径为385mm，排泥浆管道的直径为380mm，内径为375mm，进浆的密度为1.08t/ m3，排浆的密度为1.22t/ m3。
2.4施工问题
在盾构掘进过程中，出现的最常见问题是：①刀盘到刀具适应性差，比如边刀的刀间距比较大，掘进出现严重的磨损；滚刀与刮刀之间存在较大高差，破岩的时候刮刀参与其中[2]。②刀盘设计不合理，会导致施工过程中出现磨损；③刀盘冲刷系统设计不够合理，在泥岩地层中的掘进会出现刀盘结泥饼的现象。针对这些问题，在具体施工过程中 应该采取合理措施进行控制。
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图2 刀盘磨损
3.沿海复合地层泥水盾构施工适应性的探析?
3.1 软土地层
软土地层中盾构施工设备能够稳定正常运行，刀具、主轴承、驱动系统等各项设备、系统都能够正常工作，施工顺利，尤其是在浅层覆土地段，设置合理的施工参数就可以顺利完成施工。在软土地层的施工中的，各项参数低于设备设置参数，能够实现快速掘进、刀盘刀具磨损小的施工。泥水环流顺畅、出渣稳定。在这个过程中很少使用破碎机，施工现场掌子面泥膜成型较好，有利于施工稳定。
3.2软硬不均地层
从软土层施工来看，盾构进入软硬不均地层之后施工难度增加。本次施工中软硬不均地层主要是上软下硬地层，加上都是粉质粘土、黏附性比较强。而且在施工中需要考虑具体埋深，对掘进施工极为不利。在软硬不均地层的施工很容易受到掘进方向的影响，沿着设计方向施工，姿势控制难度增加。在施工的时候刀盘、主轴承、驱动系统、环流系统等均处于满负荷工作状态，掘进施工时间长，对设备危害较大。同时还表现在刀具切削和破岩比较困难，因为基岩具备良好的抗压强度，在施工中必须使用滚刀切割，粉质粘土本身无法提供摩擦扭矩，进而导致刀具偏磨。软硬不均地层掘进速度非常慢，大部分岩石均可以被破碎，但是少部分岩石没有破碎，很容易堵塞进浆管路和破碎机。软硬不均地层掘进可以实现常压下滚刀与齿刀之间的更换，从而提高换刀效率、降低换刀风险[3]。
3.3全断面硬岩地层施工
进入全断面硬岩地层，刀盘、轴承、驱动系统等均可以正常工作，但是施工人员需要重视对其的保养和维护。掘进距离边长，保养与维护时间都需要增加，同时也需要多次更换配件。这个过程掘进速度较慢，但是能够正常施工。
3.4断层破碎带
施工比较慢，而且需要很多时间更换刀具。进入破碎断层之后，掘进时泥水平衡机理发生变化，岩石被破坏，泥膜很难形成，掌子面很容易脱落、掉快，盾构系统处于极限工作状态，运行参数接近或者是超过设计数值，而且设备常常发生故障，速度缓慢。
结束语：
在当前，大直径泥水盾构已经广泛运用在项目工程当中，但是在具体施工过程中，由于施工项目场地、项目需求之间存在差异，如何选择盾构施工方式非常重要。
参考文献：
[1] 王焰. 沿海复合地层泥水盾构施工适应性分析[J]. 铁道建筑, 2019, 059(007):65-68,92.
[2] 吴言坤、周诗涵、陈健、黄星凯、闵凡路. 武汉地铁8号线越江泥水盾构土岩复合地层刀具磨损分析[J]. 隧道与地下工程灾害防治, 2020, v.2;No.7(03):34-39.
[3] 方晓填, 童华炜, 袁杰,等. 砂土-灰岩地层泥水平衡盾构机泥水舱压力及总推力计算模型[J]. 科学技术与工程, 2019, 019(012):288-297.