上海隧道工程有限公司上海市200001
摘要：盾构在上软下硬地层中掘进施工时，盾构机姿态控制难度大，容易产生超挖，导致地面沉降过大，而在复合地层上软下硬工况下盾构掘进施工难度更高，除姿态控制难、易超挖外，还会出现刀盘偏磨、螺旋机喷涌、管片上浮等风险。本文以宁波镇海炼化石油管道迁改工程为例，介绍在复合地层上软下硬工况条件下盾构掘进施工相关技术措施。
关键词：复合地层；上软下硬；盾构施工
1工程背景
1.1工程概况
衙前山盾构隧道为单圆单线隧道，隧道全长996.79m（831环）、外径6200mm，内径5500mm，沿途需穿越江南公路、海天公园、石油管廊带、S79省道、衙前山。盾构隧道穿越土层为复合地层，其中前400m主要为软土，软土地层段顶埋深10.2m～24.4m；后600m主要为风化岩，风化岩层段顶埋深17.2m~42.2m。隧道竖曲线为“V”字坡，最大纵坡35‰，平面曲线最小半径为R3000m，采用1台Ф6460mm复合式土压平衡盾构机由2号工作井始发推进至1号工作井接收。
按照地勘资料，区间隧道在330~407环盾构所处断面为上软下硬地层，穿越上软下硬段线型平曲线直线段，竖曲线：330~377环R=2000,378~407环+22‰单坡。
表1区间上软下硬地段地层分段统计表
图1区间上软下硬地层隧道剖面图
1.2周边环境
盾构穿越上软下硬地层段地面为海天公园边高尔夫球场内，球场下方敷设镇海炼化石油管廊带，盾构上软下硬穿越段上方分布有6根石油管线。
图3隧道上软下硬段与石油管线剖面位置关系示意图
1.3水文地质
1）工程地质
盾构穿越上软下硬段主要涉及的地层⑤1粘土、⑤2粉质粘土、⑦2含粘性土碎砾石层、⑨1强风化流纹斑岩、⑨2中风化流纹斑岩、⑩1全风化凝灰岩、⑩2强风化凝灰岩、⑩3中等风化流纹斑岩。
表2软土各土层物理力学性质参数表
2）水文条件
拟建隧道穿过丘陵区、山麓斜地及平原区，根据地下水的含水介质、赋存条件和水力特征，可划分为松散岩类孔隙潜水、孔隙承压水和基岩裂隙水三种类型。
2难点分析
本段隧道全程连续有4段上软下硬地层段（最长31环），该段地层中施工对盾构机掘进及刀具能力是一个极大考验。施工过程中主要存在以下难点：
1）复合地质条件下，软土及硬岩地层特性差异明显，施工要求截然不同。
2）盾构机首穿软硬交界面时，其切削断面上部为⑤号粘土，下部为岩层，刀盘在切削硬岩过程中，刀盘及土仓温度高，容易造成结泥饼现象，出土困难，同时土层特性差异大可能会产生刀具偏磨现象。
3）受下部岩层强度制约，推进速度变慢，上部软土容易造成超挖现象。与此同时，盾构机姿态难以控制，穿越时盾构机有抬头趋势。
4）⑦2、⑨1、⑩1岩层风化严重，裂隙较发育，该段地层背面为高尔夫球场北山，受地面地表水补给可能存在螺旋机喷涌现象。
5）全断面岩层上软下硬地段在岩层裂隙水压力作用下管片容易出现上浮现象。
3针对性措施
针对以上难点，施工过程中通过采取如下措施解决：
1）地层研判
在实际推进过程中，项目部对渣土取样中发现320环推进渣土中已出现碎砾石块，块径在5~6cm，通过与地勘资料对比与⑦2层含粘性土碎砾石层（灰、灰黄、灰褐、灰紫等杂色，碎砾石粒径0.5~10.0cm，大者达20.0cm以上，多呈棱角状，强风化状，含量50~70%不等。）描述基本一致，在后续推进过程中观察出土情况发现均夹杂有碎砾石块，因此可研判隧道切口已进入到上软下硬地层段，便于及时调整盾构施工参数，采用应对措施。
2）土体改良
在320环之前的⑤号软土层盾构推进过程中，一直有向刀盘正面加注泡沫剂进行土体改良，进入软硬交界面后，刀盘扭矩居高不下，考虑增大泡沫剂的使用量，并配合正面注水，以改善土体的流动性和土仓的温度，防止刀盘结泥饼，并降低土仓温度有利于减少刀具磨损和偏磨。泡沫剂的使用量基本在100L/环左右（配比为20:1），配合正面注水使用。
3）盾构推进参数调整
盾构机刀盘始发前已配置安装有48把滚刀（包含8把中心滚刀），进入软硬交界面，滚刀切削岩层，正面阻力增大，刀盘扭矩也随之增大。刀盘扭矩在330环位置最高达到4650kN.m（额定扭矩的85％），329~346环一直保持在4000kN.m左右，长时间高功率负荷刀盘电机存在有烧毁的隐患，且会加速刀盘刀具的磨损。项目部考虑从降低刀盘扭矩着手，通过对推进过程中出土情况的观察，并结合推力、扭矩、速度、土压，以及渣土中石块的比例和大小，判断硬岩的比例，及时调整掘进参数，控制出土量。主要施工参数控制情况如下：
（1）土压力控制由软土段的土压平衡模式开始调整为半敞开模式，土压力设定由3.5bar减小至1.8bar左右。
（2）降低推进速度控制在20mm/min以内，推进推力1000T以内。
（3）提高刀盘转速，减小贯入度来达到降低刀盘扭矩的效果（本盾构机刀盘转速可在0.3～3.05rpm的范围内进行调节）。
（4）通过摸索每环外运渣土土箱数量、并结合地表沉降数据，确保出土量可控，有效避免超挖。
（5）停用下半圈5点钟、7点钟方位千斤顶，控制盾构机抬头趋势，确保姿态可控。
4）螺旋机喷涌治理
在上软下硬地段推进过程中，遇地下水丰富情况下，加上刀盘正面泡沫剂的使用，土仓内存在的气压作用下，螺旋机在起推过程中会出现有喷涌现象。
为减少螺旋机喷涌量，在富水地段关闭刀盘正面注水系统，通过地下水补给仓内出渣、降温用水。
适当建立仓内土压力，寻找平衡点，在扭矩、推力允许范围内，尽量让出渣自加工小方量土箱放置于螺旋机出土口下方，推进过程中用于接存喷涌泥浆，便于隧道清理。
4）管片上浮控制
在地下水丰富地段为确保浆液及时填充间隙并考虑一部分浆液量在水头作用下的损失，加大管片同步注浆量，由原来的3.5m3/环提高至4.0m3/环，部分环数注浆量提高至4.5m3/环。同时通过对每环出土量的统计，在出土量超方的情况下也及时提高该环的注浆量。
当管片上浮趋势增大时，主要采取措施如下：
（1）同步注浆液质量控制，该区段做到每环浆液进场都进行塌落度检测（12~16cm），保障浆液质量。
（2）同步浆液中加入水泥，减短浆液凝固时间。
（3）每隔两环压注在隧道顶部管片注浆孔内压注双液浆（水泥用量4包，约0.25m3），346~356环压注单液浆（6包）。
（4）隧道内车架上增加压铁来增加盾构机自重，减缓管片上浮趋势。
4实施效果
通过对穿越地层的研判以及在推进参数上的及时调整，有效保障了本次盾构顺利穿越上软下硬地层段。本条隧道采用的复合盾构机设备为全新机器，且刀盘的布置、螺旋机运输能力、化学剂注入设计等对该地层的适应性较好。
上软下硬地层段管片成型质量、隧道上浮、地面沉降都得到了较好的控制，管片基本无碎裂，地面沉降最大质为-6.01mm。
1）成型隧道：成型隧道管片与设计轴线偏差：管平、管高均在±30mm以内。
图6上软下硬地段地表累计沉降量统计
5结语
通过对本工程复合地层上软下硬工况下盾构施工情况的总结，为今后类似工况下盾构施工提供一定的借鉴参考价值。
1）地勘资料是保障盾构顺利掘进的最基础要素，本次盾构穿越上软下硬段与地勘资料基本吻和，进入里程稍微有出入。今后在复杂地层施工中，首要是搞清楚地质情况，必要时可进行补堪作业，进一步查清岩层的分布、特性以及水文条件，便于及时调整盾构施工参数，采取相关应对措施。
2）盾构在上软下硬地层推进过程中出现扭矩突然增大，推进油缸推力又极不均衡，姿态难以控制，必须减小油缸推力，降低推进速度，必要时停用局部千斤顶。
3）上软下硬地段易出现超挖现象，一旦发现有超挖，对本环的同步注浆量一定要增加补足，必要时及时进行二次注浆。
4）为确保出渣顺畅，必须加大泡沫剂的使用量，以改善渣土的流动性和土仓的温度，降低土仓温度也有利于减少刀具磨损和偏磨。
5）通过调节注浆量、上下注浆比例、跟踪环箍注浆、放置压铁等一系列措施有效控制成型隧道上浮量。
参考文献：
[1]乔凤龙复合式土压平衡盾构机通过软弱地层施工技术.铁道建筑.2012
[2]竺维彬鞠世健广州复合地层与盾构施工技术.大直径隧道与城市轨道交通工程技术—2005上海国际隧道工程研讨会文集.2005
[3]杨书江盾构在硬岩及软硬不均地层施工技术研究.上海交通大学.2006
[4]刘建国深圳地铁软硬不均复杂地层盾构施工对策.现代隧道技术.2010