论复杂地层的盾构施工技术

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　　摘    要：盾构施工作业均在地下进行，噪音、振动引起的公害小，既不影响地面交通，又不对附近居民造成影响。其推进、出土、拼装衬砌循环进行，易于管理，人员较少，劳动强度低，生产效率高，因其绿色环保的特点成为地下工程优先考虑的施工方法。盾构法虽然是一种安全高效的施工方法，但也不是万能的施工方法。如遇曲线半径过小、地表沉陷、复杂地层时得慎重对待。本文针对复杂地层的盾构施工技术和难点进行分析。
　　关键词：复杂地层;盾构施工
　　1  引言
　　盾构是指利用盾构机进行隧道开挖、衬砌等作业的施工方法。盾构施工过程中，要在施工前做好地质勘查工作、掌握工程地质条件、合理控制掘进参数，进而保障工程质量。
　　2  复杂地层盾构掘进面临的问题
　　复杂地层由于工作面地层岩石力学指标及地质特征差异大，盾构掘进过程中容易出现掌子面坍塌、土压盾构喷涌、泥水盾构环流异常、超量出碴、地表沉降超限、刀盘结泥饼、刀具偏磨损坏和盾构姿态难以控制等问题，出现上述问题的原因，主要如下。
　　2.1  复杂地层中工作面平衡难以建立
　　盾构施工的核心之一就是要建立和维持工作面的水土压力平衡，从而达到减少地层扰动、控制沉降和保护环境的目的。在软土地层中，盾构可以建立起理想的水土压力平衡模式;在复杂地层中，掌子面上部需要平衡水土压力，下部仅需要平衡水压力。若仅考虑掌子面上部平衡，则下部可能出现超压;若仅考虑掌子面下部平衡，则掌子面上部会出现欠压。
　　掌子面超压在富含黏、粉粒地层中极易出现结泥饼、糊刀盘和刀具异常磨损现象;掌子面欠压则会发生上部软弱地层坍塌、超量出碴和沉降超限等异常情况。
　　2.2  軟硬不均地层中盾构工作状态不佳
　　盾构在软硬不均地层掘进时，刀盘受力复杂，刀具在掌子面上、下部位贯入度相差很大。刀盘旋转过程中刀具接触岩土分界面产生的撞击易造成刀圈崩刃、开裂和脱落，刀体损坏。
　　2.3  复杂地层中滚刀容易过载
　　复杂地层中盾构总推力克服盾壳摩擦力、土舱堆碴反力和后配套拖车牵引反力后，剩余的净推力全部作用在接触掌子面硬岩的部分滚刀上面，推力控制稍有不慎，即可造成滚刀过载损坏，引起刀具损坏的多米诺骨牌效应。
　　2.4  复杂地层中碴土改良难度大
　　复杂地层中掌子面围岩物理力学性状差异大，从松散、流塑、软塑到坚硬石同时存在。一方面碴土改良的客观难度增加，另一方面掌子面水土平衡对碴土改良的要求更高。
　　3  复杂地质条件中的盾构隧道施工技术
　　3.1  土压式平衡盾构机施工技术要点
　　（1）模式的选择。土压式平衡盾构机有三种模式，包括敞开式、半敞开式和土压平衡模式。在对掘进模式进行选择时，我们应该根据地层的不同条件特征来选择。通常情况下，对全断面岩层掘进时，我们可选择敞开式掘进模式，并使用泡沫剂对渣土进行改良;而对于存在软弱层的复杂地层，则可选择土压平衡模式，并采用泡沫和适量的膨润土对渣土进行改良。采用此种模式时，土仓的压力不用过于频繁调节，只要保证土仓压力略高于掌子面的土压和水压力和即可;对于处理砂卵石或者上软下硬的土层，由于土层比较复杂，则同样需要采用土压平衡模式来掘进，因为在这种复杂土层掘进时控制土仓压力较难，所以掘进时必须认真对待每个环节。
　　（2）掘进参数的确定。采用土压式平衡盾构机施工之前，我们应该根据施工现场的不同地质特点和隧道的埋置深度来确定其掘进的主要参数。其中包括对盾构姿态、推力、扭矩、掘进速度以及刀盘转速等参数的确定，同时还需要根据掘进试验段的监测情况，对施工现场的参数进行随时调整。由于采用的是土压平衡模式，所以需要通过螺旋机的旋转出土来维持动态平衡，所以在实际施工过程中，我们还需要对螺旋机的转速和压力进行有效控制。
　　（3）盾构机姿态的控制。在复杂地层掘进时，对于盾构机姿态的控制尤其重要，特别是在硬岩地层和土层条件变化较大的地段，对盾构机的姿态纠正难度较大。如果采用调整千斤顶推力来纠正姿态，往往很难达到理想的效果，而且会使刀具的磨损加大，甚至会出现盾构机被卡或者管片错台的严重后果。所以在这类地层中掘进时，应该严格遵守长距离、慢纠偏的原则，避免用力过猛，造成掘进困难。
　　3.2  盾构穿越施工技术
　　在加固完成后，接下来需要进行盾构穿越施工。盾构穿越施工需要考虑到施工工艺选择，要结合现场的具体情况，从而保证施工工艺起到较好的施工效果。盾构穿越过程中，根据模拟段进行参数设置，以保证土仓压力值符合施工需要。在对盾构压力控制时，其波动应在0kPa～15kPa之间，并根据土压传感器传回的数据信息，对千斤顶的推进速度进行考虑，一般来说，千斤顶的推进速度宜控制在3cm/min，每天推进的环数在5～9环，从而保证注浆速度、推进速度与施工进度具有较好的协调性。在同步注浆过程中，可采取硬性浆液，并且注浆的压力要进行有效控制。盾构施工过程中，盾构姿态控制的角度变化不要太大，偏差量控制在10mm范围内，坡度变化不应超过1‰，进而有效地减少地表沉降现象发生。在盾构穿越既有铁路施工时，要注重对刀盘进行有效地润滑，并且在盾尾5环的时候，进行二次注浆处理，有效降低地表变形量。
　　3.3  始发掘进技术要点
　　（1）盾构始发掘进时的总推力应控制在反力架承受能力之内，同时确保在此推力下刀具切入地层所产生的扭矩小于始发基座提供的反扭矩。
　　 （2）在盾构推进、建立土压过程中应注意对洞门密封，始发基座、反力架及反力架支撑的变形，渣土状态等情况必须认真观察，发现异常时，应适当降低土压力（或泥水压力）、减小推力、控制推进速度。
　　 （3）由于始发基座轨道与管片有一定的空隙，为了避免负环管片全部推出盾尾后下沉，可在始发基座导轨上焊接外径与理论间隙相当的圆钢，将负环管片托起。
　　 （4）在盾构内拼装好整环管片后，利用盾构推进油缸将负环管片缓慢推出盾尾，直至与负钢环接触，并用管片螺栓连接固定。负环管片的最终位置要以推进油缸的行程进行控制，将第1环负环管片与负钢环之间的空隙用早强砂浆或钢板填满，确保推进油缸的推力能较好地传递至反力架上。第2环负环管片及以后管片将按照正常的安装方式进行安装。
　　 （5）随着负环管片的拼装，应不断用准备好的木楔填塞负环管片与始发基座轨道及三角支撑之间的间隙，待洞门围护结构完全拆除后，盾构应快速地通过洞门进行始发掘进施工。
　　4  结语
　　盾构施工方法以其安全可靠、地层适应性好、施工影响小、机械化程度高、掘进速度快、土方外运量少、穿越河道时不影响航运、施工不受风雪雨等气候条件影响的诸多优点，在工程领域得到广泛应用。但针对各种复杂条件，应因地制宜，及时调整施工措施，使盾构机保持良好状态，从而保障掘进过程的安全平稳进行以及设备的经济有效使用。
　　参考文献：
　　[1] 柳成铭.砂卵石地层土压平衡盾构掘进技术浅谈[J].甘肃科技，2016（2）：82～84.
　　[2] 黄恒儒.盾构穿越花岗岩球状风化孤石群的施工关键技术[J].隧道建设，2015（8）：834～840.
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