盾构穿越硬岩及上软下硬地层扰动机理研究

徐兴芃

摘要：中电建路桥集团有限公司第一次承揽的福建省第一座具有代表性的城市电力管廊工程，是为了合理的解决福州市区用户用电的民生大计，开展电力管廊系统能够从根本上改变电力管线占据公共资源等问题。然而在电力管廊线路修建的过程中，受到施工条件、安全情况以及周边环境等因素的影响，不能采取明挖法施工。因此可以结合当地环境采取合理的挖掘措施，在具体的施工过程中，盾构法被广泛应用到施工项目当中。通过盾构法施工，不仅不会影响地面交通，也能够减少对周围居住人员的噪音和震动影响。本文将结合修筑的福建省第一座大型电力管廊工程的相关经验对盾构穿越上软下硬地层施工关键技术进行有效分析，并提出合理的优化策略，为相关施工团队提供可借鉴的经验。

关键词：盾构穿越上转向硬地层施工关键技术；有限单元法；有限差分法；边界圆法

在修建电力管廊的过程中，盾构法隧道修建技术逐步得到了广泛应用。但盾构法在实施的过程中仅适用于均匀统一的软土，软岩地层和砂层等。对于其他性质的地质层的使用存在着很大的问题，在应对上软下硬地层的过程中，坚硬岩层在隧道挖掘过程中，主要表现出下半部分的土质状态，下半部分硬岩自稳性较好，而上半部分软岩自稳性较差，软硬不均衡的现象使得盾构法在施工的过程中存在极大的困难，通过修建该大型电力管廊工程的相关经验可以了解到，土质的问题不仅不利于盾构法的应用，同时也为电力管廊的构建造成了一定的影响，而为了突破这种现象，本文将提出合理策略，提高管廊挖掘效率，降低施工成本，促进盾构技术水平的进一步提升。

一、上软下硬地层的特点

上软下硬地层主要是指盾构法进行挖掘的过程中，上半部分或者大半部分都处于花岗岩混合岩、全风化层以及残积土层或者砂层当中，而下半部分则处于花岗岩、混合岩、灰岩以及含砾砂岩等岩层当中，由于硬岩地层和软弱地层的地质特性不一样。在进行盾构法挖掘的过程中，无法结合两种地质的特性开展针对性的挖掘工作，从而影响了施工工作的顺利实施。在上软下硬地层当中，软弱层主要是花岗岩、混合岩的风化层，或者是砂层、淤泥层以及粘土层，其构成的成分较为复杂，而主要表现出两种特性：第一，软弱层的成分构造不均匀，土层的强度不一致。风化层残积层在遇到水质后极易产生溶解和软化现象，这就导致土层的强度降低，为挖掘工作带来了一定的阻碍。第二，风化层和残积层颗粒具有较为鲜明的特点，存在两头大，中间小的特性。由于地层颗粒主要有大于0.5mm的粗颗粒和小于0.075的细颗粒组成，而这些颗粒以长石、石英石等颗粒类型为主，处于0.075-0.5毫米之间的颗粒成分较小，因此针对这种特性利用盾构法挖掘的过程中，一旦水压过大，就会导致管涌和流土现象发生，不仅会为施工进度造成一定的影响，也会危及施工人员的安全。因此，在开展盾构法施工的过程中需要引起相关部门的高度重视，采取合理的施工手段，从而降低不必要的施工现象发生。

二、盾构穿越上软下硬地层施工难点

2.1地表建筑物存在风险

地表建筑物通常是砖混结构，一旦底层发生巨大波动，那么就会使建筑物的基础和结构产生破坏，进而导致建筑物出现沉降或开裂问题。而盾构法在对上软下硬地层进行施工的过程中，首先，应当结合建筑物的特性考虑建筑物的安全风险。通过充分了解建筑物的主要结构形式和桩基的承载能力，从而选择合适的施工方法来降低施工过程中对建筑物产生的风险。比如，在盾构机进行挖掘的过程中，应当预先埋好注浆管，并结合建筑物的沉降变化来进行跟踪注浆。通过这种方式控制建筑物的沉降程度，降低盾构法施工对建筑物产生的沉降风险。

2.2利用盾构法进行挖掘的过程中，挖掘进程缓慢，极易产生方向偏偏

结合本电力管廊工程过程中盾构法的使用现状可以了解到，盾构机在应对不同硬度的土层过程中，挖掘速度也不尽相同。在上软下硬的地层当中，盾构机的挖掘速度完全取决于下层岩石的硬度，但总的来说，盾构机的挖掘速度相对于其他机械来说较为缓慢。比如在单轴抗压强度为130Mpa的岩石层中。盾构机的挖掘速度大约是每分钟7mm左右。这种挖掘速度相对缓慢，而且由于盾构机在挖掘的过程中存在头重脚轻的问题。因此，仅仅依靠软土层中的摩擦力和自身的推动力是很难维持盾构姿势的。原始状态经常会出现低头的倾向。因此为了保障盾构姿势不变，稳步开展挖掘工作，可通过加大盾构下步的推动力来保障挖掘机在施工中的状态，但由于土质在挖掘的过程中不尽相同，因此在对上软下硬地层进行挖掘工作的过程中，盾构机的推力和扭矩会发生极大的变化，而且盾构机在软土层进行施工的过程中会存在偏移的特性，这一特性就导致盾构机在向一侧掉线时难以控制，会导致整体的挖掘方向出现偏差。

2.3刀具磨损严重

盾构机在挖掘的过程中，刀具磨损严重主要表现在两个层面。首先在上软下硬的地层中开展施工工作。盾构机的上部处于粘性土层当中，在此类土层中进行工作。如果挖掘参数控制不当，极易造成盾构机的刀盘结泥饼，从而导致滚刀偏磨现象。其次，由于盾构机下部处于单轴抗压程度较高的硬岩层当中，导致盾构机的滚刀磨损严重，加剧了刀具的消耗。同时也会产生刮刀崩裂的风险。这就导致盾构机在上软下硬地层进行挖掘的过程中，开仓换刀的几率远远高于在均匀土质中进行挖掘的概率。但值得注意的是，盾构机在挖掘的过程中，盾构机的上部土质较为松软，覆盖厚度不足，在这时开仓换刀会导致土槽内的气压难以保障。一旦贸然选择错误的开仓位置进行刀具的检查和更换，就会使土仓内部的气压产生剧烈影响，从而导致地面出现沉降，变形甚至崩塌，对地表建筑会造成严重的影响和安全隐患，因此在进行开仓换刀的过程中，需要结合外部环境的特性，选择合适的位置进行刀具的检查和更换，避免出现安全问题，影响地表建筑的正常使用。

2.4喷涌现象严重，清渣量巨大

结合上软下硬土质的特性可以了解到，在上软下硬的土层当中，颗粒大小大多处于小于0.075mm和大于0.5mm之中，而处于0.75~0.5mm的砂粒的砂砾在土层中既具有砂土的特性，同时也具有粘性土的特性。这种特性决定了小颗粒能够在大颗粒的缝隙中不断涌出。但由于上软下硬土层下部的硬岩风化程度较强，普遍存在空隙。这就导致盾机在进行挖掘的过程中极易出现浆液流失的现象。因此，一旦盾构机的挖掘参数设置不当，就会导致施工管道出现涌水、涌渣的现象发生。而针对这种现象，施工团队需要花费大量的人力和物力来经历碴土，这在一定程度上增加了施工成本。影响了整体的施工进度。

三、上软下硬地层盾构施工技术应用措施

3.1盾构机选型及刀具配置

盾构机是综合了机械、液压、电控为一体的地下隧道，施工机械配备了机电一体化的液压驱动系统，同步注浆系统，电控系统，激光导向等设备。盾构机作为盾构法隧道施工的专用机械，在施工的过程中，盾构机选型是否合理直接影响到了隧道施工的整体质量和施工成本以及后续带来的社会效益。因此，选择合适的盾构机极为重要。盾构机在选择类型的过程中一般结合盾构机的适应性，可靠性，先进性等原则。本单位在修筑该电力管廊工程得出了以下几点经验：首先，盾构机的选型应当将工程地质条件作为首要条件，盾构机施工时必须保持撑子面的稳定。目前，土压平衡的购机和泥水盾构机已成为城市管廊构建的主流设备，土压盾构机主要是用于砂土、黏土等地层以及由这些土层相互交错，软硬不均的地层，泥水平衡盾构机主要是用于砂土，砂岩石，黏土等地层，适用于含水量较大，水压较高的地层。对于粘性土地层主要考虑土压平衡盾构机车，掌子面土体切割后，土渣具有较好的塑型，因此可通过螺旋输送机良好的输送出去，对于水量较大的土层优先考虑泥水平衡盾构机，利用此类盾构机能够有效避免喷涌现象的发生。其次，水文地质。结合西方国家的施工经验，可以了解到盾构机的选型于土层的渗水系数有很大的关联，当渗水星数大于10^-4m/s时，选用泥水盾构机，当渗水系数小于10^-7m/s时，选择土压平衡盾构机，而当渗水岁数在两者之间时，两种盾构机都可考虑在内。再次，在施工的过程中应当采用尽量少的辅助方法，较多的辅助方法会使整体的施工工序较为复杂，耗费大量的材料造成人力资源的浪费。因此，盾构机在选型的过程中需要全面考虑盾构机的性能，结合施工所投入的成本，选择辅助方法较少的施工机械。最后，在盾构机选择的过程中，应当结合环保性要求和经济性的特点，由于盾构机施工过程中会造成大量的噪音和污秽物，有时还会引起水土流失，影响城市的整体形象。因此，在盾构机选择的过程中，需要结合当地环保部门的相关要求，选择合适的盾构机，在满足上述条件的基础上，最大程度的降低成本，提高管廊地下暗挖工程所带来的经济效益。

3.2刀具的选型

盾构机常用的刀具按照作用方式和形状分为滚动类刀具和切割类刀具，混动类刀具可分为单刃滚刀和双刃滚刀等等，切割类刀具则主要分为尺刀、边缘刮刀、先行刀等等。滚动类刀具为破碎式刀具，在油缸的作用下挤压岩壁。在驱动装置的作用下，沿着各自的轨迹围绕着中心轴转动，从而使岩壁受到挤压，达到剪切的作用最终破坏岩壁。而切削类刀具主要起到全面清除的作用，将滚刀刀具破碎的岩石削刮下来，并将碎石送入土仓当中，在使用的过程中，为了避免滚刀的超前量应当大于切刀的超前量，刀具的选择应当结合工程的外部环境，不同的地质条件所配备的刀具也有所不同。软土层一般使用切削型刀具，比如切刀，边缘刮刀等等。而对于沙卵石地层需要采用切刀和先行刀。盾构在软硬不均地层中进行挖掘时，需要利用滚刀、切刀、超挖刀。超挖刀的主要作用是帮助盾构机在曲线施工的过程中扩大隧道直径，避免盾构机在工作的过程中对隧道卡住，确保盾构机的顺利使用。

3.3盾构机在通过上软下硬地层前刀具的更换方法

在通常情况下，盾构机刀具的更换标准为面滚刀和中心双刃刀刀圈磨损掉20~25cm之间，周围刀刀圈磨损掉10~15cm时，可及时更换刀具。而产生这种标准的主要原因是由于当刀具磨损后刀刃变宽，其挤压和削割岩石的能力下降。在盾构机进行挖掘的过程中，需要更大的扭矩和推力才能够达到最初的效果，增加了盾构机的消耗。如果不及时更换，那么该刀具磨损后会对相邻的刀具的受力产生一定的影响，加快相邻刀具的磨损速度。当此类情况长时间发生时，就会导致更多的刀具受到破坏，为施工团队带来巨大的经济损失。而对于周边刀磨损来说，如果周边当磨损未能及时更换，则会使隧道开挖直径变小。影响盾构机的正常施工，阻碍盾构机的前进。因此，一经发现需要更换刀具，就应该必须及时更换。对于出现破损的刀具也应当及时更换。

在上软下硬地层区域当中，拱顶上部为沙层和混凝土，局部为粒质黏土、粉质粘土为了防止沙层失稳，保障换刀工作的安全开展，在开放之前应当对此段的土层进行加固，确保开仓安全，顺利完成刀具检查工作。首先，在刀具更换之前需要做好统计，了解需要更换的刀具和换刀所使用的刀具，比如千斤顶、钢丝绳、风动扳手、刀具、量具、对照机！照明灯等工具。其次，盾构机应当在指定的换到地点开展换刀工作，在换刀的过程中，应当确保盾构机停止转动，利用螺旋输送机将土仓内部的渣土排出，打开人闸内的泄气孔，使土仓内的压力降到零，直到不能再向外排气为止。再次，应当检查掌子面的稳定情况，打开舱门后工作人员应当打开照明灯检查掌子面的地质情况，确保安全的前提下，工作人员才可进入土仓内，利用木称对掌子面进行支撑。如果掌子面顶部土体不稳定，那么禁止工作人员进入当中。再次检查刀具和刀盘。安装清洗水管，对刀具进行清洗，检查刀盘面板及四根辐条是否存在裂纹和变形现象。主轴承其密封油脂的情况，认真观察刀盘上所有的刀具螺栓是否出现脱落或松动现象，一旦脱落应当及时修整。最后，在确保一切外部环境安全的情况下，可进行刀具的更换。通过参考测量结果和刀具更换标准，对刀圈磨损20~25cm的刀和中心双刃刀以及刀圈磨损掉10~15cm的周边都进行更换。带刀具更换后，应当对刀具进行检查，确保刀具能够正常转动。确保刀具安装正常后，工作人员才可退出土仓。盾构机在投入挖掘工作时，应当放慢挖掘速度，由于此时刀具边缘并不在一个平面上，新换的刀具较为突出，因此过快的挖掘速度会使新安装的刀具产生损坏。

3.4盾构穿越上软下硬地层注意事项

结合本电力管廊工程的相关经验可以了解的，在应对上软下硬地层时，施工团队在施工之前应当充分了解盾构隧道的地质条件和周围建筑物的分布情况，结合建筑物的结构重要程度以及隧道相应位置布置沉降观测点，及时了解周围建筑物的沉降情况。通过采取必要的措施对建筑物进行保护，从而避免隧道挖掘过程中对周围建筑的影响。由于隧道线路周围地下管线较多，在设计的过程中需要结合管线调查报告确定管线的具体位置，在施工的过程中针对管线所在的具体位置进行合理的挖掘调控，避免对管线造成影响。除此之外，在盾构机挖掘的过程中，刀盘，刀具与土体会产生剧烈的挤压和摩擦产生大量的热量，这会导致盾构机液压有温快速升高，迫使盾构机停止挖掘，应当确保冷却系统的正常工作，降低刀盘和隧道的温度，确保项目的顺利开展。

四、总结

结合上述分析，地下暗挖工程在施工的过程中穿越上软下硬地层结构的技术非常关键，仅需要专业的技术人才，还需要专业的技术应用策略，其中，盾构机的选择盾构挖掘参数的控制、换刀工作的开展都是盾构施工的难点。本单位在修筑的大型电力管廊工程中积累了极为丰富的经验，比如选择合适的盾构机机型和刀具配置，利用标准的刀具更换标准，对已经损坏或者磨损严重的刀具进行调整，在使用刀具的过程中采取正确的方法，避免对刀具造成不必要的损坏等等。通过采取合理有效的措施，保障整体的施工质量。

参考文献：

[1]林永奇. 盾构法穿越基岩凸起及上软下硬地层时的施工风险分析及技术研究[J]. 智能建筑与工程机械, 2020, 2(10):3.

[2]代敬辉, 吴颖宁, 黄向阳,等. 上软下硬地层下穿既有隧道的盾构隧道施工及加固方法:, CN112343626A[P]. 2021.

[3]贾宝新, 高宗贤, 惠鹏飞. 上软下硬地层隧道盾构施工引起的地表沉降研究[J]. 安全与环境学报, 2021, 21(3):6.

[4]韩超, 张利军, 张林,等. 上软下硬地层盾构法与矿山法交界处隧道段地表加固结构:, CN211038641U[P]. 2020.

[5]彭康, 白亚锋, 周东波,等. 大直径泥水盾构在上软下硬岩性多变地层中的适应性设计[J]. 施工技术, 2020, 49(4):5.

[6]章邦超. 上软下硬地层区段新建管廊线路盾构法下穿既有管廊运营线路关键施工技术[J]. 城市轨道交通研究, 2021, 24(9):5.

[7]周立基, 张孟喜, 王维,等. 盾构穿越软硬复合地层开挖面稳定性分析[J]. 上海大学学报(自然科学版), 2021, 27(6):1094-1105.

[8]贾茁. 软硬交互地层盾构长距离小半径曲线穿越地面复杂环境成套施工关键技术研究——以杭州机场轨道快线SGJC-1标为例[J]. 中国建材科技, 2021.