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【摘 要】盾构隧道施工最大的难点就是在复杂地层中的掘进，尤其是上软下硬地层和高强度全断面岩层掘进，施工过程中，如果稍有不慎，方案措施不当便会出现刀盘困死、盾壳抱死等严重事故。本文主要介绍了上软下硬地层和长距离高强度硬岩地层中确保盾构顺利施工的一些施工方法，并定量的进行了详细的分析对比，对复杂地层盾构施工成功经验进行了总结。
【关键词】盾构施工；上软下硬；高强度岩层；地铁工程；控制措施
1.工程概况
深圳地铁11号线车公庙站～红树湾站区间为盾构法区间隧道，区间长度5.5km，采用4台土压平衡盾构背向掘进。隧道内径6米，盾构开挖直径φ6980mm，管片厚度350mm。其中右线隧道在YCK7+453～YCK7+730位置，长277m；左线隧道ZCK7+472～ZCK7+727位置，长255m为上软下硬及全断面微风化花岗岩地层（地质资料详见附图1、2），其中上软下硬段233m 全断面硬岩段299m，坡度24‰，进洞开始到硬岩结束，高差12.56 m。微风化地层岩石单轴抗压强度在80～120Mpa，地表为欢乐海岸人工湖和别墅区，地下水含量丰富，地下水头高，距地表0.8～8m，略具承压性。施工过程中如果控制不到位，便会出现地表沉陷，别墅受损，湖水连通导致螺旋输送机喷涌等一系列影响施工质量和进度的问题产生。
2.施工技术难点分析
（1）上述施工区段地表构筑物和管线较为复杂，地表沉降控制要求高，土压平衡盾构在上软下硬掘进过程中，单环掘进时间长，盾构机震动对土层影响非常大出渣量难以精确统计，极易出现地表塌陷、房屋受损等重大安全事故。
（2）长距离高强度全断面微风化花岗岩地层中盾构掘进，刀具磨损严重，刀圈容易撞裂。刀盘开挖直径变小进而导致盾构抱死，刀具更换困难（见附图3）。
（3）地下水含量丰富、高差大，渣土主要为岩石颗粒，几乎无粘度无法达到流塑状态，出碴不顺且易造成喷涌（见附图4）。
3.施工方法探讨
在本地段施工中我们分别抽取了土层段及上软下硬段20环数据进行了统计分析（详见附表1）。
通过数据对比，可以看出，在上软下硬地层掘进时，各项材料消耗倍增且喷涌严重效率低，为此，我们采取了一系列防止喷涌措施如下：
（1）控制同步注浆量：
同步注浆量计算=π×（R2-r2）×d×n
其中：
R——为刀盘开挖半径，
r——为管片外径，
d——为管片环宽，
n——为浆液扩散系数，根据设计地勘资料，n取1.5～1.8。本次取1.8。
同步注浆量=3.14×（3.492-32）×1.5×1.8=7.3m3。
（2）加强二次注浆止水
在全断面硬岩掘进过程中，掘进后的岩体和管片始终存在着14cm的空隙，如果这14cm的空隙不能及时有效的采用注浆浆液进行回填，脱出盾尾后的管片将会不同程度的偏移，会出现不同程度的错台。而且，硬岩段正好处于2.4%的下坡段，管片背后与周围岩体之间容易形成汇水通道，后方渗水会大量的涌向掘进的掌子面，造成螺机的喷涌，进而导致无法掘进，并稀释前面管片的背后注浆，造成恶性循环。
因此，在硬岩环境掘进时，在同步注浆完成初凝后，应及时进行二次补强注浆，填补同步注浆浆液收缩后形成的空隙，二次注浆采用水泥水玻璃双液浆，水灰比 1：1，水玻璃为35波美度，浆液与水玻璃比例为1：1。二次注浆每间隔5环注一次。每次注3环。注浆压力控制在0.8～1Mpa。注浆点位为时钟2点，5点，8点，10点。注浆前，必须先开一个卸压孔，确保注入量的同时，管片无破损。
附图1 左线硬岩段地质断面图
附图2 右线硬岩段地质断面图
附图3硬岩中刀具磨损情况 附图4 上软下硬喷涌
（3）向土仓中注入高粘度改良剂。
为了防止螺旋输送机喷涌，增加传送皮带与渣土间的粘结力，向土仓中加入高粘度膨润土泥浆。泥浆粘度为90S。泥浆粘度可通过试验测定。
附表2 高粘度泥浆配合比
钠基膨润土（kg） 制浆剂1型（kg） 制浆剂3型（kg） 水（kg） 粘度（S）
70 10 20 800 93
（4）采用保液位的模式进行掘进
由于对地表沉降控制较为严格，土压平衡模式，难以精确控制出渣量，因此容易超出渣，造成地表沉降超陷，存在塌陷、管线受损等安全隐患。
保液位即土仓中堆约2/3的渣土，其余1/3为膨润土泥浆。施工中可通过土仓球阀检查，土仓顶部空气是否完全排出，上部浆液是否充满。
（5）适当提高土仓压力
理论土压力计算：
由太沙基土压理论，开挖面顶处和底处的底层土压力可分别表示为
顶层：
底层：
为地层的重度（）
为地层侧压力系数
b为洞顶地层塌落宽度的一半（m）
为地层的内摩擦角（o）
c为地层的粘聚力（KPa）
Z为隧道的埋深
H为隧道开挖面直径（m）
土仓内水压力
为盾构土压力仓内的水压力（KPa）
q为根据土层渗透系数确定的经验数值，沙土取0.5～1.0，粘性土取0.1～0.5，风化岩层取0.0～0.5
为水的重度（）
h为地下水位距刀盘底部的高度（m）
实际设定土压
按照太沙基理论计算，结合施工勘察图纸中的各项岩土参数，以18米埋深为例，计算出的土仓压力设定值顶部为1.6bar。根据经验，按照隧道埋深值/10设定土仓压力（比理论计算值略大），由于此方法计算过程较为简便，便于技术人员现场实时调整压力设定值。能有效防止地表沉降，如隧道埋深为18米时，土仓顶部压力设定为18/10=1.8bar。 （6）高强度长距离硬岩地层中刀具管理
刀具检查：每10环检查一次刀具，滚刀磨损6mm以即进行更换。
刀具更换方法：更换原则，拆一把，装一把，杜绝只拆不装现象。硬岩中，旧刀磨损后拆下来再安装新刀比较困难，新刀直径大。拆完一把后要凿刀窝，凿的方法采用手持取芯机进行。
刀具更换完成后，不能马上转动刀盘，为了防止刀具转动受损，先收铰接油缸，收20-30mm后再缓慢转动刀盘，确定无异常后恢复推进。硬岩中每次更换完刀具首推30cm后，进仓进行刀具螺栓复紧。
（7）进仓方法
复杂地层中盾构掘进，换刀位置的选择非常关键。通常在施工策划阶段，依据补勘报告和设计图纸初步选定换刀点。但由于盾构刀具磨损的不确定性，随时可能发生参数异常需进仓检查、更换刀具。当地表无条件加固、且地质条件较差时，可采用带压进仓或者填仓法进行换刀。
常压和带压换刀作为盾构施工比较成熟的工艺，在此不再赘述，现将填仓换刀的工法作简单介绍。填仓换刀适用于地表无加固条件，如地表为重要构筑物、遇到孤石且洞身地质条件较差。富水地层等。主要工艺流程如下：
停机准备→填仓材料配比确定→盾壳和管道防护→打设超前钢管→填充注入填仓料→进仓检查→掏仓换刀→清仓→恢复掘进
（1）盾壳、盾尾注入盾尾油脂，避免加固过程中，盾构被包裹，导致无法脱困。
（2）收铰接油缸，将盾构机后退20-50mm，确保盾构机铰接密封位置不卡死，同时，为后期硬岩换刀提供条件。不再挖刀窝。具体操作方法：收铰接——收推进油缸——缓慢启动刀盘-盾构机后推。
（3）填仓
填仓料采用膨润土+砂+增粘剂混合物。填仓前，先由试验部门做出配比，确保混合物能通过盾构机膨润土系统注入土仓。填仓料强度控制在1Mpa，终凝时间20小时。
附表3 填仓材料配比
水泥 特细砂 粉煤灰 膨润土 水
95 375 245 96 418
填仓前先放出土仓内膨润土泥浆，边放边注入填仓料。最终达到填仓料完全置换现在保压所用膨润土泥浆。
填仓通过在盾构预留超前注浆管道内打钢管，钢管长度须在土仓上方，对过打设的钢管注入填仓料。浆液在压力作用下扩散至土仓。
（4）掏仓换刀
填仓完成后24小时开始掏仓，此时，土仓内被填仓料充满。能保持掌子面围岩稳定性。但由于浆液强度不高，可采用人工凿除填充料，保证效率。每凿一个位置，换装一把刀。换刀顺序从上到下，拆一把装一把。直之需换刀具全部更换完成。
3.结语
通过上述措施，深圳地铁车～红区间红树湾盾构区间方向已经顺利穿过上软下硬地层和长距离高强度硬岩地层，施工沉降均控制在16mm以下，盾构掘进各项材料消耗得到控制，施工进展得到提高。
附表4 改进推进方法后各项掘进参数
推力 1300-1700T 扭矩 1500KN.m
渣温 34℃ 刀盘转速 1.5rpm
单环进时间 2.5小时 泡沫用量 120L
高粘度泥浆 8m3 其他：不再喷涌，管片无错台、无渗漏。
HBW 8Kg
盾尾油脂 42Kg EP2 4Kg
【关键词】盾构施工；上软下硬；高强度岩层；地铁工程；控制措施
1.工程概况
深圳地铁11号线车公庙站～红树湾站区间为盾构法区间隧道，区间长度5.5km，采用4台土压平衡盾构背向掘进。隧道内径6米，盾构开挖直径φ6980mm，管片厚度350mm。其中右线隧道在YCK7+453～YCK7+730位置，长277m；左线隧道ZCK7+472～ZCK7+727位置，长255m为上软下硬及全断面微风化花岗岩地层（地质资料详见附图1、2），其中上软下硬段233m 全断面硬岩段299m，坡度24‰，进洞开始到硬岩结束，高差12.56 m。微风化地层岩石单轴抗压强度在80～120Mpa，地表为欢乐海岸人工湖和别墅区，地下水含量丰富，地下水头高，距地表0.8～8m，略具承压性。施工过程中如果控制不到位，便会出现地表沉陷，别墅受损，湖水连通导致螺旋输送机喷涌等一系列影响施工质量和进度的问题产生。
2.施工技术难点分析
（1）上述施工区段地表构筑物和管线较为复杂，地表沉降控制要求高，土压平衡盾构在上软下硬掘进过程中，单环掘进时间长，盾构机震动对土层影响非常大出渣量难以精确统计，极易出现地表塌陷、房屋受损等重大安全事故。
（2）长距离高强度全断面微风化花岗岩地层中盾构掘进，刀具磨损严重，刀圈容易撞裂。刀盘开挖直径变小进而导致盾构抱死，刀具更换困难（见附图3）。
（3）地下水含量丰富、高差大，渣土主要为岩石颗粒，几乎无粘度无法达到流塑状态，出碴不顺且易造成喷涌（见附图4）。
3.施工方法探讨
在本地段施工中我们分别抽取了土层段及上软下硬段20环数据进行了统计分析（详见附表1）。
通过数据对比，可以看出，在上软下硬地层掘进时，各项材料消耗倍增且喷涌严重效率低，为此，我们采取了一系列防止喷涌措施如下：
（1）控制同步注浆量：
同步注浆量计算=π×（R2-r2）×d×n
其中：
R——为刀盘开挖半径，
r——为管片外径，
d——为管片环宽，
n——为浆液扩散系数，根据设计地勘资料，n取1.5～1.8。本次取1.8。
同步注浆量=3.14×（3.492-32）×1.5×1.8=7.3m3。
（2）加强二次注浆止水
在全断面硬岩掘进过程中，掘进后的岩体和管片始终存在着14cm的空隙，如果这14cm的空隙不能及时有效的采用注浆浆液进行回填，脱出盾尾后的管片将会不同程度的偏移，会出现不同程度的错台。而且，硬岩段正好处于2.4%的下坡段，管片背后与周围岩体之间容易形成汇水通道，后方渗水会大量的涌向掘进的掌子面，造成螺机的喷涌，进而导致无法掘进，并稀释前面管片的背后注浆，造成恶性循环。
因此，在硬岩环境掘进时，在同步注浆完成初凝后，应及时进行二次补强注浆，填补同步注浆浆液收缩后形成的空隙，二次注浆采用水泥水玻璃双液浆，水灰比 1：1，水玻璃为35波美度，浆液与水玻璃比例为1：1。二次注浆每间隔5环注一次。每次注3环。注浆压力控制在0.8～1Mpa。注浆点位为时钟2点，5点，8点，10点。注浆前，必须先开一个卸压孔，确保注入量的同时，管片无破损。
附图1 左线硬岩段地质断面图
附图2 右线硬岩段地质断面图
附图3硬岩中刀具磨损情况 附图4 上软下硬喷涌
（3）向土仓中注入高粘度改良剂。
为了防止螺旋输送机喷涌，增加传送皮带与渣土间的粘结力，向土仓中加入高粘度膨润土泥浆。泥浆粘度为90S。泥浆粘度可通过试验测定。
附表2 高粘度泥浆配合比
钠基膨润土（kg） 制浆剂1型（kg） 制浆剂3型（kg） 水（kg） 粘度（S）
70 10 20 800 93
（4）采用保液位的模式进行掘进
由于对地表沉降控制较为严格，土压平衡模式，难以精确控制出渣量，因此容易超出渣，造成地表沉降超陷，存在塌陷、管线受损等安全隐患。
保液位即土仓中堆约2/3的渣土，其余1/3为膨润土泥浆。施工中可通过土仓球阀检查，土仓顶部空气是否完全排出，上部浆液是否充满。
（5）适当提高土仓压力
理论土压力计算：
由太沙基土压理论，开挖面顶处和底处的底层土压力可分别表示为
顶层：
底层：
为地层的重度（）
为地层侧压力系数
b为洞顶地层塌落宽度的一半（m）
为地层的内摩擦角（o）
c为地层的粘聚力（KPa）
Z为隧道的埋深
H为隧道开挖面直径（m）
土仓内水压力
为盾构土压力仓内的水压力（KPa）
q为根据土层渗透系数确定的经验数值，沙土取0.5～1.0，粘性土取0.1～0.5，风化岩层取0.0～0.5
为水的重度（）
h为地下水位距刀盘底部的高度（m）
实际设定土压
按照太沙基理论计算，结合施工勘察图纸中的各项岩土参数，以18米埋深为例，计算出的土仓压力设定值顶部为1.6bar。根据经验，按照隧道埋深值/10设定土仓压力（比理论计算值略大），由于此方法计算过程较为简便，便于技术人员现场实时调整压力设定值。能有效防止地表沉降，如隧道埋深为18米时，土仓顶部压力设定为18/10=1.8bar。 （6）高强度长距离硬岩地层中刀具管理
刀具检查：每10环检查一次刀具，滚刀磨损6mm以即进行更换。
刀具更换方法：更换原则，拆一把，装一把，杜绝只拆不装现象。硬岩中，旧刀磨损后拆下来再安装新刀比较困难，新刀直径大。拆完一把后要凿刀窝，凿的方法采用手持取芯机进行。
刀具更换完成后，不能马上转动刀盘，为了防止刀具转动受损，先收铰接油缸，收20-30mm后再缓慢转动刀盘，确定无异常后恢复推进。硬岩中每次更换完刀具首推30cm后，进仓进行刀具螺栓复紧。
（7）进仓方法
复杂地层中盾构掘进，换刀位置的选择非常关键。通常在施工策划阶段，依据补勘报告和设计图纸初步选定换刀点。但由于盾构刀具磨损的不确定性，随时可能发生参数异常需进仓检查、更换刀具。当地表无条件加固、且地质条件较差时，可采用带压进仓或者填仓法进行换刀。
常压和带压换刀作为盾构施工比较成熟的工艺，在此不再赘述，现将填仓换刀的工法作简单介绍。填仓换刀适用于地表无加固条件，如地表为重要构筑物、遇到孤石且洞身地质条件较差。富水地层等。主要工艺流程如下：
停机准备→填仓材料配比确定→盾壳和管道防护→打设超前钢管→填充注入填仓料→进仓检查→掏仓换刀→清仓→恢复掘进
（1）盾壳、盾尾注入盾尾油脂，避免加固过程中，盾构被包裹，导致无法脱困。
（2）收铰接油缸，将盾构机后退20-50mm，确保盾构机铰接密封位置不卡死，同时，为后期硬岩换刀提供条件。不再挖刀窝。具体操作方法：收铰接——收推进油缸——缓慢启动刀盘-盾构机后推。
（3）填仓
填仓料采用膨润土+砂+增粘剂混合物。填仓前，先由试验部门做出配比，确保混合物能通过盾构机膨润土系统注入土仓。填仓料强度控制在1Mpa，终凝时间20小时。
附表3 填仓材料配比
水泥 特细砂 粉煤灰 膨润土 水
95 375 245 96 418
填仓前先放出土仓内膨润土泥浆，边放边注入填仓料。最终达到填仓料完全置换现在保压所用膨润土泥浆。
填仓通过在盾构预留超前注浆管道内打钢管，钢管长度须在土仓上方，对过打设的钢管注入填仓料。浆液在压力作用下扩散至土仓。
（4）掏仓换刀
填仓完成后24小时开始掏仓，此时，土仓内被填仓料充满。能保持掌子面围岩稳定性。但由于浆液强度不高，可采用人工凿除填充料，保证效率。每凿一个位置，换装一把刀。换刀顺序从上到下，拆一把装一把。直之需换刀具全部更换完成。
3.结语
通过上述措施，深圳地铁车～红区间红树湾盾构区间方向已经顺利穿过上软下硬地层和长距离高强度硬岩地层，施工沉降均控制在16mm以下，盾构掘进各项材料消耗得到控制，施工进展得到提高。
附表4 改进推进方法后各项掘进参数
推力 1300-1700T 扭矩 1500KN.m
渣温 34℃ 刀盘转速 1.5rpm
单环进时间 2.5小时 泡沫用量 120L
高粘度泥浆 8m3 其他：不再喷涌，管片无错台、无渗漏。
HBW 8Kg
盾尾油脂 42Kg EP2 4Kg