东莞市轨道交通有限公司523000
摘要：上软下硬复合地层是盾构隧道中的不良地层之一。国内、外许多在上软下硬地层条件下修建隧道时出现不同程度的地表坍塌现象。
关键词：土压平衡盾构；上软下硬复合地层；对策
引言：
在盾构工程中，由于地质情况的复杂多变，一条隧道往往存在几种地质、水文特征相差悬殊的地层组合。在广州、深圳、东莞的地铁隧道建设过程中，便常见隧道洞身上部为软土，下部为硬岩组成上软下硬复合地层。在此类地层中施工，盾构机在同一断面中掘进时同时遇到了两个地层极端，极大地增加了施工难度，如果采取的施工方法失当或者考虑不够周全，往往使工程进度停滞不前、对周围环境产生不良影响甚至造成重大安全事故。
1.工程概况
1.1工程概况
东莞市轨道交通R2线2309标陈屋站—盾构吊出井盾构区间隧道从陈屋站始发掘进，沿莞太路向盾构吊出井方向敷设，从人行天桥边东侧进入建筑群（沿线经过人行天桥、港宝鞋材厂、距意家具厂、裕丰木业），最后进入空推段，由盾构吊出井吊出。区间全长约为1309m，具体里程为：左线ZDK24+194.292～ZDK24+841.324（长度为647.032m），右线YDK24+179.000～YDK24+841.324（长度为662.324m），其中，空推段里程为左线ZDK24+194.292～ZDK24+310.000（长度为115.708m），右线YDK24+179.000～YDK24+367.680（长度为188.680m）。区间设一处联络通道。区间盾构采用两次盾构始发，先从陈屋站右线始发，到达盾构吊出井后，进行盾构机的拆卸然后吊出，转运到陈屋站左线再进行左线始发，最后到达盾构吊出井完成整个区间盾构施工任务。
1.2工程地质及水文情况
根据详勘钻探揭露，盾构区间ZDK24+815～ZDK24+630、YDK24+736～YDK24+646为孤石及上软下硬区段，地层由上而下主要由<1-1>素填土、<3-2>可塑状粉质粘土、<3-3>硬塑状粉质粘土、<3-10>中砂、<6-5>残积可塑状粉质粘土、<6-6>残积硬塑状粉质粘土、<9-1>全风化、<9-2>强风化、<9-3>中风化、<9-4>微风化花岗闪长岩组成，隧道洞身范围内主要为硬塑状粉质粘土、全风化、强风化、中风化、微风化花岗闪长岩，在不受施工扰动的情况下，地层具较高的承载力，如受施工扰动则全、强风化岩极易变形，遇水软化崩解，承载力大幅度降低，在短时间内极易发生坍塌变形；中～微风化岩自稳性较好，岩石抗压强度为80～138MPa，局部最大抗压强度能达到148MPa，为极硬岩层，该段隧道埋深为8.50～10.31m。详见下图图1、图2所示。
本段孤石及基岩段地下水主要有第四系孔隙水、基岩裂隙水。孔隙潜水主要赋存于砂层及沿线砂质粘性土层中，地下水位埋深3.0～8.0m；砂质粘性土，透水性和富水性均较弱；基岩裂隙水主要赋存于岩石强、中等风化带中。
图2《左线地质纵剖面图》
2.上软下硬复合地层的主要特征
上软下硬复合地层主要是由上部的土层和下部的岩层组合而成的岩土复合地层。盾构隧道中的上软下硬复合地层。其土层和岩层之间的过渡层很薄甚至没有，分界线明显，上部的土层较为软弱，不能过多承受施工扰动，而下部的岩层的单轴抗压强度往往高达几十甚至一百兆帕以上。
3.盾构施工技术
盾构法是一种暗挖施工技术，即盾构机在盾壳抵御围岩压力的情况下，由刀盘切削开挖面土体并排送至盾后运输系统，通过顶推千斤顶的推力自行前进，同时进行管片拼装形成隧道的主体结构。盾构技术已经成为修建地铁、电力、电信、上下水道等城市隧道的主要施工方法。其开发动向的基本出发点是：施工布局更合理、更安全、工期更短、对环境无污染、施工领域更宽、造价更低。其开发动向的特点可以归纳为：大口径化、大深度化、长距离化、高地下水压、施工机械化、自动化、省力化、智能化、断面异圆化、施工高速化等。盾构工法在我国引入的较晚。但是随着近年来国内城市轨道交通项目建设的兴起，盾构施工技术在我国地铁险道工程建设中得到越来越广泛的应用。
4.盾构施工重难点及风险
盾构隧道中上软下硬复合地层的土层和岩层过渡较快和性质差异显著的特点，使得盾构机在掘进时容易产生以下施工风险：①由于底部为硬岩，刀具贯入岩面困难，顶部为软土，刀具切削土层容易，因此盾构机掘进时垂直姿态容易上抬。②地层软硬不均，刀具在软硬交界的地方容易磕碰岩面，造成刀圈崩坏、刀轴密封漏油等刀具损坏情况；而如果掘进速度过慢（小于4mm／min）时滚刀不转，又容易造成刀偏磨。③底部为硬岩，掘进速度慢，上部软土因扰动大而容易变形和造成水土流失，尤其是在富水地层中，如果控制不好会造成喷涌，更容易导致地层损失，最终导致地面沉降过大。④为维持上部软弱地层的稳定，土仓内常需保持较高土压，同时因盾构机掘进速度慢，摩
擦作用使得仓内土体温度升高，从而容易产生“结泥饼”的现象。⑤土仓内渣土性质不均一，在螺旋机出土时水和稀泥排出较易，剩下的石渣则容易堵在螺旋机出土口，将螺旋机卡死。国、内外许多在软硬不均地层条件下修建随道的工程都发生了不同程度的问题：广州地铁一号线采用土压和泥水盾构施工中遇到部分软硬不均地层，曾出现地层坊塌和周围楼房倒塌的事故。新加坡地铁CCL1线在盾构施工穿越软硬不均地层时，也曾发生过地面坊塌的事故。葡萄牙Oporto地铁C线和S线采用盾构施工过程中遇到软硬不均地层，造成了刀盘、刀具的严重磨损甚至毁坏。
5.降低施工风险的对策
为了降低盾构机在上软下硬复合地层中的掘进风险，可采取配置合适刀具、选择合理掘进参数、及时检查更换刀具等施工对策。
5.1刀具的配置
刀具的配置以滚刀为主，同时根据刀盘结构的设计均匀布置一定数量的刮刀，并且宜选择耐冲击性较高的硬岩刀。滚刀的布置为刀盘中心区采用双刃滚刀，正面区和边缘区采用单刃滚刀。
5.2刀具的更换
滚刀出现刀圈崩裂和崩缺、刀圈偏磨、刀轴密封漏油、刀圈移位等非正常磨损的情况应立即更换；正常磨损的更换时机根据刀具配置和刀具组合的情况以磨损量确定，一般中心区和正面区的滚刀磨损量达2—3cm时须更换，边缘滚刀磨损量达1—1.5cm时应该更换。而在此类地层中掘进一般刮刀容易出现掉落、崩缺、变形等非正常损坏情况，应及时检查更换。
5.3盾构机掘进控制
正确的操作方式是盾构机安全顺利通过上软下硬复合地层的关键所在，实践经验表明，以下几点是掘进施工时关注和控制的重点：（1）由于地层不均匀，掘进时采用低扭矩、低转速。降低刀具与硬岩之间的冲击力，减少刀具在碰撞产生的崩裂、脱落、变形等不正常损坏。
（2）掘进速度一般控制在8—20mm／min，贯入度控制在3～8mm/rev。减少因刀具不转而偏磨和刀具受冲击力产生崩裂、脱落、变形的现象；同时，也使得切落的岩块大小适中，易于和泥土搅拌均匀和通过螺旋机排除，减少岩块过大卡螺旋机的现象和岩层被磨成细颗粒容易结泥饼的现象。（3）可采用半土压半气压的掘进模式，即掘进时土仓压力一半由气压一半由土压提供。这种掘进模式有利于保持掌子面土体稳定，控制姿态防止盾构机上抬，减少渣土对刀具的摩擦而造成损坏和降低因土压过高导致结泥饼的现象。（4）视地层的含水量而注入合适的泡沫改良渣土，使排土更加顺畅。（5）做好同步注浆和补充注浆，控制好每环出土量。
5.4预设刀具更换区
根据岩层的性质和坚硬程度估计所有刀具完好的情况下盾构机能掘进的距离，并以此为基本参数设计预备换刀区域。对预备换刀区的地层工程地质、水文地质、地面情况、隧道埋深进行调查。分析该区域是否适合压气作业，如不合适则进行预加固处理（可根据地面条件选择地面预加固或洞内加固）。
6.上软下硬盾构施工对策研究
6.1盾构掘进参数控制
开挖面上部“软”土层虽然具有遇水软化、崩解，强度急剧降低的特点，但正常掘进时在一定时间内尚有一定的自稳性。又由于受地下水头的影响，需要在开挖面建立一定的压力来防止地下水大量涌入土舱，减少水土流失及防止出土器喷涌。因此在该段上软下硬地层掘进时，盾构机采用半敞开模式，即在土舱内保留1/2～1/3的碴土，然后向土舱内注入压缩空气及泡沫或膨润土来维持开挖面顶部土压，并辅助进行开挖。开挖面支护压力控制以压力舱顶部支护压力测量值为准，而且极限支护压力大小由顶部软弱土体的极限最小支护压力确定。
在上软下硬不均地层中掘进，局部岩石硬度较高，硬岩处刀盘的滚刀受力较大，而软岩部分只需对掌子面进行切削即可破坏土层，但局部硬岩对刀具即刀盘的损伤较大，应适当降低刀盘转速，控制贯入度以使刀具受到的瞬时冲击小于安全荷载25t为准。以掘进速度为3mm/min为例，刀盘的转速要控制在1.6r/min之内。
6.2渣土改良技术
在土压平衡式盾构中，添加材料是以下面的各种目的被注入到开挖面或压力舱内的：①提高压力舱内充满的开挖土砂的塑性流动性；②与开挖土砂搅拌混和以提高不透水性；③防止开挖土砂在盾构机内的粘附。另外，还可以得到以下附带效果：①减少切削刀头和面板等的磨损；②减小刀盘和螺旋出土器的扭矩。另外，在盾构正常掘进时，水也是一种物美价廉的碴土改良剂，通过刀盘上的泡沫孔或土舱壁上的球阀向开挖面、土舱内注射水，可以提高碴土的流动性，降低刀盘及土舱的温度。特别在开挖面为全断面花岗岩风化岩层或上部为非砂层的上软下硬地层中掘进时，向土舱内添加水可以大大改善盾构机的出土条件。
6.3带压开舱换刀技术
在上软下硬地层盾构掘进过程中，应适当增加开舱检查刀具的频率，随时掌握滚刀的磨损情况，以保证刀具切削岩层的能力。滚刀的磨损量一旦超过标准，如不及时更换刀具而强行掘进，不但不能保证掘进速度，还会损坏刀座、刀盘，严重影响盾构机的使用寿命。刀具更换宜选择在工作井或地质条件较好、地层较稳定的地段进行。在不稳定地层更换刀具时，必须采用地层加固或压气法等措施，确保开挖面稳定。由于开挖面上部不稳定地层的存在，应尽量避免在上软下硬地层中实施开舱作业，无法避免且周边环境没有条件实施地面加固时，一般采用带压措施开舱换刀。
结束语：
在盾构施工环境的诸多因素中，基础地质情况和工程地质特征是最重要的，因为它们是盾构选择机型及采用何种盾构施工工艺最重要的前提条件。
参考文献：
[1]徐国平等.浅谈上软下硬地层盾构掘进施工风险及对策[J].农家科技（下旬刊）.2015（02）：41.
[2]赵翔元.复合地层土压盾构机施工预防地表建筑物沉降研究[J].城市建设理论研究.2013（04）：97.