软硬不均复杂地层的盾构施工技术研究
1 前 言
北京地 铁 4 号线 纵贯北 京西部城 区南北 ，起于丰 台 区南 四环 路 的公 益 西 桥 ，穿 越 丰 台、宣武 、西城 、海淀 四 区 ，途 中设 置 24 个 车站 ，最终 到达 海 淀 区 的 安 河 桥 北 站 ，线 路 全 长 29km 。沿 线所经地 层大都 为粉质粘 土 、粉 土 、砂层 (粉细砂 、中粗砂 )、砂 卵 石 等 地 层 ，地 层 较 软 弱 ，构造比较均一。其 中颐和园一北宫门盾构区间采用盾构法施工 ，区间所处地质条件 比较复杂 ，沿线穿越永定河冲洪积扇 ，并受到西北玉泉山和香山等山脉的影响 ，且局部穿越出露的极硬岩 ，具有山前冲洪积扇地层的复合特性。同时，部分断面岩石风 化严重 ，且存在 漂石 和同一断面软 硬不均 等盾构施 工不利 现象 ，施 工难度 大 ，施工 技术要求 高 。
本文结合依托工程的孤石和软硬不均等地质特点，，对包括盾构机选 型和刀具配置等盾构机主要技术参 数进行较 深人 的探讨 。同时 ，对 掘进模式 的优选 、掘进参 数 、盾 构机姿态 的控制 等方面的技术措施进行了研究，对盾构施工过程中存在的问题进行了分析 ，并提出了相应的对策 ，形成 了一套较 为成 熟 的施 工技术 方法 。
2 工程概况和 国内外研 究现状
2．1 工程概 况
北京地铁 4 号线颐 (和园) - ：it (官门) 盾构区间位于颐和园东南侧，沿颐和园北侧围墙规划的颐 和 园路 向 西 北 方 向 至 清河 岸 边 新 安 河 桥头 ，迄 止 里 程 D K 25 + 349．749 一 K 26 十428．300 ，区间 长度 左 线 长 1074．919m 、右线 长l 078．551m 。根 据 地 勘 资料 ，区 间 穿 越 第 四纪全新世冲洪积层 、第四纪晚更新世冲洪积层 ，局部穿越二迭系红庙岭组。第 四纪冲洪积层主要以粉土、粉质粘土 、粉细砂 、卵石圆砾层为主；二迭系红庙岭组主要以强一中风化砾岩、微风化砾岩、微风化砂岩 、强一中风化砾岩为主。
根据掘进情况发现 在颐北 区间的 D K 25 +951 一 DK 26+ 020 (中央党校南校区假 山与宿舍楼之间) 隧道下部有中一微风化砂岩出露，呈块状 ，较 破 碎 ；D K 26 + 073．75 至 D K 26+ 080．95隧道 断面上 出现 大面积 的微风化 砂岩 ，岩石 中包裹着未 风化 的 “结合体 ” (经 清华 大学 土木 水利学院建筑材料试验室判定为含花岗岩成分的石英长石)，其最大单轴抗压强度达 169M Pa，岩体较完整。但是左右线岩面有较大的差异：左线岩面较高 ，全断面岩石长度长 ；而右线岩面较低 ，几 乎全是 软硬不均 地层 。
钻孔中实测两层地下水 ，第一层为潜水 ，第二层 为 层 问 潜水 。由 于本 段 地 下 水 不 具 有 承 压性 ，总体上对盾构施工没有太大影响，但是盾构施工对含水的砂层产生一些不利因素，尤其是盾构 开挖面上 部的砂层 容易受 到扰 动而 引起局 部坍塌 。
2．2 国 内外研究现状
本工程施工难点主要是漂石和同一断面软硬不均。地下孤石 (球状风化岩) 是复合地层的典型代表之一。其主要特征是体量小 ，与周围岩体强度相差甚大 ，且大部分赋存在全风化～强风化岩体中。由于球状风化岩的上述特征 ，使其不易被钻探发现，极易影响盾构施工。施工过程中可能出现的主要 问题有 ：刀具磨 损严重、刀座 变形 、更换 困难 ；刀盘磨 耗导致 刀盘 强度 和刚度 降低 ，刀盘变形 ；刀盘受力不均匀导致主轴承受损或 主轴承 密封 被破 坏 、刀 盘堵塞 、盾 构机负 载加大 ；被刀盘推向隧道侧面的大漂石甚至导致盾构转 向，偏离隧道轴线等。国内最早遇到孤石的工程实例是深圳地铁 ，球状风化岩的存在导致盾构掘进过程中刀盘严重变形 ，险些酿成重大事故 。广州 地铁 三号线 市番 一天华 区间 隧道 在开 挖过 程中遇到 的花 岗岩球状 风化体 的岩体 单轴 抗压强 度超过 160M P a。成都地铁一号线一期工程区间隧道 大多通 过 富水砂 卵石地层 ，且 含有 少量大 粒径孤石 ，孤石的最大粒径达 670m m ，孤石单轴抗压强度 65．5 — 184M Pa。针对盾构过孤石时 的施 工 问题 ，尽 管采 取 了许 多措 施 ，在 一些 问题上有所突破 ，但总体效果仍然不是很理想 ，仍处于摸索阶段 ，并且 尚未找到一种切实有效的施工方法 。
国内外就软硬不均地层盾构施工技术进行了较多的研究 ，但 成功的案例很少 。新加坡 地铁C C L 1 线 隧道 曾遇 到软 硬不 均 的不 稳 定地 层 ，发生了地层坍塌事故 ，一再拖延工期。日本青木公司采用土压和泥水盾构施工的广州地铁一号线 ，遇到部分软硬不均地层 ，曾发生地层坍塌 、地面四层楼房倒塌 的事故。葡萄牙 0 porto 地铁采用盾构 法施工 的 C 线 2．3km 隧道 和 S 线 2．7km 区间隧道，也曾遇到部分软硬不均地层，最终导致盾构 刀 盘刀具损 坏 。在 我 国 ，广 州地铁 在越三 区间隧道施 工 中成功地 实现 了软硬 不均地 层盾 构掘进 。北京地铁 4 号线将穿越粘土、砂卵、硬岩、孤石和软硬不均等 多种复杂地层，牵涉面非常广，可借鉴的成功经验非常有限。
3 盾构掘进 时的主要技术措施
根据北京市地铁 4 号线颐北区间山问冲洪积扇地层的地质特点 ，对地质 断面进 行了认 真分析 ，并综合经济合理性的要求，选用了德国海瑞克 6．28 复合式土压平衡盾构机 [1]。该型盾构机具有广泛的适应性和优 良的可靠性 ，在世界上类似工程领域享有丰富的施工经验和业绩。
3．1 盾 构机 的优选
本标段盾构区间工程地质 比较复杂。针对该段不良地质 ，与海瑞克公司的技术专家进行了若干次技术交流后 ，确定了设备的破岩参数 。值得注意 的是盾 构机 刀盘 的驱动扭 矩 、总推 力 的大小是决定一台盾构机是否能适合复杂多变地层的关键参 数 。另外 ，还有刀 盘 的刚度 强度 以及刀 具 的选配 也是 至关重 要 的。
3．2 刀 具配置
由于本区段为地质情况复杂，为避免在 “上软下硬” 地段换 刀 的风险 ，始 发刀具 采用 双 刃滚刀和齿刀 (羊角刀) 结合的刀具配置，即：边缘区配 备 8 把双刃滚 刀，正面 区和 中心 区共配备14 把齿 刀 。
盾 构机 的 刀 盘采 用 平 面 直 角 形 式 ，中心 区安装 6 把 双刃滚 刀／齿 刀 (羊角刀 )，正面 区安装8 把双 刃滚 刀／齿 刀 (羊 角 刀) ，边 缘 区安 装 5 把双 刃滚 刀／齿 刀 (羊 角 刀 )；64 把小 刮 刀 以及 32把边缘刮刀。滚 刀和小刮刀分别高 出刀盘面板175m m 和 140m m ； 双 刃 滚 刀 的 刀 刃 间 距lOOm m ，通 过 刀 盘 布 局 ， 中 心 区 的 刀 间 距 为lOOm m 。正 面 区 的刀 间 距 lOOm m ，边 缘 区 的刀间距 30m m 。以此可以看出，边缘区的破岩能力是最 强 的 ，而 中心 区的破岩 能力 最弱 。 同时 ，由于在刀盘转动时，边缘 区刀具的线速度最大，所以磨损也 最快 。
现 场施工 发现 ，该复合 式 土压平 衡盾 构机 的各项机械性能以及动力驱动指标是适应的。但是对局部单轴抗压强度超过 80M P a 的极硬岩来说 ，刀盘以及刀具的数量显得明显不足，尤其是未风化的 “结核体”强度已经远远大于刀盘 的破岩能力 。
3．3 掘进模 式
1) 土压平 衡 盾 构机 具 有 敞 开 式 (开 胸 式 )、半敞开式 (半开胸式)、土压平衡模式 (闭胸式)三种掘进模式 。根据本区间的地质情况 ，结合不同地层的特征 ，所选用的掘进模式也不相同口]。
全断面 岩层 掘进 ：采用 敞开式 掘进 模式 ，使用泡 沫剂来 改 良渣 土 ；
2) 软弱 地 层 掘进 ：采用 土 压 平 衡 模 式 ，渣土改 良主要采 用泡 沫和适 量 的膨 润土 。土仓 压力不需要频繁调节 ，只需要保证土仓压力略大于掌子 面的 土压和水 压力 之和 即可 ；
3) 砂卵石及 “上软下硬”地层掘进 ：此段地层 比较复杂 ，断面上地层差异很大。由于断面上 部地 层软 弱并局 部有 含水 的砂层 ，所 以容 易引起 上部 塌方 ，所 以也采用 土压 平衡 模式 掘进 。但在这种 不 良地 层 掘进 时 土 仓 压 力 不 易 控 制 ：过高 ，则盾构推力和扭矩增大，作用在开挖面的有效推力不易掌握 ；过低 ，则易弓l起开挖面坍塌造成 地面沉 陷。
3．4 掘进参 数
盾 构施工前 ，要根 据不 同的工程地 质特性 以及隧道的埋置深度计算确定主要的掘进参数，包括：盾构姿态 、推力、扭矩、掘进速度 、刀盘转速、贯入度、土仓压力，并根据始发掘进试验段的监测情况进行及时的调整。值得强调的是 ，由于土压平衡模式下实际上是一种通过螺旋机的旋转出土形成的动态平衡 ，所以在实际操作过程 中螺旋 机 的转速和压 力也要 引起足够重 视。
1) 土仓压力 (以 5 号传感器控制) ：掘进时土仓压力 0．8 — 1．0bar~ 停机拼环时 1．2 以上 ；
2) 推力及扭 矩：推力 6000 — 10 000kN ；设 定 工 作 油 压 180bar ( 急 停 扭 矩 约 3500k N ．m ) ：
3) 刀盘转 速 ：0．8 — 1．Or／m in ；
4) 贯入度 (切削 量)：20 — 30m m ／rpm ；
5) 同步注浆压力及注浆量：浆液采用水泥砂浆，注 浆 压 力 1．8 — 2．8bar (严 禁 超 过3bar)，注浆量大于 5．8m 。／环 ；
6) 螺旋机转速：小于 8r／r a in。
3．5 盾构 机姿 态的控 制
在复杂地层 ，特别是在存在孤石和软硬不均地层中掘进时，盾构机姿态控制非常重要 ，若未及 时调整 掘进参 数就可 能导致盾构 机偏离设计 轴线 。调整 千斤顶 推力纠偏 效果 时会 加大刀具 的磨损，同时纠偏过猛，存在盾构机被卡和管片错 台加大的风险。因此 ，盾构机在复杂地层 中掘进时 ，一定要控制好盾构姿态 ，一旦盾构姿态出现偏离 ，要遵循 “勤纠偏，缓纠偏”的原则，不能急纠猛纠 ，造成刀具的无谓磨损，甚至盾构机难以前 进。
4 盾构掘进 情况分析及对策
4．1 盾构掘进情况分析
从本 区间 的掘进情 况看 ，盾构 机在软 弱地层(包 括部分 强 风 化 岩 层 ) 中 掘 进 是 比较顺 利 的 。盾构机单 日掘进最高可达 27 环／日，月掘进可达500m 以上，地 表 沉 降 和隆 起 控 制 在 一 2O 一10m m 。除了掘进参数较为合理外 ，很大一个客观因素是强风化岩层的岩面高度没有超过力盘的中心区且岩体较破碎 ，边缘区滚刀起到了一定的作用 ，正面 区齿刀 可以将小块 的岩石 刮进土仓 。
在 全断面基 岩地段 掘进 ，盾 构机时 而 出现扭矩跳 变、刀盘 急停 ，推 力增大 的现象 。此时 ，及时地将齿刀全部更换为双刃滚刀 ，．掘进 45 天通过 该 区 段 (里 程 D K 26 + 073．75- - D K 26 +122．6)。经土仓取样检验，判断为石英含量较高的微风化砂岩，单轴抗压强度 124M pa，一共更换滚 刀 27 把 。
在上软下硬地层中，上层为砂卵和粘土交互地层，下层为微风化砂岩 。两种地层强度相差较大 ，下层 砂岩最 大强度达 到 169 M Pa。在 上软下硬地层中掘进时，岩层上覆盖的含水砂层极易造成坍塌 ，岩面在纵向和横向都有明显的变化，需要不断地 转换掘进 模式 ，及时调 整掘进参 数 。推力一般设定在 12 000kN 左右 ，最高时达到了 15000kN 左 右 ，扭 矩 常 常 跳 变 引 起 刀 盘 急 停 。 由于岩石强度远远大于滚刀特别是中心区的破岩设计强度，因此，刀具磨损严重换刀频率 大大增加 ，共更换滚刀 7O 多把。作业时还发现岩面中镶嵌大块的 “结核体”，滚刀在上面几乎没有留下轨迹。为了控制地表沉降，防止掌子面上层土体在刀盘转动时塌方，决定采用土压平衡模式掘进，选用合适的泡沫剂来改良渣土，通过形成土塞效应来保证盾构机的安全施工。但是由于开挖面上部砂 层松散 、流动性 大 ，无 法进行带 压换刀作业 ，所 以每一次换刀都要进行长时间的地面注浆加固，仅这 81．82m 上软下硬地层的掘进就用了近 124 天时间，增加了盾构机的停机时间，严重影响施 工工期 。
4．2 复杂地层盾 构施工 经验及对 策
在复合地层中掘进，主要是要处理好以下几个环节：一是土压的动态平衡，尤其是软硬不均地层 中的土压平衡 ；二是配置合理的刀具和掘进参数，确保盾构机在复合地层中能正常掘进 ；三是 在岩层 中的持续快 速的掘进 。通过本 区间的复杂 地层的盾 构施 工 ，采取 了相应 的对 策 。
4．2．1 盾 构机
1) 海瑞 克盾 构机 在 总推 力设 计 方 面 绰绰 有余，但在工作扭矩和脱困扭矩方面显得不足 ，施工 中由于扭矩 “跳变” 容易引起 刀盘急 停 ，应适
当加大 ；
2) 刀盘若采用平面直角刀盘，则应选择强度和刚度较高的刀盘，在中心区适 当增加 耐磨层，防止中心刀具损坏后伤及面板 ；
3) 适当增加刀具数量 ，提高中心 区刀具 的破岩能力 。 中心滚 刀刀 间距 大 、线 速度最 小 、破岩能力差 ，决定 了刀盘 的整 体破 岩能力 ；
4) 岩层或者部分岩层掘进尽量选配单刃滚刀。双刃滚刀 的刀间距为 lOOm m ，刀圈的启 动扭矩偏大 ，在开挖岩面不平整或裂隙发育时易发生 “卡刀” 和 “偏 磨 ”，造成 刀具异 常损 坏 ；
5) 安 装 和更换 刀具 时 要注 意 刀 具 的安 装 精度 ，确保刀刃基本在一个平面上。尤其是更换新刀时，由于换刀作业环境恶劣 ，新旧刀具磨损程度不同，刀具的固定螺栓紧固程度不尽相同，容易引起个别刀具在转动时松动造成损坏。
4．2．2 施 工组 织管理
1) 盾构施工前 ，必须在设计详勘的基础上进行加密补勘 ，在周边环境条件允许的前提下尽可 能地揭示 隧道 断面上 的地 质情 况 ，认 真分析不同地层 的特征差异 ，为掘进 参数 的选 择提供依据 ；
2) 选择 安 全 的刀 具检 查 更换 地 点 ，及 时 更换磨损刀具 }
3) 规划合理的场地布置，配备足够的配套设备。盾构掘进是否顺利往往也取决于这方面 ；
4) 加强各个施工环节的协调 ，如运输 、土方外运、管片供给等 ；
5) 重 视盾 构 机 司机 的 培 训 ，提高 操 作 人员责 任心 ；
6) 加强设备管理，减少非正常停机时间。
4．2．3 技 术管理
1) 根据地层特征，确定合理 的掘进参数；
2) 选用适合 的渣土改 良添加剂。在软弱地层掘进时 ，宜采用泡沫剂；在砂卵石层掘进时 ，加大土仓内膨润土的注入量着重改善土仓内渣土的 和易性 ，以达 到稳定 土仓 压力 的 目的 ；
3) 重 视螺 旋 机 的操 作 。土 压平 衡 是 通 过螺旋机的动作所达到的动态平衡，在敞开模式掘进时也是提高刀具切削效率、有效降低刀具磨损的手 段 。
5 结 语
北京地 铁 4 号 线 颐北 区 间 隧 道 所 处 地 层 复杂，存在漂石和同一断面软硬不均等盾构施工不利现象，刀盘刀具磨损大 ，换刀频率高，施工难度大。通过加强管理 、提前策划 ，尤其是对不同地层 的特性进行 了认真分析，盾构施工取得 了较好的效果 ，安全快速地通过 了本 区间，并得出一些 盾构施 工 经验 ：地 质认 知是 前提 ，施 工技术 管理是关键 ，盾构机选型及合理的参数是保证。基于本 工程复 杂地段 盾构施 工 ，总结 出一 套较 为成熟 的施 工技 术方法 ，主要表现 在 ：
1) 结合不同地层 的特征 ，选用不同的掘进模式 ，优化 掘进 参数 ；
2) 配置合理的刀具 ，提高刀盘切削土体 的效率；
3) 严格 控 制 盾 构 机 姿 态 ，遵 循 “勤 纠 偏 ，缓 纠偏 ” 的原 则 ；
4) 加强施工组织管理，保证盾构掘进安全快速 地进行。
