軟硬不均地層復合盾構的研究及掘進技術？
針對廣州地鐵二號線越秀公園—三元裏區間的軟硬不均地層的盾構施工，提出復合盾構的設計思想，並對復合盾構的功能及技術參數進行研究，分析刀盤、刀具與地質的適應性。研究復合盾構掘進模式的原理、掘進參數及模式之間的轉換技術，解決了軟硬不均地層的掘進難、效率低、成本高、地層變形不易控制等技術難題。為了有效地控制掘進方向和盾構姿態，分析盾構掘進方向偏差的原因，研究相應的控制方法，達到了防止管片裂損和控制錯臺的目的。為防止黏性地層掘進的“泥餅”現象及富水地層掘進的“噴湧”現象的發生，研究相應的渣土改良技術。通過盾尾環形間隙同步註漿技術的研究及采用可靠的技術措施，並加強施工監測，及時變更掘進參數，控制地層的變形，確保京廣鐵路正常運營及臨近建構築物的安全。
1引言
本文依托廣州地鐵二號線越秀公園—三元裏(以下簡稱越三)區間隧道盾構法施工進行研究。地層軟硬不均，其中強度較高、穩定性能好的中風化巖(8)和微風化巖(9)占多數，巖石單軸抗壓強度最高達到78.2MPa。同時洞身還通過強風化巖(7)、全風化巖(6)(呈土狀)、殘積土層(5)和斷層破碎帶等不穩定地層，地層分界面起伏大，軟硬交錯，並且巖層中普遍含礫石，對刀具嚴重磨損。地質縱斷面見圖1，各種地層分布統計見圖2。由於地層中存在高黏性土層，盾構掘進時容易在刀盤前部形成泥餅，嚴重影響掘進。同時通過富水的斷層破碎帶時，施工可能發生突水現象。
越三區間隧道穿越地區地表交通繁忙，建築物密集，有135棟建築處於隧道上方，樁基底部距隧道最近的僅0.56m，有31根建築物樁基距隧道頂部僅0.56～2.00m，樁基類型多，所處地層各異。約165m長隧道要穿越廣州火車站14股軌道，並且站內人行天橋樁基和郵電地下通道底板離隧道頂僅3～5m。
針對越三區間的軟硬不均地層及復雜地質環境的盾構施工，為解決其掘進難、效率低、成本高、掘進方向及地層變形不易控制等技術難題，需要研究復合盾構及其掘進模式、掘進參數、掘進模式之間的轉換技術等，同時還需研究相應的姿態控制技術、渣土改良技術以及地層變形控制技術等。
2復合盾構的研究
2.1復合盾構功能設計
國內在如此復雜地層采用盾構法施工尚屬首例，其在國際上也十分罕見，而僅有的幾個工程也沒有得到較好解決，如：新加坡CCL1線地鐵、葡萄牙Oporto輕軌隧道和日本公司在廣州地鐵壹號線，在采用土壓或泥水盾構施工時，遇到部分強度差異大的不穩定軟硬不均地層，均進度緩慢，且多次發生地層坍塌甚至樓房倒塌事故。因此，研制能適應復雜多變軟硬不均地層施工的復合盾構及其掘進配套技術，對保證越三區間工程安全、優質、高效地建成及促進我國盾構法技術水平的提高都有重大意義。
根據越三區間地質及環境條件，要求盾構機必須具備各種地層的破巖掘進能力、控制地層變形能力、防噴湧及靈活的姿態調整能力、刀盤防泥餅能力等。TBM和傳統盾構均不能同時具備這些功能，因此，提出了將硬巖掘進機破巖掘進原理與軟土盾構切削推進及穩定工作面原理有機結合起來的復合盾構設計思想，進行復合盾構的功能設計[1～6]：
(1)針對多種不同地層的破巖掘進問題：盾構機必須配置復合刀盤，使滾壓破巖、切削破巖可單獨或混合使用，滾刀和齒刀可互換或混裝。
(2)針對穩定工作面及控制地層變形問題：盾構機必須配置壹機三模式功能，即土壓平衡式、開敞式、半開敞式，各模式可互換，可根據需要提供穩定工作面壓力；必須具有同步註漿功能，盡早填充環形間隙並控制地下水流失。
(3)針對防“泥餅”問題：盾構機必須配置泡沫註入系統，刀盤倒八字形開口，向刀盤前面、土艙和螺旋輸送機註入泡沫，改善渣土流塑性，利於渣土進入土艙。
(4)針對防“噴湧”問題：盾構機必須配置渣土改良系統，具有兩節螺旋輸送機，提高渣土止水性，防止地下水流入，建立“土塞”效應。
(5)針對掘進方向控制問題：盾構機必須配置自動導向系統，隨動鉸接裝置，分區控制推進油缸。實時指示並控制行進姿態，可靈活轉彎並實施糾偏。
(6)針對刀盤、刀具和出土機構的磨損問題：盾構機必須配置渣土改良系統，背裝式刀具。提高渣土流動性，並可根據地層情況合理配置和安全更換刀具。
2.2復合盾構主要技術參數設計
(1)盾尾間隙
盾尾間隙包括：理論最小間隙、管片允許拼裝誤差、盾尾制造誤差、盾尾結構變形以及盾尾密封刷的結構要求等。
經計算得，理論最小間隙：b1=10mm；管片精度及拼裝誤差：b2=5mm；盾尾制造誤差：b3=5mm；盾尾變形：b4=5mm；其他：b5=5mm；盾尾密封刷安裝：b6=45mm。盾尾總間隙：b=75mm。
(2)推力
盾構外部荷載按照最大埋深處的松動土壓和兩倍盾構直徑的全土柱高產生的土壓計算，並取兩者中最大值計算。盾構的推力應包括：在土壓平衡模式下，有
總推力計算得：EPB模式為22478kN；TBM模式為18422kN。根據經驗，在盾構上坡和轉彎時盾構的推力按直線水平段的1.5倍考慮，越三區間的盾構機實際配備推力為34210kN，能夠滿足盾構的需要。
(3)扭矩
在軟土中推進時扭矩包含：切削扭矩、刀盤自重產生的主軸承旋轉力矩、刀盤推力產生的旋轉阻力矩、刀盤所受推力產生的反力矩、密閉裝置所產生的摩擦力矩、刀盤的前端面的摩擦力矩、刀盤後面的摩擦力矩、刀盤開口的剪切力矩、土壓腔內的擾動力矩。計算得總力矩為4475kN·m。
在硬巖中推進時扭矩包含：刀盤滾動阻力矩、石渣攪拌所需要的扭矩、克服刀盤自重產生的其他力矩。計算得總力矩為2347kN·m。
越三區間盾構機實際配備的刀盤驅動扭矩為4500kN·m，大於前面的計算值，滿足需要。
(4)螺旋輸送機出土能力
盾構開挖需要出土能力的理論值為
式中：D為盾構機的開挖直徑，Vmax為盾構最大開挖速度，ζ為渣土松散系數。
計算得所需的理論出土能力為238m3/h，越三區間盾構實際出土能力為300m3/h，滿足要求。
(5)盾構掘進速度計算
在硬巖地段，盾構機每單轉的掘進速度為V0=6～10mm/轉，最大轉速為6r/min，掘進速度應為60mm/min；在軟土地段，盾構機的最大掘進速度為推進油缸的最大設計推進速度，即80mm/min。
2.3刀盤刀具的研究設計
通過力學分析，並對廣州地鐵施工時掘進面的巖體破裂角、滾壓切槽、槽間巖棱、刀具磨耗與破壞等大量數據進行統計分析，對滾刀間距以及滾刀、切刀、面板的相對高差進行了優化設計，越三盾構刀具為：(1)雙刃正滾刀13把、雙刃中心刀6把，均用於硬巖掘進，最大設計破巖能力80MPa，背裝式，可換齒刀，刀刃距刀盤面175mm。(2)中心齒刀6把、正齒刀8把，用於軟土掘進，背裝式，可換裝中心齒刀，刀刃高度140mm。(3)切刀64把、軟土刀具，裝於排渣口壹側，同時可用作硬巖掘進中的刮渣，刀刃高度140mm。(4)弧形刮刀32把，刀盤弧形周邊軟土刀具，同時在硬巖掘進下可以用作刮渣。(5)仿形刀1把：用於局部擴大隧道斷面，行程80mm。
3掘進模式轉換及姿態控制技術
3.1掘進模式的基本原理
復合盾構具有敞開式、半敞開式、土壓平衡式三種掘進模式。
(1)敞開式：土艙內不需要保持任何壓力的壹種盾構掘進模式。當盾構通過的地層自穩性好，且掘進對周邊環境影響小或地下水較少時，可以采用敞開模式進行掘進。
(2)半敞開式：掌子面雖然有壹定的自穩性，但是不能完全自穩，或是雖然穩定但由於存在壹定量的地下水，需要在掌子面建立壹定的壓力來防止地下水進入土艙，減少水土流失。為了減少刀盤轉動的扭矩，只需要在土艙內保持少量的渣土(通常1/2～2/3)，然後向土艙內註入壓縮空氣或泡沫來輔助進行開挖，這就是半敞開模式。
(3)土壓平衡式：在盾構開挖時，利用掘進渣土對土艙內的土加壓或加註輔助材料產生的壓力來平衡開挖面的土壓及地下水壓力，保持工作面的穩定，以避免掌子面坍塌或地層失水過多而引起地表下沈的壹種盾構掘進模式。
3.2掘進模式轉換技術
(1)敞開式向半敞開式轉換
主要要確保渣艙內能夠保住氣壓，渣艙內的渣土高度應高出螺旋輸送機進料口的上部2～3m。轉換時應先將螺旋輸送機的轉速適當調低，使出渣速度小於掘進速度所切削下來的渣土，以使渣艙內的渣土高度升高到氣壓平衡所需的高度，然後向渣艙內註入壓縮空氣建立所需氣壓。
(2)半敞開式向敞開式轉換
關鍵是要盡快地降低渣艙內壓力，同時降低渣艙內渣土高度，因此要加大螺旋輸送機轉速，並加大輸送機出料口開啟度，以利於渣土的排出。
(3)敞開式向土壓平衡式轉換
關鍵是要盡快建立所需的土壓，轉換時壹般是首先停止螺旋輸送機出渣，使掘進切削下來的渣土盡快填充渣艙內的空間，以保持工作面及地層的穩定；當渣艙內的土壓達到掘進設計土壓值後，再開啟螺旋輸送機進行排土出渣，並使出渣速度與土壓平衡模式的掘進速度所切削下來的渣土量相平衡。
(4)土壓平衡式向敞開式轉換
關鍵是盡快降低渣艙內的土壓力，加大螺旋輸送機的轉速，以加大出渣速度而降低渣艙內的壓力，降低刀盤轉動所需的扭矩以便於加大刀盤的轉速，降低總推力而有效地加大掘進推力，提高掘進效率。
(5)半敞開式向土壓平衡式轉換
主要目的是防止地下水滲入渣艙及在地層不穩定時要提供足夠的平衡壓力。因此必須將渣艙內壓縮空氣所占的空間用渣土替換，轉換過程應減小螺旋輸送機的出渣速度，以加大渣艙內的壓力使渣艙內的空氣以逃逸的方式進入地層，從而建立土壓平衡掘進模式。
(6)土壓平衡式向半敞開式轉換
主要是將壓縮空氣置換出渣艙上部的渣土，因此在空氣與渣土的置換過程中，出渣速度要與掘進速度所切削下來的渣土量和註入壓縮空氣的量之和相匹配。
3.3掘進方向偏差的原因及解決辦法
影響盾構掘進方向偏離線形參數的主要因素[6，7]：
(1)盾構機自身的因素。盾構主機的重量分布形象的描述為“頭重腳輕”，只依賴掘進推力與工作面的摩擦力不足以維持盾構的姿態，因此，往往盾構自身具有“低頭”的傾向。通過調加大盾構下部推進力，維持盾構的平穩前行。
(2)地質因素的影響。在施工過程中由於斷面內巖層軟硬不均，推力和扭矩變化較大，盾構主機有著向地層較軟壹側偏移的慣性。應事先掌握掘進面的地層分布狀況以及其地層分界面的變化情況，制定初步的掘進參數計劃。
(3)人員的操作水平。由於操作人員的技術水平和工作責任心的不同，往往會導致掘進方向發生較大的偏差。因此應制定嚴格的操作規程。
(4)盾構前體與盾尾通過鉸接油缸連接的中折轉角影響。通常要求盾尾與未脫離盾尾的管片環之間的空隙沿周邊均勻，有利於掘進方向的控制，也有利於掘進方向的調整。
(6)導向系統的誤差。對於控制點的誤差，主要是通過多級測量復核消除誤差根據上述偏差控制方法進行施工，得到越三區間盾構施工偏差的統計資料，後期的盾構掘進方向偏差得到了有效的控制，基本上都控制在±50mm的範圍內，如圖3所示。
4渣土改良技術
4.1渣土改良的作用
根據國內外經驗，在盾構施工中尤其在軟硬不均地層的盾構施工中，渣土改良是保證盾構施工安全、順利、快速的壹項不可缺的重要技術手段。具體作用如下：使渣土具有較好的土壓平衡效果，利於穩定開挖面，控制地表沈降；使渣土具有較好的止水性，以控制地下水流失；使切削下來的渣土順利快速進入土艙，並利於螺旋輸送機順利排土；可有效防止土渣黏結刀盤而產生泥餅；可防止或減輕螺旋輸送機排土時的噴湧現象；可有效降低刀盤扭矩，降低對刀盤、刀具和螺旋輸送機的磨損。
4.2不同地質的渣土改良技術
(1)在砂質黏性土和全、強、中風化泥質粉砂巖的掘進中，主要是要穩定開挖面，防止刀盤產生泥餅，並降低刀盤扭矩。壹般采取分別向刀盤面和土艙內註入泡沫的方法進行渣土改良，必要時可向螺旋輸送機內註入泡沫。
(2)在硬巖地段的掘進主要是要降低對刀具磨損、螺旋輸送機的磨損，防止湧水，壹般采取向刀盤前和土艙內及螺旋輸送機內註入含水量較大的泡沫為主。
(3)在富水地段和其他含水地層采用土壓平衡模式掘進時，主要是要防止湧水、防止噴湧、降低刀盤扭矩，壹般向刀盤面、土艙內和螺旋輸送機內註入膨潤土泥漿，並增加對螺旋輸送機內註入的膨潤土，以利於螺旋輸送機形成土塞效應。
(4)在砂土地層中掘進時，主要是保持土艙內的壓力平衡，以穩定開挖面，控制地層沈降，擬采取向刀盤面和土艙內註入泡沫來改良渣土。泡沫註入量根據具體情況確定。
4.3泡沫劑的渣土改良技術
(1)泡沫劑的使用
泡沫劑通常按1%～6%進行配制，溶於水中。也可根據開挖土體的顆粒級配、不均勻系數、掘進速度、掘進的推力和扭矩的具體情況進行調整。
(2)泡沫劑的註入
註入方式：泡沫劑的註入可選擇采用半自動操作方式和自動操作方式。
註入率：在壹般情況下泡沫的註入率的最小值為20%，當渣土較黏時，為防止產生泥餅或堵倉，泡沫的註入率最小不小於30%。在實際施工過程中，泡沫的註入率要根據掘進期間對渣土的觀察來做相應的調整，而影響註入率的最關鍵因素為土體的液限、塑限以及土體的含水量。根據經驗，土體的黏稠指數Ic=0.5時，土體比較容易改良。其中黏稠指數計算公式為
Ic=(wL-ws)/Ip(4)
式中：wL為土體的液限，ws為土體含水量，Ip為塑性指數。
4.4渣土改良效果分析
越三區間盾構在殘積土層或全風化巖層的掘進時，通過加入泡沫進行渣土改良。掘進過程的典型特征：渣土流動性好，呈塑性狀態，渣土上有明顯的水的光澤，用手抓渣土時，能比較輕松的抓取；螺旋輸送機出渣連續且在皮帶機上鋪展良好，沒有產生泥餅及球狀渣土；在渣土中，能明顯的聞到渣土中有泡沫劑味；渣土的稠度壹般為25～40mm。
分析：由於渣土改良效果相對較好，盾構機在掘進時表現了典型軟土掘進參數狀態，即扭矩不大，掘進速度高而穩定，掘進效率高。
5地層變形控制技術
5.1盾構下穿廣州火車站時地層沈降控制技術
該區間隧道穿越廣州火車站14股軌道，隧道與站臺關系示意圖如圖4所示。
為保證列車運行安全，要求盾構通過時，軌面沈降值不得超過10mm，兩股鋼軌水平高差不得超過4mm，且在任何情況下，最大隆起量不大於10mm。
盾構穿越站場地段的地層主要是中風化、強風化地層和硬塑殘積土地層，區段長約160m，埋深約15m。由於開挖面自穩能力較差，因此確立施工原則為：模式正確、土壓合理、快速掘進、同步註漿、及時補強、嚴密監測、快速反饋。
(1)地表沈降主要的控制技術[8]
①盾構掘進模式：通過計算，為滿足軌道和地表沈降的嚴格要求，采用土壓平衡模式掘進。
②同步註漿：必須采用同步註漿，註漿量為6.5m3/環；註漿壓力：(2.5～3.0)×105Pa。確定註漿壓力時，為避免對地層產生大的擾動，以地表不產生隆起為原則，根據地表沈降監測結果，及時進行調整。
③土壓力：為了確保開挖面穩定，理論上土壓力應為靜止土壓力和水壓力之和，並考慮預留量。
土艙內土壓維持在1.5×105Pa以上，在掘進的過程中，如果沈降值偏大，適當增大土壓力。
④掘進速度：掘進速度控制在5cm/min。為避免對地層產生較大擾動，並適當控制盾構推力，控制盾構前地表隆起小於2mm。
⑤盾構姿態控制：盾構水平蛇行小於10mm/環；上下控制5mm/環。減小不必要的地層損失。
⑥控制地下水流失：地下水的流失，易引起地層產生固結沈降，使地表產生較大沈降，且影響範圍很大。為此要求密切關註作業面的出水量，壹旦發現渣土太稀、水量偏大或工作面有地下水湧出，立即關閉螺旋輸送機艙門，建立氣壓平衡或土壓平衡模式。
⑦監控量測與信息反饋：采用CZ–8Y型形變監測儀(自記連通管沈降監測儀)，對軌道實行連續自動監測。根據監測信息，及時調整掘進參數，以減小盾構掘進對地層的擾動，和盾尾通過時地層損失，有效控制地表沈降。
(2)地表沈降結果分析
①右線地表沈降控制在很小的範圍內，而且變形很快穩定。但地表受左線施工二次擾動，沈降量也有所增大。後由於土渣艙壓力較大，地表略有隆起。
②左線隧道剛進入站場施工時，由於地層穩定性稍差，相應的地層損失增大，最大沈降量5mm左右；接著由於土艙內土壓力設定較高，局部地表略發生隆起；後經過壓力調整，地表沈降2mm左右。
③該段達到最大隆起0.6mm，最大沈降5.4mm的效果，確保了列車運行安全與構築物的安全。
5.2盾構下穿近接建築物的地層沈降控制技術
在隧道施工影響的建築物中，其中下穿的167#建築有29根樁基距隧道頂部只有0.6～2.0m，隧道與167#樓樁基關系見圖5。如何準確預測並控制隧道施工對樁基的影響，並在施工中采取措施保護建築物的安全有相當大的難度。通過采用正確的掘進模式、合理的掘進參數、同步註漿等技術，並加強施工監測，根據變形速度和變形量反饋信息，及時變更掘進參數，並對建築物基礎進行加固，得到建築物測點沈降歷時曲線如圖6所示，最終沈降量控制在5mm內、沈降速度控制在1mm/d內，而且後期沈降很小。說明研究采用的施工參數比較合理，盾構施工對周圍建築物影響較小，保證了盾構順利穿過167#建築和其他建築物的安全[9]。
6環形間隙同步註漿技術
盾構環形間隙同步註漿的方式：同步註漿是通過同步註漿系統及盾尾的註漿管，在盾構向前推進盾尾空隙形成的同時進行。漿液在盾尾空隙形成的瞬間及時起到填充作用，從而使周圍巖體獲得及時的支撐，可有效防止巖體的坍塌，控制地表的沈降。在地層穩定性差，采用EPB模式掘進時，同步註漿的重要性更為明顯。
6.1註漿材料試驗
經過5次現場試驗，不斷的調整砂漿的配合比，並對試驗結果進行分析。從試驗數據可以看出，前面所測試的幾組砂漿的稠度、傾析率、1d強度基本符合要求，但漿液流動性未達到要求，而且漿液單價偏高，不利於降低生產成本[10]。
根據施工現場情況，為滿足不同階段施工要求，經反復試驗調整，獲得以下3組漿液配比，見表1。
6.2盾構環形間隙註漿技術
6.2.1主要技術參數
(1)註漿材料選擇
根據註漿材料現場試驗，同步註漿和即時註漿材料均為水泥砂漿，配比如表1所示[10，11]。
(2)註漿參數選擇
註漿壓力：根據施工實際，越三區間背襯同步註漿和即時註漿壓力控制在0.1～0.3MPa，二次補強註漿壓力控制在0.3～0.5MPa。
註漿量：根據盾構施工環形間隙同步註漿的註漿量經驗計算公式：
Q=Vλ(5)
式中：V為充填體積，λ為指註漿率。
計算得環形間隙同步註漿所需註漿量為5.65～7.82m3/環。二次補強註漿量具體由現場情況確定，以壓力控制為原則，單孔註漿量為2.42m3，每環註漿量為7.3m3。
註漿速度：由註漿泵的性能、單環註漿量確定，應與掘進速度相適應。假設掘進速度為1.5m/h，則單泵註漿速度應控制在70～100L/min。二次補強註漿可控制在10～25L/min。
6.2.2註漿系統與施工工藝
(1)註漿系統
同步(即時)註漿系統為自動註漿系統，使用的兩個註漿泵，為全液壓雙缸雙出口活塞註漿泵。漿液在攪拌站配置好以後，由砂漿運輸車運至註漿站，通過軟管抽送至砂漿存儲罐內(即攪拌罐)，連接好註漿管路，並設定壓力、流量進行註漿。註漿管路采用內徑50mm的高壓膠管和外徑50mm的普通鋼管，在註漿孔接頭處有抱箍式管接頭和抱箍式閘閥以及壓力傳感器。註漿結束標準亦采用系統的自動控制程序。
(2)施工工藝
為了使環形間隙能較均勻地充填，並防止襯砌承受不均勻偏壓，同步註漿同時對盾尾預置的4個註漿孔進行壓註，在每個註漿孔出口設置分壓器，以便對各註漿孔的註漿壓力和註漿量進行檢測與控制，從而獲得對管片背後的對稱均勻壓註。
(3)漏漿現象的處理
盾尾漏漿：壹般采取堵漏的方法，用棉紗進行封堵。掌子面漏漿：由於圍巖穩定性等原因，造成盾殼與巖面間空隙過大，註漿時漿液會順著盾殼外壁漏進掌子面，遇這種情況，需利用泡沫註入系統，向盾殼與巖壁間註入壹膨潤土隔環，防止註漿流入掌子面。
6.3環形間隙註漿對地表沈降的影響
(1)右線隧道縱向地表沈降分析
在YDK17694.5～YDK17346段地層主要是中風化(8)地層，采用敞開模式開挖，註漿方式為即時註漿，其中YDK17694.5～YDK17651段地表沈降較大，累計沈降達9.4mm。分析其主要原因是註漿量不足，註漿填充率小於1。
(2)左線隧道縱向地表沈降分析
在ZDK17289和ZDK1798出現較大的湧水，地表沈降明顯增大，最大地表沈降超過50mm。分析其原因主要是註漿量不足，沒能有效填充建築間隙，在地層壓力作用下引起地層向隧道方向收縮。
7結論
本文的研究成果拓展了盾構法的技術領域，大大拓寬了盾構法應用的地質範圍，成果豐富了隧道盾構法修建技術；為今後復雜地質隧道運用盾構法提供了理論支撐及很好的經驗案例，有利於推進我國的盾構法技術的進壹步發展。
越三區間隧道施工，達到平均機時利用率67%～75%的國內外最好水平，兩度創國內盾構施工進度的最高紀錄—單臺盾構平均月掘進236和331.4m，最高月掘進405和562.5m。下穿京廣鐵路時，地表沈降控制在5.4mm、軌道沈降控制在2.3mm內，確保了京廣線正常運營；臨近隧道0.56～2.0m的建築物樁基最大變形量僅3.2mm，確保了既有建構築物的安全。在軟硬不均地層中及復雜線形條件下控制隧道軸線偏差小於39mm，在設計要求範圍內。
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