摘要:
在隧道工程施工过程中，盾构施工是一种特殊地基下常用的施工措施，具有受环境制约大、施工周期长等特点。本文以实际工程为例，首先对隧道盾构施工的优缺点进行了分析，然后对盾构施工风险进行了探讨，并提出了相应风险控制策略。
关键词:
隧道工程;盾构施工风险;控制测策略
1工程概况
某隧道工程施工过程中采用盾构技术进行施工，主要地层结构为花岗岩风化地层。在施工过程中遇到了比较多的难题。特别是上软下硬地层、含孤石底层、易结泥饼地层进行施工的过程中，会造成管线破坏、地面塌方、建筑倒塌等事故。隧道工程参建人员在对国内外施工经验进行总结、吸收的基础上，结合隧道工程的具体情况，摸索出了盾构施工风险的控制策略，并取得了良好的应用效果。
2地层类型
在采用盾构施工时对工程周围的地层造成的扰动比较小，出土量也比较小，不需要改移或者切断地下管线设施，适用于距离长、深度大、高水头等恶劣条件下的隧道工程施工，盾构隧道应用范围比较广，可以适用于硬岩层、软岩层、砂卵石层、软土层等地层。在花岗岩地层施工过程中，产生施工风险的主要有以下几类地层:(1)断面为夹杂有花岗岩球状风化体(孤石)，为全风化岩和含有英砂砾黏土。(2)断面为硬塑状、可塑的全风化岩、花岗岩残积土和强全风化岩，这类地层容易结成泥饼。(3)断面顶部和上部为残积层、砂层和全风化岩，下部为中微风化岩、墙风化岩，中风化岩和强风化岩大部分都存在良好的水力通道和水空隙，此类地层为上软、下硬的地层。(4)全断面岩体比较完整，并且岩面强度大于100MPa的未风化岩、微风化岩，此类地层为全面面硬岩地层。(5)全断面节理发育的中风化岩，这类地层地下水相对来说比较丰富。
3盾构施工风险
3.1孤石地层
孤石地层施工过程中，由于花岗岩球状风化体体量相对来说比较小，通常为1.0～3.0m，在进行施工时当荷载突然变大时，会导致刀具磨损和刀盘变形等情况，容易出现刀具偏磨、崩刀、卡刀等情况，会对施工成本和施工进度造成比较大的影响。
3.2易结泥饼地层
一般情况下泥饼的形成和特殊的地质条件相关以外，和施工中选择的施工方法、盾构机类型等有一定的关系。例如，在施工过程中误判地质情况、未针对地层类型选择相应的碴良剂、没有设定合理出土压力、冷却措施不合理等致使盾构机作业过程中发热量过大、密封土舱体饱满的情况下长时间停机。泥饼产生的危害主要包括下述几个方面的内容:地表隆起、刀盘固结、地表塌陷、喷涌、盾构机主轴承损坏等。
3.3盾构过硬岩地层
盾构在硬岩花岗岩层进行施工时，主要会出现功率消耗大、挖掘速度慢、刀头更换频繁、刀具磨损严重、盾壳、刀盘容易被卡主、刀盘易变形、功率消耗过大等问题。掘进过程中容易因盾构机壳体转动和振动对盾构机姿态造成影响。此外，盾构全断面花岗硬岩在进行施工时，如果施工工艺和注浆配合比不合理，容易出现隧道损伤、隧道椭变、隧道上浮等问题。
3.4上软下硬地层
盾构在上软下硬地层中进行施工时，刀具容易磨损，盾构机容易出现抬头的情况，盾构姿态控制难度增加。机体容易出现被卡的情况。施工过程中容易出现喷涌、不可控地面沉降等问题。
4盾构施工风险控制措施
4.1孤石地层
4.1.1处理思路
(1)在设计线路时，使用调线、调坡的措施，尽可能防止孤石进入到隧道开挖断面。(2)根据勘察得到的地形地貌资料，制定相应的勘探方案，并找出孤石群和孤石的位置、大小和形态。(3)当勘探到孤石处在隧道洞身时，优先使用地面预处理措施进行处理。常用的预处理措施主要包括冲孔桩法、人工挖孔桩法、钻孔微差爆破法等措施，其中微差爆破法是一种常用的处理措施。(4)盾构机掘进施工过程中，在遇到“孤石”时，如果分析有风险存在，可以先对洞内或地面进行处理后再掘进通过。如果可以直接通过，则安排盾构机直接通过，通过过程中勤检测、勤更换刀具。(6)洞内处理措施主要包括机械破岩法、静态爆破法等，这类人工破岩操作方法在进行操作时，首先要保证开挖面的稳定性，如果无法保证地面的稳定性，则需要加固地层。
4.1.2人工挖孔桩
首先根据设计要求将人工挖孔桩做好，然后挖除孤石周围的岩层或土层，对于影响盾构正常施工的“孤石”使用静力破碎机进行破碎后取出，然后使用C1混凝土进行回填，消除施工风险。
4.1.3地面钻孔微差爆破法
首先对隧道范围内的孤石进行勘探，然后将地面垂直钻孔布置好，对隧道范围内的孤石进行爆破处理，爆破后碎石的直径要低于30cm，然后安排盾构掘进通过。通常使用地质钻机钻孔施工，钻进过程中先利用泥浆进行护孔，爆破之前遮盖住孔口，避免有杂物掉入到孔中对炮孔造成堵塞。孔内使用毫秒导爆破雷管进行爆破，选择乳化炸药，并使用导爆管进行起爆，采用梅花桩形和矩形布孔方式进行布孔。
4.1.4盾构机直接通过
做好地质勘察工作，充分了解孤石分布的具体情况，并分析盾构机是否可以直接进行掘进作业，如果可以就直接安排盾构机掘进通过。注意观察盾构机掘进过程中掘进参数的变化情况，分析是否遇到球状风化岩体，根据施工过程中遇到的各种情况采用带压开舱或常压开舱，勤检查、勤更换刀具。
4.2泥饼地层
(1)盾构设计时为了可以充分搅动泥饼和破碎泥饼，需要在土舱壁上设置固定搅拌棒，在刀盘上布置主动搅拌棒。为了可以施工过程中及时向碴土中注入泡沫和水，在搅拌棒、舱壁处、刀盘等位置要设置多个喷头。(2)施工时，要尽可能扩大中心区的开口率。施工过程中，要使用粘性差的砂土或泥浆取代一部分土体填入到土舱中，防止土舱饱满时出现长时间停机的情况。(3)对于围岩比较稳定的地层可以使用半舱土掘进的方法进行施工。当需要采用土压平衡法进行掘进施工时，为了满足压力要求，可以向土舱中加气。(4)对碴土温度进行监测，当发现有异常情况出现时，需要适当增加泡沫剂的使用量。(5)当有泥饼产生时，空转刀盘，在离心力作用下泥饼会脱落。条件允许的情况下，也可以使用分散剂对舱内泥饼进行溶解。
4.3硬岩地层
施工过程中遇到“硬岩”地层时，如果可以在地面布置竖井，那么可以使用矿山法对隧道进行开挖，然后使用盾构拼装管片通过，并将注浆填充工作做好。如果只可以使用盾构进行掘进作业，需要先将对应的刀具、刀盘以及组合设置好，施工过程中勤对刀具、刀盘进检查和更换。盾构掘进通过硬岩时的风险控制思路:(1)掘进施工过程中，要结合地质情况合理的对刀具进行组合，并做好滚刀配置。滚刀主要选择单刃重型滚刀，并在滚刀表面镶嵌超硬合金，刀具差控制在3.5cm，滚刀距之间的距离控制在6～8cm。(2)组装滚刀之前，采用堆焊耐磨条的方法对螺旋机腔内、刀盘内外、螺旋叶片进行处理，降低滚刀磨损量。(3)设计刀片时，要保证刀片的刚度，开口率要均匀布置，保证滚刀切割土体可以顺利进入到土舱中。(4)对于Ⅳ类断面基岩裂隙水发育的风险，要结合实际情况使用盾构机在隧道内预留超前注浆孔进行注浆的方法来实现地层涌水封堵。也可以使用土舱回填技术进行堵水施工，开舱后对刀具进行检查和更换。(5)对于V类断面基岩和管片之间的空隙容易形成水力通道的风险，需要保证盾尾同步注浆及时、足量。此外，要在盾尾后使用三环管片或两环管片吊装孔径将双液浆注入，形成结构完整的止水环，防止后方来水进入到土舱中。如此一来不仅可以防止出现喷涌的情况，同时可以避免管片上浮。
4.4上软下硬地层
(1)在施工过程中，遇到上软下硬地层时，如果条件允许，要先调坡调线，使隧道尽量避开上软下硬的地层。(2)隧道上部为砂土时，要首选泥水平衡盾构。(3)实际施工过程中，要勤检查、勤更换刀具，特别是周边刀具。(4)根据地面环境选择掘进作业措施。当地面环境比较复杂时使用土压平衡的方式进行掘进作业，当地面环境简单时使用欠土压模式进行掘进作业。盾构进入到上软下硬的地层之前，要避免盾构向上飘。(5)对碴土进行改良，避免出现喷涌和结泥饼的情况。盾构在上软下硬地层中施工时，需要重点做好刀具检查工作，常用的检查方法主要有泥膜护壁带压开舱换刀法、土舱回填常压开舱换刀和地面注浆、降水或冻结加固地层常压开舱换刀3种。例如本隧道工程在对某断面进行施工时，断面为全风化花岗岩、强风化花岗岩以及微风化花岗岩地层，在推进作业时推力加大，每分钟的推进速度为4mm，使用压气作业进行检查后发现刀具严重磨损，刀盘前方和拱部土体出现了塌陷、剥落，裂隙水发育。综合分析后，使用地面注浆加固常压开舱换到技术对刀具进行更换。
5结论
综上所述，在隧道工程施工过程中，花岗岩结构受风化影响，会使用花岗岩的整体性受到破坏，岩层强度也会显著下降。在盾构施工过程中，盾构机施工风险主要出现在含孤石地层、易结泥饼地层、上软下硬地层、硬岩地层，本位结合工程的具体情况，对黄岗岩风化地层施工风险进行了探讨，并提出了控制措施，为类似工程提供了借鉴和参考。
作者：陈杰 渠建伟 冉丽利 单位：四川电力职业技术学院 中铁西南科学研究院有限公司 中国电建成都勘测设计研究院有限公司
参考文献:
［1］钟长平，竺维彬，鞠世健．复合地层盾构掘进的指导原则．都市快轨交通，2011，24(4):86－90．
［2］竺维彬，黄威然，孟庆彪．盾构工程孤石及基岩侵入体爆破技术研究．现代隧道技术，2011，48(5):12－17．
［3］王晖，谭文，黄威然．广州地铁三号线北延段盾构隧道工程施工技术研究．北京:人民交通出版社，2012．
［4］王彦臻，韩日美．“洞桩法+千斤顶托换”密贴穿越既有线施工技术浅谈．陕西建筑，2009(1):54－56．
［5］唐达昆．超近距离立体交叉隧道施工动态控制技术．石家庄铁道学院学报(自然科学版)，2008(2):76－78．
