超大直径泥水盾构穿越上软下硬地层掘进工法
1前言
21世纪是大力开发地下空间的世纪，盾构法施工具有对地层适应性广、施工安全系数高等优点，盾构法越来越广泛地应用到城市地铁工程修建当中.但地质情况的复杂性在施工中对盾构工程具有较大影响，甚至在一定程度上决定了一个工程施工难度大小和风险高低.例如，盾构穿越上软下硬复合地层仍是工程建设中的一个难题，如果施工技术控制不当，将引起地表沉降、地下管线的破坏、地表建筑物（或构筑物）倾斜甚至倒塌等事故.复合地层是一种典型的力学不稳定地层，由两种或两种以上不同地层组成，这些地层的岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊的地层组合，称之为复合地层.盾构机在软硬不均的复合地层中施工，刀具偏严重，盾构机掘进娄态不易控制，客易发生盾构机拾头或低头的情况，以及出土过多而造成的地层空洞现象，如何最大程度减少对刀盘刀具的磨损以及对周围土体的扰动，减小地表沉降，确保露面交通顺畅，以及保证地表建筑物的安全是盾构穿越复合地层施工中的关键，中交隧道工程局有限公司在南京纬三路过江通道工程中和高校合作科技攻关，结合具体施工参数，通过数值模拟和现场监测，分析盾构掘进过程中的掘进参数以及盾构对周围土体的影响，使盾构机安全顺利地通过了长达560m的复合地层.这种施工方法在复合地层地段实用性强，效果明显，技术先进，有明显的经济效益和社会效益，因此在全而总结提炼现场施工经验的基础上形成了复合地层泥水平衡盾构施工工法.
2工法特点
本工法为盾构在通过两种或两种以上岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊的地层组合，即复合地层提供了一种可以借鉴的施工方法，具有如下特点：
（1）盾构机刀具的配置需要做出适当的调整.在硬岩段施工时，通常要采用全断而滚刀破岩模式当掘进在软岩或软土地段时，通常都要将部分或全部滚刀换成适应软岩或软土的刮刀或厮裂刀.
（2）采用的施工工艺和施工参数也要根据地层的变化而变化.这些变化主要表现在不
同地层盾构机采用的推力、扭矩、泥浆参数及盾构机姿态控制的不同等.
3适用范围
本工法适用于两种或两种以上岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊的地层组合，即复合地层中的泥水气压平衡式盾构机掘进施工.
4工艺原理
利用泥水气压平衡式盾构的基本原理，在盾构进入复合地层前，通过提前准确掌握复合地层的详细特征，对盾构机穿越复合地层时的泥浆质量、泥水压力、掘进速度、同步注浆及姿态等基本参数进行设定，最大限度的保证盾构在穿越复合地层对地面建筑扰动小，并保证刀盘刀具及尾刷磨损量小，盾构能安全通过.
5施工工艺流程及操作要点
5.1工程背景
5.1.1工程条件
南京纬三路过江通道工程采用两台直径15.02m的泥水气压平衡式盾构机施工，隧道断面直径大，盾构一次掘进距离长（S线4.135km），S线起止里程SDK3553~SDK7687.6，其中SDK4710~SDK5270节段地层从上到下为砂砾、圆确及卵石、强风化粉砂岩：SDK5270~SDK5480节段从上到下为粉细砂、粉质粘土、阅砺及卵石.在SDK4710~SDK5480阶段隧道地质条件复杂多变且存在上软下硬复合地层，最高水压达7.4bar，石英含量高达65%.特别是上软下硬复合地层对盾构机刀具磨损很大.
南京纬三路过江通道工程N线隧道地质纵断面图
南京纬三路过江通道工程S线隧道地质纵断面图
5.1.2刀盘刀具介绍
本工程盾构机刀盘结构采用辐条式面板式，开挖直径为15.02m，刀盘开口率为25.7%，刀盘由4根滚刀辐条、4根切削刀辐条及8个面板组成，主要配置切削刀和滚刀两种类型刀具共717把.滚刀：45把19寸可更换双刃滚刀，38把可推出式19寸双刃滚刀，6把17寸单刃中心滚刀.切削刀：常压可更换切削刀80把.刀具配置如图5.1所示.
图5.1刀盘结构图
5.2泥水气压平衡式盾构复合地层掘进工艺流程
图5.2泥水气压平衡式盾构复合地层拥进工艺流程图
5.3泥水气压平衡式盾构复合地层掘进操作要点
5.3.1确定复合地层掘进施工方案
在盾构机进入复合地层前，根据已掌握的地质资料准确掌握地层的详细特征，为盾构机掘进参数的正确选择提供依据，从而及时采取相应指施，做到防患于未然.在盾构机穿越复合地层时，必须在保持掌子面细砂层稳定的同时选择合适的拥进参数，保证盾构机顺利的通过.同时，加强同步注浆质量，防止在盾构机穿过后，隧道上部粉细砂层发生坍竭，影响地表及其下部地质体产生沉降变形.因此，必须从盾构机的泥浆质量、泥水压力、掘进速度、同步注浆及姿态控制等各方面加强控制.
（1）采用高密度、高黏度泥浆形成致密泥膜，封闭掌子面：根据软弱地层参数计算泥水压力，给掌子面提供足够的支撑压力.
（2）利用高密度、高黏度泥浆增强对砂砾石的悬浮和黏滞、缓冲作川，减轻砂砾石对
设备带来的冲击和磨损仓库储存不少于2套的刀具、泥浆泵易磨损件和各种弯管、闸阀及更换所需工具对可进行地面模拟更换的设备，安排人员进行地面模拟更换演练，以检验方案，掌握工艺，提高功效.
（3）提高刀盘转速，并降低拥进速度，以期让盾构机在完成同样的掘进距离时，增加边缘刀具对底部强风化岩切削的次数.同时需加强对盾构机参数和姿态的监测.
（4）对于泥浆易漏失地段，掘进和管片拼装过程中，要时刻观测气压舱液面变化情况，根据目前的施工经验，若出现异常，发现漏失量较大，采用应急管路向掌子面加注堵漏材料封堵.
（5）通过调整盾构机千斤顶推力组合来改变刀盘开挖角度，使下部较硬岩层充分破碎.适当加大硬岩区的顶推力，保证轴线位置和隧道坡度的要求.
（6）当上部土体自稳能力较差时，应当降低盾构机推力及刀盘扭矩，减小对地层的扰动，防止产生地层液化塌陷.若发现盾构机多出土，应该立即在地表有条件的地方压注双液浆填充加固地层，避免地表場陷，加强沉降监测，对不良地段和重要建筑物处进行超前注浆等地层加固措施.
（7）当盾构通过地段黏土层较厚时，适当加大刀盘冲洗，降低泥浆粘度和比重减少刀具及刀盘的磨损，防止刀盘中心泥饼的形成.若发现盾构机推进速度降低、推力和扭矩均增大，同时确土温度升高，则可以判断刀盘有结泥饼的趋势，甚至已经结了泥饼，此时要进一步加强刀盘冲洗，通过正反转刀盘来阻止泥饼的进一步形成.
5.3.2泥水性能
泥水是将分散在水中具有吸水后明显呈膨润性质的黏土矿物质悬浮液作为主要成分，并添加分散胶溶剂、加重剂及其他调节剂，根据需要调节密度、黏度、塑变值、胶凝强度，使其成为一种可塑流体.泥水盾构使用泥水的目的除了靠泥膜稳定开挖面，防止塌方外，还需将切削下来的渣浆流畅地运往地面，经泥、渣分离后循环利用.在上软下硬的地层中，泥水的性能主要有以下儿个方面：
1)泥水密度
为保持开挖面稳定，需把开挖面的变形控制到最不限度，泥水密度应比较高.从理论上能达到开挖土体的密度.然面大密度的泥水会引起泥浆泵超负荷运转以及泥水处理困难，小密度的泥水形成泥膜速度较慢，对开挖面稳定不利.因此，在选定泥水密度时，必须充分考虑土体的地层结构，在满足设备运行能力的前提下提高泥水密度.泥水密度一般控制在
