摘要：城市建设在加快，昆明地铁作为昆明的地下交通大动脉，也在加快建设。昆明地铁在盾构过程中穿越复杂地质，这些地质对地铁建设造成阻碍，要顺利实现盾构洞通还得强有力的技术支撑。本文就是以此为案例，研究盾构机复杂地质的掘进技术，分析提炼总结，以供后期地铁线建设提供借鉴意义。
关键词：复杂地质；盾构；掘进技术
1、背景情况
昆明地铁多条线在进行施工时，穿越了复杂的地质，实现这一功能需要采取相应的技术。当盾构面临复杂地质条件时，通过以下方面开展实践。盾构机开始工作的地点为菊化站，在进行挖掘工作时，1号盾构机已经完成80%工作量，施工盾构参数一切都处于正常。地面产生沉降，沉降范围在-13毫米之内，盾构机在盾构过程中穿越复杂地质，此时盾构机上面的参数发生变化，整个盾构机状态也在下降，施工单位对此采取相应措施，先是加大工作推力，建立相应的土地压力，除此之外还加膨润土、泡沫剂等，通过以上措施掘进速度仍然没有得到改善。查找问题，分析问题，决定将盾构机施工暂停，开始进行补充勘查工作，对没有施工地段进行勘察，最后发现这些复杂的地质结构，并对这些结构进行分析与研究，并针对研究结果，提出相应的对策。首先是对地层孔的空隙进行加固，将地基的承载能力不断提升，使整个盾构处于平稳可控状态，其次是减少补仓的气体与液体，最终是对渣土进行改良，降低盾构机负荷，再次对刀盘和刀具进行分析调整工作。当采取这些措施之后开始恢复盾构掘进，盾构机最终顺利完成穿越复杂地质的掘进工作。
2 通过所述案例技术问题分析
2.1 盾构分析
目前地铁建设实践应用下来最广的还是土压平衡盾构，下图为原理图。
土压平衡盾构工作原理：刀盘旋转切削开挖面泥土，散落的泥土通过刀盘开口进入土仓，泥土通过螺旋输送机运到皮带输送机上，输送到停在轨道上胡渣车上。与此同时，安装在土仓下面的螺旋输送机进行连续排土作业，螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。盾构机掘进一环的距离后，操作手操作拼装单层衬砌管片，使隧道一次成型，盾构在推进油缸的推力作用下向前推进，掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行，盾壳起临时支护作用。
2.2、复杂地质特点分析
目前，昆明地铁在盾构掘进过程中遇到的复杂地层主要有：带砂多水地层、软硬不均地层、粘土地层、硬岩地层。
带沙多水地层是地表水多，砂粒多，砾石占主，土质没有粘接性。软硬不均地层是盾构机掘进断面的地层不均匀，断面的上部、中部、下部、左面、右面的围岩强度变化大，部分硬部分软，软硬交错。粘土地层是土质比较粘，与水不易混合，土的渗水性差，稍干容易成块状。硬岩地层是盾构机掘进断面的各部分围岩强度变化小，整体强度在70MPa。
分析本案例成因，盾构所遇到的中风化粉砂地层，主要是米粒结构，整个构造属于中厚形状，这种地层岩体较为完整，岩芯是短柱形状，灰地层是由于受到中等分化后形成晶质结构，对于其岩体而言，形状较为完整，其属于硬岩地层。
2.3 复杂地质条件下刀盘刀具选择分析
盾构机目前面临的复杂地层主要是中风化砂岩，这种灰岩地层分布不均，还存在许多缝隙。这一段中风化灰地层体是非常完整，属性较为偏硬。根据城市轨道交通岩土工程勘察规范可知，盾构机在进行工作之前必须满足相应勘察要求以及综合指标。必须要根据相应评价结果完善整个盾构机的设计以及刀具的选择。刀具必须要具有相应耐磨评价，盾构机穿越地层，会遇到许多砂岩，这些砂地层级不同，等级不同，形状也不同。盾构机采用刀盘为幅条式，这种方法产生扭矩较小。对于较大岩石而言非常困难。因此施工单位必须要及时对刀盘进行改造重新设计。只有这样才能够使盾构机具有相应的扭矩与推力。盾构机根据不同的类型以及型号有不同抗压强度，在使用土压平衡盾构机时必须要调整好适用范围。面临的岩石，也存在许多参数。岩石RQD值，主要指岩石完整程度，也即岩石发育程度。RQD值会根据配置刀具、刀盘差异而产生不同的掘进效率。岩石耐磨性会严重磨损刀具，利用刀盘和刀具的耐磨性，才能充分切削坚硬的岩石。岩石硬度由其矿物特性来决定，这些矿物晶粒有不同大小以及含量，晶粒大小不同以及含量不同，都会导致整个岩石的耐磨指标不同。因此，盾构机在施工过程中为了能够提高相应掘进速度和效率，必须要对刀盘和刀具进行合理选择，才能更好提升掘进速度。
2.4 盾构设备适应性分析
盾构类型是与特定的盾构施工环境，与特定的基础地层、工程地层和水文地层特征相匹配的盾构种类，分软土盾构和复合盾构。软土盾构其刀盘安装切刀刮刀无滚刀；复合盾构是有软土和硬岩的复杂地层施工，其刀盘安装切刀刮刀和滚刀。盾构机型是根据地层条件采用最有效的开挖面支护形式，有土压平衡支护、泥浆支护等。
在进行本工程时，盾构机设备有相应的技术参数和适用条件。本盾构机主要参数是功率、推力、推进速度、螺旋机舱门位移、刀盘、扭矩、铰接力等。设备配置好刀盘及驱动和支承、渣土改良系统、螺旋和皮带输送机、同步注浆系统、盾尾密封系统、管片安装机、数据采集系统、导向系统。适用条件由于篇幅，在此就不累述。
3、复杂地质条件下盾构施工技术
盾构机在掘进带沙多水地层要向刀盘面和土仓内注入泡沫添加材料，改善渣土性能，提高渣土流动性和止水性，以防涌水流砂和喷涌现象，要采用土压平衡模式，要严格控制出渣速度，实践下来，昆明2号线二期基本如此，典型例证。
1号线西北延盾构机穿盘龙江除隧道本身地层条件外，还存在隧道外围高土压和高水压影响。在盾构前要检查刀具完好、盾尾密封、铰接密封情况。采用土压平衡模式掘进时尽量降低对地层的扰动，以防盘龙江水与土仓直接连通，过程中加泡沫增加对地层的止水性，增加盾尾密封油脂的注入来保证密封效果，重点关注铰接处密封检查，此密封有一道或多道橡胶唇口式密封、石墨石棉或橡胶材料的盘根气囊式密封、双排气囊式密封，查看清楚再调节密封压板螺丝确保密封效果。调整好注浆配比，控制好浆液的凝固速度。
单双排气式密封结构图：
盾尾密封止水常采用钢丝刷密封装置，集弹簧钢、钢丝刷及不锈钢金属网于一体结构。盾尾油脂泵向每道钢丝刷密封之间供应油脂，以提高止水性能。
盾构机在掘进硬岩地层时，掘进中刀盘扭矩大，推进速度明显减慢，盾构机有较大震动现象和连续的响声，渣土中会有很多的石块出现，掌子面上可清楚地看到刀具的轨迹为同心圆。在此地层中掘进应选用高刀盘转速、低推进速度掘进，掘进过程中要向土仓加水，向刀盘和螺旋机多加泡沫，对其进行冷却和润滑，降低刀具的磨损速度，以防刀具超载，杜绝提高推进速度盲目加大油缸推力，遇到此地层必须慢慢推进，不小心就适得其反。
盾构机在掘进软硬不均地层时刀盘的扭矩变化大，盾构机产生较大震动现象和间断响声，掘进方向不好控制，渣土中也会有较大的石块出现。掘进时掌子面地层不均导致刀盘各部位受力不均，致使刀具偏磨损，若推进速度过快，刀具切入量大容易使刀盘扭矩突然上升超过设定值卡死现象。
盾构机在掘进粘土地层容易在刀盘上形成泥饼，由于土质粘性强，土就糊在刀盘上，所以要向刀盘多加泡沫和水，改善渣土流动性，以防形成泥饼裹住刀具偏磨损，还要时刻观察掘进速度和刀盘扭矩数值变化情况，视不同采取相应措施处理泥饼。
盾构施工属于高风险作业，常会发生管片渗漏、盾尾渗漏、螺旋机喷涌。出现风险时得不到及时处理，将会造成较大事故。若盾尾渗漏涌水涌砂暂停推进保持油脂注入；若盾尾渗漏漏浆漏泥，要渗漏处增加盾尾油脂注入量，调整盾构姿态，控制盾尾间隙，保持油脂注入量继续施工。
4、结束语
通过昆明地铁多条线盾构机复杂地质掘进技术进行分析研究，总结出盾构机选用要按照遇到的情形进行选择，除此之外其相关刀具、刀盘等必须有合理性，要根据实际情况进行调整，勘察单位要按照严格要求进行勘查，只有大家共同努力才能够保证整个地铁建设顺利实施。
参考文献：
[1]王怀志.富水砂层土压平衡盾构施工关键技术研究[D].华南理工大学，2012.
[2]周润卿.软弱土层双线盾构隧道穿越既有房屋施工影响分析[D].北京交通大学，2012.
论文作者:顾军
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/24
标签：盾构论文; 地层论文; 刀具论文; 渣土论文; 地质论文; 昆明论文; 速度论文; 《防护工程》2019年第1期论文;