一、工程概况
深圳某盾构区间，隧道穿越地质主要为砾质黏性土、全风化粗粒花岗岩，在里程 DK7+480.5～DK7+764.7 总计 284m 存在微风化基岩凸起，平面位置及剖面示意见图1、图2。
图1 特殊地层段平面示意图
图2 左线硬岩段地质剖面示意图
二、直接掘进段
小里程段位于欢乐海岸酒店绿化带，前期未能对该段上软下硬地层进行预处理。该段岩层裂隙水较发育，处在南北走向的断层破碎带中。地下水含量丰富，地下水水头较高，水位 0.3～8m。毗邻欢乐海岸人工湖，地下水补给迅速。
1. 掘进参数
小里程段上软下硬地层中实际刀盘转速 1.5r/min，掘进速度 8mm/min，贯入度 4～6mm/r，上部土仓压力 1.0～1.3bar。
2. 存在的问题及处理措施
①局部塌陷。
左线掘进至里程 YK7+550 处时，刀盘距离湖边 10m，脱出盾尾部位的地表绿化带出现一处沉陷区，沉陷深度 30～40cm。未处理段塌陷位置见图3。
原因分析如下：
a. 欢乐海岸人工湖岸边绿化带素填土未压实且比较松散；
b. 掘进过程中，由于加入循环水泥浆，出渣量无法精确计算，掘进过程中渣土多出后并未及时察觉；
c. 脱出盾尾部位同步注浆效果不理想，无法有效填充管片外空隙。
处理方法：
a. 采用地质雷达对该段 50m 范围内地下空洞情况进行扫描，结果显示土层受轻微扰动，较松散但无空洞；
b. 对塌陷部位采用袖阀管注浆加固地层，种植土回填，路面沥青破除后重新铺设。
②参数异常，卡盾。
原因分析如下：
右线在掘进至湖边时，突然推力变大，从 20000kN 增至 25000kN，掘进速度低于 6mm/min。现场果断下达停止掘进指令，造成的原因是边滚刀磨损，隧道开挖呈“锥形”，导致盾壳卡死。卡盾位置现场情况见图4，卡盾位置地质情况见图5。
图3 未处理段局部塌陷
图4 出现问题时刀盘位置
图5 停机位置地质情况
由于地质资料显示该段已经进入全断面地层，理论上可以常压带进仓检查，但由于地表为人工湖，为了安全起见，采用带压方式进仓检查。进仓后发现时钟10点至12点以上为全风化地层，且存在空洞，其余部分为微风化岩层。受条件限制，进仓人员并未检查到边滚刀和中心刀的磨损情况，正面滚刀磨损似不到 5mm。
处理方法：
经过各项风险分析，结合实际地质情况，最终采用填仓方式进行常压换刀，填仓采用非胶凝材料。
a. 洞内措施。
（a）盾壳、盾尾注入盾尾油脂，避免加固过程中，盾构被包裹，导致无法脱困；
（b）收铰接液压缸，将盾构机后退 20～50mm，确保盾构机铰接密封位置不卡死，同时方便刀具更换；
（c）填仓。
填仓料采用膨润土 + 砂 + 增黏剂混合物。填仓前，先由试验部门做出配比，确保混合物能通过盾构机膨润土系统注入土仓。填仓前先放出仓内膨润土泥浆，边放边注入填仓料，最终达到填仓料完全置换现在保压所用膨润土泥浆。
控制标准：当打开盾构机土仓上部检查阀，观察有渣土流出时即停止加注填仓料，开始地表注浆工作。
b. 地表加固注浆措施。
地表加固采用深孔袖阀管注浆工艺，注浆采取双液注浆系统。注浆前土仓内需填完全，避免双液浆损坏主轴承，抱死刀盘，袖阀管注浆加固范围见图6。
图6 地表袖阀管加固范围
3. 小里程段上软下硬地层施工总结
① 进入上软下硬地层后，土石交界面涌水量大，加之隧道下方、管片外部水体流向掌子面稀释浆液，从管片吊装孔打开情况看，同步注浆效果不佳。因此，二次注浆必须及时、常态化，注浆材料选用双液浆以达到快速固化止水的作用。
② 双液浆堵漏效果好，凝结时间可控，但二次注浆时容易向前窜入盾壳和刀盘。为保证管片外部包裹的同时浆液又不进入盾体，需要在注浆前通过盾壳上的膨润土孔注入高浓度膨润土泥浆，使盾壳先包裹一层泥膜，并在土仓内建立压力。进入硬岩后，将同步注浆浆液中的水泥由原来的普通硅酸盐水泥调整为早强水泥，来达到预期效果。
③ 采用每 5环 停机并进行二次注浆封止水环的措施，有效防止了后部水体串前，螺机喷涌情况大有改善。同时在全断面硬岩中采用该方法，可保证土仓内无渗水，每5环停机并进行常压开仓检查刀具。
④ 通过加入改良泥浆，有效防止了螺机喷涌，缩短了单个循环掘进时间，每环由原来的 8h 缩短到 4h。
⑤ 填仓的方式虽然比较安全地解决了在危险地段常压开仓换刀的问题，但是周期比较长，整个工序耗时 1个月 时间，盾构机安全风险较大；该工艺适应性差，尤其在地表无条件加固又必须停机的地段，以及遇孤石需立即换刀等特殊情况。
三、预处理后掘进段
大里程段位于欢乐海岸别墅区内，隧道施工前别墅区尚未动工，为保证该部位盾构顺利掘进，在该段对硬质地层采取预裂爆破及注浆处理。受爆破影响，地层原有隔水层被破坏，地下水主要为基岩裂隙水，略具承压性。
1. 基岩预处理
根据地质详勘资料及现场钻机钻孔取芯情况选择爆点，从基岩厚度相对较小的位置开始爆破，逐渐向基岩厚度大方向推进。现场操作时，选择多个点作为最初起爆点，创造多个工作面，如图7所示。
图7 多点起爆推进示意图
①基岩厚度小于 7m 的区段爆破方式。
先对前排孔进行爆破，利用前排孔爆破挤压前方及上方的软弱土层以及自身炮孔的空间，为后排孔创造了爆破自由面，见图8。
图8 基岩厚度小于7m起爆顺序示意图
②基岩厚度大于 7m 的区段爆破方式。
由于隧道轮廓线上方还有岩层，爆破时只能利用前排孔创造的自由面和自身炮孔空间，减少了上方的自由面。
将每排孔分为先爆孔和后爆孔，利用爆破的高温及高压气体在自身炮孔位形成空腔并向前方挤压，炮孔前方以外，左右也有先爆孔产生的自由面，并且岩石在来回运动中再次挤压，保证了破碎质量。每次起爆炮孔的排数不超过两排，如图9～图12所示。
图9 基岩厚度大于7m起爆顺序示意图
图10 基岩装药结构示意图
图11 分段药包现场安装
图12 隧道内爆破效果取芯
2. 地层加固注浆施工
受爆破振动影响，隧道顶部地层松散，尤其是隧道上方存在淤泥层、填石层，盾构掘进过程中无法保持土仓压力。为确保安全，在爆破处理后对隧道周边松动围岩采用袖阀管注浆工艺进行填充加固，以提高盾构在掘进时周边围岩密实度和自稳力。加固深度从地面至隧道结构底板下 1m，加固宽度除隧道中线左右开挖轮廓线外各 1m 范围全部进行注浆加固。为了更好控制注浆浆液扩散范围，隧道范围内选用单液浆，隧道外排选用水泥-水玻璃双液浆加固地层。
3. 掘进参数
大里程段上软下硬地层中实际刀盘转速 1.5r/min，掘进速度 8mm/min，贯入度 4～6mm/r，扭矩 ＜2300kN·m，推力 ＜22000kN。
4. 遇到的问题及处理措施
①保压困难。
爆破处理以后，围岩裂隙发育，掘进过程中，保压非常困难。
处理措施：由于保气压比较困难，因此采用保液位的方法进行保压。观察土仓中顶部压力和刀盘中部压力差，来判断液位高度。
改进措施：
a. 施工前，排查详勘孔，并检查封闭情况，逐个封闭，未封堵详勘孔见图13；
b. 对硬岩处所钻的钻孔、注浆孔等必须逐个封闭。
②渣中有钻杆。
硬岩处理容易卡钻，在盾构掘进过程中，从螺旋输送机输送出来的有钻杆和钻头，所幸未发生机械事故，图14为从螺旋输送机输送出来的钻杆。
改进措施：在预处理过程中，钻孔必须按放样坐标进行布置，并做好记录，如有卡钻，钻杆拔不出且钻杆在正洞范围内的，必须进行处理，处理可采用冲锤、冲砸的方式，然后回灌低强度等级的水下混凝土。
图13 未封堵详勘孔
图14 硬岩处理段未取出的钻杆
5. 大里程段上软下硬地层施工总结
① 一盘新刀在上软下硬大里程段可掘进 70m，在小里程段掘进不超过 22.5m 即需更换。小里程段刀具消耗量为大里程段的 3倍。
② 由于炸药残留，掘进过程中，洞内硝氨味道比较浓，应加强通风和有害气体的检查。
③ 螺旋输送机双闸门设计非常有效，爆破所用的 PVC 管容易卡在螺旋输送机的出渣口，一旦卡住，单闸门设计的螺旋输送机疏通时无法保压。
④ 爆破处理后无条件更换刀具，施工风险较大，长距离的上软下硬地层如果采取深孔爆破，中间必须设置换刀点（换刀点不能爆破），否则一盘刀无法顺利通过。