郭卫社，中铁隧道局集团有限公司科技设计与信息化部部长，教授级高级工程师。任总工程师14年，一直从事隧道与地下工程一线施工技术管理工作。中国中铁专家、中铁隧道局集团一级专家，土木学会隧道与地下工程分会常务理事，中国铁道学会轨道交通分会委员、中国施工企业管理协会科技专家、广东省建设工程协会专家等。获得洛阳市优秀专家、广州南沙新区（自贸片区）高端领军人才等荣誉称号，2020年起享受国务院政府特殊津贴。
盾构施工中遇到软硬不均地层有什么技术对策？
中铁隧道局郭卫社基于多年工程实践经验，给出的回复如下：
软硬不均地层给盾构掘进带来的危害是显而易见的，隧道建设前期应充分掌握详细地质情况，设计阶段应尽可能减少软硬不均段占比，同时应细化盾构设备选型及功能设计的针对性；施工过程中采取合理的掘进参数，通过科学组织施工，顺利完成软硬不均地层掘进。
（1）盾构施工前应进行必要的补充地质勘察，确保充分掌握地质情况。
（2）盾构设备选型及功能设计十分关键，应根据具体地质条件进行针对性研究，合理进行盾构设备选型和功能设计，满足软硬不均地层掘进需求。
（3）目前技术上已经可以实现盾构机直接掘进通过基岩凸起的软硬不均地层。只是要在掘进中控制参数、关注姿态、分析渣样、监测刀具、动态应对。对于花岗岩地层球状风化体和孤石群，应进行预处理。
（4）土压平衡盾构机在软硬不均地层掘进时，渣土改良至关重要，应选择合适的改良方案使渣土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，使盾构达到理想的工作状态。
（5）软硬不均地层掘进应遵循“低转速、小贯入、稳掘进”的原则，时刻保持对掘进参数的敏感，对盾构掘进参数要超前管理，严格制定参数预警值，出现偏差要及时调整。
解释说明
隧道设计方面
从隧道设计角度，在平纵断面设计选择上，尽量避免长距离穿越岩土分界面，减少软硬不均地层长度。若顶部软弱土层埋深较浅，而隧道线路较长时，可将纵断面下压进行避让，通过调整纵坡减小软硬不均地层长度，尽可能使绝大部分区段位于较均一地层中。
盾构机选型
在盾构机选型设计阶段，应充分对隧道穿越地层岩土性质、线形特征进行研究，合理进行盾构机设计。
（1）在软硬不均地层掘进，需采用复合式盾构机，刀盘宜采用即可掘进硬岩有可掘进软土的复合式刀盘。合理配置刀具，对滚刀、刮刀等刀具进行合理选型，优化刀具在刀盘上的布置。对刀盘、刀具进行抗冲击、耐磨设计。相同贯入度条件下，刀具间距越小，破岩能力越高，当刀间距相同时，贯入度越大破岩能力越强。刀具间距与贯入度的关系见图。
刀间距与贯入度关系示意图(mm)
（2）刀盘的开口率应满足切削下来的渣土能顺利进入土舱的要求。对于黏粒含量较高的地层，刀盘中心开口率应较大，对防止结饼有利。但泥水平衡盾构机在岩层裂隙较发育的地层掘进时，开口率较大会导致过大的岩块进入土舱从而堵塞排泥口，此时可通过调整刀盘开口限径板设计，舱内配备碎石机，来减小进入舱内的岩块粒径，增加舱内破碎效果，提高环流系统的输送效率。
（3）泥水平衡盾构机应在刀盘处增设高压冲刷系统（足够大功率），一方面利用冲刷压力冲下刀盘及刀具附着物，加大渣土流动性，另一方面可降低刀盘温度，减少刀盘泥饼烧结。
（4）土压平衡盾构机必须配置泡沫和膨润土注入系统，向刀盘前面、土舱和螺旋输送机处注入泡沫，改善渣土流塑性。同时合理设计螺旋输送机，必要时可增加螺旋输送机长度，防止喷涌。
（5）应用于软硬不均地层的盾构机主驱动功率较常规盾构机适当加大。同时重视主轴承密封与耐磨性能设计，确保设备在复杂情况下的工作能力，防止盾构机刀盘发生卡死现象。
（6）盾体上预留超前钻孔空位设计。在设备布置上要考虑超前钻机所需要的空间与装置要求。
（7）对直径12m 以上的盾构机，建议选用常压换刀刀盘。软硬不均地层需要开舱换刀在所难免，往往需要带压作业，风险较高，常压刀盘形式可有效降低换刀风险。
地质补充勘察
软硬不均地层盾构施工前，要对区间软硬不均界面及潜在孤石进行充分勘察，以便采取针对性处理措施。常规探测原则为物探先行，钻探验证。为多方面探明特殊地段基岩分布情况，主要采用浅层地震反射法、跨孔电阻率法、探地雷达法等多种手段进行探测，查找区间存在的孤石或基岩凸起。对物探探测区域可采用地质取芯进一步验证，确保充分掌握地质情况。常用的物探方法有以下三种。
（1）浅层地震反射法
浅层地震反射法是根据弹性波在地层中传播的研究来推断地下介质的结构和岩石的性质，从而达到勘探的目的，见图。由于地震波在介质中传播时，其路径和波形将随所通过介质的弹性性质及集合形态的不同而变化，根据地震波场理论分析接收到的地震波信息，就可以推断地下介质的结构和岩石性质。该方法适用范围较广，不需要地面钻孔辅助。
浅层地震反射法
（2）跨孔电阻率法
跨孔电阻率法是在两钻孔中分别放入一定数量的电极，观测两孔间电流、电压数据，通过反演获得两井间电阻率分布断面图，分析不同岩土介质与电阻率之间的对应关系，进行地质信息解译，进而达到工程勘探的目的，见图。
跨孔电阻率法
（3）探地雷达法
探地雷达法是一种运用电磁波传播理论来进行勘探的物探方法。通过发射天线向地下介质发射光谱、高频电磁波，当电磁波遇到电性（介电常数、电导率、磁导率）差异界面时发生折射和反射现象，同时介质对传播的电磁波也会产生吸收滤波和散射作用，接收天线接收并记录来自地下的电磁波信号，经过响应的数据处理，根据处理后的数据图像结合工程地质对介质情况进行推断解译。该方法广泛应用于城市超浅层地质勘察任务，但富水复杂地层情况下探测深度无法达到隧道埋深范围，而孔中地质雷达法则不受深度限制，与钻孔周边介质及成孔环境有关，可作为盾构法隧道不良地质体超前探测的一个有效方法。
上述三种物探方法对于孤石探测都具一定的效果，但受空间、环境、气候、设备及操作者的判识水平等因素影响，物探的准确率还有待提升。地震法应用范围较广，无须钻孔，效率较高，成本低但受到传统震源频率及数据分析解译技术制约，探测分辨率较低，可作为不良地质的初步判断。适用于沿线孤石群的探测，探测效率高，尤其对水域等不具备钻孔条件的地区探测比较适合。跨孔电阻率法、孔中雷达法针对孤石地层探测精度相对较好，单种物探方法可探测到1m 以上直径孤石。但该方法作为地质勘探的一种延伸，需要钻孔辅助，效率低，成本高。采用单一物探探测难以满足工程需要，尤其对孤石探测需采用多种物探手法综合探测。
提前预处理
随着盾构技术的进步，对于基岩凸起也就是岩土分界面，目前技术上已经可以实现盾构机直接掘进通过。以汕头苏埃通道工程海底高强度基岩凸起段的成功攻克为标志，软硬不均的岩土分界面盾构掘进技术已经取得突破。需要在掘进中严格控制参数、关注姿态、分析渣样、监测刀具、动态应对。
但对于花岗岩球状风化体或孤石群，建议进行预处理。常规做法为深孔微差爆破法，地表打孔，孔内爆破将岩石破碎成直径小于30cm 的碎块，满足通过螺旋输送机或泥浆管路的条件，块度满足盾构掘进要求。爆破处理后需对地表钻孔进行封堵以避免地面冒浆，达到掌子面保压效果。
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。在盾构掘进过程中，泡沫剂和膨润土泥浆沿松散孔隙流失甚至到冒出地面，造成污染和浪费；同时松散地层亦无法保持土舱压力。为确保安全，在爆破处理后对隧道周边松动围岩应注浆加固，以提高盾构机在掘进时周边围岩密实度和自稳力。
渣土改良
1）渣土改良的目的
土压平衡盾构机进行渣土改良是保证盾构施工安全、顺利、快速的一项不可缺少的技术手段。渣土改良是通过盾构机配置的专用装置向刀盘面、土舱或螺旋输送机内注入泡沫或膨润土，利用刀盘的旋转搅拌、土舱搅拌或螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与渣土混合，其目的就是要使盾构机切削下来的渣土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，以满足在不同地质条件下采用不同模式掘进时都可达到理想的工作状态。其具体目的如下。
（1）使渣土具有良好的和易性，利于其稳定开挖面，控制地表沉降。
（2）提高渣土的不透水性，使渣土具有良好的止水性，从而控制地下水的流失。
（3）提高渣土的流动性，利于螺旋输送机输送。
（4）防止掌子面处高温状况下，开挖渣土黏结刀盘而产生泥饼。
（5）防止螺旋输送机排土时出现喷涌现象。
（6）降低刀盘扭矩和螺旋输送机的扭矩，同时减少对刀具和螺旋输送机的磨损，从而提高盾构掘进效率。
2）渣土改良剂类型
土压平衡盾构机渣土改良剂主要包括膨润土、泡沫剂、聚合物等。
（1）膨润土：注入膨润土泥浆，能增加渣土的黏滞性、和易性，提高止水性，便于形成土塞效应，改善刀盘、刀具、螺旋输送机的工作环境，改善土舱和螺旋输送机内渣土的性能，便于渣土的流动与运输。
（2）泡沫剂：改善土舱和螺旋输送机内的渣土性能，便于渣土的流动与运输，透水性强的地层使用泡沫剂进行渣土改良的效果优于膨润土泥浆。
（3）高分子聚合物：高分子聚合物具有良好的絮凝性，可以降低液体之间的摩擦阻力，经管道输送到土舱内，从而增加渣土的黏滞性，改善刀盘的工作环境，增加土仓的密封和便于渣土的运输。
3）渣土改良材料选择
渣土改良的选择需结合隧道穿越地层进行，施工前应提前进行改良试验，通过试验效果选择相适应的改良方式，见表。
渣土改良适用范围表
掘进参数
软硬不均地层掘进应遵循“低转速、小贯入、稳掘进”的原则，时刻保持对掘进参数的敏感。盾构通过软硬不均、孤石段需拟定掘进参数，对盾构掘进的参数实现超前管理，保证盾构能科学、合理的通过不良地层，确定严格的参数预警值，当盾构掘进的各项参数出现偏差时，要及时调整，必要时开舱检查刀盘刀具磨损情况，防止刀盘、刀具出现非正常磨损现象。
（1）刀盘转速
软硬不均地层中，刀盘刀具受力不均，刀盘转速越快，孤石对刀具的冲击撞击越大。因此转速不宜过快，同时控制贯入度，减小刀具受到的瞬间冲击力，低转速还可减小对上部软弱土层扰动。建议刀盘转速控制在1.0r/min 以内。
（2）贯入度
软硬不均地层中岩石强度较高，应减小推力，降低贯入度和掘进速度，减小刀具单位时间冲击力。建议贯入度不大于10mm/r。
（3）刀盘扭矩
软硬不均地层掘进，尤其在岩土分界面处刀盘受力复杂，掘进过程中应密切关注刀盘扭矩情况，实现平稳推进。掘进时以减小总推力、速度及做好渣土改良来降低刀盘扭矩，同时应重点关注扭矩波动幅度，将其控制在一定范围内，减少刀具所受的冲击力。
（4）总推力
软硬不均地层中推力不宜过大，盾构机的有效推力主要由直接接触硬岩部分刀具承受，应充分考虑单刀极限承载力，避免过载。软硬不均地层刀盘及刀具受力不均，推力过大会使滚刀承受较大的压力，导致轴承受挤压变形，继而影响滚刀自转，最终造成刀圈偏磨或断裂，甚至刀座变形、刀盘受损。
（5）土舱压力
盾构工作压力根据埋深设定，取值介于主动土压与被动土压力之间。软硬不均地层应适当提高至略大于静止土压力，避免地表出现较大沉降。盾构司机在操作过程中需精心操作，严格控制土舱压力，掘进速度、出渣量、加气量等参数需匹配，压力波动控制在±0.05bar 范围内。
刀具管理
软硬不均地层刀具管理遵循原则：随时可实现带压换刀，可更换，切忌蛮干，安全第一，不牺牲设备抢进度，不盲目掘进。统一现场操作人员思想，提高对盾构施工过程中设备方面的风险管控意识。加强对主要管理人员的技术培训，了解各项异常参数继续掘进会带来的严重后果，尤其是盾构司机和土木值班人员应提高对盾构参数变化的敏感性。掘进如有异常立即停机分析，不得抱有侥幸心理盲目推进。刀具更换标准：边滚刀最大磨损量＜10mm，中心刀最大磨损量＜25mm，达到该指标必须更换。
防喷涌措施
土压平衡盾构机在软硬不均地层防喷涌的核心是控制土舱来水，应保障同步注浆效果及隧道后方止水环箍质量。其次从源头上改善渣土性状，提高渣土和易性及黏滞性。盾构操作人员要加强螺旋输送机双闸门管理，控制单位时间的渣土流量，降低喷涌发生的概率。螺旋输送机下方可增设渣土防洒落及物料收集装置，减少清理难度。必要时可在盾构机设备选型阶段考虑采用双螺旋输送机设计，进一步控制喷涌，见图。
螺旋输送机喷涌情况