北京地铁4号线纵贯北京西部城区南北 ，起于丰台区南四环路的公益西桥 ，穿越 丰台、宣武 、西城 、海淀四区 ，途中设置24个车站 ，最终到达海淀区的安河桥北 站 ，线路全长 29km 。沿线所经地层大都为粉质粘土 、粉土 、砂层 (粉细砂 、中粗砂 )、砂卵石等地层 ，地层较软弱 ，构造比较均一。其中颐和园一北宫门盾构区间采用盾构法施工 ，区间所处地质条件比较复杂 ，沿线穿越永定河冲洪积扇 ，并受到西北玉泉山和香山等山脉的影响 ，且局部穿越出露的极硬岩 ，具有山前冲洪积扇地层的复合特性。同时，部分断面岩石风化严重 ，且存在 漂石和同一断面软硬不均等盾构施工不利现象 ，施工难度 大 ，施工技术要求 高 。
　　本文结合依托工程的孤石和软硬不均等地质特点，，对包括盾构机选型和刀具配置等盾构机主要技术参数进行较深人的探讨 。同时 ，对 掘进模式的优选 、掘进参 数 、盾构机姿态 的控制等方面的技术措施进行了研究，对盾构施工过程中存在的问题进行了分析 ，并提出了相应的对策 ，形成 了一套较为成熟的施工技术方法 。
2  工程概况和国内外研究现状
2．1  工程概况
　　北京地铁 4 号线颐 (和园) - ：it (官门) 盾构区间位于颐和园东南侧，沿颐和园北侧围墙规划的颐和园路向西北方向至清河岸边新安河桥头 ，迄止里 程 D K 25 + 349．749 一 K 26 十428．300 ，区间长度左线长1074．919m 、右线长l 078．551m 。根据地勘资料 ，区间穿越第四纪全新世冲洪积层 、第四纪晚更新世冲洪积层 ，局部穿越二迭系红庙岭组。第 四纪冲洪积层主要以粉土、粉质粘土 、粉细砂 、卵石圆砾层为主；二迭系红庙岭组主要以强一中风化砾岩、微风化砾岩、微风化砂岩 、强一中风化砾岩为主。
　　根据掘进情况发现 在颐北区间的 D K 25 +951 一 DK 26+ 020 (中央党校南校区假 山与宿舍楼之间) 隧道下部有中一微风化砂岩出露，呈块状 ，较 破 碎 ；D K 26 + 073．75 至 D K 26+ 080．95隧道 断面上出现大面积 的微风化砂岩 ，岩石 中包裹着未风化的 “结合体 ” (经清华大学土木水利学院建筑材料试验室判定为含花岗岩成分的石英长石)，其最大单轴抗压强度达 169M Pa，岩体较完整。但是左右线岩面有较大的差异：左线岩面较高 ，全断面岩石长度长 ；而右线岩面较低 ，几乎全是 软硬不均地层 。
　　钻孔中实测两层地下水 ，第一层为潜水 ，第二层为层问潜水 。由于本段地下水 不具有承压性 ，总体上对盾构施工没有太大影响，但是盾构施工对含水的砂层产生一些不利因素，尤其是盾构开挖面上部的砂层 容易受到扰动而 引起局部坍塌 。
2．2 国内外研究现状
　　本工程施工难点主要是漂石和同一断面软硬不均。地下孤石 (球状风化岩) 是复合地层的典型代表之一。其主要特征是体量小 ，与周围岩体强度相差甚大 ，且大部分赋存在全风化～强风化岩体中。由于球状风化岩的上述特征 ，使其不易被钻探发现，极易影响盾构施工。施工过程中可能出现的主要 问题有 ：刀具磨 损严重、刀座 变形 、更换 困难 ；刀盘磨耗导致 刀盘 强度和刚度降低 ，刀盘变形 ；刀盘受力不均匀导致主轴承受损或 主轴承密封被破坏 、刀盘堵塞 、盾构机负 载加大 ；被刀盘推向隧道侧面的大漂石甚至导致盾构转 向，偏离隧道轴线等。国内最早遇到孤石的工程实例是深圳地铁 ，球状风化岩的存在导致盾构掘进过程中刀盘严重变形 ，险些酿成重大事故 。广州地铁三号线 市番 一天华 区间 隧道 在开 挖过程中遇到 的花 岗岩球状 风化体的岩体单轴 抗压强 度超过 160M P a。成都地铁一号线一期工程区间隧道 大多通 过 富水砂卵石地层 ，且 含有少量大粒径孤石 ，孤石的最大粒径达 670m m ，孤石单轴抗压强度 65．5 — 184M Pa。针对盾构过孤石时 的施工问题 ，尽管采 取了许多措施 ，在一些问题上有所突破 ，但总体效果仍然不是很理想 ，仍处于摸索阶段 ，并且尚未找到一种切实有效的施工方法 。
　　国内外就软硬不均地层盾构施工技术进行了较多的研究 ，但 成功的案例很少 。新加坡 地铁C C L 1 线 隧道 曾遇 到软 硬不 均 的不 稳 定地 层 ，发生了地层坍塌事故 ，一再拖延工期。日本青木公司采用土压和泥水盾构施工的广州地铁一号线 ，遇到部分软硬不均地层 ，曾发生地层坍塌 、地面四层楼房倒塌 的事故。葡萄牙 0 porto 地铁采用盾构 法施工 的 C 线 2．3km 隧道 和 S 线 2．7km 区间隧道，也曾遇到部分软硬不均地层，最终导致盾构刀盘刀具损坏 。在 我 国 ，广州地铁在越三 区间隧道施 工 中成功地 实现 了软硬 不均地 层盾 构掘进 。北京地铁 4 号线将穿越粘土、砂卵、硬岩、孤石和软硬不均等多种复杂地层，牵涉面非常广，可借鉴的成功经验非常有限。
3  盾构掘进时的主要技术措施
　　根据北京市地铁 4 号线颐北区间山问冲洪积扇地层的地质特点 ，对地质断面进 行了认真分析 ，并综合经济合理性的要求，选用了德国海瑞克 6．28 复合式土压平衡盾构机 [1]。该型盾构机具有广泛的适应性和优 良的可靠性 ，在世界上类似工程领域享有丰富的施工经验和业绩。
3．1 盾 构机的优选
　　本标段盾构区间工程地质 比较复杂。针对该段不良地质 ，与海瑞克公司的技术专家进行了若干次技术交流后 ，确定了设备的破岩参数 。值得注意的是盾构机 刀盘 的驱动扭矩 、总推力的大小是决定一台盾构机是否能适合复杂多变地层的关键参 数 。另外 ，还有刀盘的刚度强度以及刀具的选配 也是至关重要的。
3．2 刀 具配置
　　由于本区段为地质情况复杂，为避免在 “上软下硬” 地段换刀的风险 ，始发刀具 采用 双 刃滚刀和齿刀 (羊角刀) 结合的刀具配置，即：边缘区配备8把双刃滚刀，正面 区和中心区共配备14 把齿 刀 。
　　盾 构机 的刀盘采用平面直角形式 ，中心 区安装6把 双刃滚刀／齿刀 (羊角刀 )，正面 区安装8把双刃滚刀／齿 刀 (羊 角 刀) ，边缘区安装5把双刃滚刀／齿 刀 (羊 角 刀 )；64 把小刮刀以及 32把边缘刮刀。滚 刀和小刮刀分别高出刀盘面板175m m 和 140m m ； 双刃滚刀的刀刃间距lOOm m ，通过刀盘布局 ， 中心区的刀间距为lOOm m 。正面区的刀间距 lOOm m ，边 缘 区的刀间距30m m 。以此可以看出，边缘区的破岩能力是最强的 ，而中心区的破岩能力最弱 。 同时 ，由于在刀盘转动时，边缘 区刀具的线速度最大，所以磨损也 最快 。
　　现场施工发现 ，该复合式土压平衡盾 构机的各项机械性能以及动力驱动指标是适应的。但是对局部单轴抗压强度超过 80M P a 的极硬岩来说 ，刀盘以及刀具的数量显得明显不足，尤其是未风化的 “结核体”强度已经远远大于刀盘 的破岩能力 。
3．3 掘进模 式
　　1) 土压平衡盾构机具有敞开式 (开 胸 式 )、半敞开式 (半开胸式)、土压平衡模式 (闭胸式)三种掘进模式 。根据本区间的地质情况 ，结合不同地层的特征 ，所选用的掘进模式也不相同口]。
全断面 岩层 掘进 ：采用敞开式 掘进 模式 ，使用泡沫剂来改良渣土 ；
　　2) 软弱地层掘进 ：采用土压平衡模式 ，渣土改 良主要采用泡沫和适量的膨润土 。土仓压力不需要频繁调节 ，只需要保证土仓压力略大于掌子面的土压和水压力之和即可 ；
　　3) 砂卵石及 “上软下硬”地层掘进 ：此段地层比较复杂 ，断面上地层差异很大。由于断面上 部地 层软弱并局 部有含水的砂层 ，所以容易引起上部塌方 ，所以也采用土压 平衡模式掘进 。但在这种不良地层掘进时土仓压力不易控制 ：过高 ，则盾构推力和扭矩增大，作用在开挖面的有效推力不易掌握 ；过低 ，则易弓l起开挖面坍塌造成地面沉 陷。
3．4 掘进参 数
　　盾构施工前 ，要根据不同的工程地 质特性 以及隧道的埋置深度计算确定主要的掘进参数，包括：盾构姿态 、推力、扭矩、掘进速度 、刀盘转速、贯入度、土仓压力，并根据始发掘进试验段的监测情况进行及时的调整。值得强调的是 ，由于土压平衡模式下实际上是一种通过螺旋机的旋转出土形成的动态平衡 ，所以在实际操作过程 中螺旋 机 的转速和压 力也要 引起足够重 视。
　　1) 土仓压力 (以 5 号传感器控制) ：掘进时土仓压力 0．8 — 1．0bar~ 停机拼环时 1．2 以上 ；
　　2) 推力及扭 矩：推力 6000 — 10 000kN ；设 定 工 作 油 压 180bar ( 急 停 扭 矩 约 3500k N ．m ) ：
　　3) 刀盘转 速 ：0．8 — 1．Or／m in ；
　　4) 贯入度 (切削 量)：20 — 30m m ／rpm ；
　　5) 同步注浆压力及注浆量：浆液采用水泥砂浆，注 浆 压 力 1．8 — 2．8bar (严 禁 超 过3bar)，注浆量大于 5．8m 。／环 ；
　　6) 螺旋机转速：小于 8r／r a in。
3．5 盾构 机姿态的控制
　　在复杂地层 ，特别是在存在孤石和软硬不均地层中掘进时，盾构机姿态控制非常重要 ，若未及时调整 掘进参数就可 能导致盾构机偏离设计 轴线 。调整千斤顶 推力纠偏效果时会加大刀具的磨损，同时纠偏过猛，存在盾构机被卡和管片错台加大的风险。因此 ，盾构机在复杂地层中掘进时 ，一定要控制好盾构姿态 ，一旦盾构姿态出现偏离 ，要遵循 “勤纠偏，缓纠偏”的原则，不能急纠猛纠 ，造成刀具的无谓磨损，甚至盾构机难以前进。
4  盾构掘进 情况分析及对策
4．1 盾构掘进情况分析
　　从本区间的掘进情 况看 ，盾构机在软弱地层(包 括部分 强 风 化 岩 层 ) 中 掘 进 是 比较顺 利 的 。盾构机单 日掘进最高可达 27 环／日，月掘进可达500m 以上，地 表 沉 降 和隆 起 控 制 在 一 2O 一10m m 。除了掘进参数较为合理外 ，很大一个客观因素是强风化岩层的岩面高度没有超过力盘的中心区且岩体较破碎 ，边缘区滚刀起到了一定的作用 ，正面 区齿刀 可以将小块的岩石刮进土仓 。
　　在 全断面基岩地段掘进 ，盾构机时而出现扭矩跳 变、刀盘急停 ，推力增大的现象 。此时 ，及时地将齿刀全部更换为双刃滚刀 ，．掘进45天通过该区段 (里 程 D K 26 + 073．75- - D K 26 +122．6)。经土仓取样检验，判断为石英含量较高的微风化砂岩，单轴抗压强度 124M pa，一共更换滚刀27把 。
　　在上软下硬地层中，上层为砂卵和粘土交互地层，下层为微风化砂岩 。两种地层强度相差较大 ，下层 砂岩最 大强度达到 169 M Pa。在 上软下硬地层中掘进时，岩层上覆盖的含水砂层极易造成坍塌 ，岩面在纵向和横向都有明显的变化，需要不断地 转换掘进 模式 ，及时调 整掘进参数 。推力一般设定在 12 000kN 左右 ，最高时达到了 15000kN左右 ，扭矩常常跳变引起 刀 盘 急 停 。 由于岩石强度远远大于滚刀特别是中心区的破岩设计强度，因此，刀具磨损严重换刀频率 大大增加 ，共更换滚刀 7O 多把。作业时还发现岩面中镶嵌大块的 “结核体”，滚刀在上面几乎没有留下轨迹。为了控制地表沉降，防止掌子面上层土体在刀盘转动时塌方，决定采用土压平衡模式掘进，选用合适的泡沫剂来改良渣土，通过形成土塞效应来保证盾构机的安全施工。但是由于开挖面上部砂层松散 、流动性大 ，无法进行带压换刀作业 ，所以每一次换刀都要进行长时间的地面注浆加固，仅这 81．82m 上软下硬地层的掘进就用了近 124 天时间，增加了盾构机的停机时间，严重影响施工工期 。
4．2  复杂地层盾 构施工经验及对 策
　　在复合地层中掘进，主要是要处理好以下几个环节：一是土压的动态平衡，尤其是软硬不均地层中的土压平衡 ；二是配置合理的刀具和掘进参数，确保盾构机在复合地层中能正常掘进 ；三是 在岩层中的持续快速的掘进 。通过本区间的复杂 地层的盾构施工 ，采取了相应 的对策 。
4．2．1 盾 构机
　　1) 海瑞 克盾构机 在 总推力设计方面 绰绰有余，但在工作扭矩和脱困扭矩方面显得不足 ，施工中由于扭矩 “跳变” 容易引起刀盘急停 ，应适当加大 ；
　　2) 刀盘若采用平面直角刀盘，则应选择强度和刚度较高的刀盘，在中心区适 当增加 耐磨层，防止中心刀具损坏后伤及面板 ；
　　3) 适当增加刀具数量 ，提高中心区刀具的破岩能力 。 中心滚刀刀间距 大 、线 速度最小 、破岩能力差 ，决定了刀盘的整体破 岩能力 ；
　　4) 岩层或者部分岩层掘进尽量选配单刃滚刀。双刃滚刀的刀间距为 lOOm m ，刀圈的启动扭矩偏大 ，在开挖岩面不平整或裂隙发育时易发生 “卡刀” 和 “偏 磨 ”，造成 刀具异 常损 坏 ；
　　5) 安装和更换刀具时要注意刀具的安装 精度 ，确保刀刃基本在一个平面上。尤其是更换新刀时，由于换刀作业环境恶劣 ，新旧刀具磨损程度不同，刀具的固定螺栓紧固程度不尽相同，容易引起个别刀具在转动时松动造成损坏。
4．2．2 施 工组 织管理
　　1) 盾构施工前 ，必须在设计详勘的基础上进行加密补勘 ，在周边环境条件允许的前提下尽可能地揭示 隧道 断面上的地质情 况 ，认真分析不同地层的特征差异 ，为掘进参数的选 择提供依据 ；
　　2) 选择 安全的刀具检查更换地点 ，及时更换磨损刀具 }
　　3) 规划合理的场地布置，配备足够的配套设备。盾构掘进是否顺利往往也取决于这方面 ；
　　4) 加强各个施工环节的协调 ，如运输 、土方外运、管片供给等 ；
　　5) 重 视盾构机司机的培 训 ，提高操作人员责 任心 ；
　　6) 加强设备管理，减少非正常停机时间。<br style="margin: 0px; padding: 0px; font-size: 16px; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; letter-spacing: normal; orphans: auto; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; white-space: normal; widows: 1; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; color: rgb(34, 34, 34); font-family: Arial, Verdana, sans-serif; line-height: normal; background-color: rgb(