本发明是一种上软下硬地层中土压盾构掘进保持开挖面稳定的控制方法，属于地下工程施工新工艺技术领域。
背景技术：
在上软下硬的复合地层、特别是上部是砂层、下部是岩层的复合地层中进行盾构施工，是目前盾构工程界一大难题，非常容易发生塌方。主要是由于刀盘切削岩层时，为了保证切削效率和减少对刀盘、刀具的磨损，通常选用半舱开挖模式，即盾构封闭的压力舱内的开挖下来的渣土只保留半舱，开挖下来的渣土快速排出，有利于提高施工效率，也有利于防止刀盘结泥饼发生。同时在压力舱的上半部分注入压缩空气，由于开挖面前方上半部分是砂土，其渗透性较大，压缩空气容易排出，压缩空气压力无法保证，导致开挖面支护压力很低甚至接近0，于是开挖面上半部分的软弱砂土地层不可避免地形成了临空面，塌方将不可避免。这种复合地层在我国很多城市均有分布，特别是我国的珠三角的城市，如广州、深圳、东莞等，已经成为了地铁盾构施工的重大难题。随着我国大量越江海隧道的建设，隧道的埋深也是逐渐加大，将逐渐进入风化岩石层，不得不面对上软下硬的地层。
技术实现要素：
本发明提出的是一种上软下硬地层土压盾构掘进保持开挖面稳定的控制方法，其目的在于解决土压平衡式盾构在遇到坚硬地层、特别是上软下硬地层时采取半舱开挖的方法时，如何减少压力舱上半部分中的压缩空气的逃逸，确保盾构开挖面的稳定，使得盾构机能够安全穿越复合地层的问题。
本发明的技术解决方案：上软下硬地层中土压盾构掘进保持开挖面稳定的控制方法，在刀盘腹腔内安装浆管，接入喷洒装置，在刀盘切削过程中，向开挖面喷洒泥浆，泥浆的压力不低于该位置地层水平土水压力；泥浆在压缩空气的作用下向开挖面渗透，从而在开挖面上快速形成泥膜，在开挖面上建立起有效的支护压力，维持开挖面的稳定；同时，向压力舱内注入泥浆或者高分子聚合物溶液，搅拌渣土达到塑性流动状态，便于螺旋排土器顺利排出渣土，也防止渣土在压缩空气作用下发生喷涌。
本发明的有益效果：
1）在渗透性地层中盾构半舱开挖时，向开挖面喷射泥浆，这种泥浆在压缩空气作用下在开挖面形成泥膜，从而能够阻止压缩空气的逃逸，在开挖面上建立起所有效的支护压力，维持开挖面的稳定。
2）由于压缩空气的挤压作用，将更好地挤压渣土的排出，防止渣土在压力舱中发生闭塞。
3）根据上部砂土地层所占开挖面的比例，开启一定范围内盾构刀盘上的泥浆喷嘴阀，最大限度发挥泥浆在开挖面形成泥膜的作用，减少不必要的浪费。
具体实施方式
上软下硬地层中土压盾构掘进保持开挖面稳定的控制方法，在刀盘腹腔内安装浆管，接入喷洒装置，在刀盘切削过程中，向开挖面喷洒泥浆，泥浆的压力不低于该位置地层水平土水压力；泥浆在压缩空气的作用下向开挖面渗透，从而在开挖面上快速形成泥膜，在开挖面上建立起有效的支护压力，维持开挖面的稳定；同时，向压力舱内注入泥浆或者高分子聚合物溶液，搅拌渣土达到塑性流动状态，便于螺旋排土器顺利排出渣土，也防止渣土在压缩空气作用下发生喷涌。
所述喷洒的泥浆，泥浆中颗粒大小应大于等于0.5倍地层平均孔径，泥浆的苏氏漏斗粘度为17-20s，以确保快速形成泥膜，建立开挖面支护压力。
所述的高分子聚合物溶液为聚丙烯酰胺溶液。
所述的向开挖面喷洒泥浆时，当上部砂土地层超过隧道断面2/3时，采用全断面喷洒，当上部砂土地层小于隧道断面1/2时，进行盾构机刀盘外圈泥浆喷洒，以节省泥浆。
所述塑性流动状态指的是较低的渗透性、较低的强度和较高的流动性，即渗透性<10-4cm/s，塌落度为150-200mm，普通直剪强度内摩擦角<20°。
实施例1
广州某地铁区间隧道为典型的上软下硬地层。隧道上浮覆土分别为淤泥质砂层、含蚌壳中粗砂层、中粗砂层。隧道范围内上方为淤泥质黏土层、全风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩；隧道范围内下部为坚硬的强风化泥质砂岩、微风化泥质砂岩。上部砂土与附近河流和珠江连通，地下水丰富。
在这种典型的上软下硬的复合地层施工，为了保护刀盘和刀具和快速施工，压力舱内只能堆满半舱渣土，渣土上部充入压缩空气。对盾构机刀盘进行了改造，在盾构开挖掘进过程中能够向开挖面喷射膨润土泥浆，在开挖面形成了泥膜，开挖面压力保持了地层稳定性，压力舱内压力保持在0.1~0.12mpa之间，波动非常低，盾构掘进过程中没有明显超挖，最大沉降只有6.8mm，地面上的建筑物没有出现开裂，保持完好无损。
实施例2
深圳某地铁区间隧道盾构穿越地层分布极不均匀,主要穿越碌质粘土、全风化、中风化、微风化花岗岩和球状风化体,其中微风化花岗岩总长度约300m,局部为全断面岩层。随道上覆地层厚度变化大,为11.5m~33.om。区段地质构造主要表现为燕山期花岗岩岩装侵入作用,花岗岩在风化作用下形成残积层,其上为坡积层、冲洪积层、地表为人工填土层。盾构穿越地层表现为明显软硬土层的分界面。
盾构施工中采用半舱开挖模式，压力舱内只能堆满半舱渣土，渣土上部充入压缩空气。对盾构机刀盘进行了改造，在盾构开挖掘进过程中能够向开挖面喷射膨润土泥浆，在开挖面形成了泥膜，开挖面压力保持了地层稳定性，压力保持在0.2~0.22mpa之间，波动非常低，盾构掘进过程中没有超挖，最大沉降只有10mm，施工质量得到业主认可。
当土压平衡式盾构采用半舱开挖时，向开挖面的砂土层喷洒泥浆能形成泥膜阻止压力舱上部压缩空气的逃逸，建立起开挖面支护压力维持开挖面的稳定，为了预防压力舱内在压缩空气作用下螺旋排土器喷涌，同时向压力舱内注入浓泥浆或者高分子聚合物溶液以改良压力舱内渣土达到塑性流动状态。这种建立起开挖面支护压力的新方法，不同于以往要求压力舱要充满渣土，并进行改良使之达到塑性流动状态，以维持开挖面的稳定。这是由于上软下硬的复合地层中，如果满舱掘进开挖，容易增加刀盘刀具的磨损，高强度的磨损容易在刀盘和压力舱上产生类似烧结砖式粘附块体形成泥饼，盾构机无法正常掘进。因此，本发明更能适应我国地铁建设的实际情况，满足半舱高效率开挖时开挖面稳定控制。