獅子洋隧道虎門港沙田港區地層破碎段盾構掘進施工技術研究

鄭清君

(中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450003)

0 引言

近年來，隨著經濟和社會的發展，我國修建的盾構隧道工程越來越多，相應施工難度也越來越大，國內外盾構法隧道工程在穿越建(構)筑物或地質條件復雜地層時造成施工事故的教訓不少，能否安全穿越建(構)筑物或地質條件復雜地層關系到整個盾構法隧道施工的成敗。穿越建(構)筑物或地質條件復雜地層是盾構施工技術發展的一個重要方向，同時施工中面臨的安全風險也越來越嚴峻，特別是大直徑泥水盾構破碎地層中穿越零沉降要求的建(構)筑物，更是給予了我們更嚴峻的挑戰。

以往對盾構法施工、復雜地層中盾構施工、盾構穿越構(建)筑物風險分析與控制等已做了大量的研究工作:文獻［1］對盾構法施工關鍵技術進行了全面論述;文獻［2］總結分析了獅子洋隧道主要技術難點;文獻［3］詳細研究了盾構掘進控制、地表滯后坍塌控制、泥水平衡盾構開挖面穩定技術、盾構通過重要建(構)筑物施工技術等富水砂卵石地層盾構施工關鍵技術;文獻［4］總結分析了繁華城區富水砂卵石地層大直徑泥水盾構隧道施工中掘進參數控制、泥水處理等關鍵技術;文獻［5］研究了繁華城區大直徑泥水盾構掘進沉降控制技術;文獻［6］總結分析了廣州地區復雜變化地質條件下斷裂帶地層盾構施工風險及控制技術;文獻［7］對粉細砂地層盾構施工進行了風險分析并制定了應對措施;文獻［8］對富水軟弱地層淺埋大直徑泥水盾構泥水循環管理及控制進行了研究，提出了防止管路及環流系統堵塞措施;文獻［9］歸納了地鐵盾構工程事故的類型及特點;文獻［10］對獅子洋隧道進行了風險源的分析和風險辨識;文獻［11］對盾構隧道施工引起的地面變形計算方法進行了研究;文獻［12］研究分析了盾構施工引起地面沉降的因素，與地層條件、掘進速度、注漿時間等密切相關。

我國已建或在建的下穿重要建(構)筑物盾構隧道，大多數采用土壓平衡盾構施工，并且是在砂卵石地層、粉細砂地層、軟弱地層等單一均質地層中，或是在全斷面巖石中修建的，有關大直徑泥水盾構在地層破碎段下穿重要建(構)筑物施工介紹很少。本文針對獅子洋隧道虎門港沙田港區地層破碎段盾構掘進施工，針對泥水盾構掘進施工中掌子面穩定、環流系統、刀盤被卡、刀具損壞等易發生變化的邊界條件，依據地質超前預報，研究并制定了針對性技術保證措施和應急處置措施，有效保證了安全、順利施工。

1 工程概況

獅子洋隧道是廣深港鐵路客運專線的控制性工程，下穿珠江主航道——獅子洋水道，隧道工程全長10.8 km，盾構段長9 340 m，最大縱坡20‰，最小縱坡3‰，設計時速350 km，是我國首座水下鐵路盾構隧道，首次在軟硬不均地層和巖層中采用大直徑氣墊式泥水盾構施工。投入4臺直徑φ11.18 m氣壓調節式泥水平衡盾構機，采用“相向掘進，地下對接，洞內解體”方式組織施工。盾構隧道采用預制拼裝式管片襯砌，管片采用“5+2+1”雙面楔形通用環管片，錯縫拼裝。管片內徑9.8 m、外徑 10.8 m、管片環寬 2.0 m。

獅子洋隧道分為進出口2個標段，中鐵隧道集團承擔獅子洋隧道出口SDIII標段的施工任務，左線長4 450 m，右線長4 750 m，SDIII標2臺盾構機從獅子洋隧道東莞側出口盾構井始發。在完成SDIII標段掘進施工任務后，本著不見不散原則向進口方向掘進，共完成獅子洋盾構隧道左線隧道5 200 m、右線隧道5 168 m施工，在獅子洋底與對面標段盾構對接后在洞內將盾構解體。

左線掘進從1 248環開始，進入虎門港沙田港區軟硬夾雜及巖石破碎區域，開始出現糊刀盤及堵塞出漿泵現象，1 335環后，掌子面及其上部巖層破碎程度及區域加大，掘進較困難。

虎門港沙田港區位于珠江東岸，獅子洋隧道從碼頭基礎下方33.5 m處穿過，碼頭先于隧道施工。碼頭基礎與隧道之間的位置關系見圖1。

虎門港沙田港區碼頭采用拋石基床上的沉箱基礎。基床底標高－16.5 m，拋石基床(10～100 kg)厚4.0 m，沉箱基礎 8.12 m ×9.0 m ×12.8 m，碼頭前場地采用中粗砂回填。碼頭設置QU100軌道，其中后軌道梁采用φ600 mmPHC管樁(間距5 m)，樁基最低標高 －26.2 m。

2 工程地質和水文地質

虎門港沙田港區地層破碎段根據鉆探揭露地層情況顯示:隧道上部從上至下分別為第四系新近期填土層、第四系海陸交互相，第四系上更新統沖積、殘積層，基巖為白堊系下統基巖類。

洞頂埋深約為51 m，洞頂地層從上至1.8 m為人工填土層，屬于可塑－軟塑黏土層;1.8～16.6 m為淤泥層、淤泥質粉細砂層，屬于流塑、軟塑、飽和、松散等穩定性極差地層;16.6～28.5 m為粉細砂互層、中粗砂層，屬于軟塑－可塑－稍密及飽和等穩定性較差地層;28.5 m以下為微風化泥質粉砂巖，屬于泥質膠結、砂狀結構、巖石輕微風化巖層。28.5 m以下至50 m為細砂巖，巖層較破碎。掌子面范圍上部5 m為泥質粉砂巖，較破碎，下部泥質粉砂巖稍顯破碎。1 355環處掌子面范圍上部地質斷面圖見圖2。

3 虎門港碼頭港區環境

隧道下穿虎門港碼頭港區，地面為硬化鋼筋混凝土結構(見圖3)。地面從上至下為38 cm厚素混凝土硬化、20 cm厚水穩層、20 cm厚級配碎石、150 cm吹填砂墊層，地基承載力≥180 kPa，砂墊層壓實度0～80 cm≥95%、80～150 cm≥94%、150～180 cm≥92%。

4 鄰近地層破碎段掘進施工情況

4.1 1248～1277環掘進施工

由于基巖中有軟弱夾層，含泥量較大，造成本段施工頻繁堵倉。在此29環的掘進過程中，由于堵倉(見圖4)，共5次開倉清理刀盤。期間對掘進參數進行了調整，主要是加大對刀盤的沖洗:每掘進300 mm停止掘進，同時加大刀盤轉速至2.6 r/m，利用泥漿環流根據其參數進行適當的沖洗;比原計劃提前架設進漿接力泵，加大進漿對刀盤的沖洗流量及沖洗壓力。通過以上措施，堵倉有所減輕。

4.2 1278～1334環掘進施工

施工中出漿泵堵泵頻繁，同時還有堵倉現象。每環掘進都有堵泵現象，最多一次1環13次，堵泵情況如圖5所示。從掘進參數和開倉情況看，掌子面及其上部地層顯破碎，刀盤切削石塊脫落直徑大，造成堵泵頻繁，但整體穩定性稍強，未出現大面積坍塌。

圖5 堵泵情況圖Fig.5 Pump blocking

5 地層破碎段地質超前預報

根據地質詳勘資料，掘進至1 355環進行了地質超前預報，本次測試安裝10個傳感器，左右邊墻各5個;錘擊震源點共計12個，左右邊墻各6個。勘測范圍為:高程－30～－70 m，隧道中心線左邊20 m，右邊20 m，縱向為150 m。

5.1 TRT系統預報原理

TRT6000地質超前預報系統是利用地震波的反射原理進行地質預報。預報時，通過垂擊或激震器產生的地震波，地震波在隧道中的巖體內傳播，當遇到一地震界面時，如斷層、破碎帶、溶洞、大的節理面等，一部分地震波就被反射回來，反射波經過一短暫時間到達傳感器后被接收并被記錄主機記錄下來;然后經專門的O－RV3D軟件進行分析處理，對地震波進行疊加，就得到清晰的異常體的層析掃描三維圖像;再通過對異常體的里程、形狀、大小、走向，并結合區域地質資料、跟蹤觀測地質資料就可以確定隧道前方及周圍區域地質構造的位置和特性。

5.2 地質超前預報分析結果

采集的TRT數據，通過TRT軟件進行處理，獲得P波、S波波速和地質層析掃描成像圖等資料，詳見圖6和圖7。

圖6 P波、S波直達波波速值Fig.6 Velocity of P direct wave and S direct wave

以P波和S波資料和地質層析掃描成像圖為依據，通過對地震波反射掃描成像三維圖分析，結合地質勘測資料，得出如下結論:

1)1335—1354環，該段圍巖較為破碎，節理裂隙發育，富水。

2)1355—1365環，該段圍巖較為破碎，1 361環左側裂隙水發育;DIK39+933處，1 363環前方較為破碎。

6 地層破碎段掘進施工

6.1 技術保證措施

1)地表監測。掘進時加強地表監測(實施24 h監測)，派專人每環量測出碴量，如有異常及時保壓停機，采取相應措施。

2)泥漿管理。盾構掘進時，保持泥水倉壓力與作業面壓力(土壓與水壓之和)平衡是防止盾構上方地層發生沉降的關鍵，盾構機在掘進時，根據地質和水文條件及地層壓力下，調整泥水壓力，保證泥水壓力與開挖面土壓力及水壓力之和平衡，保持其穩定性。

3)掘進參數。選擇合適的掘進速度，確定合理的貫入量和掘進速度;根據巖層硬度、掘進速度、掌子面水壓和盾殼摩擦力確定合理的推力。

4)注漿管理。加強壁后注漿質量管理，不僅要充填管片間隙及控制上方地層沉降，而且還要使漿液不受泥水的侵蝕，盡快具有一定的早期強度，防止上方地層發生沉降。做好地表注漿準備工作，沉降達到預警值時，立即進行地表注漿。

5)刀具管理。確定合理的刀具配置方案和換刀方案，盡量減少盾構機在碼頭區開倉的作業次數;掘進時盡可能采用低轉速、低推力、低扭矩的模式推進。

6)防止盾尾漏漿措施。提高同步注漿質量;保持切口水壓穩定;加強盾尾注脂質量管理，均勻足量壓注盾尾油脂;合理的管片選型，確保管片盾尾間隙均勻;嚴格盾構機的操作，加強對盾構機姿態的控制合理，控制盾構掘進糾偏量，防止盾尾漏漿。

7)防止地表冒漿措施。嚴格控制切口水壓波動范圍;嚴格控制出碴量，原則上按理論出土量出土，可適當欠挖，保持土體的密實，以免地下水滲透入土體并進入盾構;嚴格控制同步注漿壓力，并在注漿管路安裝安全閥，以免由于注漿壓力過高而頂破覆土;若出現機械故障或其他原因造成盾構停推，采取措施防止盾構機移動。

8)防止土層沉降措施。按設計值設定切口水壓;加強泥漿管理，防止超挖;當發現隧道沉降大于5 cm時適當增加同步注漿量，必要時進行補壓漿。

9)防止堵塞措施。開啟攪拌機，在遇到切口不暢時，應及時轉旁路，同時找出導致不暢的原因并采取降低推進速度、逆洗等措施加以解決。

10)防止管片上浮或下沉措施。嚴格控制隧道軸線使盾構盡量沿著設計軸線推進，每環均勻糾偏，減少對土體的擾動;提高同步注漿質量，要求漿液有較短的初凝時間，使其遇泥水后不產生裂化，并要求漿液具有一定的流動性，能均勻地布滿隧道一周，及時充填建筑空隙;加強隧道縱向變形的監測，并根據監測的結果進行針對性的注漿糾正，如調整注漿部位及注漿量，配制快凝及提高早期強度的漿液;對管片的上浮量進行分析和總結，必要時適當調整盾構機的掘進姿態，以達到隧道線型不超限的目的。

6.2 應急處置措施

1)刀盤轉動時掌子面石塊脫落，掌子面坍塌、失穩。停止掘進，選擇適宜氣壓，向倉內注高黏度泥漿，形成護壁后恢復掘進。

2)刀盤被卡。選擇適宜氣壓，向倉內注高黏度泥漿，形成護壁后再進行刀盤脫困，控制出碴量，確保出碴量與設計出碴量相符。

3)掌子面坍塌致使出碴不順，不能形成正常的泥漿環流。停止掘進，選擇適宜氣壓，向倉內注高黏度泥漿，形成護壁后依次對氣墊倉和泥水倉進行循環疏通，恢復正常泥漿環流，確保出碴量與設計出碴量相符。

4)超量出碴引起刀盤上方塌陷。對地表或江面進行監測，停止掘進，向倉內注高黏度泥漿，形成護壁后恢復掘進，確保出碴量與設計出碴量相符。

5)管片上浮量超標。當發現隧道上浮量超標，且波及范圍較遠應立即采取對已建隧道進行補壓漿措施，以割斷泥水繼續流失路徑。

6)泥漿門前方堵塞。為恢復暢通的泥漿環流必須進行疏通，采用的方法主要有反沖洗及反循環，主要依靠進出漿流量差對泥漿門附近進行沖洗。

7 實施效果

1335～1354環掘進施工期間出漿泵堵泵頻繁，有不間斷的小范圍巖層剝落或坍塌。總推力比正常掘進高10 000～15 000 kN，刀盤扭矩比正常掘進低400～1 000 kN·m，速度為12～16 mm/min，掘進中不間斷出現推力增大而扭矩變化不大等現象。從以上可以判斷，本段掘進地層較為破碎，掘進時發生有小范圍巖層剝落或坍塌。管片脫出盾尾后無明顯上浮或下沉，地表無沉降。

1355～1364環掘進較困難，刀盤啟動扭矩高，推力為72 000～91 000 kN，扭矩為3 500～5 800 kN·m，速度為10～12 mm/min，堵泵頻繁。管片脫出盾尾后無明顯上浮或下沉，地表無沉降。

虎門港沙田港區地層破碎段盾構掘進施工中，通過選擇合適的掘進參數，采取泥漿管理、加強注漿等針對性措施，正確處理了出碴不順、泥漿門前方堵塞等問題，順利通過了港區地層破碎段，規避了地表沉降、盾尾漏漿、地表冒漿、管片上浮等風險的發生，未發生一起安全事故。

8 結論與討論

1)本文對虎門港沙田港區地層破碎段盾構掘進施工中采取的地質超前預報、技術保證措施和應急處置措施正確、有效、全面、針對性和可操作性強。

2)地層破碎段盾構掘進關鍵技術要點是掘進參數選擇、穩步掘進、泥漿質量、同步注漿和二次注漿。

3)地層破碎段盾構掘進重大危險源有掌子面坍塌失穩、刀盤被卡、泥漿環流堵塞、刀具損壞無法掘進。

4)在地層破碎段盾構掘進施工中，在不具備輔助工法進行超前加固、無法常壓或低壓進倉條件下，須確保掘進施工中刀具方面、泥漿環流、掌子面穩定性等不能發生需開倉才能進行處理的問題或風險。

5)在地層破碎段進行盾構掘進施工中，需進一步深入研究利用盾構超前注漿孔進行超前加固的可行性，這是在無地表加固條件下確保安全進倉的必備的、唯一的輔助工法。

6)本文系統地分析了在獅子洋隧道盾構施工中，虎門港沙田港區地層破碎段盾構掘進采取的技術保證措施和應急處置措施，且在施工實踐中得到了很好的應用，對類似工程有一定的參考價值。

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