市區軟土地層地下工程施工新技術

(Geo-Research Institute，日本 大阪 550-0012)

0 引言

在亞洲的一些大城市，如東京、大阪、上海和新加坡等的軟土地層中修建地鐵、地下通道、地下購物中心及供水、排污系統，埋深超過30 m的越來越普遍。為了滿足深部地下空間開發的需要，一些諸如地下連續墻、土體改良、地下水處理及各種盾構隧道施工新技術被開發并已經應用到地下工程施工中。

然而，由于缺乏深埋復雜地層中的隧道施工經驗，坍塌等突發事故時常發生。因此，很有必要介紹地下工程施工新技術，如現場勘察、監測、隧道開挖、土體改良和地下水處理等。

地層層析成像是一項新開發的現場勘察技術，可提供連續、詳細的現場勘察報告。在有密集地下建筑物的市區，障礙物探測新技術及施工中或施工后的監測技術都很必要。最近，光纖、無線監測系統如微電機系統(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)已開發并投入應用。電測量技術，如電化反應系統或電通量示蹤系統(ECR/EFT，Electrochemical Response System/Electrical Flux Tracer System)，不失為探測可能引起事故的滲漏水區域的一種有效方式［1］。

根據城市不同的用途和不同的施工環境，開發了新的隧道掘進技術。多圓盾構、水平/垂直雙向盾構(H＆V Shield)、偏心盾構(DPLEX Shield)等都是近幾十年研發的有代表性的隧道掘進機。除此之外，也開發了如急速下穿法(URUP，Ultra Rapid Under Pass method)、頂管法等新的下穿施工法。對于大斷面隧道，可采用Harmonica法，該法是用小矩形斷面的幾個組合盾構進行開挖。擠壓混凝土襯砌法(ECL，Extruded Concrete Lining)是一種新的襯砌技術，代在現場施做，可替常用的預制管片。

在基坑施工中，為防止連續墻接縫發生滲漏，開發了配備有姿態控制系統的鋼筋混凝土連續墻液壓挖掘機。作為新型的土體混合攪拌墻施工法，也開發了安裝有電鋸的切槽攪拌深墻法(TRD，Trench Cutting＆Re-mixing Deep Wall method)［2］。此外，為土體改良開發的先行地中梁法(Cross Wall Beam method)在軟黏土地層中也能有效地控制地下連續墻開挖中的變形。

在卵石地層開挖或障礙物移除施工中，開發了大型旋轉套管鉆機。氣壓沉相法采用遙控系統，能實現現場的無人化施工，能實現在深處高水壓環境中的安全工作。

土體改良方法，如注漿法、水泥深層攪拌法和旋噴法等的技術改進也很顯著。用高壓注漿泵旋噴法可在地層中形成高強度大直徑(直徑超過4 m)的旋噴樁。另外，通過地鐵旋噴系統(MJS，Metro Jet System)［3］，可施做水平旋噴樁。

近些年，開發了一種新型的生物技術土體改良法(“生物灌漿”法［4］和“生物封閉”法［5］)。“生物灌漿”法能改善土體的硬度和強度，“生物封閉”法能通過促進一些菌類的增殖來封堵地下水的滲流途徑。超級井點降水法結合了真空井點降水法和深井降水法的優點，作為一種地下深層降水法已投入應用［6］。

1 現場勘察和監測

1．1 現場勘察

在地下工程施工中，為保證經濟和安全，準確的地質信息十分重要。設計和施工必要的信息，如土的性質和地下水情況，通常都是通過鉆探獲得的，但鉆探只能得到一些孤立的點的信息。在繪制地質剖面圖時，這些鉆之間的局部異常(如因斷層或溶洞引起的重要變化)很可能被忽略。此外，由于大型地面和地下建筑物的存在(如地下坑道及地鐵)，使得探測這些結構物下的地質情況非常困難。

為解決這些問題，研發了一些現場勘察技術，如:1)利用地震波、電磁波、聲波等的地球物理勘探和層析成像技術;2)利用地震波從隧道掌子面或豎井進行堪探;3)從地表進行的控向鉆孔勘察和從豎井進行的水平鉆孔勘察;4)基于TBM掘進施工或鉆孔數據的“邊鉆邊探”(MWD，Measuremeat While Drilling);5)地下水滲漏檢測技術，如電化反應系統或電通量示蹤系統(ECR/EFT)。

1)地層層析成像技術是通過雷達波、表面波、電磁波、地震波和聲波進行勘察，適用于深部和復雜地層的地質勘察。孔間地球層析成像技術類似于醫學中CT掃描，是一種連續的橫斷面勘察方法。兩個鉆孔分別用來設置振源和多頻道接收器。通過探測抗抵和速率的分布，可以得到兩孔之間的地層情況的二維的要視化分布。

聲波層析成像技術［7］通過用頻率超過1 kHz的高頻聲波，探測P波速率的分布和振幅的衰減率，以反映地層性質。根據觀測數據，可計算速率和衰減，進而顯示地層信息。圖1為應用該技術的成果之一。

圖1 聲波速度層析成像Fig．1 A velocity imaging of acoustic wave tompgraphy

2)水平振動勘探技術［8］(HSP，Horizontal Seismic Profiling)是隧道施工中有效的勘察方法之一。振動波從隧道掌子面發出，并記錄反射情況。通過分析，可以判斷掌子面前方的斷層位置。

3)控向鉆孔技術可以控制鉆進方向，能有效地用在一些工作空間受限的探測點。若有必要，鉆進方向可以被調整至水平位置［9］。

4)旋轉觸探法和旋轉沖擊鉆探法［9］是典型的“邊鉆邊探”(MWD)技術。鉆進中，監測并記錄鉆機的各項數據(如轉矩、推力、速度、轉數等)，通過這些數據，評價地層性質。同樣的，盾構隧道掘進數據能通過反分析來評估地層性質。

5)在高水壓的軟土地層中進行地下工程施工時，地下水滲漏探測是一項非常重要的技術。電化反應系統或電通量示蹤系統［1］是探測滲漏的一種有效技術。多種離子溶解在地下水中，產生了可測量的電場。利用這個特征，電化反應系統能通過測量電位來識別滲漏并判斷其位置。探測特別小的或只是潛在的滲漏，可通過使用人工電子示蹤器結合電化反應系統，使離子流通過密封結構而被增強(如圖2所示)。電化反應系統或電通量示蹤系統能快速準確地探測到潛在的線性或區域性滲漏，以便進行深埋復雜地下結構(如地鐵)的水平和垂直密封質量控制，既使是在開挖前也可以。

圖2 電化反應系統或電通量示蹤系統(ECR/EFT)滲漏探測圖Fig．2 Scheme of leaks detection by Electrochemical Response System/Electrical Flux Tracer System(ECR/EFT)

1．2 監測［10］

近年來，隨著開挖深度的增大以及已存在的地下建筑物的密集，在市區開發地下空間變得越來越難。為了實現控制成本的同時保證安全、結構質量和周圍環境，現場監測和反饋系統在設計和施工中扮演了重要角色。在地下工程施工中，主要監測項目包括施工引起的地表變形、附加荷載和壓力、地下水壓力、結構的位移、噪音、振動和地下水位的變化。地下工程施工監測還要求有以下特性:監測設備耐久、防水且監測范圍大，能實現無線監測、實時監測并配備反饋系統。根據以上要求，近年來開發了以下新的監測技術:1)微型無線技術(微電機系統(MEMS)、無線通信);2)光纖傳感器(B-OTDR，FBG等);3)專用監測設備，如土壓計和位移計;4)現場可視化安全管理系統。

1)微電機系統(MEMS)是由尺寸從微米到毫米的電機零件組成的微型裝置，它是把計算、通訊功能和傳感制動功能相結合形成的尺寸很小的系統。與較大型設備相比，微電機系統傳感器的主要優點是:尺寸小、能耗低、靈敏度高、可批量生產、成本低、危害小。微電機系統傳感器已應用在土木工程中，可測量加速度、傾斜度、溫度和壓力等。

2)近來，光纖傳感器(B-OTDR)在土木工程中的應用越來越普遍。當入射線通過光纖，反射線會在相反的方向出現，這叫做反向散射現象。通過測量反向散射線的特性，可以獲得沿著光纖的應變、溫度及其他信息。同其他測量傳感器相比，光纖傳感器具有耐久、抗噪且能長距離傳輸等優點。

3)為了準確測量作用于盾構隧道管片上的土壓力，一種可安裝到管片上的大而薄的液壓平板式土壓計［13］應運而生。

全方位內空位移計［12］用來測量隧道內部橫斷面的位移。測斜儀、位移計由連接桿連接，呈多邊形方式安裝在隧道內部。

4)現場安全管理可視化系統［13］是一種工作人員可以根據由于壓力和變形引起的設備發生的光的顏色的變化很容易地確認現場的安全等級的系統。是為監測基礎設施施工而開發的新型變形傳感器。這種傳感器是由變形探測部分和數據可視化部分組成。探測部分與普通的傳感器相似，可測量應變、變形等;數據可視化部分由一個特別設計的轉換器組成，能把測量的位移轉化成相應的LED燈的顏色。

2 隧道與地下工程施工

最近，對盾構掘進技術開發的要求是:長距離、快速、深埋、大斷面、多圓盾構、非圓盾構、隧道結構的高耐久性及高投資效益。根據這些要求，開發并應用了一些新技術，如盾構刀具、密封、回填注漿、掘進控制系統和隧道襯砌管片連接系統。除此之外，為了滿足地下空間的各種具體要求，開發并應用了各種斷面形狀的掘進機，如矩形、馬蹄形、橢圓形和多圓形。同時，在交通條件和周圍環境有限的情況下，為了完成下穿建筑物施工，開發了一些特殊的施工方法和頂推法。Harmonica法、急速下穿法(URUP)等，減小了超大斷面地下工程施工對周邊環境的影響，這些都是典型的地下通道施工方法。也有非傳統的施工方法，如常用于淺埋地下通道施工的頂管法。

2．1 盾構隧道

多圓盾構主要應用于地鐵車站及臨圓形近其他建(構)筑物的隧道施工中。這種盾構由多個盾構組合而成。與傳統的小凈距隧道相比，雙圓或三圓盾構，圓形工作面部分重疊，能提供更多有效的可用空間。已有部分地鐵車站是用多圓盾構施工的。圖3是1995年在大阪地鐵車站施工的三圓盾構［14］。這是多圓盾構在日本的首例成功應用。此后，三圓盾構和四圓盾構都成功地應用東京地下車站的施工中。

圖3 大阪7號線商業園站使用的三圓盾構Fig．3 TBM with 3 faces used the construction of Osaka Business Park station in line-7

實際應用的非圓盾構根據刀盤面板形狀的不同分為矩形、橢圓形和馬蹄形3種類型。在日本，已有超過15個矩形盾構隧道，作為排水溝、地下通道、地鐵等。由于現有結構對豎向定線的限制，東京地鐵13號線的區間隧道采用橢圓形盾構施工。在東京地鐵東西線延伸工程中，使用了大斷面矩形盾構(見圖4)。由于使用斷面面積為60 m2的矩形盾構，出土量減少了20%。此外，進行了在新名神高速公路采用約190 m2的馬蹄形大斷面盾構(最大寬度為19 m)的可行性研究［15］。馬蹄形斷面的開挖，建議采用偏心多軸開挖法(DPLEX，Developing Parallel Link Excavation)。與多軸相連的刀架通過同向轉動曲軸實現平行連動。

圖4 東京使用的矩形斷面盾構Fig．4 TBM with rectangular face used in Kyoto

急速下穿法(URUP)［16］通常用于沒有始發井和到達井的暗挖地下道路、下穿鐵路的地下通道、公路及其他公共設施的施工中。這種方法有專門的土壓平衡系統，能夠直接從地面掘進到地下再回到地面。圖5顯示了急速下穿法的施工過程。

圖5 急速下穿法施工過程Fig．5 Procedure of construction by Ultra Rapid Under Pass method

水平和豎直雙向盾構(H＆V Shield)［17］在掘進過程中可以分離成兩個獨立的盾構，分別掘出螺旋形線路(見圖6)。雙向盾構的原理是用可拆分的連接機構把2臺能獨立控制的圓形盾構連在一起。這種盾構的始發與普通盾構一樣，當需要分離時，可在機器內部把連接栓拆開。通過使用十字鉸接千斤頂，控制機器的轉動，從而進行盤旋上升掘進。

圖6 水平和豎直雙向盾構機和上-下式盾構機Fig．6 Horizontal and Vertical shield and up-down shield

開發的多向盾構掘進技術［18］，可以只用一臺盾構就能實現任意掘進方向的改變，如從垂直到水平、水平到水平和水平到垂直，可不用在轉彎處設置豎井通道。一臺盾構機就可以從地面先以垂直方向開挖豎井，然后進入平導(如圖7)。采用這種方法，能夠起到常規豎井開挖方法所要求的沉箱或地下連續墻的作用，施工更容易，工期更短，成本更低。此法對擁擠的交叉處或地下建筑物以下的地下空間(這些地方通常無法設置豎井來轉動盾構)利用很有效。

擠壓混凝土襯砌法(ECL)［18］適用于高質量的混凝土襯砌的施工，在盾尾使用現澆混凝土，而不是預制管片(如圖8)。在盾構掘進的同時，由與水土壓平衡的壓力將流動混凝土擠壓到盾尾。此法最大的優點是可以使襯砌與地層緊密相連，并使地層沉降或地層松馳程度降到最低。擠壓混凝土保證了盾尾的水密性。混凝土襯砌和內部機構之間的摩擦力提供了盾構千斤頂的推力。

2．2 頂管法［19］

頂管法(如SFT法(Simple and Face-Less Method of Construction of tunnel)、Harmonica法等)是一種地下通道施工的有效方法(如圖9所示)。SFT法，是在箱型頂的保護下，將箱涵(管)從始發井推至到達井。箱型頂由多個小的箱型管組成。將鋼減摩擦板置于箱型頂表面，一同推入地層;之后將減摩擦板與箱型頂分離，并在頂管開始前安裝固定，以使頂管阻力最低。此外，管路在密封有渣土的箱型頂尾部一同推進，從而避免了隧道掌子面的開挖工作。SFT法的應用提高了淺埋地下通道施工的安全性。

Harmonica隧道掘進技術［20］采用微型矩形土壓平衡盾構，并按照設計的線路進行開挖工作，最后由相鄰的小型箱型隧道(如圖10所示)連接成整個大的箱型隧道。這種施工方法的理念是將隧道斷面分成若干個相似的小斷面，并用盾構逐個開挖。采用這種方法可以用于最長400 m的隧道開挖，直道彎道均可。

2．3 明挖法

在明挖法施工中，地下連續墻對保證其安全和質量非常重要。為了減少地下連續墻接合處的滲漏，日本已經研究出一些應對措施，如切槽攪拌深墻法(TRD)、姿態自控土體攪拌墻法(地質鉆探控制法(GST，Geo-drilling Survey-control Technology method)等)以及最新型的姿態控制液壓RC地下連續墻挖掘機。

切槽攪拌深墻法(TRD)［2］是地下連續墻施工中最具有創新性的施工方法。其采用的設備配備有鏈鋸形的刀具，可以穿透地層(如圖11所示)。沿墻軸線方向移動設備切割地層，形成凹槽。開挖出來的渣土和水泥漿從刀具底部注入，并在槽中混合，最終為地層提供臨時支護。在渣土水泥漿混合物硬化前，將H型鋼依次插入槽內，完成地下連續墻的施工。

圖11 切槽攪拌深墻法使用的機械Fig．11 TRD method machine

地質鉆探控制法(GST)［21］可以用裝在推進螺旋軸上的測斜儀實時測量鉆孔的傾斜度。可以通過電腦控制系統來調整鉆進姿態，使推進螺旋軸的傾角和位移保持在適當的范圍內。圖12是采用傳統方法和地質鉆探控制技術打樁的對比。

圖12 地質鉆探控制法垂直控制系統Fig．12 Verticality control system of Geo-drilling Survey-control Technology method

2．4 其他施工方法

1)沉井法。遙控氣壓沉井法(Remote Controlled Pneumatic Caisson method)［22］最初是在 20 世紀 90 年代應用于日本。由于裝有攝像頭的無人遙控挖掘機能在高氣壓環境下工作，因而在高孔隙水壓力的深層地下空間開挖作業也具有同樣的安全性。圖13是遙控氣壓沉井法示意圖。

2)全套管旋挖機。其裝有切割鉆頭，在套管切刀的前端有堅硬的薄片(如圖14所示)。這種挖掘機具有超強的扭轉力，可以通過撞擊、切割前方遇到的諸如鋼筋混凝土、孤石等障礙物，用沖擊式抓斗將切割下來的渣土運送出去，同時將套管旋轉壓入地層。

3 土體改良與地下水處理

3．1 土體改良

根據土體改良機制，地下工程土體改良法可以分為:1)旋噴樁法(Jap，Jet Grouting Pile，包括旋噴柱法(CJG，Column Jet-Grout method)、超級旋噴法(Supper Jet)、地鐵旋噴系統(MJS)、擺動旋噴法(PJG，Pendulous Jet Grout)、交叉旋噴法(Gross Jet)和粉噴法(DJM，Dry-Jet-Mixing)等);2)深層水泥攪拌法(CDM，Cement deep mixing，包括土體攪拌墻(SMW)、CDM和SDM(Supper Deep Mixing)等);3)灌漿(化學灌漿、滲透灌漿和水泥灌漿等);4)生物改良法(生物密封、生物灌漿)。

1)旋噴樁法［23］(JGP)是利用高壓將水泥漿噴入地層從而形成水泥柱。由于旋噴樁法在堅硬密實的地層會形成大小不一、直徑約1 m的水泥柱，有可能并不能滿足穩定與防水要求(如在始發井、接收井和隧道掌子面等處)。于是開發了高達40 MPa壓力的新型旋噴樁法，包括旋噴柱法(CJG)、超級旋噴法(Supper Jet)、地鐵旋噴系統(MJS)、擺動旋噴法(PJG)、交叉旋噴法(Gross Jet)和粉噴法(DJM)等。

旋噴柱法(CJG)［24］使用高壓水槍、壓縮空氣和穩定劑施工形成直徑在1．0～2．0 m的圓柱體。從三重管前端的控制器噴出壓縮空氣和高壓水切割地層。同時從旋轉上升的三重管桿的底部注入穩定劑。旋噴柱法適用于很難用普通的旋噴樁法改良的深度在25 m以上的地層或礫石層。

超級旋噴法(Supper Jet)［25］采用噴射壓縮空氣和穩定劑加固地層，大量高壓泥漿從噴射槍頂部噴出。這種方法可以形成大直徑的旋噴柱，同時可以縮短工期并降低成本。5 m直徑的旋噴柱可滿足標準規范要求。采用本法施工的水泥柱強度是普通旋噴法水泥柱的6倍，同時排泥量減少40%。

地鐵旋噴系統(MJS)繼承了普通高壓旋噴法的優點，同時克服了普通高壓旋噴法的局限性，增加了測壓裝置和滲水管。該法最大的優點在于其泥漿系統，可從水平到垂直方向全方位施工。

擺動旋噴法(PJG)［26］用六邊形噴筒控制噴射方向，根據土體改良的目的形成圓柱形或扇形旋噴樁。該法能縮短工期，并因為可縮小截面面積而節省了穩定劑。圖15是擺動噴射法施工示意圖。

交叉旋噴法(Gross Jet)［27］通過采用交叉超高壓旋噴控制土體改良范圍，形成直徑2．5 m的均勻的旋噴樁，如圖16所示。交叉旋噴法可在任何地層施工直徑均勻的旋噴樁，這是傳統施工方法做不到的。

2)深層水泥攪拌法(CDM)［28］是將水泥漿與軟土在原位攪拌，以達到所需強度的土體改良法。這種方法能夠應用于大面積及深達約30 m的地層，與其他方法相比，費用更低。為了控制地層變形，優化后的水泥深層攪拌法，在攪拌軸上部安裝有螺旋葉片，可運走渣土。

超級深層攪拌法(SDM)［29］是一種由機械攪伴和高壓噴射組合而成的混合土體改良法(如圖16所示)，可生成大直徑攪拌樁。同時，由于用特有的螺旋鉆運走渣土，從而減小了地層位移。

3)滲透注漿法［30］通過采用雙管雙填充器來增加軟土地層土體強度，可長期保持改良效果的穩定性。基于滲透原理，用低壓將漿液注入地層，漿液滲入地層間的空隙，從而最大限度地避免破壞土體結構。在砂層中，改良土體的最大直徑可達4 m。

4)生物改良法是一種新型土體改良法，包括生物密封法和生物灌漿法等。生物密封法［5］通過改變土體滲透性，可簡單有效地防止圍護結構滲漏水，可密封天然持水層(如泥炭層和黏土層)。與傳統滲漏封堵法相比，生物密封法無需在滲漏的具體位置上進行修補，根據流向滲漏位置的地下徑流方向即可定位需要修補的位置。生物密封法主要應用于基坑、隧道、井、鹽滲流和大壩漏水。生物密封開始后，Nutrolase營養液被注入地層，并隨地下徑流送到滲漏點。Nutrolase營養液主要激發滲漏處土中微生物的活性(如圖17所示)。由于滲漏點的水流量最大，因而發生養分的持續置換，最終形成養分的高度聚集。這樣就會在滲漏點形成生物軟泥和礦物堆積，從而阻塞了土粒間的孔隙。

生物灌漿法［4］是一種用微生物學法使碳酸鈣結晶析出的新型土體改良法。該方法根據土體種類的不同，通過碳酸鈣或硅酸鹽的固結來增加土體強度，若是改良砂土地層，則采用微生物誘導析出方解石。整個過程需要將實驗室培養的土壤細菌與尿素和鈣的溶液一起，注入地層;這些細菌把尿素轉化為碳酸鹽，碳酸鹽又能和鈣反應，形成方解石;方解石結晶析出在砂粒上，并把砂粒膠結在一起，從而增加了土體的強度和硬度;經方解石沉淀固結后，砂土地層的強度可達0．25～0．3 MPa，且不會降低砂土的孔隙度。但要注意的是，在生物灌漿過程中，需要將殘留的氯化銨分離出來。圖18是生物灌漿的一系列實驗。

3．2 地下水處理與地下徑流保持

1)超級井點降水法(SWP，Supper Well Point)［6］。普通降水法，如井點降水法(強制降水法)、深井降水法(重力降水法)和真空深井降水法(重力降水法與強制降水法的結合)等，均有一定的缺陷。但是，新型的超級井點法(SWP)極大改進了真空深井法，并克服了其缺陷。通過一個特別設計的雙管過濾器，能保持井內高度真空。超級井點法能排出超深位置的水。同普通深井法相比，超級井點法的排水能力提高了1．2～10倍。本法能使較大范圍內的地下水位快速下降。

2)地下徑流保持［31］。當擋土墻或線形地下建筑(如隧道)遇到含水層，地下水徑流會被阻斷，使上游地下水位上升，下游水位下降。這樣，上游的地下水會滲入地下建筑的基礎，使地下建筑物抬升。不僅如此，地下水位的上升使土體的抗液化能力降低。此外，下游地下水位的降低還會使水井干涸，地表下沉。因此，包括進水口、導水管和補給設施等在內的地下徑流的保持措施都是必要的。現在比較常見的方法是，在地下建筑中為地下徑流留出自由通道，以最大限度地減小對天然地下徑流的影響。

4 結論

本文介紹了市區地下工程施工的一些新技術，包括現場勘察與監控技術、隧道及地下工程施工技術、土體改良技術、地下水處理技術與地下徑流保持技術。這些新技術利用了電子技術、現代電信號與控制技術、生物技術等，使地下工程具有更廣泛的用途和更高的安全性。這樣，就能更有效、經濟、環保地開發地下空間。若這些技術得到有效利用，不僅能滿足大城市地下工程施工的要求，同時，通過技術共享，也能適用于發展中城市。

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