廈門地鐵復雜地質條件下盾構法施工技術探討

楊書江

(中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

廈門地鐵復雜地質條件下盾構法施工技術探討

楊書江

(中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

為了解決廈門軌道交通1號線工程復雜地質條件下的盾構施工難題，從地質勘察、盾構選型、特殊地質盾構施工及輔助工法應用等方面進行研究。主要得出以下結論：1)詳細的工程地質和水文地質勘查是工程建設的基礎；2)適應于地質的盾構選型是工程建設的關鍵；3)合理選擇盾構掘進參數和輔助工法是工程建設的保證。

廈門地鐵；復雜地質；盾構選型；施工；輔助工法

0 引言

廈門軌道交通地質條件極其復雜，涵蓋淤泥質土、砂層、全風化/中風化地層、上軟下硬地層、硬巖地層、花崗巖球狀風化體等，對盾構施工提出了嚴峻的挑戰。差異如此大的地層類型集中于一個城市，在國內尚屬罕見，對此開展的研究工作亦不多見。文獻[1]從巖土工程勘察、地質風險認識和風險治理等方面明確地質風險的控制對策，闡明地質工作是工程建設的基礎；文獻[2]對盾構在短距離硬巖和上軟下硬地層的盾構施工提出了相應的處理措施；文獻[3]結合深圳地鐵2號線東延線上軟下硬地層盾構施工，研究了盾構掘進參數選擇、渣土改良及帶壓開倉換刀技術；文獻[4]對盾構在硬巖地層的掘進技術進行了探討，降低了刀具的損壞；文獻[5]在廣州地鐵3號線工程創造性地采用了鉆爆法開挖盾構法襯砌施工工藝，成功解決了長距離硬巖地層的施工難題；文獻[6]對提高刀盤刀具的耐磨性能及孤石地層的掘進提出了見解并取得了良好的效果；文獻[7]結合深圳地鐵5號線工程實例，分析了孤石的形成機制和分布規律，介紹了破除孤石的方法和施工措施；文獻[8]以成都地鐵火車南站站—省體育館站盾構工程為例，介紹了輔助工法在盾構刀具更換中的應用情況。

已發表的文獻大都對單一復雜地質進行研究的較多，而對在同一城市軌道交通復雜地質的盾構施工研究較少。為解決廈門軌道交通1號線工程復雜地質條件下的盾構施工難題，本文從地質勘察、盾構選型、特殊地質盾構施工及輔助工法應用等方面進行研究。

1 工程概況

廈門市軌道交通 1 號線為規劃線網中最為重要的一條中心放射狀骨干線，由本島西南端向北輻射形成快速跨海連接通道。一期工程線路全長30.26 km，本島15.0 km，島外15.26 km，共設置車站24座，最大站間距3.84 km，最小站間距0.62 km，平均站間距1.3 km。區間長度為25.00 km，其中明挖2.72 km、盾構11.23 km、礦山法6.89 km、高架2.62 km、路基1.55 km。預計采用14臺盾構施工，每臺盾構平均掘進長度為1 584.67 m。

1.1 工程地質

1)第四系土層巖性變化大，巖漿巖種類多。第四系土層由于形成的時期不同，中粗砂、淤泥質土、粉質黏土、殘積砂質黏土、全/強風化花崗巖、全風化輝綠巖等巖性變化很大。已揭露的巖漿巖種類有凝灰巖、花崗巖、輝綠巖、閃長巖和正長巖，是迄今國內地質最復雜的地區之一，在其他城市盾構施工中還沒有遇到過。盾構性能要適應差異化極大的地質條件，選型困難。

2)基巖起伏大、花崗巖球狀風化體(孤石)發育。由于基巖起伏大，存在巖面突起，形成了非常典型的上軟下硬復合地層特點。根據初勘結果，花崗巖球狀風化體(孤石)鉆孔的見孔率為18%，盾構施工風險大。含孤石地層見圖1。

圖1 含孤石地層

3)巖石單軸抗壓強度高。局部存在中/微風化花崗巖，單軸抗壓強度分別為30～50 MPa、62～140 MPa，對刀盤強度、剛度和刀具破巖能力要求高。

1.2 水文地質

地下水的主要補給來源首先為大氣降水的滲入，其次為相鄰含水層的側向補給，局部地段為地表水體的下滲補給。地下水分布受地貌、巖性、構造等因素影響，其運動主要受地形和地貌的影響。

1.3 地質補勘及建議

工程地質及水文地質資料的準確性關系到盾構的選型，是盾構工程施工的關鍵。盾構掘進時揭示的地質條件與勘測資料不相吻合的現象時有發生，增加了盾構施工的難度和風險。

進場后在詳勘基礎上沿隧道中線增加至每20 m一個鉆孔進行補充地質勘察。在發現基巖突起、差異風化體等不良地質時，鉆孔加密至10 m或5 m一孔，必要時橫向布孔形成“地質切片”。

設計選線時盡量避開上軟下硬、互層地層，使隧道位于均質地層中。廣州地鐵復合地層、成都地鐵泥巖、砂卵石互層地層盾構施工前，根據補充地質勘察成果對線路平面及縱坡進行合理優化，確保盾構掘進的順利進行。

2 盾構選型

廈門地鐵地質條件復雜多樣，增大了盾構選型的難度。根據“掘得進、穩得住、出得來、成形快、環保好”的選型原則，建議選用復合式土壓平衡盾構。

2.1 總體要求

主驅動功率不小于900 kW；刀盤最大推力不小于35 000 kN，額定扭矩不小于6 000 kN·m；優先選用軸式螺旋輸送機，且直徑不小于800 mm；配置雙倉并聯結構的人倉，以滿足檢查刀盤和更換刀具的需求。

2.2 刀盤設計原則

1)充分考慮軟弱不均地層受力不均、球狀風化體碰撞刀盤等不利因素，刀盤必須有足夠的剛度、強度，刀盤面板和邊緣應加強耐磨保護設計。

2)刀盤開口率在30%～40%，刀盤開口均勻布置，適當增大中心部位的開口，防止頻繁結泥餅。

刀盤設計見圖2。

圖2 刀盤

2.3 刀具配置原則

復合式地層中軟弱地層和硬巖特性差別巨大，建議采用破巖能力較強的單刃滾刀、寬刃齒刀和刮刀的刀具組合形式。刀座設計做到滾刀和齒刀可互換。

1)滾刀刀間距控制在100 mm以內。

2)刀具高度差宜大于30 mm，滾刀高度大于齒刀。

2.4 添加劑注入系統的設計

1)刀盤面板、土倉內、螺旋輸送機內設置足夠的添加劑注入管路。

2)為提高渣土改良效果，設置獨立的膨潤土注入系統。

3)為確保背襯注漿效果及特殊情況下的補充注漿，設置二次注漿系統。

3 復雜地層盾構掘進施工

盾構在砂層、淤泥質土、粉質黏土、殘積砂質黏土、全/強風化花崗巖的掘進施工技術比較成熟，在此不再贅述。在局部硬巖及上軟下硬地層中以刀具破巖貫入量為基準控制掘進速度，做到對刀具的有效保護。含孤石地層的掘進比較困難，建議采取輔助措施提前處理。長距離上軟下硬或硬巖地層，建議采用鉆爆法開挖、盾構空載推進、拼裝管片通過。

3.1 局部上軟下硬地層的掘進

上軟下硬地層是一種特殊的地質，既具有軟巖地層的不穩定性，又具有硬巖的強度和穩定性。為確保地面建(構)筑物的安全，必須采用土壓平衡模式掘進。

3.1.1 掘進參數選擇

1)刀盤轉速。在上軟下硬地層中掘進，只需對掌子面切削即可剝落軟巖，但硬巖對刀盤、刀具的磨損較大，適當降低刀盤轉速，減少刀具受到的瞬時沖擊。刀盤轉速控制在1.0～1.2 r/min。

2)土倉壓力。由于軟巖容易坍塌，而硬巖不易破碎，為保護刀具需要降低掘進速度，但對軟巖的穩定不利，要保證掌子面的穩定，需要保持較高的土壓。根據地層特性、覆土厚度等計算土倉壓力，實際土倉壓力設定值稍高于計算值。

3)刀盤扭矩和推力。刀盤扭矩保持在10～13 MPa，掘進速度控制在3～5 mm/min，推力在10 000～18 000 kN。

4)螺旋輸送機轉速的選擇。為保持土倉壓力平衡，需控制螺旋輸送機的出渣速度，轉速在3～8 r/min。

3.1.2 掘進輔助措施

1)由于刀具和軟硬不均巖面發生周期性碰撞，刀盤的震動很大，主司機必須仔細聆聽刀盤內的聲音，觀察刀盤扭矩的變化，防止刀盤被卡死。

2)如果刀盤扭矩減小、掘進速度降低、渣土溫度變高，可能刀具磨損嚴重，應及時檢查并更換刀具，防止刀盤受損。

3)必須加強渣土改良，加泡沫的同時向土倉內加入泥漿(或膨潤土)，對砂層或其他軟弱地層起泥膜作用，可有效防止軟弱地層坍塌。

3.2 局部硬巖地層的掘進

盾構在全斷面硬巖地層掘進時，掌子面自穩性好，采用半敞開或敞開模式掘進。

3.2.1 掘進參數選擇

1)刀盤轉速。刀盤轉速在1.5～1.7 r/min，每轉一圈刀具貫入量為5～10 mm，掘進速度在7.5～17 mm/min。刀具破巖軌跡見圖3。

圖3 刀具破巖軌跡

2)土倉壓力。硬巖中掌子面的自穩性較好，可以保持較低的土壓進行掘進，土倉內渣土保持2/3左右。若地層含水量大時上部土壓可提高0.03～0.05 MPa，具體數值要考慮隧道覆土厚度來確定。

3)刀盤推力。刀盤扭矩一般為17～19 MPa，推力在14 000～17 000 kN調節。

4)螺旋輸送機轉速。硬巖地層掘進速度慢且土倉內渣土量少，螺旋輸送機轉速在6～10 r/min進行調節。

3.2.2 掘進輔助措施

1)注入泡沫既能冷卻刀具，又可以改良渣土的流動性，泡沫用量一般為35 L/m，視渣土情況可加少量水。

2)由于硬巖地層隧道成形斷面完整光滑，同步注漿漿液初凝前處于流動狀態，已安裝管片受到的浮力遠大于自重，極易發生管片上浮事故。掘進時將盾構豎向姿態適當調低以抵消一部分管片上浮值。將漿液初凝時間調整在8 h以內，每隔10環管片注水泥-水玻璃雙液漿將同步注漿漿液隔離，同時加強人工測量盾構和管片的姿態。

3.3 含花崗巖球狀風化體(孤石)地層盾構掘進技術

盾構在含花崗巖球狀風化體(孤石)地層掘進時刀盤刀具磨損嚴重(見圖4)，甚至可能磨穿刀盤，造成地表坍塌或建筑物管線破壞。利用盾構掘進含孤石地層比較困難，應探清孤石的分布、粒徑等，提前采取措施進行處理。

圖4 刀盤嚴重磨損

3.3.1 利用刀具切削破碎孤石

1)適當減小刀盤轉速，增大推力，同時采取刀盤正、反轉的方式緩慢切削孤石，注意控制刀盤的扭矩變化量在10%以內。刀具破碎孤石效果見圖5。

圖5 刀具破碎孤石效果

2)盡可能向刀盤、土倉內多加入泡沫或膨潤土泥漿，以使刀盤刀具降溫。

3.3.2 人工進倉處理

采取上述措施后，若未能破碎孤石，優先考慮帶壓處理。作業人員進入土倉，利用液壓錘或靜態爆破進行處理。

在無帶壓進倉條件或孤石數量較多時，考慮從地面進行地層加固，待掌子面有足夠的自穩能力后再進倉處理。地層加固方式應綜合考慮地質情況、隧道埋深、地面環境等確定。

準確判定孤石的位置后，用沖孔鉆機從地面沖孔破碎是一種有效的處理方法。孤石體積較大，采取其他方法處理無效時，從地面施工豎井或人工挖孔樁進行破碎也是可行的，但成本較高。

3.3.3 深孔爆破處理

深孔爆破是指孔深在5 m以上的鉆孔爆破技術，可根據孤石的形狀、大小來具體確定孔徑、深度和裝藥量大小，對厚度較大的孤石可實施分層爆破。通過調整炮眼間距和用藥量來控制爆破后石塊的大小，石塊單邊長度控制在300 mm以下，以利于螺旋輸送機順利出渣。鉆孔直徑為110 mm，孔距和排距均為800 mm。孔內雷管選用毫秒導爆管雷管，起爆雷管選用順發電雷管，炸藥選用乳化炸藥，標準直徑為60 mm，具體參數根據實際情況調整。深圳地鐵、廣東臺山核電站取水隧洞等工程采取該工藝，在盾構到達前對孤石進行了處理。深孔爆破示意見圖6。

圖6 深孔爆破示意圖

3.4 長距離上軟下硬或硬巖地層施工技術

對于長距離上軟下硬或硬巖地層，采用鉆爆法開挖并進行初期支護、隧道底部施作弧形鋼筋混凝土導向平臺、盾構空載推進拼裝管片通過、管片背后的空隙利用吹豆粒石與注漿結合的工藝，規避盾構掘進的風險。

3.4.1 盾構空載推進拼裝管片

盾構空載推進時，止水條擠壓不緊容易造成管片漏水，主要采取以下措施：

1)在刀盤前方堆放粒石，利用粒石對刀盤正面的阻力和盾殼下部產生的摩擦力為刀盤提供反作用力。

2)每環管片用φ22 mm鋼筋與上一環管片相連，防止隧道貫通時刀盤前方突然失去反力造成已安裝的管片松動。

3)合理選擇管片的安裝類型，控制推進油缸行程差，使盾構姿態偏差在±20 mm以內。

4)當環管片安裝完成后，對上一環管片螺栓進行二次緊固，保證管片的塊與塊之間、環與環之間的緊密連接。

3.4.2 管片背襯回填

3.4.2.1 噴射豆粒石回填

每隔4.5 m在盾構切口和初期支護間用砂袋圍擋，不小于2:00～10:00點鐘位置，從刀盤前方向盾殼外壁吹入粒徑5～10 mm的豆粒石。豆粒石累計噴射量至少達到管片背后孔隙的60%～70%。噴射豆粒石施工見圖7。

圖7 噴射豆粒石示意圖

3.4.2.2 盾尾同步注漿

同步注漿采用水泥砂漿，漿液初凝時間為8 h，終凝時間為10.5 h。注漿控制以觀察為主，從盾構前方觀察有無漏漿，從管片開孔檢查注漿效果，視情況調整漿液的初凝時間。

3.4.2.3 補充注漿

第1次補充注漿主要是填充管片頂部的空洞。盾構每推進6 m從管片1:00或11:00點鐘位置的注漿孔注入水泥單液漿，注漿時避開封頂塊位置。盾構通過鉆爆法隧道后，根據管片間滲漏水情況，注水泥-水玻璃雙液漿止水。

廣州市軌道交通3號線大石南—漢市區間盾構工程、廣州大學城供熱供冷管道過江隧道工程、深圳地鐵5號線盾構工程均采用該工藝，順利規避了硬巖隧道的盾構掘進風險。

4 盾構施工輔助工法

盾構法在城市地鐵隧道施工中的作用越來越重要，但盾構不是萬能的，需要在輔助工法的配合下，才能最大程度發揮盾構的性能。

4.1 端頭地層加固技術

端頭土體加固效果不好是盾構始發或到達過程中經常遇到的問題，必須根據端頭土體的工程地質、水文地質和周圍環境選擇合理的加固方法。區間端頭采用φ800@600三重管旋噴樁加固，縱向加固長度為10 m，橫向隧道輪廓外3 m。每個端頭設3口備用降水井。要求加固后的土體無側限抗壓強度不小于0.8 MPa，滲透系數應小于1.0×10-7cm/s。

4.2 帶壓進倉技術

檢查刀盤及更換刀具一般選擇在穩定地層中進行，在上軟下硬地層或其他不穩定地層中檢查刀盤刀具時，必須進行地層穩定性評估，必要時采取地層加固措施。土壓平衡盾構配備有帶壓進倉系統，可以在壓氣狀態下安全進倉進行作業。帶壓進倉作業屬于非常危險的工作，進倉人員必須嚴格選拔并經過專業培訓。

對土壓平衡盾構而言，采用壓氣法換刀難度相對較大。在換刀位置前5環開始加入優質膨潤土進行渣土改良，掘進到預定里程后，停止掘進，通過加泥系統向土倉的頂部泵送膨潤土泥漿，用膨潤土泥漿置換土倉內的渣土，緩慢轉動刀盤，漿液逐步滲透到地層的孔隙中，通過螺旋輸送機將土倉內的渣土逐步排空。當螺旋輸送機出來的渣土非常少時，停止出渣，繼續向土倉內注入泥漿，讓泥漿充分滲透到地層，形成泥膜(見圖8)。泥膜的形成可以防止氣體逃逸，保持土倉內壓力的穩定，從而保證作業安全。

圖8 形成的泥膜

4.3 建(構)筑物保護技術

廈門市具有歷史文化價值的建筑物眾多，對建筑物保護要求高。隧道穿越大量民用住宅、商業大廈、交通繁忙的公路、高架橋等，沿線有密集的種類繁多的地下管線、高架電塔等，地表環境極其復雜。

1)加強與產權單位的溝通協調，調查了解建(構)筑物基礎類型、埋置地層以及結構現狀等。

2)確定相應的沉降控制值，制定專項監測方案，及時反饋監測數據，進行回歸分析，實現信息化施工。

3)緊鄰或穿越建(構)筑物施工前視情況進行地層預加固，盾構穿越時根據監測數據及時跟蹤注漿。

4)過建(構)筑物前做好盾構檢修保養，保證盾構性能良好。施工中加強掘進參數控制，做好同步注漿和洞內補充注漿。

4.4 監控量測技術

將盾構始發端頭、到達端頭、穿越或鄰近通過地面建(構)筑物作為重點監測區段，監測內容包括沉降、傾斜、地下水位、土體分層沉降等。區間線路監測主要以沉降監測為主。

盾構掘進前明確監測項目、監測方法、監測頻率、監測控制值及報警值，進行監測數據的分析，并及時反饋指導施工。

5 結論與討論

盾構法施工在廈門市系首次采用，因而沒有系統性的成功經驗可以借鑒。只要工程實施前期做好詳細的地質勘查工作，摸清工程地質和水文地質條件，選擇地質適應性強的盾構設備，借鑒國內其他城市地鐵在部分特殊地質下的經驗教訓，合理選擇盾構掘進參數及輔助工法，加強掘進過程控制，提高盾構施工風險管理水平，安全優質建好軌道交通1號線的目標是完全可以實現的。

鑒于廈門軌道交通工程的復雜性，應積極探索盾構施工洞內超前地質預報技術的研究和應用，進一步彌補地面地質勘查的不足。如此復雜的地質條件集中于一個城市，在國內尚屬罕見，本文提出的各種工藝尚需在實踐中進一步驗證完善。

本文介紹的特殊地質條件下的盾構施工工藝均有成熟的工程實踐案例，對廈門軌道交通盾構法施工具有較強的指導意義和具體借鑒價值。結合廈門軌道交通的建設，進一步研究盾構法施工在復雜地質條件下的應用，對拓展土壓平衡盾構的使用范圍，提升我國盾構施工技術水平的具有重要意義。

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國產盾構無進洞隧道內拆除技術在新加坡地鐵成功應用

日前，新加坡地鐵市區線三期C923A項目4條隧道掘進任務全部完成，標志著該項目主體隧道土建施工基本結束。

C923A項目由2段長度分別為1.5 km和800 m的雙線隧道，以及處于2隧道區間中部的盾構始發井組成，采用由上海隧道股份自行研制的國產土壓平衡盾構施工。施工期間，首次在國產盾構中應用“盾構無進洞并在隧道內拆除”技術，盾構在完成1.5 km隧道推進后，盾構殼體留在接口處，內部部件拆離后由始發井運出，經地面重新裝配后送入井下再次始發，向相反方向完成剩余800 m隧道區間推進。

由于在隧道內拆除盾構風險較高，所有吊點都經過反復計算和驗核，保證項目安全推進。

(摘自 隧道網 http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=c0720db1-6aac-42a0-a41f-e0c2c2682a02&CtgId=77bc9040-5c59-4063-b0a5-2771b7223dd9 2014-07-22)

ShieldTunnelingTechnologiesforXiamenMetrounderComplexGeologicalConditions

YANG Shujiang
(ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

The shield tunneling of Line 1 of Xiamen Metro is studied in terms of geology survey,shield selection,shield boring under complex geological conditions and assistant construction methods,so as to ensure the successful construction of the project.Conclusions drawn are as follows: 1)Detailed engineering geological and hydrogeological survey is the basis for the construction of the project;2)Shield suitable for the geological conditions of the project is fundamental for the construction of the project;3)Proper shield boring parameters and proper assistant construction methods are guarantee for the construction of the project.

Xiamen Metro;complex geology;shield selection;construction;assistant construction method

2014-05-19;

2014-06-20

楊書江(1973—)，男，山東招遠人，1996年畢業于中國礦業大學，礦井建設專業，碩士，教授級高級工程師，從事城市軌道交通工程技術管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.08.010

U 45

B

1672-741X(2014)08-0765-06