上軟下硬復合地層地鐵盾構(gòu)隧道設(shè)計及施工探析

朱宏海

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

0 引言

花崗巖、混合巖及灰?guī)r等硬質(zhì)基巖大面積分布于我國華南、東南及華北沿海地區(qū)，上面多為花崗巖、混合巖的殘積層以及黏土層、砂層等地層?；◢弾r、混合巖的殘積層具有未擾動前比較致密、承載力較高，擾動后強度迅速降低、軟化、崩解，自穩(wěn)性差等特性。硬巖和軟弱地層，兩者地質(zhì)物理特性差別大，地鐵盾構(gòu)隧道由于地鐵車站埋深及線路坡度的限制，區(qū)間隧道洞身不可避免地會有部分位于硬質(zhì)基巖、部分位于風化殘積層或其他軟弱層中。盾構(gòu)在上軟下硬地層中施工經(jīng)常遇到掘進速度減慢、極易超挖、地面沉降嚴重甚至坍塌、盾構(gòu)刀具磨損嚴重、卡機、螺旋機噴涌等問題。如何處理好這些問題，國內(nèi)工程技術(shù)人員一直在分析和研究。以往的解決方案多從施工方面來考慮，效果欠佳。文獻［1］結(jié)合深圳地鐵2號線東延線土建2222標僑香站—香蜜湖站區(qū)間施工，對上軟下硬地層盾構(gòu)施工，從掘進參數(shù)控制、渣土改良技術(shù)、帶壓開艙換刀技術(shù)等方面做了研究和改進，利于盾構(gòu)施工。文獻［2］對上軟下硬地層盾構(gòu)施工，主要從合理選用盾構(gòu)掘進參數(shù)及渣土改良技術(shù)2方面做了研究和闡述。文獻［3］以南昌地鐵1號線5標中山西路站—子固路站盾構(gòu)穿越上覆砂礫下臥泥質(zhì)粉砂巖復合地層為背景，在室內(nèi)試驗成果的基礎(chǔ)上，提出了渣土改良方案，并結(jié)合現(xiàn)場實施效果，相應地修正了現(xiàn)場渣土改良參數(shù)。文獻［4］總結(jié)了獅子洋隧道φ11.2 m泥水盾構(gòu)穿越上軟下硬地層的施工技術(shù)，從刀盤刀具配置、掘進參數(shù)、姿態(tài)控制、同步注漿等方面提出了大直徑泥水盾構(gòu)穿越上軟下硬地層施工中應注意的主要方面。文獻［5］圍繞典型上軟下硬地層的施工，分析了該地層中盾構(gòu)法施工存在的問題和風險，給出了施工的有效方法和措施，并研究了相應的應對措施，以提高典型上軟下硬地層的施工質(zhì)量。針對上軟下硬地層，其實應從設(shè)計方案、盾構(gòu)選型及配置、施工措施等多方面綜合分析、研究與處理。從設(shè)計源頭開始，設(shè)計方案應合理可行且應有針對性;根據(jù)設(shè)計方案及地勘報告等資料，選購或改造合適的盾構(gòu)及關(guān)鍵部件配置;在項目實施階段，結(jié)合大量工程經(jīng)驗，提出施工處理措施、盾構(gòu)施工參數(shù)及注意事項。

1 工程地質(zhì)特點

1.1 上軟下硬地層

上軟下硬地層指隧道洞身下半斷面或大部分斷面位于花崗巖、混合巖、灰?guī)r及含礫砂巖等巖層中，隧道上半斷面或拱頂位于軟弱地層中如:盾構(gòu)隧道下部洞身位于花崗巖中，上半部洞身花崗巖、混合巖全風化層及殘積土層，或砂層、淤泥層及軟塑狀黏土層等地層中;通常隧道洞身位于地下水位以下，地層含水豐富或飽水。如:東莞市城市軌道交通R2線陳屋站—寮廈站區(qū)間，隧道左線ZDK27+814.225～+898.225，右線YDK27+806.874～+873.504，共約150 m位于上軟下硬地層，隧道下部為中風化花崗閃長巖〈9－3〉、微風化花崗閃長巖〈9－4〉，其中微風化花崗閃長巖〈9－4〉天然抗壓強度fc=34.5～110.0 MPa。隧道上部為硬塑狀砂質(zhì)黏性土〈6－6〉、可塑狀砂質(zhì)黏性土〈6－5〉。圖1為寮廈站—珊美站區(qū)間縱斷面圖，圖2為典型上軟下硬地層取芯情況。

圖1 寮廈站—珊美站區(qū)間縱斷面圖Fig.1 Longitudinal profile of Liaoxia Station-Shanmei Station section

1.2 工程地質(zhì)特點

根據(jù)TBJ 12—1985《鐵道工程地質(zhì)技術(shù)規(guī)范》［6］及《工程地質(zhì)手冊》［7］，巖石飽和單軸抗壓強度大于60 MPa為極硬巖，飽和單軸抗壓強度30～60 MPa為硬巖。地鐵盾構(gòu)隧道上軟下硬地層中的硬巖一般指飽和單軸抗壓強度大于50 MPa且?guī)r石完整性較好的巖石。

圖2 上軟下硬地層取芯照片F(xiàn)ig.2 Cores of hard-soft heterogeneous ground

軟弱地層中，花崗巖、混合巖全風化層及殘積層有如下特征:

1)均勻性較差，強度不一。全風化層、殘積層具有遇水軟化、崩解，強度急劇降低，自穩(wěn)性差的特點。

2)全風化層及殘積層土顆粒成分具有“兩頭大、中間小”的特點。地層顆粒成分中，粗顆粒(＞0.5 mm)的組分及顆粒小的組分(＜0.075 mm)的含量較多，而介于其中的顆粒成分則較少，且長石、石英等顆粒含量較大。

以上特征是造成全風化層及殘積土遇水軟化、崩解，強度急劇降低的主要原因。當動水壓力較大時，容易產(chǎn)生管涌、流土等現(xiàn)象［8］。全風化層及殘積層物理力學指標統(tǒng)計如表1所示。

2 設(shè)計、施工現(xiàn)狀及問題

2.1 設(shè)計現(xiàn)狀及問題

目前國內(nèi)各參與地鐵設(shè)計的公司和設(shè)計院普遍任務較多，人員配備不足，設(shè)計人員經(jīng)驗有一定欠缺;并且盾構(gòu)區(qū)間精細化設(shè)計存在不足，地鐵線路設(shè)計人員和區(qū)間結(jié)構(gòu)設(shè)計人員配合、溝通不夠，對盾構(gòu)隧道上軟下硬地層施工難度和施工中存在問題認識不足，甚至部分線路設(shè)計人員對上軟下硬地層沒有概念。在方案設(shè)計階段未能優(yōu)化線路，盡量避開上軟下硬地層。

由于地鐵車站埋深和線路坡度的限制，區(qū)間隧道無法完全避開上軟下硬地層，再加上設(shè)計各階段對上軟下硬地層缺乏針對性的設(shè)計和措施，造成初步設(shè)計概算中針對上軟下硬地層的處理費用不足，發(fā)展成施工階段出現(xiàn)問題時資金困難，施工難題最后轉(zhuǎn)移給承包商。

設(shè)計階段審查，政府評審，部分流于形式，難以發(fā)現(xiàn)問題并提出有效處理方案。

表1 花崗巖、混合巖各土層物理力學參數(shù)統(tǒng)計表(范圍值)Table 1 Physical and mechanical parameters of soils in granite ground and migmatite ground

2.2 施工現(xiàn)狀及問題

盾構(gòu)隧道上軟下硬地層的特性，決定了盾構(gòu)施工的困難，施工中出現(xiàn)問題難以完全避免。部分區(qū)間施工承包商對該地層認識不足，盾構(gòu)選型、采購或改造上針對性不強。部分盾構(gòu)機操作手和現(xiàn)場施工技術(shù)管理人員也存在經(jīng)驗不足的問題，施工前施工組織沒有針對性，缺乏相應預案，造成施工中問題不斷，部分問題處理不及時，造成較大損失。圖3為上軟下硬地層施工地面塌陷情況，圖4為施工過程中地面冒漿情況，圖5為盾構(gòu)刀盤磨損情況。

圖3 地面坍塌Fig.3 Ground collapse

圖4 地表冒漿Fig.4 Grout emerging on ground surface

圖5 磨損嚴重的刀盤Fig.5 Seriously-damaged cutter head

施工中出現(xiàn)的主要問題有:

1)盾構(gòu)掘進參數(shù)取用不合理，刀盤轉(zhuǎn)速、貫入度、扭矩及推力等偏大;造成盾構(gòu)機掘進不順、姿態(tài)難以控制等問題。

2)盾構(gòu)掘進困難，盾構(gòu)昂頭，出土超量，地面沉降及坍塌。

3)盾構(gòu)刀具磨損嚴重，需頻繁開艙檢查刀具及換刀。

4)盾構(gòu)出現(xiàn)卡機現(xiàn)象。

5)軟弱地層松動坍塌，泥水涌入土艙，出現(xiàn)螺機噴涌;土艙保壓造成地表冒漿等。

3 設(shè)計探討

盾構(gòu)區(qū)間上軟下硬地層普遍存在，在設(shè)計中不可避免地會遇到，各設(shè)計單位應提高認識，加強對設(shè)計人員的培訓，提升綜合設(shè)計能力。

方案設(shè)計階段，應盡可能避開該地層，具體可以采用以下方法和措施:

1)線路從平面上繞避上軟下硬特殊地層。

2)各專業(yè)設(shè)計人員密切協(xié)調(diào)和溝通，調(diào)整線路縱坡，避開大量的上軟下硬地層，可采取調(diào)高(或調(diào)低)線路的手段，例如線路可由常規(guī)的V形坡改變?yōu)閃形坡。

3)調(diào)整車站埋深，常規(guī)地鐵標準車站采用地下2層方案，工程實施困難區(qū)間兩端車站可結(jié)合環(huán)境條件，比選地下1層、地面1層車站和地下3層或4層車站方案，綜合車站投資、區(qū)間工程實施難度、節(jié)省的投資以及后期運營的便利及成本的增減，確定合理的區(qū)間方案。

在初步設(shè)計和施工圖設(shè)計階段，應在地勘初步探明上軟下硬地層分布及埋深的基礎(chǔ)上，采取針對性設(shè)計和措施，主要有:

1)給出設(shè)計方案和措施時應有對應數(shù)量，概算開項并有合理的費用。

2)對隧道下部堅硬的巖層，可考慮預裂爆破+袖閥管注漿方案。預裂爆破可采用地質(zhì)鉆機或潛孔鉆機，鉆孔直徑90～110 mm，間距800～1 000 mm。圖6為預裂爆破平面及立面示意圖。

圖6 預裂爆破平面及立面示意圖Fig.6 Plan and profile of presplitting blasting

3)隧道上部若為松散砂層，應結(jié)合地面條件，對砂層進行加固，加固方式可考慮攪拌樁、旋噴樁或注漿等。

4)根據(jù)區(qū)間長度，設(shè)置多個換刀加固區(qū)，加固區(qū)的設(shè)置宜結(jié)合聯(lián)絡通道地層預加固進行，具體的加固方式可選用攪拌樁、旋噴樁或注漿加固等。

5)避免線路與巖石交接面角度小于150°，以免盾構(gòu)刀盤切入困難。

4 盾構(gòu)選型及基本要求

目前國內(nèi)穿越上軟下硬地層一般選用復合式土壓平衡盾構(gòu)，盾構(gòu)在采購或改造階段需針對地層特點及巖石強度，提出專門要求。如:深圳地鐵11號線車公廟站—紅樹灣站區(qū)間，土建承包商盾構(gòu)機采購時，專門針對主驅(qū)動大功率、刀盤中心部位開口率、泡沫口、膨潤土口設(shè)置、雙渣門、刀盤中心雙聯(lián)滾刀單刃滾刀數(shù)量和高度等做了具體要求，來適應區(qū)間上軟下硬地層。同樣，東莞市城市軌道交通R2線工程西平站—哈地站區(qū)間施工采用既有盾構(gòu)機，施工前，提高了既有盾構(gòu)的刀盤開口率，將泡沫系統(tǒng)改為單管單泵，也是為了應對上軟下硬地層。

盾構(gòu)主要技術(shù)指標及要求有:

1)盾構(gòu)主驅(qū)動應采用大功率設(shè)計。

2)刀盤、刀具具備在單軸抗壓強度＞150 MPa的巖石中連續(xù)掘進的能力，同時有耐磨保護層及磨損監(jiān)測裝置。

3)盾構(gòu)刀盤中心部位應有足夠大的開口率，刀盤開口率宜大于30%。

4)泡沫注入系統(tǒng)的注入口不宜少于6個，應設(shè)計有防堵裝置，同時設(shè)置膨潤土注入口，泡沫及膨潤土注入系統(tǒng)均為單管單泵系統(tǒng)。

5)建議優(yōu)先考慮中心螺旋出土器，螺旋直徑不宜小于750 mm，最大通過粒徑不宜小于300 mm，可以考慮雙渣門設(shè)計。

6)預留合理的超前鉆機孔位。

7)具備有針對性的防泥餅、防噴涌設(shè)計。

5 施工措施、經(jīng)驗及注意事項

5.1 施工技術(shù)措施

盾構(gòu)隧道上軟下硬地層施工，施工前必須有針對性的施工組織及應急預案，對技術(shù)管理及操作人員進行專項培訓。施工技術(shù)措施主要有:

1)針對上軟下硬地段，在詳勘基礎(chǔ)上，進行有針對性的補充鉆孔勘察，進一步探明隧道范圍巖層、土層厚度及分布。

2)盾構(gòu)推進前，根據(jù)地勘，對上軟下硬地段隧道掘進影響范圍巖石進行預裂爆破，爆破后再對巖層及隧道影響范圍土層注漿加固。巖石預裂爆破孔距、深度、裝藥量等需進行試驗和檢驗，同時需根據(jù)GB 6722—2003《爆破安全規(guī)程》［9］進行爆破安全校核，爆破后石塊粒徑應小于300 mm。圖7為預裂爆破防護示意圖。

3)施工前需對推進控制參數(shù)進行研究，建議參數(shù)為:①刀盤轉(zhuǎn)速≤1.2 r/min，盾構(gòu)推力 ＜20 MN，扭矩＜2 000 kN·m，貫入度＜5 mm;②邊滾刀最大磨損＜15 mm，中心刀最大磨損＜25 mm，超過需更換。

4)盾構(gòu)掘進過程中嚴格控制出土量，建議每環(huán)至少檢查并確認3次。

5)盾構(gòu)掘進時向土艙及時足量注入渣土改良劑，保持開挖面穩(wěn)定，渣土改良可采用泡沫或泡沫+膨潤土。

6)可以采用以下防噴涌措施:①土艙中加入高黏度泥漿;②調(diào)短同步注漿漿液初凝時間;③及時二次注漿，同時每5—10環(huán)管片考慮設(shè)一道雙液漿止水環(huán)。

圖7 預裂爆破防護示意圖Fig.7 Protection of presplitting blasting

5.2 經(jīng)驗及注意事項

盾構(gòu)在上軟下硬地層施工困難大，問題多，總結(jié)類似工程實施經(jīng)驗顯得彌足珍貴，主要注意事項如下:

1)施工中遇到異常情況應及時停機處理。

2)不斷改進渣土改良工藝。

3)盡量多設(shè)置換刀加固區(qū)，勤檢查更換刀具。

4)對巖層預裂爆破后，仔細對殘留孔進行封堵，以免盾構(gòu)掘進時地面冒漿。

5)由于對巖層進行了預裂爆破，隧道洞內(nèi)應加強通風和進行有害氣體檢測。

6)施工過程中盾構(gòu)姿態(tài)控制很重要，加強掘進參數(shù)控制，對掘進異常情況和參數(shù)異常要有足夠的敏感性。

7)加強地面巡查，做好應急處理措施，遇有坍塌及時圍蔽回填，以免造成不良影響。

6 結(jié)論與建議

盾構(gòu)在上軟下硬地層中施工困難，存在或隱藏的問題較多，其一系列問題在國內(nèi)或國際上都是難題。各個環(huán)節(jié)都需要注意和慎重對待。如:廣州市軌道交通六號線暹崗站—蘿崗站—香雪站區(qū)間，在上軟下硬地層中掘進困難，超量出土造成地面坍塌。東莞市城市軌道交通R2線工程西平站—哈地站區(qū)間，在上軟下硬地層施工時隧道曾出現(xiàn)螺旋輸送機噴涌，地面塌陷等問題。這些都是上軟下硬地層施工中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，要盡可能解決和處理好這些困難和問題，需要從設(shè)計開始時就要做綜合研究和多方案比選。措施考慮充足，相關(guān)工程量和概算列足，以免工程實施時因為費用問題造成事故。除了設(shè)計，盾構(gòu)機選型、配置必須有針對性，否則后期施工時難以彌補。施工過程中對管理人員和操作人員要求高，應做專項培訓，同時經(jīng)驗的積累和借鑒也很重要。只有工程參與各方從工程籌劃時充分考慮到實施的困難、問題，采取有力措施，才能確保盾構(gòu)在上軟下硬地層較順利掘進。

［1］ 鄧彬，顧小芳.上軟下硬地層盾構(gòu)施工技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012(2):59－63.(DENG Bin，GU Xiaofang.Study on shield construction technology in soft upper stratum and hard under stratum［J］.Modern Tunnelling Technology，2012(2):59 －63.(in Chinese))

［2］ 付艷斌.上軟下硬地層中盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)［J］.交通科技與經(jīng)濟，2009(4):22－26.(FU Yanbin.Construction techniques by shield tunneling method in upper-soft lowerhard ground［J］.Technology ＆ Economy in Areas of Communications，2009(4):22 －26.(in Chinese))

［3］ 翟圣智，胡蒙達，葉明勇，等.南昌上軟下硬地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良技術(shù)研究［J］.鐵道建筑，2014(8):27 －31.(ZHAI Shengzhi，HU Mengda，YE Mingyong，et al.Study on ground conditioning of EPB shield used in complex geological area in Nanchang［J］.Railway Engineering，2014(8):27 －31.(in Chinese))

［4］ 李光耀.獅子洋隧道泥水盾構(gòu)穿越上軟下硬地層施工技術(shù)［J］.鐵道標準設(shè)計，2010(11):89 －94.(LI Guangyao.Technology for slurry shield to passing through up-soft-downhard stratum in construction of Shiziyang tunnel［J］.Railway Standard Design，2010(11):89 －94.(in Chinese))

［5］ 王景峰.典型上軟下硬地層盾構(gòu)施工技術(shù)［J］.鐵道建筑技術(shù)，2014(9):21－23.(WANG Jingfeng.Shielding technology in typical stratum of soft layer under hard layer［J］.Railway Construction Technology，2014(9):21 －23.(in Chinese))

［6］ TBJ 12—1985鐵道工程地質(zhì)技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，1996.(TBJ 12—1985 Code for railway engineering geological technology［S］.Beijing:China Railway Publishing House，1996.(in Chinese))

［7］ 《工程地質(zhì)手冊》編寫委員會.工程地質(zhì)手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1992.(Compilation Committee of Engineering Geology Handbook.Engineering geology handbook［M］.Beijing:China Architecture＆ Building Press，1992.(in Chinese))

［8］ 朱宏海.混合巖殘積層物理力學特性及其對地鐵工程的影響與處理措施［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2013(1):29－34.(ZHU Honghai.Physical and mechanical characteristics of mixed rock eluvium and its influence on Metro works and treatment measures［J］.Modern Tunnelling Technology，2013(1):29 －34.(in Chinese))

［9］ GB 6722—2003爆破安全規(guī)程［S］.北京:國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2004.(GB 6722—2003 Codes for blasting safety［S］.Beijing:General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China，2004.(in Chinese))