盾構機在花崗巖球狀孤石區及復合地層中掘進施工技術淺析

田雙龍

摘 要：針對區間盾構隧道在廣州地鐵復合地層中地質條件復雜、地層物理性差異大（局部存在孤石群），在盾構機的選擇上，并通過掘進模式、添加劑使用、盾構隧道軸線控制及同步注漿等施工技術的不斷優化，順利完成預定目標。

關鍵詞：復合地層、盾構機選型、掘進模式、添加劑、軸線控制、注漿。

1 工程概況

1.1 工程簡介

知識城北站～馬頭莊站區間（以下簡稱“知～馬區間”）設計為雙線圓形盾構隧道，右線起止里程為支YDK45+403.700～支YDK47+698.950，右線總長約2297.273m；左線起止里程為支ZDK45+403.700～支ZDK47+698.950，左線總長約2248.611m。線路最小曲線半徑為800m，盾構段隧道覆土厚度為8.62～21.4m。線路設W形坡，最大坡度為21.009‰。

區間全程基本沿規劃的九龍大道敷設，出知識城北站之后向東南方向前進經過紅衛村、路邊空地（主要是果林和水塘），采用800m曲線半徑繞過鳳尾小橋后回歸九龍大道，隨后全線沿九龍大道規劃紅線內前行，經過鳳尾村、新南村等村莊后到達馬頭莊站。

隧道內徑5400 mm，外徑為6000mm，采用C50P12預制鋼筋混凝土管片襯砌，寬度1500mm，每環管片采用“3+2+1”（3塊標準塊、2塊鄰接塊和1塊封頂塊）型式、錯縫拼裝，彎曲螺栓連接，環與環間以10根縱向螺栓相連，塊與塊之間以12根環向螺栓緊密相連，接縫處設密封墊溝槽，采用三元乙丙橡膠彈性密封墊止水，管片背后注漿回填。

1.2 地質情況

知～馬區間擬建場地為低丘、殘丘、山地地貌，其間分布有剝蝕殘丘、剝蝕臺地、山地及山間沖洪積平地。地勢起伏較大。第四系覆蓋層，殘、坡積土層分布廣泛且厚度較大，下伏基巖為燕山期花崗巖，風化層厚度較大。隧道主要穿行于中粗砂層<3-2>、粉質黏土層<4N-2>、殘積砂質黏性土層<5H-2>、全風化花崗巖<6H>、強風化花崗巖<7H>。以左線地質為例，詳見圖1-1左線地質縱剖面示意圖。

說明：<1-2>雜填土、素土，<3-1>粉細砂，<3-2>中粗砂，<4N-2>可塑狀粉質粘土，<5H-2>硬塑狀砂質粘土，<6H>白堊紀全風化花崗巖，<7H>白堊紀強風化花崗巖，<8H>白堊紀中風化花崗巖，<9G>白堊紀微風化花崗巖孤石。

1.3 區間孤石概況

⑴原詳勘揭示孤石情況

原區間詳細勘察報告及補充巖土勘察報告揭示本區間存在4處孤石，孤石的層厚為0.8～3.4m，孤石的巖性為中風化球狀孤石或微風化球狀孤石，強度為102.8～104.3MPa。

⑵補勘揭示孤石情況

為更好了解區間孤石分布、大小及巖性情況，按照廣州地鐵軌道公司《孤石補勘管理辦法》進行布孔，對孤石出現可能性很大區域按10m間隔布置，對孤石出現可能性較大的區域按20m間隔布置，均為一般性鉆孔，鉆孔編號為：B001～B300，當有鉆孔揭露孤石時，以該孔為中心往小里程方向和大里程反向沿隧道中心各5米處布置一加密孔，加密孔編號以該孔編號為主號（以**-1和**-2形式進行編號），**-1為小里程方向加密孔，**-2為大里程方向加密孔。孤石邊界探測以揭露孤石的鉆孔為中心在隧道中線和垂直隧道中線上2米處各布置鉆孔2個，當揭露孤石時外擴2m繼續加密探邊，未揭露孤石時內縮1米探邊為止。本次共補勘共計揭示孤石62處，所揭露單個孤石幾何形狀不規則，厚度0.10～4.50m，而且孤石多呈群狀分布；孤石強度為33～104.3MPa，孤石巖性為中風化及微風化，具體情況如圖1-1所示，孤石巖芯如圖1-2所示。

2 盾構機選型

投入本標段知識城北～馬頭莊區間掘進的是兩臺海瑞克土壓平衡盾構機S585和S586。該兩臺盾構機是德國海瑞克公司生產，出廠編號分別為S585和S586的土壓平衡盾構機，曾在2013年完成東莞R2線【鴻福路～西平盾構區間】施工2306標的隧道工程（以下簡稱2306標）、2014年完成深圳地鐵7號線7302標安托山～農林盾構區間。

2013年01月和2012年12月兩臺盾構機投入東莞R2線【鴻福路～西平盾構區間】施工2306標的隧道工程左右線的盾構施工，其中左線盾構施工為1239.318m，右線為1377.83m，每臺盾構機完成掘進任務分別為826環、919環，推進時間S585為1239h，S586為1379h。

2014年3月和2014年4月兩臺盾構機投入深圳地鐵7號線7302標安托山～農林盾構區間左右線的盾構施工，其中左線盾構施工為1629.709m，右線為1652.777m。其中左右線各有兩段礦山法開挖初支盾構拼裝管片施工，分別長152m、782m、185m、859m。每臺盾構機實際完成掘進任務分別為464環、406環，推進時間S585為696h，S586為609h。

S585、S586累計推進時間分別為1935h、1988h。工程合計僅為原主軸承設計壽命的19.4%、19.9%。

S-585/586盾構機為土壓平衡式盾構機，依據廣東地區復合地層資料專門設計，其主要參數滿足廣東地區掘進、換刀等相關要求。

⑴盾構機額定扭矩大于4470KN.m，額定推力39910KN。

⑵盾構機刀盤有雙刃滾刀4把，單刃滾刀32把，刮刀64把，8把鏟刀、開口率28%。

⑶螺旋輸送機配備了2道防水閘門。

⑷土壓倉內裝有5個土壓計。

⑸泡沫注入系統1個，泡沫發生器4個。

⑹盾構密封刷3道，密封刷為知名品牌。

⑺盾構機切削外徑與管片外徑之間的距離為140mm。

⑻各區域推進千斤頂最大可伸長量為2000mm。

3 花崗巖球狀孤石體中盾構掘進施工技術

3.1 孤石處理

考慮因素：孤石處理方法將根據孤石的大小、位置、形狀、周邊環境以及是否探明等因素確定。主要采取盾構機直接掘進通過和地表鉆孔深孔爆破兩種方式進行處理，輔以開倉清理孤石的方式

⑴盾構機直接掘進法：對于孤石裂隙發育、強度不大、孤石尺寸大小小于30cm的孤石采用盾構機直接掘進，不需要提前預處理。

⑵地表引孔爆破法：選擇在地面采用鉆深孔控制爆破預處理的方式，以避免和減小洞內處理空間限制和安全風險。

3.1.1試爆

孤石爆破處理試爆點選擇在區間左線ZDK47+432.62至ZDK47+463.627區段，區段長為31.4m，寬為6m。采用地質鉆機引孔，鉆孔的孔距a、排距b均為0.5m，為了確定孤石的形狀、體積大小，以探明孤石孔為中心采取向外擴展的方式進行鉆孔，確保整個孤石被包絡在鉆孔中。布孔形式采用梅花樁形，孤石爆破布孔平面如圖4-1所示：

3.1.2效果檢查

基巖處理后的爆破質量通過地質鉆機鉆孔取芯進行驗證，以抽取出的完整巖芯單向長度≤30cm為合格。本次試爆后選擇在兩個爆破區域之間未爆破區域及爆破區內進行取芯，具體取芯點位置如圖4-3所示。

通過孤石試爆區域爆破效果檢查，孤石爆破處理間距為500*500mm梅花型布置滿足盾構掘進的需求，孤石爆破二區、三區孤石處理的孔距暫時按照500*500mm梅花型布設。最后再通過盾構掘進過程揭示孤石大小及難易程度進一步確定爆破處理的各項參數（包括孔距、孔深、裝藥形式及炸藥用量）。

3.2 盾構機掘進模式及土壓設定

隧道主要穿越于中粗砂層<3-2>、粉質黏土層<4N-2>、殘積砂質黏性土層<5H-2>、全風化花崗巖<6H>、強風化花崗巖<7H>；局部穿越8G、9G孤石群；為典型的上軟下硬地層。因此選擇適合本工程的土壓平衡是本區間盾構掘進施工重難點。

土壓的是定有采用主動土壓力和靜止土壓力的方法，但基本的思路：作為上限值，以控制地表沉降為目的易采取靜止土壓力；作為下限值，可以允許出現少量的地表沉降，但以確保掌子面穩定為目的易采取主動土壓力。

土壓力的設定有受到多個因數的影響，其中包括隧道的覆土厚度、地層情況、地下水位、地面建（構）筑以及地形的影響，通常采取經驗公式：

3.3 添加劑的使用

盾構機是針對特定施工環境的施工設備，對于巖層掘進使用硬巖掘進機（刀具全部使用滾刀，無刮刀）是合理的選擇；在軟土地層掘進使用全刮刀配置的軟土盾構機也是十分合理。由于復合地層在地質上的多變性，在目前經濟技術水平條件下無法實現不同配置的盾構機在同一施工線路上使用。在選擇復合式盾構機使用于復合地層的同時，如何更好的適應地質條件的變化是盾構機選型過程重點解決的問題，而其中使用添加劑是最合理、最簡單的方法之一。

使用添加劑的主要作用：改善渣土的和易性；起到潤滑作用，降低刀盤、刀具、螺旋機的磨損；防止硬質粘土層渣土附于刀盤及土倉，避免在高溫下形成泥餅；減小刀盤與與開挖面之間的摩擦，降低盾構機掘進是刀盤的扭矩。

在施工過程中膨潤土、聚合物、發泡劑等是極為典型的添加劑，本工程主要使用發泡劑作為添加劑。

3.4 渣土管理

在盾構施工中碴土的管理也是一個重要的內容，特別是在軟硬不均和全段面土層中掘進時更應該對做好碴土管理工作。碴土管理包括碴土改良、出碴量控制、碴土性狀鑒別等內容。

3.4.1碴土改良

國內外的盾構施工經驗，在盾構施工中尤其在復雜地層盾構施工中，進行碴土改良是保證盾構施工安全、順利、快速施工的一項不可缺少的重要技術手段。

⑴碴土改良的方法與添加劑

碴土改良就是通過盾構機配置的專用裝置向刀盤面、土倉或螺旋輸送機內注入泡沫或膨潤土，利用刀盤的旋轉攪拌、土倉攪拌裝置攪拌或螺旋輸送機旋轉攪拌使添加劑與土碴混合，其主要目的就是要使盾構切削下來的碴土具有好的流塑性、合適的稠度、較低的透水性和較小的摩阻力，以滿足在不同地質條件下采用不同掘進模式掘進時都可達到理想的工作狀況。

⑵碴土改良的主要技術措施

全、強、中風化紅層和混合花崗巖的掘進中，擬采取分別向刀盤面和土倉內注入泡沫的方法進行碴土改良，必要時可向螺旋輸送機內注入泡沫。同時，采用滾刀與齒刀混合破巖削土或全齒刀削土、增大刀盤開口率等方法來防止泥餅形成。泡沫的注入量為每環35～50L左右。

在其它含水地層采用土壓平衡模式掘進時，擬向刀盤面、土倉內注入泡沫劑，并減少排碴量，以利于螺旋輸送機形成土塞效應，涌水較大時，注入高分子聚合物防止噴涌。

3.4.2防泥餅措施

盾構掘進時易在刀盤，特別是刀盤的中心部位產生泥餅。施工中擬采取的主要技術措施為：

⑴加強盾構掘進時的地質預測和泥土管理，特別是在粘性土中掘進時，要更加密切注意開挖面的地質情況和刀盤的工作狀態。

⑵刀盤前部中心部位布置有數個泡沫注入孔，在這種地層掘進時可以適量增加泡沫的注入量和選擇比較大的泡沫加入比例，減小碴土的黏附性，降低泥餅產生的幾率。

⑶為防止結泥餅，盡可能將土壓平衡掘進模式改為采用土倉頂部（1/5～1/6倉位）加氣的欠土壓平衡模式掘進

3.4.3出碴量、性狀鑒別與碴溫的控制

通過調節掘進速度和螺旋輸送機的轉速來控制出碴量，防止由于過量出渣而出現隧道冒頂。在施工中隨時對碴土溫度、碴土砂石的含量判斷所掘地層的巖性。碴溫的控制是指通過對碴土溫度的感知了解刀具的工作環境，同時指導碴土改良，對刀具進行保護。

3.5 隧道軸線控制及管片糾偏

盾構機姿態控制由自動系統進行實時控制，根據自動導向系統在電腦屏幕上顯示的數據，通過合理分配各區千斤頂的推力（主要為由的行程）來調節盾構機的姿態；如果盾構機向左偏則需要提高左側千斤頂分區的推力，如果盾構機向下偏則需要提高下部千斤頂分區的推力；反之亦然。

3.5.1盾構姿態控制

盾構機在一般地層掘進過程中，盾構機方向偏差控制在±50mm以內，線路曲線半徑越小控制難度較大。在臺的控制主要受到設備性能好壞、地質條件和操作手的經驗等方面的影響。在單一地層（盾構斷面內地層性質相近）中，保持盾構姿態符合設計軸線要求相對比較容易，姿態糾偏相對難度也較小。

當盾構機在復合地層（具體表現為斷面內地層性質相差較大，上軟、下硬）掘進時，盾構機的姿態控制變得比較困難，極易產生盾構機垂直或水平方向上到的過量“蛇行”。并且，由于管片糾偏跟不上盾構姿態偏移量，造成盾尾單邊間隙過小，嚴重的可能造成刮片錯臺或開裂。在該類地層中，盾構刀盤面地質條件比較惡劣、軟硬不均、刀盤受力不均，姿態控制的難度極具增大，在施工中要求做到以下幾點：

⑴在掘進過程中時刻觀察測量系統提供的盾構機姿態值（高程偏差、水平偏差、滾動角），結合千斤頂和交接千斤頂的行程差不斷調整各分區千斤頂的定推力，保證盾構機姿態在可控范圍之內。

⑵注重管片的糾偏，在復核地層施工中地層的變化比較大，盾構姿態跟隨地層的變化可能發生突變。地質情況突變引起的姿態的偏差很難通過千斤頂推力的分布來進行控制，因此需要通過管片不斷的糾偏保證千斤頂的行程差滿足盾構姿態控制的需求。

⑶兼顧千斤頂的行程，千斤頂行程差的產生主要由于盾構機尾部姿態與管片姿態不匹配造成的，盾構姿態變形過大、管片糾偏工作跟不上在臺變化造成的，一般通過盾構姿態控制及配合管片糾偏，將 千斤頂行程差控制在30mm以內為宜。

3.5.2管片糾偏

盾構機各區域全部配置同長千斤頂，可保證管片拼裝可360°全旋轉拼裝，采用全旋轉管片進行施工，利用管片的楔形量旋轉拼裝達到傳統貼片糾偏效果，控制隧道軸線。全旋轉管片隧道施工主要有以下優點：⑴無需使用貼片進行糾偏，是的隧道曲線過度比較平緩、平滑，管片拼裝精度比較高；⑵整個隧道的防滲防漏以及受力狀況更加好；⑶施工中盾構姿態變化較大時可以避免管片的損傷及隧道的錯臺量。

根據盾構機設備的她點，在穿越過程中管片糾偏應進來選擇全旋轉楔形管片的方式，在施工過程中加強管片選型控制，加強對管片進行糾偏，并強調糾偏的及時性。

3.5.3管片上浮控制

復合地層掘進時管片上浮是較為明顯，地下水系豐富、襯砌背后注漿不及時或注漿不到位而對管片的約束不到位是造成管片上浮的主要原因，控制措施主要如下：

⑴盾構機在復合地層工況中掘進，盾構完全安全罩設計軸線掘進并不能保證隧道符合設計軸線，控制重點應該是成型隧道的軸線要能夠達到設計要求的精度。針對管片上浮難以避免的情況下，首先將盾構掘進的姿態調低，使盾構機在掘進過程是的姿態低于設計軸線10～15mm（根據現場實際情況進行調整），使得隧道最終穩定后隧道軸線控制在要求范圍內。

⑵改變同步注漿的配合比，增強漿液的24h強度，減少漿液流動性。

⑶及時進行二次注漿，注漿漿液盡量采用硬性漿液，以達到約束管片上浮的效果。

3.6 襯砌背后同步注漿及二次注漿

盾構機在設計時，為滿足平面曲線和豎曲線掘進的需要，管片的外徑和盾尾之間存在一定的空隙，隨著盾構機的推進，脫出盾尾的管片和土體之間出現空隙，如果不及時對其進行處理，將極易引起地面的沉降，施工通常采取襯砌背后注漿的方式予以填充。

3.6.1注漿的分類

根據襯砌背后注漿方向的不同分為水平和垂直向注漿，水平襯砌背后注漿多采用盾構機自帶的注漿系統，通過盾尾設置在盾尾的注漿管注出填充漿液，一般水平襯砌背后漿液采用單液漿。垂直襯砌背后注漿是通過管片上預留注漿孔注漿，注漿管垂直于管片表面壓注，漿液可采用單、雙液漿。

3.6.2同步注漿及二次注漿

同步注漿與盾構掘進同時進行，通過同步注漿系統及盾尾的內置注漿管，在盾構向前推進盾尾空隙形成的同時進行，采用雙泵四管路（四注入點）對稱同時注漿。同步注漿注漿液配比為：水泥：砂：粉煤灰：膨潤土：水=1.00：5.56：1.66：0.17：1.73。

二次注漿是在同步注漿達不到預期效果時，對前期注漿進行二次補充注漿，在注漿孔內安裝逆止閥，注漿完成后，對注漿孔進行清洗，確保后期可以反復使用。根據實際情況，二次注漿漿液采用水泥漿或雙液漿。

3.6.3孤石群及復合地層同步注漿的意義

⑴提高隧道的抗滲性：注漿漿液凝固后，具有一定的強度及抗滲能力，可作為隧道第一道防水措施，以提高隧道整體防水效果。

⑵控制地表不均勻沉降：同步注漿的主要目的是填充建筑空隙，避免由于建筑空隙的長期存在導致地表的沉降，以致引起地表坍塌。

⑶穩固管片、防止管片上浮：注漿漿液凝固后具有一定的強度后與周圍圍巖可對管片產生一定約束力，防止管片由于建筑空隙的存在，在水力作用下發生上浮以及錯臺等質量風險。

3.6.3孤石群及復合地層同步注漿施工的要點及注意事項

⑴地表翻漿、冒泡及塌陷：孤石爆破處理后，采用袖閥管對爆破松散體進行加固，袖閥管間距按照1*1m梅花形布設，袖閥管深度與爆破孔同深，注漿壓力控制在10bar，注漿過程通過注漿壓力及注漿量進行雙控，以確保注漿效果。防止盾構機掘進過程中，出現地表翻漿、冒泡或者地面出現塌陷現象。

⑵刀具磨損：盾構機在孤石群中掘進，刀具極易造成磨損。施工過程中，按照“勤開倉、勤檢查、勤更換”的原則對刀具進行管理。

⑶在條件允許的情況下優先選擇水平襯砌背后注漿模式，根據注漿效果合理選用垂直襯砌背后注漿模式，注漿過程中，加強注漿壓力及注漿量的控制，以確保注漿效果；并加強管片姿態的測量，摸清楚管片上浮的規律，制定有效的注漿參數，減小管片上浮造成的次生災害。

⑷在孤石區及復合地層中，控制地表沉降的要點：合理控制盾構機的掘進參數、加強同步注漿及二次注漿的管理、注漿漿液采用早期及后期強度較高的漿液，重視二次注漿的及時性、注漿與監控做到信息化管理。

4 結論

本區間最大的特點是巖土復合地層的掘進，在區間線路水平向、垂直向地質變化大，局部存在孤石群，地質性質差異大是其最大的特點。工程前期所采用的特殊措施掘進模式的變化、孤石群超前預處理、帶壓開倉刀具檢查及換刀、添加劑的使用等圍繞這一主題展開的。通過前期工程施工總結一些經驗，指導后續盾構施工，但也發現存在許多不足，需在今后的工程實踐中進行改進。

⑴盾構機選型及改造總體上相對比較成功，比較適合廣州地區孤石群及復合地層，為確保本工程工期奠定了基礎。

⑵孤石群及復合地層泡沫劑添加劑的使用效果比較明顯，并且有效保護好刀盤刀具、延長了其使用壽命。

⑶孤石群及復合地層中，孤石預處理及預處理后地層加固、襯砌背后同步注漿及二次注漿是控制周邊環境變化和保證管片成型質量的重要手段。結合業主工期、工程所處周邊環境等情況，提前對孤石進行處理，并按照設計方案對處理后的孤石所處地層進行加固及爆破孔封堵；為加速盾構掘進速度及保護周邊環境，同步注漿及二次注漿宜采用初凝時間段、早期及后期強度的漿液（復合地層應選擇雙液漿），選擇合理注漿方式及注漿時間。

⑷對孤石群處理后對刀盤的磨損認識不足，導致在換刀點選擇上存在失誤，直接影響對刀具的檢查及更換的及時性。

參考文獻

[1]復合地層中的盾構施工技術，竺維彬、鞠世健等著，中國科學技術出版社