上軟下硬復合地層盾構隧道設計施工難點及對策研究

張亞洲, 溫竹茵, 由廣明, 劉 念

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司, 上海 200092)

0 引言

近年來,隨著城市基礎設施的不斷開發及科學技術的逐漸進步,盾構隧道施工技術越來越廣泛地應用于國內外越江過河隧道的建設中,如已建成的武漢過江隧道、廣深港客運專線獅子洋隧道、南京緯三路過江通道及在建的周家嘴路越江隧道等,均采用盾構法施工[1-2]。我國幅員遼闊,各地地質條件相差較大,受限于隧道設計埋深、隧道直徑、平縱線型及既有建(構)筑物的制約,盾構開挖斷面上同時存在巖石(卵石)和土層的情況(通常指上軟下硬地層)越來越常見。由于巖石和土層的物理特性(如礦物成分、強度、變形能力、滲透性等)差異很大,盾構隧道在這種地層中施工將會面臨各種難題,從而影響工程順利實施。

目前國內研究大多基于具體工程案例出現的典型施工問題進行分析并提出解決方案。如: 文獻[3-8]分別基于長沙地鐵1號線、深圳地鐵7號線、南昌地鐵1號線、廣州地鐵9號線、福州地鐵1號線、東莞地鐵R2線區間出現的上軟下硬地層盾構施工問題進行了研究; 文獻[9-13]分別基于佛莞城際鐵路獅子洋隧道、廣深港客運專線獅子洋隧道、南京緯三路隧道、長株潭城際鐵路湘江隧道、武漢三陽路隧道工程出現的上軟下硬地層盾構施工問題提出了相應的施工解決方案。而上軟下硬地層盾構施工問題日漸突出,每個工程所遇到的問題既存在“共性”,也存在“個性”,既要在施工過程中采取措施,也應當在隧道設計、盾構制造過程中預先采取對策。

本文以國內上軟下硬地層盾構隧道典型工程案例為基礎,對上軟下硬地層盾構工程案例區域分布特點及發展趨勢、施工主要問題及其產生的原因進行分析和總結。在此基礎上,分別從隧道設計、盾構設計及工程實施的角度提出相應的對策措施。

1 上軟下硬地層分布及主要問題分析

1.1 上軟下硬地層盾構工程案例區域分布

為全面了解我國上軟下硬地層盾構工程案例區域分布情況,以“盾構”+“上軟下硬”作為關鍵詞搜索中國知網有效文獻共57篇,文獻中提及的具體案例發生地點分布情況如圖1所示。部分上軟下硬地層盾構工程案例如表1所示。

圖1 上軟下硬地層盾構工程案例區域分布Fig. 1 Regional distribution for shield tunnel projects of uppersoft and lower-hard stratum

表1 部分上軟下硬地層盾構工程案例Table 1 Some shield tunnel projects of upper-soft and lower-hard stratum

表1 (續)

由圖1及表1可知: 1)我國上軟下硬地層盾構工程案例多分布在廣州、深圳、珠海、東莞等泛珠三角地區(約68%); 2)部分城市如南京、福州、南昌、長沙等地區也存在上軟下硬的地層案例,多為深埋的過江跨河隧道。且根據文獻資料可知,盾構遭遇上軟下硬地層的工程案例最早在廣州、深圳、珠海出現,南京、長沙、南昌、福州等地區出現相對較晚。

我國幅員遼闊,各地地質條件差異較大: 1)華南、東南及華北沿海地區第四系土層較薄,下伏基巖多為花崗巖、混合巖及灰巖[8],基巖頂面埋深僅20～40 m; 2)華中地區第四系土層較厚,下伏基巖多為泥巖、砂巖,基巖頂面埋深多為30～60 m; 3)華東地區多為軟土,第四系土層厚達100 m,甚至200～300 m[14]。我國盾構早期多應用于上海、北京、廣州等地區的小直徑、淺埋深的地鐵工程,因而廣州地區上軟下硬盾構工程案例較多且出現較早。隨著近年來地鐵盾構和大直徑盾構工程的廣泛應用,珠海、東莞等泛珠三角地區及南京、長沙、南昌等華中、華東地區也逐漸出現上軟下硬地層盾構案例。基于我國盾構工程應用地區更廣、直徑更大、埋深更大的發展趨勢,今后將會有更多地區出現上軟下硬地區盾構施工問題,已發現上軟下硬盾構工程的地區相關案例亦會不斷增加。

1.2 上軟下硬地層盾構工程主要問題及原因分析

將調研的57篇文獻所述具體工程案例中出現的盾構施工主要問題進行統計分析,結果如圖2所示。可以看出: 1)57篇文獻中有48篇文獻提及刀盤磨損、刀具崩斷的問題,出現概率達84.2%; 2)刀盤結餅(41,71.9%)及參數異常、推進緩慢、刀盤卡死(33,57.9%)出現較多。除此之外,還有如下問題: 地層加固不良、開艙檢修困難; 土壓盾構排土器噴涌; 盾構掘進姿態不良,偏離設計軸線; 千斤頂受力不均,襯砌損壞; 上部軟弱地層擾動大,拱頂沉降、坍塌; 遭遇可燃及有害氣體。由此可見,盾構在上軟下硬地層掘進具有較大的風險性。

圖2 上軟下硬地層盾構工程施工主要問題Fig. 2 Main problems of shield construction in upper-soft and lower-hard stratum

中國盾構行業存在一種共識: 在盾構施工中,地質是基礎,設備是關鍵,人員是根本[15]。特殊的地質條件是盾構在上軟下硬地層發生諸多問題的首要原因。巖石和土層的物理特性(如礦物成分、強度、變形能力、滲透性等)差異很大: 1)下部硬巖通常石英或長石(強風化后變成黏土礦物)含量高,具有較高的強度和硬度,或由于裂隙發育而滲透系數較大; 2)上部軟土往往土質松軟、強度較低。盾構的配置需采取針對性的技術措施: 如在硬巖中施工時,通常需要采用全斷面滾刀破巖模式,采用的刀盤開口率較小; 當在土層中掘進時,通常需要換成適應軟巖或軟土的刮刀,此時的開口率相應增大。而當隧道斷面處于上軟下硬地層時,刀具會隨刀盤旋轉在“巖”-“土”中循環切換,這種不斷變化的工況對于盾構是一大考驗,盾構掘進過程中很難兼顧兩者。且隧道結構處于下部巖石、上部軟土的環境中,上下部抗力不一致,其內力和變形表現十分復雜。此外,由于人為因素難以控制,常常因施工人員對上軟下硬地層認識不足而導致事故多發。

一般來說,刀盤和刀具磨損主要分為如下幾個方面: 1)硬巖強度高。刀具隨刀盤旋轉,由軟土過渡到硬巖的過程中,發生磕碰沖擊,造成刀具崩斷(刮刀脆斷、滾刀崩刃)。這種斷裂多取決于刀具移動線速度,因而刀盤邊緣附近刀具破壞相對嚴重。2)巖層黏性礦物含量高。當盾構遭遇泥巖或粉砂巖時,刀盤刀具研磨下來的大量黏粒具有摩擦力小、黏性大、流動困難等特征,粘結在刀盤上形成“泥餅”,造成刀具失效從而發生磨損。尤其是滾刀容易被“糊死”,無法有效自轉,造成正壓力和摩擦力將會增大,發生滾刀偏磨現象[16]。這種磨損多發生在靠近刀盤中心的部位。3)石英含量高。石英的莫氏硬度為7,比鐵、不銹鋼、鈦等都要硬。當盾構遭遇石英含量高的巖層(如砂巖)時,刀盤刀具磨損普遍嚴重[11]。4)刀盤溫度高。由于刀盤、刀具與巖石的劇烈摩擦、碰撞,產生了大量的熱量,使刀具溫度升高,在一定程度上加快了刀具的磨損。此外,溫度升高易引起刀盤泥餅的“燒結”,形成硬度極大的塊體,更加加劇了刀具的磨損; 刀具磨損和刀盤結泥餅同時又引起溫度進一步升高,問題將越發嚴重。5)巖層裂隙發育。當巖層裂隙較發育時,破碎巖體從開挖面脫落崩塌從而導致下部刀具被砸斷。南京緯三路過江通道工程同時存在以上情況,部分地段穿越上軟下硬地層,地層中石英含量和黏粒含量均較高,刀盤刀具磨損十分嚴重,多次采用開艙方式進行檢修,嚴重影響工程的順利進行。

如前所述,當地層中含有大量黏粒時,如果下部巖層為泥巖、粉砂巖,刀盤易發結餅甚至泥塊燒結。當刀盤發生結餅時,多會進一步導致刀盤參數異常(如推力、轉矩增大)現象,同時推進速度減慢,甚至發生刀盤卡死事故。盾體卡死主要原因如下: 1)邊緣刀具磨損過大或異常損壞,使得刀盤開挖斷面變小,地層對盾體的握裹力增大; 2)開挖面同盾體之間間隙塞滿碎石渣,盾體所受摩阻力增大; 3)由于通常巖體存在裂隙發育,刀具進尺過大會使得開挖面的巖體沿裂隙整塊剝離,刀具起不到切碎巖體的作用,并且剝離下來的大塊巖體無法順利由排漿管(泥水盾構)或螺旋排土器(土壓盾構)帶出,會堆積在開挖艙中從而影響盾構的掘進。盾構在均勻土層中掘進的正常速度為30～40 mm/min,但在上軟下硬地層中掘進速度嚴重減慢,如廣州地鐵4號線(5 mm/min)[17]、深圳地鐵2號線(6 mm/min)[18]、南京緯三路隧道(5～10 mm/min)[11](該處掘進速度均指上軟下硬段掘進速度)。

當下部巖層為頁巖、板巖等各向異性明顯巖層,而上層為含水量豐富、滲透系數大的砂土、卵石地層時,巖體易發生片狀剝離,造成渣土級配出現細顆粒含量少或中間粒組缺失,止水性差,流動性不夠,無法在土壓盾構螺旋排土器中形成土塞效應,易發噴涌。

在均一土層施工時,由于盾構刀盤較重,盾構掘進過程中存在“頭重腳輕”現象,這時可通過加大盾構下部的推力確保盾構在掘進過程中維持盾構平穩掘進。但是盾構在上軟下硬的地層中進行掘進時,盾構刀盤與下部巖體不斷發生碰撞,推力和轉矩變化幅度很大,盾構有著向軟土層偏移的慣性,使得掘進方向很容易出現偏差,出現“抬頭線型”,進而導致盾構姿態控制困難,地面沉降難以控制,引起千斤頂受力不均、管片錯臺等一系列問題[19]。在越江隧道施工時,甚至引發江面突涌、冒頂等事故。

由于上軟下硬地層通常上部土層松軟、下部巖層裂隙發育,含水量大、滲透系數大,氣密性差,加固難度較大,不具備常壓換刀條件,帶壓開艙施工難度較大。

可燃及有害氣體來源主要有2個方面: 一是地層中本身存在的,如廣州地區侏羅紀泥炭頁巖[20]賦存的瓦斯氣體; 二是施工導致的,如刀盤高溫摩擦有機巖體產生的氣體或盾構開挖前進行預裂爆破殘留的氣體[21]。

隧道管片一部分置于抗力較大巖層中,一部分位于抗力較小的軟弱土層中。在盾構姿態控制不良、管片容易發生錯臺和開裂的上軟下硬區段,隧道管片受力因抗力大小差異且隨著軟、硬層占隧道斷面的比例不同而變得十分復雜。

2 主要措施分析

上文提及“在盾構施工中,地質是基礎,設備是關鍵,人員是根本”,其實,在盾構工程建設整個過程中,亦是如此。設計以地質條件為背景,選用有利的地質條件而避開不利的地質條件; 盾構設備針對工程特定的地質和線位進行制造或改裝; 在隧道施工時,隧道設計及盾構設備都基本確定,則是人員發揮關鍵作用的時候。下文從隧道設計、盾構設計及施工措施等方面進行逐一分析。

2.1 隧道設計措施

從隧道設計角度,有主動避讓措施和被動措施。應盡可能采取主動避讓措施對上軟下硬地層進行規避。

2.1.1 主動避讓設計

1)如第四系覆土相對較深,可通過改變盾構直徑、改善縱斷面線型進行避讓。如同樣的雙向6車道隧道,考慮盾構自身斷面高度及所需覆土厚度,采用雙管?14 m級隧道比單管?17 m級隧道可最大程度地避免切入巖層。如將縱斷面線型拉淺(局部采用施工期抗浮輔助措施),或改V字坡為W坡進行規避。如南京緯三路隧道采用壓重方案,優化拉淺隧道縱斷面,減少刀盤入巖深度6 m。

2)如第四系覆土較淺,而隧道線路較長時,可將縱斷面線型壓深進行避讓,加大縱坡減小復合地層長度,盡可能使絕大部分區段位于全斷面巖層中。?15 m盾構在不同縱坡條件下上軟下硬段長度如表2所示。可見,縱坡在3%以下時上軟下硬段長度明顯較大,縱坡在3%以上時上軟下硬段長度較短。考慮隧道類型(鐵路、軌道、公路、城市道路等)及行車舒適度,縱坡可根據情況取為3%～5.5%。同時,考慮硬巖掘進時檢修換刀不可避免,隧道頂部巖層覆蓋層厚度需滿足進艙作業安全且松弛壓力與變形壓力之和相對較小的要求,不能僅按通常條件下盾構隧道的覆土厚度考慮。如佛莞城際鐵路獅子洋隧道[22]盾構段長4.9 km,考慮遠期航道規劃后,河床段第四系土僅8.2～18 m,若按常規覆土要求控制(約9 m),盾構需長距離穿越上軟下硬地層,風險較大,故隧道兩端采用30‰大縱坡快速進入基巖的方案。

表2 ?15 m盾構不同縱坡條件下上軟下硬段長度Table 2 Lengths of upper-soft and lower-hard stratum for ?15 m shield under different longitudinal slope conditions

3)如不同位置基巖巖面埋深差異較大,可采用平面線型繞避,從基巖埋深較大處穿越。

2.1.2 被動設計措施

1)對于盾構穿越線路上局部存在的孤石或硬巖進行深孔爆破進行預處理,利用爆炸能量,提前將孤石及硬巖進行破碎、解體。如深圳地鐵5號線[23]和11號線[21]、臺山核電站取水隧洞[24]等工程均采用此種方式,效果較好。

2)對于盾構穿越線路上僅局部存在軟弱地層的情況,即當巖石斷面占比較多時,可對上部地層進行加固,可在一定程度上減小軟硬地層之間的強度及抗力差距。

3)當盾構在上軟下硬地層掘進距離較長時,不可避免地需進行刀具檢查及更換,可根據隧道地質情況,在隧道穿越線路上選擇合適位置(如地質條件較好、地勢平坦、地表無建(構)筑物的地段)設置多個檢修和換刀加固區[25],避免在建筑物下方由于刀具磨損等原因造成的被動停機檢修問題。

4)調整線路與巖石交接面角度,避免小交角入巖,防止盾構刀盤切入困難。

5)考慮管片上下部分抗力不同,且管片存在錯臺等問題,可設計成通用管片,并采取在管片增設注漿孔、剪力銷、預埋抗剪鋼板等措施,保證管片整體縱向剛度。

6)特殊情況下(如需考慮列車撞擊等荷載時),隧道在軟土及軟硬不均地段局部設置二次襯砌或采用鋼纖維和聚丙烯纖維的雙摻襯砌,增加剛度、整體穩定性和抗震、耐火、抗撞擊能力。如廣深港客運專線[10,26]在近工作井兩端一定范圍內設置二次襯砌、佛莞城際鐵路獅子洋隧道[9,22]采用鋼纖維和聚丙烯纖維的雙摻襯砌。

2.2 盾構設計措施

盾構工程中設備十分關鍵。在隧道設計階段,設計單位、盾構制造商應充分配合,根據地層巖土性質、隧道線型特征進行研究,合理進行盾構機械設計。

秘色瓷最早被發現于東漢浙江越要青瓷，因為其具有“千峰翠色”的特點，因此外觀精美，聞名遐邇。秘色瓷在唐代期間被用于皇家供奉舍利，是一種非常尊貴的器物。秘色瓷在我國瓷器世界中大放光彩，具有造型美、胎釉美、裝飾美等三大特點。

1)對滾刀、刮刀等刀具進行合理選型,優化刀具在刀盤上的布置。對刀盤、刀具進行抗沖擊、耐磨設計[7,16],設計成可隨開挖面硬巖比例調整滾刀數量的刀盤。在地層中黏粒含量高時可適當增加刀具長度,以提高結餅厚度冗余[20]; 在頁巖地層可適當增加滾刀數量以利于破巖。

2)對于黏粒含量較高的地層,刀盤中心開口率應較大,對防止結餅有利。但泥水盾構在巖層裂隙較發育的地層掘進時,開口率較大會導致過大的巖塊進入土艙從而堵塞排泥口,此時可通過配備碎石機,來減小渣土中巖塊粒徑,提高環流系統的輸送效率。

3)泥水盾構應在刀盤處增設高壓沖刷,一方面利用沖刷壓力沖下刀盤粘附的泥餅,另一方面可降低刀盤溫度,防止刀盤泥餅燒結。土壓盾構宜根據刀盤大小、地層巖性合理設置泡沫注入口和膨潤土注入口的數量和位置。

4)采用大功率盾構主驅動,提高主軸承耐磨性能,確保刀盤在復雜情況下的轉矩和推力,防止盾構刀盤發生卡死現象。超挖刀應設置成可調節長度或可更換的刀具,在刀具磨損后及時更換,以保證一定的開挖直徑,減小地層對盾體的握裹力。

5)設計超前地質預報裝置,預留超前鉆機孔位,以便提前探明盾構開挖面前方地質情況,為選擇掘進參數提供參考依據,并利用盾體上預留的超前鉆孔對不具備外部注漿加固條件的位置(如江中或地表存在大面積建筑物)進行注漿加固。

6)對于土壓盾構,宜增設泡沫、膨潤土注入口,根據不同地層巖性進行土體改良,合理設計螺旋排土器,必要時可增加螺旋排土器長度,防止噴涌。

7)可根據地層情況,選用復合盾構或雙模盾構[27-28]。對于上軟下硬地層,國內多采用復合盾構進行應對并取得諸多成功經驗,而雙模盾構的必要性、經濟性和可靠性問題在業內存在一定的爭議[29]。如佛莞城際鐵路獅子洋隧道采用復合式泥水盾構實施,該工程曾考慮采用土壓-泥水雙模式盾構(見圖3)。在破碎巖層段和軟硬巖軟硬不均段采用土壓模式掘進,在軟弱土層、砂層、土巖軟硬不均段及裂隙水發育的基巖地層采用泥水模式掘進[27]。今后類似的地質條件工程,在確保技術可行且經濟、可靠的條件下,雙模盾構仍可作為一種選擇。

圖3 雙模盾構Fig. 3 Dual-mode shield machine

8)根據地層條件,對盾構進行一體化設計和制造。盾構選型應經過專家充分論證后下井,以減小盾構掘進過程中的故障率。

2.3 施工措施

施工好壞主要取決于人員是否考慮周全,盾構在上軟下硬地層施工時,必須充分認識施工風險,并采取相應的應急預案。

1)針對特殊地段,進行有針對性地補充鉆孔勘察,進一步探明隧道范圍內巖層、土層厚度及分布。

2)如對巖層進行了爆破預處理,需對殘留氣孔進行封堵以避免地面冒漿。

3)在穿越上軟下硬地層前,選擇合適的地段進行檢修; 穿越過程中因刀具磨損需要進艙換刀時,需切實做好地層加固及開挖面穩定處理[25],嚴格按照進艙作業要求進行處理,確保工作人員人身安全。

4)土壓盾構做好土體改良[30],如遭遇頁巖、板巖地層時可采用膨潤土和泡沫進行土體改良; 在遭遇強風化砂礫巖時,由于其強度較低、黏粒含量較高、易遇水軟化,可采用泡沫進行土體改良。泥水盾構做好泥漿管理。

5)對于上軟下硬巖溶區,應在查明巖溶范圍、大小情況下,選擇合適材料(水泥漿、水泥砂漿和碎石)進行充填加固,并做好盾構穿越過程中及穿越后的監測工作。

6)合理控制施工參數,如掘進速度、刀盤轉速、盾構推力、轉矩等,嚴格控制出土量(排漿量),盡可能將掘進速度控制為5 mm/min左右,刀盤轉速宜小、轉矩宜大。

7)加強地面巡查和監測,做好應急處理措施,地面沉降過大需及時處理,遇有塌孔及時圍蔽回填。

8)加強通風和可燃、有害氣體檢測[31],即使勘察報告未探出可燃、有害氣體,施工中刀盤高溫摩擦地層或進行預裂爆破等工序也可能產生可燃、有害氣體。

9)針對上軟下硬地層盾構姿態難以控制的特點,通過加強盾構姿態測量,合理調整管片旋轉角度,使管片姿態適應盾構姿態,調整分區油缸數量與油壓差值等,有效控制盾構姿態。

3 工程實例

某地區擬建設跨河隧道,連通東、西兩岸及河心島的交通,建設規模為雙向6車道。考慮河心島接線要求,盾構隧道分成東、西2段。西支河段第四系覆土較淺(河中11～20 m)、河面寬度較大(約2.8 km); 東支河段第四系覆土較深(河中35～37 m,局部28 m)、河面寬度較小(約1.3 km)。下伏基巖多為中風化粉砂巖。

隧道設計時考慮車道數及建筑功能要求后,提出單管直徑17.2 m和雙管直徑14.5 m 2種方案。考慮上軟下硬地層施工風險的方案分析如表3所示。

表3 考慮上軟下硬地層盾構方案分析Table 3 Shield construction schemes considering upper-soft and lower-hard stratum

由表3可知: 1)選用17.2 m單管盾構風險較大,不可取; 2)14.5 m雙管盾構則較為靈活,西支可利用隧道較長、基巖巖面較淺的特點,采用5%大縱坡,盡快將隧道深埋于巖層中,近工作井附近局部穿越上軟下硬地層(長度分別為260 m和280 m); 3)東支可利用第四系覆土較厚的特點,在滿足抗浮要求條件下,盡量拉淺縱斷面,局部(150 m)切入巖層處采取預裂爆破技術,可最大程度減小工程風險。隧道設計縱斷面如圖4所示。

圖4 隧道設計縱斷面Fig. 4 Tunnel design profile

由于盾構穿越線路上軟下硬不均地層長度較短,且為土巖軟硬不均地層,西支大部分在水壓較高的基巖中掘進,東支大部分在第四系土層中掘進,基巖為中風化粉砂巖。結合國內相關經驗,選擇密封性好、刀盤磨損相對較小、泥餅防治能力較強的泥水盾構,采用經耐磨設計的滾刀、刮刀,設置一定數量可常壓更換的刀具。為防結餅,刀盤增設高壓沖刷系統。

4 結論與建議

1)隨著城市發展,盾構隧道在上軟下硬地層中施工的問題將會日漸突出,從隧道設計、盾構設計制造和工程實施等方面采取相應措施以降低風險十分重要。

2)在充分分析上軟下硬地層分布、厚度和地層巖性后,從隧道設計角度應當優先考慮優化平縱線型的主動避讓措施,其他如對硬巖預裂爆破、局部軟土加固、襯砌優化以及盾構優化設計和施工措施均為被動的輔助措施。

3)隧道管片一部分置于抗力較大巖層中,一部分位于抗力較小的軟弱土層中,隧道管片受力因抗力大小差異且隨著軟、硬地層占隧道斷面的比例不同而變得十分復雜。位于巖層中的隧道可采用多鉸圓環法進行計算以保證經濟性,軟土盾構多采用均質圓環法(修正慣用法)進行計算以確保安全性。“半土半巖”隧道采用何種模式進行計算才能取得安全性和經濟性的最佳組合,值得進一步研究。

4)上軟下硬地層盾構刀具磨損一直是最為常見的問題,施工期開艙檢修很難避免,因開艙作業發生事故的案例也越來越多。刀盤設計時,應盡量采用可進行常壓換刀作業的刀具。近年來,有學者著手開展進艙智能機器人的相關研究,避免人員直接接觸危險源,將具有重要前景。