地鐵盾構法遇不良地質施工技術研究
——以福州地鐵2號線為例

王 正

(福州地鐵集團有限公司 福建福州 350004)

自新世紀以來，我國各城市地下軌道建設進入高速發展時期，其中由于盾構法施工速度快、對地層擾動小、安全性高，使得其在隧道中得到廣泛應用。在我國海西地區，地層為上太古界至第四系均有出露，導致盾構掘進斷面存在著不同程度的高強度球狀風化巖體和基巖凸起入隧道斷面內。一般地面探測和處理方法有著其局限性，有時甚至無法滿足城市地鐵建設需求。因此，高效、安全、低成本的盾構施工技術成為地鐵施工的重要施工手段，而其施工技術的優劣，直接影響地下軌道工程質量。

基此，本文以福州地鐵2號線某站為例，探析不良地質工況下的地下軌道盾構法的施工技術。

1 工程背景

1.1 工程概況

福州地鐵2號線是福州地下鐵交通網絡中第二條新建線路。其沿福州市東西向布置，起到連接福州市主城區、大型居住區、金山工業區與高新科技園的作用。修建完成后，2號線有力地緩解了福州中心城區向東西輻射的交通壓力，并引導和鞏固大學城、高新區、閩侯縣的開發建設。福州大學至董嶼站區間為2號線第五個區間，出福州大學站后，沿旗山大道由北向南敷設至董嶼站。該區間兩側建構筑物主要為福州大學、福州一中、建平村、省檔案館、輪船港和四境廟廟宇等。區間左右線為分修的兩條單線隧道，起點里程為Y(Z)DK15+110.509，左線終點里程為ZDK16+896.637，長1779.006m；右線終點里程為YDK16+896.307，長1785.798m，埋深約為15.7～23.5m，上覆土層厚度約9.5m～17.3m。該區間由3段直線和3段圓曲線構成，曲線半徑依次為R1000m右轉彎、R500m左轉彎及R350m左轉彎；轉彎段長度分別為324m、320m及137m。該區間采用兩臺Φ6460復合式土壓平衡盾構負責隧道掘進。

1.2 不良地質情況

該區間穿越地質情況主要為：粉質粘土、淤泥質土、粉細砂、粗中砂(中密)、淤泥夾砂、礫質粘性土、全風化花崗巖、強風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖等復合地層。根據勘察報告，基巖為燕山晚期的花崗巖，呈風化裂隙發育，風化程度不均勻。左線里程ZDK15+239～ZDK15+272，ZDK16+105～ZDK16+133處存在微風化花崗巖地層，各巖層長度分別約為32.8m和28.3m，強度高達120MPa。在左線里程ZDK15+183～ZDK15+240、ZDK15+240～ZDK15+272、ZDK15+484.4～ZDK15+501.4，右線YDK15+216.7～YDK15+248.4范圍有強度平均值80MPa的中、微風化花崗巖侵入隧道范圍，隧道開挖面上部則為流塑狀淤泥和淤泥質沙土，形成典型的“上軟下硬”斷面。左右線還有37處存在孤石的可能。以上不良地層將使盾構法隧道施工過程中的掘進效率低下，并易導致盾構機損壞，刀盤磨損變形，線路偏移等諸多問題，增加超挖和開倉風險，及其后續處理速度緩慢，嚴重影響施工進度及施工成本。

1.3 總體工藝

盾構法遇不良地質施工，一般采用地質詳勘輔以雷達探測，再搭配盾構開倉破碎或深孔爆破法等工藝。該區間由于位于車流量大的旗山大道，沿線管線密集，雷達受到極大干擾，達不到理想的效果。盾構開倉處理，安全風險大，效率低下。爆破審批材料繁雜，周期冗長，而且需要協調周邊相關單位，并進行交通疏解和廢除管線移除等相關工作。經比選，首先采用微動探測配合加密補勘的探測方法確認具體位置和尺寸，再在地面進行密集鉆孔破碎處理，后跟袖閥管注漿加固和水泥回填封堵的地面預處理工藝[1]。并且，改造盾構設備，在掘進中使用實時根據地質情況調整掘進各項參數等技術手段，以最大程度適應不良地質基巖區域，有效地規避環境污染和開倉作業等安全隱患、保證掘進效率。

2 地面預處理技術

2.1 微動探測技術

微動探測技術是一種無損探測技術，只需在地面上擺放檢波器，占地面積小(半徑2.5m～3.0m)，利用周圍環境震動作為震源，不受電磁環境干擾，較其它方法具有獨特的優勢[2]。在福州軌道交通1號線的孤石探測中已取得良好效果。通過對微動探測成果的分析，再結合加密補勘，可以排除或得到基巖凸起和孤石等不良地質體的準確位置。該技術極大地提高了探測的精度，為盾構法施工提供出詳細且準確的地質信息，并為盾構刀盤優化設計以及合理的預處理方式的選擇提供了有力的依據。

(1)該區間微動探測數據采測系統，由記錄儀和2Hz拾震儀(速度型、三分量)組成，用一臺記錄儀同時收集一個臺陣6個拾振器(擺)的數據。

(2)微動臺陣類型及半徑大小將根據現場地表條件進行靈活選擇(圖1為布置的正五邊形圓形陣列觀測系統)。該陣列由正五邊形頂點和中心位置的6個拾振器(擺)組成，頂點到中心的距離為觀測半徑R。根據在旗山大道上各探測位置，半徑選取2.5m～3.5m范圍，按5m測點間距逐點采集微動信號。

圖1 微動觀測布置圖

(3)在該區間左右線共布置5條微動測線，總長度1.93km，按點距5m共布有391臺陣/點。其中，左線布置3條微測線，長度955m，有194臺陣/點；右線布置2條微測線，長度975m，有197臺陣/點。每天每個臺班測試工作量80m～100m，約18～20個臺陣，測試時間22d。

(4)圖2為該次微動探測出的3處孤石。由各分量微動信號進行傅里葉變化得到頻譜，再由水平垂直分量的頻譜量值的比取得H/V曲線，幾何平均H/V曲線形成H/V等值線圖；運用相關算法從微動信號中提取瑞雷波頻散曲線，根據同一測線上各微動臺陣的平面相對位置直接繪制面波相速度等值線圖。通過以上微動探測成果，可以直觀看到H/V峰形和高速異常體推斷基巖凸起和孤石。最后，利用加密地質補勘，驗證確切位置及其大小等信息，減少錯判漏判。

圖2 微動等值線圖

2.2 鉆孔破碎技術

該施工流程為地質鉆機進行密集鉆孔將基巖凸起和孤石等不良地質體打成蜂窩狀，對除袖閥管注漿孔外全區域回填干水泥，再以跳孔間隔的方式進行袖閥管注漿，最終拔出袖閥管回填干水泥。該技術具備施工成本低、環境影響小、避免爆破法遺留大碎塊、回填注漿保證孤石區域穩定等特點。

(1)該區間用XY-100型地質鉆機，從地面鉆孔至隧道底下0.5m，對不良地質進行破碎處理，鉆孔直徑110mm，孔凈距300mm，呈梅花形布置，鉆孔數量根據地質實際情況而定，但破碎寬度應大于盾構機的直徑。

(2)標記注漿孔。圖3為福～董右線某孤石鉆孔破碎區域。定首個基礎注漿孔位，根據兩相鄰注漿孔位間距1.2m橫縱向正方形布置，并對該正方形四角的對角線中心定為注漿孔。標記完成后，對除需注漿之外的鉆孔填充干燥的水泥粉。

圖3 某孤石鉆孔破碎區域圖

(3)為確保鉆孔區域土體穩定性，余下鉆孔采用袖閥管進行注漿。將鉆孔破碎區域劃分若干注漿施工區域，選取第一段依次豎直插入袖閥管，袖閥管的上端應高出孔位20cm，為防止污染物進入管內應及時將套頭套牢。使用水泥漿與石膏改性材料混合跳孔間隔注入，注漿壓力控制在0.5～1.0MPa。待第一區域干燥后進行第二區域注漿工作，重復以上步驟直至全平面注漿完畢[3]。注漿期間若有造成地面隆起的跡象，立即停止注漿。

(4)盾構通過破碎區域時，可能因上部存在液化砂層、前期鉆孔作業擾動、后續封孔深度不夠等問題，使得土層擊穿無法保壓從而出現地面砂漿、氣泡冒頂等現象。因此，現場配置充足數量的大沙袋，及時通過利用堆載以及盾構加大膨潤土量注入方法止住漏漿。

3 盾構改造和控制措施

3.1 盾構改造

盾構機刀盤的鑲齒滾刀更換為重型滾刀，確保盾構機能在單軸抗壓強度80MPa以上的巖層中順利掘進，并按圖4對盾構機刀盤原有6路泡沫管路，改為2路為膨潤土與泡沫共用，4路仍加注泡沫。實踐證明，管路優化后，刀盤所處區域的地表沉降值被控制在5mm以內；同時，地表沉降波動幅度也明顯減少。因其渣土改良有效地增加了渣土的流動性，使得螺旋機出土均勻，土艙內渣土波動幅度較小，有效避免了超挖現象。

圖4 盾構刀盤改造圖

3.2 掘進控制措施

(1)盾構施工在正常軟土掘進時，盾構姿態保持設計軸線下-20～-30mm推進，便于抵消管片上浮造成的影響，使最終的管片姿態盡量與設計軸線保持一致，但在基巖凸起地層，需根據凸起段長度來確定偏移量。該區間盾構在到達基巖凸起段前，先壓低盾構垂直姿態至設計線下方-50mm，然后適當減少下部區壓和推力，并利用盾體的自重，減緩盾體向軟弱地層偏移的趨勢。通過此預糾偏方法，盾構姿態得到了有效控制[4]。

(2)在通過孤石破碎區時，推進速度盡量控制在5～20mm/min范圍內，推進速度隨巖石的硬度增加而降低；刀盤扭矩控制在2600～3500kN·m，平均扭矩2973.35kN·m；保持住較高的土壓，螺旋輸轉速一般保持在2～5r/min之間。這是由于該區域地層土質不均勻，在掘進時應采用小貫入度，低扭矩來指導實際施工，用以降低盾構刀具與硬巖碰撞的沖擊力，減少刀具因碰撞而產生崩裂或者崩斷等不正常磨損[5]。這樣切削下來的硬巖大小適中，容易和渣土攪拌均勻，有利于螺旋機排出，減少螺旋機出現卡葉輪和卡閘門的現象。

(3)掘進模式采用一半氣壓一半土壓的模式，以減少渣土對刀盤的阻力，減少扭矩，同時，可以減緩渣土對刀具的磨損；而且，上部的氣壓能夠很好地穩定上部軟土，起到穩定掌子面的作用，降低刀盤結泥餅的可能。

3.3 渣土改良，措施

盾構掘進渣土改良，主要根據盾構在通過不良地質基巖范圍內地層的土體特征來進行。

(1)破碎區上部土體主要為淤泥質土或粉質粘土時，自穩性良好，因此，進行渣土改良主要是進行泡沫分散劑和水的添加。加入分散劑，是為了改良粘性土，使之不出現大的泥團以及防止出現特別長條狀的渣土在皮帶機上打滑，使渣土干濕均勻易斷；加入水可以降低刀盤的溫度，同時也可以改善渣土的干濕性，容易被皮帶機帶走，使渣土排出更連續。由于在此地質情況下，刀盤極易結泥餅，故，粘性土地層渣土改良使用泡沫分散劑尤為關鍵。

(2)破碎區上部土體主要為砂土時進行渣土改良，需要加入膨潤土液和泡沫分散劑。其原理在于砂土容易遇水水崩、失穩，渣土若太干，可以注入配比較稀的膨潤土液代替注入純水。膨潤土液的作用是在刀盤的轉動下不僅能在掌子面形成保護性的泥膜，而且在有土壓力的作用下能減少地層的水滲透進土倉。同時，泥膜氣密性較好，能很好地保持土壓穩定。由于砂土和硬巖渣土流動性較差，加入膨潤土液還能潤滑出渣，有效改善渣土的顆粒級配，使螺旋機能及時排出渣土，降低艙內的溫度，并且可以降低螺旋機卡葉輪或者閘門的頻率以及減緩螺旋機和刀具的磨損速率。

(3)該區間掘進范圍的土質較為多樣化，因此，在實際掘進過程中添加劑的注入應該隨著地層的實時變化。因此，極需要盾構操作人員和管理工程師及時觀察渣樣，既時進行渣樣分析，確定合適的添加劑。

3.4 測量及監控量測

(1)地面監測通常采用每天早晚兩次，但對該類工程來說，則應適當加強監測頻率3～5次，確保盾構順利通過破碎區；同時，每天下午及時對當天掘進的管片姿態進行姿態和高程的測量，確保管片姿態滿足設計要求；測量的結果應立即反饋，以便及時調整參數。

(2)掘進過程中，派專人巡查，發現地面冒漿或者建筑物附近出現裂縫、坑洞等情況時，及時與地面監控室聯系。根據巡查人員的反饋，現場人員采取及時有效的措施防止附近其他相關人或物繼續受到影響，同時根據影響情況，及時優化和調整掘進參數。期間始終保持住現場和盾構機的實時聯絡，直至地面情況得到控制。

(3)為確保導向系統的準確性，確保盾構按設計線路掘進，周期性地的對導向系統的數據進行人工復核，檢測頻率每周一次。

3.5 同步及二次注漿控制措施

同步注漿控制需及時跟進，并注漿飽滿，按理論注漿量的1.5倍控制。當上部軟土為砂土，選擇上部2根注漿管比下部2根注漿管每根都多注1m3以上，通過控制同步注漿量為理論值1.5～2倍，可以保證上部砂土層能更好的填充飽滿。同時，每環按1.5～2倍理論值注漿，注漿壓力略大于地層水土壓力20kPa。在管片剛剛拖出盾尾后，安排管片頂部開孔進行二次注漿，繼續填充和穩固上部砂層可能由于同步注漿覆蓋不飽滿留下的空洞，進一步防止地面及建構筑物出現沉降。在二次注漿過程中，地面監控室安排巡查人員在注漿點里程附近觀察，防止二次注漿量過多或者壓力過大引起地面隆起過大或者泄漏砂漿。

3.6 出渣控制措施

以基巖凸起段為例，理論出渣量為39.8m3，但基于盾構掘進該地層時注入較多的膨潤土液約4～6m3，故，出渣量按44m3左右控制。現場安排專人進行出渣量的觀察控制。由于每個渣土斗都可以裝18m3的渣土量，在控制上選擇每個斗10～11m3，總計4個斗，根據情況選擇最后一個斗多裝或者少裝渣土。具體控制措施是在每個渣土斗上設置了渣土標尺，當渣土到達標尺位置時即認為渣土已經裝了11m3，這樣基本保證了每環出渣量按照預估正常情況進行。通過持續的觀察控制，很好地確保了在不良地層段渣土的進出平衡。

4 結語

在基巖隆起、孤石、微風化巖強度高等地層中盾構掘進速度慢、隱患大，盾構施工管理人員要提前考慮到此類問題。該工程在強化盾構機設備功能配置和性能要求的同時，輔以地面處理技術，提前對侵入隧道區域的硬巖和球狀風化體進行處理，提高了安全和工作效率，并積累了遇不良地質的相關施工經驗。經驗總結如下。

(1)通過微動探測和加密探孔，可為盾構選型和改造提供盡可能詳實的地質資料，評估地質風險，做好超前預報，從而保證管理人員提前采取應對措施。

(2)密集成孔沖碎施工時間短占道少，無需進行大范圍交通疏解。多臺鉆機也可同時作業。根據監測數據，其對管線和周邊建(構)筑物影響極小。

(3)人為地將盾構姿態下壓時，由于區間前后環地質變化太快會導致盾構姿態難以控制，造成盾體下栽、管片上浮量超標等影響，因此需要有豐富經驗的操作人員。

(4)不良地層段出渣量控制較困難，掘進慢容易導致刀盤上方超挖，巖層掘進時注入膨潤土液和泡沫劑，一定程度上增加了渣土量，帶來視覺誤差。因此，要及時對出渣量加強精確控制，并及時監控路面沉降，反饋到盾構機上。

(5)該區間左右線分別于 273d、299d完成了掘進任務，平均日掘進6.5m，比預期計劃提早約120d，并節省爆破和前期投資約合600萬元。可見，該施工技術可適用于城市密集區盾構法施工，在面對地下基巖凸起和孤石起到安全、高效且經濟的良好效果作用。