合肥典型地層特征及地鐵盾構隧道建造關鍵技術綜述

陳祖偉

（中鐵二院華東勘察設計有限責任公司，浙江杭州 310004）

1 工程背景

合肥軌道交通第一條線路于2016年12月開通運營以來，截至2021年12月，運營線路包括合肥軌道交通1、2、3、4、5號線南段，運營線路總長156.15 km，設122座站點。目前合肥軌道處于第三期建規線路的建設中。

2 典型地層特征

2.1 地形地貌概述

合肥居于江淮之間，位于江淮分水嶺東南側，總體地貌呈崗坳相間、波狀起伏狀，宏觀地勢西北高、東南低，呈平緩的波狀微傾斜平原。由于第四紀沉積物受南淝河、四里河、板橋河長期的侵蝕及堆積，區域河流地貌特征明顯以河谷為中心向兩側延展，依次為河漫灘、一級階地和二級階地[1]。

2.2 典型地層地質特征

合肥地區河漫灘、一級階地地貌分布于南淝河、店埠河等河道附近，表層由第四紀全新統黏性土、粉砂土組成，下伏第三紀定遠群泥巖、泥質粉砂巖；二級階地全線廣泛分布，表部地層由第四紀更新統黏性土、砂粉土組成，下伏第三紀定遠群泥巖、泥質粉砂巖組成，下伏基巖為白堊紀上統張橋組、侏羅紀上統周公山組泥巖、砂巖、泥質砂巖；典型地層主要包括黏土層、粉土（粉砂）層以及下伏基巖層。2

.2.1黏土層

合肥地區的二級階地廣泛分布了第四紀全新世沖洪積層和第四紀晚更新世沖洪積層的黏土層，雖然都為硬黏性土，但由于沉積年代和成因的不同，盡管物理指標相近，但工程性質有一定差異，按照不同的地質年代可分為：老黏土（第四紀上更新統地層）、一般黏性土及新沉積黏性土（第四紀全新統地層），具有孔隙比小、低滲透性、含水率低、抗剪強度高、中等膨脹性的特點。

2.2.2 粉土（粉砂）層

粉土、粉細砂層主要分布于南淝河、店埠河等主要河流的河漫灘和一級階地部位，稍密～中等密實，含黏土顆粒，為合肥地區主要含水層，賦承壓水[2]。

2.2.3 下伏基巖層

合肥地區下伏基巖主要為白堊紀上統張橋組、侏羅紀上統周公山組泥巖、砂巖、泥質砂巖以及第三紀定遠群泥巖、泥質粉砂巖，均屬于極軟巖～軟巖，強度普遍較低，弱膨脹性，遇水易軟化。

3 關鍵技術

3.1 管片設計

3.1.1 管片構造設計

由中鐵二院設計的合肥軌道1號線合肥南站—南站南廣場站區間為合肥第一個盾構區間，以合肥軌道B2型車建筑限界?5100 mm為基準，結合了合肥地區廣泛分布的黏土層、黏粒含量較高的粉土（砂）層以及軟巖地層、施工資源共享等多重因素，以實地調研、現場實驗、理論分析、數值模擬為主要手段，沒有盲目套用長三角主要城市做法（內徑5500 mm、厚度350 mm、環寬1.2 m），采用內徑5400 mm、厚度300 mm、環寬1.5 m的管片作為單層襯砌結構，襯砌環按照3標準塊+2鄰接塊+1封頂塊組合形式。合肥地鐵管片標準塊為67.5°，鄰接塊68.5°，封頂塊21.5°。采用通用型管片，雙面楔形45 mm，滿足350 m小曲線半徑的施工擬合要求。從施工擬合難度、防水效果考慮，采用了錯縫拼裝；不設榫槽，避免了榫槽處管片尤其是外側易開裂的情況。為減少螺栓手孔處管片的削弱，管片間采用彎螺栓連接。

運營3～4年的1、2號線監測情況顯示，盾構隧道的結構變形不超過2 mm，防水情況良好。管片結構及防水設計在確保施工安全及長期運營的基礎上，保證了工程的安全性、針對性、經濟性。

3.1.2 管片結構設計

管片計算采用了國內廣泛采用的修正慣用設計法[3]即修正管片接頭對內力影響的均質圓環計算方法，采用抗彎剛度有效率η折減管片剛度，引入彎距加大率ξ修正內力，其中0.6≤η≤0.7，0.3≤ξ≤0.4。

在全斷面黏土層采用水土合算，復合地層中采用水土分算，12 m時按全土柱計算；區間覆土大于12 m時上覆土重根據太沙基理論考慮土體成拱效應，成拱高度不足12 m時按12 m土重計算，對于典型地層覆土超12 m土荷載采用太沙基公式計算。高水頭深覆土全斷面黏土層為計算控制工況。

3.2 盾構選型

盾構選型主要基于隧道斷面尺寸、地層滲透系數、巖土顆分以及工程類比來進行選擇，合肥地區的黏性土其滲透系數小，粉土層的黏粒含量略高，對于中等直徑（≤7 m）盾構，選用土壓平衡盾構可滿足施工要求，合肥軌道1～5號線在河漫灘或一級階地地貌段粉土粉砂層中下穿河道區間均采用土壓平衡盾構，重點做好渣土改良措施，確保了盾構順利施工和河道的安全。

3.3 洞門加固

合肥軌道的洞門加固技術研究經歷了實施→反饋→分析→迭代的過程，基本形成了以淤泥質土和粉土中的水泥系加固、河漫灘地貌富水砂層中的冷凍法加固、老黏土層中的玻璃纖維筋樁加固的三種加固方式，針對最為廣泛的老黏土層中的洞門加固穩定性做了詳細分析，對于黏性土加固體穩定性采用滑移失穩理論計算模型（圖1）進行驗算，假定滑動面下部是以端部開洞外頂點O為圓心、開洞直徑D為半徑的圓弧面，整個滑移面如粗線所示，引起的下滑力矩為：M=M1+M2+M3；M1為地面荷載P引起的下滑力矩，M2為上覆土體自重引起的下滑力矩，M3為滑移圓環線內土體的下滑力矩；抵抗下滑力矩為：Md=Mr+△Mr，Mr為土體改良以前的抵抗力矩，△Mr為土體改良以后增加的抵抗彎矩。

圖1 滑移失穩理論計算模型

在標準地下兩層站中計算滑移安全系數=Md/M≥1.3，考慮洞門范圍內圍護樁采用玻璃纖維筋，可規避人工鑿洞門工況的風險，在廣泛分布的老黏土層中取消地層加固盾構，直接切削玻璃纖維筋圍護樁，避免了盾構加固區的管桿線遷改，節省了工程投資。

3.4 周邊建（構）筑物保護技術

合肥地鐵在黏土層、基巖層、復合地層中穿越高風險源，形成了成套的安全風險控制技術，其中尤以軌道2號線下穿五里墩立交樁基群、下穿煤炭局宿舍樓較為典型。

3.4.1 下穿五里墩立交樁基群

2號線五里墩站—三里庵站區間在全斷面軟巖中下穿剛剛大修過的五里墩立交樁基群，橋墩支座的變形控制要求極高（3～5 mm），且匝道不具備封閉施工條件。設計通過施工試驗段的反饋數據，結合數值計算推出全斷面中風化軟巖中盾構施工地層損失可以控制在1‰～3‰，采用小應變硬化土（HS Small）材料模式來模擬計算，計算參數由地質勘查報告以及以往同類工程實測數據反分析求得[4]。隧道掘進同樣通過“應力釋放”的方法模擬，分別采用地層損失率1‰～3‰計算。

根據不同地層損失率下的計算結果，采用線路深埋、橋梁檢測給出剩余變形控制值、夜間封閉交通穿越后減少車輛荷載、同步注漿采用厚漿、橋墩支座頂升跟蹤保護的技術方案，確保了區間近距離下穿五里墩立交危舊樁基群工程的安全，且施工后支座最大沉降不足4 mm，差異沉降僅1 mm，滿足橋梁變形保護要求。

3.4.2 復合地層中近距離下穿建（構）筑物

2號線四牌樓站—大東門站區間在上部＜2-5＞粉土層和＜2-6＞粉細砂層、下部＜6-2＞強風化泥質砂巖和＜6-3＞中風化泥質砂巖的復合地層中下穿煤炭局宿舍樓6層（淺基礎），通過分析同類型地層試驗段掘進的數據，判斷復合地層中地層損失率可設定在4‰～5‰，計算模型如圖2所示。

圖2 計算模型

隧道拱頂為粉土層，在建筑物下部地層加固或對結構加固的協調難度極大，采用地層變形分級與分層控制技術對盾構刀盤輪廓與盾尾間隙用凝結時間快、黏稠度高、抗稀釋性好的漿液進行充填注漿，同時選擇合理的施工工藝和施工參數，掘進過程中建立保持了密封土倉設定的工作壓力與不斷變化中的工作面水土壓力之間的動態平衡[5]，確保了掘進順利和建筑物的安全。

3.5 地下異物清障技術

3.5.1 全回轉鉆機拔樁

2號線東二十埠站—龍崗站區間須對二十埠河橋進行拆復建，需要拔除約15 m長大直徑1.5 mm鉆孔灌注樁后原橋址復建新橋，采用全回轉鉆機拔樁方案即利用全回轉設備產生的下壓力和扭矩，驅動鋼套管轉動，將套管鉆入地下，去除套管與樁體間的土體后，減小樁周的摩阻力，拔樁對新實施樁基周邊土體的擾動降到最低。

3.5.2 廢棄人防洞室處理

2號線三里庵站—四牌樓段盾構隧道與20世紀70年代修建已廢棄地下人防通道沖突，采用了洞內抽水+封堵、地面分段充填灌漿+排氣孔+補充注漿的方案并成功實施。

3.5.3 錨索清障

徽商廣場地下室圍護錨索鋼絞線侵入2號線大蜀山站—天柱路站區間，存在盾構掘進遭遇錨索導致刀盤被錨索纏住以及盾構刀具損壞及螺旋機被卡住的安全隱患，因此采用了旋挖鉆機成孔+大直徑鋼護筒護壁+人工下井拔除錨索的方案，進而規避人工挖孔的風險，確保盾構順利完成掘進。

4 總結及展望

（1）國內軟土地區盾構隧道出現了不均勻沉降和收斂變形過大的情況，導致了管片接縫滲漏、錯臺與張開等病害，影響地鐵的運營舒適度及安全，建議開展專題研究，在城市規劃區宜適當增大隧道內徑，減小后續城市建設對隧道長期變形的影響，預留合理的加固預留空間用于整治病害和確保耐久性要求。

（2）結合目前中等直徑盾構建設經驗，大直徑（7～12 m）隧道采用土壓平衡盾構在合肥典型地層中是可以實現的，其關鍵技術值得下一步深入研究。

（3）可塑、硬塑黏性土中盾構施工地層損失率可控制到4‰～5‰，中風化軟巖層損失率可以控制得更低，可作為理論計算模型的輸入參數。理論計算模型無法精確模擬復合地層中的施工環境，合肥復合地層中的地層損失和地面沉降規律仍需進一步總結。

（4）合肥典型地層中盾構隧道的風險控制技術宜主要針對盾構自身的控制（如厚漿技術、地層變形分級與分層控制等技術）來實現目標地層損失率和對風險源加固或托換來提高其變形能力兩方面入手。