花崗巖基巖凸起地層盾構施工新認識

張志達

（中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450000）

1 引言

廈門地區地處東南沿海丘陵臺地，地層、地形復雜。地鐵盾構隧道主要穿越的地層為殘積質黏土和全風化花崗巖，局部存在中、微風風化花崗巖（基巖凸起），是典型的“上軟下硬”地層。在此條件下掘進帶來的糊刀盤、結泥餅、超量出渣、盾構機工作狀態不佳等問題一直是廣大盾構技術人員探索和研究的重要工程難點之一。

本文以廈門地鐵2 號線五緣灣南站—五緣灣站區間盾構工程為背景，分析廈門地區基巖凸起的地質構成及其對盾構施工帶來的危害，探討研究盾構通過極高強度基巖凸起的可行性，提出了盾構針對性設計及掘進管理的相關措施，從而保障了盾構機安全平穩的掘進通過。

2 工程概況

廈門市軌道交通2 號線一期工程五緣灣南站—五緣灣站區間（以下簡稱“五五區間”）采用盾構法施工，全長869 m，管片外徑6 200 mm、內徑5 500 mm。兩臺土壓盾構機自五緣灣南站始發后，沿環島干道向北敷設到達五緣灣站。

隧道主要穿越硬塑狀殘積砂質黏性土和全風化花崗巖，區間左線隧道里程ZDK40+302.700～ZDK40+382.419 存在長79.719 m 的中、微風化花崗巖基巖凸起，平均飽和抗壓強度160 MPa，最高204 MPa，最大侵入高度為5.62 m，為上軟下硬地層。由于基巖距離鐘宅村民房最近僅25 m，且基巖正上方存在3×DN 2000 mm 雨水管涵，距洞頂僅4.5 m，無法采用爆破或者取芯的方式進行預處理。

3 地質特征分析

3.1 花崗巖基巖凸起特征分析

廈門地區第四系殘積土下方的花崗巖基底為臺灣海峽形成過程中幔源巖漿沿裂隙上涌。花崗巖基巖為巖漿巖大類中的深成侵入巖，地下高溫高壓和緩慢地冷卻過程中，析出的高硬度礦物：石英（30%～50%）、長石（45%～65%）平均摩氏硬度＞7，作為組成花崗巖的主要礦物，因此，在這樣的地層中掘進極大地增加了刀具的磨損。

為進一步摸清巖石硬度對刀具磨損的影響，委托檢測機構對現場試樣進行研磨性分析，預判刀具磨損情況。試驗結果研磨等級為5 級（見表1），屬于中等研磨性，說明刀具破巖過程中不會造成劇烈磨損。但是在上軟下硬地層掘進，刀具經過軟硬交界面時，不能忽試刀具撞擊巖面時可能造成的異常磨損。

表1 巖心研磨性測試數據表

花崗巖在高溫高壓的地下形成，使其具有極高強度的特點。補勘報告證實：中、微風化花崗巖基巖自然抗壓強度達到160～204 MPa。巖石抗壓強度與破巖所需推力有直接關系，而推力是影響掘進速度關鍵因素，根據廈門地鐵1 號線全斷面硬巖掘進經驗，在保證刀具不過載的前提下，盾構機的最大速度為2～4 mm/min。

3.2 風化產物特征分析

盾構穿越的上軟下硬地層中軟土主要為殘積砂質黏性土和全風化花崗巖，均由花崗巖風化形成的地層，土體具有一定的砂質感，且具有一定的潤滑性，可以大大降低刀盤形成泥餅的風險。殘積土和全強風化巖常態下自穩性較好，標貫值30～35 擊/30 cm，但遇水軟化、崩解、強度急劇降低，自穩性差，常壓開倉存在風險。

3.3 水文地質

本標段地表水較不發育，地下水主要有第四系孔隙水、基巖裂隙水。基巖凸起土石分界面由于土壤空隙中移動的水分受到孔隙度極低的巖體阻擋，在巖體表面匯集成水流，水量豐富，常壓下倉內水位在20 min 內由土倉底部上漲至倉門處，因此，軟硬不均地層中不具備常壓開倉條件。

4 極高強度基巖凸起段盾構掘進問題及應對措施

區間左線ZDK40+302.700～ZDK40+382.419 段存在近80 m 的軟硬不均地層，且硬巖為極高強度花崗巖，同時盾構機需小凈距穿越雨水管涵，采用直接掘進通過的方法在世界范圍內并無先例，地質特征差異極大，施工過程易出現掌子面坍塌、噴涌、超量出渣、刀盤刀具異常磨損、雨水管涵等建構物沉降超限等問題。為保證盾構機安全平穩通過，對盾構機進行針對性設計及有效的掘進管理措施。

4.1 盾構針對性設計

本區間采用復合式土壓平衡盾構機，具有大推力、強扭矩、硬刀盤、防泥餅特點。其設計原則為破巖能力不低于210 MPa。

4.1.1 盾構機驅動系統

采用液壓驅動，其驅動功率，額定扭矩，最大推力可以滿足在上軟下硬、砂層及可能的預裂爆破等地層大扭矩的施工需求。

4.1.2 刀盤刀具的適應性設計

為滿足破巖需求，采用硬巖刀盤，其強度和剛度均能滿足本區間極高強度巖石的破巖要求，采用小刀間距設計能夠提高刀盤的破巖能力。

4.1.3 優化沖刷系統防治泥餅

通過加大開口率、優化攪拌棒設計、增加膨潤土注入系統等方法，提高了渣土流動性，防止土倉內渣土堆積及刀盤結泥餅。

4.2 盾構施工總體思路

根據盾構掘進的相關理論[1]，在軟硬不均地層掘進，雖然盾構機所處環境急劇惡化，工作狀態不佳，只要及時檢查更換刀具，處理土倉內的問題，不要帶病作業，滾刀破巖一直保持良好狀態，保證破巖能力，同時盾構機性能的提升可以大幅降低因扭矩、功率過載造成的盾構機突然卡停，使盾構機平穩通過。

針對本工程硬巖的地層特性，參照有關專家建議，預測盾構在此研磨性花崗巖地層中一次掘進可達30 m，為此計劃主動進倉2 次，第1 次在進入基巖凸起段之前，第2 次在進入基巖凸起段20 m 時，帶壓進倉檢查是否有異常磨損。為保證主動進倉安全，在進倉點區域設置加固區，采用袖花管注漿，加固體外圈為雙液漿，內圈為水泥漿。中途根據參數變化適時帶壓進倉檢查。

4.3 地層沉降控制技術

盾構掘進過程中地層變形沉降共分為5 個階段，發生較大沉降量主要集中在刀盤通過時和盾尾脫出后兩個階段，工后沉降雖然發展較慢，但其累計值也不容忽視。為此穿越雨水箱涵沉降控制重點在以下3 個階段。

4.3.1 盾構通過階段

基巖凸起段刀盤通過時對地層產生擾動，主要原因在于：（1）基巖凸起段單環掘進時間超過10 h，上部軟土地層長時間受刀盤擾動，造成超挖和掉塊；（2）土石分界水量豐富，渣土改良效果不佳形成噴涌，而噴涌造成的土壓波動最大在60 kPa（0.6 bar），易造成掌子面坍塌。

為確保大型雨水管涵安全及其周邊地層沉降可控，采用以下措施：（1）全土壓滿倉掘進模式，倉內形成梯度壓力維持掌子面土體穩定，倉內堆積的渣土形成“土塞”效應，有效抵擋掌子面主動土壓力；（2）重視渣土改良效果，提高渣土和易性，避免噴涌帶來的壓力波動；（3）堅決避免超量出渣，維持土壓平衡，對盾構操作司機進行風險意識教育，此期間嚴格執行每掘33 cm 出渣一斗，每環總量控制在56 m3。

4.3.2 盾尾脫出階段

盾尾脫出地表后的沉降階段，也是沉降量最大的階段。合理增加同步注漿量，及時進行管片壁后補注漿。經實驗得出的結論注漿量為4.7 m3/環。注漿壓力不得大于0.2 MPa，注漿材料采用結實率高、結實體強度高、耐久性、抗滲性良好的水泥漿作為同步注漿材料，經多次試驗最終優化確定配合比，其指標為3～6 h 的初凝時間；1 d≥0.2 MPa、28 d≥2.0 MPa 的強度；及＞95%的漿液結實率。

4.3.3 長期固結沉降

為防止工后沉降，在管片脫離盾尾4～6 環之后及時進行二次補漿，漿液采用水泥～水玻璃雙液漿，初凝時間設定為50～70 s。注漿壓力不得大于0.4MPa，補漿量以注漿壓力進行控制，進一步補充地層損失，控制地表沉降。

4.3.4 小結

刀盤通過本段基巖凸起時，為防止滾刀過載損壞，推力最大為27 750 kN（2 775 t），速度控制在1～4 mm/min 同時良好的渣土改良效果保證了最大扭矩僅到3 721 kN?m，為額定值的60%，刀盤轉速0.8～1.2 r/min。貫入度2～9 mm/r。渣溫控制在40～50 ℃，安全平穩通過了該段基巖凸起，確保了管涵的安全。

4.4 渣土改良

4.4.1 泡沫改良

基巖凸起阻擋了上部軟土層中孔隙水的滲流，于是地層孔隙水在巖石表面富集，一旦土倉壓力無法平衡水壓，周邊地下水將沿著巖面涌入倉內。

左線盾構機在軟硬不均地層期間，曾嘗試采用常壓進倉方式，快進快出檢查刀具。在有效封堵管片背后來水的情況下，倉內液位在20 min 內由倉底涌至倉門，經計算涌水量達到1.75 m3/min；同時在此地層中掘進，渣土含水量極大，離析現象嚴重。如果采用常規的泡沫劑改良方式，由于單環掘進時間過長，長時間注入會加劇渣土性狀的惡化，造成了噴涌、出渣量難以控制等一系列問題。后經研究決定，改為注入高黏度膨潤土，關閉泡沫系統，停止倉內加水。

4.4.2 膨潤土改良

參考以往施工經驗[2]，用鈉基膨潤土，按質量比為1：8 配制膨潤土泥漿進行渣土改良坍落度試驗。現場試驗表明，采用質量比為1：8、黏度為50 Pa?s 的膨潤土泥漿對渣土進行改良，單環注入量4 m3/環。坍落度在195～205 mm，和易性及保水性均較好。

4.4.3 小結

五五區間巖土分界線地下水豐富，由于土質砂性和強大的設備性能，使得結泥餅的可能性極低，控制渣土含水量、控制離析成了渣土改良的重點。通過加入高黏度膨潤土使渣土性狀成為即不噴渣、也不固結的流塑狀，實現了出渣量及刀盤扭矩總體可控，解決了噴涌問題，使得出渣得以連續，盾構機便可在軟硬不均地層中安全平穩通過。

5 實際施工效果

五五區間左線自2017 年1 月19 日開始進入基巖凸起，至2 月14 日完成該段基巖凸起盾構掘進，平均進度指標1～2 環/d。通過加強出渣控制及渣土改良，很好地控制了沉降，地面累計沉降最大1 cm，雨水管涵累計沉降5.5 mm，安全通過基巖凸起段。

6 結論與討論

以廈門地鐵2 號線五緣灣南站—五緣灣站區間左線80 m基巖凸起段為背景，針對土壓盾構機在軟硬不均地層遇到極高強度硬巖所出現的多重技術難題，對盾構通過此類地層的可行性和相關措施進行了全過程研究，總結出以下幾點結論：

1）通過預加固、壓氣作業等方式創造進倉條件，目的是保持在惡劣的工作環境中盾構機仍具有穩定的工作狀態和良好的破巖能力，這是實現軟弱不均地層順利掘進的關鍵因素；

2）盾構機性能的顯著提升，提高了盾構機在軟硬不均地層的適應性；

3）管理是根本，其核心在于出渣量和渣土改良，盾構操作司機要有敏感的意識，嚴格按照方案和卡控紅線執行。