復雜地質條件下盾構隧道施工重難點分析及應對措施

趙愷

（中鐵十五局集團城市軌道交通工程有限公司，江蘇揚州 225101）

1 工程概況

廣州市軌道交通十八號線（南沙快線）二分部施工范圍位于南沙區橫瀝鎮、大崗鎮，起止里程為YDK4+800—YDK14+338.079，全長9.538km，包括一車站（橫瀝站）、一風井（HP1 中間風井）、一盾構井（HP1 盾構井）和三個盾構區間。

其中，橫瀝站（兼軌排井）長694.2m，HP1 中間風井（兼軌排井）長140m，HP1 盾構井長20m，均采用明挖順做法施工。三個盾構區間均為雙洞單線盾構隧道，隧道總長為8683.879m，隧道內徑7.7m，外徑8.5m，管片厚度400mm，采用6 臺直徑8.8m 的盾構機掘進，包括4 臺泥水平衡盾構機，2 臺土壓平衡盾構機。工程最大縱坡23.77‰，最小轉彎半徑為1500m，如圖1 所示。

圖1 廣州市軌道交通十八號線二分部工程范圍示意圖

2 工程地質及巖土地質條件

2.1 工程地質

2.1.1 “橫瀝站—萬橫中間風井”區間沿線

盾構主要穿過淤泥、淤泥質粉細砂、粉質黏土、粉細砂、中粗砂，可塑狀、硬塑狀砂質黏性土以及全、強、中、微風化花崗巖層。區間地層復雜，存在多處孤石，其中左線存在約266.166m 長的上軟下硬地層和33.265m 長的全斷面硬巖地層，右線存在約177.34m長的上軟下硬地層和79.75m 長的全斷面硬巖地層。

2.1.2 “橫瀝站—HP1 中間風井”區間沿線

HP1 中間風井主要穿過填土、淤泥、淤泥質粉細砂、中粗砂、砂礫、可塑狀粉質黏土以及全、強、中、微風化花崗巖層。基底主要位于中粗砂。總體地質特點是淤泥層及淤泥質層較厚，達16～18.8m，砂層較厚達14.6m，總體地質條件較差。

HP1#盾構井主要穿過填土、淤泥、淤泥質土、淤泥質粉細砂、淤泥質中粗砂、粉質黏土、中粗砂、可塑狀粉質黏土、河湖相淤泥質土、硬塑狀砂質黏性土以及全、強、中、微風化花崗巖層。基底主要位于花崗巖層中。總體地質特點是淤泥層及淤泥質層較厚，達3.9～22.7m，砂層較厚達16.5m，總體地質條件較差。

橫瀝站—HP1 盾構井區間隧道埋深為19.95～35.02m，主要穿過淤泥質土、粉質黏土、淤泥質粉細砂、粉細砂、中粗砂、可塑狀砂質黏性土、硬塑狀砂質黏性土以及全、強、中、微風化花崗巖層，部分地段為上軟下硬復合地層。

HP1 中間風井—HP1 盾構井區間隧道埋深為19.97～35.06m，主要穿過淤泥質粉細砂、粉質黏土、粉細砂、中粗砂、礫砂、粉質黏土、硬塑狀砂質黏性土以及全、強、中、微風化花崗巖層，部分地段為全斷面硬巖及上軟下硬復合地層。

2.2 巖土分層及巖土工程分區

該線路經過的地貌特征包括珠江三角洲沖積平原、剝蝕殘丘地貌及丘陵地貌，揭露的基巖包括花崗巖、碎屑巖、混合花崗巖、石英巖及碎裂巖。二分部工程所處為起點— 西瀝水道以北（YCK0+000—YCK20+370），地貌單元、巖性為珠江三角洲沖積平原、花崗巖（濱海沉積區）。

2.3 水文地質條件

根據勘察資料，線路穿越廣州市南沙區，沿線河道縱橫、水塘密布，地表水發育。線路沿線位于海陸交互相沖積平原地貌區，地下水水位埋藏淺，一般埋深為0.5～6m。地下水分為Q4 土層孔隙水及層狀、塊狀基巖和構造裂隙水。地下水與地表水存在一定的水力聯系。總之，該線路范圍內地表水發育，沖積砂層透水性強，砂層中等-強透水層發育[1]。

3 盾構隧道施工重難點分析

3.1 水文地質情況復雜

該線路范圍內地表水發育，同時存在全斷面硬巖地層、上軟下硬復合地層、地質條件較差等復雜地質情況，盾構穿越上軟下硬、孤石等不良地質，高強度巖石地層地連墻成槽施工，制約施工進度，是該工程的難點。具體如下：

萬橫區間（232m）及橫瀝站—HP1 盾構井區間（137m）均存在長距離的上軟下硬地層，巖石強度最高達145MPa。在該類地層掘進時，一是進度慢，刀具的磕碰磨損及偏磨現象較為嚴重，預計進度指標只能達到60m/月，無法保證工期目標。二是盾構機姿態較難控制，容易造成隧道軸線偏移和地面的沉降超限。

該工程位于南沙濱海沖積層地貌，橫瀝站、HP1風井、HP1 盾構井地表均存在較厚的淤泥層，厚度約9～18m，淤泥層具有透水性較弱特點，該地層降水困難，而淤泥層的地下水未得到有效疏干，淤泥未固結，土體的強度及自穩性較差，開挖面易失穩。

3.2 盾構穿越施工困難

第一，盾構長距離穿越河道及近距離穿越橋梁存在較大的風險；第二，橫瀝站—WH 風井土壓盾構區間長達3.55km，渣土長距離運輸。具體如下：

該工程沿線共穿越大小河流9 條，寬度為36～750m。下穿下橫瀝、上橫瀝水道是該工程的重難點及風險點。下橫瀝水道位于里程K7+390～830，河寬450m，與線路正交，采用土壓盾構施工，穿越長度為450m，河床距隧道頂部距離12.69～16.42m。隧道上部土體主要為淤泥、淤泥質粉砂、砂質黏性土。上橫瀝水道位于里程K9+850—K10+500，河寬320m，與線路斜交，采用泥水盾構施工，隧道穿越長度為750m，河床距隧道頂部距離12.36～16.29m。隧道上部土體主要為淤泥質土、中粗砂、砂質黏性土。該工程在橫瀝站—HP1 盾構井區間近距離穿越的兩座橋梁樁基，線路分別于K10+670 下穿S111 省道上橫瀝大橋、K11+225 下穿京珠高速靈山互通立交，盾構機由橋梁樁基之間穿過，最近距離僅1.2m，施工風險較大。

該工程總共3 段盾構區間，區間長度在2.5～3.5km 之間，線路較長，施工運輸較為困難，特別是橫瀝站—WH 中間風井區間，該區間為土壓盾構，線路長為3.55km，且盾構斷面較大，掘進方量多，出土運輸將成為制約掘進進度的關鍵因素。

3.3 施工中重難點較多

施工重難點主要表現在四個方面：一是淤泥地層降水及開挖和巖石爆破開挖等是該工程難點；二是地下連續墻接頭縫防滲漏是圍護結構施工控制重點；三是地下連續墻成槽過程中槽壁的穩定是圍護結構施工難點；四是深基坑開挖、高支模、基坑降水、車站防水、起重吊裝、盾構始發與到達、隧道防水、聯絡通道施工等重點。具體如下：

首先，橫瀝站基底有中風化、微風化花崗巖硬巖突起傾入基坑底，厚度為3.3～5.9m，總方量約9000m3，巖石強度達88～114MPa。硬巖強度高鑿巖機械開挖效率較低，微風化花崗巖地層主要集中在車站南北盾構始發端，需要采用石方爆破開挖，由于工程臨近鳳凰二橋及周邊民房建筑群，爆破施工中采取措施控制振動及飛石，車站石方爆破開挖是該工程難點。其次，連續墻先行幅、后繼幅間接縫是整個圍護結構防水的薄弱環節。H 型鋼接頭是隔板式剛性接頭的一種，其整體性較好，強度較高，但H 型鋼接頭存在一些弱點，當先行槽段局部坍方時，容易形成“繞管混凝土”，其難以清除，容易造成接頭滲漏。此外，地下墻成槽將穿越地層主要以淤泥、淤泥質土、砂層等為主，具有較大的不穩定性，施工中容易出現坍孔或縮孔等不利現象[2]。

4 盾構隧道施工重難點應對措施

4.1 不良、復雜水文地質條件應對

4.1.1 盾構穿越不良地質

第一，針對上軟下硬地層采取的措施。首先，在地層起伏交界處鉆孔，做好補充勘探，查清位置和長度。其次，采取從地面鉆孔進行深孔預裂爆破，提前對巖石進行破碎處理。再次，以硬巖的強度進行刀具配置，由于邊緣滾刀承受最大的破巖壓力，因此應選用重型破巖刀具。最后，加強同步注漿質量控制，及時填充管片壁后空隙，必要時通過管片開孔采用同步注雙液漿方式加快漿液凝固，并及時穩定盾構機姿態。

第二，針對孤石地層采取措施。首先進行加密地質補充勘探，查明孤石情況，包括形狀、位置、大小、強度等，同時對探明的孤石進行地面鉆孔，提前對孤石進行深孔預裂爆破處理。

4.1.2 淤泥地層降水及開挖

第一，采用真空深井降水方案，加強降水效果。第二，對于先期施工的橫瀝站南北兩端始發井工期緊、降水周期短、土體固結效果不佳的情況，采用單軸攪拌樁格柵加固。第三，挖掘機站位位置采用鋪墊鋼板或鋼箱分散機械重量分層開挖，并及時施作支撐。

4.2 盾構穿越及土壓渣土運輸應對

4.2.1 盾構長距離穿越河道以及近距離穿越橋梁

第一，在穿越河道前在河堤兩岸設置加固區，利用聯絡通道地面加固共同設置，用于盾構機盾尾刷密封檢修、尾刷更換以及刀具檢查、更換。加固區應將盾體全部包住并超出盾體3m，同時做好河床底下換刀檢修預案。

第二，加強掘進參數的控制，控制好盾構機姿態，減少盾構超挖及糾偏，確保勻速快速通過，減小刀盤對地層及圍巖的擾動，避免河床開裂滲水。

第三，掘進過程中，密切關注切口壓力的變化，保持壓力穩定。加強泥漿質量控制，對泥漿密度、黏性、含砂量進行檢測，保證泥漿的最佳護壁性能和攜帶渣土能力。同時，加強同步注漿的效果，確保注漿量與推進的速度相匹配，并及時進行二次注漿，防止因注漿不飽滿造成地面的沉降。此外，加強地面監測，并根據監測沉降結果跟蹤注漿加固。

第四，長距離穿越河道需要盾構機配置超前注漿系統，盾體周邊布置超前鉆孔，管片拼裝機上安裝超前鉆機，必要時可以通過超前鉆孔向前方注漿加固地層后，再掘進通過。此外，近距離穿越橋梁需要進一步調查掌握橋梁的樁基形式、深度、地質情況以及與線路的平面位置，通過精確測量，對線路進行修正，并進行風險分析，做好方案預控。同時，穿越前應重點加強對樁基礎袖閥管注漿加固處理質量的控制，確保加固達到效果。

4.2.2 土壓盾構渣土長距離運輸

第一，每臺土壓盾構配備1 臺70t 龍門吊專門用于土方吊運，并采用65t 大載重電瓶牽引機車，確保每環渣土一次外運完成。第二，合理設置岔道，在臺車尾部設置可移動的浮放道岔，每隔800～1000m 設置道岔及錯車線，縮短中間會車時間。第三，洞內設置移動傳呼基站，加強車輛組織及調度，提高運輸效率。

4.3 巖層爆破開挖、地下連續墻施工應對

4.3.1 巖石爆破開挖控制

第一，聘請專業的爆破工程師編制爆破施工方案，由專業爆破施工隊伍進行石方爆破開挖。第二，鄰近地連墻2m 范圍內的巖石采用非爆開挖，主要通過靜力爆破，避免對地連墻的振動及破壞。第三，其余地方采用微差毫秒爆破開挖，嚴格控制單段藥量，減少爆破振動。

4.3.2 地下連續墻接頭縫防滲漏

第一，防漏漿。首先，應專門加工工字鋼刷壁器，通過“刮、沖、刷”三道工序多次刷壁保證接頭質量，利用導向配重使刷壁器緊貼工字鋼，以達到良好的刷壁效果。其次，通過在先行槽段鋼筋籠外包覆止漿鐵皮實現防漏漿。

第二，背后回填。鋼筋籠安放完成后，在工字鋼背側孔隙內采用袋裝土回填，并重錘夯實。待相鄰的地下連續墻成槽時，挖除回填土，最終防止“繞管混凝土”。

第三，特制刮刀。將30mm 鋼板燒制特制刮刀裝在槽壁機抓斗處或旋挖鉆鉆頭處，強行挖除附著在工字鋼上的繞流混凝土，包括兩角內部。

4.3.3 地下連續墻成槽過程中槽壁的穩定

在成槽過程中，需要改善泥漿性能、減小施工影響等，以確保槽壁穩定。一是在泥漿中加入適量的重晶石粉和CMC，增大槽內泥漿壓力和形成泥皮的能力，以便更好地護壁和防坍。二是始終維持穩定槽段液位高度大于地下水位，防止泥漿漏失并及時補漿。三是在成槽時抓斗每次下放和提升均緩慢勻速進行，確保槽壁的穩定。

5 結語

通過對廣州市軌道交通十八號線（南沙快線）二分部整個施工后評估，應對措施行之有效，在很大程度上減少了施工風險，保證了施工質量。然而，在地鐵施工中，地質條件復雜，勘察資料有限，針對性較強，同時施工中將不斷揭示新地層，發現新的問題，因此仍是地鐵盾構值得研究和探討的重點和難點，值得進一步深入研究和發展。