杭州地鐵2號(hào)線盾構(gòu)軟土區(qū)過(guò)硬巖技術(shù)研究

趙立鋒

(蘇州軌道交通有限公司建設(shè)分公司，江蘇蘇州　215000)

杭州地鐵2號(hào)線盾構(gòu)軟土區(qū)過(guò)硬巖技術(shù)研究

趙立鋒

(蘇州軌道交通有限公司建設(shè)分公司，江蘇蘇州215000)

摘要：鑒于杭州地鐵2號(hào)線在軟土地層中突遇強(qiáng)度較高的石英硬巖巖脈，對(duì)后階段設(shè)計(jì)采用何種思路、施工采用何種方法、因此如何選擇合理的施工方案、采用合適的開(kāi)挖設(shè)備，對(duì)設(shè)計(jì)和施工均提出了較高要求，通過(guò)既有成功施工案例的研究，對(duì)杭州地鐵2號(hào)線盾構(gòu)在軟土區(qū)過(guò)硬巖進(jìn)行分析、探討，并結(jié)合該工程特定地質(zhì)、環(huán)境條件進(jìn)行分析和研究，最終采用合理的盾構(gòu)機(jī)選型，對(duì)刀盤(pán)進(jìn)行改造及刀具優(yōu)化，很好地控制地面沉降，確保該區(qū)間的順利貫通。

關(guān)鍵詞：地鐵；土壓平衡盾構(gòu)機(jī)；軟土區(qū)；硬巖；線路調(diào)整

1概述

盾構(gòu)機(jī)作為一種安全性較高的土建施工設(shè)備，在城市軌道交通建設(shè)中發(fā)揮著積極作用。特別是在我國(guó)南方華東軟土地區(qū)，盾構(gòu)施工的安全與高效性目前幾乎無(wú)法替代，但是如果盾構(gòu)掘進(jìn)的地層不均一，一個(gè)區(qū)間段往往出現(xiàn)局部的硬巖段[1]盾構(gòu)掘進(jìn)困難、刀具磨損大，施工進(jìn)度慢，當(dāng)硬巖掘進(jìn)達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)通常采取先開(kāi)挖礦山法初支，然后盾構(gòu)空推拼裝管片通過(guò)礦山法，或者通過(guò)與設(shè)計(jì)溝通，調(diào)整既有線路[2]避開(kāi)硬巖段。

結(jié)合實(shí)例，就杭州地鐵2號(hào)線人民路站—杭發(fā)廠站區(qū)間在施工招標(biāo)階段發(fā)現(xiàn)有軟土區(qū)突遇硬巖的特殊地質(zhì)條件，從技術(shù)角度論述、分析主要采用盾構(gòu)機(jī)施工的幾種處理方法和措施，提出初步的建議方案和解決措施，為研究類似特殊地質(zhì)現(xiàn)象下的設(shè)計(jì)及施工方案提供借鑒。

2工程概況

2.1線路概況

杭州地鐵2號(hào)線一期工程(東南段)Ⅱ標(biāo)人民路站—杭發(fā)廠站區(qū)間全長(zhǎng)約1 104.6 m，樁號(hào)SDK4+364.154～SDK5+468.751，呈南北走向，沿杭州市蕭山區(qū)市心中路及市心中路兩側(cè)展開(kāi)，設(shè)計(jì)為地下雙線單圓盾構(gòu)隧道，隧道外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，設(shè)1座聯(lián)絡(luò)通道兼泵站，設(shè)計(jì)使用年限100年。

2.2地質(zhì)條件

圖1　隧道過(guò)軟土區(qū)硬巖段地質(zhì)縱剖面示意

全線隧道洞身范圍地層里程SDK4+364.154～SDK4+925以④淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑥淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主；里程SDK5+090～SDK5+468.751段則以③4、③7砂質(zhì)粉土為主；中間里程SDK4+925～SDK5+090長(zhǎng)度約165 m范圍內(nèi)則發(fā)育有凝灰質(zhì)砂巖與石英砂巖(圖1)，巖石強(qiáng)度較高，風(fēng)化裂隙發(fā)育，節(jié)理發(fā)育，巖體呈碎裂～碎塊狀，部分為塊狀結(jié)構(gòu)，具體物理特性見(jiàn)表1。從圖1可以看出，隧道洞身由軟土區(qū)間接過(guò)渡至全斷面穿越中風(fēng)化石英砂巖和凝灰質(zhì)砂巖，穿越長(zhǎng)度約165 m。

表1　硬巖段巖層物理特性

該段隧道埋深約26 m，地下水位埋深1.0～5.6 m。水量豐富，軟土滲透系數(shù)KH：4.06×10-4～7.19×10-7cm/s，KV：3.85×10-4～6.61×10-7cm/s。

2.3原設(shè)計(jì)招標(biāo)及施工方案

采用一臺(tái)鉸接型加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)(編號(hào):4號(hào)盾構(gòu)機(jī))從杭發(fā)廠站南端始發(fā)，過(guò)硬巖段掘進(jìn)至人民路站后調(diào)頭，二次始發(fā)再次過(guò)硬巖段掘進(jìn)至杭發(fā)廠站后解體吊出。

原設(shè)計(jì)施工計(jì)劃采用盾構(gòu)機(jī)為日本小松公司生產(chǎn)，其主要性能參數(shù)見(jiàn)表2。

從表2可知，該盾構(gòu)機(jī)完全是為軟土區(qū)盾構(gòu)施工而配置，在里程SDK4+364.154～SDK4+925以及里程SDK5+090～SDK5+468.751段完全滿足施工需要，但在里程SDK4+925～SDK5+090的硬巖段，則根本無(wú)法滿足巖體強(qiáng)度等地質(zhì)參數(shù)的要求。

表2　原設(shè)計(jì)施工計(jì)劃采用盾構(gòu)機(jī)主要性能參數(shù)

3解決方案及相關(guān)措施

根據(jù)本區(qū)間線路條件并結(jié)合沿線工程地質(zhì)特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)施工條件等因素，提出如下3種解決方案：

(1)采用施工能力更強(qiáng)、適應(yīng)性更好的盾構(gòu)機(jī)；

(2)先暗挖硬巖段，后盾構(gòu)空載通過(guò)；

(3)調(diào)整線路避開(kāi)硬巖段。

3.1采用施工能力更強(qiáng)、適應(yīng)性更好的盾構(gòu)機(jī)

根據(jù)上述地質(zhì)特點(diǎn)，采用的盾構(gòu)機(jī)必須能滿足如下要求：

(1)能滿足在軟土地層中的掘進(jìn)，具有很好的密封性能；

(2)能滿足強(qiáng)度至少在81 MPa以上的硬巖段掘進(jìn)；

(3)有足夠的推力和動(dòng)力，使施工過(guò)程穩(wěn)定推進(jìn)。

新選用設(shè)備建議采用德國(guó)海瑞克公司生產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)，其性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表3　新選用盾構(gòu)機(jī)建議主要性能參數(shù)

該方案成功案例：北京地鐵4號(hào)線二十標(biāo)段頤和園站—北宮門(mén)站區(qū)間。

該工程中全線洞身主要處于粉質(zhì)黏土層，但在里程K25+928.7～K26+138.7處突遇最大強(qiáng)度達(dá)124 MPa、平均強(qiáng)度達(dá)76.8 MPa的花崗巖及石英砂巖侵入巖脈。見(jiàn)圖2、圖3。

圖2　北京地鐵4號(hào)線二十標(biāo)603、626環(huán)處硬巖

圖3　北京地鐵4號(hào)線二十標(biāo)硬巖試塊強(qiáng)度試驗(yàn)

通過(guò)論證，采用性能參數(shù)與表3相近的德國(guó)海瑞克公司生產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)完成，特別是對(duì)刀盤(pán)[3]的設(shè)計(jì)及選型上，采用了軟土刀盤(pán)與硬巖刀盤(pán)互換的理念，通過(guò)刀具的互換實(shí)現(xiàn)在軟土區(qū)與硬巖區(qū)均適應(yīng)的設(shè)備性能。

從施工過(guò)程來(lái)看，施工進(jìn)度依然較緩慢，每天進(jìn)度控制在1～2環(huán)，換刀較頻繁，部分刀具磨損嚴(yán)重，刀盤(pán)邊緣磨損較嚴(yán)重。見(jiàn)圖4、圖5。

圖4　北京地鐵4號(hào)線二十標(biāo)過(guò)硬巖段滾刀新、舊對(duì)比

圖5　北京地鐵4號(hào)線二十標(biāo)過(guò)硬巖段齒刀新、舊對(duì)比

總體評(píng)價(jià)，北京地鐵4號(hào)線二十標(biāo)段頤和園站—北宮門(mén)站區(qū)間過(guò)硬巖施工較平穩(wěn)，未發(fā)生刀盤(pán)損壞、變形或卡機(jī)等事故，通過(guò)較順利。

新選用盾構(gòu)機(jī)可以較好地解決該軟土區(qū)硬巖段的盾構(gòu)施工需要。但是，目前國(guó)內(nèi)無(wú)外徑6.2 m的德國(guó)海瑞克公司生產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)，必須新購(gòu)。盡管本工程使用后還可應(yīng)用在其他同直徑隧道施工中，但當(dāng)前占用資金較大，對(duì)工程成本有一定的壓力。

3.2先暗挖硬巖段，后盾構(gòu)空載通過(guò)

從圖1可以看出，硬巖段隧道線路全斷面位于中風(fēng)化的石英砂巖及凝灰質(zhì)砂巖，硬巖在隧道頂有4～6 m的覆蓋，巖體穩(wěn)定性較好，適合先采用傳統(tǒng)礦山法暗挖該硬巖段，貫通后盾構(gòu)拼管片通過(guò)的施工方案。見(jiàn)圖6。

圖6　暗挖方案豎井、隧道斷面及掌子面封閉縱斷面示意

(1)施工工藝流程(圖7)。

圖7　先暗挖、后盾構(gòu)通過(guò)方案施工工藝流程

(2)橫通道設(shè)計(jì)(圖8)。

圖8　先暗挖后盾構(gòu)通過(guò)方案橫通道設(shè)計(jì)斷面示意(單位：mm)

(3)礦山法暗挖正線隧道設(shè)計(jì)(圖9)。

圖9　先暗挖后盾構(gòu)通過(guò)方案隧道正線設(shè)計(jì)斷面(單位：mm)

為確保安全，正線隧道開(kāi)挖施工時(shí)，左、右線共需開(kāi)4個(gè)工作面，且左、右線相鄰工作面開(kāi)挖時(shí)間應(yīng)相差1個(gè)月以上、安全距離應(yīng)相差50 m以上。

開(kāi)挖完成后，為確保安全及盾構(gòu)機(jī)穿越時(shí)的平穩(wěn)過(guò)渡，掌子面采用C20混凝土噴射加固封閉，厚度2 m。

(4)盾構(gòu)通過(guò)

盾構(gòu)過(guò)礦山法隧道，采用在圓形礦山法隧道底構(gòu)筑弧形導(dǎo)臺(tái)(圖9)，再拼管片通過(guò)，管片與初期支護(hù)之間填筑豆礫石及壓注水泥漿。見(jiàn)圖10、圖11。

圖10　弧形導(dǎo)臺(tái)施工(左)及盾構(gòu)空載過(guò)礦山法隧道示意

圖11　盾構(gòu)空載過(guò)礦山法隧道豆礫石回填示意(左、右側(cè))

先暗挖后盾構(gòu)通過(guò)成功案例：廣州地鐵3號(hào)線北延段1標(biāo)燕塘站—梅花園站區(qū)間。

先暗挖隧道后盾構(gòu)通過(guò)方案的各個(gè)環(huán)節(jié)均是比較成熟的施工方法，優(yōu)點(diǎn)是可以很好地解決盾構(gòu)穿越軟土區(qū)硬巖的特殊地質(zhì)難題，不需要加強(qiáng)盾構(gòu)設(shè)備配置，對(duì)進(jìn)度無(wú)制約，不存在盾構(gòu)兼顧軟土、硬巖、軟硬不均地層中掘進(jìn)的困難。缺點(diǎn)是需要地面有一定的施工場(chǎng)地，需要另開(kāi)工作面，作為施工措施而投入相應(yīng)的人力、物力及資源設(shè)備，豎井、橫通道及礦山法隧道總體造價(jià)較高(成洞后成本略高于盾構(gòu)法隧道)，工程成本壓力較大，豎井及礦山法施工存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.3調(diào)整線路避開(kāi)硬巖段

線路調(diào)整分為兩種，一種是平面上的線路調(diào)整，即繞開(kāi)硬巖段；另一種是縱斷面上的線路調(diào)整，即抬高線路避開(kāi)硬巖段。不管哪種線路調(diào)整，均需對(duì)周邊地層進(jìn)行詳細(xì)的勘探，加密鉆孔以獲取詳細(xì)的巖樣。

(1)本工程區(qū)間線路總長(zhǎng)1 104.6 m，如果經(jīng)地質(zhì)勘探，發(fā)現(xiàn)硬巖段分布較廣，則平面線路調(diào)整勢(shì)必引起相鄰車(chē)站站位的調(diào)整，將使整條線路的走向、經(jīng)過(guò)區(qū)域發(fā)生改變，則對(duì)吸引客流、帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)、整體線網(wǎng)分布產(chǎn)生較大影響，必要時(shí)需要重新評(píng)估決策。因此，平面上的線路調(diào)整僅適合于小范圍的侵入巖脈硬巖段、線路調(diào)整后不引起相鄰站位調(diào)整等情況。

(2)本工程硬巖段區(qū)間隧道線路目前埋深26 m，硬巖頂埋深18 m，遠(yuǎn)端車(chē)站隧道頂埋深12 m，最大坡度27‰；如果調(diào)整后按硬巖頂與隧道底設(shè)計(jì)高程重合考慮，則調(diào)整后線路埋深僅為11.8 m，與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2013)(2014—03—01實(shí)施)規(guī)定不符。

“以上兩種線路調(diào)整方案均對(duì)兩端車(chē)站有較大影響，但目前人民路站和杭發(fā)廠站均已施工，基本不具備調(diào)整條件，因此實(shí)施難度很大。本方案既增加工程投資，加大了區(qū)間施工風(fēng)險(xiǎn)，也嚴(yán)重影響工期，因此不宜采用。

4實(shí)施方案及效果

通過(guò)上述3種施工方案的對(duì)比，分析，評(píng)價(jià)，最終在本工程實(shí)施中采用第一種方案：即采用施工能力更強(qiáng)、適應(yīng)性更好的川崎復(fù)合盾構(gòu)機(jī)。

4.1實(shí)施方案

(1)盾構(gòu)刀盤(pán)配先行齒刀，確保盾構(gòu)在軟土層中掘進(jìn)，盾構(gòu)配有發(fā)泡系統(tǒng)，可以通過(guò)加入發(fā)泡劑來(lái)改善土體流動(dòng)性，螺旋機(jī)出口設(shè)計(jì)成雙閘門(mén)，同時(shí)盾構(gòu)配有加泥系統(tǒng)，通過(guò)加泥或高分子化合物可以降低土體的流動(dòng)性，盾構(gòu)在富含水的角礫層中推進(jìn)時(shí)，以上兩點(diǎn)都可以防止水土噴涌，盾構(gòu)刀盤(pán)上安裝8個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌棒，隔板上安裝4個(gè)固定攪拌棒，螺旋機(jī)進(jìn)土口安裝攪拌棒，防止刀盤(pán)結(jié)泥餅[4]，減輕刀具磨損，刀盤(pán)外周一圈裝滾刀[5]，破碎巖石；盾構(gòu)刀盤(pán)帶有2把可更換的超挖刀；盾構(gòu)前盾上方裝有土體壓力探測(cè)器；盾構(gòu)前盾備有超前鉆的管道，可以用于前上方注漿加固，盾構(gòu)帶有泡沫系統(tǒng)，改良渣土[6]，保護(hù)刀具。

(2)在隧道半斷面巖層段施工時(shí)，由于隧道斷面內(nèi)上下土層軟硬不均，盾構(gòu)操作人員應(yīng)及時(shí)根據(jù)測(cè)量[7]系統(tǒng)的測(cè)量成果，確定盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的變化量，根據(jù)姿態(tài)的變化情況調(diào)節(jié)油缸的推力，必要時(shí)采用超挖滾刀對(duì)部分巖層進(jìn)行超挖，保證盾構(gòu)機(jī)盡量擬合設(shè)計(jì)線路掘進(jìn)。同時(shí)減少襯砌拼裝偏差；盾構(gòu)進(jìn)入該段區(qū)域前應(yīng)將盾構(gòu)機(jī)高程姿態(tài)控制在-40 mm左右(防止管片上浮)，確保穿越半軟半硬土層區(qū)域隧道軸線復(fù)合設(shè)計(jì)要求；加強(qiáng)碴土改良，每環(huán)加入泡沫劑35～50 L，增大碴土的流動(dòng)性和保水性，減少地下水的損失和地面沉降。

(3)根據(jù)地層情況合理制定施工參數(shù)：總推力控制在11 000～15 000 kN；上部土壓控制在0.15～0.17 MPa；同步注漿壓力控制在0.25～0.35 MPa；同步注漿量控制在6～7 m3；刀盤(pán)轉(zhuǎn)數(shù)控制在1.3 r/min；盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制在 10～20 mm/min；刀盤(pán)扭矩控制在40%～60%；理論出土量38.7 m3，盾構(gòu)過(guò)硬巖過(guò)程中要嚴(yán)格控制出土量，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中確保盾尾間隙均勻，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)良好，減少開(kāi)挖面土體的坍塌、變形以及土層損失；加強(qiáng)同步注漿及二次注漿質(zhì)量控制，及時(shí)足量對(duì)建筑空隙進(jìn)行填充，管片脫出盾尾后4環(huán)及時(shí)進(jìn)行壁后二次注漿填充；加強(qiáng)對(duì)管片的監(jiān)測(cè)工作，以期指導(dǎo)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，如果出現(xiàn)管片上浮和下沉量突變，則應(yīng)加大監(jiān)測(cè)頻次，并采取二次注漿的方法對(duì)管片進(jìn)行穩(wěn)定。

4.2實(shí)施效果(圖12)

盾構(gòu)通過(guò)巖層過(guò)程中嚴(yán)格按照實(shí)施方案，對(duì)穿越該地層的盾構(gòu)機(jī)合理選型，采用川崎鉸接型加泥式復(fù)

合土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中嚴(yán)格按照制定的穿越硬巖段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，穿越過(guò)程中平均每天10環(huán)管片(12 m)共計(jì)14 d順利通過(guò)硬巖區(qū)，盾構(gòu)通過(guò)硬巖過(guò)程中地面沉降最大7 mm，硬巖段隧道軸線均在20～30 mm，滿足成型盾構(gòu)隧道+100 mm，硬巖段管片拼裝質(zhì)量良好，沒(méi)有滲漏水現(xiàn)象，管片錯(cuò)臺(tái)環(huán)向5 mm，縱向7 mm，均滿足成型隧道規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，本方案較先暗挖硬巖段，后盾構(gòu)空載通過(guò)方案節(jié)約工程造價(jià)約140萬(wàn)元，比調(diào)整線路避開(kāi)硬巖段多70多萬(wàn)元。

圖12　過(guò)硬巖段成型隧道及管片拼裝現(xiàn)場(chǎng)

5結(jié)語(yǔ)

對(duì)杭州地鐵2號(hào)線在軟土區(qū)過(guò)硬巖施工的3種方案有效分析比選，最終選用合理的盾構(gòu)機(jī)選型設(shè)備及施工過(guò)程中的技術(shù)措施，有效避免了盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的各種風(fēng)險(xiǎn)，杭州地鐵2號(hào)線人民路到杭發(fā)廠站的區(qū)間成功穿越硬巖，形成以下結(jié)論：

(1)盾構(gòu)施工過(guò)程工程地質(zhì)是關(guān)鍵，要根據(jù)工程地質(zhì)及施工周邊環(huán)境及設(shè)計(jì)要求選擇合適的盾構(gòu)機(jī)；

(2)隨著盾構(gòu)施工范圍的拓展，理想的地層(整個(gè)區(qū)間全是淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、或者整個(gè)區(qū)間全是硬巖)的情況很難遇到，這就要求在施工之前的方案比選要做到充分合理，根據(jù)整個(gè)施工方案統(tǒng)籌調(diào)整區(qū)間施工與車(chē)站施工的時(shí)間先后順序，以便選用最經(jīng)濟(jì)、最簡(jiǎn)捷的施工方案。

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Research on Shield Construction of Hangzhou Metro Line 2 in Soft Soil Area with Hard Rock

ZHAO Li-feng

(The Construction Branch of Suzhou Rail Transit Co.， Ltd.， Suzhou 215000, China)

Abstract：In view of Hangzhou metro line 2 in soft soil layer with hard rock quartz vein， the applicable concept， construction method and equipment need to be addressed in post design. With reference to successful practices in this regard， this paper analyzes the geological and environmental conditions of the metro line and concludes that the adoption of reasonable shield machine， improvement of cutter and optimization of tools serve to control ground settlement and ensure successful passing through.

Key words：Metro; Earth pressure balance shield machine; Soft soil area; Hard rock; Line adjustment

中圖分類號(hào)：U231+.3； U455.43

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.023

文章編號(hào)：1004-2954(2015)06-0103-05

作者簡(jiǎn)介：趙立鋒(1981—)，男，工程師，E-mail:lifengzhao4290@163.com。

收稿日期：2014-07-13； 修回日期：2014-09-23