上軟下硬復合地層地鐵盾構隧道設計及施工探析

朱宏海

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

0 引言

花崗巖、混合巖及灰?guī)r等硬質(zhì)基巖大面積分布于我國華南、東南及華北沿海地區(qū)，上面多為花崗巖、混合巖的殘積層以及黏土層、砂層等地層?；◢弾r、混合巖的殘積層具有未擾動前比較致密、承載力較高，擾動后強度迅速降低、軟化、崩解，自穩(wěn)性差等特性。硬巖和軟弱地層，兩者地質(zhì)物理特性差別大，地鐵盾構隧道由于地鐵車站埋深及線路坡度的限制，區(qū)間隧道洞身不可避免地會有部分位于硬質(zhì)基巖、部分位于風化殘積層或其他軟弱層中。盾構在上軟下硬地層中施工經(jīng)常遇到掘進速度減慢、極易超挖、地面沉降嚴重甚至坍塌、盾構刀具磨損嚴重、卡機、螺旋機噴涌等問題。如何處理好這些問題，國內(nèi)工程技術人員一直在分析和研究。以往的解決方案多從施工方面來考慮，效果欠佳。文獻［1］結(jié)合深圳地鐵2號線東延線土建2222標僑香站—香蜜湖站區(qū)間施工，對上軟下硬地層盾構施工，從掘進參數(shù)控制、渣土改良技術、帶壓開艙換刀技術等方面做了研究和改進，利于盾構施工。文獻［2］對上軟下硬地層盾構施工，主要從合理選用盾構掘進參數(shù)及渣土改良技術2方面做了研究和闡述。文獻［3］以南昌地鐵1號線5標中山西路站—子固路站盾構穿越上覆砂礫下臥泥質(zhì)粉砂巖復合地層為背景，在室內(nèi)試驗成果的基礎上，提出了渣土改良方案，并結(jié)合現(xiàn)場實施效果，相應地修正了現(xiàn)場渣土改良參數(shù)。文獻［4］總結(jié)了獅子洋隧道φ11.2 m泥水盾構穿越上軟下硬地層的施工技術，從刀盤刀具配置、掘進參數(shù)、姿態(tài)控制、同步注漿等方面提出了大直徑泥水盾構穿越上軟下硬地層施工中應注意的主要方面。文獻［5］圍繞典型上軟下硬地層的施工，分析了該地層中盾構法施工存在的問題和風險，給出了施工的有效方法和措施，并研究了相應的應對措施，以提高典型上軟下硬地層的施工質(zhì)量。針對上軟下硬地層，其實應從設計方案、盾構選型及配置、施工措施等多方面綜合分析、研究與處理。從設計源頭開始，設計方案應合理可行且應有針對性;根據(jù)設計方案及地勘報告等資料，選購或改造合適的盾構及關鍵部件配置;在項目實施階段，結(jié)合大量工程經(jīng)驗，提出施工處理措施、盾構施工參數(shù)及注意事項。

1 工程地質(zhì)特點

1.1 上軟下硬地層

上軟下硬地層指隧道洞身下半斷面或大部分斷面位于花崗巖、混合巖、灰?guī)r及含礫砂巖等巖層中，隧道上半斷面或拱頂位于軟弱地層中如:盾構隧道下部洞身位于花崗巖中，上半部洞身花崗巖、混合巖全風化層及殘積土層，或砂層、淤泥層及軟塑狀黏土層等地層中;通常隧道洞身位于地下水位以下，地層含水豐富或飽水。如:東莞市城市軌道交通R2線陳屋站—寮廈站區(qū)間，隧道左線ZDK27+814.225～+898.225，右線YDK27+806.874～+873.504，共約150 m位于上軟下硬地層，隧道下部為中風化花崗閃長巖〈9－3〉、微風化花崗閃長巖〈9－4〉，其中微風化花崗閃長巖〈9－4〉天然抗壓強度fc=34.5～110.0 MPa。隧道上部為硬塑狀砂質(zhì)黏性土〈6－6〉、可塑狀砂質(zhì)黏性土〈6－5〉。圖1為寮廈站—珊美站區(qū)間縱斷面圖，圖2為典型上軟下硬地層取芯情況。

圖1 寮廈站—珊美站區(qū)間縱斷面圖Fig.1 Longitudinal profile of Liaoxia Station-Shanmei Station section

1.2 工程地質(zhì)特點

根據(jù)TBJ 12—1985《鐵道工程地質(zhì)技術規(guī)范》［6］及《工程地質(zhì)手冊》［7］，巖石飽和單軸抗壓強度大于60 MPa為極硬巖，飽和單軸抗壓強度30～60 MPa為硬巖。地鐵盾構隧道上軟下硬地層中的硬巖一般指飽和單軸抗壓強度大于50 MPa且?guī)r石完整性較好的巖石。

圖2 上軟下硬地層取芯照片F(xiàn)ig.2 Cores of hard-soft heterogeneous ground

軟弱地層中，花崗巖、混合巖全風化層及殘積層有如下特征:

1)均勻性較差，強度不一。全風化層、殘積層具有遇水軟化、崩解，強度急劇降低，自穩(wěn)性差的特點。

2)全風化層及殘積層土顆粒成分具有“兩頭大、中間小”的特點。地層顆粒成分中，粗顆粒(＞0.5 mm)的組分及顆粒小的組分(＜0.075 mm)的含量較多，而介于其中的顆粒成分則較少，且長石、石英等顆粒含量較大。

以上特征是造成全風化層及殘積土遇水軟化、崩解，強度急劇降低的主要原因。當動水壓力較大時，容易產(chǎn)生管涌、流土等現(xiàn)象［8］。全風化層及殘積層物理力學指標統(tǒng)計如表1所示。

2 設計、施工現(xiàn)狀及問題

2.1 設計現(xiàn)狀及問題

目前國內(nèi)各參與地鐵設計的公司和設計院普遍任務較多，人員配備不足，設計人員經(jīng)驗有一定欠缺;并且盾構區(qū)間精細化設計存在不足，地鐵線路設計人員和區(qū)間結(jié)構設計人員配合、溝通不夠，對盾構隧道上軟下硬地層施工難度和施工中存在問題認識不足，甚至部分線路設計人員對上軟下硬地層沒有概念。在方案設計階段未能優(yōu)化線路，盡量避開上軟下硬地層。

由于地鐵車站埋深和線路坡度的限制，區(qū)間隧道無法完全避開上軟下硬地層，再加上設計各階段對上軟下硬地層缺乏針對性的設計和措施，造成初步設計概算中針對上軟下硬地層的處理費用不足，發(fā)展成施工階段出現(xiàn)問題時資金困難，施工難題最后轉(zhuǎn)移給承包商。

設計階段審查，政府評審，部分流于形式，難以發(fā)現(xiàn)問題并提出有效處理方案。

表1 花崗巖、混合巖各土層物理力學參數(shù)統(tǒng)計表(范圍值)Table 1 Physical and mechanical parameters of soils in granite ground and migmatite ground

2.2 施工現(xiàn)狀及問題

盾構隧道上軟下硬地層的特性，決定了盾構施工的困難，施工中出現(xiàn)問題難以完全避免。部分區(qū)間施工承包商對該地層認識不足，盾構選型、采購或改造上針對性不強。部分盾構機操作手和現(xiàn)場施工技術管理人員也存在經(jīng)驗不足的問題，施工前施工組織沒有針對性，缺乏相應預案，造成施工中問題不斷，部分問題處理不及時，造成較大損失。圖3為上軟下硬地層施工地面塌陷情況，圖4為施工過程中地面冒漿情況，圖5為盾構刀盤磨損情況。

圖3 地面坍塌Fig.3 Ground collapse

圖4 地表冒漿Fig.4 Grout emerging on ground surface

圖5 磨損嚴重的刀盤Fig.5 Seriously-damaged cutter head

施工中出現(xiàn)的主要問題有:

1)盾構掘進參數(shù)取用不合理，刀盤轉(zhuǎn)速、貫入度、扭矩及推力等偏大;造成盾構機掘進不順、姿態(tài)難以控制等問題。

2)盾構掘進困難，盾構昂頭，出土超量，地面沉降及坍塌。

3)盾構刀具磨損嚴重，需頻繁開艙檢查刀具及換刀。

4)盾構出現(xiàn)卡機現(xiàn)象。

5)軟弱地層松動坍塌，泥水涌入土艙，出現(xiàn)螺機噴涌;土艙保壓造成地表冒漿等。

3 設計探討

盾構區(qū)間上軟下硬地層普遍存在，在設計中不可避免地會遇到，各設計單位應提高認識，加強對設計人員的培訓，提升綜合設計能力。

方案設計階段，應盡可能避開該地層，具體可以采用以下方法和措施:

1)線路從平面上繞避上軟下硬特殊地層。

2)各專業(yè)設計人員密切協(xié)調(diào)和溝通，調(diào)整線路縱坡，避開大量的上軟下硬地層，可采取調(diào)高(或調(diào)低)線路的手段，例如線路可由常規(guī)的V形坡改變?yōu)閃形坡。

3)調(diào)整車站埋深，常規(guī)地鐵標準車站采用地下2層方案，工程實施困難區(qū)間兩端車站可結(jié)合環(huán)境條件，比選地下1層、地面1層車站和地下3層或4層車站方案，綜合車站投資、區(qū)間工程實施難度、節(jié)省的投資以及后期運營的便利及成本的增減，確定合理的區(qū)間方案。

在初步設計和施工圖設計階段，應在地勘初步探明上軟下硬地層分布及埋深的基礎上，采取針對性設計和措施，主要有:

1)給出設計方案和措施時應有對應數(shù)量，概算開項并有合理的費用。

2)對隧道下部堅硬的巖層，可考慮預裂爆破+袖閥管注漿方案。預裂爆破可采用地質(zhì)鉆機或潛孔鉆機，鉆孔直徑90～110 mm，間距800～1 000 mm。圖6為預裂爆破平面及立面示意圖。

圖6 預裂爆破平面及立面示意圖Fig.6 Plan and profile of presplitting blasting

3)隧道上部若為松散砂層，應結(jié)合地面條件，對砂層進行加固，加固方式可考慮攪拌樁、旋噴樁或注漿等。

4)根據(jù)區(qū)間長度，設置多個換刀加固區(qū)，加固區(qū)的設置宜結(jié)合聯(lián)絡通道地層預加固進行，具體的加固方式可選用攪拌樁、旋噴樁或注漿加固等。

5)避免線路與巖石交接面角度小于150°，以免盾構刀盤切入困難。

4 盾構選型及基本要求

目前國內(nèi)穿越上軟下硬地層一般選用復合式土壓平衡盾構，盾構在采購或改造階段需針對地層特點及巖石強度，提出專門要求。如:深圳地鐵11號線車公廟站—紅樹灣站區(qū)間，土建承包商盾構機采購時，專門針對主驅(qū)動大功率、刀盤中心部位開口率、泡沫口、膨潤土口設置、雙渣門、刀盤中心雙聯(lián)滾刀單刃滾刀數(shù)量和高度等做了具體要求，來適應區(qū)間上軟下硬地層。同樣，東莞市城市軌道交通R2線工程西平站—哈地站區(qū)間施工采用既有盾構機，施工前，提高了既有盾構的刀盤開口率，將泡沫系統(tǒng)改為單管單泵，也是為了應對上軟下硬地層。

盾構主要技術指標及要求有:

1)盾構主驅(qū)動應采用大功率設計。

2)刀盤、刀具具備在單軸抗壓強度＞150 MPa的巖石中連續(xù)掘進的能力，同時有耐磨保護層及磨損監(jiān)測裝置。

3)盾構刀盤中心部位應有足夠大的開口率，刀盤開口率宜大于30%。

4)泡沫注入系統(tǒng)的注入口不宜少于6個，應設計有防堵裝置，同時設置膨潤土注入口，泡沫及膨潤土注入系統(tǒng)均為單管單泵系統(tǒng)。

5)建議優(yōu)先考慮中心螺旋出土器，螺旋直徑不宜小于750 mm，最大通過粒徑不宜小于300 mm，可以考慮雙渣門設計。

6)預留合理的超前鉆機孔位。

7)具備有針對性的防泥餅、防噴涌設計。

5 施工措施、經(jīng)驗及注意事項

5.1 施工技術措施

盾構隧道上軟下硬地層施工，施工前必須有針對性的施工組織及應急預案，對技術管理及操作人員進行專項培訓。施工技術措施主要有:

1)針對上軟下硬地段，在詳勘基礎上，進行有針對性的補充鉆孔勘察，進一步探明隧道范圍巖層、土層厚度及分布。

2)盾構推進前，根據(jù)地勘，對上軟下硬地段隧道掘進影響范圍巖石進行預裂爆破，爆破后再對巖層及隧道影響范圍土層注漿加固。巖石預裂爆破孔距、深度、裝藥量等需進行試驗和檢驗，同時需根據(jù)GB 6722—2003《爆破安全規(guī)程》［9］進行爆破安全校核，爆破后石塊粒徑應小于300 mm。圖7為預裂爆破防護示意圖。

3)施工前需對推進控制參數(shù)進行研究，建議參數(shù)為:①刀盤轉(zhuǎn)速≤1.2 r/min，盾構推力 ＜20 MN，扭矩＜2 000 kN·m，貫入度＜5 mm;②邊滾刀最大磨損＜15 mm，中心刀最大磨損＜25 mm，超過需更換。

4)盾構掘進過程中嚴格控制出土量，建議每環(huán)至少檢查并確認3次。

5)盾構掘進時向土艙及時足量注入渣土改良劑，保持開挖面穩(wěn)定，渣土改良可采用泡沫或泡沫+膨潤土。

6)可以采用以下防噴涌措施:①土艙中加入高黏度泥漿;②調(diào)短同步注漿漿液初凝時間;③及時二次注漿，同時每5—10環(huán)管片考慮設一道雙液漿止水環(huán)。

圖7 預裂爆破防護示意圖Fig.7 Protection of presplitting blasting

5.2 經(jīng)驗及注意事項

盾構在上軟下硬地層施工困難大，問題多，總結(jié)類似工程實施經(jīng)驗顯得彌足珍貴，主要注意事項如下:

1)施工中遇到異常情況應及時停機處理。

2)不斷改進渣土改良工藝。

3)盡量多設置換刀加固區(qū)，勤檢查更換刀具。

4)對巖層預裂爆破后，仔細對殘留孔進行封堵，以免盾構掘進時地面冒漿。

5)由于對巖層進行了預裂爆破，隧道洞內(nèi)應加強通風和進行有害氣體檢測。

6)施工過程中盾構姿態(tài)控制很重要，加強掘進參數(shù)控制，對掘進異常情況和參數(shù)異常要有足夠的敏感性。

7)加強地面巡查，做好應急處理措施，遇有坍塌及時圍蔽回填，以免造成不良影響。

6 結(jié)論與建議

盾構在上軟下硬地層中施工困難，存在或隱藏的問題較多，其一系列問題在國內(nèi)或國際上都是難題。各個環(huán)節(jié)都需要注意和慎重對待。如:廣州市軌道交通六號線暹崗站—蘿崗站—香雪站區(qū)間，在上軟下硬地層中掘進困難，超量出土造成地面坍塌。東莞市城市軌道交通R2線工程西平站—哈地站區(qū)間，在上軟下硬地層施工時隧道曾出現(xiàn)螺旋輸送機噴涌，地面塌陷等問題。這些都是上軟下硬地層施工中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，要盡可能解決和處理好這些困難和問題，需要從設計開始時就要做綜合研究和多方案比選。措施考慮充足，相關工程量和概算列足，以免工程實施時因為費用問題造成事故。除了設計，盾構機選型、配置必須有針對性，否則后期施工時難以彌補。施工過程中對管理人員和操作人員要求高，應做專項培訓，同時經(jīng)驗的積累和借鑒也很重要。只有工程參與各方從工程籌劃時充分考慮到實施的困難、問題，采取有力措施，才能確保盾構在上軟下硬地層較順利掘進。

［1］ 鄧彬，顧小芳.上軟下硬地層盾構施工技術研究［J］.現(xiàn)代隧道技術，2012(2):59－63.(DENG Bin，GU Xiaofang.Study on shield construction technology in soft upper stratum and hard under stratum［J］.Modern Tunnelling Technology，2012(2):59 －63.(in Chinese))

［2］ 付艷斌.上軟下硬地層中盾構法隧道施工技術［J］.交通科技與經(jīng)濟，2009(4):22－26.(FU Yanbin.Construction techniques by shield tunneling method in upper-soft lowerhard ground［J］.Technology ＆ Economy in Areas of Communications，2009(4):22 －26.(in Chinese))

［3］ 翟圣智，胡蒙達，葉明勇，等.南昌上軟下硬地層土壓平衡盾構渣土改良技術研究［J］.鐵道建筑，2014(8):27 －31.(ZHAI Shengzhi，HU Mengda，YE Mingyong，et al.Study on ground conditioning of EPB shield used in complex geological area in Nanchang［J］.Railway Engineering，2014(8):27 －31.(in Chinese))

［4］ 李光耀.獅子洋隧道泥水盾構穿越上軟下硬地層施工技術［J］.鐵道標準設計，2010(11):89 －94.(LI Guangyao.Technology for slurry shield to passing through up-soft-downhard stratum in construction of Shiziyang tunnel［J］.Railway Standard Design，2010(11):89 －94.(in Chinese))

［5］ 王景峰.典型上軟下硬地層盾構施工技術［J］.鐵道建筑技術，2014(9):21－23.(WANG Jingfeng.Shielding technology in typical stratum of soft layer under hard layer［J］.Railway Construction Technology，2014(9):21 －23.(in Chinese))

［6］ TBJ 12—1985鐵道工程地質(zhì)技術規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，1996.(TBJ 12—1985 Code for railway engineering geological technology［S］.Beijing:China Railway Publishing House，1996.(in Chinese))

［7］ 《工程地質(zhì)手冊》編寫委員會.工程地質(zhì)手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1992.(Compilation Committee of Engineering Geology Handbook.Engineering geology handbook［M］.Beijing:China Architecture＆ Building Press，1992.(in Chinese))

［8］ 朱宏海.混合巖殘積層物理力學特性及其對地鐵工程的影響與處理措施［J］.現(xiàn)代隧道技術，2013(1):29－34.(ZHU Honghai.Physical and mechanical characteristics of mixed rock eluvium and its influence on Metro works and treatment measures［J］.Modern Tunnelling Technology，2013(1):29 －34.(in Chinese))

［9］ GB 6722—2003爆破安全規(guī)程［S］.北京:國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2004.(GB 6722—2003 Codes for blasting safety［S］.Beijing:General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China，2004.(in Chinese))