廈門軟硬不均地層中盾構(gòu)隧道施工技術(shù)研究

摘 要：廈門為“孤石”和“上軟下硬”地層高發(fā)區(qū)域，盾構(gòu)施工會帶來掘進速度緩慢，掘進參數(shù)、地面沉降難以控制，盾構(gòu)刀具損壞嚴(yán)重等問題。以廈門市軌道交通四號線彭厝北站～蔡厝站區(qū)間盾構(gòu)隧道工程為依托，分析了上述地層的形成過程、分布特征、盾構(gòu)區(qū)間在復(fù)合地層中施工存在的主要風(fēng)險，介紹了盾構(gòu)掘進通過上述地層的主要措施。結(jié)果表明盾構(gòu)機在孤石及上軟下硬特殊地層中施工掘進從提前破碎孤石和基巖、預(yù)設(shè)好換刀加固點和選擇合理的掘進模式、掘進參數(shù)三個方面進行控制，并可以取得較好的施工效果，本文可為類似工程施工提供參考借鑒作用。

關(guān)鍵詞：孤石；上軟下硬；分布特征；盾構(gòu)施工；解決措施

中圖分類號：U455.43 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）12-0110-02

引 言

廈門已建和正在建設(shè)的地鐵1～4號線部分盾構(gòu)區(qū)間工程穿越地層地質(zhì)復(fù)雜，其中上軟下硬與孤石地層是盾構(gòu)施工的最大難題[1]。盾構(gòu)在穿越上述地層時出現(xiàn)刀片磨損嚴(yán)重[2]、盾構(gòu)姿態(tài)難控制[3]、掘進速度緩慢[4]、地面易發(fā)生塌陷[5]等問題。目前，雖然對上軟下硬和孤石地層的形成過程和施工技術(shù)措施有所研究，但是并沒有將其兩者的共同特性進行討論，即兩者之間形成過程的相似性和施工措施的相互借鑒性。因此開展上述地層的共性研究具有一定的現(xiàn)實意義、經(jīng)濟價值和必要性。本文以廈門市軌道交通四號線彭厝北站～蔡厝站區(qū)間盾構(gòu)隧道工程為依托，對上述問題展開了相關(guān)研究，相關(guān)成果可為類似地層工程提供參考借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

廈門地鐵四號線彭厝北站～蔡厝站區(qū)間位于廈門市翔安區(qū)新店鎮(zhèn)彭厝村東南側(cè)，區(qū)間起點里程DK57+010.515，終點里程DK59+431.95，線路全長2421.435m。根據(jù)鉆探揭露，區(qū)間盾構(gòu)隧道洞身穿越地層主要為殘積土、全～微風(fēng)化層，局部為粉質(zhì)黏土、中粗砂、淤泥、砂混淤泥。地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，區(qū)間隧道洞身在局部孔段（M4IZ2-TPC-04、M4IZ2-TPC-01、M4IZ3-TPC補-07-1孔處）揭露含有中等風(fēng)化花崗巖孤石，沿線中等～微風(fēng)化基巖起伏較大，局部上軟下硬侵入洞身，形成如圖1、圖2和圖3所示典型的軟硬復(fù)合地層。

2 軟硬不均地層的形成和分布

2.1 廈門軟硬不均地層的形成

福建花崗巖地質(zhì)面積約占全省1/3[6]，孤石和上軟下硬地層的形成主要在花崗巖地層中；其次，福建省位于歐亞大陸板塊東南邊緣，板塊之間碰撞和構(gòu)造作用為花崗巖地層的裂隙發(fā)育創(chuàng)造了條件；再者，華南地區(qū)的多雨溫暖氣候和花崗巖的礦物質(zhì)成分為花崗巖的不均勻化學(xué)風(fēng)化創(chuàng)造了條件[7]。因此，結(jié)合廈門已建和擬建地鐵的地質(zhì)勘察情況，盾構(gòu)掘進穿越軟硬不均地層為大概率事件，為不可忽略的工程重難點問題。

2.2 廈門軟硬不均地層的分布特征

2.2.1 “孤石”地層的分布特征

通過參考我國東南沿?；A(chǔ)設(shè)施工程出現(xiàn)類似孤石地層的分布特征[8]及對廈門地鐵4號線彭厝北站～蔡厝站區(qū)間孤石分布的數(shù)理統(tǒng)計分析，廈門區(qū)域地層孤石地層分布規(guī)律大致如下：

由上往下，球狀風(fēng)化體的賦存狀態(tài)依次為全風(fēng)化帶和強風(fēng)化帶，全風(fēng)化帶的風(fēng)化效果較強風(fēng)化帶明顯增強，因此風(fēng)化球體表現(xiàn)出“上小下大、上多下少”的總體變化趨勢，也就是說，全風(fēng)化帶中賦存的風(fēng)化球體較多且較小，而強風(fēng)化帶中賦存的風(fēng)化球體較少且較大；通過上述可以推測，隨著高程的減少和埋深的增加，風(fēng)化球體同樣表現(xiàn)出“球徑增大、個數(shù)減少”的總體變化趨勢。

2.2.2 “上軟下硬”地層的分布特征

通過總結(jié)廈門已建和擬建地鐵的地質(zhì)和詳細勘察情況，廈門地鐵四號線彭厝北站～蔡厝站區(qū)間由于地層不均勻風(fēng)化出現(xiàn)微風(fēng)化上軟下硬的現(xiàn)象。上軟下硬地層總體呈現(xiàn)以下特征：巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯呈短～長柱狀為主，部分塊狀，RQD大致為70～95%，巖石天然抗壓強度值大部分為55～95MPa之間。

3 軟硬不均地層對盾構(gòu)施工的影響分析

3.1 盾構(gòu)姿態(tài)及工期風(fēng)險

在孤石和上軟下硬復(fù)合地層中掘進時，由于邊緣刀具磨損過大或異常損壞，刀盤開挖斷面變小，同時圍巖與盾體之間間隙易被碎石渣塞滿，越墊越高，盾構(gòu)前體逐步被抬起“上漂”，從而造成以下現(xiàn)象的發(fā)生：盾構(gòu)姿態(tài)不易控制，易往地層軟弱的一側(cè)偏移，甚至超出隧道設(shè)計軸線允許范圍。

3.2 地面存在坍塌風(fēng)險

在孤石和上軟下硬復(fù)合地層中，盾構(gòu)穿越孤石時，由于其賦存風(fēng)化帶相對較軟，出現(xiàn)隨刀盤轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象，對地層擾動較大，有可能造成地面塌陷的現(xiàn)象發(fā)生。

3.3 盾構(gòu)刀具磨損大，開倉存在安全風(fēng)險

盾構(gòu)機在此地層中掘進，對刀具磨損很大，需要經(jīng)常開倉檢查刀具，如果強行開倉（因為此段埋深較淺，地層復(fù)雜，地下水較多，加壓開倉效果無法保證），安全將難以保證（見圖6）。

4 軟硬不均地層盾構(gòu)施工的措施分析

4.1 盾構(gòu)選型和刀盤設(shè)計

盾構(gòu)穿越軟硬不均地層[9]時，需要考慮刀具對不同地層的適應(yīng)性以及頻繁開艙對地層穩(wěn)定性的影響，復(fù)合式盾構(gòu)機以土壓平衡盾構(gòu)為基礎(chǔ)，兼?zhèn)錃鈮憾軜?gòu)和硬巖掘進機的構(gòu)造原理和優(yōu)點，對軟硬不均地層具有較好的適應(yīng)性。根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)，刀盤開口率設(shè)置為35%，配置滾刀、切刀和齒刀等多種類型刀具相互配合掘進，配置泡沫注入裝置。其中，刀盤開口布置在刀盤頂部處，以避免掌子面頂部地層遇水軟化塌陷。

4.2 孤石及基巖補探

施工前，對軟硬不均地層段進行加密補充勘察[10]，根據(jù)詳勘揭示的孤石范圍和數(shù)理統(tǒng)計所揭示的孤石大小多為0～3m，探明孤石具體存在與否的鉆孔布置距離需要合理確定，選擇鉆孔布置的距離為沿著隧道延伸方向縱向2m、橫向2m進行鉆孔探明，一旦發(fā)現(xiàn)孤石，立即進一步加密鉆探，在探明存在孤石的鉆孔周邊以0.75m×0.75m加密布孔，直至周邊孔不再揭示孤石存在，以確定孤石的大小和埋深。

上軟下硬特殊地層的補勘原理同孤石地層，鉆孔布置沿著隧道延伸方向縱向5m設(shè)置一排補勘孔，每排設(shè)置3個補勘孔，分別布置在隧道左右邊線和中線處，以確認基巖在隧道范圍內(nèi)縱斷面和橫斷面的巖面起伏情況。

4.3 孤石及基巖的預(yù)爆破處理

4.3.1 孤石爆破

（1）采用地質(zhì)鉆機鉆孔探測，鉆孔垂直深度控制在盾構(gòu)隧道隧底以下0.8～1.0m。

（2）地質(zhì)鉆孔水平分布寬度為8.0m，即控制在盾構(gòu)隧道邊線外0.4～0.5m范圍內(nèi)。

（3）布孔形式采用矩形或梅花形，孔距（a）及排距（b）視具體孤石而定，原則上設(shè)計為a=b，且取值為0.5m，同時為減少鉆孔數(shù)量，可采用在原有的補勘孔位中間加密鉆孔當(dāng)做爆破孔位。

4.3.2 基巖爆破

因本段基巖大部分較厚，一般都是分段起爆，即首先對前排孔進行爆破，然后利用前排孔爆破擠壓周圍土層產(chǎn)生的自由面，再對后排孔進行逐個起爆。炮孔間排距為0.5×0.5m，鉆孔超深1.0～1.2m，裝藥深度比基巖厚度深約0.8～1.0m。

4.3.3 現(xiàn)場實施效果

軟硬不均地層爆破處理后，地面鉆孔取芯符合盾構(gòu)推進相關(guān)條件。

5 結(jié) 語

本文對盾構(gòu)機在孤石及上軟下硬特殊地層掘進過程中的施工控制技術(shù)進行了一定的探討，在實際施工過程中嚴(yán)格按照上述施工控制技術(shù)進行施工，并產(chǎn)生了較好的施工效果，主要體現(xiàn)在以下三個方面：

（1）刀盤的刀具磨損均屬于正常磨損，沒有產(chǎn)生嚴(yán)重的刀具崩刃現(xiàn)象；

（2）在此區(qū)域段掘進時，沒有發(fā)生過地面坍塌現(xiàn)象，出土量正常，地表沉降均在規(guī)范的允許范圍之內(nèi)，并安全、高效地多次完成了開倉換刀作業(yè)；

（3）盾構(gòu)姿態(tài)控制良好，從已完成施工的隧道復(fù)測結(jié)果來看，其高程、中心誤差均在±50mm之內(nèi)。

參考文獻

[1]林樹枝，黃建南.廈門地鐵工程建設(shè)的若干巖土工程問題探討[J].福建建筑，2013（3）：1～3.

[2]易廣俊.土壓盾構(gòu)機在掘進過程中常壓開倉換刀的技術(shù)研究[J].建筑施工，2014（4）：435～437.

[3]鄭禮均.孤石地層盾構(gòu)推進施工技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2014（7）：11～13.

[4]彭 勇.土壓平衡盾構(gòu)掘進上軟下硬基巖凸起地層施工措施[J].廣東土木與建筑，2015（1）：59～62.

[5]張益柱.氣壓輔助土壓平衡模式在花崗片麻巖殘積層孤石發(fā)育區(qū)掘進應(yīng)用與控制[J].建設(shè)科技，2017（10）：94～95.

[6]王 榮，曾克峰，陳植華，等.福建太姥山花崗巖地貌特征及成因分析[J].國土與自然資源研究，2011（1）：95～96.

[7]王 浩，劉成禹，陳志波，等.閩東南花崗巖球狀風(fēng)化不良地質(zhì)發(fā)育特征及其工程地質(zhì)問題[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2011，19（4）：564～569.

[8]馮 濤，吳 光，王 華，等.廣東花崗巖地段球狀風(fēng)化地下分布特征分析[J].鐵道建筑，2007（1）：104～105.

[9]王景峰.典型上軟下硬地層盾構(gòu)施工技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2014（9）：21～23.

[10]宗成兵，田恒星.花崗巖地層地鐵隧道盾構(gòu)孤石探測及處置新方法[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2015，15（26）：11～18.

收稿日期：2018-3-25

作者簡介：宋 勤（1985-），男，湖北洪湖人，工程師，本科，主要從事城市地下工程的計算，施工及管理工作。