復(fù)雜地質(zhì)或環(huán)境條件下盾構(gòu)施工整體籌劃中的問題分析

譚萬忠

(中國鐵道科學(xué)研究院 深圳研究設(shè)計院，廣東 深圳 518034)

我國正處于城市軌道交通建設(shè)的繁榮時期，在建線路和規(guī)劃線路約1萬km以上[1]。城市軌道交通地下區(qū)間施工除特殊地段外主要采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)施工線路達(dá)線路總長的70%～80%以上[2]。

對線路采用盾構(gòu)法施工，特別是遇到孤石或球狀風(fēng)化體、上軟下硬地層，穿越建(構(gòu))筑物、河流湖泊等復(fù)雜地質(zhì)或環(huán)境條件時，做好整個項目的盾構(gòu)施工整體籌劃與管理控制既會影響盾構(gòu)資源的合理投入、質(zhì)量安全控制和工期目標(biāo)的實現(xiàn)，也會顯著影響經(jīng)濟(jì)效益[3]。

1 工程概況

深圳市城市軌道交通7號線雙線長22.272 km，其中盾構(gòu)區(qū)間雙線長16.998 km，占總數(shù)的76.32%[4]。

本線線路均位于城市建成區(qū)，房屋密集。下穿既有建(構(gòu))筑物50余棟，3次下穿(上穿)既有鐵路，4次 下穿既有運營地鐵線，8次下穿(側(cè)穿)既有橋梁，5次下穿河流湖泊[5]。地質(zhì)或環(huán)境條件復(fù)雜多變。

2 盾構(gòu)施工整體籌劃中應(yīng)重點考慮的問題

盾構(gòu)整體策劃需要考慮的問題很多，如沿線水文地質(zhì)、周邊環(huán)境、區(qū)間長度、車站、配線、盾構(gòu)井、施工場地、交通疏解等。除此之外，在復(fù)雜地質(zhì)或環(huán)境條件下盾構(gòu)施工還應(yīng)重點考慮以下問題。

2.1 施工勘察加密到位

根據(jù)規(guī)范[6]，城市軌道交通初步勘察階段勘探點間距宜為100～200 m，在地貌、地質(zhì)單元交接部位、地層變化較大地段、不良地質(zhì)和特殊性巖土發(fā)育地段應(yīng)加密勘探點；詳細(xì)勘察階段對復(fù)雜場地要求區(qū)間勘探點間距10～30 m。遇到孤石、上軟下硬地層、富水砂層、斷裂構(gòu)造、全斷面硬巖地層，穿越既有建(構(gòu))筑物或江河湖泊時，依據(jù)詳勘地質(zhì)資料根本無法滿足施工要求。

如深圳市城市軌道交通7號線區(qū)間1左右線長 2 620 m，需下穿橋梁和雨水箱涵，區(qū)間存在大量孤石，基巖突起。前期施工時由于對地質(zhì)情況認(rèn)識不足，補(bǔ)勘工作不到位，當(dāng)盾構(gòu)遇到孤石沒有立即停機(jī)，無法掘進(jìn)時刀具磨損嚴(yán)重，最后進(jìn)倉更換9把刀具，停機(jī)1.5個月。

圖1 區(qū)間1補(bǔ)勘后地質(zhì)情況

按勘探孔間距5 m加密補(bǔ)勘，補(bǔ)勘后地質(zhì)情況見圖1。新發(fā)現(xiàn)孤石29處，加上原詳勘的9處孤石總共需處理孤石38處，上軟下硬地層占26%。補(bǔ)勘階段新發(fā)現(xiàn)的孤石數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過詳勘階段。因此，應(yīng)仔細(xì)研究盾構(gòu)沿線地質(zhì)、建筑物、管線等情況，做好地質(zhì)勘探、補(bǔ)勘或施工專項勘察，盡可能地確保地質(zhì)資料準(zhǔn)確、齊全。對于可能存在孤石或不良地質(zhì)的地段，首先通過微動法進(jìn)行地質(zhì)掃描，確定范圍后再通過地質(zhì)鉆機(jī)取芯進(jìn)行確認(rèn)。對于已經(jīng)探明的孤石或不良地質(zhì)要想盡一切辦法，提前處理。

對復(fù)雜或不良地質(zhì)條件區(qū)段的處理是保證盾構(gòu)正?；┕さ闹匾h(huán)節(jié)。要嚴(yán)格過程控制，加強(qiáng)現(xiàn)場管控，任何一個環(huán)節(jié)的疏忽有可能造成不可彌補(bǔ)的損失。

2.2 盾構(gòu)機(jī)的新舊程度與區(qū)間條件的適應(yīng)性

盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計使用壽命一般只有10～15 km(其主軸承的設(shè)計使用時間是 10 000 h 到 15 000 h)，但是根據(jù)研究，國內(nèi)地鐵隧道用盾構(gòu)機(jī)的使用壽命為 8～9 km/臺[7-8]。目前，盾構(gòu)機(jī)的維修基本上處于事后維修或定期預(yù)防維修，效率較低，不能及時有效地發(fā)現(xiàn)初始、潛在的故障，難以避免關(guān)鍵部件在作業(yè)時發(fā)生失效。

如該線路區(qū)間2右線隧道長 1 752.07 m，其中空推約101 m的礦山法段需要下穿房屋6處和泄洪渠1處。由于該區(qū)間投入的盾構(gòu)機(jī)已掘進(jìn)約5 km，達(dá)到設(shè)計使用壽命的50%，未能及時發(fā)現(xiàn)潛在故障，導(dǎo)致該臺盾構(gòu)機(jī)剛完成65環(huán)空推段管片拼裝，進(jìn)入地層0.5 m 即出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動外密封損壞的情況。最終確定增加開挖豎井，將盾構(gòu)刀盤拆除吊出，進(jìn)行主驅(qū)動外密封的更換，耗時約2個多月。

實踐表明整體籌劃時應(yīng)結(jié)合區(qū)間線路情況，充分考慮盾構(gòu)機(jī)的新舊程度與使用壽命，合理選擇盾構(gòu)機(jī)的投入。對于新購的盾構(gòu)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先用于長度較長、穿越建(構(gòu))筑物或河流湖泊、存在不良地質(zhì)的區(qū)間；對于掘進(jìn)使用期已達(dá)到設(shè)計壽命50%以上的盾構(gòu)不宜用于此類區(qū)間。

2.3 盾構(gòu)掘進(jìn)指標(biāo)的合理選擇

根據(jù)建標(biāo)104—2008《城市軌道交通工程項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》，區(qū)間盾構(gòu)施工單線單洞日推進(jìn)7～10 m，月平均進(jìn)度為140～200 m(含盾構(gòu)安裝調(diào)試1.0～1.5個月，盾構(gòu)調(diào)頭1個月，盾構(gòu)轉(zhuǎn)場1.5個月，盾構(gòu)拆卸1個月)[9]。這一指標(biāo)可在可行性研究或設(shè)計文件的工程籌劃中參考使用，但在施工整體籌劃時還應(yīng)細(xì)分。

圖2 區(qū)間3左線月進(jìn)度

該線路區(qū)間3左線隧道長976.1 m,需下穿一橋梁和輸油管道。在補(bǔ)勘中發(fā)現(xiàn)有孤石、硬巖段存在，掘進(jìn)中刀盤刀具磨損嚴(yán)重，多次產(chǎn)生卡刀、刀具偏磨等問題，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度。從區(qū)間3左線月進(jìn)度(見圖2)可以看出：該區(qū)間實際施工時間為318 d，折算綜合進(jìn)度為3.07 m/d，月進(jìn)度約93 m/月。單月最低掘進(jìn)僅7.5 m，綜合進(jìn)度比建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的平均進(jìn)度降低約50%。該盾構(gòu)區(qū)間原計劃采用1臺盾構(gòu)掘進(jìn)雙線，后來為滿足工期要求不得不臨時增加1臺盾構(gòu)機(jī)。

實踐表明各地區(qū)各線路不能籠統(tǒng)地采用《城市軌道交通工程項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》中的掘進(jìn)指標(biāo)。當(dāng)線路遇到孤石、球狀風(fēng)化體、上軟下硬地層，穿越建(構(gòu))筑物、江河湖泊等復(fù)雜地質(zhì)或環(huán)境條件區(qū)段時，應(yīng)將掘進(jìn)指標(biāo)比建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)中的平均進(jìn)度降低約50%來考慮工期，否則容易造成較大的工期偏差。

2.4 換刀方案的綜合確定

在復(fù)雜地質(zhì)或環(huán)境條件下進(jìn)行盾構(gòu)施工時，不可避免要較為頻繁地?fù)Q刀。關(guān)鍵在于把握好換刀位置和時機(jī)，做好換刀方案。一般情況下，應(yīng)綜合考慮刀盤、刀具的磨損情況，換刀地點地質(zhì)、水文情況，換刀位置的地面條件，經(jīng)濟(jì)性與安全性的平衡問題[10]。

在復(fù)雜地質(zhì)或環(huán)境條件下確定盾構(gòu)換刀方案時，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)膿Q刀方案達(dá)到安全性和經(jīng)濟(jì)性的平衡，并以人員安全和設(shè)備安全為主要考慮因素。

3 結(jié)論

線路遇到孤石、球狀風(fēng)化體、上軟下硬等復(fù)雜地質(zhì)，穿越建(構(gòu))筑物、江河湖泊時，盾構(gòu)施工整體籌劃應(yīng)注意：

1)通過微動法進(jìn)行地質(zhì)掃描，確定不良地質(zhì)范圍后再通過鉆機(jī)取芯進(jìn)行確認(rèn)。在場地條件允許時按勘探點間距5 m左右加密勘察，對于已經(jīng)探明的不良地質(zhì)要想盡一切辦法，提前處理。

2)宜選用新購盾構(gòu)或掘進(jìn)使用壽命50%以下的盾構(gòu)。

3)不能籠統(tǒng)地采用《城市軌道交通工程項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》中的掘進(jìn)指標(biāo)，應(yīng)將掘進(jìn)指標(biāo)比建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)中的平均進(jìn)度降低約50%左右來考慮工期要求，否則容易造成較大的工期偏差。

[1]侯秀芳,左超,李楠.城市軌道交通2016年度統(tǒng)計和分析 [J].都市快軌交通，2017，30(3)：1-7.

[2]程海云.盾構(gòu)機(jī)司機(jī)培訓(xùn)教材[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[3]王效文.地鐵盾構(gòu)隧道施工組織影響因素分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2005，42(6)：53-56.

[4]鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.深圳地鐵7號線工程初步設(shè)計技術(shù)要求[R].深圳：鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,2012.

[5]深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，鐵科院(北京)工程咨詢有限公司.深圳地鐵7號線BT項目工程籌劃[R].深圳：深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，北京：鐵科院(北京)工程咨詢有限公司，2012.

[6]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50307—2012 城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2012.

[7]戴文浩.砂卵石地層盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵部件可靠性與剩余使用壽命評估研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2017.

[8]黃克，趙炯，周奇才，等.基于多變量統(tǒng)計過程監(jiān)控的盾構(gòu)機(jī)故障診斷[J].中國工程機(jī)械學(xué)報，2012，10(2)：222-227．

[9]中華人民共和國建設(shè)部，中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.建標(biāo)104—2008 城市軌道交通工程項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國計劃出版社，2008.

[10]段浩，孫鳳江.富水砂卵石地層盾構(gòu)換刀方案[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2010(6):36-38.