上軟下硬復(fù)合地層盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)施工難點(diǎn)及對策研究

張亞洲, 溫竹茵, 由廣明, 劉 念

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司, 上海 200092)

0 引言

近年來,隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施的不斷開發(fā)及科學(xué)技術(shù)的逐漸進(jìn)步,盾構(gòu)隧道施工技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)外越江過河隧道的建設(shè)中,如已建成的武漢過江隧道、廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道、南京緯三路過江通道及在建的周家嘴路越江隧道等,均采用盾構(gòu)法施工[1-2]。我國幅員遼闊,各地地質(zhì)條件相差較大,受限于隧道設(shè)計(jì)埋深、隧道直徑、平縱線型及既有建(構(gòu))筑物的制約,盾構(gòu)開挖斷面上同時(shí)存在巖石(卵石)和土層的情況(通常指上軟下硬地層)越來越常見。由于巖石和土層的物理特性(如礦物成分、強(qiáng)度、變形能力、滲透性等)差異很大,盾構(gòu)隧道在這種地層中施工將會面臨各種難題,從而影響工程順利實(shí)施。

目前國內(nèi)研究大多基于具體工程案例出現(xiàn)的典型施工問題進(jìn)行分析并提出解決方案。如: 文獻(xiàn)[3-8]分別基于長沙地鐵1號線、深圳地鐵7號線、南昌地鐵1號線、廣州地鐵9號線、福州地鐵1號線、東莞地鐵R2線區(qū)間出現(xiàn)的上軟下硬地層盾構(gòu)施工問題進(jìn)行了研究; 文獻(xiàn)[9-13]分別基于佛莞城際鐵路獅子洋隧道、廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道、南京緯三路隧道、長株潭城際鐵路湘江隧道、武漢三陽路隧道工程出現(xiàn)的上軟下硬地層盾構(gòu)施工問題提出了相應(yīng)的施工解決方案。而上軟下硬地層盾構(gòu)施工問題日漸突出,每個(gè)工程所遇到的問題既存在“共性”,也存在“個(gè)性”,既要在施工過程中采取措施,也應(yīng)當(dāng)在隧道設(shè)計(jì)、盾構(gòu)制造過程中預(yù)先采取對策。

本文以國內(nèi)上軟下硬地層盾構(gòu)隧道典型工程案例為基礎(chǔ),對上軟下硬地層盾構(gòu)工程案例區(qū)域分布特點(diǎn)及發(fā)展趨勢、施工主要問題及其產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析和總結(jié)。在此基礎(chǔ)上,分別從隧道設(shè)計(jì)、盾構(gòu)設(shè)計(jì)及工程實(shí)施的角度提出相應(yīng)的對策措施。

1 上軟下硬地層分布及主要問題分析

1.1 上軟下硬地層盾構(gòu)工程案例區(qū)域分布

為全面了解我國上軟下硬地層盾構(gòu)工程案例區(qū)域分布情況,以“盾構(gòu)”+“上軟下硬”作為關(guān)鍵詞搜索中國知網(wǎng)有效文獻(xiàn)共57篇,文獻(xiàn)中提及的具體案例發(fā)生地點(diǎn)分布情況如圖1所示。部分上軟下硬地層盾構(gòu)工程案例如表1所示。

圖1 上軟下硬地層盾構(gòu)工程案例區(qū)域分布Fig. 1 Regional distribution for shield tunnel projects of uppersoft and lower-hard stratum

表1 部分上軟下硬地層盾構(gòu)工程案例Table 1 Some shield tunnel projects of upper-soft and lower-hard stratum

表1 (續(xù))

由圖1及表1可知: 1)我國上軟下硬地層盾構(gòu)工程案例多分布在廣州、深圳、珠海、東莞等泛珠三角地區(qū)(約68%); 2)部分城市如南京、福州、南昌、長沙等地區(qū)也存在上軟下硬的地層案例,多為深埋的過江跨河隧道。且根據(jù)文獻(xiàn)資料可知,盾構(gòu)遭遇上軟下硬地層的工程案例最早在廣州、深圳、珠海出現(xiàn),南京、長沙、南昌、福州等地區(qū)出現(xiàn)相對較晚。

我國幅員遼闊,各地地質(zhì)條件差異較大: 1)華南、東南及華北沿海地區(qū)第四系土層較薄,下伏基巖多為花崗巖、混合巖及灰?guī)r[8],基巖頂面埋深僅20～40 m; 2)華中地區(qū)第四系土層較厚,下伏基巖多為泥巖、砂巖,基巖頂面埋深多為30～60 m; 3)華東地區(qū)多為軟土,第四系土層厚達(dá)100 m,甚至200～300 m[14]。我國盾構(gòu)早期多應(yīng)用于上海、北京、廣州等地區(qū)的小直徑、淺埋深的地鐵工程,因而廣州地區(qū)上軟下硬盾構(gòu)工程案例較多且出現(xiàn)較早。隨著近年來地鐵盾構(gòu)和大直徑盾構(gòu)工程的廣泛應(yīng)用,珠海、東莞等泛珠三角地區(qū)及南京、長沙、南昌等華中、華東地區(qū)也逐漸出現(xiàn)上軟下硬地層盾構(gòu)案例。基于我國盾構(gòu)工程應(yīng)用地區(qū)更廣、直徑更大、埋深更大的發(fā)展趨勢,今后將會有更多地區(qū)出現(xiàn)上軟下硬地區(qū)盾構(gòu)施工問題,已發(fā)現(xiàn)上軟下硬盾構(gòu)工程的地區(qū)相關(guān)案例亦會不斷增加。

1.2 上軟下硬地層盾構(gòu)工程主要問題及原因分析

將調(diào)研的57篇文獻(xiàn)所述具體工程案例中出現(xiàn)的盾構(gòu)施工主要問題進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如圖2所示。可以看出: 1)57篇文獻(xiàn)中有48篇文獻(xiàn)提及刀盤磨損、刀具崩斷的問題,出現(xiàn)概率達(dá)84.2%; 2)刀盤結(jié)餅(41,71.9%)及參數(shù)異常、推進(jìn)緩慢、刀盤卡死(33,57.9%)出現(xiàn)較多。除此之外,還有如下問題: 地層加固不良、開艙檢修困難; 土壓盾構(gòu)排土器噴涌; 盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)不良,偏離設(shè)計(jì)軸線; 千斤頂受力不均,襯砌損壞; 上部軟弱地層擾動(dòng)大,拱頂沉降、坍塌; 遭遇可燃及有害氣體。由此可見,盾構(gòu)在上軟下硬地層掘進(jìn)具有較大的風(fēng)險(xiǎn)性。

圖2 上軟下硬地層盾構(gòu)工程施工主要問題Fig. 2 Main problems of shield construction in upper-soft and lower-hard stratum

中國盾構(gòu)行業(yè)存在一種共識: 在盾構(gòu)施工中,地質(zhì)是基礎(chǔ),設(shè)備是關(guān)鍵,人員是根本[15]。特殊的地質(zhì)條件是盾構(gòu)在上軟下硬地層發(fā)生諸多問題的首要原因。巖石和土層的物理特性(如礦物成分、強(qiáng)度、變形能力、滲透性等)差異很大: 1)下部硬巖通常石英或長石(強(qiáng)風(fēng)化后變成黏土礦物)含量高,具有較高的強(qiáng)度和硬度,或由于裂隙發(fā)育而滲透系數(shù)較大; 2)上部軟土往往土質(zhì)松軟、強(qiáng)度較低。盾構(gòu)的配置需采取針對性的技術(shù)措施: 如在硬巖中施工時(shí),通常需要采用全斷面滾刀破巖模式,采用的刀盤開口率較小; 當(dāng)在土層中掘進(jìn)時(shí),通常需要換成適應(yīng)軟巖或軟土的刮刀,此時(shí)的開口率相應(yīng)增大。而當(dāng)隧道斷面處于上軟下硬地層時(shí),刀具會隨刀盤旋轉(zhuǎn)在“巖”-“土”中循環(huán)切換,這種不斷變化的工況對于盾構(gòu)是一大考驗(yàn),盾構(gòu)掘進(jìn)過程中很難兼顧兩者。且隧道結(jié)構(gòu)處于下部巖石、上部軟土的環(huán)境中,上下部抗力不一致,其內(nèi)力和變形表現(xiàn)十分復(fù)雜。此外,由于人為因素難以控制,常常因施工人員對上軟下硬地層認(rèn)識不足而導(dǎo)致事故多發(fā)。

一般來說,刀盤和刀具磨損主要分為如下幾個(gè)方面: 1)硬巖強(qiáng)度高。刀具隨刀盤旋轉(zhuǎn),由軟土過渡到硬巖的過程中,發(fā)生磕碰沖擊,造成刀具崩斷(刮刀脆斷、滾刀崩刃)。這種斷裂多取決于刀具移動(dòng)線速度,因而刀盤邊緣附近刀具破壞相對嚴(yán)重。2)巖層黏性礦物含量高。當(dāng)盾構(gòu)遭遇泥巖或粉砂巖時(shí),刀盤刀具研磨下來的大量黏粒具有摩擦力小、黏性大、流動(dòng)困難等特征,粘結(jié)在刀盤上形成“泥餅”,造成刀具失效從而發(fā)生磨損。尤其是滾刀容易被“糊死”,無法有效自轉(zhuǎn),造成正壓力和摩擦力將會增大,發(fā)生滾刀偏磨現(xiàn)象[16]。這種磨損多發(fā)生在靠近刀盤中心的部位。3)石英含量高。石英的莫氏硬度為7,比鐵、不銹鋼、鈦等都要硬。當(dāng)盾構(gòu)遭遇石英含量高的巖層(如砂巖)時(shí),刀盤刀具磨損普遍嚴(yán)重[11]。4)刀盤溫度高。由于刀盤、刀具與巖石的劇烈摩擦、碰撞,產(chǎn)生了大量的熱量,使刀具溫度升高,在一定程度上加快了刀具的磨損。此外,溫度升高易引起刀盤泥餅的“燒結(jié)”,形成硬度極大的塊體,更加加劇了刀具的磨損; 刀具磨損和刀盤結(jié)泥餅同時(shí)又引起溫度進(jìn)一步升高,問題將越發(fā)嚴(yán)重。5)巖層裂隙發(fā)育。當(dāng)巖層裂隙較發(fā)育時(shí),破碎巖體從開挖面脫落崩塌從而導(dǎo)致下部刀具被砸斷。南京緯三路過江通道工程同時(shí)存在以上情況,部分地段穿越上軟下硬地層,地層中石英含量和黏粒含量均較高,刀盤刀具磨損十分嚴(yán)重,多次采用開艙方式進(jìn)行檢修,嚴(yán)重影響工程的順利進(jìn)行。

如前所述,當(dāng)?shù)貙又泻写罅筐ちr(shí),如果下部巖層為泥巖、粉砂巖,刀盤易發(fā)結(jié)餅甚至泥塊燒結(jié)。當(dāng)?shù)侗P發(fā)生結(jié)餅時(shí),多會進(jìn)一步導(dǎo)致刀盤參數(shù)異常(如推力、轉(zhuǎn)矩增大)現(xiàn)象,同時(shí)推進(jìn)速度減慢,甚至發(fā)生刀盤卡死事故。盾體卡死主要原因如下: 1)邊緣刀具磨損過大或異常損壞,使得刀盤開挖斷面變小,地層對盾體的握裹力增大; 2)開挖面同盾體之間間隙塞滿碎石渣,盾體所受摩阻力增大; 3)由于通常巖體存在裂隙發(fā)育,刀具進(jìn)尺過大會使得開挖面的巖體沿裂隙整塊剝離,刀具起不到切碎巖體的作用,并且剝離下來的大塊巖體無法順利由排漿管(泥水盾構(gòu))或螺旋排土器(土壓盾構(gòu))帶出,會堆積在開挖艙中從而影響盾構(gòu)的掘進(jìn)。盾構(gòu)在均勻土層中掘進(jìn)的正常速度為30～40 mm/min,但在上軟下硬地層中掘進(jìn)速度嚴(yán)重減慢,如廣州地鐵4號線(5 mm/min)[17]、深圳地鐵2號線(6 mm/min)[18]、南京緯三路隧道(5～10 mm/min)[11](該處掘進(jìn)速度均指上軟下硬段掘進(jìn)速度)。

當(dāng)下部巖層為頁巖、板巖等各向異性明顯巖層,而上層為含水量豐富、滲透系數(shù)大的砂土、卵石地層時(shí),巖體易發(fā)生片狀剝離,造成渣土級配出現(xiàn)細(xì)顆粒含量少或中間粒組缺失,止水性差,流動(dòng)性不夠,無法在土壓盾構(gòu)螺旋排土器中形成土塞效應(yīng),易發(fā)噴涌。

在均一土層施工時(shí),由于盾構(gòu)刀盤較重,盾構(gòu)掘進(jìn)過程中存在“頭重腳輕”現(xiàn)象,這時(shí)可通過加大盾構(gòu)下部的推力確保盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中維持盾構(gòu)平穩(wěn)掘進(jìn)。但是盾構(gòu)在上軟下硬的地層中進(jìn)行掘進(jìn)時(shí),盾構(gòu)刀盤與下部巖體不斷發(fā)生碰撞,推力和轉(zhuǎn)矩變化幅度很大,盾構(gòu)有著向軟土層偏移的慣性,使得掘進(jìn)方向很容易出現(xiàn)偏差,出現(xiàn)“抬頭線型”,進(jìn)而導(dǎo)致盾構(gòu)姿態(tài)控制困難,地面沉降難以控制,引起千斤頂受力不均、管片錯(cuò)臺等一系列問題[19]。在越江隧道施工時(shí),甚至引發(fā)江面突涌、冒頂?shù)仁鹿省?/p>

由于上軟下硬地層通常上部土層松軟、下部巖層裂隙發(fā)育,含水量大、滲透系數(shù)大,氣密性差,加固難度較大,不具備常壓換刀條件,帶壓開艙施工難度較大。

可燃及有害氣體來源主要有2個(gè)方面: 一是地層中本身存在的,如廣州地區(qū)侏羅紀(jì)泥炭頁巖[20]賦存的瓦斯氣體; 二是施工導(dǎo)致的,如刀盤高溫摩擦有機(jī)巖體產(chǎn)生的氣體或盾構(gòu)開挖前進(jìn)行預(yù)裂爆破殘留的氣體[21]。

隧道管片一部分置于抗力較大巖層中,一部分位于抗力較小的軟弱土層中。在盾構(gòu)姿態(tài)控制不良、管片容易發(fā)生錯(cuò)臺和開裂的上軟下硬區(qū)段,隧道管片受力因抗力大小差異且隨著軟、硬層占隧道斷面的比例不同而變得十分復(fù)雜。

2 主要措施分析

上文提及“在盾構(gòu)施工中,地質(zhì)是基礎(chǔ),設(shè)備是關(guān)鍵,人員是根本”,其實(shí),在盾構(gòu)工程建設(shè)整個(gè)過程中,亦是如此。設(shè)計(jì)以地質(zhì)條件為背景,選用有利的地質(zhì)條件而避開不利的地質(zhì)條件; 盾構(gòu)設(shè)備針對工程特定的地質(zhì)和線位進(jìn)行制造或改裝; 在隧道施工時(shí),隧道設(shè)計(jì)及盾構(gòu)設(shè)備都基本確定,則是人員發(fā)揮關(guān)鍵作用的時(shí)候。下文從隧道設(shè)計(jì)、盾構(gòu)設(shè)計(jì)及施工措施等方面進(jìn)行逐一分析。

2.1 隧道設(shè)計(jì)措施

從隧道設(shè)計(jì)角度,有主動(dòng)避讓措施和被動(dòng)措施。應(yīng)盡可能采取主動(dòng)避讓措施對上軟下硬地層進(jìn)行規(guī)避。

2.1.1 主動(dòng)避讓設(shè)計(jì)

1)如第四系覆土相對較深,可通過改變盾構(gòu)直徑、改善縱斷面線型進(jìn)行避讓。如同樣的雙向6車道隧道,考慮盾構(gòu)自身斷面高度及所需覆土厚度,采用雙管?14 m級隧道比單管?17 m級隧道可最大程度地避免切入巖層。如將縱斷面線型拉淺(局部采用施工期抗浮輔助措施),或改V字坡為W坡進(jìn)行規(guī)避。如南京緯三路隧道采用壓重方案,優(yōu)化拉淺隧道縱斷面,減少刀盤入巖深度6 m。

2)如第四系覆土較淺,而隧道線路較長時(shí),可將縱斷面線型壓深進(jìn)行避讓,加大縱坡減小復(fù)合地層長度,盡可能使絕大部分區(qū)段位于全斷面巖層中。?15 m盾構(gòu)在不同縱坡條件下上軟下硬段長度如表2所示?？梢?縱坡在3%以下時(shí)上軟下硬段長度明顯較大,縱坡在3%以上時(shí)上軟下硬段長度較短。考慮隧道類型(鐵路、軌道、公路、城市道路等)及行車舒適度,縱坡可根據(jù)情況取為3%～5.5%。同時(shí),考慮硬巖掘進(jìn)時(shí)檢修換刀不可避免,隧道頂部巖層覆蓋層厚度需滿足進(jìn)艙作業(yè)安全且松弛壓力與變形壓力之和相對較小的要求,不能僅按通常條件下盾構(gòu)隧道的覆土厚度考慮。如佛莞城際鐵路獅子洋隧道[22]盾構(gòu)段長4.9 km,考慮遠(yuǎn)期航道規(guī)劃后,河床段第四系土僅8.2～18 m,若按常規(guī)覆土要求控制(約9 m),盾構(gòu)需長距離穿越上軟下硬地層,風(fēng)險(xiǎn)較大,故隧道兩端采用30‰大縱坡快速進(jìn)入基巖的方案。

表2 ?15 m盾構(gòu)不同縱坡條件下上軟下硬段長度Table 2 Lengths of upper-soft and lower-hard stratum for ?15 m shield under different longitudinal slope conditions

3)如不同位置基巖巖面埋深差異較大,可采用平面線型繞避,從基巖埋深較大處穿越。

2.1.2 被動(dòng)設(shè)計(jì)措施

1)對于盾構(gòu)穿越線路上局部存在的孤石或硬巖進(jìn)行深孔爆破進(jìn)行預(yù)處理,利用爆炸能量,提前將孤石及硬巖進(jìn)行破碎、解體。如深圳地鐵5號線[23]和11號線[21]、臺山核電站取水隧洞[24]等工程均采用此種方式,效果較好。

2)對于盾構(gòu)穿越線路上僅局部存在軟弱地層的情況,即當(dāng)巖石斷面占比較多時(shí),可對上部地層進(jìn)行加固,可在一定程度上減小軟硬地層之間的強(qiáng)度及抗力差距。

3)當(dāng)盾構(gòu)在上軟下硬地層掘進(jìn)距離較長時(shí),不可避免地需進(jìn)行刀具檢查及更換,可根據(jù)隧道地質(zhì)情況,在隧道穿越線路上選擇合適位置(如地質(zhì)條件較好、地勢平坦、地表無建(構(gòu))筑物的地段)設(shè)置多個(gè)檢修和換刀加固區(qū)[25],避免在建筑物下方由于刀具磨損等原因造成的被動(dòng)停機(jī)檢修問題。

4)調(diào)整線路與巖石交接面角度,避免小交角入巖,防止盾構(gòu)刀盤切入困難。

5)考慮管片上下部分抗力不同,且管片存在錯(cuò)臺等問題,可設(shè)計(jì)成通用管片,并采取在管片增設(shè)注漿孔、剪力銷、預(yù)埋抗剪鋼板等措施,保證管片整體縱向剛度。

6)特殊情況下(如需考慮列車撞擊等荷載時(shí)),隧道在軟土及軟硬不均地段局部設(shè)置二次襯砌或采用鋼纖維和聚丙烯纖維的雙摻襯砌,增加剛度、整體穩(wěn)定性和抗震、耐火、抗撞擊能力。如廣深港客運(yùn)專線[10,26]在近工作井兩端一定范圍內(nèi)設(shè)置二次襯砌、佛莞城際鐵路獅子洋隧道[9,22]采用鋼纖維和聚丙烯纖維的雙摻襯砌。

2.2 盾構(gòu)設(shè)計(jì)措施

盾構(gòu)工程中設(shè)備十分關(guān)鍵。在隧道設(shè)計(jì)階段,設(shè)計(jì)單位、盾構(gòu)制造商應(yīng)充分配合,根據(jù)地層巖土性質(zhì)、隧道線型特征進(jìn)行研究,合理進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)。

秘色瓷最早被發(fā)現(xiàn)于東漢浙江越要青瓷，因?yàn)槠渚哂小扒Х宕渖钡奶攸c(diǎn)，因此外觀精美，聞名遐邇。秘色瓷在唐代期間被用于皇家供奉舍利，是一種非常尊貴的器物。秘色瓷在我國瓷器世界中大放光彩，具有造型美、胎釉美、裝飾美等三大特點(diǎn)。

1)對滾刀、刮刀等刀具進(jìn)行合理選型,優(yōu)化刀具在刀盤上的布置。對刀盤、刀具進(jìn)行抗沖擊、耐磨設(shè)計(jì)[7,16],設(shè)計(jì)成可隨開挖面硬巖比例調(diào)整滾刀數(shù)量的刀盤。在地層中黏粒含量高時(shí)可適當(dāng)增加刀具長度,以提高結(jié)餅厚度冗余[20]; 在頁巖地層可適當(dāng)增加滾刀數(shù)量以利于破巖。

2)對于黏粒含量較高的地層,刀盤中心開口率應(yīng)較大,對防止結(jié)餅有利。但泥水盾構(gòu)在巖層裂隙較發(fā)育的地層掘進(jìn)時(shí),開口率較大會導(dǎo)致過大的巖塊進(jìn)入土艙從而堵塞排泥口,此時(shí)可通過配備碎石機(jī),來減小渣土中巖塊粒徑,提高環(huán)流系統(tǒng)的輸送效率。

3)泥水盾構(gòu)應(yīng)在刀盤處增設(shè)高壓沖刷,一方面利用沖刷壓力沖下刀盤粘附的泥餅,另一方面可降低刀盤溫度,防止刀盤泥餅燒結(jié)。土壓盾構(gòu)宜根據(jù)刀盤大小、地層巖性合理設(shè)置泡沫注入口和膨潤土注入口的數(shù)量和位置。

4)采用大功率盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng),提高主軸承耐磨性能,確保刀盤在復(fù)雜情況下的轉(zhuǎn)矩和推力,防止盾構(gòu)刀盤發(fā)生卡死現(xiàn)象。超挖刀應(yīng)設(shè)置成可調(diào)節(jié)長度或可更換的刀具,在刀具磨損后及時(shí)更換,以保證一定的開挖直徑,減小地層對盾體的握裹力。

5)設(shè)計(jì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)裝置,預(yù)留超前鉆機(jī)孔位,以便提前探明盾構(gòu)開挖面前方地質(zhì)情況,為選擇掘進(jìn)參數(shù)提供參考依據(jù),并利用盾體上預(yù)留的超前鉆孔對不具備外部注漿加固條件的位置(如江中或地表存在大面積建筑物)進(jìn)行注漿加固。

6)對于土壓盾構(gòu),宜增設(shè)泡沫、膨潤土注入口,根據(jù)不同地層巖性進(jìn)行土體改良,合理設(shè)計(jì)螺旋排土器,必要時(shí)可增加螺旋排土器長度,防止噴涌。

7)可根據(jù)地層情況,選用復(fù)合盾構(gòu)或雙模盾構(gòu)[27-28]。對于上軟下硬地層,國內(nèi)多采用復(fù)合盾構(gòu)進(jìn)行應(yīng)對并取得諸多成功經(jīng)驗(yàn),而雙模盾構(gòu)的必要性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性問題在業(yè)內(nèi)存在一定的爭議[29]。如佛莞城際鐵路獅子洋隧道采用復(fù)合式泥水盾構(gòu)實(shí)施,該工程曾考慮采用土壓-泥水雙模式盾構(gòu)(見圖3)。在破碎巖層段和軟硬巖軟硬不均段采用土壓模式掘進(jìn),在軟弱土層、砂層、土巖軟硬不均段及裂隙水發(fā)育的基巖地層采用泥水模式掘進(jìn)[27]。今后類似的地質(zhì)條件工程,在確保技術(shù)可行且經(jīng)濟(jì)、可靠的條件下,雙模盾構(gòu)仍可作為一種選擇。

圖3 雙模盾構(gòu)Fig. 3 Dual-mode shield machine

8)根據(jù)地層條件,對盾構(gòu)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)和制造。盾構(gòu)選型應(yīng)經(jīng)過專家充分論證后下井,以減小盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的故障率。

2.3 施工措施

施工好壞主要取決于人員是否考慮周全,盾構(gòu)在上軟下硬地層施工時(shí),必須充分認(rèn)識施工風(fēng)險(xiǎn),并采取相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。

1)針對特殊地段,進(jìn)行有針對性地補(bǔ)充鉆孔勘察,進(jìn)一步探明隧道范圍內(nèi)巖層、土層厚度及分布。

2)如對巖層進(jìn)行了爆破預(yù)處理,需對殘留氣孔進(jìn)行封堵以避免地面冒漿。

3)在穿越上軟下硬地層前,選擇合適的地段進(jìn)行檢修; 穿越過程中因刀具磨損需要進(jìn)艙換刀時(shí),需切實(shí)做好地層加固及開挖面穩(wěn)定處理[25],嚴(yán)格按照進(jìn)艙作業(yè)要求進(jìn)行處理,確保工作人員人身安全。

4)土壓盾構(gòu)做好土體改良[30],如遭遇頁巖、板巖地層時(shí)可采用膨潤土和泡沫進(jìn)行土體改良; 在遭遇強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖時(shí),由于其強(qiáng)度較低、黏粒含量較高、易遇水軟化,可采用泡沫進(jìn)行土體改良。泥水盾構(gòu)做好泥漿管理。

5)對于上軟下硬巖溶區(qū),應(yīng)在查明巖溶范圍、大小情況下,選擇合適材料(水泥漿、水泥砂漿和碎石)進(jìn)行充填加固,并做好盾構(gòu)穿越過程中及穿越后的監(jiān)測工作。

6)合理控制施工參數(shù),如掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、盾構(gòu)推力、轉(zhuǎn)矩等,嚴(yán)格控制出土量(排漿量),盡可能將掘進(jìn)速度控制為5 mm/min左右,刀盤轉(zhuǎn)速宜小、轉(zhuǎn)矩宜大。

7)加強(qiáng)地面巡查和監(jiān)測,做好應(yīng)急處理措施,地面沉降過大需及時(shí)處理,遇有塌孔及時(shí)圍蔽回填。

8)加強(qiáng)通風(fēng)和可燃、有害氣體檢測[31],即使勘察報(bào)告未探出可燃、有害氣體,施工中刀盤高溫摩擦地層或進(jìn)行預(yù)裂爆破等工序也可能產(chǎn)生可燃、有害氣體。

9)針對上軟下硬地層盾構(gòu)姿態(tài)難以控制的特點(diǎn),通過加強(qiáng)盾構(gòu)姿態(tài)測量,合理調(diào)整管片旋轉(zhuǎn)角度,使管片姿態(tài)適應(yīng)盾構(gòu)姿態(tài),調(diào)整分區(qū)油缸數(shù)量與油壓差值等,有效控制盾構(gòu)姿態(tài)。

3 工程實(shí)例

某地區(qū)擬建設(shè)跨河隧道,連通東、西兩岸及河心島的交通,建設(shè)規(guī)模為雙向6車道。考慮河心島接線要求,盾構(gòu)隧道分成東、西2段。西支河段第四系覆土較淺(河中11～20 m)、河面寬度較大(約2.8 km); 東支河段第四系覆土較深(河中35～37 m,局部28 m)、河面寬度較小(約1.3 km)。下伏基巖多為中風(fēng)化粉砂巖。

隧道設(shè)計(jì)時(shí)考慮車道數(shù)及建筑功能要求后,提出單管直徑17.2 m和雙管直徑14.5 m 2種方案。考慮上軟下硬地層施工風(fēng)險(xiǎn)的方案分析如表3所示。

表3 考慮上軟下硬地層盾構(gòu)方案分析Table 3 Shield construction schemes considering upper-soft and lower-hard stratum

由表3可知: 1)選用17.2 m單管盾構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)較大,不可取; 2)14.5 m雙管盾構(gòu)則較為靈活,西支可利用隧道較長、基巖巖面較淺的特點(diǎn),采用5%大縱坡,盡快將隧道深埋于巖層中,近工作井附近局部穿越上軟下硬地層(長度分別為260 m和280 m); 3)東支可利用第四系覆土較厚的特點(diǎn),在滿足抗浮要求條件下,盡量拉淺縱斷面,局部(150 m)切入巖層處采取預(yù)裂爆破技術(shù),可最大程度減小工程風(fēng)險(xiǎn)。隧道設(shè)計(jì)縱斷面如圖4所示。

圖4 隧道設(shè)計(jì)縱斷面Fig. 4 Tunnel design profile

由于盾構(gòu)穿越線路上軟下硬不均地層長度較短,且為土巖軟硬不均地層,西支大部分在水壓較高的基巖中掘進(jìn),東支大部分在第四系土層中掘進(jìn),基巖為中風(fēng)化粉砂巖。結(jié)合國內(nèi)相關(guān)經(jīng)驗(yàn),選擇密封性好、刀盤磨損相對較小、泥餅防治能力較強(qiáng)的泥水盾構(gòu),采用經(jīng)耐磨設(shè)計(jì)的滾刀、刮刀,設(shè)置一定數(shù)量可常壓更換的刀具。為防結(jié)餅,刀盤增設(shè)高壓沖刷系統(tǒng)。

4 結(jié)論與建議

1)隨著城市發(fā)展,盾構(gòu)隧道在上軟下硬地層中施工的問題將會日漸突出,從隧道設(shè)計(jì)、盾構(gòu)設(shè)計(jì)制造和工程實(shí)施等方面采取相應(yīng)措施以降低風(fēng)險(xiǎn)十分重要。

2)在充分分析上軟下硬地層分布、厚度和地層巖性后,從隧道設(shè)計(jì)角度應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮優(yōu)化平縱線型的主動(dòng)避讓措施,其他如對硬巖預(yù)裂爆破、局部軟土加固、襯砌優(yōu)化以及盾構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工措施均為被動(dòng)的輔助措施。

3)隧道管片一部分置于抗力較大巖層中,一部分位于抗力較小的軟弱土層中,隧道管片受力因抗力大小差異且隨著軟、硬地層占隧道斷面的比例不同而變得十分復(fù)雜。位于巖層中的隧道可采用多鉸圓環(huán)法進(jìn)行計(jì)算以保證經(jīng)濟(jì)性,軟土盾構(gòu)多采用均質(zhì)圓環(huán)法(修正慣用法)進(jìn)行計(jì)算以確保安全性。“半土半巖”隧道采用何種模式進(jìn)行計(jì)算才能取得安全性和經(jīng)濟(jì)性的最佳組合,值得進(jìn)一步研究。

4)上軟下硬地層盾構(gòu)刀具磨損一直是最為常見的問題,施工期開艙檢修很難避免,因開艙作業(yè)發(fā)生事故的案例也越來越多。刀盤設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡量采用可進(jìn)行常壓換刀作業(yè)的刀具。近年來,有學(xué)者著手開展進(jìn)艙智能機(jī)器人的相關(guān)研究,避免人員直接接觸危險(xiǎn)源,將具有重要前景。