淺析復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)隧道推進(jìn)預(yù)處理

胡天寶

摘要：以馬騮洲交通隧道工程為例，探索在復(fù)雜地質(zhì)條件下使用盾構(gòu)法開挖隧道前的處理措施，針對(duì)拋石、排水板、基巖凸起和箱涵樁基等問題，使用SSP地震散射技術(shù)提高勘測的準(zhǔn)確性，分析施工可能遇到的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，提出對(duì)應(yīng)的處理措施，以及施工前盾構(gòu)機(jī)的設(shè)置要點(diǎn)，為華南地區(qū)其他類似工程采用泥水氣壓平衡式盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)隧道施工提供參考。

Abstract： Taking the traffic tunnel project of Maliu island as an example， this paper explores the treatment measures before shield tunneling under complex geological conditions， for the problem of riprap， drain， bedrock bump and box culvert pile foundation， uses the SSP seismic scattering technology to improve the accuracy of the survey and analyze the emphasis and difficulty in construction may encounter problems， proposes corresponding treatment measures， as well as the construction of shield machine before setting points， to provide the reference for other similar projects in south China using slurry pressure balanced shield advance tunnel construction.

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道;勘測;預(yù)處理

Key words： shield tunnel;survey;preprocessing

中圖分類號(hào)：U455.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）19-0124-03

0 ?引言

盾構(gòu)法是修建隧道的常用暗挖施工方法，在復(fù)雜地質(zhì)條件下，這種方法往往會(huì)面臨工期延長、成本增加以及安全風(fēng)險(xiǎn)不可控等問題，因此在推進(jìn)前最大限度做好清理工作，并附以有效手段處理好地層，使之具備良好的盾構(gòu)推進(jìn)條件[1]，成為施工的重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)以珠海市馬騮洲交通隧道工程為例，淺析盾構(gòu)隧道推進(jìn)前探測與預(yù)處理的方法。

1 ?工程概況

馬騮洲交通隧道（橫琴第三通道）工程位于珠海市橫琴島北端中部，工程過馬騮洲水道段為雙管圓隧道，單管設(shè)置單向3車道，兩管組合形成雙向六車道，西線長約1.09km、東線長約1.08km，隧道外徑14.5m，采用一臺(tái)外徑14.93m泥水氣壓平衡盾構(gòu)施工[2]。根據(jù)工程總體部署，盾構(gòu)自南岸工作井及車架段始發(fā)，先行推進(jìn)西線，在北岸工作井及車架段調(diào)頭后推進(jìn)東線，至南岸工作井拆除。

隧道段南岸陸域約460m，馬騮洲水道寬約506m，北岸陸域約115m，地基土在勘察深度范圍內(nèi)均為第四紀(jì)松散沉積物及中生代燕山期風(fēng)化花崗巖，主要由人工填土層、海陸交互相、海相沉積的淤泥、淤泥質(zhì)土、粘土、中粗砂層、花崗巖殘積土和下伏的全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化花崗巖。

2 ?不良地質(zhì)條件分析

工程南岸陸域均為已施工完成市政道路，前期經(jīng)真空預(yù)壓處理，地層中大范圍分布排水板?，F(xiàn)場施工過程中發(fā)現(xiàn)該區(qū)域尚有大量拋石;南岸大堤處西線推進(jìn)線路上設(shè)有一過水箱涵，箱涵底部存在63根PHC管樁進(jìn)入隧道推進(jìn)斷面，且在箱涵附近施作換刀加固區(qū)時(shí)遭遇大量素樁。

擬建隧道面對(duì)拋石、排水板、中風(fēng)化花崗巖“三碰頭”的復(fù)雜地質(zhì)，軟硬并存，且隧道多在大厚度淤泥層中推進(jìn)。在泥水氣壓平衡式盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)施工中，由于各種地質(zhì)條件要求的處理手段截然不同，會(huì)帶來顯著的工程風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 拋石

拋石隨刀盤一起滾動(dòng)，掘進(jìn)非常困難且易頻繁卡住刀盤，盾構(gòu)姿態(tài)和掘進(jìn)方向難以控制。拋石加速刀盤磨損致使刀盤強(qiáng)度和剛度降低而無法掘進(jìn)，刀盤受力不均致使主軸承受損或密封破壞，刀具也會(huì)磨損嚴(yán)重，刀座和刀盤變形。拋石的掉落會(huì)導(dǎo)致地面及建（構(gòu)）筑物的不均勻沉降，破壞現(xiàn)有道路及管線。

2.2 排水板

土中已有塑料排水板容易造成泥水吸口堵塞、管路堵塞、阻礙閥門關(guān)閉，纏繞在刀盤上，降低刀盤切削能力。排水板受到盾構(gòu)推進(jìn)擾動(dòng)后可能發(fā)生位移、轉(zhuǎn)動(dòng)，增加對(duì)土體的擾動(dòng)，增大地面沉降;而且排水板處依然存在排水通道，存在排水效果[3]。泥水盾構(gòu)穿越排水板時(shí)容易造成泥水冒頂，且難以建立泥水壓力。

2.3 基巖凸起

盾構(gòu)遇到巖層掘進(jìn)緩慢，盾構(gòu)機(jī)狀態(tài)為快轉(zhuǎn)慢推，易造成上部土體流失，地面塌陷等事故，會(huì)嚴(yán)重影響工期。在上軟下硬的復(fù)合地層中推進(jìn)將增大盾構(gòu)的姿態(tài)調(diào)整的難度，隧道軸線精度難以控制。滾刀雖能處理一定強(qiáng)度的巖層，但在高強(qiáng)度、大范圍的中風(fēng)化巖層中掘進(jìn)將導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重，需多次開艙進(jìn)行換刀。由于江中開艙換刀為帶壓狀態(tài)，施工難度及風(fēng)險(xiǎn)大，且?guī)簱Q刀效率低，也將嚴(yán)重影響工期。

2.4 通用處理方法

對(duì)于巖層、以及上軟下硬的復(fù)合地質(zhì)，通常以滾刀配以碎石機(jī)的方式統(tǒng)一應(yīng)對(duì)，但由于拋石在地層中難以固定，滾刀無法作有效處理，一旦在推進(jìn)中遇到，必須采取爆破或全回轉(zhuǎn)清障方式，甚至人工帶壓進(jìn)艙方式處理，根據(jù)現(xiàn)有資料顯示，擬建工程位置拋石分布范圍廣，數(shù)量大，該方式將給工期、成本帶來無法接受的威脅。

考慮排水板的存在，在必須實(shí)施帶壓進(jìn)艙時(shí)，一旦作業(yè)面難以保壓，可能由于土體在艙內(nèi)坍方威脅到作業(yè)人員的生命安全。在盾構(gòu)機(jī)刀盤上裝以切削刀處理，另在泥水管路上設(shè)垃圾箱定時(shí)清理。如果排水板在刀盤上纏繞嚴(yán)重，需要人工進(jìn)艙清理，同樣存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

由于“三碰頭”以及淤泥層的存在，對(duì)刀盤帶來了“軟硬并存”的截然相反的要求，以盾構(gòu)機(jī)為主要應(yīng)對(duì)手段，輔以其它手段的做法會(huì)帶來顯著的，不可控的工期、成本、以及安全風(fēng)險(xiǎn)，擬以預(yù)處理作為主要應(yīng)對(duì)手段，即在推進(jìn)前最大限度做好清理工作，并附以有效手段處理好地層，使之具備良好的盾構(gòu)推進(jìn)條件。

3 ?預(yù)處理分析

3.1 重難點(diǎn)問題

基于工程所在區(qū)域及不良地質(zhì)分布，工程面臨著眾多問題。

①拋石分布深度大、范圍廣，清理難度非常大。拋石分布具體坐標(biāo)難以精確確定;勘探受限于孔位分布，疏漏在所難免，物探受限于技術(shù)手段精度及現(xiàn)場具體條件，難以得到滿意的效果。

②排水板分布密集，且上覆4～5m土層難以定點(diǎn)清除，根據(jù)試推進(jìn)情況判定冒漿可能性，原則上不予處理。

③江中基巖分布廣，且部分位于航道中心，施工過程中受到來往船只影響，施工難度大。

④施工范圍內(nèi)存在原市政道路，分布有雨污水管、電力隧道、電纜溝等大量市政設(shè)施.區(qū)域內(nèi)先期處理差異較大，其中原市政道路范圍進(jìn)行真空預(yù)壓，土體有明顯改良，工程范圍外經(jīng)吹沙處理，下部土體仍為淤泥地質(zhì)。而且當(dāng)?shù)亟涤炅看螅孛嫠地S富，且臺(tái)風(fēng)多發(fā)，對(duì)工程有明顯影響。

3.2 總體部署

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況及專家評(píng)審意見，對(duì)于拋石、基巖凸起、過水箱涵樁基及素樁需在盾構(gòu)推進(jìn)前，進(jìn)行必要的處理。

3.2.1 岸上拋石

利用高壓旋噴樁機(jī)施工特性（遇障礙物無法鉆孔），對(duì)拋石排布情況進(jìn)行確認(rèn)。先使用高壓旋噴樁機(jī)進(jìn)行1m*1m網(wǎng)格小孔鉆驗(yàn)證拋石排布區(qū)域，再針對(duì)性進(jìn)行全回轉(zhuǎn)清除拋石障礙物，完成后采用水泥土進(jìn)行加固回填。

3.2.2 大堤處拋石

為防止推進(jìn)過程中拋石掉落至推進(jìn)開挖面，在該處將盾構(gòu)推進(jìn)軸線下調(diào)三米，并在上方采用雙液注漿加固固定大堤處圓隧道斷面上方拋石。

3.2.3 基巖凸起

推進(jìn)前采用鉆孔確認(rèn)及爆破結(jié)合的方式進(jìn)行處理，江中爆破完成后采用旋噴加固土體，防止冒漿，確保推進(jìn)順利進(jìn)行，在靠近大堤處設(shè)置換刀加固區(qū)，采用三軸攪拌樁加固。

3.2.4 過水箱涵樁基

先進(jìn)行開挖，暴露并鑿除箱涵結(jié)構(gòu)，以確認(rèn)樁基位置及數(shù)量，再用全回轉(zhuǎn)清理樁基結(jié)構(gòu)，完成后回填水泥土進(jìn)行加固，待推進(jìn)完成后進(jìn)行箱涵結(jié)構(gòu)恢復(fù)。

3.2.5 排水板及淺覆土

淺覆土段采用2m高堆載壓重方式防止冒漿及壓重，減少對(duì)推進(jìn)施工的影響，完成推進(jìn)后再卸載壓重土。

3.3 SSP探測

為明確海中基巖凸起范圍及數(shù)量情況，采用SSP地震散射技術(shù)，利用可控震源激發(fā)地震波，地震波向地下傳播遇到地質(zhì)界面與孤立體時(shí)發(fā)生反射與散射，在水面布置檢波器接收反射與散射波，通過對(duì)地下界面散射強(qiáng)度與巖土波速的成像，重現(xiàn)精細(xì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

本次地震勘探使用2.5萬焦耳電火花震源激發(fā)，32道地震儀接收，DGPS隨船定位測量。接收為變間距檢波器串，前16道間距0.5m，后16道間距1m，總長度24m。地震測線沿平行隧道軸方向布置，布置30條測線，每條長300m，測線間距2m。每條測線上檢波器間距1m，炮間距1m，CDP間距0.5m，以便對(duì)1m以上尺度的基巖可靠分辨?？碧娇偱邳c(diǎn)數(shù)30條×300點(diǎn)/條=9000點(diǎn)，CDP點(diǎn)數(shù)18000個(gè)。

對(duì)每個(gè)炮點(diǎn)的平面位置與高程進(jìn)行GPS測量，精度為厘米級(jí)。GPS測量點(diǎn)數(shù)9000點(diǎn)。測線方向與位置通過路基塔標(biāo)導(dǎo)航，航跡通過GPS實(shí)時(shí)記錄。SSP勘探結(jié)果顯示共有25處基巖，其中西線20處，東線5處，鉆孔資料表明，測區(qū)內(nèi)的51個(gè)鉆孔揭露的基巖高程與物探高程基本接近，誤差在4%以內(nèi)。

3.4 拋石處理

先路面破除，延后50m進(jìn)行小孔鉆探拋石，延后50m開始進(jìn)行全回轉(zhuǎn)清拋石工作，整個(gè)清障過程采用流水作業(yè)形式進(jìn)行施工。路面破除完成后，利用高壓旋噴樁機(jī)進(jìn)行地下探拋石。探測點(diǎn)按1m*1m間距布置，根據(jù)鉆進(jìn)深度記錄探測地下障礙物深度情況，為全回轉(zhuǎn)清障提供依據(jù)，施工過程中嚴(yán)格控制鉆孔垂直度，做好施工記錄，及時(shí)分析數(shù)據(jù)。

根據(jù)拋石勘探結(jié)果，拋石埋深主要位于地下6～15m范圍內(nèi)，小路鉆探孔深度為18m。待小路鉆探明拋石區(qū)域后，使用兩臺(tái)全回轉(zhuǎn)（Ф2600與Ф2000）進(jìn)行處理，處理孔徑Ф2600mm，孔間距縱向2.25m，橫向2.1m，處理孔徑Ф2000mm，孔間距縱向1.75m，橫向1.65m，采用梅花型布置，處理深度為地面以下18m。清障完成后回填水泥土，水泥摻量為6～8%。

3.5 排水板處理

先對(duì)覆土堆載區(qū)進(jìn)行整平，堆載前用壓路機(jī)碾壓3遍;再進(jìn)行分層覆土、碾壓，直至達(dá)到2m標(biāo)高;分段施工，每段40m，共10段，每段均分層施工，分層高度不大于30cm。

3.6 管樁處理

用挖機(jī)將過水箱涵結(jié)構(gòu)周圍土體挖除后，采用鎬頭機(jī)將過水箱涵主體混凝土結(jié)構(gòu)鑿除，露出PHC樁頭，便于樁位及數(shù)量確認(rèn)。采用Ф2000mm全回轉(zhuǎn)進(jìn)行處理，處理孔徑Ф2000mm;根據(jù)暴露的樁位布置清障空位，將PHC管樁全部拔除，確保盾構(gòu)推進(jìn)斷面內(nèi)PHC全部清理完。

3.7 基巖處理

針對(duì)岸上及江中基巖統(tǒng)一采用爆破的方式進(jìn)行處理，將進(jìn)入隧道斷面的巖層破碎至直徑小于30cm的碎塊，達(dá)到盾構(gòu)機(jī)可處理狀態(tài)。先進(jìn)行岸上基巖爆破，在爆破完成后使用全回轉(zhuǎn)對(duì)爆破區(qū)域進(jìn)行取樣，通過對(duì)岸上爆破進(jìn)行評(píng)估后調(diào)整江中爆破參數(shù)及工藝，保證江中基巖處理的效果。在江中鉆孔爆破完成后，對(duì)爆破打孔區(qū)域進(jìn)行注漿加固。

4 ?盾構(gòu)機(jī)設(shè)置

預(yù)處理后，為處理推進(jìn)過程中可能遇到的拋石及基巖，盾構(gòu)機(jī)還需要進(jìn)行針對(duì)性設(shè)置：

4.1 SSP超前探測系統(tǒng)

為了提前預(yù)知盾構(gòu)開挖面前方的障礙物，盾構(gòu)機(jī)配備超前探測技術(shù)：在盾構(gòu)機(jī)上加裝SSP超前探測裝置，不斷進(jìn)行隧道掌子面前方的地質(zhì)情況的探測。自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和地質(zhì)評(píng)估，然后實(shí)時(shí)顯示盾構(gòu)前方一定范圍內(nèi)的預(yù)報(bào)結(jié)果，利于現(xiàn)場快速作出判斷[4]。SSP探測精度為刀盤前40m，直徑大于800mm障礙物。

4.2 刀盤設(shè)計(jì)

刀盤共設(shè)計(jì)127把滾刀，為保證開挖半徑，80#開挖軌跡為2把17.5寸滾刀、81#～83#開挖軌跡為7把18寸滾刀，其他開挖軌跡為17寸滾刀;出洞時(shí)，可用貝殼刀代替滾刀，將刀盤正面1#～71#軌跡共102把滾刀更換成貝殼刀。滾刀高于刀盤面175mm。刮刀共182把，高于刀盤面140mm;先行刀43把，高于刀盤面150mm;周邊刮刀16把;保徑刀8把;仿形刀1把。

磨損檢測系統(tǒng)分布在刀盤鋼結(jié)構(gòu)上，共5個(gè)刀具磨損檢測和1個(gè)鋼結(jié)構(gòu)磨損檢測裝置。每個(gè)檢測點(diǎn)由一個(gè)傳感器螺栓和一個(gè)焊接式的傳感器螺栓保持架組成。傳感器螺栓以特定的角度擰在保持架內(nèi)。當(dāng)傳感器螺栓被前方的正常磨損磨穿后，壓力傳感器會(huì)檢測到系統(tǒng)中的壓力下降，并輸出警告信號(hào)。

滾刀在刀盤的推力、扭矩作用下，在掌子面上切出一系列的同心圓溝槽。當(dāng)推力超過巖石的強(qiáng)度時(shí)，盤形滾刀刀尖下的巖石直接破碎，刀尖貫入巖石，形成壓碎區(qū)和放射狀裂紋;進(jìn)一步加壓，當(dāng)滾刀間距S滿足一定條件時(shí)，相鄰滾刀間巖石內(nèi)裂紋延伸并相互貫通，形成巖石碎片而崩落，盤形滾刀完成一次破巖過程。

4.3 碎石機(jī)

針對(duì)本工程盾構(gòu)穿越基巖層，為確保出渣順利，配置了高性能的碎石機(jī)，對(duì)直徑小于0.8m的石頭破碎后的顆粒能滿足泥水排漿系統(tǒng)的正常工作，并且其破碎的效率滿足盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度。

4.4 礫石捕捉器

在盾構(gòu)排泥泵吸口前方設(shè)置碎石捕捉器，將由刀盤吸口進(jìn)入的大直徑的碎石顆粒收集于礫石捕捉器內(nèi)，防止其進(jìn)入循環(huán)管路堵塞管道。

5 ?結(jié)語

采用預(yù)處理的方式可在盾構(gòu)推進(jìn)施工前將推進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)降低，對(duì)于預(yù)處理過程中施工誤差、或手段缺陷遺留的少量問題，如個(gè)別拋石遺留等，通過推進(jìn)控制及應(yīng)急措施進(jìn)行有效的銜接設(shè)計(jì)，形成完成的體系，有效清除了盾構(gòu)推進(jìn)方向上的障礙物，確保了盾構(gòu)正常推進(jìn)。

華南地區(qū)特有的上軟下硬附合地層對(duì)泥水盾構(gòu)推進(jìn)造成非常大的影響，應(yīng)提前采取預(yù)處理措施，取得精確的地質(zhì)資料，并且采取的大量障礙物處理方法，有效的解決了泥水盾構(gòu)推進(jìn)前方的障礙，確保了工程順利推進(jìn)，對(duì)在其他類似工程施工具有較大的參考意義。

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