地鐵盾構(gòu)法遇不良地質(zhì)施工技術(shù)研究
——以福州地鐵2號線為例

王 正

(福州地鐵集團(tuán)有限公司 福建福州 350004)

自新世紀(jì)以來，我國各城市地下軌道建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，其中由于盾構(gòu)法施工速度快、對地層擾動小、安全性高，使得其在隧道中得到廣泛應(yīng)用。在我國海西地區(qū)，地層為上太古界至第四系均有出露，導(dǎo)致盾構(gòu)掘進(jìn)斷面存在著不同程度的高強(qiáng)度球狀風(fēng)化巖體和基巖凸起入隧道斷面內(nèi)。一般地面探測和處理方法有著其局限性，有時(shí)甚至無法滿足城市地鐵建設(shè)需求。因此，高效、安全、低成本的盾構(gòu)施工技術(shù)成為地鐵施工的重要施工手段，而其施工技術(shù)的優(yōu)劣，直接影響地下軌道工程質(zhì)量。

基此，本文以福州地鐵2號線某站為例，探析不良地質(zhì)工況下的地下軌道盾構(gòu)法的施工技術(shù)。

1 工程背景

1.1 工程概況

福州地鐵2號線是福州地下鐵交通網(wǎng)絡(luò)中第二條新建線路。其沿福州市東西向布置，起到連接福州市主城區(qū)、大型居住區(qū)、金山工業(yè)區(qū)與高新科技園的作用。修建完成后，2號線有力地緩解了福州中心城區(qū)向東西輻射的交通壓力，并引導(dǎo)和鞏固大學(xué)城、高新區(qū)、閩侯縣的開發(fā)建設(shè)。福州大學(xué)至董嶼站區(qū)間為2號線第五個(gè)區(qū)間，出福州大學(xué)站后，沿旗山大道由北向南敷設(shè)至董嶼站。該區(qū)間兩側(cè)建構(gòu)筑物主要為福州大學(xué)、福州一中、建平村、省檔案館、輪船港和四境廟廟宇等。區(qū)間左右線為分修的兩條單線隧道，起點(diǎn)里程為Y(Z)DK15+110.509，左線終點(diǎn)里程為ZDK16+896.637，長1779.006m；右線終點(diǎn)里程為YDK16+896.307，長1785.798m，埋深約為15.7～23.5m，上覆土層厚度約9.5m～17.3m。該區(qū)間由3段直線和3段圓曲線構(gòu)成，曲線半徑依次為R1000m右轉(zhuǎn)彎、R500m左轉(zhuǎn)彎及R350m左轉(zhuǎn)彎；轉(zhuǎn)彎段長度分別為324m、320m及137m。該區(qū)間采用兩臺Φ6460復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)負(fù)責(zé)隧道掘進(jìn)。

1.2 不良地質(zhì)情況

該區(qū)間穿越地質(zhì)情況主要為：粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土、粉細(xì)砂、粗中砂(中密)、淤泥夾砂、礫質(zhì)粘性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖等復(fù)合地層。根據(jù)勘察報(bào)告，基巖為燕山晚期的花崗巖，呈風(fēng)化裂隙發(fā)育，風(fēng)化程度不均勻。左線里程ZDK15+239～ZDK15+272，ZDK16+105～ZDK16+133處存在微風(fēng)化花崗巖地層，各巖層長度分別約為32.8m和28.3m，強(qiáng)度高達(dá)120MPa。在左線里程ZDK15+183～ZDK15+240、ZDK15+240～ZDK15+272、ZDK15+484.4～ZDK15+501.4，右線YDK15+216.7～YDK15+248.4范圍有強(qiáng)度平均值80MPa的中、微風(fēng)化花崗巖侵入隧道范圍，隧道開挖面上部則為流塑狀淤泥和淤泥質(zhì)沙土，形成典型的“上軟下硬”斷面。左右線還有37處存在孤石的可能。以上不良地層將使盾構(gòu)法隧道施工過程中的掘進(jìn)效率低下，并易導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)損壞，刀盤磨損變形，線路偏移等諸多問題，增加超挖和開倉風(fēng)險(xiǎn)，及其后續(xù)處理速度緩慢，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度及施工成本。

1.3 總體工藝

盾構(gòu)法遇不良地質(zhì)施工，一般采用地質(zhì)詳勘輔以雷達(dá)探測，再搭配盾構(gòu)開倉破碎或深孔爆破法等工藝。該區(qū)間由于位于車流量大的旗山大道，沿線管線密集，雷達(dá)受到極大干擾，達(dá)不到理想的效果。盾構(gòu)開倉處理，安全風(fēng)險(xiǎn)大，效率低下。爆破審批材料繁雜，周期冗長，而且需要協(xié)調(diào)周邊相關(guān)單位，并進(jìn)行交通疏解和廢除管線移除等相關(guān)工作。經(jīng)比選，首先采用微動探測配合加密補(bǔ)勘的探測方法確認(rèn)具體位置和尺寸，再在地面進(jìn)行密集鉆孔破碎處理，后跟袖閥管注漿加固和水泥回填封堵的地面預(yù)處理工藝[1]。并且，改造盾構(gòu)設(shè)備，在掘進(jìn)中使用實(shí)時(shí)根據(jù)地質(zhì)情況調(diào)整掘進(jìn)各項(xiàng)參數(shù)等技術(shù)手段，以最大程度適應(yīng)不良地質(zhì)基巖區(qū)域，有效地規(guī)避環(huán)境污染和開倉作業(yè)等安全隱患、保證掘進(jìn)效率。

2 地面預(yù)處理技術(shù)

2.1 微動探測技術(shù)

微動探測技術(shù)是一種無損探測技術(shù)，只需在地面上擺放檢波器，占地面積小(半徑2.5m～3.0m)，利用周圍環(huán)境震動作為震源，不受電磁環(huán)境干擾，較其它方法具有獨(dú)特的優(yōu)勢[2]。在福州軌道交通1號線的孤石探測中已取得良好效果。通過對微動探測成果的分析，再結(jié)合加密補(bǔ)勘，可以排除或得到基巖凸起和孤石等不良地質(zhì)體的準(zhǔn)確位置。該技術(shù)極大地提高了探測的精度，為盾構(gòu)法施工提供出詳細(xì)且準(zhǔn)確的地質(zhì)信息，并為盾構(gòu)刀盤優(yōu)化設(shè)計(jì)以及合理的預(yù)處理方式的選擇提供了有力的依據(jù)。

(1)該區(qū)間微動探測數(shù)據(jù)采測系統(tǒng)，由記錄儀和2Hz拾震儀(速度型、三分量)組成，用一臺記錄儀同時(shí)收集一個(gè)臺陣6個(gè)拾振器(擺)的數(shù)據(jù)。

(2)微動臺陣類型及半徑大小將根據(jù)現(xiàn)場地表?xiàng)l件進(jìn)行靈活選擇(圖1為布置的正五邊形圓形陣列觀測系統(tǒng))。該陣列由正五邊形頂點(diǎn)和中心位置的6個(gè)拾振器(擺)組成，頂點(diǎn)到中心的距離為觀測半徑R。根據(jù)在旗山大道上各探測位置，半徑選取2.5m～3.5m范圍，按5m測點(diǎn)間距逐點(diǎn)采集微動信號。

圖1 微動觀測布置圖

(3)在該區(qū)間左右線共布置5條微動測線，總長度1.93km，按點(diǎn)距5m共布有391臺陣/點(diǎn)。其中，左線布置3條微測線，長度955m，有194臺陣/點(diǎn)；右線布置2條微測線，長度975m，有197臺陣/點(diǎn)。每天每個(gè)臺班測試工作量80m～100m，約18～20個(gè)臺陣，測試時(shí)間22d。

(4)圖2為該次微動探測出的3處孤石。由各分量微動信號進(jìn)行傅里葉變化得到頻譜，再由水平垂直分量的頻譜量值的比取得H/V曲線，幾何平均H/V曲線形成H/V等值線圖；運(yùn)用相關(guān)算法從微動信號中提取瑞雷波頻散曲線，根據(jù)同一測線上各微動臺陣的平面相對位置直接繪制面波相速度等值線圖。通過以上微動探測成果，可以直觀看到H/V峰形和高速異常體推斷基巖凸起和孤石。最后，利用加密地質(zhì)補(bǔ)勘，驗(yàn)證確切位置及其大小等信息，減少錯(cuò)判漏判。

圖2 微動等值線圖

2.2 鉆孔破碎技術(shù)

該施工流程為地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行密集鉆孔將基巖凸起和孤石等不良地質(zhì)體打成蜂窩狀，對除袖閥管注漿孔外全區(qū)域回填干水泥，再以跳孔間隔的方式進(jìn)行袖閥管注漿，最終拔出袖閥管回填干水泥。該技術(shù)具備施工成本低、環(huán)境影響小、避免爆破法遺留大碎塊、回填注漿保證孤石區(qū)域穩(wěn)定等特點(diǎn)。

(1)該區(qū)間用XY-100型地質(zhì)鉆機(jī)，從地面鉆孔至隧道底下0.5m，對不良地質(zhì)進(jìn)行破碎處理，鉆孔直徑110mm，孔凈距300mm，呈梅花形布置，鉆孔數(shù)量根據(jù)地質(zhì)實(shí)際情況而定，但破碎寬度應(yīng)大于盾構(gòu)機(jī)的直徑。

(2)標(biāo)記注漿孔。圖3為福～董右線某孤石鉆孔破碎區(qū)域。定首個(gè)基礎(chǔ)注漿孔位，根據(jù)兩相鄰注漿孔位間距1.2m橫縱向正方形布置，并對該正方形四角的對角線中心定為注漿孔。標(biāo)記完成后，對除需注漿之外的鉆孔填充干燥的水泥粉。

圖3 某孤石鉆孔破碎區(qū)域圖

(3)為確保鉆孔區(qū)域土體穩(wěn)定性，余下鉆孔采用袖閥管進(jìn)行注漿。將鉆孔破碎區(qū)域劃分若干注漿施工區(qū)域，選取第一段依次豎直插入袖閥管，袖閥管的上端應(yīng)高出孔位20cm，為防止污染物進(jìn)入管內(nèi)應(yīng)及時(shí)將套頭套牢。使用水泥漿與石膏改性材料混合跳孔間隔注入，注漿壓力控制在0.5～1.0MPa。待第一區(qū)域干燥后進(jìn)行第二區(qū)域注漿工作，重復(fù)以上步驟直至全平面注漿完畢[3]。注漿期間若有造成地面隆起的跡象，立即停止注漿。

(4)盾構(gòu)通過破碎區(qū)域時(shí)，可能因上部存在液化砂層、前期鉆孔作業(yè)擾動、后續(xù)封孔深度不夠等問題，使得土層擊穿無法保壓從而出現(xiàn)地面砂漿、氣泡冒頂?shù)痊F(xiàn)象。因此，現(xiàn)場配置充足數(shù)量的大沙袋，及時(shí)通過利用堆載以及盾構(gòu)加大膨潤土量注入方法止住漏漿。

3 盾構(gòu)改造和控制措施

3.1 盾構(gòu)改造

盾構(gòu)機(jī)刀盤的鑲齒滾刀更換為重型滾刀，確保盾構(gòu)機(jī)能在單軸抗壓強(qiáng)度80MPa以上的巖層中順利掘進(jìn)，并按圖4對盾構(gòu)機(jī)刀盤原有6路泡沫管路，改為2路為膨潤土與泡沫共用，4路仍加注泡沫。實(shí)踐證明，管路優(yōu)化后，刀盤所處區(qū)域的地表沉降值被控制在5mm以內(nèi)；同時(shí)，地表沉降波動幅度也明顯減少。因其渣土改良有效地增加了渣土的流動性，使得螺旋機(jī)出土均勻，土艙內(nèi)渣土波動幅度較小，有效避免了超挖現(xiàn)象。

圖4 盾構(gòu)刀盤改造圖

3.2 掘進(jìn)控制措施

(1)盾構(gòu)施工在正常軟土掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)姿態(tài)保持設(shè)計(jì)軸線下-20～-30mm推進(jìn)，便于抵消管片上浮造成的影響，使最終的管片姿態(tài)盡量與設(shè)計(jì)軸線保持一致，但在基巖凸起地層，需根據(jù)凸起段長度來確定偏移量。該區(qū)間盾構(gòu)在到達(dá)基巖凸起段前，先壓低盾構(gòu)垂直姿態(tài)至設(shè)計(jì)線下方-50mm，然后適當(dāng)減少下部區(qū)壓和推力，并利用盾體的自重，減緩盾體向軟弱地層偏移的趨勢。通過此預(yù)糾偏方法，盾構(gòu)姿態(tài)得到了有效控制[4]。

(2)在通過孤石破碎區(qū)時(shí)，推進(jìn)速度盡量控制在5～20mm/min范圍內(nèi)，推進(jìn)速度隨巖石的硬度增加而降低；刀盤扭矩控制在2600～3500kN·m，平均扭矩2973.35kN·m；保持住較高的土壓，螺旋輸轉(zhuǎn)速一般保持在2～5r/min之間。這是由于該區(qū)域地層土質(zhì)不均勻，在掘進(jìn)時(shí)應(yīng)采用小貫入度，低扭矩來指導(dǎo)實(shí)際施工，用以降低盾構(gòu)刀具與硬巖碰撞的沖擊力，減少刀具因碰撞而產(chǎn)生崩裂或者崩斷等不正常磨損[5]。這樣切削下來的硬巖大小適中，容易和渣土攪拌均勻，有利于螺旋機(jī)排出，減少螺旋機(jī)出現(xiàn)卡葉輪和卡閘門的現(xiàn)象。

(3)掘進(jìn)模式采用一半氣壓一半土壓的模式，以減少渣土對刀盤的阻力，減少扭矩，同時(shí)，可以減緩渣土對刀具的磨損；而且，上部的氣壓能夠很好地穩(wěn)定上部軟土，起到穩(wěn)定掌子面的作用，降低刀盤結(jié)泥餅的可能。

3.3 渣土改良，措施

盾構(gòu)掘進(jìn)渣土改良，主要根據(jù)盾構(gòu)在通過不良地質(zhì)基巖范圍內(nèi)地層的土體特征來進(jìn)行。

(1)破碎區(qū)上部土體主要為淤泥質(zhì)土或粉質(zhì)粘土?xí)r，自穩(wěn)性良好，因此，進(jìn)行渣土改良主要是進(jìn)行泡沫分散劑和水的添加。加入分散劑，是為了改良粘性土，使之不出現(xiàn)大的泥團(tuán)以及防止出現(xiàn)特別長條狀的渣土在皮帶機(jī)上打滑，使渣土干濕均勻易斷；加入水可以降低刀盤的溫度，同時(shí)也可以改善渣土的干濕性，容易被皮帶機(jī)帶走，使渣土排出更連續(xù)。由于在此地質(zhì)情況下，刀盤極易結(jié)泥餅，故，粘性土地層渣土改良使用泡沫分散劑尤為關(guān)鍵。

(2)破碎區(qū)上部土體主要為砂土?xí)r進(jìn)行渣土改良，需要加入膨潤土液和泡沫分散劑。其原理在于砂土容易遇水水崩、失穩(wěn)，渣土若太干，可以注入配比較稀的膨潤土液代替注入純水。膨潤土液的作用是在刀盤的轉(zhuǎn)動下不僅能在掌子面形成保護(hù)性的泥膜，而且在有土壓力的作用下能減少地層的水滲透進(jìn)土倉。同時(shí)，泥膜氣密性較好，能很好地保持土壓穩(wěn)定。由于砂土和硬巖渣土流動性較差，加入膨潤土液還能潤滑出渣，有效改善渣土的顆粒級配，使螺旋機(jī)能及時(shí)排出渣土，降低艙內(nèi)的溫度，并且可以降低螺旋機(jī)卡葉輪或者閘門的頻率以及減緩螺旋機(jī)和刀具的磨損速率。

(3)該區(qū)間掘進(jìn)范圍的土質(zhì)較為多樣化，因此，在實(shí)際掘進(jìn)過程中添加劑的注入應(yīng)該隨著地層的實(shí)時(shí)變化。因此，極需要盾構(gòu)操作人員和管理工程師及時(shí)觀察渣樣，既時(shí)進(jìn)行渣樣分析，確定合適的添加劑。

3.4 測量及監(jiān)控量測

(1)地面監(jiān)測通常采用每天早晚兩次，但對該類工程來說，則應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)監(jiān)測頻率3～5次，確保盾構(gòu)順利通過破碎區(qū)；同時(shí)，每天下午及時(shí)對當(dāng)天掘進(jìn)的管片姿態(tài)進(jìn)行姿態(tài)和高程的測量，確保管片姿態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求；測量的結(jié)果應(yīng)立即反饋，以便及時(shí)調(diào)整參數(shù)。

(2)掘進(jìn)過程中，派專人巡查，發(fā)現(xiàn)地面冒漿或者建筑物附近出現(xiàn)裂縫、坑洞等情況時(shí)，及時(shí)與地面監(jiān)控室聯(lián)系。根據(jù)巡查人員的反饋，現(xiàn)場人員采取及時(shí)有效的措施防止附近其他相關(guān)人或物繼續(xù)受到影響，同時(shí)根據(jù)影響情況，及時(shí)優(yōu)化和調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。期間始終保持住現(xiàn)場和盾構(gòu)機(jī)的實(shí)時(shí)聯(lián)絡(luò)，直至地面情況得到控制。

(3)為確保導(dǎo)向系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，確保盾構(gòu)按設(shè)計(jì)線路掘進(jìn)，周期性地的對導(dǎo)向系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工復(fù)核，檢測頻率每周一次。

3.5 同步及二次注漿控制措施

同步注漿控制需及時(shí)跟進(jìn)，并注漿飽滿，按理論注漿量的1.5倍控制。當(dāng)上部軟土為砂土，選擇上部2根注漿管比下部2根注漿管每根都多注1m3以上，通過控制同步注漿量為理論值1.5～2倍，可以保證上部砂土層能更好的填充飽滿。同時(shí)，每環(huán)按1.5～2倍理論值注漿，注漿壓力略大于地層水土壓力20kPa。在管片剛剛拖出盾尾后，安排管片頂部開孔進(jìn)行二次注漿，繼續(xù)填充和穩(wěn)固上部砂層可能由于同步注漿覆蓋不飽滿留下的空洞，進(jìn)一步防止地面及建構(gòu)筑物出現(xiàn)沉降。在二次注漿過程中，地面監(jiān)控室安排巡查人員在注漿點(diǎn)里程附近觀察，防止二次注漿量過多或者壓力過大引起地面隆起過大或者泄漏砂漿。

3.6 出渣控制措施

以基巖凸起段為例，理論出渣量為39.8m3，但基于盾構(gòu)掘進(jìn)該地層時(shí)注入較多的膨潤土液約4～6m3，故，出渣量按44m3左右控制?，F(xiàn)場安排專人進(jìn)行出渣量的觀察控制。由于每個(gè)渣土斗都可以裝18m3的渣土量，在控制上選擇每個(gè)斗10～11m3，總計(jì)4個(gè)斗，根據(jù)情況選擇最后一個(gè)斗多裝或者少裝渣土。具體控制措施是在每個(gè)渣土斗上設(shè)置了渣土標(biāo)尺，當(dāng)渣土到達(dá)標(biāo)尺位置時(shí)即認(rèn)為渣土已經(jīng)裝了11m3，這樣基本保證了每環(huán)出渣量按照預(yù)估正常情況進(jìn)行。通過持續(xù)的觀察控制，很好地確保了在不良地層段渣土的進(jìn)出平衡。

4 結(jié)語

在基巖隆起、孤石、微風(fēng)化巖強(qiáng)度高等地層中盾構(gòu)掘進(jìn)速度慢、隱患大，盾構(gòu)施工管理人員要提前考慮到此類問題。該工程在強(qiáng)化盾構(gòu)機(jī)設(shè)備功能配置和性能要求的同時(shí)，輔以地面處理技術(shù)，提前對侵入隧道區(qū)域的硬巖和球狀風(fēng)化體進(jìn)行處理，提高了安全和工作效率，并積累了遇不良地質(zhì)的相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下。

(1)通過微動探測和加密探孔，可為盾構(gòu)選型和改造提供盡可能詳實(shí)的地質(zhì)資料，評估地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，做好超前預(yù)報(bào)，從而保證管理人員提前采取應(yīng)對措施。

(2)密集成孔沖碎施工時(shí)間短占道少，無需進(jìn)行大范圍交通疏解。多臺鉆機(jī)也可同時(shí)作業(yè)。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，其對管線和周邊建(構(gòu))筑物影響極小。

(3)人為地將盾構(gòu)姿態(tài)下壓時(shí)，由于區(qū)間前后環(huán)地質(zhì)變化太快會導(dǎo)致盾構(gòu)姿態(tài)難以控制，造成盾體下栽、管片上浮量超標(biāo)等影響，因此需要有豐富經(jīng)驗(yàn)的操作人員。

(4)不良地層段出渣量控制較困難，掘進(jìn)慢容易導(dǎo)致刀盤上方超挖，巖層掘進(jìn)時(shí)注入膨潤土液和泡沫劑，一定程度上增加了渣土量，帶來視覺誤差。因此，要及時(shí)對出渣量加強(qiáng)精確控制，并及時(shí)監(jiān)控路面沉降，反饋到盾構(gòu)機(jī)上。

(5)該區(qū)間左右線分別于 273d、299d完成了掘進(jìn)任務(wù)，平均日掘進(jìn)6.5m，比預(yù)期計(jì)劃提早約120d，并節(jié)省爆破和前期投資約合600萬元。可見，該施工技術(shù)可適用于城市密集區(qū)盾構(gòu)法施工，在面對地下基巖凸起和孤石起到安全、高效且經(jīng)濟(jì)的良好效果作用。