穿越破碎斷層富水地質(zhì)地鐵隧道施工關(guān)鍵技術(shù)分析研究

方金剛，姚 俊

（1、廣州城建職業(yè)學院 廣州510925；2、中國建筑第二工程局有限公司 北京100160）

0 引言

隧道是埋置在地層中人類利用地下空間構(gòu)筑物的一種形式。從開始隧道工程施工到現(xiàn)今，人們已積累總結(jié)了不少的施工方法，主要隧道施工方法有以下幾種：淺埋暗挖法、礦山法、挪威法、新奧法、掘進機法（TBM）、盾構(gòu)法等。根據(jù)不同的地質(zhì)條件并綜合多方面因素，采取適當?shù)氖┕し椒ㄖ陵P(guān)重要［1］。

在大灣區(qū)沿海城市地鐵隧道施工中所面臨是“地質(zhì)環(huán)境多變、構(gòu)造復雜、災害頻發(fā)”等嚴峻問題，特別是在穿越破碎斷層富水地質(zhì)條件下進行地鐵隧道施工，常出現(xiàn)隧道塌方、突泥突水、瓦斯毒氣爆炸等地質(zhì)災害和安全事故。目前，我國較為成熟的地鐵隧道施工技術(shù)工法為明挖法、礦山法、盾構(gòu)法、隧道掘進機法（TBM）等［2］，對于穿越破碎斷層富水地質(zhì)地鐵隧道的施工，究竟應該采用哪種關(guān)鍵施工技術(shù)，或哪幾種的組合，須根據(jù)實際工程進行分析和比較研究。研究以深圳市地鐵軌道交通13號線某區(qū)段施工為例，通過對這些施工關(guān)鍵技術(shù)進行分析和比較研究，為施工企業(yè)選擇最有針對性的施工方案。達到提高施工效率、縮短工期、降低施工成本費用、降低施工風險、保證施工質(zhì)量安全的目的。

1 地鐵隧道關(guān)鍵施工技術(shù)比較

1.1 明挖法關(guān)鍵技術(shù)

該關(guān)鍵技術(shù)是運用挖、運施工機械和人工將地鐵隧道所在位置的土體，在基礎(chǔ)設(shè)計標高以下，對上部全部土體采用明挖，使用裝卸運輸工具或機械將全部土體運出基礎(chǔ)基坑以外，并在對基坑進行有效支護的前提下的隧道施工技術(shù)，如圖1?所示。

1.2 礦山法關(guān)鍵技術(shù)

該關(guān)鍵技術(shù)一般用于開挖礦山巷道施工中，用于地鐵隧道施工是屬于暗挖施工中的一種。由于隧道開挖后，巖體受到爆破等施工的影響，會造成破裂或出現(xiàn)松弛狀態(tài)，隧道隨時都有可能坍落，故在開挖施工時往往要按照分部順序，采取分割式的方式一塊一塊地進行開挖，并且要一邊開挖一邊采取及時支撐，以確保施工安全，如圖1?所示。

圖1 明挖法及礦山法關(guān)鍵技術(shù)Fig.1 Key Technology of Open Cut Method and Mining Method

該關(guān)鍵技術(shù)主要基于松弛荷載理論和挪威法方法，所以施工中支撐較為復雜，耗用木料比較多，改進為噴錨支護后，分部數(shù)目相對減少，進而發(fā)展成了新奧法和挪威法，均為通過對隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)控及測量，來指導地下隧道工程的設(shè)計與施工。

在采用礦山法關(guān)鍵技術(shù)施工時，基本的工序是：①鉆孔；②裝藥；③放炮散煙；④出碴；⑤襯砌（襯砌技術(shù)包括復合式襯砌、錨噴支護等工序）。

1.3 盾構(gòu)法關(guān)鍵技術(shù)

該關(guān)鍵技術(shù)是機械化暗挖法施工方法，具體施工程序為：盾構(gòu)機械在地層中推進施工，用盾構(gòu)外殼及管片來支承四周圍巖體防止隧道坍塌，用刀片切削作業(yè)開挖面的土體完成土方開挖，千斤頂在后部頂進加壓，然后用運輸帶把土方運出外部，拼裝混凝土預制管片，從而形成隧道結(jié)構(gòu)［1］（見圖2）。

圖2 盾構(gòu)機械Fig.2 Shield Machine

1.4 TBM法施工關(guān)鍵技術(shù)

TBM 是Tunnel Boring Machine 的簡稱，TBM 即全斷面隧道掘進機硬巖，利用旋轉(zhuǎn)刀盤上的滾刀擠壓剪切破巖，通過旋轉(zhuǎn)刀盤上的鏟斗齒拾起石渣，落入主機皮帶機上向后輸送，再通過牽引礦渣車或隧洞連續(xù)皮帶機運渣到洞外［1］。是一種集掘進、出碴、導向、支護和通風防塵等為一體的大型多功能高效隧道施工的掘進機械（見圖3）。實際隧道掘進機分為敞開式和護盾式2種類型，護盾式又分為單護盾式、雙護盾式和擴孔式等幾種。

圖3 掘進機械Fig.3 Roadheader

1.5 實際案例工程對于選擇關(guān)鍵技術(shù)的分析和比較

以上是關(guān)于穿越破碎斷層富水地質(zhì)地鐵隧道施工關(guān)鍵技術(shù)的闡述，但每一種施工關(guān)鍵技術(shù)都有不同的適應環(huán)境，都有自己的優(yōu)點和缺點，也都有自身的局限性，為此，現(xiàn)根據(jù)參考文獻進一步將關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)、缺點和適應性及局限性進行對比分析，得到關(guān)于明挖法、礦山法、盾構(gòu)法、TBM 法等關(guān)鍵技術(shù)的對比分析，如表1 所示。以期為穿越破碎斷層富水地質(zhì)地鐵隧道選擇施工方案提供富有價值的依據(jù)［1-5］。

2 實際案例工程

2.1 實際案例工程概況

深圳市地鐵軌道交通13 號線某區(qū)段位于深圳市南山區(qū)，區(qū)間線結(jié)構(gòu)分別為單層三跨箱型結(jié)構(gòu)、單洞單線馬蹄形隧道。

2.2 實際案例工程地質(zhì)分析

區(qū)間場地內(nèi)巖土層主要為：人工填海土層（包括素土、塊石、碎石、砂、雜土等），海積淤泥、淤泥質(zhì)礫砂層，沖洪積淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、礫砂等地層，殘積層；花崗巖及震旦系（Z）的混合花崗巖。隧道洞身穿越地層主要為沖洪積粉質(zhì)黏土、礫砂，礫質(zhì)黏性土、花崗巖及混合花崗巖風化層，局部穿越人工填土層及淤泥層。場地范圍為海積平原及臺地或臺地間沖溝地貌，地勢略有起伏，地形地貌條件簡單，未見泥石流、滑坡、采空區(qū)、巖溶、崩塌等大的不良地質(zhì)作用及地質(zhì)災害。受區(qū)域斷裂構(gòu)造影響，局部地段巖體中構(gòu)造節(jié)理極發(fā)育，巖體極破碎，碎裂巖化現(xiàn)象較明顯。根據(jù)區(qū)域資料以及深圳市區(qū)域穩(wěn)定性評價，13號線沿線附近的斷裂構(gòu)造活動現(xiàn)今活動微弱，屬非全新世活動斷裂，沿線分布有液化砂土和軟土，屬于典型的破碎斷層富水地質(zhì)，應充分考慮其對工程施工的不利影響，并采取相應的治理措施。

3 案例施工中關(guān)鍵技術(shù)的確定和實際效果

3.1 案例施工中關(guān)鍵技術(shù)的選擇

根據(jù)表1 的分析比較，并結(jié)合本區(qū)間的實際工程情況：左線長度約300 m，左線起始端（約230 m）與停車線和折返線并行，左線后70 m 為左線與停車線并行；右線長約300 m 單獨敷設(shè)。區(qū)間穿越地層為〈11-2-1〉強風化花崗巖（土狀）、〈11-2-3〉強風化花崗巖（塊狀）、〈11-3〉中風化花崗巖、〈11-4〉微風化花崗巖、〈40-2-1〉強風化斷層角礫巖，且發(fā)育孤石。區(qū)間左線若采用盾構(gòu)法或TBM 施工，非標準斷面無法實現(xiàn)，且區(qū)間較短，性價比不高。左線起始端（約230 m段）與停車線和折返線并行，若采用礦山法施工，跨度大，且穿越斷層，施工風險大。左線后74 m 段下穿市政道路，明挖施工需中斷道路，管線改遷，社會影響大。最終選擇和確定了如下施工技術(shù)方案。

表1 明挖法、礦山法、盾構(gòu)法、TBM法關(guān)鍵技術(shù)對比分析Tab.1 Comparative Analysis on Key Technologies of Open Cut Method，Mining Method，Shield Method and TBM Method

⑴區(qū)間左線施工技術(shù)方案

該區(qū)間段起始端（約213 m段）為三跨單層箱型結(jié)構(gòu)，并行與雙配線，主要采取明挖施工方法；左線后85 m 段為左線采取單洞雙線馬蹄形襯砌結(jié)構(gòu)，并行與單配線，主要采取礦山施工法。

⑵本區(qū)間右線施工技術(shù)方案

右線單獨敷設(shè)，若采用盾構(gòu)法，穿越斷層、上軟下硬段風險大，硬巖段盾構(gòu)機掘進效率不高，且右線長約300 m 線路較短，若采用盾構(gòu)法掘進施工成本較高，經(jīng)濟效益差。若該段采用明挖施工，則需中斷市政道路，社會影響大［5］。通過綜合比選，右線采用礦山法施工。

3.2 采用明挖施工法和礦山法施工過程中遇到的問題

在施工過程中主要需要解決的問題是破碎斷層富水地質(zhì)對隧道施工的影響問題，有以下幾個方面：

⑴容易引起礦山法施工隧道坍塌、管線破裂、地面交通、人員安全問題的因素是自穩(wěn)性、均勻性較差，成分復雜的人工填軟泥土層［6］。

⑵在隧道、聯(lián)絡(luò)通道等采用明挖法開挖時，底層中主要有強風化土狀層、混合花崗巖殘積土及花崗巖層等，強風化土狀層含有較高的砂（礫）土，級配差，具有敏感擾動較強的砂、礫土的性質(zhì)特征，一旦開挖在較短時間出現(xiàn)內(nèi)水滲入并水量增加迅速，被土黏粒吸收迅速軟化崩解為泥漿形狀，強度急降滲透變形如管涌、流土等現(xiàn)象，會造成隧道圍護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、塌方等［7］，影響隧道與聯(lián)絡(luò)通道安全。

⑶花崗巖及混合花崗巖中存在差異性風化體，即中等風化中夾強風層或強風化層中夾中等風化，對隧道的圍巖穩(wěn)定性影響較大，易導致圍巖失穩(wěn)，且有上軟下硬、上硬下軟等上下、左右不均特點。

⑷場區(qū)局部花崗巖中存在有隱蔽性球形風化體，風化球體的位置、大小、形態(tài)均有很高的隨機性。當隧道中具有球形風化體時隧道施工較困難，當球狀風化體硬度較高時，易影響礦山法施工作業(yè)。隧道需穿過同一斷面區(qū)域上軟下硬發(fā)育的風化溝槽，影響隧道施工作業(yè)。

⑸隧道局部洞身或洞頂上方穿越地下水（微承壓水）較豐富的砂層，在施工時，由于地下水在壓力、流速的作用下會帶著砂涌流出，使得礦山法作業(yè)面出現(xiàn)垮塌，會出現(xiàn)地面塌陷現(xiàn)象，從而發(fā)生施工安全事故。宜提前從地面對砂層作處理。

⑹根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，本場地地下區(qū)間段經(jīng)過1條構(gòu)造斷裂，洞身經(jīng)過地層均為巖層，在斷層的周邊為破碎巖體，有極發(fā)育的節(jié)理裂隙，并且有很好的相互連通性，是地下水的富水帶，當隧道施工時，易發(fā)生涌水、突水現(xiàn)象。應提前進行降水處理［8］。

3.3 采取相應的解決措施以及監(jiān)測數(shù)據(jù)

⑴針對該區(qū)域上部上軟下硬地層，為減小對施工帶來的不利影響，帷幕注漿加固地層，采用潛孔鉆沖擊成孔+回填注漿的方法對上軟下硬地層進行預處理，潛孔鉆鉆孔直徑為φ200 mm，孔位按照梅花型布置，水平、垂直距離均為600 mm，孔底至隧頂0.5 m 采用開挖出來的碎石土回填，上部采用水灰比為0.8～1.0的水泥漿封孔［9］。

⑵針對斷層破碎帶主要采用超前深孔全斷面帷幕注漿支護措施，封堵（止?jié){）墻厚度為0.8～1.0 m，用C20 混凝土一次澆注成型；注漿孔呈輻射狀布置成矩形圈，漿液擴散半徑為2.5 m，孔底間距<3.55 m；潛孔鉆，開孔采用φ89 mm 的鉆頭；掏孔清渣采用φ76 mm的鉆頭；測涌水量及前方地下水的連通性；測涌水壓力及注水實驗；埋孔口管；注意注漿順序［7］。

⑶針對硬度較高球狀風化體地層采用預裂微震爆破技術(shù)，主要采用掏槽技術(shù)、淺孔控制爆破、深孔臺階控制爆破等爆破技術(shù)，爆破后巖壁穩(wěn)定、無坍方、無剝落現(xiàn)象石碴塊度大塊一般不超過85 cm 碴堆集中、最大拋距23 cm。

⑷明挖法隧道施工措施：護結(jié)構(gòu)受力計算模擬施工全過程，荷載按“增量法”原理進行。明挖段基坑800 mm 厚地下連續(xù)墻+3 道支撐（第1 道混凝土支撐，第2、3 道鋼支撐）。第1 道支撐（“米”字撐）橫向間距為9 m，第2、3道支撐橫向間距為3 m。

⑸礦山法隧道施工施工措施：

①主要采用淺埋暗挖法及噴錨構(gòu)筑法施工，為復合式襯砌結(jié)構(gòu)，即以錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土和鋼架為初期支護，以模筑鋼筋混凝土襯砌為二次襯砌組成。初期支護與二次襯砌間設(shè)全封閉防水隔離層［10］。

②按不同圍巖類別、不同跨度、不同結(jié)構(gòu)形式進行襯砌施工，共有4 種斷面。各斷面支護襯砌支護方法措施如表2所示。

表2 各斷面支護襯砌支護方法措施Tab.2 Each Section Support Lining Support Methods and Measures

③采用的輔助施工措施主要有：洞內(nèi)深孔預注漿；大管棚超前支護；超前（注漿）小導管預支護；噴射混凝土臨時封閉開挖掌子面。不同跨度、不同圍巖類別隧道輔助施工支護及施工臨時支護措施如表3所示。

表3 不同跨度、不同圍巖類別隧道輔助施工支護及施工臨時支護措施Tab.3 Auxiliary Construction Support and Temporary Construction Support Measures for Tunnels with Different Span and Surrounding Rock Types

④區(qū)間隧道為單洞單線隧道，采用人工或機械開挖，當采用爆破開挖時，應采用光面微震爆破。單線隧道土質(zhì)圍巖采用環(huán)形臺階分部開挖法，石質(zhì)圍巖采用臺階開挖法。開挖后視掌子面穩(wěn)定情況，必要時采用噴射混凝土封閉掌子面和臺階底部，并在拱腳設(shè)縱向聯(lián)接槽鋼或鎖腳錨桿（管），以控制下沉。區(qū)間隧道施工措施如表4所示［5］。

表4 區(qū)間隧道施工措施Tab.4 Interval Tunnel Construction Measures

⑹隧道斷層破碎帶安全監(jiān)測

采用3 臺階微臺階法施工，超前預支護采用全斷面帷幕注漿支護。在斷層主帶的A 斷面和斷層影響帶的B 斷面分別進行了錨桿軸力、初期支護圍巖壓力、初期支護混凝土應力、二次襯砌接觸壓力、二次襯砌混凝土應力監(jiān)控量測，在斷層帶沿縱向每隔11 m布置測點進行了初期支護拱頂下沉、水平收斂及二次襯砌收斂量測［8］。在位移量測中不僅對初期支護進行了各項位移量測，而且對二次襯砌位移也進行了長期監(jiān)測。斷裂帶監(jiān)測變形數(shù)據(jù)如表5 所示，隧道斷層破碎帶施工安全穩(wěn)定［11］。

表5 斷裂帶監(jiān)測變形數(shù)據(jù)Tab.5 Fault Zone Monitoring Deformation Data

3.4 案例的施工安全、工程質(zhì)量與經(jīng)濟、社會效益情況

3.4.1 施工安全

在深圳市地鐵軌道交通13 號線某區(qū)段施工過程中，由于事先按照隧道穿越破碎斷層富水地質(zhì)施工的關(guān)鍵技術(shù)進行比選和分析成果，確定了具有針對性的優(yōu)選方案，加上嚴格的現(xiàn)場施工安全管理，實現(xiàn)了預期的各項施工安全控制目標，避免了重大安全事故的發(fā)生。

3.4.2 工程質(zhì)量

通過對深圳市地鐵軌道交通13 號線某區(qū)段施工竣工驗收，案例工程的所有質(zhì)量指標都符合設(shè)計要求和工程質(zhì)量驗收合格或優(yōu)良標準，并為將來申報國家優(yōu)質(zhì)工程創(chuàng)造了有利條件。

3.4.3 社會經(jīng)濟效益

通過應用隧道穿越破碎斷層富水地質(zhì)施工關(guān)鍵技術(shù)比較和分析所確定的隧道施工方案，相對比原常規(guī)施工方案，該工程施工工期比原計劃縮短約100 d，節(jié)支總額約達數(shù)百萬元。實際工程的質(zhì)量和安全等各方面指標都達到了預期效果，受到了業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計和政府主管部門的高度肯定。也為以后同類型的工程建設(shè)積累了大量具有實用價值的施工設(shè)計資料和經(jīng)驗。

4 結(jié)論

通過對穿越破碎斷層富水地質(zhì)地鐵隧道施工關(guān)鍵技術(shù)的分析和比較研究，幫助深圳市地鐵軌道交通13 號線某區(qū)段的施工企業(yè)根據(jù)實際工程地質(zhì)情況選擇最有針對性的施工方案，能夠提高效率縮短工期，降低風險，杜絕了重大傷亡事故，確保了工程施工的安全和質(zhì)量，具有顯著的經(jīng)濟、社會效益，具有重大的實用價值和現(xiàn)實意義。