城市盾構法施工隧道的風險及勘察要點
——以媽灣跨海通道工程為例

趙冬ZHAO Dong；龔旭亞GONG Xu-ya；張昌盛ZHANG Chang-sheng

（深圳市勘察測繪院（集團）有限公司，深圳 518028）

0 引言

隨著城市地下空間的高密度、大規(guī)模開發(fā)，尤其是城市隧道的高速發(fā)展，盾構隧道施工的風險問題日益突出，尤其是巖土問題相關的地質風險。深圳特區(qū)地質條件復雜，地下空間的開發(fā)中對隧道施工的風險認識和應對，越來越引起業(yè)界的廣泛關注，在隧道施工中遇到了許多困難和問題，深圳發(fā)生過慘痛的事故[1-2]，同時也對城市隧道的勘察帶來了新的轉變和思考，如何做好盾構隧道的巖土工程勘察，精準預測盾構隧道施工的風險，并提出措施和技術對策成為關鍵，本文結合深圳媽灣跨海通道項目，總結了盾構實踐中遇到的風險點，分析主要問題和困難，相應地提出了技術對策，并對如何做好城市盾構隧道勘察提出了幾點建議，為深圳地區(qū)及類似地區(qū)的城市盾構隧道工程研究提供參考及一定的指導。

1 項目概況

媽灣跨海通道工程位于深圳市西部，國內首屈一指的超大直徑海域復合地層盾構法隧道工程，全線總長約8.05km，其中盾構隧道約2.06km，包含海域段1.1km。前海始發(fā)隧道頂覆土厚度21.6m，大鏟灣接收段最小覆土10.5m，海域段覆土厚度20.9～28.6m，最大水深為9.2m。

2 盾構施工風險點及應對措施分析

媽灣跨海通道工程位于深圳前海片區(qū)，地質及周邊環(huán)境的特點特別突出，尤其是非均質差異性大、軟硬不均的地層在其他城市建設中很少遇到。該復合地層對于盾構施工來講是極其困難的，且因沒有太多類似工程經驗，施工風險和施工難度相當大。盾構始發(fā)前海區(qū)為深厚填石、淤泥層，隧道穿越軟硬不均、硬巖等多種復雜地層，該區(qū)地下水豐富，斷裂帶發(fā)育，分析認為盾構施工主要風險點有：

①軟硬不均地層掘進。隧道斷面內上部為黏土、全～強風化巖，下部為中～微風化巖；上部黏土中黏粒含量可達75.8%，盾構推進過程中極易造成刀盤結泥餅，刀具磨損嚴重，需大量刀具更換工作。上軟下硬致使盾構機掘進姿態(tài)控制困難，易使盾構機向上偏移，工況轉換頻繁，對地表沉降、開挖面穩(wěn)定、盾尾密封等控制難度極大。

對于軟硬不均地層盾構掘進前，應進行超前地質鉆探，摸清始發(fā)段填石厚度及分布范圍及基巖突起區(qū)段。始發(fā)段對填石清除后再做加固?；鶐r突起區(qū)段，對盾構區(qū)間侵入隧道內2m 的微風化巖進行預爆破處理，但要注意對爆破孔的封孔處理。

②全斷面硬巖掘進。隧道全斷面處于微風化硬巖中推進。微風化巖單軸抗壓強度平均為45MPa，最大193MPa，RQD 值可達75%。

盾構在硬巖中掘進，刀具磨損嚴重，換刀頻率加大，同時也易造成盾構機卡殼現(xiàn)象。對于全斷面硬巖掘進，應設置合理的掘進參數(shù)和同步注漿參數(shù)、配置適用于硬巖掘進的刀具。

③斷裂帶掘進。海域段穿越2 條斷裂帶，與隧道的交角約40°～50°，鉆孔取芯揭示為碎裂巖，具綠泥石化，碎裂巖滲透系數(shù)為4.05×10-2cm/s，單軸抗壓強度為15.0MPa。

盾構在斷裂帶中掘進時水壓較高、水量大，巖層破碎、塊度大、地質松散等特點，盾構在掘進時容易出現(xiàn)盾體載頭、開挖面失穩(wěn)等施工難題，如果控制不當可能出現(xiàn)坍塌、滲水被淹等災難性安全事故。應查明斷裂帶的性狀，與隧道的位置關系，設置有針對性掘進參數(shù)，加強同步注漿質量。

④盾構穿越既有前海大堤及大鏟灣沉箱結構。盾構始發(fā)掘進約180m 即穿越前海南岸大堤，大堤段覆土厚度變化梯度大，覆土深度由27.5m 漸變至227m，隧道斷面內為軟硬不均復核地層，上部為全～強風化巖，下部為中風化巖，中風化巖侵入斷面約3.0～3.5m。大鏟灣一期碼頭結構采用沉箱重力式結構，沉箱底寬14.1m，長17.98m。

在穿越南岸大堤和大鏟灣沉箱結構前，對其基礎結構形式、大堤處填石深度進行詳查，明確分布情況。盾構推進過程中，嚴格控制平衡泥水壓力，控制推進速度，盾構及時糾偏，并做好同步注漿管理，同時在地面做好大堤變形監(jiān)測。穿越后，持續(xù)進行監(jiān)測，并根據(jù)實際地面沉降情況，進行隧道內壁后補壓漿。

⑤長距離、深覆土下穿海域水底段。盾構穿越海域段掘進距離約1.1km，最大覆土約31.8m，最下覆土約20.2m，穿越地層為軟硬不均復合地層和全斷面硬巖層。

盾構推進過程中，嚴格控制切口水壓波動范圍，合理設定推進速度，防止海底冒漿。當發(fā)現(xiàn)水底冒漿時，如果是輕微冒漿，在不降低開挖面水壓下能進行推進，則向前推進（并使用堵漏型泥水材料），應適當加快推進速度，提高拼裝效率，使盾構盡早穿過冒漿區(qū)。對海域河床及水位監(jiān)測，必要時增加監(jiān)測頻率。

⑥淺覆土盾構掘進。

本標段盾構接收段為淺覆土（小于隧道直徑）施工區(qū)。盾構頂最小覆土僅為10.5m，淺覆土段上部為軟土，下部為全風化巖層，夾中砂層，給地面沉降控制增加了難度，極有可能出現(xiàn)冒漿甚至開挖面坍塌、隧道“上浮”現(xiàn)象。

淺覆土為加固區(qū)，不易糾偏，應保持平穩(wěn)推進，減少對土體的擾動，同時，合理分配注漿量，確保及時充填盾尾間隙。

⑦超大直徑盾構交匯。

媽灣跨海通道工程左右線采用相向推進的盾構掘進方式，左右線隧道最小凈距離為13.34m。盾構推進交會推進對盾構姿態(tài)控制及成型隧道的保護都是一個巨大的挑戰(zhàn)。

盾構交匯前，復核測量盾構機里程，確定左右線盾構機交匯位置，做好施工監(jiān)測和突發(fā)事故應急處理。

3 盾構隧道勘察建議

盾構機的選型設計和施工參數(shù)的設定必須與地質條件相適應，即盾構機要做到“吃得下、排的出、穩(wěn)得住”[3]，才能有效預判盾構隧道施工過程中的風險點，并提前采取相應技術對策。這就對盾構隧道的巖土工程勘察提出了較高的要求，不僅需要查明工程地質條件，還要對盾構法相關的巖土工程問題進行專項研究[4]，并提出處理措施和建議。

3.1 調查工程場地周邊環(huán)境

針對項目所處場地特點，勘察作業(yè)應首先考慮收集周邊工程資料，走訪調查項目沿線周邊環(huán)境，主要查明地上地下建構筑物，尤其是沿線地下管線、老舊基礎（樁基、錨索）、人防工程等，盾構機刀盤很難處理這些地下障礙物，會給盾構掘進帶來較大困難。

調查場地周邊環(huán)境，尤其是摸清地下建構筑物，可提前對其選擇改線避讓、加固或破除，施工工單位也能有針對性地做好施工組織和應急預案，合理正確地選擇盾構掘進參數(shù)，避免盾構掘進過程中遇到不明障礙物所產生的各種風險。在媽灣跨海通道工程盾構掘進過程中就遇到了混凝土攪拌站未拆除的老基礎，給盾構機刀盤造成了嚴重的損壞。對于地下不明構筑物的調查要引起足夠重視。

3.2 查明巖土層性狀

對于黏性土地層，易導致刀盤結泥餅，應查明黏粒含量。對于軟弱土層，土層易擾動，盾構姿態(tài)控制困難，也可能造成地面沉降，甚至開挖面坍塌，勘察過程中應結合老地形圖，鉆探查驗，摸清軟弱土層的分布范圍和埋藏深度。砂類地層要查明密實度，進行礦物含量、顆粒分析等，卵石類地層查明粒徑及膠結情況。對于復合地層，“上軟下硬”會引起工況轉換頻繁，刀具磨損嚴重，地面變形大，開挖面不穩(wěn)等問題，應采用物探和鉆探相結合手段，查明軟硬界面、巖石風化界面、軟土、砂土層與風化巖界面。對于基巖，應查清耐磨率、單軸抗壓強度、基巖礦物成分等。

媽灣項目對于軟土層，進行了土工試驗和現(xiàn)場原位測試統(tǒng)計分析，結果表明固結程度均較明顯，雖然媽灣段及大鏟灣段淤泥軟基處理方式及處理時間不同，但是經過處理后彼此的淤泥層性質差異不大。

對于殘積土及風化巖進行了全顆分，從統(tǒng)計結果來看，大于0.075mm 的顆粒質量大于50%，見表1。

表1 殘積土及風化巖全顆分統(tǒng)計表

為查清基巖強度異常點，施工勘察中采取了巖樣進行了單軸抗壓強度試驗，并與詳勘進行了比對（圖1）。中風化巖平均強度25.87MPa，微風化平均強度64.68MPa。

圖1 基巖強度對比曲線圖

海域段350 環(huán)～650 環(huán)巖面較高，大部分為全斷面巖層且大于40MPa 基巖長度約580m，耐磨率較低（刀具磨損率高），大鏟灣段651 環(huán)～750 環(huán)、810 環(huán)～970 環(huán)巖面較高且大于40MPa 基巖長度約280m，耐磨率相對高一些（圖2）。

對區(qū)間盾構基巖礦物成分進行統(tǒng)計分析，混合花崗巖礦物成分主要為石英（30%）和長石（60%），其它為少量的黑云母及不透明礦物（圖3）。

圖3 巖石礦物成分分析圖

盾構機與地質的適應性決定盾構能否順利推進，而查明巖土層性狀是盾構機選型的關鍵。黏土的黏粒含量、礫砂類顆粒分析、砂卵石的粒徑等都是刀盤的結構設計、刀具選型布置、渣土改良裝置設計以及排渣系統(tǒng)設計的重要依據(jù)。媽灣跨海通道工程勘察過程中盾構選型關注的巖土層性狀進行了針對性分析，對于后期盾構機設計及優(yōu)化起了決定性作用，同時指導了施工過程中做好渣土改良和同步注漿，防止了刀盤和螺旋輸送機卡死、刀盤刀具快速磨損以及地層失穩(wěn)的問題。

3.3 查清斷層性質

斷層破碎帶巖性復雜，穩(wěn)定性差，含承壓水，水量豐富，且透水性好，盾構推進時易造成泥水逃逸，導致開挖面失穩(wěn)，甚至造成重大事故。

盾構里程LK2+632 與LK2+702 處遇斷裂帶，相交夾角約40°～44°，斷裂寬度5～10m。碎裂巖裂隙面綠泥石、擦痕、鐵質重膠結明顯，層厚17～19m，主要填充物為短柱狀碎石、土等。根據(jù)鉆孔的抽水試驗，破碎巖滲透系數(shù)為4.05×10-2cm/s，碎裂巖的單軸抗壓強度為15.0MPa。

查清斷層破碎帶范圍、巖性和水文特征，對于盾構切口水壓、掘進速率、同步注漿等參數(shù)的設定非常關鍵。媽灣跨海通道過程中通過物探、鉆探綜合手段查清了斷裂特征，設置了合理的掘進參數(shù)，避免了刀盤旋轉時突然碰到大塊碎裂巖出現(xiàn)的瞬間載荷崩斷刀具、裂隙水發(fā)育造成螺旋輸送器的噴涌，保證了盾構順利快速穿越斷層破碎帶。

3.4 查清水文地質

盾構穿越地表水體是一個風險點，可能會造成地表水體倒灌，發(fā)生重大安全事故，查明沿線地表水體與隧道的水力聯(lián)系、地下水類型、水位、相關土層滲透性、連通性成為關鍵。

媽灣項目對于地下水位進行了觀測，結合相關水文試驗，認為地下水與海水有一定的水力聯(lián)系，受地形地貌控制，地下水徑流總體上為由東北向西南方向向海排泄，垂直上主要為大氣蒸發(fā)排泄。

查清水文地質特征對盾構機選型起著決定性作用，也對施工安全至關重要，近年珠海曾發(fā)生過地表水體倒灌隧道的透水事故。媽灣跨海通道工程勘察中進行了水文地質專項勘察，查清了地下水位、地下水類型、地下水與海水的水力聯(lián)系，有效指導了盾構機密封油脂壓力設定、注漿壓力設定、土倉內壓力設定、渣土改良劑濃度和摻入比等盾構密封系統(tǒng)的設計，盾構掘進過程中未出現(xiàn)滲水、漏水等問題。

4 結論

①軟硬不均地層、硬巖地層、斷層破碎帶、既有建構筑物（包含地下基礎）、沿線水體（地表水體、海域）、淺覆土、超大直徑盾構交匯等都是城市盾構隧道的風險點。

②盾構始發(fā)前應對各個風險點進行專題研究。長距離軟硬不均地層可采用預爆破處理，硬巖地層應設置合理掘進參數(shù)和同步注漿參數(shù)，穿越斷層帶時應結合斷層性狀及對隧道的影響制定有針對性方案，穿越既有構筑物時，應做好地面監(jiān)測，控制盾構平衡壓力，平穩(wěn)推進，穿越地表水體時重點保持切口水壓力穩(wěn)定，提高同步注漿質量，增加備用泵及堵漏材料，及時排水、堵漏，左右線盾構交匯時，確定好交匯位置后，通過總結不同地層下盾構實踐經驗，優(yōu)化掘進參數(shù)，以求達到盾構以最合理的施工參數(shù)交匯施工。

③城市盾構隧道勘察應先調查后鉆探，多手段綜合勘察。首先查清沿線周邊環(huán)境，尤其地下障礙物探查，其次對于巖土層性狀，應重點查明滲透系數(shù)、抗剪強度、顆分曲線、巖石抗壓、抗拉強度、巖石RQD、完整性等，還要查明斷層、風化孤石、巖溶等不良地質作用，應進行專題研究，最后，對于水文地質條件勘察應重點查明沿線地表水體與隧道水力聯(lián)系，地下水類型、水位、相關土層滲透性等。另外，除了對地質條件分析評價外，還應預測可能發(fā)生的巖土工程問題，并提出相應的技術對策和建議。