鄭清君

(中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450003)

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，我國修建的盾構(gòu)隧道工程越來越多，相應(yīng)施工難度也越來越大，國內(nèi)外盾構(gòu)法隧道工程在穿越建(構(gòu))筑物或地質(zhì)條件復(fù)雜地層時(shí)造成施工事故的教訓(xùn)不少，能否安全穿越建(構(gòu))筑物或地質(zhì)條件復(fù)雜地層關(guān)系到整個(gè)盾構(gòu)法隧道施工的成敗。穿越建(構(gòu))筑物或地質(zhì)條件復(fù)雜地層是盾構(gòu)施工技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，同時(shí)施工中面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)也越來越嚴(yán)峻，特別是大直徑泥水盾構(gòu)破碎地層中穿越零沉降要求的建(構(gòu))筑物，更是給予了我們更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

以往對盾構(gòu)法施工、復(fù)雜地層中盾構(gòu)施工、盾構(gòu)穿越構(gòu)(建)筑物風(fēng)險(xiǎn)分析與控制等已做了大量的研究工作:文獻(xiàn)［1］對盾構(gòu)法施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了全面論述;文獻(xiàn)［2］總結(jié)分析了獅子洋隧道主要技術(shù)難點(diǎn);文獻(xiàn)［3］詳細(xì)研究了盾構(gòu)掘進(jìn)控制、地表滯后坍塌控制、泥水平衡盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定技術(shù)、盾構(gòu)通過重要建(構(gòu))筑物施工技術(shù)等富水砂卵石地層盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù);文獻(xiàn)［4］總結(jié)分析了繁華城區(qū)富水砂卵石地層大直徑泥水盾構(gòu)隧道施工中掘進(jìn)參數(shù)控制、泥水處理等關(guān)鍵技術(shù);文獻(xiàn)［5］研究了繁華城區(qū)大直徑泥水盾構(gòu)掘進(jìn)沉降控制技術(shù);文獻(xiàn)［6］總結(jié)分析了廣州地區(qū)復(fù)雜變化地質(zhì)條件下斷裂帶地層盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)及控制技術(shù);文獻(xiàn)［7］對粉細(xì)砂地層盾構(gòu)施工進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析并制定了應(yīng)對措施;文獻(xiàn)［8］對富水軟弱地層淺埋大直徑泥水盾構(gòu)泥水循環(huán)管理及控制進(jìn)行了研究，提出了防止管路及環(huán)流系統(tǒng)堵塞措施;文獻(xiàn)［9］歸納了地鐵盾構(gòu)工程事故的類型及特點(diǎn);文獻(xiàn)［10］對獅子洋隧道進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)源的分析和風(fēng)險(xiǎn)辨識;文獻(xiàn)［11］對盾構(gòu)隧道施工引起的地面變形計(jì)算方法進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)［12］研究分析了盾構(gòu)施工引起地面沉降的因素，與地層條件、掘進(jìn)速度、注漿時(shí)間等密切相關(guān)。

我國已建或在建的下穿重要建(構(gòu))筑物盾構(gòu)隧道，大多數(shù)采用土壓平衡盾構(gòu)施工，并且是在砂卵石地層、粉細(xì)砂地層、軟弱地層等單一均質(zhì)地層中，或是在全斷面巖石中修建的，有關(guān)大直徑泥水盾構(gòu)在地層破碎段下穿重要建(構(gòu))筑物施工介紹很少。本文針對獅子洋隧道虎門港沙田港區(qū)地層破碎段盾構(gòu)掘進(jìn)施工，針對泥水盾構(gòu)掘進(jìn)施工中掌子面穩(wěn)定、環(huán)流系統(tǒng)、刀盤被卡、刀具損壞等易發(fā)生變化的邊界條件，依據(jù)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，研究并制定了針對性技術(shù)保證措施和應(yīng)急處置措施，有效保證了安全、順利施工。

1 工程概況

獅子洋隧道是廣深港鐵路客運(yùn)專線的控制性工程，下穿珠江主航道——獅子洋水道，隧道工程全長10.8 km，盾構(gòu)段長9 340 m，最大縱坡20‰，最小縱坡3‰，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，是我國首座水下鐵路盾構(gòu)隧道，首次在軟硬不均地層和巖層中采用大直徑氣墊式泥水盾構(gòu)施工。投入4臺直徑φ11.18 m氣壓調(diào)節(jié)式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，采用“相向掘進(jìn)，地下對接，洞內(nèi)解體”方式組織施工。盾構(gòu)隧道采用預(yù)制拼裝式管片襯砌，管片采用“5+2+1”雙面楔形通用環(huán)管片，錯(cuò)縫拼裝。管片內(nèi)徑9.8 m、外徑 10.8 m、管片環(huán)寬 2.0 m。

獅子洋隧道分為進(jìn)出口2個(gè)標(biāo)段，中鐵隧道集團(tuán)承擔(dān)獅子洋隧道出口SDIII標(biāo)段的施工任務(wù)，左線長4 450 m，右線長4 750 m，SDIII標(biāo)2臺盾構(gòu)機(jī)從獅子洋隧道東莞側(cè)出口盾構(gòu)井始發(fā)。在完成SDIII標(biāo)段掘進(jìn)施工任務(wù)后，本著不見不散原則向進(jìn)口方向掘進(jìn)，共完成獅子洋盾構(gòu)隧道左線隧道5 200 m、右線隧道5 168 m施工，在獅子洋底與對面標(biāo)段盾構(gòu)對接后在洞內(nèi)將盾構(gòu)解體。

左線掘進(jìn)從1 248環(huán)開始，進(jìn)入虎門港沙田港區(qū)軟硬夾雜及巖石破碎區(qū)域，開始出現(xiàn)糊刀盤及堵塞出漿泵現(xiàn)象，1 335環(huán)后，掌子面及其上部巖層破碎程度及區(qū)域加大，掘進(jìn)較困難。

虎門港沙田港區(qū)位于珠江東岸，獅子洋隧道從碼頭基礎(chǔ)下方33.5 m處穿過，碼頭先于隧道施工。碼頭基礎(chǔ)與隧道之間的位置關(guān)系見圖1。

虎門港沙田港區(qū)碼頭采用拋石基床上的沉箱基礎(chǔ)?；驳讟?biāo)高－16.5 m，拋石基床(10～100 kg)厚4.0 m，沉箱基礎(chǔ) 8.12 m ×9.0 m ×12.8 m，碼頭前場地采用中粗砂回填。碼頭設(shè)置QU100軌道，其中后軌道梁采用φ600 mmPHC管樁(間距5 m)，樁基最低標(biāo)高 －26.2 m。

2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

虎門港沙田港區(qū)地層破碎段根據(jù)鉆探揭露地層情況顯示:隧道上部從上至下分別為第四系新近期填土層、第四系海陸交互相，第四系上更新統(tǒng)沖積、殘積層，基巖為白堊系下統(tǒng)基巖類。

洞頂埋深約為51 m，洞頂?shù)貙訌纳现?.8 m為人工填土層，屬于可塑－軟塑黏土層;1.8～16.6 m為淤泥層、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層，屬于流塑、軟塑、飽和、松散等穩(wěn)定性極差地層;16.6～28.5 m為粉細(xì)砂互層、中粗砂層，屬于軟塑－可塑－稍密及飽和等穩(wěn)定性較差地層;28.5 m以下為微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，屬于泥質(zhì)膠結(jié)、砂狀結(jié)構(gòu)、巖石輕微風(fēng)化巖層。28.5 m以下至50 m為細(xì)砂巖，巖層較破碎。掌子面范圍上部5 m為泥質(zhì)粉砂巖，較破碎，下部泥質(zhì)粉砂巖稍顯破碎。1 355環(huán)處掌子面范圍上部地質(zhì)斷面圖見圖2。

3 虎門港碼頭港區(qū)環(huán)境

隧道下穿虎門港碼頭港區(qū)，地面為硬化鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(見圖3)。地面從上至下為38 cm厚素混凝土硬化、20 cm厚水穩(wěn)層、20 cm厚級配碎石、150 cm吹填砂墊層，地基承載力≥180 kPa，砂墊層壓實(shí)度0～80 cm≥95%、80～150 cm≥94%、150～180 cm≥92%。

4 鄰近地層破碎段掘進(jìn)施工情況

4.1 1248～1277環(huán)掘進(jìn)施工

由于基巖中有軟弱夾層，含泥量較大，造成本段施工頻繁堵倉。在此29環(huán)的掘進(jìn)過程中，由于堵倉(見圖4)，共5次開倉清理刀盤。期間對掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，主要是加大對刀盤的沖洗:每掘進(jìn)300 mm停止掘進(jìn)，同時(shí)加大刀盤轉(zhuǎn)速至2.6 r/m，利用泥漿環(huán)流根據(jù)其參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臎_洗;比原計(jì)劃提前架設(shè)進(jìn)漿接力泵，加大進(jìn)漿對刀盤的沖洗流量及沖洗壓力。通過以上措施，堵倉有所減輕。

4.2 1278～1334環(huán)掘進(jìn)施工

施工中出漿泵堵泵頻繁，同時(shí)還有堵倉現(xiàn)象。每環(huán)掘進(jìn)都有堵泵現(xiàn)象，最多一次1環(huán)13次，堵泵情況如圖5所示。從掘進(jìn)參數(shù)和開倉情況看，掌子面及其上部地層顯破碎，刀盤切削石塊脫落直徑大，造成堵泵頻繁，但整體穩(wěn)定性稍強(qiáng)，未出現(xiàn)大面積坍塌。

圖5 堵泵情況圖Fig.5 Pump blocking

5 地層破碎段地質(zhì)超前預(yù)報(bào)

根據(jù)地質(zhì)詳勘資料，掘進(jìn)至1 355環(huán)進(jìn)行了地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，本次測試安裝10個(gè)傳感器，左右邊墻各5個(gè);錘擊震源點(diǎn)共計(jì)12個(gè)，左右邊墻各6個(gè)?？睖y范圍為:高程－30～－70 m，隧道中心線左邊20 m，右邊20 m，縱向?yàn)?50 m。

5.1 TRT系統(tǒng)預(yù)報(bào)原理

TRT6000地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)是利用地震波的反射原理進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)時(shí)，通過垂擊或激震器產(chǎn)生的地震波，地震波在隧道中的巖體內(nèi)傳播，當(dāng)遇到一地震界面時(shí)，如斷層、破碎帶、溶洞、大的節(jié)理面等，一部分地震波就被反射回來，反射波經(jīng)過一短暫時(shí)間到達(dá)傳感器后被接收并被記錄主機(jī)記錄下來;然后經(jīng)專門的O－RV3D軟件進(jìn)行分析處理，對地震波進(jìn)行疊加，就得到清晰的異常體的層析掃描三維圖像;再通過對異常體的里程、形狀、大小、走向，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料、跟蹤觀測地質(zhì)資料就可以確定隧道前方及周圍區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的位置和特性。

5.2 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)分析結(jié)果

采集的TRT數(shù)據(jù)，通過TRT軟件進(jìn)行處理，獲得P波、S波波速和地質(zhì)層析掃描成像圖等資料，詳見圖6和圖7。

圖6 P波、S波直達(dá)波波速值Fig.6 Velocity of P direct wave and S direct wave

以P波和S波資料和地質(zhì)層析掃描成像圖為依據(jù)，通過對地震波反射掃描成像三維圖分析，結(jié)合地質(zhì)勘測資料，得出如下結(jié)論:

1)1335—1354環(huán)，該段圍巖較為破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，富水。

2)1355—1365環(huán)，該段圍巖較為破碎，1 361環(huán)左側(cè)裂隙水發(fā)育;DIK39+933處，1 363環(huán)前方較為破碎。

6 地層破碎段掘進(jìn)施工

6.1 技術(shù)保證措施

1)地表監(jiān)測。掘進(jìn)時(shí)加強(qiáng)地表監(jiān)測(實(shí)施24 h監(jiān)測)，派專人每環(huán)量測出碴量，如有異常及時(shí)保壓停機(jī)，采取相應(yīng)措施。

2)泥漿管理。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，保持泥水倉壓力與作業(yè)面壓力(土壓與水壓之和)平衡是防止盾構(gòu)上方地層發(fā)生沉降的關(guān)鍵，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)時(shí)，根據(jù)地質(zhì)和水文條件及地層壓力下，調(diào)整泥水壓力，保證泥水壓力與開挖面土壓力及水壓力之和平衡，保持其穩(wěn)定性。

3)掘進(jìn)參數(shù)。選擇合適的掘進(jìn)速度，確定合理的貫入量和掘進(jìn)速度;根據(jù)巖層硬度、掘進(jìn)速度、掌子面水壓和盾殼摩擦力確定合理的推力。

4)注漿管理。加強(qiáng)壁后注漿質(zhì)量管理，不僅要充填管片間隙及控制上方地層沉降，而且還要使?jié){液不受泥水的侵蝕，盡快具有一定的早期強(qiáng)度，防止上方地層發(fā)生沉降。做好地表注漿準(zhǔn)備工作，沉降達(dá)到預(yù)警值時(shí)，立即進(jìn)行地表注漿。

5)刀具管理。確定合理的刀具配置方案和換刀方案，盡量減少盾構(gòu)機(jī)在碼頭區(qū)開倉的作業(yè)次數(shù);掘進(jìn)時(shí)盡可能采用低轉(zhuǎn)速、低推力、低扭矩的模式推進(jìn)。

6)防止盾尾漏漿措施。提高同步注漿質(zhì)量;保持切口水壓穩(wěn)定;加強(qiáng)盾尾注脂質(zhì)量管理，均勻足量壓注盾尾油脂;合理的管片選型，確保管片盾尾間隙均勻;嚴(yán)格盾構(gòu)機(jī)的操作，加強(qiáng)對盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的控制合理，控制盾構(gòu)掘進(jìn)糾偏量，防止盾尾漏漿。

7)防止地表冒漿措施。嚴(yán)格控制切口水壓波動范圍;嚴(yán)格控制出碴量，原則上按理論出土量出土，可適當(dāng)欠挖，保持土體的密實(shí)，以免地下水滲透入土體并進(jìn)入盾構(gòu);嚴(yán)格控制同步注漿壓力，并在注漿管路安裝安全閥，以免由于注漿壓力過高而頂破覆土;若出現(xiàn)機(jī)械故障或其他原因造成盾構(gòu)停推，采取措施防止盾構(gòu)機(jī)移動。

8)防止土層沉降措施。按設(shè)計(jì)值設(shè)定切口水壓;加強(qiáng)泥漿管理，防止超挖;當(dāng)發(fā)現(xiàn)隧道沉降大于5 cm時(shí)適當(dāng)增加同步注漿量，必要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)壓漿。

9)防止堵塞措施。開啟攪拌機(jī)，在遇到切口不暢時(shí)，應(yīng)及時(shí)轉(zhuǎn)旁路，同時(shí)找出導(dǎo)致不暢的原因并采取降低推進(jìn)速度、逆洗等措施加以解決。

10)防止管片上浮或下沉措施。嚴(yán)格控制隧道軸線使盾構(gòu)盡量沿著設(shè)計(jì)軸線推進(jìn)，每環(huán)均勻糾偏，減少對土體的擾動;提高同步注漿質(zhì)量，要求漿液有較短的初凝時(shí)間，使其遇泥水后不產(chǎn)生裂化，并要求漿液具有一定的流動性，能均勻地布滿隧道一周，及時(shí)充填建筑空隙;加強(qiáng)隧道縱向變形的監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果進(jìn)行針對性的注漿糾正，如調(diào)整注漿部位及注漿量，配制快凝及提高早期強(qiáng)度的漿液;對管片的上浮量進(jìn)行分析和總結(jié)，必要時(shí)適當(dāng)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)，以達(dá)到隧道線型不超限的目的。

6.2 應(yīng)急處置措施

1)刀盤轉(zhuǎn)動時(shí)掌子面石塊脫落，掌子面坍塌、失穩(wěn)。停止掘進(jìn)，選擇適宜氣壓，向倉內(nèi)注高黏度泥漿，形成護(hù)壁后恢復(fù)掘進(jìn)。

2)刀盤被卡。選擇適宜氣壓，向倉內(nèi)注高黏度泥漿，形成護(hù)壁后再進(jìn)行刀盤脫困，控制出碴量，確保出碴量與設(shè)計(jì)出碴量相符。

3)掌子面坍塌致使出碴不順，不能形成正常的泥漿環(huán)流。停止掘進(jìn)，選擇適宜氣壓，向倉內(nèi)注高黏度泥漿，形成護(hù)壁后依次對氣墊倉和泥水倉進(jìn)行循環(huán)疏通，恢復(fù)正常泥漿環(huán)流，確保出碴量與設(shè)計(jì)出碴量相符。

4)超量出碴引起刀盤上方塌陷。對地表或江面進(jìn)行監(jiān)測，停止掘進(jìn)，向倉內(nèi)注高黏度泥漿，形成護(hù)壁后恢復(fù)掘進(jìn)，確保出碴量與設(shè)計(jì)出碴量相符。

5)管片上浮量超標(biāo)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)隧道上浮量超標(biāo)，且波及范圍較遠(yuǎn)應(yīng)立即采取對已建隧道進(jìn)行補(bǔ)壓漿措施，以割斷泥水繼續(xù)流失路徑。

6)泥漿門前方堵塞。為恢復(fù)暢通的泥漿環(huán)流必須進(jìn)行疏通，采用的方法主要有反沖洗及反循環(huán)，主要依靠進(jìn)出漿流量差對泥漿門附近進(jìn)行沖洗。

7 實(shí)施效果

1335～1354環(huán)掘進(jìn)施工期間出漿泵堵泵頻繁，有不間斷的小范圍巖層剝落或坍塌?？偼屏Ρ日＞蜻M(jìn)高10 000～15 000 kN，刀盤扭矩比正常掘進(jìn)低400～1 000 kN·m，速度為12～16 mm/min，掘進(jìn)中不間斷出現(xiàn)推力增大而扭矩變化不大等現(xiàn)象。從以上可以判斷，本段掘進(jìn)地層較為破碎，掘進(jìn)時(shí)發(fā)生有小范圍巖層剝落或坍塌。管片脫出盾尾后無明顯上浮或下沉，地表無沉降。

1355～1364環(huán)掘進(jìn)較困難，刀盤啟動扭矩高，推力為72 000～91 000 kN，扭矩為3 500～5 800 kN·m，速度為10～12 mm/min，堵泵頻繁。管片脫出盾尾后無明顯上浮或下沉，地表無沉降。

虎門港沙田港區(qū)地層破碎段盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，通過選擇合適的掘進(jìn)參數(shù)，采取泥漿管理、加強(qiáng)注漿等針對性措施，正確處理了出碴不順、泥漿門前方堵塞等問題，順利通過了港區(qū)地層破碎段，規(guī)避了地表沉降、盾尾漏漿、地表冒漿、管片上浮等風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，未發(fā)生一起安全事故。

8 結(jié)論與討論

1)本文對虎門港沙田港區(qū)地層破碎段盾構(gòu)掘進(jìn)施工中采取的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、技術(shù)保證措施和應(yīng)急處置措施正確、有效、全面、針對性和可操作性強(qiáng)。

2)地層破碎段盾構(gòu)掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)是掘進(jìn)參數(shù)選擇、穩(wěn)步掘進(jìn)、泥漿質(zhì)量、同步注漿和二次注漿。

3)地層破碎段盾構(gòu)掘進(jìn)重大危險(xiǎn)源有掌子面坍塌失穩(wěn)、刀盤被卡、泥漿環(huán)流堵塞、刀具損壞無法掘進(jìn)。

4)在地層破碎段盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，在不具備輔助工法進(jìn)行超前加固、無法常壓或低壓進(jìn)倉條件下，須確保掘進(jìn)施工中刀具方面、泥漿環(huán)流、掌子面穩(wěn)定性等不能發(fā)生需開倉才能進(jìn)行處理的問題或風(fēng)險(xiǎn)。

5)在地層破碎段進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，需進(jìn)一步深入研究利用盾構(gòu)超前注漿孔進(jìn)行超前加固的可行性，這是在無地表加固條件下確保安全進(jìn)倉的必備的、唯一的輔助工法。

6)本文系統(tǒng)地分析了在獅子洋隧道盾構(gòu)施工中，虎門港沙田港區(qū)地層破碎段盾構(gòu)掘進(jìn)采取的技術(shù)保證措施和應(yīng)急處置措施，且在施工實(shí)踐中得到了很好的應(yīng)用，對類似工程有一定的參考價(jià)值。

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