洪開榮

(1．盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，鄭州 450001;2．中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽 471009)

0 引言

目前城市交通(地鐵與地下市政道路)、跨越大江大河隧道、管廊等工程大部分采用盾構(gòu)技術(shù)。在水下軟硬不均地層、孤石地層、卵礫石地層采用盾構(gòu)法修建隧道，技術(shù)難度大、風險高，而國內(nèi)外對于此類地層盾構(gòu)隧道施工經(jīng)驗稍嫌不足，如何進行硬巖處理、降低工程風險、提高掘進效率、降低施工成本是盾構(gòu)法施工領域需要迫切解決的難題。同時，對于特長水下隧道(長度大于10 km)，由于環(huán)境條件的制約，難以設置輔助坑道(豎井或斜井)，因此，水下地層盾構(gòu)對接方法就成為最佳方案，但國內(nèi)在此方面可借鑒的經(jīng)驗很少。

近年來，對于盾構(gòu)隧道硬巖施工技術(shù)的研究也取得了一些進展。王夢?。?］總結(jié)分析了水下隧道設計、施工的重難點及其關鍵技術(shù);孫鈞［2］介紹了國內(nèi)外跨海隧道工程建設現(xiàn)狀及其設計施工和研究特色;王錦洋等［3］針對臺灣電力公司竹工超高壓線路隧道工程卵礫石層盾構(gòu)掘進過程中遇到的難題做了分析說明;李茂文等［4］對盾構(gòu)長距離穿越硬巖地層遇到的技術(shù)難題進行了研究;楊書江［5］對盾構(gòu)在硬巖及軟硬不均地層的施工技術(shù)做了研究;張恒等［6］介紹了盾構(gòu)掘進孤石處理技術(shù);孫謀等［7］結(jié)合武漢長江隧道等水下盾構(gòu)隧道工程，對水下盾構(gòu)施工的關鍵技術(shù)進行了歸納。以上研究雖然在軟硬不均地層、孤石地層、卵礫石地層中采用盾構(gòu)法修建隧道采取了許多措施，在一些問題上有所突破，但仍需系統(tǒng)總結(jié)，明確一些基本的對策和措施;關于盾構(gòu)隧道水下對接技術(shù)，國內(nèi)仍處于摸索階段。本文針對上述特殊地層處理技術(shù)和特長水下隧道盾構(gòu)對接問題進行了一些總結(jié)和探討，提出了相應的處理措施與關鍵技術(shù)。

1 特殊地層的主要問題及處理方法

1．1 軟硬不均地層的處理

盾構(gòu)在軟硬不均地層中施工，出現(xiàn)的主要問題有盾構(gòu)負載變化頻繁、破巖困難、刀具磨損與破壞率高、施工效率低等。由于工作面不同地層的物理力學參數(shù)差異較大，刀盤切削時軟地層較易進入密封土倉，而硬巖不易破碎。刀具在軟硬不均巖面作周期性碰撞，刀盤受到的沖擊力很大，容易造成局部刀具受力超載破壞。經(jīng)過現(xiàn)場分析與研究，采取了一些預處理技術(shù)，如人工清除(鉆爆法施工)、洞內(nèi)弱化處理(超前鉆蜂窩孔)、地面破碎處理(地面沖孔、爆破)，在盾構(gòu)掘進中用重型滾刀破巖，帶壓更換刀具，結(jié)果表明刀具磨損正常，提高了施工效率。

1．2 孤石地層的處理

花崗巖球狀風化核體俗稱孤石，其單軸抗壓強度可以達到200 MPa，孤石地層是盾構(gòu)掘進的重大風險之一，盾構(gòu)穿越孤石地層是盾構(gòu)隧道施工的重點與難點。因此，研究孤石處理關鍵技術(shù)對盾構(gòu)法施工極其重要。由于孤石的影響，盾構(gòu)施工過程中出現(xiàn)的主要問題有孤石強度差異大、刀盤易磨損變形、孤石漂移、刀具破損嚴重、排渣困難、易堵塞等。應根據(jù)孤石的大小、位置、形狀、周邊環(huán)境等因素確定處理方法。

盾構(gòu)掘進過程中發(fā)現(xiàn)的孤石，可直接通過大刀具、全覆蓋、人工進倉搬運孤石的方法直接掘進通過。如直接掘進通過風險太大，則進行預處理后再掘進通過。當隧道上方地面具備沖孔、挖孔條件時，應首先采用人工清除(豎井清除)或地面處理方式(沖消或爆破);當?shù)孛娌痪邆錄_孔、挖孔條件時，采用洞內(nèi)處理(爆破或脹裂)方式。

1．3 卵礫石地層的處理

在卵礫石地層進行盾構(gòu)掘進施工，刀具磨耗速度快、強膠時易損刀盤、排渣難度大是需要重點解決的問題。卵礫石地層有別于一般土層，其性質(zhì)較復雜，工程進行前需做充分的地質(zhì)調(diào)查，由地質(zhì)調(diào)查結(jié)果設計適用于該地層的盾構(gòu)機。設計上的主要技術(shù)措施有加大刀盤開口率、采用耐磨撕裂刀切割、采用帶式螺旋輸送機、采用有針對性的沖浮設計等，以應對此類特殊地層。

2 臺山核電取水隧洞工程硬巖處理

2．1 工程概況

臺山核電位于廣東省臺山市，建設規(guī)模為6×175萬kW壓水堆核能電站。核電站取水隧洞位于陸域腰古咀至大襟島之間的海域中，隧洞全長4 330．6 m，為雙洞取水隧洞，開挖洞徑為9．03m，隧洞埋深為10～29 m，兩洞線間距為29．2m，采用氣墊式泥水盾構(gòu)施工。

2．2 地質(zhì)概況

工程區(qū)出露的巖性為第四系松散堆積物、燕山期花崗巖(γ5)及泥盆系老虎頭組(D2-3l)粉砂巖、變質(zhì)砂巖。第四系松散堆積物主要分布在海域，主要有淤泥、粗礫砂、礫砂質(zhì)黏土。燕山期花崗巖(γ5)主要分布在陸域近海段，長度為430 m。泥盆系老虎頭組(D2-3l)主要分布在大襟島側(cè)內(nèi)海段，長度為230m。

2．3 主要地質(zhì)問題

陸域側(cè)海中的微風化花崗巖強度最高達到197 MPa，局部存在球狀風化的花崗巖孤石。對微風化花崗巖和球狀風化孤石分別采用水下爆破碎裂與帶壓洞內(nèi)清除進行處理。

2．4 物探結(jié)果與鉆探驗證

無論采用何種方法處理孤石地層，首先必須要探明孤石存在的位置和大小。利用RTK系統(tǒng)，采取高頻高密度地震波，密點距多道多次(CDP)疊加技術(shù)進行物探，并結(jié)合垂直取芯、水平鉆探等途徑，確定基巖頂面或孤石的位置。

根據(jù)工程特點，在研究不同處理方法的基礎上，采用了水下爆破法和沖擊鉆沖孔2種方法進行基巖突起和孤石處理，保證了盾構(gòu)施工的順利進行。

2．5 高強度基巖的爆破處理

由于基巖埋深較大，為10～22 m，最厚約9 m，導致其爆破破碎難度較大。為了便于施工并提高爆破破碎效果，首先對前排孔進行爆破，然后利用前排孔爆破擠壓周圍土層產(chǎn)生的自由面，再對后排孔進行逐個起爆。基巖爆破布孔平面圖如圖1所示。

圖1 基巖爆破布孔平面圖Fig．1 Plan layout of blasting holes

炸藥爆炸后壓縮應力波到達軟弱巖土時，壓縮形成一定的臨空，而部分應力波從臨弱面反射回來變成反射拉伸應力波，可再次引起巖石的片落和徑向裂隙的擴展。

2．6 處理效果

爆破后基巖取芯，發(fā)現(xiàn)芯樣最大為55 cm，一般在30 cm以下，爆破效果明顯。200多m的基巖段盾構(gòu)掘進非常順利，沒有進行刀具更換。

3 獅子洋隧道盾構(gòu)地中對接技術(shù)

3．1 盾構(gòu)段主要地質(zhì)

盾構(gòu)隧道大部分處于砂巖、砂礫巖中，部分地段穿越軟硬不均地層?；鶐r的最大單軸抗壓強度為82．8 MPa，滲透系數(shù)達6．4×10-4m/s，基巖的石英含量最高達55．2%，巖石地層的黏粉粒含量達55．3%。

3．2 工程主要特點

獅子洋隧道3次穿江越洋。其中獅子洋水面寬達3 300 m，水深26．6 m，設計水壓達0．67 MPa。隧道要3次穿越長達數(shù)百m的節(jié)理裂隙密集帶，其滲透性強，穩(wěn)定性差。盾構(gòu)隧道較長段處于復合地層中，且地層巖體石英含量高，黏粉粒多。工程為高速鐵路隧道，其線型要求高，且在中國是首次采用水下盾構(gòu)對接施工技術(shù)。獅子洋隧道地質(zhì)剖面圖如圖2所示。

圖2 獅子洋隧道地質(zhì)剖面圖Fig．2 Geological profile of Shiziyang tunnel

3．3 獅子洋隧道對接施工技術(shù)

水下隧道盾構(gòu)對接施工的關鍵技術(shù)在于2個方面。1)對接面的隧道穩(wěn)定性，從而確保施工安全;2)對接精度的控制，一次成型隧道要滿足高速鐵路線型要求。獅子洋隧道盾構(gòu)段使用了4臺氣墊式泥水平衡盾構(gòu)，采用“相向掘進、地中對接、洞內(nèi)解體”的技術(shù)。

3．4 獅子洋隧道對接方法的選擇

目前國際上的盾構(gòu)對接施工方法有直接對接和輔助對接2種。直接對接又稱為機械對接，輔助對接又稱為土木對接。

原設計采用注漿加固對接地層和封堵地下水的方式進行土木對接，但通過地質(zhì)補充勘察，最終選擇了無輔助措施的硬對接方式。對接區(qū)段如圖3所示。

圖3 對接區(qū)段Fig．3 Shield-docking section

3．5 離心試驗

考慮到模型制作的難度和主要觀測的是掌子面的應力和變形，確定本次試驗模型離心率N=50，離心加速度為50 g。模型總體布置如圖4所示。

試驗模擬了圍巖強度為10 MPa的情況。試驗表明:在對接巖體厚度為2．5 m，平衡壓力在0．3 MPa的情況下，巖墻不出線拉應力，在無平衡壓力下，巖墻局部表面拉應力值已經(jīng)接近極限值，但巖體是穩(wěn)定的。

圖4 模型總體布置圖Fig．4 General layout of model

3．6 對接面穩(wěn)定性分析

采用FLAC 3D軟件數(shù)值分析的方法，對恒定壓力和無壓力情況下工作面的穩(wěn)定性進行分析，如圖5和圖6所示。

離心試驗及計算結(jié)果證明了設計預留2．5 m的對接厚度是可行的，但是，在撤掉維持掌子面平衡壓力的瞬間，掌子面的受力發(fā)生突變，拉應力增加，這對抗拉強度較低的巖石很不利。

3．7 獅子洋隧道對接測量方案

利用洞內(nèi)雙導線法和聯(lián)絡通道再閉合修正對測量精度進行控制，對接段的控制測量方案如圖7所示。

圖7 對接段的控制測量方案Fig．7 Control survey of shield-docking section

3．8 相向掘進、地中對接

實際施工中，采用了在2臺盾構(gòu)相距20～30m時，1臺盾構(gòu)停止掘進，實施保壓并拆除部分盾構(gòu)部件，第2臺盾構(gòu)向前趨近對接掘進的方法，如圖8所示。

圖8 對接區(qū)段的趨近掘進Fig．8 Approaching advance of shield in shield-docking section

在完成趨近掘進后，降壓觀察隧道的穩(wěn)定性和地下水的滲流情況。如果液位變化較大，應升高倉內(nèi)壓力，并進行必要的壁后堵水施工，直至卸壓后倉內(nèi)液位基本無變化，才能打開艙門，在常壓下進行最后的拆機工作。對接后的狀態(tài)如圖9所示。

圖9 對接后狀態(tài)Fig．9 Shield docking completed

在盾殼保護下，拆除盾構(gòu)內(nèi)部和刀盤中心部位構(gòu)件，并將刀盤外圈梁直接焊接，一側(cè)與切口環(huán)連接，另一側(cè)與對接的盾構(gòu)刀盤外圈梁連接，實現(xiàn)隧道的貫通，然后再施作鋼筋混凝土襯砌。洞內(nèi)拆機后示意圖如圖10所示。

圖10 洞內(nèi)拆機后示意圖Fig．10 Tunnel with shield machine dismantled

3．9 對接效果

獅子洋隧道的對接貫通非常成功，對接點的圍巖相對穩(wěn)定，且殘留的渣土很少。對接精度平面偏差為28．5 mm、高程偏差為 19．6 mm，達到了安全、精確、高效的對接目標。盾構(gòu)對接與拆機后的效果圖如圖11所示。

圖11 盾構(gòu)對接與拆機后的效果圖Fig．11 Completed tunnel

4 結(jié)論

1)目前，盾構(gòu)廣泛地應用于各領域的地下工程中，但從安全風險、工期和經(jīng)濟性考慮，對高強度軟硬不均地層、孤石地層及大直徑卵礫石地層，采用適當?shù)妮o助方法是必要的。

2)在水下復合地層隧道中，盾構(gòu)法施工遇到長距離的軟硬不均地段，采用預處理爆破碎裂技術(shù)是可行的，且具有顯著的安全、效率與經(jīng)濟優(yōu)勢。

3)特長水下隧道應用盾構(gòu)法施工，采用“相向掘進、地中對接、洞內(nèi)解體”的方法，能夠很好地解決盾構(gòu)使用壽命帶來的技術(shù)問題，這對我國將來的跨海工程有非常重要的借鑒意義。

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