趙立鋒

(蘇州軌道交通有限公司建設(shè)分公司，江蘇蘇州　215000)

杭州地鐵2號線盾構(gòu)軟土區(qū)過硬巖技術(shù)研究

趙立鋒

(蘇州軌道交通有限公司建設(shè)分公司，江蘇蘇州215000)

摘要：鑒于杭州地鐵2號線在軟土地層中突遇強度較高的石英硬巖巖脈，對后階段設(shè)計采用何種思路、施工采用何種方法、因此如何選擇合理的施工方案、采用合適的開挖設(shè)備，對設(shè)計和施工均提出了較高要求，通過既有成功施工案例的研究，對杭州地鐵2號線盾構(gòu)在軟土區(qū)過硬巖進行分析、探討，并結(jié)合該工程特定地質(zhì)、環(huán)境條件進行分析和研究，最終采用合理的盾構(gòu)機選型，對刀盤進行改造及刀具優(yōu)化，很好地控制地面沉降，確保該區(qū)間的順利貫通。

關(guān)鍵詞：地鐵；土壓平衡盾構(gòu)機；軟土區(qū)；硬巖；線路調(diào)整

1概述

盾構(gòu)機作為一種安全性較高的土建施工設(shè)備，在城市軌道交通建設(shè)中發(fā)揮著積極作用。特別是在我國南方華東軟土地區(qū)，盾構(gòu)施工的安全與高效性目前幾乎無法替代，但是如果盾構(gòu)掘進的地層不均一，一個區(qū)間段往往出現(xiàn)局部的硬巖段[1]盾構(gòu)掘進困難、刀具磨損大，施工進度慢，當硬巖掘進達到一定長度時通常采取先開挖礦山法初支，然后盾構(gòu)空推拼裝管片通過礦山法，或者通過與設(shè)計溝通，調(diào)整既有線路[2]避開硬巖段。

結(jié)合實例，就杭州地鐵2號線人民路站—杭發(fā)廠站區(qū)間在施工招標階段發(fā)現(xiàn)有軟土區(qū)突遇硬巖的特殊地質(zhì)條件，從技術(shù)角度論述、分析主要采用盾構(gòu)機施工的幾種處理方法和措施，提出初步的建議方案和解決措施，為研究類似特殊地質(zhì)現(xiàn)象下的設(shè)計及施工方案提供借鑒。

2工程概況

2.1線路概況

杭州地鐵2號線一期工程(東南段)Ⅱ標人民路站—杭發(fā)廠站區(qū)間全長約1 104.6 m，樁號SDK4+364.154～SDK5+468.751，呈南北走向，沿杭州市蕭山區(qū)市心中路及市心中路兩側(cè)展開，設(shè)計為地下雙線單圓盾構(gòu)隧道，隧道外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，設(shè)1座聯(lián)絡(luò)通道兼泵站，設(shè)計使用年限100年。

2.2地質(zhì)條件

圖1　隧道過軟土區(qū)硬巖段地質(zhì)縱剖面示意

全線隧道洞身范圍地層里程SDK4+364.154～SDK4+925以④淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑥淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主；里程SDK5+090～SDK5+468.751段則以③4、③7砂質(zhì)粉土為主；中間里程SDK4+925～SDK5+090長度約165 m范圍內(nèi)則發(fā)育有凝灰質(zhì)砂巖與石英砂巖(圖1)，巖石強度較高，風化裂隙發(fā)育，節(jié)理發(fā)育，巖體呈碎裂～碎塊狀，部分為塊狀結(jié)構(gòu)，具體物理特性見表1。從圖1可以看出，隧道洞身由軟土區(qū)間接過渡至全斷面穿越中風化石英砂巖和凝灰質(zhì)砂巖，穿越長度約165 m。

表1　硬巖段巖層物理特性

該段隧道埋深約26 m，地下水位埋深1.0～5.6 m。水量豐富，軟土滲透系數(shù)KH：4.06×10-4～7.19×10-7cm/s，KV：3.85×10-4～6.61×10-7cm/s。

2.3原設(shè)計招標及施工方案

采用一臺鉸接型加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(編號:4號盾構(gòu)機)從杭發(fā)廠站南端始發(fā)，過硬巖段掘進至人民路站后調(diào)頭，二次始發(fā)再次過硬巖段掘進至杭發(fā)廠站后解體吊出。

原設(shè)計施工計劃采用盾構(gòu)機為日本小松公司生產(chǎn)，其主要性能參數(shù)見表2。

從表2可知，該盾構(gòu)機完全是為軟土區(qū)盾構(gòu)施工而配置，在里程SDK4+364.154～SDK4+925以及里程SDK5+090～SDK5+468.751段完全滿足施工需要，但在里程SDK4+925～SDK5+090的硬巖段，則根本無法滿足巖體強度等地質(zhì)參數(shù)的要求。

表2　原設(shè)計施工計劃采用盾構(gòu)機主要性能參數(shù)

3解決方案及相關(guān)措施

根據(jù)本區(qū)間線路條件并結(jié)合沿線工程地質(zhì)特點和現(xiàn)場施工條件等因素，提出如下3種解決方案：

(1)采用施工能力更強、適應(yīng)性更好的盾構(gòu)機；

(2)先暗挖硬巖段，后盾構(gòu)空載通過；

(3)調(diào)整線路避開硬巖段。

3.1采用施工能力更強、適應(yīng)性更好的盾構(gòu)機

根據(jù)上述地質(zhì)特點，采用的盾構(gòu)機必須能滿足如下要求：

(1)能滿足在軟土地層中的掘進，具有很好的密封性能；

(2)能滿足強度至少在81 MPa以上的硬巖段掘進；

(3)有足夠的推力和動力，使施工過程穩(wěn)定推進。

新選用設(shè)備建議采用德國海瑞克公司生產(chǎn)盾構(gòu)機，其性能參數(shù)見表3。

表3　新選用盾構(gòu)機建議主要性能參數(shù)

該方案成功案例：北京地鐵4號線二十標段頤和園站—北宮門站區(qū)間。

該工程中全線洞身主要處于粉質(zhì)黏土層，但在里程K25+928.7～K26+138.7處突遇最大強度達124 MPa、平均強度達76.8 MPa的花崗巖及石英砂巖侵入巖脈。見圖2、圖3。

圖2　北京地鐵4號線二十標603、626環(huán)處硬巖

圖3　北京地鐵4號線二十標硬巖試塊強度試驗

通過論證，采用性能參數(shù)與表3相近的德國海瑞克公司生產(chǎn)盾構(gòu)機掘進完成，特別是對刀盤[3]的設(shè)計及選型上，采用了軟土刀盤與硬巖刀盤互換的理念，通過刀具的互換實現(xiàn)在軟土區(qū)與硬巖區(qū)均適應(yīng)的設(shè)備性能。

從施工過程來看，施工進度依然較緩慢，每天進度控制在1～2環(huán)，換刀較頻繁，部分刀具磨損嚴重，刀盤邊緣磨損較嚴重。見圖4、圖5。

圖4　北京地鐵4號線二十標過硬巖段滾刀新、舊對比

圖5　北京地鐵4號線二十標過硬巖段齒刀新、舊對比

總體評價，北京地鐵4號線二十標段頤和園站—北宮門站區(qū)間過硬巖施工較平穩(wěn)，未發(fā)生刀盤損壞、變形或卡機等事故，通過較順利。

新選用盾構(gòu)機可以較好地解決該軟土區(qū)硬巖段的盾構(gòu)施工需要。但是，目前國內(nèi)無外徑6.2 m的德國海瑞克公司生產(chǎn)盾構(gòu)機，必須新購。盡管本工程使用后還可應(yīng)用在其他同直徑隧道施工中，但當前占用資金較大，對工程成本有一定的壓力。

3.2先暗挖硬巖段，后盾構(gòu)空載通過

從圖1可以看出，硬巖段隧道線路全斷面位于中風化的石英砂巖及凝灰質(zhì)砂巖，硬巖在隧道頂有4～6 m的覆蓋，巖體穩(wěn)定性較好，適合先采用傳統(tǒng)礦山法暗挖該硬巖段，貫通后盾構(gòu)拼管片通過的施工方案。見圖6。

圖6　暗挖方案豎井、隧道斷面及掌子面封閉縱斷面示意

(1)施工工藝流程(圖7)。

圖7　先暗挖、后盾構(gòu)通過方案施工工藝流程

(2)橫通道設(shè)計(圖8)。

圖8　先暗挖后盾構(gòu)通過方案橫通道設(shè)計斷面示意(單位：mm)

(3)礦山法暗挖正線隧道設(shè)計(圖9)。

圖9　先暗挖后盾構(gòu)通過方案隧道正線設(shè)計斷面(單位：mm)

為確保安全，正線隧道開挖施工時，左、右線共需開4個工作面，且左、右線相鄰工作面開挖時間應(yīng)相差1個月以上、安全距離應(yīng)相差50 m以上。

開挖完成后，為確保安全及盾構(gòu)機穿越時的平穩(wěn)過渡，掌子面采用C20混凝土噴射加固封閉，厚度2 m。

(4)盾構(gòu)通過

盾構(gòu)過礦山法隧道，采用在圓形礦山法隧道底構(gòu)筑弧形導臺(圖9)，再拼管片通過，管片與初期支護之間填筑豆礫石及壓注水泥漿。見圖10、圖11。

圖10　弧形導臺施工(左)及盾構(gòu)空載過礦山法隧道示意

圖11　盾構(gòu)空載過礦山法隧道豆礫石回填示意(左、右側(cè))

先暗挖后盾構(gòu)通過成功案例：廣州地鐵3號線北延段1標燕塘站—梅花園站區(qū)間。

先暗挖隧道后盾構(gòu)通過方案的各個環(huán)節(jié)均是比較成熟的施工方法，優(yōu)點是可以很好地解決盾構(gòu)穿越軟土區(qū)硬巖的特殊地質(zhì)難題，不需要加強盾構(gòu)設(shè)備配置，對進度無制約，不存在盾構(gòu)兼顧軟土、硬巖、軟硬不均地層中掘進的困難。缺點是需要地面有一定的施工場地，需要另開工作面，作為施工措施而投入相應(yīng)的人力、物力及資源設(shè)備，豎井、橫通道及礦山法隧道總體造價較高(成洞后成本略高于盾構(gòu)法隧道)，工程成本壓力較大，豎井及礦山法施工存在一定的安全風險。

3.3調(diào)整線路避開硬巖段

線路調(diào)整分為兩種，一種是平面上的線路調(diào)整，即繞開硬巖段；另一種是縱斷面上的線路調(diào)整，即抬高線路避開硬巖段。不管哪種線路調(diào)整，均需對周邊地層進行詳細的勘探，加密鉆孔以獲取詳細的巖樣。

(1)本工程區(qū)間線路總長1 104.6 m，如果經(jīng)地質(zhì)勘探，發(fā)現(xiàn)硬巖段分布較廣，則平面線路調(diào)整勢必引起相鄰車站站位的調(diào)整，將使整條線路的走向、經(jīng)過區(qū)域發(fā)生改變，則對吸引客流、帶動經(jīng)濟、整體線網(wǎng)分布產(chǎn)生較大影響，必要時需要重新評估決策。因此，平面上的線路調(diào)整僅適合于小范圍的侵入巖脈硬巖段、線路調(diào)整后不引起相鄰站位調(diào)整等情況。

(2)本工程硬巖段區(qū)間隧道線路目前埋深26 m，硬巖頂埋深18 m，遠端車站隧道頂埋深12 m，最大坡度27‰；如果調(diào)整后按硬巖頂與隧道底設(shè)計高程重合考慮，則調(diào)整后線路埋深僅為11.8 m，與國家標準《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB50157—2013)(2014—03—01實施)規(guī)定不符。

“以上兩種線路調(diào)整方案均對兩端車站有較大影響，但目前人民路站和杭發(fā)廠站均已施工，基本不具備調(diào)整條件，因此實施難度很大。本方案既增加工程投資，加大了區(qū)間施工風險，也嚴重影響工期，因此不宜采用。

4實施方案及效果

通過上述3種施工方案的對比，分析，評價，最終在本工程實施中采用第一種方案：即采用施工能力更強、適應(yīng)性更好的川崎復合盾構(gòu)機。

4.1實施方案

(1)盾構(gòu)刀盤配先行齒刀，確保盾構(gòu)在軟土層中掘進，盾構(gòu)配有發(fā)泡系統(tǒng)，可以通過加入發(fā)泡劑來改善土體流動性，螺旋機出口設(shè)計成雙閘門，同時盾構(gòu)配有加泥系統(tǒng)，通過加泥或高分子化合物可以降低土體的流動性，盾構(gòu)在富含水的角礫層中推進時，以上兩點都可以防止水土噴涌，盾構(gòu)刀盤上安裝8個轉(zhuǎn)動攪拌棒，隔板上安裝4個固定攪拌棒，螺旋機進土口安裝攪拌棒，防止刀盤結(jié)泥餅[4]，減輕刀具磨損，刀盤外周一圈裝滾刀[5]，破碎巖石；盾構(gòu)刀盤帶有2把可更換的超挖刀；盾構(gòu)前盾上方裝有土體壓力探測器；盾構(gòu)前盾備有超前鉆的管道，可以用于前上方注漿加固，盾構(gòu)帶有泡沫系統(tǒng)，改良渣土[6]，保護刀具。

(2)在隧道半斷面巖層段施工時，由于隧道斷面內(nèi)上下土層軟硬不均，盾構(gòu)操作人員應(yīng)及時根據(jù)測量[7]系統(tǒng)的測量成果，確定盾構(gòu)機姿態(tài)的變化量，根據(jù)姿態(tài)的變化情況調(diào)節(jié)油缸的推力，必要時采用超挖滾刀對部分巖層進行超挖，保證盾構(gòu)機盡量擬合設(shè)計線路掘進。同時減少襯砌拼裝偏差；盾構(gòu)進入該段區(qū)域前應(yīng)將盾構(gòu)機高程姿態(tài)控制在-40 mm左右(防止管片上浮)，確保穿越半軟半硬土層區(qū)域隧道軸線復合設(shè)計要求；加強碴土改良，每環(huán)加入泡沫劑35～50 L，增大碴土的流動性和保水性，減少地下水的損失和地面沉降。

(3)根據(jù)地層情況合理制定施工參數(shù)：總推力控制在11 000～15 000 kN；上部土壓控制在0.15～0.17 MPa；同步注漿壓力控制在0.25～0.35 MPa；同步注漿量控制在6～7 m3；刀盤轉(zhuǎn)數(shù)控制在1.3 r/min；盾構(gòu)掘進速度控制在 10～20 mm/min；刀盤扭矩控制在40%～60%；理論出土量38.7 m3，盾構(gòu)過硬巖過程中要嚴格控制出土量，盾構(gòu)掘進過程中確保盾尾間隙均勻，盾構(gòu)機姿態(tài)良好，減少開挖面土體的坍塌、變形以及土層損失；加強同步注漿及二次注漿質(zhì)量控制，及時足量對建筑空隙進行填充，管片脫出盾尾后4環(huán)及時進行壁后二次注漿填充；加強對管片的監(jiān)測工作，以期指導調(diào)整盾構(gòu)機姿態(tài)，如果出現(xiàn)管片上浮和下沉量突變，則應(yīng)加大監(jiān)測頻次，并采取二次注漿的方法對管片進行穩(wěn)定。

4.2實施效果(圖12)

盾構(gòu)通過巖層過程中嚴格按照實施方案，對穿越該地層的盾構(gòu)機合理選型，采用川崎鉸接型加泥式復

合土壓平衡盾構(gòu)機，盾構(gòu)掘進過程中嚴格按照制定的穿越硬巖段盾構(gòu)掘進參數(shù)，穿越過程中平均每天10環(huán)管片(12 m)共計14 d順利通過硬巖區(qū)，盾構(gòu)通過硬巖過程中地面沉降最大7 mm，硬巖段隧道軸線均在20～30 mm，滿足成型盾構(gòu)隧道+100 mm，硬巖段管片拼裝質(zhì)量良好，沒有滲漏水現(xiàn)象，管片錯臺環(huán)向5 mm，縱向7 mm，均滿足成型隧道規(guī)范及設(shè)計要求，本方案較先暗挖硬巖段，后盾構(gòu)空載通過方案節(jié)約工程造價約140萬元，比調(diào)整線路避開硬巖段多70多萬元。

圖12　過硬巖段成型隧道及管片拼裝現(xiàn)場

5結(jié)語

對杭州地鐵2號線在軟土區(qū)過硬巖施工的3種方案有效分析比選，最終選用合理的盾構(gòu)機選型設(shè)備及施工過程中的技術(shù)措施，有效避免了盾構(gòu)掘進過程中的各種風險，杭州地鐵2號線人民路到杭發(fā)廠站的區(qū)間成功穿越硬巖，形成以下結(jié)論：

(1)盾構(gòu)施工過程工程地質(zhì)是關(guān)鍵，要根據(jù)工程地質(zhì)及施工周邊環(huán)境及設(shè)計要求選擇合適的盾構(gòu)機；

(2)隨著盾構(gòu)施工范圍的拓展，理想的地層(整個區(qū)間全是淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、或者整個區(qū)間全是硬巖)的情況很難遇到，這就要求在施工之前的方案比選要做到充分合理，根據(jù)整個施工方案統(tǒng)籌調(diào)整區(qū)間施工與車站施工的時間先后順序，以便選用最經(jīng)濟、最簡捷的施工方案。

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Research on Shield Construction of Hangzhou Metro Line 2 in Soft Soil Area with Hard Rock

ZHAO Li-feng

(The Construction Branch of Suzhou Rail Transit Co.， Ltd.， Suzhou 215000, China)

Abstract：In view of Hangzhou metro line 2 in soft soil layer with hard rock quartz vein， the applicable concept， construction method and equipment need to be addressed in post design. With reference to successful practices in this regard， this paper analyzes the geological and environmental conditions of the metro line and concludes that the adoption of reasonable shield machine， improvement of cutter and optimization of tools serve to control ground settlement and ensure successful passing through.

Key words：Metro; Earth pressure balance shield machine; Soft soil area; Hard rock; Line adjustment

中圖分類號：U231+.3； U455.43

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.023

文章編號：1004-2954(2015)06-0103-05

作者簡介：趙立鋒(1981—)，男，工程師，E-mail:lifengzhao4290@163.com。

收稿日期：2014-07-13； 修回日期：2014-09-23