朱宏海

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

0 引言

花崗巖、混合巖及灰?guī)r等硬質(zhì)基巖大面積分布于我國(guó)華南、東南及華北沿海地區(qū)，上面多為花崗巖、混合巖的殘積層以及黏土層、砂層等地層?；◢弾r、混合巖的殘積層具有未擾動(dòng)前比較致密、承載力較高，擾動(dòng)后強(qiáng)度迅速降低、軟化、崩解，自穩(wěn)性差等特性。硬巖和軟弱地層，兩者地質(zhì)物理特性差別大，地鐵盾構(gòu)隧道由于地鐵車站埋深及線路坡度的限制，區(qū)間隧道洞身不可避免地會(huì)有部分位于硬質(zhì)基巖、部分位于風(fēng)化殘積層或其他軟弱層中。盾構(gòu)在上軟下硬地層中施工經(jīng)常遇到掘進(jìn)速度減慢、極易超挖、地面沉降嚴(yán)重甚至坍塌、盾構(gòu)刀具磨損嚴(yán)重、卡機(jī)、螺旋機(jī)噴涌等問(wèn)題。如何處理好這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)工程技術(shù)人員一直在分析和研究。以往的解決方案多從施工方面來(lái)考慮，效果欠佳。文獻(xiàn)［1］結(jié)合深圳地鐵2號(hào)線東延線土建2222標(biāo)僑香站—香蜜湖站區(qū)間施工，對(duì)上軟下硬地層盾構(gòu)施工，從掘進(jìn)參數(shù)控制、渣土改良技術(shù)、帶壓開(kāi)艙換刀技術(shù)等方面做了研究和改進(jìn)，利于盾構(gòu)施工。文獻(xiàn)［2］對(duì)上軟下硬地層盾構(gòu)施工，主要從合理選用盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)及渣土改良技術(shù)2方面做了研究和闡述。文獻(xiàn)［3］以南昌地鐵1號(hào)線5標(biāo)中山西路站—子固路站盾構(gòu)穿越上覆砂礫下臥泥質(zhì)粉砂巖復(fù)合地層為背景，在室內(nèi)試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，提出了渣土改良方案，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果，相應(yīng)地修正了現(xiàn)場(chǎng)渣土改良參數(shù)。文獻(xiàn)［4］總結(jié)了獅子洋隧道φ11.2 m泥水盾構(gòu)穿越上軟下硬地層的施工技術(shù)，從刀盤(pán)刀具配置、掘進(jìn)參數(shù)、姿態(tài)控制、同步注漿等方面提出了大直徑泥水盾構(gòu)穿越上軟下硬地層施工中應(yīng)注意的主要方面。文獻(xiàn)［5］圍繞典型上軟下硬地層的施工，分析了該地層中盾構(gòu)法施工存在的問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)，給出了施工的有效方法和措施，并研究了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，以提高典型上軟下硬地層的施工質(zhì)量。針對(duì)上軟下硬地層，其實(shí)應(yīng)從設(shè)計(jì)方案、盾構(gòu)選型及配置、施工措施等多方面綜合分析、研究與處理。從設(shè)計(jì)源頭開(kāi)始，設(shè)計(jì)方案應(yīng)合理可行且應(yīng)有針對(duì)性;根據(jù)設(shè)計(jì)方案及地勘報(bào)告等資料，選購(gòu)或改造合適的盾構(gòu)及關(guān)鍵部件配置;在項(xiàng)目實(shí)施階段，結(jié)合大量工程經(jīng)驗(yàn)，提出施工處理措施、盾構(gòu)施工參數(shù)及注意事項(xiàng)。

1 工程地質(zhì)特點(diǎn)

1.1 上軟下硬地層

上軟下硬地層指隧道洞身下半斷面或大部分?jǐn)嗝嫖挥诨◢弾r、混合巖、灰?guī)r及含礫砂巖等巖層中，隧道上半斷面或拱頂位于軟弱地層中如:盾構(gòu)隧道下部洞身位于花崗巖中，上半部洞身花崗巖、混合巖全風(fēng)化層及殘積土層，或砂層、淤泥層及軟塑狀黏土層等地層中;通常隧道洞身位于地下水位以下，地層含水豐富或飽水。如:東莞市城市軌道交通R2線陳屋站—寮廈站區(qū)間，隧道左線ZDK27+814.225～+898.225，右線YDK27+806.874～+873.504，共約150 m位于上軟下硬地層，隧道下部為中風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖〈9－3〉、微風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖〈9－4〉，其中微風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖〈9－4〉天然抗壓強(qiáng)度f(wàn)c=34.5～110.0 MPa。隧道上部為硬塑狀砂質(zhì)黏性土〈6－6〉、可塑狀砂質(zhì)黏性土〈6－5〉。圖1為寮廈站—珊美站區(qū)間縱斷面圖，圖2為典型上軟下硬地層取芯情況。

圖1 寮廈站—珊美站區(qū)間縱斷面圖Fig.1 Longitudinal profile of Liaoxia Station-Shanmei Station section

1.2 工程地質(zhì)特點(diǎn)

根據(jù)TBJ 12—1985《鐵道工程地質(zhì)技術(shù)規(guī)范》［6］及《工程地質(zhì)手冊(cè)》［7］，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度大于60 MPa為極硬巖，飽和單軸抗壓強(qiáng)度30～60 MPa為硬巖。地鐵盾構(gòu)隧道上軟下硬地層中的硬巖一般指飽和單軸抗壓強(qiáng)度大于50 MPa且?guī)r石完整性較好的巖石。

圖2 上軟下硬地層取芯照片F(xiàn)ig.2 Cores of hard-soft heterogeneous ground

軟弱地層中，花崗巖、混合巖全風(fēng)化層及殘積層有如下特征:

1)均勻性較差，強(qiáng)度不一。全風(fēng)化層、殘積層具有遇水軟化、崩解，強(qiáng)度急劇降低，自穩(wěn)性差的特點(diǎn)。

2)全風(fēng)化層及殘積層土顆粒成分具有“兩頭大、中間小”的特點(diǎn)。地層顆粒成分中，粗顆粒(＞0.5 mm)的組分及顆粒小的組分(＜0.075 mm)的含量較多，而介于其中的顆粒成分則較少，且長(zhǎng)石、石英等顆粒含量較大。

以上特征是造成全風(fēng)化層及殘積土遇水軟化、崩解，強(qiáng)度急劇降低的主要原因。當(dāng)動(dòng)水壓力較大時(shí)，容易產(chǎn)生管涌、流土等現(xiàn)象［8］。全風(fēng)化層及殘積層物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

2 設(shè)計(jì)、施工現(xiàn)狀及問(wèn)題

2.1 設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及問(wèn)題

目前國(guó)內(nèi)各參與地鐵設(shè)計(jì)的公司和設(shè)計(jì)院普遍任務(wù)較多，人員配備不足，設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)有一定欠缺;并且盾構(gòu)區(qū)間精細(xì)化設(shè)計(jì)存在不足，地鐵線路設(shè)計(jì)人員和區(qū)間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員配合、溝通不夠，對(duì)盾構(gòu)隧道上軟下硬地層施工難度和施工中存在問(wèn)題認(rèn)識(shí)不足，甚至部分線路設(shè)計(jì)人員對(duì)上軟下硬地層沒(méi)有概念。在方案設(shè)計(jì)階段未能優(yōu)化線路，盡量避開(kāi)上軟下硬地層。

由于地鐵車站埋深和線路坡度的限制，區(qū)間隧道無(wú)法完全避開(kāi)上軟下硬地層，再加上設(shè)計(jì)各階段對(duì)上軟下硬地層缺乏針對(duì)性的設(shè)計(jì)和措施，造成初步設(shè)計(jì)概算中針對(duì)上軟下硬地層的處理費(fèi)用不足，發(fā)展成施工階段出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)資金困難，施工難題最后轉(zhuǎn)移給承包商。

設(shè)計(jì)階段審查，政府評(píng)審，部分流于形式，難以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并提出有效處理方案。

表1 花崗巖、混合巖各土層物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表(范圍值)Table 1 Physical and mechanical parameters of soils in granite ground and migmatite ground

2.2 施工現(xiàn)狀及問(wèn)題

盾構(gòu)隧道上軟下硬地層的特性，決定了盾構(gòu)施工的困難，施工中出現(xiàn)問(wèn)題難以完全避免。部分區(qū)間施工承包商對(duì)該地層認(rèn)識(shí)不足，盾構(gòu)選型、采購(gòu)或改造上針對(duì)性不強(qiáng)。部分盾構(gòu)機(jī)操作手和現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)管理人員也存在經(jīng)驗(yàn)不足的問(wèn)題，施工前施工組織沒(méi)有針對(duì)性，缺乏相應(yīng)預(yù)案，造成施工中問(wèn)題不斷，部分問(wèn)題處理不及時(shí)，造成較大損失。圖3為上軟下硬地層施工地面塌陷情況，圖4為施工過(guò)程中地面冒漿情況，圖5為盾構(gòu)刀盤(pán)磨損情況。

圖3 地面坍塌Fig.3 Ground collapse

圖4 地表冒漿Fig.4 Grout emerging on ground surface

圖5 磨損嚴(yán)重的刀盤(pán)Fig.5 Seriously-damaged cutter head

施工中出現(xiàn)的主要問(wèn)題有:

1)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)取用不合理，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、貫入度、扭矩及推力等偏大;造成盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)不順、姿態(tài)難以控制等問(wèn)題。

2)盾構(gòu)掘進(jìn)困難，盾構(gòu)昂頭，出土超量，地面沉降及坍塌。

3)盾構(gòu)刀具磨損嚴(yán)重，需頻繁開(kāi)艙檢查刀具及換刀。

4)盾構(gòu)出現(xiàn)卡機(jī)現(xiàn)象。

5)軟弱地層松動(dòng)坍塌，泥水涌入土艙，出現(xiàn)螺機(jī)噴涌;土艙保壓造成地表冒漿等。

3 設(shè)計(jì)探討

盾構(gòu)區(qū)間上軟下硬地層普遍存在，在設(shè)計(jì)中不可避免地會(huì)遇到，各設(shè)計(jì)單位應(yīng)提高認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)對(duì)設(shè)計(jì)人員的培訓(xùn)，提升綜合設(shè)計(jì)能力。

方案設(shè)計(jì)階段，應(yīng)盡可能避開(kāi)該地層，具體可以采用以下方法和措施:

1)線路從平面上繞避上軟下硬特殊地層。

2)各專業(yè)設(shè)計(jì)人員密切協(xié)調(diào)和溝通，調(diào)整線路縱坡，避開(kāi)大量的上軟下硬地層，可采取調(diào)高(或調(diào)低)線路的手段，例如線路可由常規(guī)的V形坡改變?yōu)閃形坡。

3)調(diào)整車站埋深，常規(guī)地鐵標(biāo)準(zhǔn)車站采用地下2層方案，工程實(shí)施困難區(qū)間兩端車站可結(jié)合環(huán)境條件，比選地下1層、地面1層車站和地下3層或4層車站方案，綜合車站投資、區(qū)間工程實(shí)施難度、節(jié)省的投資以及后期運(yùn)營(yíng)的便利及成本的增減，確定合理的區(qū)間方案。

在初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)階段，應(yīng)在地勘初步探明上軟下硬地層分布及埋深的基礎(chǔ)上，采取針對(duì)性設(shè)計(jì)和措施，主要有:

1)給出設(shè)計(jì)方案和措施時(shí)應(yīng)有對(duì)應(yīng)數(shù)量，概算開(kāi)項(xiàng)并有合理的費(fèi)用。

2)對(duì)隧道下部堅(jiān)硬的巖層，可考慮預(yù)裂爆破+袖閥管注漿方案。預(yù)裂爆破可采用地質(zhì)鉆機(jī)或潛孔鉆機(jī)，鉆孔直徑90～110 mm，間距800～1 000 mm。圖6為預(yù)裂爆破平面及立面示意圖。

圖6 預(yù)裂爆破平面及立面示意圖Fig.6 Plan and profile of presplitting blasting

3)隧道上部若為松散砂層，應(yīng)結(jié)合地面條件，對(duì)砂層進(jìn)行加固，加固方式可考慮攪拌樁、旋噴樁或注漿等。

4)根據(jù)區(qū)間長(zhǎng)度，設(shè)置多個(gè)換刀加固區(qū)，加固區(qū)的設(shè)置宜結(jié)合聯(lián)絡(luò)通道地層預(yù)加固進(jìn)行，具體的加固方式可選用攪拌樁、旋噴樁或注漿加固等。

5)避免線路與巖石交接面角度小于150°，以免盾構(gòu)刀盤(pán)切入困難。

4 盾構(gòu)選型及基本要求

目前國(guó)內(nèi)穿越上軟下硬地層一般選用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)，盾構(gòu)在采購(gòu)或改造階段需針對(duì)地層特點(diǎn)及巖石強(qiáng)度，提出專門(mén)要求。如:深圳地鐵11號(hào)線車公廟站—紅樹(shù)灣站區(qū)間，土建承包商盾構(gòu)機(jī)采購(gòu)時(shí)，專門(mén)針對(duì)主驅(qū)動(dòng)大功率、刀盤(pán)中心部位開(kāi)口率、泡沫口、膨潤(rùn)土口設(shè)置、雙渣門(mén)、刀盤(pán)中心雙聯(lián)滾刀單刃滾刀數(shù)量和高度等做了具體要求，來(lái)適應(yīng)區(qū)間上軟下硬地層。同樣，東莞市城市軌道交通R2線工程西平站—哈地站區(qū)間施工采用既有盾構(gòu)機(jī)，施工前，提高了既有盾構(gòu)的刀盤(pán)開(kāi)口率，將泡沫系統(tǒng)改為單管單泵，也是為了應(yīng)對(duì)上軟下硬地層。

盾構(gòu)主要技術(shù)指標(biāo)及要求有:

1)盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)應(yīng)采用大功率設(shè)計(jì)。

2)刀盤(pán)、刀具具備在單軸抗壓強(qiáng)度＞150 MPa的巖石中連續(xù)掘進(jìn)的能力，同時(shí)有耐磨保護(hù)層及磨損監(jiān)測(cè)裝置。

3)盾構(gòu)刀盤(pán)中心部位應(yīng)有足夠大的開(kāi)口率，刀盤(pán)開(kāi)口率宜大于30%。

4)泡沫注入系統(tǒng)的注入口不宜少于6個(gè)，應(yīng)設(shè)計(jì)有防堵裝置，同時(shí)設(shè)置膨潤(rùn)土注入口，泡沫及膨潤(rùn)土注入系統(tǒng)均為單管單泵系統(tǒng)。

5)建議優(yōu)先考慮中心螺旋出土器，螺旋直徑不宜小于750 mm，最大通過(guò)粒徑不宜小于300 mm，可以考慮雙渣門(mén)設(shè)計(jì)。

6)預(yù)留合理的超前鉆機(jī)孔位。

7)具備有針對(duì)性的防泥餅、防噴涌設(shè)計(jì)。

5 施工措施、經(jīng)驗(yàn)及注意事項(xiàng)

5.1 施工技術(shù)措施

盾構(gòu)隧道上軟下硬地層施工，施工前必須有針對(duì)性的施工組織及應(yīng)急預(yù)案，對(duì)技術(shù)管理及操作人員進(jìn)行專項(xiàng)培訓(xùn)。施工技術(shù)措施主要有:

1)針對(duì)上軟下硬地段，在詳勘基礎(chǔ)上，進(jìn)行有針對(duì)性的補(bǔ)充鉆孔勘察，進(jìn)一步探明隧道范圍巖層、土層厚度及分布。

2)盾構(gòu)推進(jìn)前，根據(jù)地勘，對(duì)上軟下硬地段隧道掘進(jìn)影響范圍巖石進(jìn)行預(yù)裂爆破，爆破后再對(duì)巖層及隧道影響范圍土層注漿加固。巖石預(yù)裂爆破孔距、深度、裝藥量等需進(jìn)行試驗(yàn)和檢驗(yàn)，同時(shí)需根據(jù)GB 6722—2003《爆破安全規(guī)程》［9］進(jìn)行爆破安全校核，爆破后石塊粒徑應(yīng)小于300 mm。圖7為預(yù)裂爆破防護(hù)示意圖。

3)施工前需對(duì)推進(jìn)控制參數(shù)進(jìn)行研究，建議參數(shù)為:①刀盤(pán)轉(zhuǎn)速≤1.2 r/min，盾構(gòu)推力 ＜20 MN，扭矩＜2 000 kN·m，貫入度＜5 mm;②邊滾刀最大磨損＜15 mm，中心刀最大磨損＜25 mm，超過(guò)需更換。

4)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中嚴(yán)格控制出土量，建議每環(huán)至少檢查并確認(rèn)3次。

5)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)向土艙及時(shí)足量注入渣土改良劑，保持開(kāi)挖面穩(wěn)定，渣土改良可采用泡沫或泡沫+膨潤(rùn)土。

6)可以采用以下防噴涌措施:①土艙中加入高黏度泥漿;②調(diào)短同步注漿漿液初凝時(shí)間;③及時(shí)二次注漿，同時(shí)每5—10環(huán)管片考慮設(shè)一道雙液漿止水環(huán)。

圖7 預(yù)裂爆破防護(hù)示意圖Fig.7 Protection of presplitting blasting

5.2 經(jīng)驗(yàn)及注意事項(xiàng)

盾構(gòu)在上軟下硬地層施工困難大，問(wèn)題多，總結(jié)類似工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)顯得彌足珍貴，主要注意事項(xiàng)如下:

1)施工中遇到異常情況應(yīng)及時(shí)停機(jī)處理。

2)不斷改進(jìn)渣土改良工藝。

3)盡量多設(shè)置換刀加固區(qū)，勤檢查更換刀具。

4)對(duì)巖層預(yù)裂爆破后，仔細(xì)對(duì)殘留孔進(jìn)行封堵，以免盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)地面冒漿。

5)由于對(duì)巖層進(jìn)行了預(yù)裂爆破，隧道洞內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)和進(jìn)行有害氣體檢測(cè)。

6)施工過(guò)程中盾構(gòu)姿態(tài)控制很重要，加強(qiáng)掘進(jìn)參數(shù)控制，對(duì)掘進(jìn)異常情況和參數(shù)異常要有足夠的敏感性。

7)加強(qiáng)地面巡查，做好應(yīng)急處理措施，遇有坍塌及時(shí)圍蔽回填，以免造成不良影響。

6 結(jié)論與建議

盾構(gòu)在上軟下硬地層中施工困難，存在或隱藏的問(wèn)題較多，其一系列問(wèn)題在國(guó)內(nèi)或國(guó)際上都是難題。各個(gè)環(huán)節(jié)都需要注意和慎重對(duì)待。如:廣州市軌道交通六號(hào)線暹崗站—蘿崗站—香雪站區(qū)間，在上軟下硬地層中掘進(jìn)困難，超量出土造成地面坍塌。東莞市城市軌道交通R2線工程西平站—哈地站區(qū)間，在上軟下硬地層施工時(shí)隧道曾出現(xiàn)螺旋輸送機(jī)噴涌，地面塌陷等問(wèn)題。這些都是上軟下硬地層施工中經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題，要盡可能解決和處理好這些困難和問(wèn)題，需要從設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)就要做綜合研究和多方案比選。措施考慮充足，相關(guān)工程量和概算列足，以免工程實(shí)施時(shí)因?yàn)橘M(fèi)用問(wèn)題造成事故。除了設(shè)計(jì)，盾構(gòu)機(jī)選型、配置必須有針對(duì)性，否則后期施工時(shí)難以彌補(bǔ)。施工過(guò)程中對(duì)管理人員和操作人員要求高，應(yīng)做專項(xiàng)培訓(xùn)，同時(shí)經(jīng)驗(yàn)的積累和借鑒也很重要。只有工程參與各方從工程籌劃時(shí)充分考慮到實(shí)施的困難、問(wèn)題，采取有力措施，才能確保盾構(gòu)在上軟下硬地層較順利掘進(jìn)。

［1］ 鄧彬，顧小芳.上軟下硬地層盾構(gòu)施工技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012(2):59－63.(DENG Bin，GU Xiaofang.Study on shield construction technology in soft upper stratum and hard under stratum［J］.Modern Tunnelling Technology，2012(2):59 －63.(in Chinese))

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［6］ TBJ 12—1985鐵道工程地質(zhì)技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1996.(TBJ 12—1985 Code for railway engineering geological technology［S］.Beijing:China Railway Publishing House，1996.(in Chinese))

［7］ 《工程地質(zhì)手冊(cè)》編寫(xiě)委員會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1992.(Compilation Committee of Engineering Geology Handbook.Engineering geology handbook［M］.Beijing:China Architecture＆ Building Press，1992.(in Chinese))

［8］ 朱宏海.混合巖殘積層物理力學(xué)特性及其對(duì)地鐵工程的影響與處理措施［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2013(1):29－34.(ZHU Honghai.Physical and mechanical characteristics of mixed rock eluvium and its influence on Metro works and treatment measures［J］.Modern Tunnelling Technology，2013(1):29 －34.(in Chinese))

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