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

（深圳市勘察測(cè)繪院（集團(tuán)）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(gòu)隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)問題日益突出，尤其是巖土問題相關(guān)的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。深圳特區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地下空間的開發(fā)中對(duì)隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)和應(yīng)對(duì)，越來越引起業(yè)界的廣泛關(guān)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(shí)也對(duì)城市隧道的勘察帶來了新的轉(zhuǎn)變和思考，如何做好盾構(gòu)隧道的巖土工程勘察，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)盾構(gòu)隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)，并提出措施和技術(shù)對(duì)策成為關(guān)鍵，本文結(jié)合深圳媽灣跨海通道項(xiàng)目，總結(jié)了盾構(gòu)實(shí)踐中遇到的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，分析主要問題和困難，相應(yīng)地提出了技術(shù)對(duì)策，并對(duì)如何做好城市盾構(gòu)隧道勘察提出了幾點(diǎn)建議，為深圳地區(qū)及類似地區(qū)的城市盾構(gòu)隧道工程研究提供參考及一定的指導(dǎo)。

1 項(xiàng)目概況

媽灣跨海通道工程位于深圳市西部，國內(nèi)首屈一指的超大直徑海域復(fù)合地層盾構(gòu)法隧道工程，全線總長約8.05km，其中盾構(gòu)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(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施分析

媽灣跨海通道工程位于深圳前海片區(qū)，地質(zhì)及周邊環(huán)境的特點(diǎn)特別突出，尤其是非均質(zhì)差異性大、軟硬不均的地層在其他城市建設(shè)中很少遇到。該復(fù)合地層對(duì)于盾構(gòu)施工來講是極其困難的，且因沒有太多類似工程經(jīng)驗(yàn)，施工風(fēng)險(xiǎn)和施工難度相當(dāng)大。盾構(gòu)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(fù)雜地層，該區(qū)地下水豐富，斷裂帶發(fā)育，分析認(rèn)為盾構(gòu)施工主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)有：

①軟硬不均地層掘進(jìn)。隧道斷面內(nèi)上部為黏土、全～強(qiáng)風(fēng)化巖，下部為中～微風(fēng)化巖；上部黏土中黏粒含量可達(dá)75.8%，盾構(gòu)推進(jìn)過程中極易造成刀盤結(jié)泥餅，刀具磨損嚴(yán)重，需大量刀具更換工作。上軟下硬致使盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)控制困難，易使盾構(gòu)機(jī)向上偏移，工況轉(zhuǎn)換頻繁，對(duì)地表沉降、開挖面穩(wěn)定、盾尾密封等控制難度極大。

對(duì)于軟硬不均地層盾構(gòu)掘進(jìn)前，應(yīng)進(jìn)行超前地質(zhì)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(duì)填石清除后再做加固?；鶐r突起區(qū)段，對(duì)盾構(gòu)區(qū)間侵入隧道內(nèi)2m 的微風(fēng)化巖進(jìn)行預(yù)爆破處理，但要注意對(duì)爆破孔的封孔處理。

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

盾構(gòu)在硬巖中掘進(jìn)，刀具磨損嚴(yán)重，換刀頻率加大，同時(shí)也易造成盾構(gòu)機(jī)卡殼現(xiàn)象。對(duì)于全斷面硬巖掘進(jìn)，應(yīng)設(shè)置合理的掘進(jìn)參數(shù)和同步注漿參數(shù)、配置適用于硬巖掘進(jìn)的刀具。

③斷裂帶掘進(jìn)。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(qiáng)度為15.0MPa。

盾構(gòu)在斷裂帶中掘進(jìn)時(shí)水壓較高、水量大，巖層破碎、塊度大、地質(zhì)松散等特點(diǎn)，盾構(gòu)在掘進(jìn)時(shí)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(dāng)可能出現(xiàn)坍塌、滲水被淹等災(zāi)難性安全事故。應(yīng)查明斷裂帶的性狀，與隧道的位置關(guān)系，設(shè)置有針對(duì)性掘進(jìn)參數(shù)，加強(qiáng)同步注漿質(zhì)量。

④盾構(gòu)穿越既有前海大堤及大鏟灣沉箱結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)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(nèi)為軟硬不均復(fù)核地層，上部為全～強(qiáng)風(fēng)化巖，下部為中風(fēng)化巖，中風(fēng)化巖侵入斷面約3.0～3.5m。大鏟灣一期碼頭結(jié)構(gòu)采用沉箱重力式結(jié)構(gòu)，沉箱底寬14.1m，長17.98m。

在穿越南岸大堤和大鏟灣沉箱結(jié)構(gòu)前，對(duì)其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式、大堤處填石深度進(jìn)行詳查，明確分布情況。盾構(gòu)推進(jìn)過程中，嚴(yán)格控制平衡泥水壓力，控制推進(jìn)速度，盾構(gòu)及時(shí)糾偏，并做好同步注漿管理，同時(shí)在地面做好大堤變形監(jiān)測(cè)。穿越后，持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)實(shí)際地面沉降情況，進(jìn)行隧道內(nèi)壁后補(bǔ)壓漿。

⑤長距離、深覆土下穿海域水底段。盾構(gòu)穿越海域段掘進(jìn)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(fù)合地層和全斷面硬巖層。

盾構(gòu)推進(jìn)過程中，嚴(yán)格控制切口水壓波動(dòng)范圍，合理設(shè)定推進(jìn)速度，防止海底冒漿。當(dāng)發(fā)現(xiàn)水底冒漿時(shí)，如果是輕微冒漿，在不降低開挖面水壓下能進(jìn)行推進(jìn)，則向前推進(jìn)（并使用堵漏型泥水材料），應(yīng)適當(dāng)加快推進(jìn)速度，提高拼裝效率，使盾構(gòu)盡早穿過冒漿區(qū)。對(duì)海域河床及水位監(jiān)測(cè)，必要時(shí)增加監(jiān)測(cè)頻率。

⑥淺覆土盾構(gòu)掘進(jìn)。

本標(biāo)段盾構(gòu)接收段為淺覆土（小于隧道直徑）施工區(qū)。盾構(gòu)頂最小覆土僅為10.5m，淺覆土段上部為軟土，下部為全風(fēng)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(yīng)保持平穩(wěn)推進(jìn)，減少對(duì)土體的擾動(dòng)，同時(shí)，合理分配注漿量，確保及時(shí)充填盾尾間隙。

⑦超大直徑盾構(gòu)交匯。

媽灣跨海通道工程左右線采用相向推進(jìn)的盾構(gòu)掘進(jìn)方式，左右線隧道最小凈距離為13.34m。盾構(gòu)推進(jìn)交會(huì)推進(jìn)對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)控制及成型隧道的保護(hù)都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

盾構(gòu)交匯前，復(fù)核測(cè)量盾構(gòu)機(jī)里程，確定左右線盾構(gòu)機(jī)交匯位置，做好施工監(jiān)測(cè)和突發(fā)事故應(yīng)急處理。

3 盾構(gòu)隧道勘察建議

盾構(gòu)機(jī)的選型設(shè)計(jì)和施工參數(shù)的設(shè)定必須與地質(zhì)條件相適應(yīng)，即盾構(gòu)機(jī)要做到“吃得下、排的出、穩(wěn)得住”[3]，才能有效預(yù)判盾構(gòu)隧道施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，并提前采取相應(yīng)技術(shù)對(duì)策。這就對(duì)盾構(gòu)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(zhì)條件，還要對(duì)盾構(gòu)法相關(guān)的巖土工程問題進(jìn)行專項(xiàng)研究[4]，并提出處理措施和建議。

3.1 調(diào)查工程場(chǎng)地周邊環(huán)境

針對(duì)項(xiàng)目所處場(chǎng)地特點(diǎn)，勘察作業(yè)應(yīng)首先考慮收集周邊工程資料，走訪調(diào)查項(xiàng)目沿線周邊環(huán)境，主要查明地上地下建構(gòu)筑物，尤其是沿線地下管線、老舊基礎(chǔ)（樁基、錨索）、人防工程等，盾構(gòu)機(jī)刀盤很難處理這些地下障礙物，會(huì)給盾構(gòu)掘進(jìn)帶來較大困難。

調(diào)查場(chǎng)地周邊環(huán)境，尤其是摸清地下建構(gòu)筑物，可提前對(duì)其選擇改線避讓、加固或破除，施工工單位也能有針對(duì)性地做好施工組織和應(yīng)急預(yù)案，合理正確地選擇盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，避免盾構(gòu)掘進(jìn)過程中遇到不明障礙物所產(chǎn)生的各種風(fēng)險(xiǎn)。在媽灣跨海通道工程盾構(gòu)掘進(jìn)過程中就遇到了混凝土攪拌站未拆除的老基礎(chǔ)，給盾構(gòu)機(jī)刀盤造成了嚴(yán)重的損壞。對(duì)于地下不明構(gòu)筑物的調(diào)查要引起足夠重視。

3.2 查明巖土層性狀

對(duì)于黏性土地層，易導(dǎo)致刀盤結(jié)泥餅，應(yīng)查明黏粒含量。對(duì)于軟弱土層，土層易擾動(dòng)，盾構(gòu)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(yīng)結(jié)合老地形圖，鉆探查驗(yàn)，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(shí)度，進(jìn)行礦物含量、顆粒分析等，卵石類地層查明粒徑及膠結(jié)情況。對(duì)于復(fù)合地層，“上軟下硬”會(huì)引起工況轉(zhuǎn)換頻繁，刀具磨損嚴(yán)重，地面變形大，開挖面不穩(wěn)等問題，應(yīng)采用物探和鉆探相結(jié)合手段，查明軟硬界面、巖石風(fēng)化界面、軟土、砂土層與風(fēng)化巖界面。對(duì)于基巖，應(yīng)查清耐磨率、單軸抗壓強(qiáng)度、基巖礦物成分等。

媽灣項(xiàng)目對(duì)于軟土層，進(jìn)行了土工試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明固結(jié)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(shí)間不同，但是經(jīng)過處理后彼此的淤泥層性質(zhì)差異不大。

對(duì)于殘積土及風(fēng)化巖進(jìn)行了全顆分，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，大于0.075mm 的顆粒質(zhì)量大于50%，見表1。

表1 殘積土及風(fēng)化巖全顆分統(tǒng)計(jì)表

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

圖1 基巖強(qiáng)度對(duì)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(duì)高一些（圖2）。

對(duì)區(qū)間盾構(gòu)基巖礦物成分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(gòu)機(jī)與地質(zhì)的適應(yīng)性決定盾構(gòu)能否順利推進(jìn)，而查明巖土層性狀是盾構(gòu)機(jī)選型的關(guān)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、刀具選型布置、渣土改良裝置設(shè)計(jì)以及排渣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。媽灣跨海通道工程勘察過程中盾構(gòu)選型關(guān)注的巖土層性狀進(jìn)行了針對(duì)性分析，對(duì)于后期盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)及優(yōu)化起了決定性作用，同時(shí)指導(dǎo)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(jī)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(zhì)

斷層破碎帶巖性復(fù)雜，穩(wěn)定性差，含承壓水，水量豐富，且透水性好，盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)易造成泥水逃逸，導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)，甚至造成重大事故。

盾構(gòu)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(zhì)重膠結(jié)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(yàn)，破碎巖滲透系數(shù)為4.05×10-2cm/s，碎裂巖的單軸抗壓強(qiáng)度為15.0MPa。

查清斷層破碎帶范圍、巖性和水文特征，對(duì)于盾構(gòu)切口水壓、掘進(jìn)速率、同步注漿等參數(shù)的設(shè)定非常關(guān)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(shè)置了合理的掘進(jìn)參數(shù)，避免了刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí)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(gòu)順利快速穿越斷層破碎帶。

3.4 查清水文地質(zhì)

盾構(gòu)穿越地表水體是一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，可能會(huì)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(guān)土層滲透性、連通性成為關(guān)鍵。

媽灣項(xiàng)目對(duì)于地下水位進(jìn)行了觀測(cè)，結(jié)合相關(guān)水文試驗(yàn)，認(rèn)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(zhì)特征對(duì)盾構(gòu)機(jī)選型起著決定性作用，也對(duì)施工安全至關(guān)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(jìn)行了水文地質(zhì)專項(xiàng)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(dǎo)了盾構(gòu)機(jī)密封油脂壓力設(shè)定、注漿壓力設(shè)定、土倉內(nèi)壓力設(shè)定、渣土改良劑濃度和摻入比等盾構(gòu)密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中未出現(xiàn)滲水、漏水等問題。

4 結(jié)論

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

②盾構(gòu)始發(fā)前應(yīng)對(duì)各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行專題研究。長距離軟硬不均地層可采用預(yù)爆破處理，硬巖地層應(yīng)設(shè)置合理掘進(jìn)參數(shù)和同步注漿參數(shù)，穿越斷層帶時(shí)應(yīng)結(jié)合斷層性狀及對(duì)隧道的影響制定有針對(duì)性方案，穿越既有構(gòu)筑物時(shí)，應(yīng)做好地面監(jiān)測(cè)，控制盾構(gòu)平衡壓力，平穩(wěn)推進(jìn)，穿越地表水體時(shí)重點(diǎn)保持切口水壓力穩(wěn)定，提高同步注漿質(zhì)量，增加備用泵及堵漏材料，及時(shí)排水、堵漏，左右線盾構(gòu)交匯時(shí)，確定好交匯位置后，通過總結(jié)不同地層下盾構(gòu)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，以求達(dá)到盾構(gòu)以最合理的施工參數(shù)交匯施工。

③城市盾構(gòu)隧道勘察應(yīng)先調(diào)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(duì)于巖土層性狀，應(yīng)重點(diǎn)查明滲透系數(shù)、抗剪強(qiáng)度、顆分曲線、巖石抗壓、抗拉強(qiáng)度、巖石RQD、完整性等，還要查明斷層、風(fēng)化孤石、巖溶等不良地質(zhì)作用，應(yīng)進(jìn)行專題研究，最后，對(duì)于水文地質(zhì)條件勘察應(yīng)重點(diǎn)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(guān)土層滲透性等。另外，除了對(duì)地質(zhì)條件分析評(píng)價(jià)外，還應(yīng)預(yù)測(cè)可能發(fā)生的巖土工程問題，并提出相應(yīng)的技術(shù)對(duì)策和建議。