深圳地铁软硬不均复杂地层盾构施工对策
2011-05-10 19:00
深圳地铁软硬不均复杂地层盾构施工对策
【摘 要】深圳地区地处沿海丘陵台地，地形、地层复杂，有杂填土层、填海块石层、淤泥层、冲洪积层和冲洪残积层等。地铁线路的迅猛增加，使得盾构隧道穿越更多的软硬不均、硬岩、孤石、断裂破碎带和水底浅覆土等复杂地层，施工进度和安全经常受到影响。在这些复杂地层中推进，将大大增加盾构机土舱压力、掘进参数、同步注浆、姿态调整和地表沉降的控制难度，并导致刀具磨损加快等一系列技术问题。文章介绍了深圳地铁5号线在各类复杂地层中盾构施工的经验和做法，对其工程特点和影响进行了分析。本工程通过采用一些辅助工法优化掘进参数，使得盾构机安全顺利地通过了该类区域。
【关键词】深圳地铁复杂地层盾构施工掘进参数施工经验
1、引言
随着城市轨道交通事业的快速发展，盾构法施工技术在北京、上海、广州、深圳等城市地铁建设中得到广泛应用。盾构隧道施工方法及施工参数的选择与其它任何一种地下工程一样，无不受制于施工环境，特别是围岩的工程地质和水文地质特征[1]。由于深圳地铁线路的迅猛增加，盾构隧道将穿越更多的复杂地层，施工中经常遇到影响施工进程和安全的复杂地质情况，如软硬不均地层、硬岩、孤石、断裂破碎带和水底浅覆土层等[2]。在这些复杂地层中推进，将加大盾构机土舱压力、掘进参数、同步注浆、姿态纠偏、土体位移和地表沉降控制等困难，以及刀具磨损加快等一系列技术和理论问题[3]。本文旨在介绍深圳地铁复杂地层盾构施工技术，可为深圳乃至其他城市的地铁建设提供借鉴。
2、深圳复杂地层的特点
深圳地铁5号线全长40.001 km，线路将依次穿越填海片区淤泥层、冲洪积平原、台地丘陵和冲洪残积层。全线共七个标段中有六个标段都存在需采用盾构法施工的区间隧道，盾构隧道穿越淤泥、粘土、砂卵、孤石、硬岩和软硬不均等多种复杂地层，所穿越的区域雨量充沛、地下水丰富，施工难度极大。深圳复杂地层的特点主要表现在以下四个方面。
（1）多样性
地下土层和岩层种类众多。
（2）差异性
地形高低起伏较大；各类岩层风化程度和单轴抗压强度相差甚远，从基本无强度的淤泥质土层到高达200多MPa的燕山期微风化花岗岩均有分布；高强度硬岩质地层掘进距离长。
（3）不均匀性
隧道所经地段地层上软下硬现象十分普遍，花岗岩残积层中存在大量微风化花岗岩孤石。
（4）富水性
穿越众多地下水丰富地区，水量大。
3、复杂地层对盾构施工的影响
盾构在含有孤石地层中掘进，由于孤石与周围岩体强度差异大，因此较难破碎，甚至会顺着刀盘不断移动，易增大对地层的扰动，同时造成刀盘变形、刀具磨损和刀圈崩断等现象，对刀具的抗冲击、耐磨性要求提高。在上软下硬地层中掘进，由于上部围岩自稳能力较差，容易在开挖时发生坍塌，螺旋输送机出土量增多，造成地层空洞的产生，根据时间效应，空洞会发展至地表，造成地表沉降。盾构机掘进至砂卵石层或断裂带等富水地段时，会产生“喷涌”现象，地下水、泡沫和砂土等从螺旋机出口喷涌而出，对施工环境影响较大。盾构在微风化、中风化等硬岩地层中掘进，刀具磨损严重，换刀频率增加，掘进速度缓慢，延误工期，增加成本。在淤泥质土层中推进，由于土体含水量高、承载力低，盾构机姿态较难控制，机身容易产生“低头”，偏离设计轴线，造成地面沉降超限。在粘性土地层中，盾构机刀盘中心区域容易结泥饼，造成刀具偏磨，推进速度减慢。当下穿河流时，若盾体上端与河床距离相距不远，容易因刀盘对周围土体产生扰动，致使刀盘切口处与河床底部裂缝贯通，造成切口冒顶现象。因此，重视盾构在各种复杂地质条件下的施工，是保证盾构顺利掘进的关键。
4、复杂地层盾构施工技术方案
4.1孤石地层
（1）地面预注浆加固地层,盾构机直接破岩通过方案
在对宝翻区间线路进行详勘后，发现有较多的孤石分布，并侵入到隧道开挖范围。为降低盾构施工风险，通过变更设计对线路坡度进行适当调整，避开部分孤石，使得侵入隧道的孤石数由9个降为5个。然后针对线路中为数不多的孤石采用地面袖阀管注浆预先加固地层，降低地层的透气性；在盾构机到达加固区后，在气压模式条件下对刀具进行检查并更换，最后盾构机直接破岩通过。加固平面范围为沿隧道轴线方向5 m、隧道两侧向外各2 m，加固垂直范围为隧道拱顶以上5 m至隧道底板，注浆孔按照1.0 m间距梅花形布置。
（2）深孔爆破处理方案
翻灵区间地层中孤石数量较多，且大小参差不齐，强度差异大，用注浆加固的方法费用较高，也不能选用耗时较长的盾构机超前注浆并静态爆破和冲击钻满堂等方法破碎孤石，若直接推进通过风险较大，在地面具有围挡施工的条件下，采用了深孔爆破处理新技术。深孔爆破是孔深在5 m以上的钻孔爆破技术，可根据孤石的形状、大小来具体确定孔径、深度和装药量大小，对厚度较大的孤石可实施分层爆破。考虑深圳地铁所用海瑞克盾构机的出碴能力，经过螺旋输送机的石块尺寸不能超过40 cm，因此爆破后石块的单边长度应控制在30 cm以下，以利于螺旋输送机顺利出碴。爆破后石块的大小通过调整爆破孔间距和用药量来进行控制。在孤石区域进行围挡施工，然后进行地质钻垂直打孔，钻孔直径为110 mm，孔距和排距均为800 mm。孔内雷管选用毫秒导爆管雷管，起爆雷管选用顺发电雷管，炸药选用乳化炸药，标准直径为φ60 mm。爆破布孔如图1所示。
（3）地表人工挖孔桩或冲孔桩破碎孤石方案
民五区间盾构线路所遇孤石体积较大，采用了地表人工挖孔桩或冲孔桩的方法破碎孤石，设计挖孔直径1.5 m。人工挖孔至孤石位置，采用风钻对孤石打眼，间距300 mm×300 mm，梅花状布置，孔径40 mm。钻孔结束后使用岩石劈裂机对孤石进行破碎，破碎后碴块被清理吊出，破除至盾构机周身范围以外15 cm。孤石破碎后，对孔洞进行粘土回填，并随填随夯，保证密实度，同时在孔中埋设注浆管，回填完毕后对其进行注浆加固。
4.2基岩上浮地段
从以往的勘探经验中发现，当地层中分布着孤石时，往往会有部分基岩隆起，这时可以将这部分基岩和孤石一同处理。若不处理，盾构机推进时姿态不易控制，容易抬头，甚至偏离设计轴线方向，刀具磨损严重。如若处理，则工程量又比较浩大，工期和费用均要相应增加。当地层中基岩上浮区域较小时，可以采取冲孔桩将盾构隧道内范围基岩冲碎，然后回填C15素混凝土。当基岩突起区域较大时，继续采用冲孔桩的处理方法不但工期较长而且极不经济，若采用爆破的方法则其爆破效果也不易控制。因此，大西区间两处近50 m的基岩突起地段在预定换刀位置采用800 mm厚素混凝土连续墙+φ600@500旋喷桩加固，其它区域则采用袖阀管注浆进行适当加固，减少土层和基岩的强度差异，保证盾构机掘进时的姿态控制。加固区段平面布置如图2所示。
4.3上软下硬地层
深圳地质状况起伏较大，软硬不均现象明显，地铁施工时常遇到岩性变化较大的地层，其中以上软下硬现象居多，致使盾构机掘进姿态控制困难，易发生盾构机向上偏移事故，同时工况转换频繁也会对地层产生扰动，易造成较大地表变形。在上软下硬地层中掘进，需要做到以下控制措施。
（1）根据已掌握的地质资料，以及盾构机的参数变化来判断是否进入了上软下硬地层，从而及时采取相应措施，做到防患于未然。
（2）一旦确定了上软下硬地层的具体位置，就要加强盾构机的轴线及姿态控制。利用海瑞克盾构配备的SLS-T激光导向系统观测盾构掘进线路与设计线路间差异。
（3）通过调整盾构机千斤顶推力组合来改变刀盘开挖角度，使下部较硬岩层充分破碎，适当加大硬岩区的顶推力，保证轴线位置和隧道坡度的要求。
（4）采用半敞开模式掘进，向土舱注入压缩空气和泡沫等人工材料来进行辅助开挖。这样既可以防止上部掌子面坍塌，又利于检查清理刀盘和更换刀具，保证掘进顺利进行。
（5）当上部土体自稳能力较差时，应当降低盾构机推力及刀盘扭矩，减小对地层的扰动，防止产生地层液化塌陷。若发现盾构机多出土，应该立即在地表有条件的地方压注双液浆填充加固地层，避免地表塌陷，加强沉降监测，对不良地段和重要建筑物处进行超前注浆等地层加固措施。
（6）适当加大泡沫注入量来改良碴土，减少刀具及刀盘的磨损，防止刀盘中心泥饼的形成。若发现盾构机推进速度降低、推力和扭矩均增大，同时碴土温度升高，则可以判断刀盘有结泥饼的趋势，甚至已经结了泥饼，此时要进一步增加泡沫注入量，通过正反转刀盘来阻止泥饼的进一步形成。
4.4硬岩地层
（1）直接推进
长百区间地层以花岗岩为主，岩质坚硬，最大单轴抗压强度295 MPa。考虑到工期要求及变换工法带来的不便，仍然采用盾构法施工。掘进时采用敞开式的掘进模式，参数设定遵循“高转速、小扭矩，大推力”的原则。“高转速、小扭矩”是为了避免在较高的扭矩下，刀具被崩断，产生非正常损坏。“大推力”是相对于软土地层而言，在硬岩掘进中，为了保持一定的贯入度，盾构机需要有足够的推力。正常推进时速度宜控制在30 mm/min之内，在岩石单轴抗压强度大于40 MPa的情况下，刀具贯入度取3 mm/r以下。由于刀具和岩层的剧烈挤压和摩擦，产生大量的热量，土舱内温度高达80℃，隧道内温度也达到近40℃，盾构机的液压油温很快达到报警值，迫使盾构机停止掘进，严重影响了正常的掘进，因此需要保证冷却水循环和通风系统的正常工作来降低刀盘和隧道内的温度。在硬岩中掘进，刀具磨损严重，换刀频率加大。周边滚刀在达到10～15 mm的磨损量即要进行更换，保证开挖轮廓，否则就有盾构机被卡住的风险。
（2）矿山法加盾构空推通过
当硬岩距离大于100 m、且岩体强度大于盾构机设计的150 MPa的破岩能力时，一般不使用盾构机直接硬推。硬推不仅使刀具磨损严重、换刀频率加大，而且有可能损坏刀盘，加上推进速度缓慢，甚至造成工期延误。此时采用矿山法加盾构空推的方法比较合理。
翻灵区间和布百区间均采用了盾构空推的方法通过长距离硬岩段。为了保证盾构机安全、快速、高效、优质地通过矿山段，必须在矿山开挖段隧道底部60°范围内预先施作钢筋混凝土模筑导台，其中心线与隧道中心线重合。导台可为盾构机提供精确导向，确保盾构机保持良好的推进姿态，保证管片拼装质量，达到预期的防水效果。为了给盾构机推进时提供反力，为导台达到设定强度后，在矿山隧道内堆砌长度为25 m的豆砾石，若矿山法施工质量较好、渗漏水量很少也可采用堆砌粘性土。前15 m采用全断面堆积，后10 m采用半断面堆积，堆石总方量为778 m3，堆土布置如图3所示。
盾构机推进时，碴土密封刀盘前方横断面推力大于止水条密封的最小要求（250 t），当土压（1号传感器）达到80 kPa或推力达到800 t时，开启螺旋输送机出土。推进速度不宜过快，控制在10～25 mm/min之间，同时往盾体与暗挖初期支护的间隙内吹填豆砾石。同步注浆正常开启，管片选型要根据盾尾间隙与油缸行程差并结合盾构姿态选择合适的管片，管片拼装工艺与正常掘进时的工艺相同。
4.5淤泥质粘土层
前临区间通过填海片区淤泥层，结构松软，承载力低，含水量高，容易产生触变、流变。盾构机主要在淤泥层下粘性土层中通过，盾构机掘进时会对地层产生较大扰动，引起地基变形和失稳；刀盘中心区域容易结泥饼，造成掘进速度降低、切削扭矩增大，同时造成土舱内温度升高，影响主轴承密封的寿命，严重时会造成主轴承密封老化破坏。螺旋输送机由于排土不畅而无法形成土塞，排土口易产生喷涌，由于上层淤泥土流变性强，易下陷，可能会造成开挖面失稳，引发地层坍塌。该地层中的施工对策如下：
（1）由于地层承载力低，盾构机姿态难以控制，容易出现"低头"现象，此时应加大底部千斤顶推进油缸的推力组合，将姿态纠正上来.
（2）管片拼装后，隧道容易产生整体下沉的趋势，因此，在盾构推进时，应该预先将隧道轴线向上抬高20～30 mm。
（3）增加泡沫注入量，改善碴土的流动性，减小开挖面泥饼生成的机会；若排土困难，也可在螺旋输送机内加入泡沫，以利于碴土排出。
（4）认真对待监控量测工作，当发现地层总沉降量超限或是单日沉降速度加快时，要立即进行二次注浆，如果仍不能控制沉降，则应进行地表注浆加固。
4.6砂层地段
盾构一标临宝区间隧道局部通过砂层及圆砾层，由于在砂卵石层中土的摩擦阻力大，透水性好，所以难以保持土舱内砂土的流塑状态，致使盾构机在该地层掘进过程中土舱内不易形成连续的土压，容易形成喷涌和地层坍塌事故。为了使盾构机顺利地通过砂层，应采取如下技术措施。
（1）通过泡沫系统向掌子面注入膨润土浆液，在掌子面形成一层致密的泥膜，产生土塞效应，降低砂土的透水性，从而降低螺旋输送机出碴口喷涌的可能性。
（2）将盾构掘进速度控制在20 mm/min左右，避免盾构机推力和扭矩增大。
（3）注入泡沫效果与压注泡沫压力有密切关系，且与土压力值相关。在穿越全断面粉砂土时，为使泡沫达到理想效果，应将泡沫压力设定得比土压力值大些。
（4）保证同步注浆量和注浆压力充足，以此填充管片脱出盾尾后衬砌与周围地层之间的空隙，封堵水力通道。由于砂土中空隙较大，同步注浆压注量比一般土层要多，按建筑空隙的250％压注。
（5）为了防止前方掌子面坍塌，采用土压平衡的掘进模式，严格控制每环出土量，若发现盾构机多出土，则应该立即在地表有条件的地方注双液浆加固地层，避免地层空洞发展至地表。
4.7下穿河流段
深圳市河流密集，地铁5号线相继下穿双界河、新圳河、大沙河和布吉河。盾构穿越河流时，应视其与河床的距离、地质条件，以及河流宽度和水流量来选择施工方案，若隧道拱顶与河流底部相距10 m以上，一般可以通过优化掘进参数直接掘进通过。但由于隧道在布吉河段覆土只有5 m，盾构通过时有切口冒顶的风险。因此在盾构机通过前，先在河段两端施做围堰，将水截断，在围堰中间架设3条直径1.2 m的钢管作为过水管，将上游水引渡到下游，保持河流排水畅通，然后采用旋喷桩加固河床，并在河底浇注钢筋混凝土板。布吉河河床加固见图4。
由于布吉河下伏土为强风化地层，地层中岩石整体性差，结构松软，掌子面自稳性较弱，为了避免掌子面发生涌水、涌泥等情况的发生，采用土压平衡掘进模式，保证盾构前方土体不坍塌。盾构机在过河前，盾构姿态、管片姿态须调整到位，切不能出现“抬头”现象，严谨在过河时超量纠偏、蛇形摆动，从而减少对围岩的扰动。严格碴土管理，每环出土量控制在55 m3以内，总推力控制在800 t左右，在保证安全的情况下尽快通过，控制盾构机与隧道设计轴线的偏差不大于±20 mm，河床沉降量控制在+5～-10mm。施工过程中对管片及河床加强监测，一旦管片出现上浮立即进行压重处理，为弥补同步注浆的不足，应采用二次补强注浆。
5、结论
在地铁修建过程中，线路遇到复杂地层，将会给盾构施工带来诸多不便，甚至不得不变更调整工法，使得工程造价增加。为了保证盾构安全顺利掘进，可以采用注浆加固、爆破、盾构与矿山法结合等各种辅助措施。通过对深圳地铁5号线盾构施工经验总结，盾构下穿复杂地层施工时，要做好以下几点：
（1）地质勘查要详细、准确。地勘报告是设计和施工的第一手资料，只有做好了地勘工作，才能对各种复杂地层选择合适的工法。
（2）配置适宜的盾构机。虽说海瑞克复合式土压平衡盾构机能够应对多种复杂地层，但是在某些地层中的适宜性仍显不足，尤其是要加强盾构机在孤石地层中掘进施工的能力，可研究在合适的地层采用泥水平衡盾构机。
（3）优化掘进施工参数。当地勘工作准确无误，并选择了适宜的盾构机之后，只要控制好盾构机在复杂地层施工中的掘进参数，就能够实现其安全快速推进的目标。
（4）盾构机在复杂地层施工中的掘进成败关键在操作人员，要加强对盾构机操作员的技术培训，提高对复杂地层的认识和应变能力。
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