沿海花崗巖復(fù)合地層地鐵盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

王曉偉

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

圖1 沙石區(qū)間地質(zhì)斷面圖

圖2 上沙區(qū)間孤石分布圖

1 復(fù)合地層盾構(gòu)施工特點(diǎn)和難點(diǎn)

1.1 普遍性和難以避免性。深圳沿海地區(qū)孤石分布存在不均勻離散性大、埋藏深度大、空間賦存特性不規(guī)則等特性；沿海地層變化多端，巖層起伏大，埋藏淺，上軟下硬地層難以避免，因此，復(fù)合地層具有普遍性和難以避免性。

1.2 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)難以控制。盾構(gòu)機(jī)上軟下硬巖層推進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)易抬頭、土方超挖；遇花崗巖球狀風(fēng)化體刀具破碎時(shí)無(wú)法固定，常在刀盤前滾動(dòng)，因此，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)難以控制。

1.3 刀具損壞嚴(yán)重且更換困難。上軟下硬地層短距離內(nèi)就整盤刀可能損壞殆盡，需頻繁換刀，而開(kāi)挖面上半部自穩(wěn)性差，給換刀帶來(lái)極大困難和風(fēng)險(xiǎn)；遇花崗巖球狀風(fēng)化體時(shí)，刀具損壞嚴(yán)重甚至直接崩壞，地層擾動(dòng)，開(kāi)倉(cāng)換刀困難。

1.4 地面沉降難以控制，易造成地面塌方、建筑物開(kāi)裂損壞。復(fù)合地層刀具周期性碰撞刀盤振動(dòng)很大，且掘進(jìn)速度非常慢，對(duì)地層的擾動(dòng)比較大，同時(shí)，上部軟弱地層穩(wěn)定性差，易坍塌，造成地層沉降大，甚至引起塌方及上方建（構(gòu)）筑物損壞。

1.5 盾構(gòu)機(jī)易被被動(dòng)停機(jī)。盾構(gòu)遇孤石時(shí)，孤石刀盤前方滾動(dòng)極易造成刀具損壞嚴(yán)重，掘進(jìn)困難，上軟下硬地層掘進(jìn)邊緣滾刀及擴(kuò)挖刀極易被損壞，地層擾動(dòng)，同時(shí)如無(wú)法帶壓開(kāi)倉(cāng)換刀，會(huì)造成卡盾趴窩而被動(dòng)停機(jī)。

1.6 工期和處理費(fèi)用高。孤石深孔爆破、沖孔回填等預(yù)處理不影響工期，但處理費(fèi)用高，遇未探明孤石造成盾構(gòu)機(jī)趴窩時(shí)，需要地面鉆孔注漿加固或打豎井等措施解救盾構(gòu)，費(fèi)用高，且嚴(yán)重影響工期；上軟下硬崗巖地層刀具損壞嚴(yán)重且更換頻繁，開(kāi)倉(cāng)換刀困難、卡盾，造成進(jìn)度緩慢，對(duì)成本、工期影響很大。

2 主要工藝原理及工藝流程

首先對(duì)即將施工的地層進(jìn)行補(bǔ)充勘探，通過(guò)詳細(xì)掌握地層地質(zhì)狀況，判斷硬巖的分布、比例及深度關(guān)系，在盾構(gòu)未到達(dá)該區(qū)段前，對(duì)存在的孤石、基巖凸起采取“深孔爆破法”、注漿等預(yù)處理；根據(jù)掘進(jìn)地段的地質(zhì)狀況、硬巖比例配備針對(duì)性刀具，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，包括掘進(jìn)推力、壓力，并根據(jù)實(shí)際情況控制刀盤掘進(jìn)時(shí)的轉(zhuǎn)速；每5～10環(huán)檢查一次刀具，發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)參數(shù)變化時(shí)立即開(kāi)倉(cāng)檢查，做到勤檢查、勤換刀，特別注意邊緣滾刀及時(shí)更換，盡量避免被動(dòng)換刀；改良正面土體，降低刀盤形成泥餅的概率，減少刀具偏磨，必要時(shí)開(kāi)倉(cāng)清泥餅；遇未處理孤石和地面坍塌及時(shí)處理（圖3）。

其次，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平能夠影響基本公共服務(wù)水平。經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度較高的城市，把主要資源投入經(jīng)濟(jì)發(fā)展，其基本公共服務(wù)水平未必很高。然而，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低的城市，其基本公共服務(wù)水平卻普遍較低。在中國(guó)當(dāng)今的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展體制下，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低的地方，往往會(huì)首先把主要資源投入經(jīng)濟(jì)發(fā)展，投入對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)拉動(dòng)較大的項(xiàng)目中，而對(duì)于與GDP關(guān)系不大的民生類項(xiàng)目的投入則缺乏應(yīng)有的動(dòng)力。反過(guò)來(lái)說(shuō)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低的地區(qū)，財(cái)政收入也直接制約了各項(xiàng)基本公共服務(wù)財(cái)政支出的規(guī)模。

圖3 復(fù)合地層施工工藝流程圖

3 主要施工工藝及方法

3.1 地質(zhì)補(bǔ)勘

微動(dòng)探測(cè)法探測(cè)方便快捷，施工前對(duì)不良地質(zhì)范圍及詳勘不到位處采用微動(dòng)探測(cè)法探測(cè)，進(jìn)一步探清隧道掘進(jìn)范圍硬巖分布及特性、上軟下硬地層的位置及長(zhǎng)度，并對(duì)存在孤石、上軟下硬地層及全斷面硬巖地層等特殊區(qū)域進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，確定盾構(gòu)掘進(jìn)范圍內(nèi)詳細(xì)地質(zhì)狀況，最終明確區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)安全等級(jí)。

3.2 復(fù)合地層預(yù)處理

對(duì)上沙區(qū)間探明的孤石和砂石區(qū)間微風(fēng)化基巖凸起地段進(jìn)行了深孔爆破預(yù)處理，對(duì)砂石和石皇區(qū)間的上軟下硬地層進(jìn)行了攪拌樁注漿加固處理。

3.2.1 深孔爆破預(yù)處理

按照前期準(zhǔn)備→鉆孔施工→裝藥及填塞→起爆→爆破質(zhì)量檢順序施工。3.2.1.1 前期施工準(zhǔn)備。進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)和方案專家評(píng)審和批復(fù)，現(xiàn)場(chǎng)交通疏解及施工圍擋，張貼爆破“安民告示”，同時(shí)對(duì)鉆孔工人、爆破施工人員進(jìn)行安全、技術(shù)交底，將布孔原則，鉆孔允許偏差等技術(shù)要求傳達(dá)給所有施工人員。計(jì)算確定單耗q、梅花形布孔（間排距0.8 m）、先邊緣孔后中間孔起爆順序和裝藥結(jié)構(gòu)。爆破設(shè)計(jì)示意如圖4所示。3.2.1.2 鉆孔施工。首先炮孔定位，鉆機(jī)就位；接著鉆孔施工，嚴(yán)格按現(xiàn)場(chǎng)布孔鉆孔，記錄基巖面標(biāo)高、孤石面的標(biāo)高并將炮孔編號(hào)，芯樣拍照、記錄及技術(shù)分析；最后炮孔驗(yàn)收，炮孔上下暢通能裝入套管及藥包筒，做好護(hù)壁及成孔工作。3.2.1.3 裝藥及填塞。設(shè)置裝藥施工警戒；而后炮孔裝藥，藥包筒加工好后下藥包，藥包懸位置準(zhǔn)確，用鐵絲固定在套管壁上；裝藥完成后填塞作業(yè)，孔內(nèi)填碎米石至指定位置，導(dǎo)線理順至安全位置，覆蓋防護(hù)；人員撤至安全地點(diǎn)后，由有經(jīng)驗(yàn)爆破技術(shù)人員和爆破員按設(shè)計(jì)進(jìn)行起爆網(wǎng)絡(luò)連接；以爆破中心周圍50米為警戒線進(jìn)行安全警戒，統(tǒng)一爆破警戒信號(hào)和起爆信號(hào)，爆破前派人員清場(chǎng)。3.2.1.4 起爆。爆破員鳴哨示警兩次，確認(rèn)安全后方可起爆。爆破完畢，經(jīng)檢查現(xiàn)場(chǎng)無(wú)誤后，解除警戒命令。3.2.1.5 爆破質(zhì)量檢驗(yàn)。鉆孔取芯，隧道縱向每5延米抽檢一孔，抽取完整巖芯單向長(zhǎng)度≤30cm為合格，否則，補(bǔ)孔二次爆破。

圖4 厚度2.0 m以下及以上、重疊孤石爆破布孔示意圖

3.2.2 攪拌樁注漿加固預(yù)處理

加固采用三重管旋噴樁，加固區(qū)呈倒L型，加固區(qū)示如圖5所示。

圖5 -29-4-3上軟下硬地段地面加固區(qū)示意圖

3.3 復(fù)合地層正常掘進(jìn)

3.3.1 提前籌劃，做好準(zhǔn)備工作

3.3.1.1 進(jìn)行盾構(gòu)適用性選型配置，選用?6280海瑞克土壓平衡復(fù)合盾構(gòu)，6輻條刀盤，35%開(kāi)口率，18吋全斷面滾刀的刀具配置形式。3.3.1.2 在工程施工前，根據(jù)工程地質(zhì)條件，提前制定刀具更換計(jì)劃，對(duì)換刀困難的地段進(jìn)行預(yù)加固，以增加換刀的安全性，預(yù)加固地點(diǎn)寧可提前也不能滯后，否則就會(huì)失去作用。3.3.1.3 盾構(gòu)機(jī)施工進(jìn)入孤石和上軟下硬等復(fù)合地層前，在具備條件的地段停機(jī)進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)設(shè)備檢查、修復(fù)，更換磨損超過(guò)規(guī)范的刀具，并更換上符合該地層掘進(jìn)的重型滾刀。

3.3.2 掘進(jìn)過(guò)程中合理選擇、控制掘進(jìn)參數(shù)，保證盾構(gòu)連續(xù)掘進(jìn)。3.3.2.1 控制掘進(jìn)參數(shù)。①推力：推力過(guò)大容易造成刀盤卡死，對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的能力要求相應(yīng)增高，推力過(guò)小則刀具對(duì)土體切削力不夠，盾構(gòu)掘進(jìn)速度慢，對(duì)上覆土體擾動(dòng)太大，一般掘進(jìn)推力不超過(guò)1400t。②刀盤轉(zhuǎn)速：復(fù)合地層中掘進(jìn)時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)速太快會(huì)使刀具受到?jīng)_擊力太大而導(dǎo)致刀具崩壞，所以刀盤轉(zhuǎn)速不能快，緩慢勻速。刀盤轉(zhuǎn)速在1.2 ～1.6 rpm為宜。③土倉(cāng)壓力：復(fù)合地層中掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)速度較慢扭矩較大，保持真正的壓平衡比較困難，可以采取氣壓平衡模式掘進(jìn)。④出土量：由于推進(jìn)速度慢，刀盤切削下來(lái)的渣土較少，而螺旋輸送機(jī)等排土器每工作一次的出土量又很大，往往會(huì)造成因軟土部位的超挖和過(guò)量出土造成地面沉降異常，甚至坍塌。因此，復(fù)合地層中掘進(jìn)嚴(yán)格控制每一循環(huán)排土器工作的次數(shù)，嚴(yán)格控制出土量，必要時(shí)，在渣斗中劃上刻度，以便計(jì)算和控制出土量，達(dá)到平衡出土。⑤渣土管理：為更好的控制土倉(cāng)壓力，增大土倉(cāng)內(nèi)渣土的止水性等，采取措施保持泡沫系統(tǒng)工作狀況良好，并及時(shí)添加泡沫劑，使渣土具有很好的軟流塑狀。當(dāng)掌子面地層的滲透性很好時(shí)，則需要向土倉(cāng)內(nèi)添加膨潤(rùn)土等改良渣土。否則，很可能發(fā)生渣土噴涌，直接導(dǎo)致地層超挖而地面沉降。實(shí)踐證明，這是非常必要的。同時(shí)，時(shí)刻注意渣土的稀稠、土的含量、石塊的含量和石塊的大小、棱角、顏色等，判斷掌子面的地層情況。⑥渣土溫度：時(shí)刻測(cè)量渣土溫度，如果渣土溫度在短時(shí)間內(nèi)升高，立即停止掘進(jìn)，分析渣土升高的原因，觀察是否是泡沫系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題；需要降低刀盤溫度時(shí)，不能加水，應(yīng)加入稀的膨潤(rùn)土泥漿。在頂部為全風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化巖的復(fù)合地層石中加水會(huì)造成掌子面坍塌。3.3.2.2 控制噴涌。①盡量滿倉(cāng)方式保持連續(xù)掘進(jìn)，避免掌子面前方土體內(nèi)部形成流水通道；②出現(xiàn)噴涌時(shí)，立即關(guān)閉螺旋輸送機(jī)后門，適當(dāng)向前掘進(jìn)，土倉(cāng)內(nèi)建立平衡，通過(guò)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)將土倉(cāng)內(nèi)土體攪拌均勻，然后將螺旋輸送機(jī)后門慢慢打開(kāi)，開(kāi)門度約為20%，流出的渣土隨傳送帶帶走，邊掘邊出土，保持土倉(cāng)內(nèi)壓力穩(wěn)定。③渣土改良，向刀盤前掌子面注入膨潤(rùn)土，在刀盤前形成一層厚厚的泥膜，同時(shí)，向土倉(cāng)注入高分子吸水材料，用刀盤充分?jǐn)嚢枰愿牧荚?。④通過(guò)管片進(jìn)行雙液二次注漿，形成止水環(huán)，封堵隧道背后匯水通道，阻斷來(lái)自盾尾后方的水流。3.3.2.3 連續(xù)施工，防止停機(jī)。①掘進(jìn)時(shí)，如掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、盾構(gòu)機(jī)的推力以及渣溫發(fā)生突變或不在正常的范圍內(nèi)，應(yīng)立即分析原因，檢查刀具情況，切忌盲目掘進(jìn)。②復(fù)雜復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)將帶壓開(kāi)倉(cāng)檢查及換刀作為一個(gè)常規(guī)方式來(lái)管理，將盾構(gòu)機(jī)不停機(jī)趴窩作為底線。掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常馬上開(kāi)倉(cāng)檢查，刀具磨損到一定程度馬上更換，勤開(kāi)艙勤檢查，帶壓開(kāi)倉(cāng)能夠換刀的一定帶壓換刀，即使參數(shù)正常掘進(jìn)到一定環(huán)數(shù)（如正常換刀環(huán)數(shù)的1.5 倍以上如20環(huán)）以上或主動(dòng)換刀點(diǎn)時(shí)，也要檢查刀具，萬(wàn)不可存在僥幸心理，希望再掘進(jìn)幾環(huán)常壓開(kāi)倉(cāng)處理，復(fù)雜的復(fù)合地層一兩環(huán)內(nèi)就可能將盾構(gòu)機(jī)刀具磨損無(wú)法推進(jìn)，只能被動(dòng)換刀，如地層擾動(dòng)無(wú)法帶壓開(kāi)倉(cāng)將造成盾構(gòu)機(jī)被動(dòng)停機(jī)。③不能通過(guò)盾構(gòu)機(jī)直接破除球狀風(fēng)化體的，如條件具備可進(jìn)倉(cāng)直接取出或破壞較小風(fēng)化體，對(duì)較大的進(jìn)行注漿加固，換刀后通過(guò)。④做好監(jiān)測(cè)工作，建(構(gòu))筑物沉降超標(biāo)時(shí)采取袖閥管注漿加固等措施，并及時(shí)反饋調(diào)整土倉(cāng)壓力、千斤頂推力等施工參數(shù)。

3.4 掘進(jìn)中復(fù)合地層停工處理

3.4.1 未探明孤石處理

2004年6月車上區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)至香蜜湖路段時(shí)掘進(jìn)參數(shù)異常，盾構(gòu)機(jī)無(wú)法向前掘進(jìn)，經(jīng)對(duì)掘進(jìn)數(shù)據(jù)及渣土進(jìn)行分析，初步判定盾構(gòu)機(jī)前方出現(xiàn)孤石并有塌方現(xiàn)象，部分圍閉后現(xiàn)場(chǎng)勘查，發(fā)現(xiàn)連接工業(yè)園的雨水箱涵側(cè)墻垮塌，并對(duì)下部孤石進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)鉆探孤石大小為長(zhǎng)4.5 m、寬1.5 m、高2.0 m，且強(qiáng)度達(dá)70Mpa，經(jīng)專家研究，決定采用加密鉆孔的方式把孤石打成蜂窩狀、注漿加固后利用盾構(gòu)機(jī)刀盤本身的破巖能力通過(guò)的方法，加固完成后帶壓開(kāi)倉(cāng)換刀，恢復(fù)掘進(jìn)，通過(guò)48天停機(jī)處理后通過(guò)孤石地層。

3.4.2 上部厚砂層下部微風(fēng)化巖的上軟下硬盾構(gòu)處理

石皇區(qū)間DK17+226.44 ～DK17+310，上部為淺覆土、流沙性較大厚砂層下部為微風(fēng)化巖，地層差異性大，且水位高，剛掘進(jìn)至該地段，土層超挖明顯、地面沉降異常，為保證盾構(gòu)機(jī)正常順利通過(guò)盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)前方施行地面雙漿液注漿加固，邊注漿邊掘進(jìn)，雖有局部坍塌，但未造成盾構(gòu)停機(jī)和大的社會(huì)影響，收到了比較明顯的效果。

3.5 掘進(jìn)后處理

3.5.1 持續(xù)進(jìn)行地面和建構(gòu)筑物變形監(jiān)測(cè)，及時(shí)分析。

3.5.2 進(jìn)行線路范圍地面和洞內(nèi)空洞探測(cè)，發(fā)現(xiàn)空洞，進(jìn)行鉆孔注漿，必要時(shí)進(jìn)行混凝土或砂漿回填。

3.5.3 洞內(nèi)二次注漿加固，控制隧道變形。

3.5.4 建筑物袖閥管注漿加固。

4 結(jié)論

沿?；◢弾r復(fù)合地層施工屬?gòu)?fù)雜地層，施工難度大，深圳地鐵7303標(biāo)段區(qū)間施工總體順利，周邊建構(gòu)筑物和道路沉降未出現(xiàn)異常，上軟下硬復(fù)合地層施工無(wú)停機(jī)處理現(xiàn)象，通過(guò)總結(jié)也得出一些認(rèn)識(shí)和體會(huì)。

4.1 盾構(gòu)機(jī)于復(fù)雜花崗巖復(fù)合地層掘進(jìn)把開(kāi)倉(cāng)換刀確保盾構(gòu)機(jī)不停機(jī)作為底線管理，把帶壓開(kāi)倉(cāng)作為一個(gè)重要工序來(lái)執(zhí)行，勤開(kāi)倉(cāng)、勤檢查、勤換刀，當(dāng)機(jī)立斷不猶豫。

4.2 球狀風(fēng)化體在已探明的情況下采用深孔爆破預(yù)處理是可行的，盾構(gòu)穿越時(shí)快速通過(guò)，基本可控。

4.3 已施工上軟下硬掘地層共計(jì)1143.2 米，共組織帶壓開(kāi)倉(cāng)34次，常壓開(kāi)倉(cāng)換刀22次，其中地面加固后帶壓換刀10次，共帶壓進(jìn)倉(cāng)234倉(cāng)，共更換刀具577把。開(kāi)倉(cāng)指標(biāo)為13環(huán)/次，換刀指標(biāo)為1環(huán)/把。

4.4 將7號(hào)線的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)應(yīng)用于深圳地鐵12號(hào)線出入線復(fù)合地層施工中，將盾構(gòu)掘進(jìn)刀盤改造為重型刀盤，刀具全部采用19吋滾刀，2020年施工過(guò)程收到了意想不到的效果，掘進(jìn)順利，施工工效提高了1倍以上，有必要對(duì)復(fù)合地層進(jìn)一步深入研究。