合肥典型地層特征及地鐵盾構(gòu)隧道建造關(guān)鍵技術(shù)綜述

陳祖?zhèn)?/p>

（中鐵二院華東勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，浙江杭州 310004）

1 工程背景

合肥軌道交通第一條線路于2016年12月開通運(yùn)營以來，截至2021年12月，運(yùn)營線路包括合肥軌道交通1、2、3、4、5號線南段，運(yùn)營線路總長156.15 km，設(shè)122座站點(diǎn)。目前合肥軌道處于第三期建規(guī)線路的建設(shè)中。

2 典型地層特征

2.1 地形地貌概述

合肥居于江淮之間，位于江淮分水嶺東南側(cè)，總體地貌呈崗坳相間、波狀起伏狀，宏觀地勢西北高、東南低，呈平緩的波狀微傾斜平原。由于第四紀(jì)沉積物受南淝河、四里河、板橋河長期的侵蝕及堆積，區(qū)域河流地貌特征明顯以河谷為中心向兩側(cè)延展，依次為河漫灘、一級階地和二級階地[1]。

2.2 典型地層地質(zhì)特征

合肥地區(qū)河漫灘、一級階地地貌分布于南淝河、店埠河等河道附近，表層由第四紀(jì)全新統(tǒng)黏性土、粉砂土組成，下伏第三紀(jì)定遠(yuǎn)群泥巖、泥質(zhì)粉砂巖；二級階地全線廣泛分布，表部地層由第四紀(jì)更新統(tǒng)黏性土、砂粉土組成，下伏第三紀(jì)定遠(yuǎn)群泥巖、泥質(zhì)粉砂巖組成，下伏基巖為白堊紀(jì)上統(tǒng)張橋組、侏羅紀(jì)上統(tǒng)周公山組泥巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖；典型地層主要包括黏土層、粉土（粉砂）層以及下伏基巖層。2

.2.1黏土層

合肥地區(qū)的二級階地廣泛分布了第四紀(jì)全新世沖洪積層和第四紀(jì)晚更新世沖洪積層的黏土層，雖然都為硬黏性土，但由于沉積年代和成因的不同，盡管物理指標(biāo)相近，但工程性質(zhì)有一定差異，按照不同的地質(zhì)年代可分為：老黏土（第四紀(jì)上更新統(tǒng)地層）、一般黏性土及新沉積黏性土（第四紀(jì)全新統(tǒng)地層），具有孔隙比小、低滲透性、含水率低、抗剪強(qiáng)度高、中等膨脹性的特點(diǎn)。

2.2.2 粉土（粉砂）層

粉土、粉細(xì)砂層主要分布于南淝河、店埠河等主要河流的河漫灘和一級階地部位，稍密～中等密實(shí)，含黏土顆粒，為合肥地區(qū)主要含水層，賦承壓水[2]。

2.2.3 下伏基巖層

合肥地區(qū)下伏基巖主要為白堊紀(jì)上統(tǒng)張橋組、侏羅紀(jì)上統(tǒng)周公山組泥巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖以及第三紀(jì)定遠(yuǎn)群泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，均屬于極軟巖～軟巖，強(qiáng)度普遍較低，弱膨脹性，遇水易軟化。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 管片設(shè)計(jì)

3.1.1 管片構(gòu)造設(shè)計(jì)

由中鐵二院設(shè)計(jì)的合肥軌道1號線合肥南站—南站南廣場站區(qū)間為合肥第一個(gè)盾構(gòu)區(qū)間，以合肥軌道B2型車建筑限界?5100 mm為基準(zhǔn)，結(jié)合了合肥地區(qū)廣泛分布的黏土層、黏粒含量較高的粉土（砂）層以及軟巖地層、施工資源共享等多重因素，以實(shí)地調(diào)研、現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬為主要手段，沒有盲目套用長三角主要城市做法（內(nèi)徑5500 mm、厚度350 mm、環(huán)寬1.2 m），采用內(nèi)徑5400 mm、厚度300 mm、環(huán)寬1.5 m的管片作為單層襯砌結(jié)構(gòu)，襯砌環(huán)按照3標(biāo)準(zhǔn)塊+2鄰接塊+1封頂塊組合形式。合肥地鐵管片標(biāo)準(zhǔn)塊為67.5°，鄰接塊68.5°，封頂塊21.5°。采用通用型管片，雙面楔形45 mm，滿足350 m小曲線半徑的施工擬合要求。從施工擬合難度、防水效果考慮，采用了錯(cuò)縫拼裝；不設(shè)榫槽，避免了榫槽處管片尤其是外側(cè)易開裂的情況。為減少螺栓手孔處管片的削弱，管片間采用彎螺栓連接。

運(yùn)營3～4年的1、2號線監(jiān)測情況顯示，盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)變形不超過2 mm，防水情況良好。管片結(jié)構(gòu)及防水設(shè)計(jì)在確保施工安全及長期運(yùn)營的基礎(chǔ)上，保證了工程的安全性、針對性、經(jīng)濟(jì)性。

3.1.2 管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管片計(jì)算采用了國內(nèi)廣泛采用的修正慣用設(shè)計(jì)法[3]即修正管片接頭對內(nèi)力影響的均質(zhì)圓環(huán)計(jì)算方法，采用抗彎剛度有效率η折減管片剛度，引入彎距加大率ξ修正內(nèi)力，其中0.6≤η≤0.7，0.3≤ξ≤0.4。

在全斷面黏土層采用水土合算，復(fù)合地層中采用水土分算，12 m時(shí)按全土柱計(jì)算；區(qū)間覆土大于12 m時(shí)上覆土重根據(jù)太沙基理論考慮土體成拱效應(yīng)，成拱高度不足12 m時(shí)按12 m土重計(jì)算，對于典型地層覆土超12 m土荷載采用太沙基公式計(jì)算。高水頭深覆土全斷面黏土層為計(jì)算控制工況。

3.2 盾構(gòu)選型

盾構(gòu)選型主要基于隧道斷面尺寸、地層滲透系數(shù)、巖土顆分以及工程類比來進(jìn)行選擇，合肥地區(qū)的黏性土其滲透系數(shù)小，粉土層的黏粒含量略高，對于中等直徑（≤7 m）盾構(gòu)，選用土壓平衡盾構(gòu)可滿足施工要求，合肥軌道1～5號線在河漫灘或一級階地地貌段粉土粉砂層中下穿河道區(qū)間均采用土壓平衡盾構(gòu)，重點(diǎn)做好渣土改良措施，確保了盾構(gòu)順利施工和河道的安全。

3.3 洞門加固

合肥軌道的洞門加固技術(shù)研究經(jīng)歷了實(shí)施→反饋→分析→迭代的過程，基本形成了以淤泥質(zhì)土和粉土中的水泥系加固、河漫灘地貌富水砂層中的冷凍法加固、老黏土層中的玻璃纖維筋樁加固的三種加固方式，針對最為廣泛的老黏土層中的洞門加固穩(wěn)定性做了詳細(xì)分析，對于黏性土加固體穩(wěn)定性采用滑移失穩(wěn)理論計(jì)算模型（圖1）進(jìn)行驗(yàn)算，假定滑動(dòng)面下部是以端部開洞外頂點(diǎn)O為圓心、開洞直徑D為半徑的圓弧面，整個(gè)滑移面如粗線所示，引起的下滑力矩為：M=M1+M2+M3；M1為地面荷載P引起的下滑力矩，M2為上覆土體自重引起的下滑力矩，M3為滑移圓環(huán)線內(nèi)土體的下滑力矩；抵抗下滑力矩為：Md=Mr+△Mr，Mr為土體改良以前的抵抗力矩，△Mr為土體改良以后增加的抵抗彎矩。

圖1 滑移失穩(wěn)理論計(jì)算模型

在標(biāo)準(zhǔn)地下兩層站中計(jì)算滑移安全系數(shù)=Md/M≥1.3，考慮洞門范圍內(nèi)圍護(hù)樁采用玻璃纖維筋，可規(guī)避人工鑿洞門工況的風(fēng)險(xiǎn)，在廣泛分布的老黏土層中取消地層加固盾構(gòu)，直接切削玻璃纖維筋圍護(hù)樁，避免了盾構(gòu)加固區(qū)的管桿線遷改，節(jié)省了工程投資。

3.4 周邊建（構(gòu)）筑物保護(hù)技術(shù)

合肥地鐵在黏土層、基巖層、復(fù)合地層中穿越高風(fēng)險(xiǎn)源，形成了成套的安全風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)，其中尤以軌道2號線下穿五里墩立交樁基群、下穿煤炭局宿舍樓較為典型。

3.4.1 下穿五里墩立交樁基群

2號線五里墩站—三里庵站區(qū)間在全斷面軟巖中下穿剛剛大修過的五里墩立交樁基群，橋墩支座的變形控制要求極高（3～5 mm），且匝道不具備封閉施工條件。設(shè)計(jì)通過施工試驗(yàn)段的反饋數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)值計(jì)算推出全斷面中風(fēng)化軟巖中盾構(gòu)施工地層損失可以控制在1‰～3‰，采用小應(yīng)變硬化土（HS Small）材料模式來模擬計(jì)算，計(jì)算參數(shù)由地質(zhì)勘查報(bào)告以及以往同類工程實(shí)測數(shù)據(jù)反分析求得[4]。隧道掘進(jìn)同樣通過“應(yīng)力釋放”的方法模擬，分別采用地層損失率1‰～3‰計(jì)算。

根據(jù)不同地層損失率下的計(jì)算結(jié)果，采用線路深埋、橋梁檢測給出剩余變形控制值、夜間封閉交通穿越后減少車輛荷載、同步注漿采用厚漿、橋墩支座頂升跟蹤保護(hù)的技術(shù)方案，確保了區(qū)間近距離下穿五里墩立交危舊樁基群工程的安全，且施工后支座最大沉降不足4 mm，差異沉降僅1 mm，滿足橋梁變形保護(hù)要求。

3.4.2 復(fù)合地層中近距離下穿建（構(gòu)）筑物

2號線四牌樓站—大東門站區(qū)間在上部＜2-5＞粉土層和＜2-6＞粉細(xì)砂層、下部＜6-2＞強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和＜6-3＞中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖的復(fù)合地層中下穿煤炭局宿舍樓6層（淺基礎(chǔ)），通過分析同類型地層試驗(yàn)段掘進(jìn)的數(shù)據(jù)，判斷復(fù)合地層中地層損失率可設(shè)定在4‰～5‰，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型

隧道拱頂為粉土層，在建筑物下部地層加固或?qū)Y(jié)構(gòu)加固的協(xié)調(diào)難度極大，采用地層變形分級與分層控制技術(shù)對盾構(gòu)刀盤輪廓與盾尾間隙用凝結(jié)時(shí)間快、黏稠度高、抗稀釋性好的漿液進(jìn)行充填注漿，同時(shí)選擇合理的施工工藝和施工參數(shù)，掘進(jìn)過程中建立保持了密封土倉設(shè)定的工作壓力與不斷變化中的工作面水土壓力之間的動(dòng)態(tài)平衡[5]，確保了掘進(jìn)順利和建筑物的安全。

3.5 地下異物清障技術(shù)

3.5.1 全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)拔樁

2號線東二十埠站—龍崗站區(qū)間須對二十埠河橋進(jìn)行拆復(fù)建，需要拔除約15 m長大直徑1.5 mm鉆孔灌注樁后原橋址復(fù)建新橋，采用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)拔樁方案即利用全回轉(zhuǎn)設(shè)備產(chǎn)生的下壓力和扭矩，驅(qū)動(dòng)鋼套管轉(zhuǎn)動(dòng)，將套管鉆入地下，去除套管與樁體間的土體后，減小樁周的摩阻力，拔樁對新實(shí)施樁基周邊土體的擾動(dòng)降到最低。

3.5.2 廢棄人防洞室處理

2號線三里庵站—四牌樓段盾構(gòu)隧道與20世紀(jì)70年代修建已廢棄地下人防通道沖突，采用了洞內(nèi)抽水+封堵、地面分段充填灌漿+排氣孔+補(bǔ)充注漿的方案并成功實(shí)施。

3.5.3 錨索清障

徽商廣場地下室圍護(hù)錨索鋼絞線侵入2號線大蜀山站—天柱路站區(qū)間，存在盾構(gòu)掘進(jìn)遭遇錨索導(dǎo)致刀盤被錨索纏住以及盾構(gòu)刀具損壞及螺旋機(jī)被卡住的安全隱患，因此采用了旋挖鉆機(jī)成孔+大直徑鋼護(hù)筒護(hù)壁+人工下井拔除錨索的方案，進(jìn)而規(guī)避人工挖孔的風(fēng)險(xiǎn)，確保盾構(gòu)順利完成掘進(jìn)。

4 總結(jié)及展望

（1）國內(nèi)軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道出現(xiàn)了不均勻沉降和收斂變形過大的情況，導(dǎo)致了管片接縫滲漏、錯(cuò)臺與張開等病害，影響地鐵的運(yùn)營舒適度及安全，建議開展專題研究，在城市規(guī)劃區(qū)宜適當(dāng)增大隧道內(nèi)徑，減小后續(xù)城市建設(shè)對隧道長期變形的影響，預(yù)留合理的加固預(yù)留空間用于整治病害和確保耐久性要求。

（2）結(jié)合目前中等直徑盾構(gòu)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，大直徑（7～12 m）隧道采用土壓平衡盾構(gòu)在合肥典型地層中是可以實(shí)現(xiàn)的，其關(guān)鍵技術(shù)值得下一步深入研究。

（3）可塑、硬塑黏性土中盾構(gòu)施工地層損失率可控制到4‰～5‰，中風(fēng)化軟巖層損失率可以控制得更低，可作為理論計(jì)算模型的輸入?yún)?shù)。理論計(jì)算模型無法精確模擬復(fù)合地層中的施工環(huán)境，合肥復(fù)合地層中的地層損失和地面沉降規(guī)律仍需進(jìn)一步總結(jié)。

（4）合肥典型地層中盾構(gòu)隧道的風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)宜主要針對盾構(gòu)自身的控制（如厚漿技術(shù)、地層變形分級與分層控制等技術(shù)）來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)地層損失率和對風(fēng)險(xiǎn)源加固或托換來提高其變形能力兩方面入手。