水下盾構隧道硬巖處理與對接技術

洪開榮

(1．盾構及掘進技術國家重點實驗室，鄭州 450001;2．中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽 471009)

0 引言

目前城市交通(地鐵與地下市政道路)、跨越大江大河隧道、管廊等工程大部分采用盾構技術。在水下軟硬不均地層、孤石地層、卵礫石地層采用盾構法修建隧道，技術難度大、風險高，而國內外對于此類地層盾構隧道施工經驗稍嫌不足，如何進行硬巖處理、降低工程風險、提高掘進效率、降低施工成本是盾構法施工領域需要迫切解決的難題。同時，對于特長水下隧道(長度大于10 km)，由于環境條件的制約，難以設置輔助坑道(豎井或斜井)，因此，水下地層盾構對接方法就成為最佳方案，但國內在此方面可借鑒的經驗很少。

近年來，對于盾構隧道硬巖施工技術的研究也取得了一些進展。王夢恕［1］總結分析了水下隧道設計、施工的重難點及其關鍵技術;孫鈞［2］介紹了國內外跨海隧道工程建設現狀及其設計施工和研究特色;王錦洋等［3］針對臺灣電力公司竹工超高壓線路隧道工程卵礫石層盾構掘進過程中遇到的難題做了分析說明;李茂文等［4］對盾構長距離穿越硬巖地層遇到的技術難題進行了研究;楊書江［5］對盾構在硬巖及軟硬不均地層的施工技術做了研究;張恒等［6］介紹了盾構掘進孤石處理技術;孫謀等［7］結合武漢長江隧道等水下盾構隧道工程，對水下盾構施工的關鍵技術進行了歸納。以上研究雖然在軟硬不均地層、孤石地層、卵礫石地層中采用盾構法修建隧道采取了許多措施，在一些問題上有所突破，但仍需系統總結，明確一些基本的對策和措施;關于盾構隧道水下對接技術，國內仍處于摸索階段。本文針對上述特殊地層處理技術和特長水下隧道盾構對接問題進行了一些總結和探討，提出了相應的處理措施與關鍵技術。

1 特殊地層的主要問題及處理方法

1．1 軟硬不均地層的處理

盾構在軟硬不均地層中施工，出現的主要問題有盾構負載變化頻繁、破巖困難、刀具磨損與破壞率高、施工效率低等。由于工作面不同地層的物理力學參數差異較大，刀盤切削時軟地層較易進入密封土倉，而硬巖不易破碎。刀具在軟硬不均巖面作周期性碰撞，刀盤受到的沖擊力很大，容易造成局部刀具受力超載破壞。經過現場分析與研究，采取了一些預處理技術，如人工清除(鉆爆法施工)、洞內弱化處理(超前鉆蜂窩孔)、地面破碎處理(地面沖孔、爆破)，在盾構掘進中用重型滾刀破巖，帶壓更換刀具，結果表明刀具磨損正常，提高了施工效率。

1．2 孤石地層的處理

花崗巖球狀風化核體俗稱孤石，其單軸抗壓強度可以達到200 MPa，孤石地層是盾構掘進的重大風險之一，盾構穿越孤石地層是盾構隧道施工的重點與難點。因此，研究孤石處理關鍵技術對盾構法施工極其重要。由于孤石的影響，盾構施工過程中出現的主要問題有孤石強度差異大、刀盤易磨損變形、孤石漂移、刀具破損嚴重、排渣困難、易堵塞等。應根據孤石的大小、位置、形狀、周邊環境等因素確定處理方法。

盾構掘進過程中發現的孤石，可直接通過大刀具、全覆蓋、人工進倉搬運孤石的方法直接掘進通過。如直接掘進通過風險太大，則進行預處理后再掘進通過。當隧道上方地面具備沖孔、挖孔條件時，應首先采用人工清除(豎井清除)或地面處理方式(沖消或爆破);當地面不具備沖孔、挖孔條件時，采用洞內處理(爆破或脹裂)方式。

1．3 卵礫石地層的處理

在卵礫石地層進行盾構掘進施工，刀具磨耗速度快、強膠時易損刀盤、排渣難度大是需要重點解決的問題。卵礫石地層有別于一般土層，其性質較復雜，工程進行前需做充分的地質調查，由地質調查結果設計適用于該地層的盾構機。設計上的主要技術措施有加大刀盤開口率、采用耐磨撕裂刀切割、采用帶式螺旋輸送機、采用有針對性的沖浮設計等，以應對此類特殊地層。

2 臺山核電取水隧洞工程硬巖處理

2．1 工程概況

臺山核電位于廣東省臺山市，建設規模為6×175萬kW壓水堆核能電站。核電站取水隧洞位于陸域腰古咀至大襟島之間的海域中，隧洞全長4 330．6 m，為雙洞取水隧洞，開挖洞徑為9．03m，隧洞埋深為10～29 m，兩洞線間距為29．2m，采用氣墊式泥水盾構施工。

2．2 地質概況

工程區出露的巖性為第四系松散堆積物、燕山期花崗巖(γ5)及泥盆系老虎頭組(D2-3l)粉砂巖、變質砂巖。第四系松散堆積物主要分布在海域，主要有淤泥、粗礫砂、礫砂質黏土。燕山期花崗巖(γ5)主要分布在陸域近海段，長度為430 m。泥盆系老虎頭組(D2-3l)主要分布在大襟島側內海段，長度為230m。

2．3 主要地質問題

陸域側海中的微風化花崗巖強度最高達到197 MPa，局部存在球狀風化的花崗巖孤石。對微風化花崗巖和球狀風化孤石分別采用水下爆破碎裂與帶壓洞內清除進行處理。

2．4 物探結果與鉆探驗證

無論采用何種方法處理孤石地層，首先必須要探明孤石存在的位置和大小。利用RTK系統，采取高頻高密度地震波，密點距多道多次(CDP)疊加技術進行物探，并結合垂直取芯、水平鉆探等途徑，確定基巖頂面或孤石的位置。

根據工程特點，在研究不同處理方法的基礎上，采用了水下爆破法和沖擊鉆沖孔2種方法進行基巖突起和孤石處理，保證了盾構施工的順利進行。

2．5 高強度基巖的爆破處理

由于基巖埋深較大，為10～22 m，最厚約9 m，導致其爆破破碎難度較大。為了便于施工并提高爆破破碎效果，首先對前排孔進行爆破，然后利用前排孔爆破擠壓周圍土層產生的自由面，再對后排孔進行逐個起爆。基巖爆破布孔平面圖如圖1所示。

圖1 基巖爆破布孔平面圖Fig．1 Plan layout of blasting holes

炸藥爆炸后壓縮應力波到達軟弱巖土時，壓縮形成一定的臨空，而部分應力波從臨弱面反射回來變成反射拉伸應力波，可再次引起巖石的片落和徑向裂隙的擴展。

2．6 處理效果

爆破后基巖取芯，發現芯樣最大為55 cm，一般在30 cm以下，爆破效果明顯。200多m的基巖段盾構掘進非常順利，沒有進行刀具更換。

3 獅子洋隧道盾構地中對接技術

3．1 盾構段主要地質

盾構隧道大部分處于砂巖、砂礫巖中，部分地段穿越軟硬不均地層。基巖的最大單軸抗壓強度為82．8 MPa，滲透系數達6．4×10-4m/s，基巖的石英含量最高達55．2%，巖石地層的黏粉粒含量達55．3%。

3．2 工程主要特點

獅子洋隧道3次穿江越洋。其中獅子洋水面寬達3 300 m，水深26．6 m，設計水壓達0．67 MPa。隧道要3次穿越長達數百m的節理裂隙密集帶，其滲透性強，穩定性差。盾構隧道較長段處于復合地層中，且地層巖體石英含量高，黏粉粒多。工程為高速鐵路隧道，其線型要求高，且在中國是首次采用水下盾構對接施工技術。獅子洋隧道地質剖面圖如圖2所示。

圖2 獅子洋隧道地質剖面圖Fig．2 Geological profile of Shiziyang tunnel

3．3 獅子洋隧道對接施工技術

水下隧道盾構對接施工的關鍵技術在于2個方面。1)對接面的隧道穩定性，從而確保施工安全;2)對接精度的控制，一次成型隧道要滿足高速鐵路線型要求。獅子洋隧道盾構段使用了4臺氣墊式泥水平衡盾構，采用“相向掘進、地中對接、洞內解體”的技術。

3．4 獅子洋隧道對接方法的選擇

目前國際上的盾構對接施工方法有直接對接和輔助對接2種。直接對接又稱為機械對接，輔助對接又稱為土木對接。

原設計采用注漿加固對接地層和封堵地下水的方式進行土木對接，但通過地質補充勘察，最終選擇了無輔助措施的硬對接方式。對接區段如圖3所示。

圖3 對接區段Fig．3 Shield-docking section

3．5 離心試驗

考慮到模型制作的難度和主要觀測的是掌子面的應力和變形，確定本次試驗模型離心率N=50，離心加速度為50 g。模型總體布置如圖4所示。

試驗模擬了圍巖強度為10 MPa的情況。試驗表明:在對接巖體厚度為2．5 m，平衡壓力在0．3 MPa的情況下，巖墻不出線拉應力，在無平衡壓力下，巖墻局部表面拉應力值已經接近極限值，但巖體是穩定的。

圖4 模型總體布置圖Fig．4 General layout of model

3．6 對接面穩定性分析

采用FLAC 3D軟件數值分析的方法，對恒定壓力和無壓力情況下工作面的穩定性進行分析，如圖5和圖6所示。

離心試驗及計算結果證明了設計預留2．5 m的對接厚度是可行的，但是，在撤掉維持掌子面平衡壓力的瞬間，掌子面的受力發生突變，拉應力增加，這對抗拉強度較低的巖石很不利。

3．7 獅子洋隧道對接測量方案

利用洞內雙導線法和聯絡通道再閉合修正對測量精度進行控制，對接段的控制測量方案如圖7所示。

圖7 對接段的控制測量方案Fig．7 Control survey of shield-docking section

3．8 相向掘進、地中對接

實際施工中，采用了在2臺盾構相距20～30m時，1臺盾構停止掘進，實施保壓并拆除部分盾構部件，第2臺盾構向前趨近對接掘進的方法，如圖8所示。

圖8 對接區段的趨近掘進Fig．8 Approaching advance of shield in shield-docking section

在完成趨近掘進后，降壓觀察隧道的穩定性和地下水的滲流情況。如果液位變化較大，應升高倉內壓力，并進行必要的壁后堵水施工，直至卸壓后倉內液位基本無變化，才能打開艙門，在常壓下進行最后的拆機工作。對接后的狀態如圖9所示。

圖9 對接后狀態Fig．9 Shield docking completed

在盾殼保護下，拆除盾構內部和刀盤中心部位構件，并將刀盤外圈梁直接焊接，一側與切口環連接，另一側與對接的盾構刀盤外圈梁連接，實現隧道的貫通，然后再施作鋼筋混凝土襯砌。洞內拆機后示意圖如圖10所示。

圖10 洞內拆機后示意圖Fig．10 Tunnel with shield machine dismantled

3．9 對接效果

獅子洋隧道的對接貫通非常成功，對接點的圍巖相對穩定，且殘留的渣土很少。對接精度平面偏差為28．5 mm、高程偏差為 19．6 mm，達到了安全、精確、高效的對接目標。盾構對接與拆機后的效果圖如圖11所示。

圖11 盾構對接與拆機后的效果圖Fig．11 Completed tunnel

4 結論

1)目前，盾構廣泛地應用于各領域的地下工程中，但從安全風險、工期和經濟性考慮，對高強度軟硬不均地層、孤石地層及大直徑卵礫石地層，采用適當的輔助方法是必要的。

2)在水下復合地層隧道中，盾構法施工遇到長距離的軟硬不均地段，采用預處理爆破碎裂技術是可行的，且具有顯著的安全、效率與經濟優勢。

3)特長水下隧道應用盾構法施工，采用“相向掘進、地中對接、洞內解體”的方法，能夠很好地解決盾構使用壽命帶來的技術問題，這對我國將來的跨海工程有非常重要的借鑒意義。

［1］王夢恕．水下交通隧道發展現狀與技術難題——兼論“臺灣海峽海底鐵路隧道建設方案”［J］．巖石力學與工程學報，2008(11):6-17．(WANG Mengshu．Current de velopments and technical issues of underwater traffic tunneldiscussion on construction scheme of Taiwan strait undersea railway tunnel［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008(11):6-17．(in Chinese))

［2］孫鈞．海底隧道工程設計施工若干關鍵技術的商榷［J］．巖石力學與工程學報，2006(8):5-13．(SUN Jun．Discussion on some key technical issues for design and construction of undersea tunnels［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006(8):5-13．(in Chinese))

［3］王錦洋，陳建榮，陳昕詮．潛盾工法于卵礫石層開挖特性及對應［J］．隧道建設，2010，30(S1):272-283．(WANG Jinyang，CHEN Jianrong，CHEN Xinquan．Excavation characteristics and countermeasures for shield tunnelling in gravel layer［J］．Tunnel Construction，2010，30(S1):272-283．(in Chinese))

［4］李茂文，劉建國，韓雪峰，等．長距離硬巖地層盾構施工關鍵技術研究［J］．隧道建設，2009，29(4):100-104．(LⅠMaowen，LⅠU Jianguo，HAN Xuefeng，et al．Key technologies of long-distance shield boring in hard rock［J］．Tunnel Construction，2009，29(4):100-104．(in Chinese))

［5］楊書江．盾構在硬巖及軟硬不均地層施工技術研究［D］．上海交通大學建筑與土木工程專業，2007．(YANG Shujiang．Research on tunneling technology in hard and mix ground by shield machine［D］．Architecture and Civil Engineering，Shanghai Jiaotong University，2007．(in Chinese))

［6］張恒，陳壽根，譚信榮，等．盾構掘進孤石處理技術研究［J］．施工技術，2011(19):85-88．(ZHANG Heng，CHEN Shougen，TAN Xinrong，et al．Study on boulder treatment in shield tunneling［J］．Construction Technology，2011(19):85-88．(in Chinese))

［7］孫謀，譚忠盛．盾構法修建水下隧道的關鍵技術問題［J］．中國工程科學，2009(7):20-25．(SUN Mou，TAN Zhongsheng．Key technologic problems on underwater shield tunnel［J］．Engineering Sciences，2009(7):20-25．(in Chinese ))