復雜地質或環境條件下盾構施工整體籌劃中的問題分析

譚萬忠

(中國鐵道科學研究院 深圳研究設計院，廣東 深圳 518034)

我國正處于城市軌道交通建設的繁榮時期，在建線路和規劃線路約1萬km以上[1]。城市軌道交通地下區間施工除特殊地段外主要采用盾構法施工，盾構施工線路達線路總長的70%～80%以上[2]。

對線路采用盾構法施工，特別是遇到孤石或球狀風化體、上軟下硬地層，穿越建(構)筑物、河流湖泊等復雜地質或環境條件時，做好整個項目的盾構施工整體籌劃與管理控制既會影響盾構資源的合理投入、質量安全控制和工期目標的實現，也會顯著影響經濟效益[3]。

1 工程概況

深圳市城市軌道交通7號線雙線長22.272 km，其中盾構區間雙線長16.998 km，占總數的76.32%[4]。

本線線路均位于城市建成區，房屋密集。下穿既有建(構)筑物50余棟，3次下穿(上穿)既有鐵路，4次 下穿既有運營地鐵線，8次下穿(側穿)既有橋梁，5次下穿河流湖泊[5]。地質或環境條件復雜多變。

2 盾構施工整體籌劃中應重點考慮的問題

盾構整體策劃需要考慮的問題很多，如沿線水文地質、周邊環境、區間長度、車站、配線、盾構井、施工場地、交通疏解等。除此之外，在復雜地質或環境條件下盾構施工還應重點考慮以下問題。

2.1 施工勘察加密到位

根據規范[6]，城市軌道交通初步勘察階段勘探點間距宜為100～200 m，在地貌、地質單元交接部位、地層變化較大地段、不良地質和特殊性巖土發育地段應加密勘探點；詳細勘察階段對復雜場地要求區間勘探點間距10～30 m。遇到孤石、上軟下硬地層、富水砂層、斷裂構造、全斷面硬巖地層，穿越既有建(構)筑物或江河湖泊時，依據詳勘地質資料根本無法滿足施工要求。

如深圳市城市軌道交通7號線區間1左右線長 2 620 m，需下穿橋梁和雨水箱涵，區間存在大量孤石，基巖突起。前期施工時由于對地質情況認識不足，補勘工作不到位，當盾構遇到孤石沒有立即停機，無法掘進時刀具磨損嚴重，最后進倉更換9把刀具，停機1.5個月。

圖1 區間1補勘后地質情況

按勘探孔間距5 m加密補勘，補勘后地質情況見圖1。新發現孤石29處，加上原詳勘的9處孤石總共需處理孤石38處，上軟下硬地層占26%。補勘階段新發現的孤石數量遠遠超過詳勘階段。因此，應仔細研究盾構沿線地質、建筑物、管線等情況，做好地質勘探、補勘或施工專項勘察，盡可能地確保地質資料準確、齊全。對于可能存在孤石或不良地質的地段，首先通過微動法進行地質掃描，確定范圍后再通過地質鉆機取芯進行確認。對于已經探明的孤石或不良地質要想盡一切辦法，提前處理。

對復雜或不良地質條件區段的處理是保證盾構正常化施工的重要環節。要嚴格過程控制，加強現場管控，任何一個環節的疏忽有可能造成不可彌補的損失。

2.2 盾構機的新舊程度與區間條件的適應性

盾構機的設計使用壽命一般只有10～15 km(其主軸承的設計使用時間是 10 000 h 到 15 000 h)，但是根據研究，國內地鐵隧道用盾構機的使用壽命為 8～9 km/臺[7-8]。目前，盾構機的維修基本上處于事后維修或定期預防維修，效率較低，不能及時有效地發現初始、潛在的故障，難以避免關鍵部件在作業時發生失效。

如該線路區間2右線隧道長 1 752.07 m，其中空推約101 m的礦山法段需要下穿房屋6處和泄洪渠1處。由于該區間投入的盾構機已掘進約5 km，達到設計使用壽命的50%，未能及時發現潛在故障，導致該臺盾構機剛完成65環空推段管片拼裝，進入地層0.5 m 即出現盾構機主驅動外密封損壞的情況。最終確定增加開挖豎井，將盾構刀盤拆除吊出，進行主驅動外密封的更換，耗時約2個多月。

實踐表明整體籌劃時應結合區間線路情況，充分考慮盾構機的新舊程度與使用壽命，合理選擇盾構機的投入。對于新購的盾構應當優先用于長度較長、穿越建(構)筑物或河流湖泊、存在不良地質的區間；對于掘進使用期已達到設計壽命50%以上的盾構不宜用于此類區間。

2.3 盾構掘進指標的合理選擇

根據建標104—2008《城市軌道交通工程項目建設標準》，區間盾構施工單線單洞日推進7～10 m，月平均進度為140～200 m(含盾構安裝調試1.0～1.5個月，盾構調頭1個月，盾構轉場1.5個月，盾構拆卸1個月)[9]。這一指標可在可行性研究或設計文件的工程籌劃中參考使用，但在施工整體籌劃時還應細分。

圖2 區間3左線月進度

該線路區間3左線隧道長976.1 m,需下穿一橋梁和輸油管道。在補勘中發現有孤石、硬巖段存在，掘進中刀盤刀具磨損嚴重，多次產生卡刀、刀具偏磨等問題，嚴重影響了施工進度。從區間3左線月進度(見圖2)可以看出：該區間實際施工時間為318 d，折算綜合進度為3.07 m/d，月進度約93 m/月。單月最低掘進僅7.5 m，綜合進度比建設標準的平均進度降低約50%。該盾構區間原計劃采用1臺盾構掘進雙線，后來為滿足工期要求不得不臨時增加1臺盾構機。

實踐表明各地區各線路不能籠統地采用《城市軌道交通工程項目建設標準》中的掘進指標。當線路遇到孤石、球狀風化體、上軟下硬地層，穿越建(構)筑物、江河湖泊等復雜地質或環境條件區段時，應將掘進指標比建設標準中的平均進度降低約50%來考慮工期，否則容易造成較大的工期偏差。

2.4 換刀方案的綜合確定

在復雜地質或環境條件下進行盾構施工時，不可避免要較為頻繁地換刀。關鍵在于把握好換刀位置和時機，做好換刀方案。一般情況下，應綜合考慮刀盤、刀具的磨損情況，換刀地點地質、水文情況，換刀位置的地面條件，經濟性與安全性的平衡問題[10]。

在復雜地質或環境條件下確定盾構換刀方案時，應選擇適當的換刀方案達到安全性和經濟性的平衡，并以人員安全和設備安全為主要考慮因素。

3 結論

線路遇到孤石、球狀風化體、上軟下硬等復雜地質，穿越建(構)筑物、江河湖泊時，盾構施工整體籌劃應注意：

1)通過微動法進行地質掃描，確定不良地質范圍后再通過鉆機取芯進行確認。在場地條件允許時按勘探點間距5 m左右加密勘察，對于已經探明的不良地質要想盡一切辦法，提前處理。

2)宜選用新購盾構或掘進使用壽命50%以下的盾構。

3)不能籠統地采用《城市軌道交通工程項目建設標準》中的掘進指標，應將掘進指標比建設標準中的平均進度降低約50%左右來考慮工期要求，否則容易造成較大的工期偏差。

[1]侯秀芳,左超,李楠.城市軌道交通2016年度統計和分析 [J].都市快軌交通，2017，30(3)：1-7.

[2]程海云.盾構機司機培訓教材[M].北京：中國建筑工業出版社，2016.

[3]王效文.地鐵盾構隧道施工組織影響因素分析[J].現代隧道技術，2005，42(6)：53-56.

[4]鐵道第三勘察設計院集團有限公司.深圳地鐵7號線工程初步設計技術要求[R].深圳：鐵道第三勘察設計院集團有限公司,2012.

[5]深圳市地鐵集團有限公司，鐵科院(北京)工程咨詢有限公司.深圳地鐵7號線BT項目工程籌劃[R].深圳：深圳市地鐵集團有限公司，北京：鐵科院(北京)工程咨詢有限公司，2012.

[6]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 50307—2012 城市軌道交通巖土工程勘察規范[S].北京：中國計劃出版社，2012.

[7]戴文浩.砂卵石地層盾構機關鍵部件可靠性與剩余使用壽命評估研究[D].成都：西南交通大學，2017.

[8]黃克，趙炯，周奇才，等.基于多變量統計過程監控的盾構機故障診斷[J].中國工程機械學報，2012，10(2)：222-227．

[9]中華人民共和國建設部，中華人民共和國國家發展和改革委員會.建標104—2008 城市軌道交通工程項目建設標準[S].北京：中國計劃出版社，2008.

[10]段浩，孫鳳江.富水砂卵石地層盾構換刀方案[J].現代城市軌道交通，2010(6):36-38.