復雜條件下超大直徑盾構市政隧道工程勘察方法探討

易宙子，莫衍超，熊清林，李仲軒

(深圳市建設綜合勘察設計院有限公司，廣東 深圳 518108)

1 引 言

隨著我國城市化進程的加快，城市可用地逐漸減少，城市市政建設開始不斷向地下空間發展，尤其是在大城市和特大城市，超大直徑的隧道施工技術慢慢被采用。超大直徑盾構隧道一般是指直徑 15 m級的大直徑盾構隧道[1]。自東京灣道路隧道于1996年建成以來，已建成工程多項。目前，國外直徑 15 m級的盾構隧道工程完成8項，掘進長度約 58.8 km，采用盾構14臺，其中11臺為泥水平衡盾構，僅3臺為土壓平衡盾構，盾構直徑為 14.14 m～15.61 m。而國內超大直徑盾構隧道已建和在建的項目達21項，已建成或貫通的有10項，其中上海5項，南京2項，揚州1項，杭州1項，武漢1項；在建的有11項，盾構隧道直徑為 14.50 m～15.80 m。

從表1可看出，在項目所在區域分布這個角度上看，已建成或已貫通的盾構施工的大直徑隧道項目主要分布在我國東部沿海和中部城市，除個別隧道遇有卵石或部分斷面巖石地層外，表中多數工程項目的地質條件，多是在土層中施工的大直徑盾構隧道，而類似春風隧道全斷面入硬質巖石的大直徑盾構隧道并不多見。

國內大直徑盾構工程概況 表1

2 春風隧道盾構工程的特點

深圳春風隧道項目為城市快速路，雙向四車道，設計車速為 60 km/h，擬采用單洞雙層結構，上下雙向通行，單方向設置2車道加應急車道。工程跨越深圳市福田、羅湖兩區，起于濱河大道上步立交，依次經過多條重要道路及建筑區，終于沿河南路新秀立交以南，全線長約 5.16 km，其中隧道盾構段長 3.6 km，為城市快速路，雙向四車道，設計車速為 60 km/h。隧道外徑約為 15.80 m，擬采用泥水平衡盾構施工工藝。擬建隧道位置示意圖如圖1所示。該項目工程特點主要有如下幾個方面：

圖1 擬建隧道位置示意圖

2.1 盾構斷面尺寸大

城市一般地鐵盾構斷面直徑約為 6.5 m，而超大直徑盾構斷面一般超過 15 m，為普通地鐵工程斷面面積的5倍以上。給工程帶來特有的問題如下：

①工程經驗少。我國僅在上海、南京、杭州、武漢等城市有超大盾構直徑隧道建設經驗，但上述地區地貌基本以各類型平原或階地為主，基巖埋深大，盾構機穿越地層以土層為主，而深圳市春風隧道區域基巖埋藏淺、巖石種類多、構造條件復雜，可能遇到的問題也更復雜多樣，春風隧道盾構全斷面為巖石的里程長度達到了 2 800 m，占隧道盾構段全長的78%，故可供參考借鑒的同類型經驗非常少。

②由于盾構斷面直徑超過15 m，洞身范圍分布的地層多，盾構施工對地層差異敏感性更高，施工造成土層應力重分布的影響范圍大。

③隧道起止段埋深較淺，中間段埋深大。一般城市盾構隧道兩端洞口需與地面市政道路相鏈接配套，故其起止段埋深一般較淺，上覆土層厚度也較小，盾構施工對周邊地面環境的影響較大；隧道中間段埋深大，春風隧道在深圳羅湖火車站位置的最大埋深達到了 60 m左右，深部巖層性質、強度和完整性對盾構施工有較大影響。

2.2 水文和工程地質條件復雜

通過現場踏勘和收集的資料顯示，擬建工程場地的水文和工程地質條件較復雜，如圖2所示，主要體現在以下方面：

①擬建工程場地為海陸相沖洪積平原、灘涂及溝谷地貌地區，沿線分布厚層砂(卵)石層，隧道下穿布吉河，臨近深圳河，其水量較大，且水位受潮汐的影響，場地內分布斷裂十余條，隧道與深圳斷裂帶斜交，形成地下水良好的通道，地表水與地下水存在一定的水力聯系，其沿線水文環境相當復雜。

②沿線布有淤泥，淤泥質黏土等軟弱地層以及富含地下水的砂層、卵石層等，對隧道等地下空間施工不利的地層。

③場地分布有多種巖性：沿線有多種巖性，按線路里程主要分布有粗粒花崗巖、板巖、碎裂巖、凝灰質砂巖、變質砂巖等多種巖性。巖石類別為較軟巖～堅硬巖，巖石強度變化大，巖面埋深起伏大，盾構施工掌子面軟硬不均。

④深圳市羅湖區構造較為復雜，斷裂發育。場地內斷裂主要為深圳斷裂帶，隧道范圍內共分布斷裂13條。隧道與斷裂斜交處巖石極破碎，隧洞左右側巖體完整性及堅硬程度差異也較大，形成軟硬不均的現象，對盾構施工造成不利影響。

圖2 隧道區域水文及地質構造簡圖

2.3 隧道穿越區域的環境復雜

如圖3所示，春風隧道線路需穿越多條城市主干道、地鐵、鐵路、河流、橋梁以及房屋建筑70余棟，人口密集，沿線分布有較多的通信、電力、燃氣、供水、雨水、污水等重要的市政管線，需下穿的建(構)筑物多，基礎形式復雜，對沉降敏感。

圖3 擬建隧道下穿建筑群局部圖

3 勘察關注的重難點及解決措施

根據已有的盾構工程經驗和春風隧道的工程特點，超大直徑盾構隧道勘察關注的重點、難點和解決的措施分述如下：

3.1 勘探工作量的布置

城市盾構隧道周邊環境復雜，地質條件也復雜多樣，一般規范中的勘察工作量布置較稀疏，可參考的規范，如《市政工程勘察規范》主要適用于常規尺寸的城市地下淺埋隧道，《公路工程地質勘察規范》主要適用于山嶺礦山法隧道，而《城市軌道交通巖土工程勘察規范》雖對盾構工法針對性強，但由于其斷面直徑一般僅為 6.5 m，對于超過 14 m直徑的超大直徑盾構隧道，斷面尺寸效應造成其參考意義存在局限性。以詳勘階段為例，上述不同規范對于隧道布置鉆孔的允許間距范圍較大，故對于大直徑盾構隧道，上述規范針對性不強，均具有一定的局限性，顯然不足以解決目前的問題。

解決措施：針對不同的重點部位，有的放矢，采取適宜的鉆孔間距。在盾構始發段、接收段 100 m以及建筑物密集區域按照 10 m的間距布置鉆孔；建筑較少區段，淺基礎區域按照 15 m的間距控制，深基礎區域則按照 20 m間距布置；在斷裂帶前后 30 m范圍加密鉆孔，布孔間距 5 m。還需注意加強始發井和接收井的作為深基坑的勘察工作布置。

3.2 隧道圍巖分級

隧道圍巖分級關系到支護強度、盾構施工工期、換刀頻率、換刀位置選擇及超前支護措施，因此隧道圍巖的穩定性、堅硬程度及完整性是盾構隧道勘察關注的重點和難點之一。

解決措施：①根據區域地質圖，結合初勘成果，在斷層破碎帶經過區域前后 30 m范圍內按照 5 m的間距布置鉆孔，以查明斷層影響范圍內巖石的強度和完整性；②對所有鉆孔在洞身范圍內采取巖樣進行單軸抗壓強度試驗或點荷載試驗，以查明洞身范圍內巖石的強度；③采取1/4～1/2的鉆孔進行波速測試或孔內電視試驗，以查明巖體的完整性；④對所有鉆孔基巖段進行巖芯采取率和RQD統計，如圖4所示，并結合波速試驗和孔內電視試驗進行分析比對。

圖4 隧道沿線鉆孔RQD統計圖

通過對鉆孔平均RQD值、鉆孔聲波和孔內電視對比分析，三種手段都可得出全線洞身范圍內巖石完整性的特點。以鉆孔RQD值為例，明顯可以找出在里程段K2～K3范圍的巖石，完整性相對全線其他里程段來說更為完整，對于盾構刀盤換刀安全位置的選擇具有指導意義，為盾構選型、設計和施工提供可靠的依據。

3.3 水文地質條件

春風隧道線路下穿布吉河，緊鄰深圳河，其水位均受潮汐影響。場地原始地貌單元存在濱海灘涂地貌，地質條件復雜，分布斷層破碎帶較多。地下水條件對地面沉降和端頭加固具有一定的聯系，因此查明場地的水位地質條件為本工程的重點和難點之一。

解決措施：①結合地貌單元，按每500 m左右采取水樣進行水質簡分析試驗，查明場地地下水與布吉河、深圳河的聯系；②布置一定數量的鉆孔進行抽水試驗，查明孔隙水和基巖裂隙水的承壓性和富水情況；③收集原始地形資料，分析線路與原深圳河的關系，并在古河道進行鉆孔采取水樣進行試驗，并分析其與深圳河河水的聯系，分析海水入侵范圍及對混凝土腐蝕性的影響。④設置水文觀測鉆孔，定期量測水位，分析其與潮汐的關系。

3.4 預加固區勘察

盾構始發或到達時圍護結構外側的土體為軟弱地層、強透水性地層，直接人工鑿除洞門會發生涌水、涌砂、涌泥等安全事故。對進出洞土體進行預加固處理，有止水、加固土體的作用，穩定圍護結構外側的土體，使得盾構始發、接收時，破除洞門更加安全。因此，查明盾構始發和接收段的地質條件和水文條件為本工程的重點和難點之一。

解決措施：①在盾構始發和接收段 150 m范圍內按照 10 m的間距布置鉆孔，詳細查明加固范圍內的地質條件；②根據盾構始發和接收段的地質條件，布置一定數量的抽水試驗孔和水文觀測孔，查明始發段和接收段巖土層的滲透系數和富水情況。

3.5 結泥餅可能性分析

黏土礦物是泥餅形成的物質基礎，當土或巖中黏土礦物含量超過25%時，隨著其含量的增加，相同施工設備和工藝的條件下，泥餅形成的可能性將增加[3]。春風隧道在進出洞段埋深較淺，洞身位于全、強風化基巖中，因此，查明全、強風化基巖中黏土礦物的含量是本次勘察關注的重點和難點之一。

解決措施：對每種巖性的全、強風化基巖和斷層泥采取一定數量樣品進行黏土礦物含量分析試驗，對試驗結果中黏土礦物含量大于25%的全、強風化基巖，擴大其取樣數量，進行分析統計，為盾構選型和設計提供依據。

3.6 巖石特性

石英含量的高低、巖石的耐磨性以及硬度，對盾構設備的換刀頻率亦緊密聯系，因此查明各巖石上述特性為本次勘察關注的重點和難點之一。

解決措施：對每種巖性的中等風化和微風化基巖采取一定數量的樣品，分別進行巖石的石英含量、耐磨性試驗和硬度試驗，查明全線基巖石英含量的分布，并對全線巖石抗壓強度大于80MPa的地段輔以波速測試和孔內電視進行分析，為盾構選型和后期盾構施工換刀頻率及換刀位置的選擇提供參考。

對沿線各類型巖石的石英含量進行了巖石薄片鑒定分析試驗，試驗統計結果如表2所示：

石英含量統計表 表2

對沿線各類型巖石進行耐磨率和摩氏硬度試驗，供盾構掘進和刀盤的選型參考，試驗的統計結果如表3、表4所示：

巖石的耐磨性統計表 表3

巖石摩氏硬度試驗統計表 表4

3.7 斷裂帶勘察

深圳市羅湖區構造較為復雜，斷裂發育。場地內斷裂主要為深圳斷裂帶，隧道范圍內共分布斷裂帶13條。隧道與斷裂斜交處巖石極破碎，隧洞左右側巖體完整性及堅硬程度差異也較大，形成軟硬不均的現象，對盾構施工造成不利影響。因此，查明沿線斷裂帶及其性質條件，是本工程的重點和難點之一。

解決措施：①分階段進行勘察，對于初勘遇到斷層破碎帶的位置，在詳勘階段加密布置鉆孔勘察，本項目在預測的斷層位置上下盤 30 m范圍內，沿線路方向每 5 m布置一個鉆孔，查清斷層走向、傾角、影響范圍及地層空間分布、性質；②選取部分遇斷裂帶的鉆孔采用鉆孔電視手段，直觀觀測破碎帶內巖石完整性；③對揭露破碎帶的鉆孔進行波速測試，判斷巖體的完整性；④布置鉆孔進行抽水試驗，查明斷層位置地下水的承壓性、富水情況和斷層的地下水連通性。

3.8 建(構)筑物基礎探查

線路位于羅湖老城區，下穿的建(構)筑物較多，隧道與某大廈豎向關系圖如圖5所示，盾構施工產生的變形對建(構)筑物的影響較大，樁基礎也有可能侵入盾構隧道斷面，以對盾構施工產生影響。因此，查明沿線建(構)筑物的性質、基礎情況和持力層條件，是本工程的重點和難點之一。

解決措施：①通過向產權單位收集各建(構)筑物的基礎情況，查明各建(構)筑物的基礎埋深和基礎持力層，確定其與盾構隧道頂板之間的距離；②對線路下穿的建(構)筑物周邊按 10 m的間距進行布置鉆孔，查明各建(構)筑物基礎底部至盾構隧道頂板之間的地質條件，根據地質條件分析盾構施工對建(構)筑物的不利影響。

通過上述工作，查明建(構)筑物的基礎情況后，在橫斷面上標識出建(構)筑物的基礎與隧道關系，如表5所示，在豎向方面能夠直觀地表述，便于設計單位驗算使用。

圖5 隧道與某大廈豎向關系圖

線路與部分下穿建(構)筑物關系表 表5

4 結 論

超大直徑盾構隧道由于尺寸大，洞身范圍地層多，而春風隧道又由于深圳羅湖區斷層復雜，巖性多樣，隧道周邊水文環境復雜，下穿建(構)筑物多，且隧道兩端淺埋、中間段深埋，總體屬全斷面入巖的大直徑深埋盾構隧道，相對于一般的市政隧道、地鐵，需要解決的巖土工程問題更多、更復雜。

通過春風隧道工程的特點和工程勘察經驗的總結，主要有如下值得推廣的經驗：在勘探點布置方面有的放矢，在斷層、隧道端頭等重點部位加密布置鉆孔；對于圍巖分級，在巖石的類型鑒定定名、單軸抗壓強度試驗、點荷載強度試驗、巖體縱波速測試、RQD和采取率統計分析應用、孔內電視測試等多方面著手，有效查明圍巖分級問題，有利于掌握全線圍巖的完整度情況；對于水文地質條件問題，結合地貌單元和歷史地形沿革，采用布置抽水試驗和長期水文監測等手段查明水文地質條件；對于盾構機及刀盤選型等盾構施工相關問題，勘察階段重點關注結泥餅可能性、巖石強度、石英含量、巖石耐磨性和硬度，可以對盾構刀盤選型起到較強的指導作用；建(構)筑物基礎情況采用調查、鉆探等方面工作，查明沿線外部環境影響條件及與工程的相互影響關系。

本文通過這些方面的探討，分析了超大直徑城市隧道盾構工程的特點，明確了超大直徑盾構工程勘察的重、難點，指明了對應的解決方法，對同類型復雜條件下的超大直徑盾構隧道勘察工作，具有借鑒作用。