沿海花崗巖復合地層地鐵盾構施工關鍵技術

王曉偉

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

圖1 沙石區間地質斷面圖

圖2 上沙區間孤石分布圖

1 復合地層盾構施工特點和難點

1.1 普遍性和難以避免性。深圳沿海地區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，復合地層具有普遍性和難以避免性。

1.2 盾構機姿態難以控制。盾構機上軟下硬巖層推進過程中，盾構機易抬頭、土方超挖；遇花崗巖球狀風化體刀具破碎時無法固定，常在刀盤前滾動，因此，盾構機姿態難以控制。

1.3 刀具損壞嚴重且更換困難。上軟下硬地層短距離內就整盤刀可能損壞殆盡，需頻繁換刀，而開挖面上半部自穩性差，給換刀帶來極大困難和風險；遇花崗巖球狀風化體時，刀具損壞嚴重甚至直接崩壞，地層擾動，開倉換刀困難。

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

1.5 盾構機易被被動停機。盾構遇孤石時，孤石刀盤前方滾動極易造成刀具損壞嚴重，掘進困難，上軟下硬地層掘進邊緣滾刀及擴挖刀極易被損壞，地層擾動，同時如無法帶壓開倉換刀，會造成卡盾趴窩而被動停機。

1.6 工期和處理費用高。孤石深孔爆破、沖孔回填等預處理不影響工期，但處理費用高，遇未探明孤石造成盾構機趴窩時，需要地面鉆孔注漿加固或打豎井等措施解救盾構，費用高，且嚴重影響工期；上軟下硬崗巖地層刀具損壞嚴重且更換頻繁，開倉換刀困難、卡盾，造成進度緩慢，對成本、工期影響很大。

2 主要工藝原理及工藝流程

首先對即將施工的地層進行補充勘探，通過詳細掌握地層地質狀況，判斷硬巖的分布、比例及深度關系，在盾構未到達該區段前，對存在的孤石、基巖凸起采取“深孔爆破法”、注漿等預處理；根據掘進地段的地質狀況、硬巖比例配備針對性刀具，及時調整掘進參數，包括掘進推力、壓力，并根據實際情況控制刀盤掘進時的轉速；每5～10環檢查一次刀具，發現掘進參數變化時立即開倉檢查，做到勤檢查、勤換刀，特別注意邊緣滾刀及時更換，盡量避免被動換刀；改良正面土體，降低刀盤形成泥餅的概率，減少刀具偏磨，必要時開倉清泥餅；遇未處理孤石和地面坍塌及時處理（圖3）。

其次，經濟發展水平能夠影響基本公共服務水平。經濟發展程度較高的城市，把主要資源投入經濟發展，其基本公共服務水平未必很高。然而，經濟發展水平較低的城市，其基本公共服務水平卻普遍較低。在中國當今的社會經濟發展體制下，經濟發展水平較低的地方，往往會首先把主要資源投入經濟發展，投入對經濟增長拉動較大的項目中，而對于與GDP關系不大的民生類項目的投入則缺乏應有的動力。反過來說，經濟發展水平較低的地區，財政收入也直接制約了各項基本公共服務財政支出的規模。

圖3 復合地層施工工藝流程圖

3 主要施工工藝及方法

3.1 地質補勘

微動探測法探測方便快捷，施工前對不良地質范圍及詳勘不到位處采用微動探測法探測，進一步探清隧道掘進范圍硬巖分布及特性、上軟下硬地層的位置及長度，并對存在孤石、上軟下硬地層及全斷面硬巖地層等特殊區域進行鉆孔驗證，確定盾構掘進范圍內詳細地質狀況，最終明確區間盾構掘進安全等級。

3.2 復合地層預處理

對上沙區間探明的孤石和砂石區間微風化基巖凸起地段進行了深孔爆破預處理，對砂石和石皇區間的上軟下硬地層進行了攪拌樁注漿加固處理。

3.2.1 深孔爆破預處理

按照前期準備→鉆孔施工→裝藥及填塞→起爆→爆破質量檢順序施工。3.2.1.1 前期施工準備。進行爆破設計和方案專家評審和批復，現場交通疏解及施工圍擋，張貼爆破“安民告示”，同時對鉆孔工人、爆破施工人員進行安全、技術交底，將布孔原則，鉆孔允許偏差等技術要求傳達給所有施工人員。計算確定單耗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構。爆破設計示意如圖4所示。3.2.1.2 鉆孔施工。首先炮孔定位，鉆機就位；接著鉆孔施工，嚴格按現場布孔鉆孔，記錄基巖面標高、孤石面的標高并將炮孔編號，芯樣拍照、記錄及技術分析；最后炮孔驗收，炮孔上下暢通能裝入套管及藥包筒，做好護壁及成孔工作。3.2.1.3 裝藥及填塞。設置裝藥施工警戒；而后炮孔裝藥，藥包筒加工好后下藥包，藥包懸位置準確，用鐵絲固定在套管壁上；裝藥完成后填塞作業，孔內填碎米石至指定位置，導線理順至安全位置，覆蓋防護；人員撤至安全地點后，由有經驗爆破技術人員和爆破員按設計進行起爆網絡連接；以爆破中心周圍50米為警戒線進行安全警戒，統一爆破警戒信號和起爆信號，爆破前派人員清場。3.2.1.4 起爆。爆破員鳴哨示警兩次，確認安全后方可起爆。爆破完畢，經檢查現場無誤后，解除警戒命令。3.2.1.5 爆破質量檢驗。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度≤30cm為合格，否則，補孔二次爆破。

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 攪拌樁注漿加固預處理

加固采用三重管旋噴樁，加固區呈倒L型，加固區示如圖5所示。

圖5 -29-4-3上軟下硬地段地面加固區示意圖

3.3 復合地層正常掘進

3.3.1 提前籌劃，做好準備工作

3.3.1.1 進行盾構適用性選型配置，選用?6280海瑞克土壓平衡復合盾構，6輻條刀盤，35%開口率，18吋全斷面滾刀的刀具配置形式。3.3.1.2 在工程施工前，根據工程地質條件，提前制定刀具更換計劃，對換刀困難的地段進行預加固，以增加換刀的安全性，預加固地點寧可提前也不能滯后，否則就會失去作用。3.3.1.3 盾構機施工進入孤石和上軟下硬等復合地層前，在具備條件的地段停機進行盾構機設備檢查、修復，更換磨損超過規范的刀具，并更換上符合該地層掘進的重型滾刀。

3.3.2 掘進過程中合理選擇、控制掘進參數，保證盾構連續掘進。3.3.2.1 控制掘進參數。①推力：推力過大容易造成刀盤卡死，對推進系統的能力要求相應增高，推力過小則刀具對土體切削力不夠，盾構掘進速度慢，對上覆土體擾動太大，一般掘進推力不超過1400t。②刀盤轉速：復合地層中掘進時，刀盤轉速太快會使刀具受到沖擊力太大而導致刀具崩壞，所以刀盤轉速不能快，緩慢勻速。刀盤轉速在1.2 ～1.6 rpm為宜。③土倉壓力：復合地層中掘進時，掘進速度較慢扭矩較大，保持真正的壓平衡比較困難，可以采取氣壓平衡模式掘進。④出土量：由于推進速度慢，刀盤切削下來的渣土較少，而螺旋輸送機等排土器每工作一次的出土量又很大，往往會造成因軟土部位的超挖和過量出土造成地面沉降異常，甚至坍塌。因此，復合地層中掘進嚴格控制每一循環排土器工作的次數，嚴格控制出土量，必要時，在渣斗中劃上刻度，以便計算和控制出土量，達到平衡出土。⑤渣土管理：為更好的控制土倉壓力，增大土倉內渣土的止水性等，采取措施保持泡沫系統工作狀況良好，并及時添加泡沫劑，使渣土具有很好的軟流塑狀。當掌子面地層的滲透性很好時，則需要向土倉內添加膨潤土等改良渣土。否則，很可能發生渣土噴涌，直接導致地層超挖而地面沉降。實踐證明，這是非常必要的。同時，時刻注意渣土的稀稠、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：時刻測量渣土溫度，如果渣土溫度在短時間內升高，立即停止掘進，分析渣土升高的原因，觀察是否是泡沫系統出現問題；需要降低刀盤溫度時，不能加水，應加入稀的膨潤土泥漿。在頂部為全風化或強風化巖的復合地層石中加水會造成掌子面坍塌。3.3.2.2 控制噴涌。①盡量滿倉方式保持連續掘進，避免掌子面前方土體內部形成流水通道；②出現噴涌時，立即關閉螺旋輸送機后門，適當向前掘進，土倉內建立平衡，通過刀盤轉動將土倉內土體攪拌均勻，然后將螺旋輸送機后門慢慢打開，開門度約為20%，流出的渣土隨傳送帶帶走，邊掘邊出土，保持土倉內壓力穩定。③渣土改良，向刀盤前掌子面注入膨潤土，在刀盤前形成一層厚厚的泥膜，同時，向土倉注入高分子吸水材料，用刀盤充分攪拌以改良渣土。④通過管片進行雙液二次注漿，形成止水環，封堵隧道背后匯水通道，阻斷來自盾尾后方的水流。3.3.2.3 連續施工，防止停機。①掘進時，如掘進速度、刀盤轉速、刀盤扭矩、盾構機的推力以及渣溫發生突變或不在正常的范圍內，應立即分析原因，檢查刀具情況，切忌盲目掘進。②復雜復合地層盾構掘進將帶壓開倉檢查及換刀作為一個常規方式來管理，將盾構機不停機趴窩作為底線。掘進過程中發現參數異常馬上開倉檢查，刀具磨損到一定程度馬上更換，勤開艙勤檢查，帶壓開倉能夠換刀的一定帶壓換刀，即使參數正常掘進到一定環數（如正常換刀環數的1.5 倍以上如20環）以上或主動換刀點時，也要檢查刀具，萬不可存在僥幸心理，希望再掘進幾環常壓開倉處理，復雜的復合地層一兩環內就可能將盾構機刀具磨損無法推進，只能被動換刀，如地層擾動無法帶壓開倉將造成盾構機被動停機。③不能通過盾構機直接破除球狀風化體的，如條件具備可進倉直接取出或破壞較小風化體，對較大的進行注漿加固，換刀后通過。④做好監測工作，建(構)筑物沉降超標時采取袖閥管注漿加固等措施，并及時反饋調整土倉壓力、千斤頂推力等施工參數。

3.4 掘進中復合地層停工處理

3.4.1 未探明孤石處理

2004年6月車上區間盾構掘進至香蜜湖路段時掘進參數異常，盾構機無法向前掘進，經對掘進數據及渣土進行分析，初步判定盾構機前方出現孤石并有塌方現象，部分圍閉后現場勘查，發現連接工業園的雨水箱涵側墻垮塌，并對下部孤石進行探測，通過鉆探孤石大小為長4.5 m、寬1.5 m、高2.0 m，且強度達70Mpa，經專家研究，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機刀盤本身的破巖能力通過的方法，加固完成后帶壓開倉換刀，恢復掘進，通過48天停機處理后通過孤石地層。

3.4.2 上部厚砂層下部微風化巖的上軟下硬盾構處理

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

3.5 掘進后處理

3.5.1 持續進行地面和建構筑物變形監測，及時分析。

3.5.2 進行線路范圍地面和洞內空洞探測，發現空洞，進行鉆孔注漿，必要時進行混凝土或砂漿回填。

3.5.3 洞內二次注漿加固，控制隧道變形。

3.5.4 建筑物袖閥管注漿加固。

4 結論

沿海花崗巖復合地層施工屬復雜地層，施工難度大，深圳地鐵7303標段區間施工總體順利，周邊建構筑物和道路沉降未出現異常，上軟下硬復合地層施工無停機處理現象，通過總結也得出一些認識和體會。

4.1 盾構機于復雜花崗巖復合地層掘進把開倉換刀確保盾構機不停機作為底線管理，把帶壓開倉作為一個重要工序來執行，勤開倉、勤檢查、勤換刀，當機立斷不猶豫。

4.2 球狀風化體在已探明的情況下采用深孔爆破預處理是可行的，盾構穿越時快速通過，基本可控。

4.3 已施工上軟下硬掘地層共計1143.2 米，共組織帶壓開倉34次，常壓開倉換刀22次，其中地面加固后帶壓換刀10次，共帶壓進倉234倉，共更換刀具577把。開倉指標為13環/次，換刀指標為1環/把。

4.4 將7號線的經驗教訓應用于深圳地鐵12號線出入線復合地層施工中，將盾構掘進刀盤改造為重型刀盤，刀具全部采用19吋滾刀，2020年施工過程收到了意想不到的效果，掘進順利，施工工效提高了1倍以上，有必要對復合地層進一步深入研究。