復合地層與盾構施工技術

盾構法施工與其它傳統的地下工程施工工法一樣，其終極目標是完成一項特色的地下工程，比如一條地下隧道或地下車站，它的不同點在于，盾構法采用了特殊的施工工具盾構機。 盾構機是根據施工對象“量身定做”的，盾構機制造所依據的對象，稱之為施工環境，它是基礎地質、工程地質、水文地質、地貌、地面建筑物及地下管線和構筑物等特征的總和。由此可以看出，如果不詳細研究施工環境，也就造不出適應性強的盾構機，也就談不上順利地進行盾構施工。 在施工環境的諸多因素中，基礎地質和工程地質特征是最重要的，因為它們是盾構機選型及采用盾構施工工藝最重要的先決條件。在實踐當中，對地質特征的研究往往被忽視。殊不知，沒有什么盾構施工技術不是與地質特征有關的，尤其是在復合地層中的盾構施工。 1復合地層的概念 在盾構施工的過程中，圍巖巖土力學、基礎地質和工程地質等特征的各向均勻性直接影響盾構機的選型、盾構施工工藝的選擇等關鍵性問題。從這個意義上講，可以宏觀地將圍巖地層區分為兩類：均一地層和復合地層。 1.1均一地層 1.1.1均一地層的概念 嚴格意義的各向同性的均質地層在自然界是不存在的，本文定義的均一地層是指在開挖斷面范圍內和開挖延伸方向上，由一種或若干種地層組成的，或巖土力學、工程地質和水文地質等特性相近的地層或地層組合。均一地層有兩種情況： （1）單純的軟土地層：從地質圖（見圖1）中可以看出，地鐵隧道穿越了Ⅱ層，主要為粉砂質土和Ⅲ層為粉質粘土，這兩種地層的物質組成及其結構和構造都存在著一定的差異，但它們的巖土力學性質以及工程地質和水文地質特征就盾構機的選型和盾構施工而言，差別并不大。 根據上述地層特點，南京地鐵選用了適應軟土地層的盾構機，其刀盤為平面直角型的，只安裝刮刀（見圖2）。 類似的均一地層，還普遍存在于上海地鐵、天津地鐵、北京地鐵以及過長江隧道等的施工當中。 （2）單純的硬巖地層（如西安~安康鐵路秦嶺Ⅰ線隧道）。隧道斷面范圍內以兩種巖石為主，一種是混合片麻巖，單軸抗壓強度為78~137MPa，整體性較好，裂隙較少。另一種是混合花崗巖，單軸抗壓強度為122~162Mpa，節理較發育，裂隙較多。 選用的盾構機是典型的硬巖掘進機，刀具全部安裝滾刀，無需任何刮刀（見圖3）。 1.1.2均一地層中盾構工程的主要特點 （1）施工過程中盾構機的模式基本上不需要變化。在軟土地層中，若采用土壓平衡模式，一般無需變化成開胸模式；在硬巖地層，若采用開胸模式掘進，一般無需變化成土壓模式。 通常，在均一地層中的盾構機，在設計和制造時，一般不考慮模式的變化。 （2）盾構機的結構不需愛施工過程中進行改變。比如，在軟土均一地層中，刀盤采用軟土刀具，在施工過程中不需考慮是否會碰到硬巖而增加滾刀的問題。 （3）盡管均一地層中其物性也會有較大的變化，但只需在施工工藝上作出調整。均一地層上述兩特點說明，在施工過程中盾構機做出結構型式上的任何改變，但是，正如前面提到的，均一地層并不是絕對的均質地層，這樣，在地層特性改變之后，必需在施工工藝或施工參數上采取相應的措施。比如：同是在軟土地層中施工，當地層是以砂層或砂粒層為主時，以土壓平衡盾構機為例，則應適當添加膨潤土或聚合物。若地層以粘性土為主時，則需添加適量的泡沫。如此等等，這一類工藝或施工參數上的調整并不因均一地層就可避免。 1.2復合地層 1.2.1復合地層的概念 將開挖斷面范圍內和開挖延伸方向上，由兩種或兩種以上不同地層組成，且這些地層的巖土力學、工程地質和水文地質等特征相差懸殊的地層組合，定義為復合地層。 復合地層的組合方式是非常復雜多樣的，但總的來說可分為三大類：一類是在斷面垂直方向上不同地層的組合；一類是在水平方向上地層的不同組合；另一類是上述兩者兼而有之。 （1）復合地層在垂直方向上的變化。最典型的垂直方向上的復合地層就是所謂“上軟下硬”地層。即隧道斷面上部是第四系的松軟土層，而下部是堅硬的巖石地層；或者上部是軟弱的巖層而下部是硬巖層；或者是在硬巖層中夾軟巖層，或軟巖層夾硬巖層等等（見圖4）。 （2）復合地層在水平方向上的變化。在一施工段當中，可能分布著不同時代、不同巖性或不同風化程度，從而表現出不同巖土性質的地層。比如廣州地鐵五號線草～陶區間的地層（見圖5）。 圖中白堊系紅層的粉砂巖為軟巖，單軸抗壓強度一般≤30MPa；花崗巖和石炭系石灰巖是硬巖，單軸抗壓強度一般會≥60UPa。 （3）在水平方向和垂直方向兩者兼而有之的更為復雜的變化。 1.2.2復合地層盾構施工的主要特點 （1）經常變換盾構施工模式。在軟土地層或以軟土地層為主的“上軟下硬”地層施工時，一般要采用“閉胸模式”，而在以巖石地層，特別是自穩性較好的（包括風化程度不一）巖石地層施工時則可采用半開胸式（欠土壓平衡模式）或開胸模式；在以砂層或以砂層為主的“上軟下硬”地層中采用土壓平衡模式施工時，可能需要通過加注膨潤土等工藝轉化為“泥水平衡”模式等等。經常根據地層結構來轉換盾構機模式，是在復合地層中施工的一大特點。 （2）盾構機的配置需要做出適當的調整。在硬巖段施工時，通常要采用全斷面滾刀破巖模式，采用的刀盤開口率會較小；當掘進在軟巖或軟土地段時，通常都要將部分或全部滾刀換成適應軟巖或軟土的刮刀，此時的開口率也相應增大。 （3）采用的施工工藝和施工參數也要根據地層的變化而變化。這些變化主要表現在不同地層需要的添加劑的種類和數量的不同；需要的輔助設備（比如破巖機、超前鉆機）的不同；盾構機姿態控制的不同等等。 （4）某些特殊的復合地層，可能需要一些輔助工法。采用輔助工法的主要原因是由于盾構機本身的設計功能的局限性造成的，而這種局限性在目前的技術發展階段還較難以克服。比如，廣州地區白堊系紅層的粉砂巖、砂巖一般的單軸抗壓強度最大為30~45MPa，但有時在這些區間會碰到幾十米或幾百米長的堅硬的花崗巖，或花崗巖的球狀風化體，其強度一般達到80MPa以上，甚至會超過120MPa。在這種條件下，以軟巖為主設計的刀盤和刀具，顯然不能適應硬巖的要求，在無法更換新刀盤的情況下，采用其它可行的輔助工法，比如先采用礦山法，開挖通過堅硬巖石段，之后，用盾構機拼裝管片完成隧道，事實證明，這將是一種比較好的輔助選擇。 2復合地層的分類及其對盾構施工技術的影響 復合地層的組合是極其復雜的，僅以在廣州、深圳地區常見的幾種形式說明其對盾構施工的影響。 2.1以第四系淤泥質土層（工程地層編號為<2>）或易液化的粉細砂層為主與其它松散地層的組合 廣州地鐵一號線黃沙～長壽路區間最北端約80m地段，盾構機全斷面通過<2>地層（見圖6），這是廣州地鐵已建和在建盾構工程中唯一的一段盾構隧道下部有淤泥層的地質剖面。隧道建成后不久，下沉了近100mm。 2.1.1在類似地層的盾構施工過程中應密切注意和預防的主要問題有： （1）建筑物和構筑物的沉降。隧道斷面上部為<2>地層時，應注意土倉中土（水）壓平衡的問題，因為<2>地層大部分呈軟塑或流塑狀態，有些還具有液化特性，對盾構機密封倉內的土壓反映非常靈敏，而土倉內壓力是否保持動態平衡，直接關系到地面及其建筑物是否發生沉降的問題。 （2）隧道的后期沉降。盾構隧道下部如果有一定厚度的淤泥或液化層<2>，一旦由于某種原因造成失水發生淤泥層的重固結或液化，就會使已建好的隧道出現沉降，位移或變形。 2.2以第四系砂層(工程地層編號為<3>)為主與風化巖層的組合 第四系砂層有二種成因，一是陸相沖洪積形成的，一種是海陸交互相沉積形成的，其特點是在河床及河漫灘內十分發育，其形態多呈透鏡狀，有些地段厚度大。此層粉粒和粘粒成份低，滲透系數大，是盾構施工過程中也應十分重視的地層。 以隧道上部斷面或隧道上方為<3>砂層的問題為例，這類圍巖情況在廣州地區的盾構施工過程中經常碰到，尤其是下部為較硬巖石的情況下會給施工造成較多的問題。典型的例子是廣地鐵一號線盾構施 工在長壽路～中山七路區間橫通道地段時，干砂量變化發生異常，由于砂層流失很快，造成了較大的地面沉降，使三幢三層樓塌方（見圖7、8）。 同樣的問題也出現在三號線的大塘～瀝浮區間（見圖9）。 2.3以第四系殘積層（工程地質編號為<5>）為主與其它地層的組合 殘積層是其下伏基巖經過長期風化之后，其結構構造已全部消失了，部分巖石成份又經過風化和水化作用產生了新的物質，并在原地殘積下來而形成的。對盾構施工可能造成嚴重影響的有二種類型即殘積粘土層和殘積砂質或砂礫質粘性土。 2.3.1殘積粘土層 母巖大多為沉積巖系列中的泥巖和粉砂質泥巖，其全風化以后形成殘積粘土層。 廣州地鐵二號線海珠廣場站—市二宮區間采用的土壓平衡盾構機的刀盤（見圖10），41把滾刀。而地層是白堊系上統三水組東湖段的泥巖和粉砂質泥巖。工程地層為殘積粘性土層<5>，全風化和強風化<6>和<7>地層。由于過江施工時多次嚴重結泥餅（見圖11），平均日進不足2m，掘進速度僅達到0-5.0mm／min。地鐵四號線琶～侖區間過涌段與海～江區間是同一時代的地層，盾構施工過程中碰到了與海～江區間相同的問題。 2.3.2殘積砂質或砂礫質粘性土 殘積層中存在堅硬的砂質或砂礫質顆粒，Si02質堅硬顆粒在施工過程中會對刀具造成嚴重磨損。比如，花崗巖形成的殘積層，其原巖中的長石大部分都高嶺土化了，而原巖中的石英顆粒，仍然保存下來，這種殘積層中的粉粒和粘粒含量比較高，而同時非常堅硬的石英顆粒又較多，因此在盾構機推進的過程中若處理不好會同時發生二種問題：在結泥餅的同時，對刀盤造成嚴重磨損，刀具發生單邊或多邊嚴重偏磨（見圖12）。 與花崗巖殘積層較類似的地層有各時代的粗砂巖，含礫砂巖和礫巖層的殘積地層。 2.4以全風化和強風化<6>和<7>地層為主的組合 全風化和強風化地層的原巖可以是各時代的沉積巖以及變質巖和花崗巖，由于原巖不同，它們反映出來的圍巖特征稍有不同，但總的來說，盾構在此類地層中施工時特別重要的是刀具的選擇。舉例如下： 2.4.1刀具嚴重偏磨 深圳地鐵一號線某工地，其地質斷面示意圖（見圖13）。 當時采用的是全斷面滾刀。由于風化后的巖層和額定內的總推力無法提供使滾刀滾動的摩擦力，滾刀無法轉動而發生偏磨，在掘進不足l0m的情況下，致使25把滾刀損壞（見圖14）。 通過對偏磨刀具的仔細觀察發現，刀刃部分都變成明顯的暗藍色“淬火現象”（見圖15）。說明當時由于滾刀不轉產生的磨擦將動能大量轉化為熱能。這樣，在高溫和不斷研磨的雙重作用下，進一步制造了在刀盤面上形成泥餅的條件。若不設法防止這種惡性循環，最終會損壞大軸承密封而停機。事實上，廣州地鐵三號線天～華區間也碰到了類似的問題，從盾構機密封倉滲出的滴水，居然能燙傷工人的皮膚。由于刀具選擇不適應，以及施工參數選擇不合理，此類滾刀偏磨的問題在廣州地鐵三號線是較常見的。 2.4.2工作面穩定性問題 由于巖性變化較大，所以在盾構推進的過程中根據不同的圍巖特征及時換刀是必要的程序。在常溫常壓條件下換刀是人們最希望的，因為這樣可以簡化很多復雜的工序，問題是工作面是否能自穩。總的來說，此問題要根據特定的地層分布情況，根據不同的巖性進行具體的分析，否則就會出現預想不到的事故。
深圳地鐵一號線某盾構段的一個剖面示意圖（見圖16）。 在換刀前曾對開挖面進行過旋噴加固，但加固效果未達要求，地下水仍比較大，開倉以后發現隧道工作面前上方有小的塌方空洞，但僅用一些木條做了簡單的支撐。在清倉換刀的過程中，剩最后的幾把刀更換時，前方掌子面突然塌方，造成了1人死亡、傷3人的事故。廣州地鐵三號線沒有發生過上述嚴重的事故，但類似的問題經常可見。 2.4.3關于花崗巖中的球狀風化問題（見圖17） 球狀風化是發生在花崗巖的<5>、<6>和<7>地層中一種較常見的地質現象，這在廣州地鐵三號線的天～華區間、大石～番禺廣場區段和深圳一號線盾構區間花崗巖中都曾經多次碰到。由于球狀風化體的體量并不很大，一般只在1.0～5.0m左右，且是包裹在軟的<5>、<6>、<7>號地層中間，事前對其存在的可能性及確切的位置較難預測，所以在施工過程中尤其要引起注意。碰到的主要問題有三種：一是開挖面在水的作用下很快失穩，無法進入倉內換刀；二是既便可以在短時間內換刀，但未換完前，圍巖一下子又失穩了；三是突然從軟地層中碰到堅硬的花崗巖球狀體時，容易卡住刀盤，甚至造成刀盤變形（見圖18）。對前兩種情況，必須在地層加固或氣壓下進倉換刀。 2.5以<8>和<9>地層的巖石地層為主在水平方向上的組合 與前面討論的一樣，由于圍巖不同，雖然都是中風化和微風化巖層，其特性也不一樣。比如，廣州地鐵一號線中山七路～西門口區間，盾構在白堊系三水組康樂段的<8>砂巖中通過，巖石強度為20～44Mpa。在80m的范圍內，盾構機損壞了58％的滾刀，51％的刮刀。地鐵三號線天～華區間在中～微風化花崗巖掘進時，其強度超過l00Mpa，盾構機僅前進了4環（6.0m）就將滾刀大部分磨損了，不得不停機換刀。 3復合地層盾構施工技術的突破性進展 中國的盾構施工技術人員主要在廣東（廣州、深圳），在復合地層類型繁多并且極其復雜的施工環境下，經過10年、40臺次、掘進隧道長達100多公里的摸索。已充分認識到復合地層的超前系統研究是盾構選型的基礎，全過程跟蹤研究和及時預報各地層的在垂向上、縱向上的變化并采取相應的對策，是盾構能否順利施工的關鍵。在統一認識的基礎上，經過艱難困苦的實踐，施工技術有了突破性進展，概述如下： 3.1確定了什么類型的復合地層，選擇什么樣盾構機的模式 這10年，廣東的廣州、深圳幾乎遇到了所有類型的復合地層，使用了國際上許多著名盾構廠家的盾構機，諸如海瑞克、維爾特、三菱、川崎、住友等。因此什么樣的復合地層，施工多長距離，選擇什么結構類型、功能類型、包括配備什么樣刀盤、刀具及其數量等，已建立了選型模式。 3.2首次在國內建立和推廣了“泥餅”、“噴涌”、“有效推力”、“隧道上浮控制”等一系列概念 提出了一系列被證實有效的對策，比如說，什么樣的復合地層，什么樣的工程地質條件，選擇什么種類的添加劑以及添加劑的注入方式、注入量等，創造了許多我國盾構施工的新紀錄。 （1）創造了日掘進36m，月掘進562m的紀錄。 （2）泥水盾構一個月過312m珠江紀錄。 （3）土壓盾構22天過318m珠江的紀錄。 （4）837m巖石地層掘進不換刀的紀錄等等。 3.3首次建立和提出了復合地層地表及建筑物的沉降規律，通過廣州地鐵一號線的實踐，提出了地表及建筑物的沉降規律，并指導施工 規范了監測內容和頻率。廣州地鐵二號線之后，國內施工隊伍無論是過江、過鐵路、過密集和舊建筑物，超深樁基，都沒有發生過嚴重損壞建筑物和構筑物事件。 3.4系列開發和應用了盾構施工的輔助工法 （1）礦山法過硬巖，盾構拼裝管片的施工技術。 （2）玻璃纖維棒樁、連續墻法、砂樁法、鉆孔素砼樁法加固盾構端頭技術。 （3）高水頭江底下氣壓法換刀技術。 （4）過花崗巖球狀風化體，以及過鋼筋砼樁技術。 （5）拔除深度超過40m預應力管樁的技術等等。 廣州地區的工程實踐表明，特別是在復合地層中盾構施工，應遵循地質條件是基礎，盾構機是關鍵，管理是根本的原則。