杭州地铁2号线盾构软土区过硬岩技术研究

赵立锋

(苏州轨道交通有限公司建设分公司，江苏苏州　215000)

杭州地铁2号线盾构软土区过硬岩技术研究

赵立锋

(苏州轨道交通有限公司建设分公司，江苏苏州215000)

摘要：鉴于杭州地铁2号线在软土地层中突遇强度较高的石英硬岩岩脉，对后阶段设计采用何种思路、施工采用何种方法、因此如何选择合理的施工方案、采用合适的开挖设备，对设计和施工均提出了较高要求，通过既有成功施工案例的研究，对杭州地铁2号线盾构在软土区过硬岩进行分析、探讨，并结合该工程特定地质、环境条件进行分析和研究，最终采用合理的盾构机选型，对刀盘进行改造及刀具优化，很好地控制地面沉降，确保该区间的顺利贯通。

关键词：地铁；土压平衡盾构机；软土区；硬岩；线路调整

1概述

盾构机作为一种安全性较高的土建施工设备，在城市轨道交通建设中发挥着积极作用。特别是在我国南方华东软土地区，盾构施工的安全与高效性目前几乎无法替代，但是如果盾构掘进的地层不均一，一个区间段往往出现局部的硬岩段[1]盾构掘进困难、刀具磨损大，施工进度慢，当硬岩掘进达到一定长度时通常采取先开挖矿山法初支，然后盾构空推拼装管片通过矿山法，或者通过与设计沟通，调整既有线路[2]避开硬岩段。

结合实例，就杭州地铁2号线人民路站—杭发厂站区间在施工招标阶段发现有软土区突遇硬岩的特殊地质条件，从技术角度论述、分析主要采用盾构机施工的几种处理方法和措施，提出初步的建议方案和解决措施，为研究类似特殊地质现象下的设计及施工方案提供借鉴。

2工程概况

2.1线路概况

杭州地铁2号线一期工程(东南段)Ⅱ标人民路站—杭发厂站区间全长约1 104.6 m，桩号SDK4+364.154～SDK5+468.751，呈南北走向，沿杭州市萧山区市心中路及市心中路两侧展开，设计为地下双线单圆盾构隧道，隧道外径6.2 m，内径5.5 m，设1座联络通道兼泵站，设计使用年限100年。

2.2地质条件

图1　隧道过软土区硬岩段地质纵剖面示意

全线隧道洞身范围地层里程SDK4+364.154～SDK4+925以④淤泥质粉质黏土、⑥淤泥质粉质黏土为主；里程SDK5+090～SDK5+468.751段则以③4、③7砂质粉土为主；中间里程SDK4+925～SDK5+090长度约165 m范围内则发育有凝灰质砂岩与石英砂岩(图1)，岩石强度较高，风化裂隙发育，节理发育，岩体呈碎裂～碎块状，部分为块状结构，具体物理特性见表1。从图1可以看出，隧道洞身由软土区间接过渡至全断面穿越中风化石英砂岩和凝灰质砂岩，穿越长度约165 m。

表1　硬岩段岩层物理特性

该段隧道埋深约26 m，地下水位埋深1.0～5.6 m。水量丰富，软土渗透系数KH：4.06×10-4～7.19×10-7cm/s，KV：3.85×10-4～6.61×10-7cm/s。

2.3原设计招标及施工方案

采用一台铰接型加泥式土压平衡盾构机(编号:4号盾构机)从杭发厂站南端始发，过硬岩段掘进至人民路站后调头，二次始发再次过硬岩段掘进至杭发厂站后解体吊出。

原设计施工计划采用盾构机为日本小松公司生产，其主要性能参数见表2。

从表2可知，该盾构机完全是为软土区盾构施工而配置，在里程SDK4+364.154～SDK4+925以及里程SDK5+090～SDK5+468.751段完全满足施工需要，但在里程SDK4+925～SDK5+090的硬岩段，则根本无法满足岩体强度等地质参数的要求。

表2　原设计施工计划采用盾构机主要性能参数

3解决方案及相关措施

根据本区间线路条件并结合沿线工程地质特点和现场施工条件等因素，提出如下3种解决方案：

(1)采用施工能力更强、适应性更好的盾构机；

(2)先暗挖硬岩段，后盾构空载通过；

(3)调整线路避开硬岩段。

3.1采用施工能力更强、适应性更好的盾构机

根据上述地质特点，采用的盾构机必须能满足如下要求：

(1)能满足在软土地层中的掘进，具有很好的密封性能；

(2)能满足强度至少在81 MPa以上的硬岩段掘进；

(3)有足够的推力和动力，使施工过程稳定推进。

新选用设备建议采用德国海瑞克公司生产盾构机，其性能参数见表3。

表3　新选用盾构机建议主要性能参数

该方案成功案例：北京地铁4号线二十标段颐和园站—北宫门站区间。

该工程中全线洞身主要处于粉质黏土层，但在里程K25+928.7～K26+138.7处突遇最大强度达124 MPa、平均强度达76.8 MPa的花岗岩及石英砂岩侵入岩脉。见图2、图3。

图2　北京地铁4号线二十标603、626环处硬岩

图3　北京地铁4号线二十标硬岩试块强度试验

通过论证，采用性能参数与表3相近的德国海瑞克公司生产盾构机掘进完成，特别是对刀盘[3]的设计及选型上，采用了软土刀盘与硬岩刀盘互换的理念，通过刀具的互换实现在软土区与硬岩区均适应的设备性能。

从施工过程来看，施工进度依然较缓慢，每天进度控制在1～2环，换刀较频繁，部分刀具磨损严重，刀盘边缘磨损较严重。见图4、图5。

图4　北京地铁4号线二十标过硬岩段滚刀新、旧对比

图5　北京地铁4号线二十标过硬岩段齿刀新、旧对比

总体评价，北京地铁4号线二十标段颐和园站—北宫门站区间过硬岩施工较平稳，未发生刀盘损坏、变形或卡机等事故，通过较顺利。

新选用盾构机可以较好地解决该软土区硬岩段的盾构施工需要。但是，目前国内无外径6.2 m的德国海瑞克公司生产盾构机，必须新购。尽管本工程使用后还可应用在其他同直径隧道施工中，但当前占用资金较大，对工程成本有一定的压力。

3.2先暗挖硬岩段，后盾构空载通过

从图1可以看出，硬岩段隧道线路全断面位于中风化的石英砂岩及凝灰质砂岩，硬岩在隧道顶有4～6 m的覆盖，岩体稳定性较好，适合先采用传统矿山法暗挖该硬岩段，贯通后盾构拼管片通过的施工方案。见图6。

图6　暗挖方案竖井、隧道断面及掌子面封闭纵断面示意

(1)施工工艺流程(图7)。

图7　先暗挖、后盾构通过方案施工工艺流程

(2)横通道设计(图8)。

图8　先暗挖后盾构通过方案横通道设计断面示意(单位：mm)

(3)矿山法暗挖正线隧道设计(图9)。

图9　先暗挖后盾构通过方案隧道正线设计断面(单位：mm)

为确保安全，正线隧道开挖施工时，左、右线共需开4个工作面，且左、右线相邻工作面开挖时间应相差1个月以上、安全距离应相差50 m以上。

开挖完成后，为确保安全及盾构机穿越时的平稳过渡，掌子面采用C20混凝土喷射加固封闭，厚度2 m。

(4)盾构通过

盾构过矿山法隧道，采用在圆形矿山法隧道底构筑弧形导台(图9)，再拼管片通过，管片与初期支护之间填筑豆砾石及压注水泥浆。见图10、图11。

图10　弧形导台施工(左)及盾构空载过矿山法隧道示意

图11　盾构空载过矿山法隧道豆砾石回填示意(左、右侧)

先暗挖后盾构通过成功案例：广州地铁3号线北延段1标燕塘站—梅花园站区间。

先暗挖隧道后盾构通过方案的各个环节均是比较成熟的施工方法，优点是可以很好地解决盾构穿越软土区硬岩的特殊地质难题，不需要加强盾构设备配置，对进度无制约，不存在盾构兼顾软土、硬岩、软硬不均地层中掘进的困难。缺点是需要地面有一定的施工场地，需要另开工作面，作为施工措施而投入相应的人力、物力及资源设备，竖井、横通道及矿山法隧道总体造价较高(成洞后成本略高于盾构法隧道)，工程成本压力较大，竖井及矿山法施工存在一定的安全风险。

3.3调整线路避开硬岩段

线路调整分为两种，一种是平面上的线路调整，即绕开硬岩段；另一种是纵断面上的线路调整，即抬高线路避开硬岩段。不管哪种线路调整，均需对周边地层进行详细的勘探，加密钻孔以获取详细的岩样。

(1)本工程区间线路总长1 104.6 m，如果经地质勘探，发现硬岩段分布较广，则平面线路调整势必引起相邻车站站位的调整，将使整条线路的走向、经过区域发生改变，则对吸引客流、带动经济、整体线网分布产生较大影响，必要时需要重新评估决策。因此，平面上的线路调整仅适合于小范围的侵入岩脉硬岩段、线路调整后不引起相邻站位调整等情况。

(2)本工程硬岩段区间隧道线路目前埋深26 m，硬岩顶埋深18 m，远端车站隧道顶埋深12 m，最大坡度27‰；如果调整后按硬岩顶与隧道底设计高程重合考虑，则调整后线路埋深仅为11.8 m，与国家标准《地铁设计规范》(GB50157—2013)(2014—03—01实施)规定不符。

“以上两种线路调整方案均对两端车站有较大影响，但目前人民路站和杭发厂站均已施工，基本不具备调整条件，因此实施难度很大。本方案既增加工程投资，加大了区间施工风险，也严重影响工期，因此不宜采用。

4实施方案及效果

通过上述3种施工方案的对比，分析，评价，最终在本工程实施中采用第一种方案：即采用施工能力更强、适应性更好的川崎复合盾构机。

4.1实施方案

(1)盾构刀盘配先行齿刀，确保盾构在软土层中掘进，盾构配有发泡系统，可以通过加入发泡剂来改善土体流动性，螺旋机出口设计成双闸门，同时盾构配有加泥系统，通过加泥或高分子化合物可以降低土体的流动性，盾构在富含水的角砾层中推进时，以上两点都可以防止水土喷涌，盾构刀盘上安装8个转动搅拌棒，隔板上安装4个固定搅拌棒，螺旋机进土口安装搅拌棒，防止刀盘结泥饼[4]，减轻刀具磨损，刀盘外周一圈装滚刀[5]，破碎岩石；盾构刀盘带有2把可更换的超挖刀；盾构前盾上方装有土体压力探测器；盾构前盾备有超前钻的管道，可以用于前上方注浆加固，盾构带有泡沫系统，改良渣土[6]，保护刀具。

(2)在隧道半断面岩层段施工时，由于隧道断面内上下土层软硬不均，盾构操作人员应及时根据测量[7]系统的测量成果，确定盾构机姿态的变化量，根据姿态的变化情况调节油缸的推力，必要时采用超挖滚刀对部分岩层进行超挖，保证盾构机尽量拟合设计线路掘进。同时减少衬砌拼装偏差；盾构进入该段区域前应将盾构机高程姿态控制在-40 mm左右(防止管片上浮)，确保穿越半软半硬土层区域隧道轴线复合设计要求；加强碴土改良，每环加入泡沫剂35～50 L，增大碴土的流动性和保水性，减少地下水的损失和地面沉降。

(3)根据地层情况合理制定施工参数：总推力控制在11 000～15 000 kN；上部土压控制在0.15～0.17 MPa；同步注浆压力控制在0.25～0.35 MPa；同步注浆量控制在6～7 m3；刀盘转数控制在1.3 r/min；盾构掘进速度控制在 10～20 mm/min；刀盘扭矩控制在40%～60%；理论出土量38.7 m3，盾构过硬岩过程中要严格控制出土量，盾构掘进过程中确保盾尾间隙均匀，盾构机姿态良好，减少开挖面土体的坍塌、变形以及土层损失；加强同步注浆及二次注浆质量控制，及时足量对建筑空隙进行填充，管片脱出盾尾后4环及时进行壁后二次注浆填充；加强对管片的监测工作，以期指导调整盾构机姿态，如果出现管片上浮和下沉量突变，则应加大监测频次，并采取二次注浆的方法对管片进行稳定。

4.2实施效果(图12)

盾构通过岩层过程中严格按照实施方案，对穿越该地层的盾构机合理选型，采用川崎铰接型加泥式复

合土压平衡盾构机，盾构掘进过程中严格按照制定的穿越硬岩段盾构掘进参数，穿越过程中平均每天10环管片(12 m)共计14 d顺利通过硬岩区，盾构通过硬岩过程中地面沉降最大7 mm，硬岩段隧道轴线均在20～30 mm，满足成型盾构隧道+100 mm，硬岩段管片拼装质量良好，没有渗漏水现象，管片错台环向5 mm，纵向7 mm，均满足成型隧道规范及设计要求，本方案较先暗挖硬岩段，后盾构空载通过方案节约工程造价约140万元，比调整线路避开硬岩段多70多万元。

图12　过硬岩段成型隧道及管片拼装现场

5结语

对杭州地铁2号线在软土区过硬岩施工的3种方案有效分析比选，最终选用合理的盾构机选型设备及施工过程中的技术措施，有效避免了盾构掘进过程中的各种风险，杭州地铁2号线人民路到杭发厂站的区间成功穿越硬岩，形成以下结论：

(1)盾构施工过程工程地质是关键，要根据工程地质及施工周边环境及设计要求选择合适的盾构机；

(2)随着盾构施工范围的拓展，理想的地层(整个区间全是淤泥质粉质黏土、或者整个区间全是硬岩)的情况很难遇到，这就要求在施工之前的方案比选要做到充分合理，根据整个施工方案统筹调整区间施工与车站施工的时间先后顺序，以便选用最经济、最简捷的施工方案。

参考文献：

[1] 李锦富，罗忠.盾构空推拼装管片过矿山法隧道渗漏水控制[J].现代隧道技术，2012，49(2)：71-74.

[2]刘建卫.盾构穿越城市建(构)筑物桩基的施工技术研究[J].2010(2)：113-117.

[3]赵立锋.土压平衡盾构到达钢套筒辅助施工接收技术[J].铁道标准设计，2013(8)：89-93.

[4]严辉.盾构隧道施工中刀盘泥饼的形成机理和防治措施[J].现代隧道技术，2007，44(4)：24-27.

[5]张厚美.盾构盘形滚刀损坏机理的力学分析与应用[J].现代隧道技术，2011，48(1)：61-65.

[6]夏毅敏，周喜温,等.某型土压平衡盾构刀盘布刀规律研究[J].湘潭大学学报：自然科学版，2009，31(4)：93-96.

[7]朱洪明.盾构隧道施工控制测量方案设计及贯通误差估算[J].科技资讯，2008(18)：56.

Research on Shield Construction of Hangzhou Metro Line 2 in Soft Soil Area with Hard Rock

ZHAO Li-feng

(The Construction Branch of Suzhou Rail Transit Co.， Ltd.， Suzhou 215000, China)

Abstract：In view of Hangzhou metro line 2 in soft soil layer with hard rock quartz vein， the applicable concept， construction method and equipment need to be addressed in post design. With reference to successful practices in this regard， this paper analyzes the geological and environmental conditions of the metro line and concludes that the adoption of reasonable shield machine， improvement of cutter and optimization of tools serve to control ground settlement and ensure successful passing through.

Key words：Metro; Earth pressure balance shield machine; Soft soil area; Hard rock; Line adjustment

中图分类号：U231+.3； U455.43

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.023

文章编号：1004-2954(2015)06-0103-05

作者简介：赵立锋(1981—)，男，工程师，E-mail:lifengzhao4290@163.com。

收稿日期：2014-07-13； 修回日期：2014-09-23