上软下硬复合地层地铁盾构隧道设计及施工探析

朱宏海

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

0 引言

花岗岩、混合岩及灰岩等硬质基岩大面积分布于我国华南、东南及华北沿海地区，上面多为花岗岩、混合岩的残积层以及黏土层、砂层等地层。花岗岩、混合岩的残积层具有未扰动前比较致密、承载力较高，扰动后强度迅速降低、软化、崩解，自稳性差等特性。硬岩和软弱地层，两者地质物理特性差别大，地铁盾构隧道由于地铁车站埋深及线路坡度的限制，区间隧道洞身不可避免地会有部分位于硬质基岩、部分位于风化残积层或其他软弱层中。盾构在上软下硬地层中施工经常遇到掘进速度减慢、极易超挖、地面沉降严重甚至坍塌、盾构刀具磨损严重、卡机、螺旋机喷涌等问题。如何处理好这些问题，国内工程技术人员一直在分析和研究。以往的解决方案多从施工方面来考虑，效果欠佳。文献［1］结合深圳地铁2号线东延线土建2222标侨香站—香蜜湖站区间施工，对上软下硬地层盾构施工，从掘进参数控制、渣土改良技术、带压开舱换刀技术等方面做了研究和改进，利于盾构施工。文献［2］对上软下硬地层盾构施工，主要从合理选用盾构掘进参数及渣土改良技术2方面做了研究和阐述。文献［3］以南昌地铁1号线5标中山西路站—子固路站盾构穿越上覆砂砾下卧泥质粉砂岩复合地层为背景，在室内试验成果的基础上，提出了渣土改良方案，并结合现场实施效果，相应地修正了现场渣土改良参数。文献［4］总结了狮子洋隧道φ11.2 m泥水盾构穿越上软下硬地层的施工技术，从刀盘刀具配置、掘进参数、姿态控制、同步注浆等方面提出了大直径泥水盾构穿越上软下硬地层施工中应注意的主要方面。文献［5］围绕典型上软下硬地层的施工，分析了该地层中盾构法施工存在的问题和风险，给出了施工的有效方法和措施，并研究了相应的应对措施，以提高典型上软下硬地层的施工质量。针对上软下硬地层，其实应从设计方案、盾构选型及配置、施工措施等多方面综合分析、研究与处理。从设计源头开始，设计方案应合理可行且应有针对性;根据设计方案及地勘报告等资料，选购或改造合适的盾构及关键部件配置;在项目实施阶段，结合大量工程经验，提出施工处理措施、盾构施工参数及注意事项。

1 工程地质特点

1.1 上软下硬地层

上软下硬地层指隧道洞身下半断面或大部分断面位于花岗岩、混合岩、灰岩及含砾砂岩等岩层中，隧道上半断面或拱顶位于软弱地层中如:盾构隧道下部洞身位于花岗岩中，上半部洞身花岗岩、混合岩全风化层及残积土层，或砂层、淤泥层及软塑状黏土层等地层中;通常隧道洞身位于地下水位以下，地层含水丰富或饱水。如:东莞市城市轨道交通R2线陈屋站—寮厦站区间，隧道左线ZDK27+814.225～+898.225，右线YDK27+806.874～+873.504，共约150 m位于上软下硬地层，隧道下部为中风化花岗闪长岩〈9－3〉、微风化花岗闪长岩〈9－4〉，其中微风化花岗闪长岩〈9－4〉天然抗压强度fc=34.5～110.0 MPa。隧道上部为硬塑状砂质黏性土〈6－6〉、可塑状砂质黏性土〈6－5〉。图1为寮厦站—珊美站区间纵断面图，图2为典型上软下硬地层取芯情况。

图1 寮厦站—珊美站区间纵断面图Fig.1 Longitudinal profile of Liaoxia Station-Shanmei Station section

1.2 工程地质特点

根据TBJ 12—1985《铁道工程地质技术规范》［6］及《工程地质手册》［7］，岩石饱和单轴抗压强度大于60 MPa为极硬岩，饱和单轴抗压强度30～60 MPa为硬岩。地铁盾构隧道上软下硬地层中的硬岩一般指饱和单轴抗压强度大于50 MPa且岩石完整性较好的岩石。

图2 上软下硬地层取芯照片Fig.2 Cores of hard-soft heterogeneous ground

软弱地层中，花岗岩、混合岩全风化层及残积层有如下特征:

1)均匀性较差，强度不一。全风化层、残积层具有遇水软化、崩解，强度急剧降低，自稳性差的特点。

2)全风化层及残积层土颗粒成分具有“两头大、中间小”的特点。地层颗粒成分中，粗颗粒(＞0.5 mm)的组分及颗粒小的组分(＜0.075 mm)的含量较多，而介于其中的颗粒成分则较少，且长石、石英等颗粒含量较大。

以上特征是造成全风化层及残积土遇水软化、崩解，强度急剧降低的主要原因。当动水压力较大时，容易产生管涌、流土等现象［8］。全风化层及残积层物理力学指标统计如表1所示。

2 设计、施工现状及问题

2.1 设计现状及问题

目前国内各参与地铁设计的公司和设计院普遍任务较多，人员配备不足，设计人员经验有一定欠缺;并且盾构区间精细化设计存在不足，地铁线路设计人员和区间结构设计人员配合、沟通不够，对盾构隧道上软下硬地层施工难度和施工中存在问题认识不足，甚至部分线路设计人员对上软下硬地层没有概念。在方案设计阶段未能优化线路，尽量避开上软下硬地层。

由于地铁车站埋深和线路坡度的限制，区间隧道无法完全避开上软下硬地层，再加上设计各阶段对上软下硬地层缺乏针对性的设计和措施，造成初步设计概算中针对上软下硬地层的处理费用不足，发展成施工阶段出现问题时资金困难，施工难题最后转移给承包商。

设计阶段审查，政府评审，部分流于形式，难以发现问题并提出有效处理方案。

表1 花岗岩、混合岩各土层物理力学参数统计表(范围值)Table 1 Physical and mechanical parameters of soils in granite ground and migmatite ground

2.2 施工现状及问题

盾构隧道上软下硬地层的特性，决定了盾构施工的困难，施工中出现问题难以完全避免。部分区间施工承包商对该地层认识不足，盾构选型、采购或改造上针对性不强。部分盾构机操作手和现场施工技术管理人员也存在经验不足的问题，施工前施工组织没有针对性，缺乏相应预案，造成施工中问题不断，部分问题处理不及时，造成较大损失。图3为上软下硬地层施工地面塌陷情况，图4为施工过程中地面冒浆情况，图5为盾构刀盘磨损情况。

图3 地面坍塌Fig.3 Ground collapse

图4 地表冒浆Fig.4 Grout emerging on ground surface

图5 磨损严重的刀盘Fig.5 Seriously-damaged cutter head

施工中出现的主要问题有:

1)盾构掘进参数取用不合理，刀盘转速、贯入度、扭矩及推力等偏大;造成盾构机掘进不顺、姿态难以控制等问题。

2)盾构掘进困难，盾构昂头，出土超量，地面沉降及坍塌。

3)盾构刀具磨损严重，需频繁开舱检查刀具及换刀。

4)盾构出现卡机现象。

5)软弱地层松动坍塌，泥水涌入土舱，出现螺机喷涌;土舱保压造成地表冒浆等。

3 设计探讨

盾构区间上软下硬地层普遍存在，在设计中不可避免地会遇到，各设计单位应提高认识，加强对设计人员的培训，提升综合设计能力。

方案设计阶段，应尽可能避开该地层，具体可以采用以下方法和措施:

1)线路从平面上绕避上软下硬特殊地层。

2)各专业设计人员密切协调和沟通，调整线路纵坡，避开大量的上软下硬地层，可采取调高(或调低)线路的手段，例如线路可由常规的V形坡改变为W形坡。

3)调整车站埋深，常规地铁标准车站采用地下2层方案，工程实施困难区间两端车站可结合环境条件，比选地下1层、地面1层车站和地下3层或4层车站方案，综合车站投资、区间工程实施难度、节省的投资以及后期运营的便利及成本的增减，确定合理的区间方案。

在初步设计和施工图设计阶段，应在地勘初步探明上软下硬地层分布及埋深的基础上，采取针对性设计和措施，主要有:

1)给出设计方案和措施时应有对应数量，概算开项并有合理的费用。

2)对隧道下部坚硬的岩层，可考虑预裂爆破+袖阀管注浆方案。预裂爆破可采用地质钻机或潜孔钻机，钻孔直径90～110 mm，间距800～1 000 mm。图6为预裂爆破平面及立面示意图。

图6 预裂爆破平面及立面示意图Fig.6 Plan and profile of presplitting blasting

3)隧道上部若为松散砂层，应结合地面条件，对砂层进行加固，加固方式可考虑搅拌桩、旋喷桩或注浆等。

4)根据区间长度，设置多个换刀加固区，加固区的设置宜结合联络通道地层预加固进行，具体的加固方式可选用搅拌桩、旋喷桩或注浆加固等。

5)避免线路与岩石交接面角度小于150°，以免盾构刀盘切入困难。

4 盾构选型及基本要求

目前国内穿越上软下硬地层一般选用复合式土压平衡盾构，盾构在采购或改造阶段需针对地层特点及岩石强度，提出专门要求。如:深圳地铁11号线车公庙站—红树湾站区间，土建承包商盾构机采购时，专门针对主驱动大功率、刀盘中心部位开口率、泡沫口、膨润土口设置、双渣门、刀盘中心双联滚刀单刃滚刀数量和高度等做了具体要求，来适应区间上软下硬地层。同样，东莞市城市轨道交通R2线工程西平站—哈地站区间施工采用既有盾构机，施工前，提高了既有盾构的刀盘开口率，将泡沫系统改为单管单泵，也是为了应对上软下硬地层。

盾构主要技术指标及要求有:

1)盾构主驱动应采用大功率设计。

2)刀盘、刀具具备在单轴抗压强度＞150 MPa的岩石中连续掘进的能力，同时有耐磨保护层及磨损监测装置。

3)盾构刀盘中心部位应有足够大的开口率，刀盘开口率宜大于30%。

4)泡沫注入系统的注入口不宜少于6个，应设计有防堵装置，同时设置膨润土注入口，泡沫及膨润土注入系统均为单管单泵系统。

5)建议优先考虑中心螺旋出土器，螺旋直径不宜小于750 mm，最大通过粒径不宜小于300 mm，可以考虑双渣门设计。

6)预留合理的超前钻机孔位。

7)具备有针对性的防泥饼、防喷涌设计。

5 施工措施、经验及注意事项

5.1 施工技术措施

盾构隧道上软下硬地层施工，施工前必须有针对性的施工组织及应急预案，对技术管理及操作人员进行专项培训。施工技术措施主要有:

1)针对上软下硬地段，在详勘基础上，进行有针对性的补充钻孔勘察，进一步探明隧道范围岩层、土层厚度及分布。

2)盾构推进前，根据地勘，对上软下硬地段隧道掘进影响范围岩石进行预裂爆破，爆破后再对岩层及隧道影响范围土层注浆加固。岩石预裂爆破孔距、深度、装药量等需进行试验和检验，同时需根据GB 6722—2003《爆破安全规程》［9］进行爆破安全校核，爆破后石块粒径应小于300 mm。图7为预裂爆破防护示意图。

3)施工前需对推进控制参数进行研究，建议参数为:①刀盘转速≤1.2 r/min，盾构推力 ＜20 MN，扭矩＜2 000 kN·m，贯入度＜5 mm;②边滚刀最大磨损＜15 mm，中心刀最大磨损＜25 mm，超过需更换。

4)盾构掘进过程中严格控制出土量，建议每环至少检查并确认3次。

5)盾构掘进时向土舱及时足量注入渣土改良剂，保持开挖面稳定，渣土改良可采用泡沫或泡沫+膨润土。

6)可以采用以下防喷涌措施:①土舱中加入高黏度泥浆;②调短同步注浆浆液初凝时间;③及时二次注浆，同时每5—10环管片考虑设一道双液浆止水环。

图7 预裂爆破防护示意图Fig.7 Protection of presplitting blasting

5.2 经验及注意事项

盾构在上软下硬地层施工困难大，问题多，总结类似工程实施经验显得弥足珍贵，主要注意事项如下:

1)施工中遇到异常情况应及时停机处理。

2)不断改进渣土改良工艺。

3)尽量多设置换刀加固区，勤检查更换刀具。

4)对岩层预裂爆破后，仔细对残留孔进行封堵，以免盾构掘进时地面冒浆。

5)由于对岩层进行了预裂爆破，隧道洞内应加强通风和进行有害气体检测。

6)施工过程中盾构姿态控制很重要，加强掘进参数控制，对掘进异常情况和参数异常要有足够的敏感性。

7)加强地面巡查，做好应急处理措施，遇有坍塌及时围蔽回填，以免造成不良影响。

6 结论与建议

盾构在上软下硬地层中施工困难，存在或隐藏的问题较多，其一系列问题在国内或国际上都是难题。各个环节都需要注意和慎重对待。如:广州市轨道交通六号线暹岗站—萝岗站—香雪站区间，在上软下硬地层中掘进困难，超量出土造成地面坍塌。东莞市城市轨道交通R2线工程西平站—哈地站区间，在上软下硬地层施工时隧道曾出现螺旋输送机喷涌，地面塌陷等问题。这些都是上软下硬地层施工中经常出现的问题，要尽可能解决和处理好这些困难和问题，需要从设计开始时就要做综合研究和多方案比选。措施考虑充足，相关工程量和概算列足，以免工程实施时因为费用问题造成事故。除了设计，盾构机选型、配置必须有针对性，否则后期施工时难以弥补。施工过程中对管理人员和操作人员要求高，应做专项培训，同时经验的积累和借鉴也很重要。只有工程参与各方从工程筹划时充分考虑到实施的困难、问题，采取有力措施，才能确保盾构在上软下硬地层较顺利掘进。

［1］ 邓彬，顾小芳.上软下硬地层盾构施工技术研究［J］.现代隧道技术，2012(2):59－63.(DENG Bin，GU Xiaofang.Study on shield construction technology in soft upper stratum and hard under stratum［J］.Modern Tunnelling Technology，2012(2):59 －63.(in Chinese))

［2］ 付艳斌.上软下硬地层中盾构法隧道施工技术［J］.交通科技与经济，2009(4):22－26.(FU Yanbin.Construction techniques by shield tunneling method in upper-soft lowerhard ground［J］.Technology ＆ Economy in Areas of Communications，2009(4):22 －26.(in Chinese))

［3］ 翟圣智，胡蒙达，叶明勇，等.南昌上软下硬地层土压平衡盾构渣土改良技术研究［J］.铁道建筑，2014(8):27 －31.(ZHAI Shengzhi，HU Mengda，YE Mingyong，et al.Study on ground conditioning of EPB shield used in complex geological area in Nanchang［J］.Railway Engineering，2014(8):27 －31.(in Chinese))

［4］ 李光耀.狮子洋隧道泥水盾构穿越上软下硬地层施工技术［J］.铁道标准设计，2010(11):89 －94.(LI Guangyao.Technology for slurry shield to passing through up-soft-downhard stratum in construction of Shiziyang tunnel［J］.Railway Standard Design，2010(11):89 －94.(in Chinese))

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［6］ TBJ 12—1985铁道工程地质技术规范［S］.北京:中国铁道出版社，1996.(TBJ 12—1985 Code for railway engineering geological technology［S］.Beijing:China Railway Publishing House，1996.(in Chinese))

［7］ 《工程地质手册》编写委员会.工程地质手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1992.(Compilation Committee of Engineering Geology Handbook.Engineering geology handbook［M］.Beijing:China Architecture＆ Building Press，1992.(in Chinese))

［8］ 朱宏海.混合岩残积层物理力学特性及其对地铁工程的影响与处理措施［J］.现代隧道技术，2013(1):29－34.(ZHU Honghai.Physical and mechanical characteristics of mixed rock eluvium and its influence on Metro works and treatment measures［J］.Modern Tunnelling Technology，2013(1):29 －34.(in Chinese))

［9］ GB 6722—2003爆破安全规程［S］.北京:国家质量监督检验检疫总局，2004.(GB 6722—2003 Codes for blasting safety［S］.Beijing:General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China，2004.(in Chinese))