盾构机在花岗岩球状孤石区及复合地层中掘进施工技术浅析

田双龙

摘 要：针对区间盾构隧道在广州地铁复合地层中地质条件复杂、地层物理性差异大（局部存在孤石群），在盾构机的选择上，并通过掘进模式、添加剂使用、盾构隧道轴线控制及同步注浆等施工技术的不断优化，顺利完成预定目标。

关键词：复合地层、盾构机选型、掘进模式、添加剂、轴线控制、注浆。

1 工程概况

1.1 工程简介

知识城北站～马头庄站区间（以下简称“知～马区间”）设计为双线圆形盾构隧道，右线起止里程为支YDK45+403.700～支YDK47+698.950，右线总长约2297.273m；左线起止里程为支ZDK45+403.700～支ZDK47+698.950，左线总长约2248.611m。线路最小曲线半径为800m，盾构段隧道覆土厚度为8.62～21.4m。线路设W形坡，最大坡度为21.009‰。

区间全程基本沿规划的九龙大道敷设，出知识城北站之后向东南方向前进经过红卫村、路边空地（主要是果林和水塘），采用800m曲线半径绕过凤尾小桥后回归九龙大道，随后全线沿九龙大道规划红线内前行，经过凤尾村、新南村等村庄后到达马头庄站。

隧道内径5400 mm，外径为6000mm，采用C50P12预制钢筋混凝土管片衬砌，宽度1500mm，每环管片采用“3+2+1”（3块标准块、2块邻接块和1块封顶块）型式、错缝拼装，弯曲螺栓连接，环与环间以10根纵向螺栓相连，块与块之间以12根环向螺栓紧密相连，接缝处设密封垫沟槽，采用三元乙丙橡胶弹性密封垫止水，管片背后注浆回填。

1.2 地质情况

知～马区间拟建场地为低丘、残丘、山地地貌，其间分布有剥蚀残丘、剥蚀台地、山地及山间冲洪积平地。地势起伏较大。第四系覆盖层，残、坡积土层分布广泛且厚度较大，下伏基岩为燕山期花岗岩，风化层厚度较大。隧道主要穿行于中粗砂层<3-2>、粉质黏土层<4N-2>、残积砂质黏性土层<5H-2>、全风化花岗岩<6H>、强风化花岗岩<7H>。以左线地质为例，详见图1-1左线地质纵剖面示意图。

说明：<1-2>杂填土、素土，<3-1>粉细砂，<3-2>中粗砂，<4N-2>可塑状粉质粘土，<5H-2>硬塑状砂质粘土，<6H>白垩纪全风化花岗岩，<7H>白垩纪强风化花岗岩，<8H>白垩纪中风化花岗岩，<9G>白垩纪微风化花岗岩孤石。

1.3 区间孤石概况

⑴原详勘揭示孤石情况

原区间详细勘察报告及补充岩土勘察报告揭示本区间存在4处孤石，孤石的层厚为0.8～3.4m，孤石的岩性为中风化球状孤石或微风化球状孤石，强度为102.8～104.3MPa。

⑵补勘揭示孤石情况

为更好了解区间孤石分布、大小及岩性情况，按照广州地铁轨道公司《孤石补勘管理办法》进行布孔，对孤石出现可能性很大区域按10m间隔布置，对孤石出现可能性较大的区域按20m间隔布置，均为一般性钻孔，钻孔编号为：B001～B300，当有钻孔揭露孤石时，以该孔为中心往小里程方向和大里程反向沿隧道中心各5米处布置一加密孔，加密孔编号以该孔编号为主号（以**-1和**-2形式进行编号），**-1为小里程方向加密孔，**-2为大里程方向加密孔。孤石边界探测以揭露孤石的钻孔为中心在隧道中线和垂直隧道中线上2米处各布置钻孔2个，当揭露孤石时外扩2m继续加密探边，未揭露孤石时内缩1米探边为止。本次共补勘共计揭示孤石62处，所揭露单个孤石几何形状不规则，厚度0.10～4.50m，而且孤石多呈群状分布；孤石强度为33～104.3MPa，孤石岩性为中风化及微风化，具体情况如图1-1所示，孤石岩芯如图1-2所示。

2 盾构机选型

投入本标段知识城北～马头庄区间掘进的是两台海瑞克土压平衡盾构机S585和S586。该两台盾构机是德国海瑞克公司生产，出厂编号分别为S585和S586的土压平衡盾构机，曾在2013年完成东莞R2线【鸿福路～西平盾构区间】施工2306标的隧道工程（以下简称2306标）、2014年完成深圳地铁7号线7302标安托山～农林盾构区间。

2013年01月和2012年12月两台盾构机投入东莞R2线【鸿福路～西平盾构区间】施工2306标的隧道工程左右线的盾构施工，其中左线盾构施工为1239.318m，右线为1377.83m，每台盾构机完成掘进任务分别为826环、919环，推进时间S585为1239h，S586为1379h。

2014年3月和2014年4月两台盾构机投入深圳地铁7号线7302标安托山～农林盾构区间左右线的盾构施工，其中左线盾构施工为1629.709m，右线为1652.777m。其中左右线各有两段矿山法开挖初支盾构拼装管片施工，分别长152m、782m、185m、859m。每台盾构机实际完成掘进任务分别为464环、406环，推进时间S585为696h，S586为609h。

S585、S586累计推进时间分别为1935h、1988h。工程合计仅为原主轴承设计寿命的19.4%、19.9%。

S-585/586盾构机为土压平衡式盾构机，依据广东地区复合地层资料专门设计，其主要参数满足广东地区掘进、换刀等相关要求。

⑴盾构机额定扭矩大于4470KN.m，额定推力39910KN。

⑵盾构机刀盘有双刃滚刀4把，单刃滚刀32把，刮刀64把，8把铲刀、开口率28%。

⑶螺旋输送机配备了2道防水闸门。

⑷土压仓内装有5个土压计。

⑸泡沫注入系统1个，泡沫发生器4个。

⑹盾构密封刷3道，密封刷为知名品牌。

⑺盾构机切削外径与管片外径之间的距离为140mm。

⑻各区域推进千斤顶最大可伸长量为2000mm。

3 花岗岩球状孤石体中盾构掘进施工技术

3.1 孤石处理

考虑因素：孤石处理方法将根据孤石的大小、位置、形状、周边环境以及是否探明等因素确定。主要采取盾构机直接掘进通过和地表钻孔深孔爆破两种方式进行处理，辅以开仓清理孤石的方式

⑴盾构机直接掘进法：对于孤石裂隙发育、强度不大、孤石尺寸大小小于30cm的孤石采用盾构机直接掘进，不需要提前预处理。

⑵地表引孔爆破法：选择在地面采用钻深孔控制爆破预处理的方式，以避免和减小洞内处理空间限制和安全风险。

3.1.1试爆

孤石爆破处理试爆点选择在区间左线ZDK47+432.62至ZDK47+463.627区段，区段长为31.4m，宽为6m。采用地质钻机引孔，钻孔的孔距a、排距b均为0.5m，为了确定孤石的形状、体积大小，以探明孤石孔为中心采取向外扩展的方式进行钻孔，确保整个孤石被包络在钻孔中。布孔形式采用梅花桩形，孤石爆破布孔平面如图4-1所示：

3.1.2效果检查

基岩处理后的爆破质量通过地质钻机钻孔取芯进行验证，以抽取出的完整岩芯单向长度≤30cm为合格。本次试爆后选择在两个爆破区域之间未爆破区域及爆破区内进行取芯，具体取芯点位置如图4-3所示。

通过孤石试爆区域爆破效果检查，孤石爆破处理间距为500*500mm梅花型布置满足盾构掘进的需求，孤石爆破二区、三区孤石处理的孔距暂时按照500*500mm梅花型布设。最后再通过盾构掘进过程揭示孤石大小及难易程度进一步确定爆破处理的各项参数（包括孔距、孔深、装药形式及炸药用量）。

3.2 盾构机掘进模式及土压设定

隧道主要穿越于中粗砂层<3-2>、粉质黏土层<4N-2>、残积砂质黏性土层<5H-2>、全风化花岗岩<6H>、强风化花岗岩<7H>；局部穿越8G、9G孤石群；为典型的上软下硬地层。因此选择适合本工程的土压平衡是本区间盾构掘进施工重难点。

土压的是定有采用主动土压力和静止土压力的方法，但基本的思路：作为上限值，以控制地表沉降为目的易采取静止土压力；作为下限值，可以允许出现少量的地表沉降，但以确保掌子面稳定为目的易采取主动土压力。

土压力的设定有受到多个因数的影响，其中包括隧道的覆土厚度、地层情况、地下水位、地面建（构）筑以及地形的影响，通常采取经验公式：

3.3 添加剂的使用

盾构机是针对特定施工环境的施工设备，对于岩层掘进使用硬岩掘进机（刀具全部使用滚刀，无刮刀）是合理的选择；在软土地层掘进使用全刮刀配置的软土盾构机也是十分合理。由于复合地层在地质上的多变性，在目前经济技术水平条件下无法实现不同配置的盾构机在同一施工线路上使用。在选择复合式盾构机使用于复合地层的同时，如何更好的适应地质条件的变化是盾构机选型过程重点解决的问题，而其中使用添加剂是最合理、最简单的方法之一。

使用添加剂的主要作用：改善渣土的和易性；起到润滑作用，降低刀盘、刀具、螺旋机的磨损；防止硬质粘土层渣土附于刀盘及土仓，避免在高温下形成泥饼；减小刀盘与与开挖面之间的摩擦，降低盾构机掘进是刀盘的扭矩。

在施工过程中膨润土、聚合物、发泡剂等是极为典型的添加剂，本工程主要使用发泡剂作为添加剂。

3.4 渣土管理

在盾构施工中碴土的管理也是一个重要的内容，特别是在软硬不均和全段面土层中掘进时更应该对做好碴土管理工作。碴土管理包括碴土改良、出碴量控制、碴土性状鉴别等内容。

3.4.1碴土改良

国内外的盾构施工经验，在盾构施工中尤其在复杂地层盾构施工中，进行碴土改良是保证盾构施工安全、顺利、快速施工的一项不可缺少的重要技术手段。

⑴碴土改良的方法与添加剂

碴土改良就是通过盾构机配置的专用装置向刀盘面、土仓或螺旋输送机内注入泡沫或膨润土，利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌或螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与土碴混合，其主要目的就是要使盾构切削下来的碴土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，以满足在不同地质条件下采用不同掘进模式掘进时都可达到理想的工作状况。

⑵碴土改良的主要技术措施

全、强、中风化红层和混合花岗岩的掘进中，拟采取分别向刀盘面和土仓内注入泡沫的方法进行碴土改良，必要时可向螺旋输送机内注入泡沫。同时，采用滚刀与齿刀混合破岩削土或全齿刀削土、增大刀盘开口率等方法来防止泥饼形成。泡沫的注入量为每环35～50L左右。

在其它含水地层采用土压平衡模式掘进时，拟向刀盘面、土仓内注入泡沫剂，并减少排碴量，以利于螺旋输送机形成土塞效应，涌水较大时，注入高分子聚合物防止喷涌。

3.4.2防泥饼措施

盾构掘进时易在刀盘，特别是刀盘的中心部位产生泥饼。施工中拟采取的主要技术措施为：

⑴加强盾构掘进时的地质预测和泥土管理，特别是在粘性土中掘进时，要更加密切注意开挖面的地质情况和刀盘的工作状态。

⑵刀盘前部中心部位布置有数个泡沫注入孔，在这种地层掘进时可以适量增加泡沫的注入量和选择比较大的泡沫加入比例，减小碴土的黏附性，降低泥饼产生的几率。

⑶为防止结泥饼，尽可能将土压平衡掘进模式改为采用土仓顶部（1/5～1/6仓位）加气的欠土压平衡模式掘进

3.4.3出碴量、性状鉴别与碴温的控制

通过调节掘进速度和螺旋输送机的转速来控制出碴量，防止由于过量出渣而出现隧道冒顶。在施工中随时对碴土温度、碴土砂石的含量判断所掘地层的岩性。碴温的控制是指通过对碴土温度的感知了解刀具的工作环境，同时指导碴土改良，对刀具进行保护。

3.5 隧道轴线控制及管片纠偏

盾构机姿态控制由自动系统进行实时控制，根据自动导向系统在电脑屏幕上显示的数据，通过合理分配各区千斤顶的推力（主要为由的行程）来调节盾构机的姿态；如果盾构机向左偏则需要提高左侧千斤顶分区的推力，如果盾构机向下偏则需要提高下部千斤顶分区的推力；反之亦然。

3.5.1盾构姿态控制

盾构机在一般地层掘进过程中，盾构机方向偏差控制在±50mm以内，线路曲线半径越小控制难度较大。在台的控制主要受到设备性能好坏、地质条件和操作手的经验等方面的影响。在单一地层（盾构断面内地层性质相近）中，保持盾构姿态符合设计轴线要求相对比较容易，姿态纠偏相对难度也较小。

当盾构机在复合地层（具体表现为断面内地层性质相差较大，上软、下硬）掘进时，盾构机的姿态控制变得比较困难，极易产生盾构机垂直或水平方向上到的过量“蛇行”。并且，由于管片纠偏跟不上盾构姿态偏移量，造成盾尾单边间隙过小，严重的可能造成刮片错台或开裂。在该类地层中，盾构刀盘面地质条件比较恶劣、软硬不均、刀盘受力不均，姿态控制的难度极具增大，在施工中要求做到以下几点：

⑴在掘进过程中时刻观察测量系统提供的盾构机姿态值（高程偏差、水平偏差、滚动角），结合千斤顶和交接千斤顶的行程差不断调整各分区千斤顶的定推力，保证盾构机姿态在可控范围之内。

⑵注重管片的纠偏，在复核地层施工中地层的变化比较大，盾构姿态跟随地层的变化可能发生突变。地质情况突变引起的姿态的偏差很难通过千斤顶推力的分布来进行控制，因此需要通过管片不断的纠偏保证千斤顶的行程差满足盾构姿态控制的需求。

⑶兼顾千斤顶的行程，千斤顶行程差的产生主要由于盾构机尾部姿态与管片姿态不匹配造成的，盾构姿态变形过大、管片纠偏工作跟不上在台变化造成的，一般通过盾构姿态控制及配合管片纠偏，将 千斤顶行程差控制在30mm以内为宜。

3.5.2管片纠偏

盾构机各区域全部配置同长千斤顶，可保证管片拼装可360°全旋转拼装，采用全旋转管片进行施工，利用管片的楔形量旋转拼装达到传统贴片纠偏效果，控制隧道轴线。全旋转管片隧道施工主要有以下优点：⑴无需使用贴片进行纠偏，是的隧道曲线过度比较平缓、平滑，管片拼装精度比较高；⑵整个隧道的防渗防漏以及受力状况更加好；⑶施工中盾构姿态变化较大时可以避免管片的损伤及隧道的错台量。

根据盾构机设备的她点，在穿越过程中管片纠偏应进来选择全旋转楔形管片的方式，在施工过程中加强管片选型控制，加强对管片进行纠偏，并强调纠偏的及时性。

3.5.3管片上浮控制

复合地层掘进时管片上浮是较为明显，地下水系丰富、衬砌背后注浆不及时或注浆不到位而对管片的约束不到位是造成管片上浮的主要原因，控制措施主要如下：

⑴盾构机在复合地层工况中掘进，盾构完全安全罩设计轴线掘进并不能保证隧道符合设计轴线，控制重点应该是成型隧道的轴线要能够达到设计要求的精度。针对管片上浮难以避免的情况下，首先将盾构掘进的姿态调低，使盾构机在掘进过程是的姿态低于设计轴线10～15mm（根据现场实际情况进行调整），使得隧道最终稳定后隧道轴线控制在要求范围内。

⑵改变同步注浆的配合比，增强浆液的24h强度，减少浆液流动性。

⑶及时进行二次注浆，注浆浆液尽量采用硬性浆液，以达到约束管片上浮的效果。

3.6 衬砌背后同步注浆及二次注浆

盾构机在设计时，为满足平面曲线和竖曲线掘进的需要，管片的外径和盾尾之间存在一定的空隙，随着盾构机的推进，脱出盾尾的管片和土体之间出现空隙，如果不及时对其进行处理，将极易引起地面的沉降，施工通常采取衬砌背后注浆的方式予以填充。

3.6.1注浆的分类

根据衬砌背后注浆方向的不同分为水平和垂直向注浆，水平衬砌背后注浆多采用盾构机自带的注浆系统，通过盾尾设置在盾尾的注浆管注出填充浆液，一般水平衬砌背后浆液采用单液浆。垂直衬砌背后注浆是通过管片上预留注浆孔注浆，注浆管垂直于管片表面压注，浆液可采用单、双液浆。

3.6.2同步注浆及二次注浆

同步注浆与盾构掘进同时进行，通过同步注浆系统及盾尾的内置注浆管，在盾构向前推进盾尾空隙形成的同时进行，采用双泵四管路（四注入点）对称同时注浆。同步注浆注浆液配比为：水泥：砂：粉煤灰：膨润土：水=1.00：5.56：1.66：0.17：1.73。

二次注浆是在同步注浆达不到预期效果时，对前期注浆进行二次补充注浆，在注浆孔内安装逆止阀，注浆完成后，对注浆孔进行清洗，确保后期可以反复使用。根据实际情况，二次注浆浆液采用水泥浆或双液浆。

3.6.3孤石群及复合地层同步注浆的意义

⑴提高隧道的抗渗性：注浆浆液凝固后，具有一定的强度及抗渗能力，可作为隧道第一道防水措施，以提高隧道整体防水效果。

⑵控制地表不均匀沉降：同步注浆的主要目的是填充建筑空隙，避免由于建筑空隙的长期存在导致地表的沉降，以致引起地表坍塌。

⑶稳固管片、防止管片上浮：注浆浆液凝固后具有一定的强度后与周围围岩可对管片产生一定约束力，防止管片由于建筑空隙的存在，在水力作用下发生上浮以及错台等质量风险。

3.6.3孤石群及复合地层同步注浆施工的要点及注意事项

⑴地表翻浆、冒泡及塌陷：孤石爆破处理后，采用袖阀管对爆破松散体进行加固，袖阀管间距按照1*1m梅花形布设，袖阀管深度与爆破孔同深，注浆压力控制在10bar，注浆过程通过注浆压力及注浆量进行双控，以确保注浆效果。防止盾构机掘进过程中，出现地表翻浆、冒泡或者地面出现塌陷现象。

⑵刀具磨损：盾构机在孤石群中掘进，刀具极易造成磨损。施工过程中，按照“勤开仓、勤检查、勤更换”的原则对刀具进行管理。

⑶在条件允许的情况下优先选择水平衬砌背后注浆模式，根据注浆效果合理选用垂直衬砌背后注浆模式，注浆过程中，加强注浆压力及注浆量的控制，以确保注浆效果；并加强管片姿态的测量，摸清楚管片上浮的规律，制定有效的注浆参数，减小管片上浮造成的次生灾害。

⑷在孤石区及复合地层中，控制地表沉降的要点：合理控制盾构机的掘进参数、加强同步注浆及二次注浆的管理、注浆浆液采用早期及后期强度较高的浆液，重视二次注浆的及时性、注浆与监控做到信息化管理。

4 结论

本区间最大的特点是岩土复合地层的掘进，在区间线路水平向、垂直向地质变化大，局部存在孤石群，地质性质差异大是其最大的特点。工程前期所采用的特殊措施掘进模式的变化、孤石群超前预处理、带压开仓刀具检查及换刀、添加剂的使用等围绕这一主题展开的。通过前期工程施工总结一些经验，指导后续盾构施工，但也发现存在许多不足，需在今后的工程实践中进行改进。

⑴盾构机选型及改造总体上相对比较成功，比较适合广州地区孤石群及复合地层，为确保本工程工期奠定了基础。

⑵孤石群及复合地层泡沫剂添加剂的使用效果比较明显，并且有效保护好刀盘刀具、延长了其使用寿命。

⑶孤石群及复合地层中，孤石预处理及预处理后地层加固、衬砌背后同步注浆及二次注浆是控制周边环境变化和保证管片成型质量的重要手段。结合业主工期、工程所处周边环境等情况，提前对孤石进行处理，并按照设计方案对处理后的孤石所处地层进行加固及爆破孔封堵；为加速盾构掘进速度及保护周边环境，同步注浆及二次注浆宜采用初凝时间段、早期及后期强度的浆液（复合地层应选择双液浆），选择合理注浆方式及注浆时间。

⑷对孤石群处理后对刀盘的磨损认识不足，导致在换刀点选择上存在失误，直接影响对刀具的检查及更换的及时性。

参考文献

[1]复合地层中的盾构施工技术，竺维彬、鞠世健等著，中国科学技术出版社