复杂地层跨海隧道孤石及基岩凸起段处置措施

杨战勇

(中铁十四局集团有限公司，山东 济南 250014)

0 引 言

伴随着中国经济的迅猛发展，以兴修地铁为代表的城市建设迎来了黄金时期。随着地铁项目逐渐增多，盾构隧道穿越地层时遇到的情况愈加复杂，其中不乏诸如孤石密集、基岩凸起、上软下硬等施工困难的地层。

厦门轨道交通2号线一期海沧大道站至东渡路站区间穿越的地层由于各段风化程度不同，盾构在部分区间穿越以中风化及微风化安山岩或花岗岩为主的孤石区段及基岩凸起段时，由于掌子面前方软硬不均，掘进中极易造成刀具偏磨、脱落、刀盘卡死等问题，若孤石或脱落刀具处理不当，还将对掌子面前方土体造成额外扰动，引起过大沉降[1-3]。

国内许多学者针对施工中孤石[4-8]的探测方法、处理措施及基岩凸起[9-12]问题做出了相应的研究。张建斌[13]对厦门海沧海底隧道的建造技术及管理措施进行了研究与总结。王鹏华[14]基于某核电站引水隧洞建设中相关问题的处置措施，同时参考了深圳地铁5号线和广州地铁3号线的建设，提出对应于不同地质和不同工况的孤石处理技术，得出了“地下深孔爆破是处理孤石效率最高的方法之一”的结论。路耀邦[8]针对广东台山核电站施工中遇到的孤石问题，从爆破方案、爆破参数设计等方面进行研究，提出了一套在海底盾构区间施工中采用孤石爆破预处理的方法。古力[15]通过岩土受力分析方法得出了直接使用盾构机对孤石进行破碎的条件，并针对不能被盾构机直接破碎的孤石提出了预处理方法。黄恒儒[16]基于广州轨道交通6号线孤石段掘进，提出单一的孤石处理方式无法取得较好效果，施工中应综合运用预爆破、带压进仓等多种处理方式。张良辉[17]基于广州地区地层的相关地质条件，阐述了盾构掘进过程中可能会遇到的孤石问题。

厦门轨道交通2号线一期工程海沧大道站至东渡路站区间穿越地层地质情况多变，且因埋深问题导致水土压力大。由于水文地质条件特殊，初步地勘资料准确性有限，施工中常常突发孤石及基岩凸起的情况。基于这种情况，本文从孤石及基岩凸起段处置措施、施工参数控制等方面进行研究，探寻复杂地层跨海隧道孤石及基岩凸起段的处置措施，对今后类似工程具有指导意义。

1 工程概况

本文依托厦门轨道交通2号线跨海段，这是国内首个盾构越海地铁隧道工程。本区间工程为双线盾构隧道，最小线间距为7.3 m。区间线路分为盾构段和矿山段两部分。其中，左线盾构区间长2 288 m，矿山段长480 m；右线盾构区间长2 338 m，矿山段长398 m，如图1所示。区间隧道覆土厚度为8.7～65.7 m，最高潮位至隧道最低处距离约为55 m，最大水土压力约6 bar。盾构区间采用2台Φ6 990 mm复合式泥水平衡盾构进行施工，自海沧大道站一端始发，矿山段采用盾构空推的方式通过。隧道衬砌结构为外径6 700 mm、内径6 000 mm、幅宽1 500 mm的预制钢筋混凝土管片，采取错缝方式拼装。

图1 跨海段线路

根据工程建设前期对本海域的勘探，隧址范围内的地层从上到下主要分布：淤泥、土层(黏土、残积土)；全风化花岗岩、辉绿岩、安山岩；全风化和强风化泥岩、砂岩；中风化、微风化变质石英砂岩。

2 前期处理准备

在盾构机掘进的过程中，左线412环突然出现扭矩增大、刀盘及出浆管异响、掘进速度减缓等现象，判断前方极有可能遇到孤石或者基岩。调整施工参数后继续掘进，尝试利用刀盘破碎孤石，但推进过程中扭矩波动异常，且经常超限，推进中刀盘转动伴随巨响及盾构机的颤动，最终主驱动电机安全销全部被剪断，确定前方肯定存在较大孤石，且有地质裂隙存在，随即决定停止掘进，并采取相应的处置措施。

2.1 掌子面前方地质补勘

由于隧道穿越地层地质条件复杂多变，且横跨厦门西港，地勘资料准确性有限，为准确判断掌子面前方的地质条件，采用对掌子面前方地层取芯的方法，尽量详细探明地质情况，为制定相关处置方案提供依据。左线沿线路中心线共计布置11个补勘孔，如图2所示。深色标注孔表示发现微风化安山岩凸起，其余孔未发现。

图2 左线补勘取芯平面

经过详细地质补勘后绘制地质断面，如图3所示。由图可见，此处的地层有3个特点：基岩凸起，凸起段上部局部存在高角度风化裂隙；基岩凸起带上部普遍存在孤石群；安山岩与变质砂岩胶结处有较厚的碎裂状强风化带及节理裂隙发育。

图3 左线补勘地质断面

2.2 海底摸探及回填处置

隧道下穿厦门西港，难以判断海底隆沉情况，为进一步确定孤石及基岩凸起段施工掘进对海底隆沉的影响，初步确定掌子面前方孤石及刀具脱落情况，从而进一步细化处置措施，派遣潜水员进行海底摸探和回填作业。

潜水员摸探后发现盾构机体上方有一处直径约15 m的圆形塌陷区，深度约为7 m，基本上覆盖了盾体区域。发现情况后，对塌陷区域采用了黏土回填的处理方式，为确保效果，在顶部2 m范围内采用黏土装袋回填。

综合考虑地质补勘、海底摸探情况后，初步判断孤石密集、基岩凸起段盾构掘进异常的原因以及它对周边环境的影响，具体如下。

(1)地质条件发生突变，微风化安山岩从基底侵入隧道，掌子面内含有大粒径石块，在冲击作用下造成滚刀刀圈断裂，刮刀因失去保护而掉落。

(2)刀盘前方存在孤石，无法破碎及进入舱内，导致石块与搅拌棒形成夹制，造成刀盘转动困难、转动扭矩波动大、有异响。

(3)孤石在刀盘作用下长时间转动，加剧了对地层的扰动，造成地表塌陷。

(4)由于出现土体塌陷、地层节理发育的现象，因而掌子面不能保压。

3 处置措施

3.1 聚氨酯封堵缝隙及浓浆循环制造泥膜

通过对塌陷区域的分析，发现塌陷大多集中在盾体正上方，这种塌陷是由于孤石随刀盘一起转动，不断扰动掌子面前方土体造成的。由于掌子面前方土体受扰动巨大，结构松散，土体中存在水流逃逸通道，盾体密封困难[18]。为封堵管片，保障盾体的密封性，从而为带压进仓处置进行前期准备，通过盾体四周的8个径向孔向周围注入聚氨酯；脱出盾尾的第1环管片四周注入聚氨酯，第2环至第6环管片注入双液浆。

与此同时，为保障掌子面前方的压力平衡，提高浆液裹挟能力，进而提高盾构自身处理小块孤石的能力，先使用高比重、低黏度的膨润土浆液，再采用低比重、高黏度的膨润土浆液，由于气压作用，浆液向地层渗透，制造泥膜，如图4所示。

图4 膨润土浆液

3.2 海上地层注浆加固

盾构掌子面前方土体以全强风化地层为主，土体强度较差，孤石密集段的孤石随刀盘转动后对土体扰动巨大，扰动后掌子面前方土体结构松散，易导致海底地表沉降，给掌子面压力平衡带来巨大困难[19]。

为加固掌子面前方的土体，控制海底地表沉降，稳定掌子面压力，从而为带压进仓提供条件，对盾体周边被扰动的土体进行填充、加固，实现掌子面保压，保证进舱作业安全；对前方地层进行加固，固结隧道范围内孤石，以利于刀具破除孤石，确保剩余基岩凸起段盾构能够顺利通过。采用聚氨酯与水泥、水玻璃双液浆相结合的方式注浆加固，注浆范围为掌子面前后10 m、盾体两侧7 m，如图5所示。

图5 注浆加固平面及断面

3.3 衡盾泥填仓保压

由于隧道下穿厦门西港，水土压力较高，地质条件复杂多样，此次孤石密集段存在裂隙地层，水流通道密集，因此保压工作存在较大困难[20]。为实现带压进仓，处置孤石及脱落刀具，最终决定使用衡盾泥填仓保压。

衡盾泥是一种以无机黏土为主要形成材料的触变泥浆，通过无机黏土改性后与增黏剂反应形成。衡盾泥具有较高的黏度以及良好的和易性和黏附性，在水中不会被轻易稀释带走，且具有成膜稳定、附着力好的特点，是一种绿色环保材料。其主要用途是在带压开仓中发挥泥膜护壁作用，以及在掘进中防止滞排和控制喷涌。衡盾泥具有隔水性、裹携性、保水性和可逆性。衡盾泥的主要技术参数如表1所示。

表1 衡盾泥技术参数

现场衡盾泥配置使用电瓶车移动砂浆罐和管片运输车进行改装，将一台37 kW的剪切泵固定到管片运输车上，对移动砂浆罐里的浆液进行充分循环剪切，如图6所示。在衡盾泥置拌过程中，严格按比例控制A组分、B组分和水的用量，每次拌浆2 m3，首先向移动罐内加入2 m3水；然后通过剪切泵加入25袋衡盾泥干粉(每袋40 kg)，充分剪切循环30 min；最后将配置的A液抽到固定砂浆罐内，按照A液与B液15∶1的比例通过自吸泵均匀加入B液，充分搅拌10～15 min，观察浆液情况，如符合标准，即可进行前舱置换。

图6 衡盾泥现场配置设备及配置效果

浆液置换完成后进行分级加压控制，继续注入提高压力保压向地层中渗透，由于顶部支撑压力受潮汐影响，控制标准也应根据潮汐变化进行压力调整，保压最低值高于交底顶部支撑压力0.6 bar，保压最高值高于交底压力0.9 bar。保压时间达到120 min，衡盾泥建模完成，如图7所示。

图7 制备的衡盾泥

分级加压后，前仓可成功实现保压，即可进行排土换气作业，由平衡管进气，直到下部超前注浆管放出气体。在加气排土阶段，首先将气泡仓压力设置至比交底压力高0.2 bar，潜水员进入气泡仓后将通往前仓的闸门打开，采用人工把前仓的衡盾泥清至气泡仓，通过气泡仓泥水环流将衡盾泥带出。清理范围为前仓上半部分，清理完成后进行保压试验，试验标准为：将Samson气压调节装置关闭，2 h压力降至85%以上为合格，同时监测海面有无变化。待保压试验成功后，潜水员进入前仓正式作业，处理掌子面前方孤石。进仓检查时注意观察，发现有泥膜破坏情况时，及时采用手涂衡盾泥的方式修复。

实现前舱保压后，派遣潜水员进行孤石及脱落刀具打捞作业，共打捞出11把掉落刮刀(9把边缘刮刀、2把正面刮刀)、4块刮刀保护块、滚刀刀圈及大量石块。

带压进仓打捞孤石及脱落刀具后，掘进过程中出现的刀盘转动异响、扭矩超限及波动异常、盾体颤动等不良现象得到改善，盾构得以安全通过孤石密集区段。

4 结 语

本文以厦门轨道交通2号线越海隧道工程中孤石较为密集段的掘进情况为背景，介绍了包括地质补勘、海底摸探、浓浆制作泥膜、海上注浆加固、衡盾泥填仓保压等一系列处置孤石的措施，取得了良好的效果，得出如下结论。

(1)孤石密集及基岩凸起段对盾构施工的影响巨大，在很大程度上牵制着盾构施工进度，是整个项目的瓶颈。越海盾构隧道施工由于水文地质条件特殊，地勘准确性受限，在孤石密集段施工时应密切监测掘进参数及盾构的表现，在出现不良反应后及时进行地质补勘及海底摸探，为孤石处理储备准确的地质资料。

(2)由于本项目海底隧道水土压力较大，地质条件复杂，孤石及基岩凸起突发性较高，单一孤石处置方式难以满足施工需求。孤石处置过程中应结合不同的处置措施，从海上注浆加固、衡盾泥保压等方面对突发性孤石及基岩凸起段多管齐下，实现安全带压开仓，从而妥善处理孤石。