灰岩区不良地层下盾构施工技术难点研究

2020-06-09宋德文陈振豪谢永盛

工程技术研究 2020年7期

宋德文，陈振豪，谢永盛

（广州地铁集团有限公司，广东广州 510380）

随着全国城市化进程的不断推进，城市交通拥堵情况日益严重。以北京、上海、广州、深圳为“排头兵”的各级城市都在逐步推进地铁建设，以期缓解日益增加的交通压力。目前，具有施工安全性高、施工迅速等优点的盾构法是地铁隧道施工最常用的工法，但面对复杂的软硬复合不良地层时，盾构法施工会遇到许多典型问题——甚至盾构机刀具刀盘会磨损严重，刀具更换难度及风险大，刀盘受力不均匀，出现喷涌、泥饼现象等[1-4]。对于盾构法施工遇到的问题，各个工程在实践中有不同的解决方案，例如，广州地铁3号线盾构法隧道在施工过程中遇到了局部硬岩和上软下硬地层时，通过优化不同地层的盾构掘进标准参数和其他施工注意事项，以保证大石南到汉溪区间施工的顺利推进[2，5]；深圳地铁11号线盾构隧道在施工过程中遇到了上软下硬地层，且局部岩层强度高，通过深孔爆破法，对突起的硬岩进行预处理，并且对周边管线进行注浆加固，以便减小盾构掘进难度，满足施工方案要求；对于地铁隧道盾构掘进面对上软下硬地层容易出现的螺旋机口喷涌、刀盘结泥饼等现象，可以通过掺入泡沫、膨润土等外掺挤对盾构掘进过程中的渣土进行改良，能够有效防止结泥饼以及喷涌现象的发生[6-7]。

文章以广州地铁某条线路的TS区间为例，分析TS区间存在的施工难点，提出相应的解决方案，并通过施工的具体效果检验论文解决方案的可行性，以期为相似工程实际问题的解决方案提供参考依据。

1 工程概况

TS区间为盾构区间（使用土压双螺旋平衡式盾构机），隧道单线长度约1543m。区间隧道沿现状道路路下方铺设，双向4车道，路面狭窄，人流车流繁忙，道路两侧民居密集。

TS区间沿线主要为珠江三角洲冲洪积平原地貌，地形较为平坦，地面标高6.0～10.0m，第四系冲积土层、砂层发育。地铁隧道洞身穿越地层主要为<3-1>粉-细砂、<3-2>中粗砂、<3-3>砾砂、<4N-2>可塑状粉质黏土、<7-2>炭质页岩、<8>中风化带、<9C-2>灰岩微风化带和局部<4-2A>河湖相沉积淤泥、<4-2B>河湖相沉积淤泥质土。其中<9C-2>灰岩微风化带的裂隙较发育，近似RQD值在60%左右。TS区间石炭系地层岩溶较发育，地层中岩层较破碎、裂隙发育，且岩层上方直接覆盖砂层，详勘揭露到溶洞的钻孔有17个，见洞率约15.5%。

TS区间位于广从断裂以西构造区，冲洪积平原，附近地表水体只有一条HK河涌。第四系冲洪积成因砂层发育，基岩以为石炭系灰岩、灰质灰岩、炭质页岩为主局部砂岩。主要含水层是第四系冲洪积砂层，基岩强、中风化和基岩内发育的溶洞。地下水主要以第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水、岩溶水为主。第四系砂层透水性强，富水性强；基岩强、中风化透水性弱，富水性中等；灰岩溶洞裂隙、岩溶水透水性中等，富水性强。因大部分区段砂层直接覆盖在微风化基岩面上，故基本判定地表水与赋存在砂层、基岩、溶洞的水有水力联系。

TS区间盾构隧道穿越上软下硬地层及全断面岩地层（裂隙发育），存在盾构施工技术难点。

2 施工技术难点

根据地质资料，对TS区间按风险等级划分为高风险区，区间内存在较多碎屑结构及裂隙发育，地表水与赋存在砂层、基岩、岩溶水有水力联系，在此类地层中盾构施工工程中易引起地面岩面上方砂层流失继而导致地面异常沉降、坍塌以及管线断裂等风险。

2.1 全断面岩层区段

由于TS区间穿越的<9C-2>灰岩微风化带裂隙较发育（全断面岩层区段），岩层上方直接覆盖砂层。由于砂层与岩层裂隙水联通，若岩层中发生快速失水的现象将引起砂层流失，继而引起地层失稳塌陷。TS区间曾发生数次地面塌陷，规模最大一次发生在区间右线盾构施工至某里程处，左前方约50m处人行道外侧出现地面塌陷，面积约50m2，深度最大约4.5m，回填混凝土约370m3，如图1所示。该塌陷区域属于岩溶发育区，且溶洞处于极限平衡状态，极易发生突变现象。由于溶洞发育的不规律性，此类地层的塌陷风险属于客观存在的地质灾害现象，目前的工程技术手段在有限的投资规模下难以完全消除该现象。

在TS区间部分区段，由于盾构机掌子面处于灰岩微风化带（岩层裂隙发育）且岩层上方直接覆盖砂层，即砂层直接与岩层裂隙水联通，导致盾构施工过程极易发生喷涌或开仓出现涌水等危险情况，如图2所示。

由于上述原因，盾构掘进过程中会出现地面沉降不可控、塌方等风险。

2.2 周边管线

图1 全断面岩区间及现场塌陷点示意图

图2 盾构掘进全断面岩层裂隙喷涌

TS区间靠近S站北端头约206m的区段地层为上软下硬。上软下硬地层区段范围内新增管线多，在此段范围的盾构上方有DN800砼污水管、DN1200砼雨水管、通信光纤顶管1500mm×1100mm（内有长途光缆及军用光缆3条）、Φ200铸铁给水管、Φ500钢中压燃气管及PE200煤气管、Φ800供水管（承插式砼管）。管线路由基本与区间隧道一致，周边管线如表1所示。而在此类地层中，盾构施工易引起地层岩面上方砂层流失继而导致管线断裂的风险。因此，盾构掘进施工前必须对TS区间上软下硬区段范围内做好管线保护工作。

表1 TS区间地铁隧道周边管线统计表

同时，盾构穿越上软下硬地层时，由于上部和下部之间的强度差异大，影响了盾构姿态的控制，容易出现盾构姿态上抬现象。此外，在上软下硬地层中，盾构掘进过程中对刀具的冲击磨损和偏心磨损严重，且驱动速度慢。为避免刀具过度磨损，甚至刀盘磨损而引起盾构无法正常作业的严重后果，需要频繁地开仓检查和更换刀具，严重影响盾构施工进度。

3 解决方案

3.1 处理措施

针对以上施工难点，实施过程中对地质破碎、溶洞发育及历史塌陷区域进行专项设计，对全断面岩层裂隙进行岩层裂隙注浆处理；对高风险区域对重要管线做好专项保护措施。

（1）全断面岩层加固处理。TS区间盾构全断面岩层区域（区间里程左线ZDK27+467.3～ZDK27+629.1共161.8m，区间里程右线YDK27+467.3～YDK27+791.6共324.3m），隧道处于微风化灰岩地层，左线和右线均采用袖阀管裂隙注浆封堵处理措施。在距离区间隧道结构边线外放1m处的位置，沿掘进方向按1孔/2m的间距各布置一排注浆钻孔，隧道中心线1孔/5m，约285孔，其中左线134孔，平均每孔注浆预估工程量为18.9m3；右线151孔，平均每孔注浆预估工程量为16.6m3。注浆钻孔布置及断面如图3、图4所示。

图3 TS区间注浆钻孔示意图

图4 TS区间注浆钻孔断面图

TS区间全断面岩层注浆钻孔技术要求及注浆参数：①进入隧道底板以下不小于2m。如果有溶洞，揭穿溶洞不少于2m，并对揭露溶土洞进行注浆加固处理，注浆深度为隧道底下2m至隧道顶上2m范围。②材料采用强度等级为42.5级普通硅酸盐水泥，水泥浆+水玻璃浆液（试验性钻孔采用单液浆，地面串浆、返浆严重），1∶0.5～1∶1，套壳配料比（水泥∶膨润土∶水）为1∶2∶2.5，根据需要可加入适量的外加剂及掺合料，水泥在使用前应做质量鉴定，搅拌水泥浆用水应符合混凝土拌合用水的要求。③注浆压力取0.4～1.0MPa，并视现场注浆情况，适当调整。④单孔注浆半径需大于1.0m。布孔前需要做注浆试验，根据时间的扩散半径调整孔的间距。

（2）上软下硬地层管线加固保护。TS区间左线里程ZDK27+260.6～ZDK27+454.4（共193.8m）及区间右线里程YDK27+260.6～YDK27+467.3（共206.7m）范围内，平面隧道结构外边线2m范围内采取2m×2m梅花形布孔注浆加固处理措施，对隧道岩面顶至隧道结构顶2m范围内，平面隧道结构外边线2m范围内的砂层采取注浆加固处理措施。

TS区间竖向加固范围及注浆参数：①对隧道岩面顶至隧道结构顶2m范围内，采取注浆进行加固。②材料采用强度等级为42.5级普通硅酸盐水泥，水泥浆+水玻璃浆液，1∶0.5～1∶1，套壳配料比（水泥∶膨润土∶水）为1∶2∶2.5，根据需要可加入适量的外加剂及掺合料，水泥在使用前应做质量鉴定，搅拌水泥浆用水应符合混凝土拌合用水的要求。③注浆压力取0.4～1.0MPa，视现场注浆情况，适当调整。④单孔注浆半径需大于1.0m。布孔前需要做注浆试验，根据时间的扩散半径调整孔的间距。⑤现场实际布孔应避让管线及建构筑物。

3.2 处理效果

通过对全断面岩层裂隙注浆加固，以及地面加固做止浆墙后，盾构掘进过程中未出现喷涌情况，相比左线对应为加固段，右线出渣量（包括地下水）每环减少了1.7m3，渣土含水量得到有效控制，加固效果明显。

通过对上软下硬区段采取注浆加固保护后，盾构施工过程中对渣土取样，判断掌子面上半部为砂层，下部为微风化灰岩。通过地面注浆处理后掘进过程中未出现喷涌现象及掌子面干燥，地表沉降在可控范围内，说明盾构掘进过程中掌子面地下水较少（无明显渗水现象），表明地层采取注浆加固后达到明显的止水效果，地面沉降得到了有效控制，达到了管线保护的目的，如图5所示。