浅析复杂地质条件下盾构隧道推进预处理

胡天宝

摘要：以马骝洲交通隧道工程为例，探索在复杂地质条件下使用盾构法开挖隧道前的处理措施，针对抛石、排水板、基岩凸起和箱涵桩基等问题，使用SSP地震散射技术提高勘测的准确性，分析施工可能遇到的重点和难点问题，提出对应的处理措施，以及施工前盾构机的设置要点，为华南地区其他类似工程采用泥水气压平衡式盾构机推进隧道施工提供参考。

Abstract： Taking the traffic tunnel project of Maliu island as an example， this paper explores the treatment measures before shield tunneling under complex geological conditions， for the problem of riprap， drain， bedrock bump and box culvert pile foundation， uses the SSP seismic scattering technology to improve the accuracy of the survey and analyze the emphasis and difficulty in construction may encounter problems， proposes corresponding treatment measures， as well as the construction of shield machine before setting points， to provide the reference for other similar projects in south China using slurry pressure balanced shield advance tunnel construction.

關键词：盾构隧道;勘测;预处理

Key words： shield tunnel;survey;preprocessing

中图分类号：U455.43                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）19-0124-03

0  引言

盾构法是修建隧道的常用暗挖施工方法，在复杂地质条件下，这种方法往往会面临工期延长、成本增加以及安全风险不可控等问题，因此在推进前最大限度做好清理工作，并附以有效手段处理好地层，使之具备良好的盾构推进条件[1]，成为施工的重要环节。现以珠海市马骝洲交通隧道工程为例，浅析盾构隧道推进前探测与预处理的方法。

1  工程概况

马骝洲交通隧道（横琴第三通道）工程位于珠海市横琴岛北端中部，工程过马骝洲水道段为双管圆隧道，单管设置单向3车道，两管组合形成双向六车道，西线长约1.09km、东线长约1.08km，隧道外径14.5m，采用一台外径14.93m泥水气压平衡盾构施工[2]。根据工程总体部署，盾构自南岸工作井及车架段始发，先行推进西线，在北岸工作井及车架段调头后推进东线，至南岸工作井拆除。

隧道段南岸陆域约460m，马骝洲水道宽约506m，北岸陆域约115m，地基土在勘察深度范围内均为第四纪松散沉积物及中生代燕山期风化花岗岩，主要由人工填土层、海陆交互相、海相沉积的淤泥、淤泥质土、粘土、中粗砂层、花岗岩残积土和下伏的全风化、强风化、中风化花岗岩。

2  不良地质条件分析

工程南岸陆域均为已施工完成市政道路，前期经真空预压处理，地层中大范围分布排水板。现场施工过程中发现该区域尚有大量抛石;南岸大堤处西线推进线路上设有一过水箱涵，箱涵底部存在63根PHC管桩进入隧道推进断面，且在箱涵附近施作换刀加固区时遭遇大量素桩。

拟建隧道面对抛石、排水板、中风化花岗岩“三碰头”的复杂地质，软硬并存，且隧道多在大厚度淤泥层中推进。在泥水气压平衡式盾构机推进施工中，由于各种地质条件要求的处理手段截然不同，会带来显著的工程风险。

2.1 抛石

抛石随刀盘一起滚动，掘进非常困难且易频繁卡住刀盘，盾构姿态和掘进方向难以控制。抛石加速刀盘磨损致使刀盘强度和刚度降低而无法掘进，刀盘受力不均致使主轴承受损或密封破坏，刀具也会磨损严重，刀座和刀盘变形。抛石的掉落会导致地面及建（构）筑物的不均匀沉降，破坏现有道路及管线。

2.2 排水板

土中已有塑料排水板容易造成泥水吸口堵塞、管路堵塞、阻碍阀门关闭，缠绕在刀盘上，降低刀盘切削能力。排水板受到盾构推进扰动后可能发生位移、转动，增加对土体的扰动，增大地面沉降;而且排水板处依然存在排水通道，存在排水效果[3]。泥水盾构穿越排水板时容易造成泥水冒顶，且难以建立泥水压力。

2.3 基岩凸起

盾构遇到岩层掘进缓慢，盾构机状态为快转慢推，易造成上部土体流失，地面塌陷等事故，会严重影响工期。在上软下硬的复合地层中推进将增大盾构的姿态调整的难度，隧道轴线精度难以控制。滚刀虽能处理一定强度的岩层，但在高强度、大范围的中风化岩层中掘进将导致刀具磨损严重，需多次开舱进行换刀。由于江中开舱换刀为带压状态，施工难度及风险大，且带压换刀效率低，也将严重影响工期。

2.4 通用处理方法

对于岩层、以及上软下硬的复合地质，通常以滚刀配以碎石机的方式统一应对，但由于抛石在地层中难以固定，滚刀无法作有效处理，一旦在推进中遇到，必须采取爆破或全回转清障方式，甚至人工带压进舱方式处理，根据现有资料显示，拟建工程位置抛石分布范围广，数量大，该方式将给工期、成本带来无法接受的威胁。

考虑排水板的存在，在必须实施带压进舱时，一旦作业面难以保压，可能由于土体在舱内坍方威胁到作业人员的生命安全。在盾构机刀盘上装以切削刀处理，另在泥水管路上设垃圾箱定时清理。如果排水板在刀盘上缠绕严重，需要人工进舱清理，同样存在安全风险。

由于“三碰头”以及淤泥层的存在，对刀盘带来了“软硬并存”的截然相反的要求，以盾构机为主要应对手段，辅以其它手段的做法会带来显著的，不可控的工期、成本、以及安全风险，拟以预处理作为主要应对手段，即在推进前最大限度做好清理工作，并附以有效手段处理好地层，使之具备良好的盾构推进条件。

3  预处理分析

3.1 重难点问题

基于工程所在区域及不良地质分布，工程面临着众多问题。

①抛石分布深度大、范围广，清理难度非常大。抛石分布具体坐标难以精确确定;勘探受限于孔位分布，疏漏在所难免，物探受限于技术手段精度及现场具体条件，难以得到满意的效果。

②排水板分布密集，且上覆4～5m土层难以定点清除，根据试推进情况判定冒浆可能性，原则上不予处理。

③江中基岩分布广，且部分位于航道中心，施工过程中受到来往船只影响，施工难度大。

④施工范围内存在原市政道路，分布有雨污水管、电力隧道、电缆沟等大量市政设施.区域内先期处理差异较大，其中原市政道路范围进行真空预压，土体有明显改良，工程范围外经吹沙处理，下部土体仍为淤泥地质。而且当地降雨量大，地面水系丰富，且台风多发，对工程有明显影响。

3.2 总体部署

根据现场实际情况及专家评审意見，对于抛石、基岩凸起、过水箱涵桩基及素桩需在盾构推进前，进行必要的处理。

3.2.1 岸上抛石

利用高压旋喷桩机施工特性（遇障碍物无法钻孔），对抛石排布情况进行确认。先使用高压旋喷桩机进行1m*1m网格小孔钻验证抛石排布区域，再针对性进行全回转清除抛石障碍物，完成后采用水泥土进行加固回填。

3.2.2 大堤处抛石

为防止推进过程中抛石掉落至推进开挖面，在该处将盾构推进轴线下调三米，并在上方采用双液注浆加固固定大堤处圆隧道断面上方抛石。

3.2.3 基岩凸起

推进前采用钻孔确认及爆破结合的方式进行处理，江中爆破完成后采用旋喷加固土体，防止冒浆，确保推进顺利进行，在靠近大堤处设置换刀加固区，采用三轴搅拌桩加固。

3.2.4 过水箱涵桩基

先进行开挖，暴露并凿除箱涵结构，以确认桩基位置及数量，再用全回转清理桩基结构，完成后回填水泥土进行加固，待推进完成后进行箱涵结构恢复。

3.2.5 排水板及浅覆土

浅覆土段采用2m高堆载压重方式防止冒浆及压重，减少对推进施工的影响，完成推进后再卸载压重土。

3.3 SSP探测

为明确海中基岩凸起范围及数量情况，采用SSP地震散射技术，利用可控震源激发地震波，地震波向地下传播遇到地质界面与孤立体时发生反射与散射，在水面布置检波器接收反射与散射波，通过对地下界面散射强度与岩土波速的成像，重现精细地质结构。

本次地震勘探使用2.5万焦耳电火花震源激发，32道地震仪接收，DGPS随船定位测量。接收为变间距检波器串，前16道间距0.5m，后16道间距1m，总长度24m。地震测线沿平行隧道轴方向布置，布置30条测线，每条长300m，测线间距2m。每条测线上检波器间距1m，炮间距1m，CDP间距0.5m，以便对1m以上尺度的基岩可靠分辨。勘探总炮点数30条×300点/条=9000点，CDP点数18000个。

对每个炮点的平面位置与高程进行GPS测量，精度为厘米级。GPS测量点数9000点。测线方向与位置通过路基塔标导航，航迹通过GPS实时记录。SSP勘探结果显示共有25处基岩，其中西线20处，东线5处，钻孔资料表明，测区内的51个钻孔揭露的基岩高程与物探高程基本接近，误差在4%以内。

3.4 抛石处理

先路面破除，延后50m进行小孔钻探抛石，延后50m开始进行全回转清抛石工作，整个清障过程采用流水作业形式进行施工。路面破除完成后，利用高压旋喷桩机进行地下探抛石。探测点按1m*1m间距布置，根据钻进深度记录探测地下障碍物深度情况，为全回转清障提供依据，施工过程中严格控制钻孔垂直度，做好施工记录，及时分析数据。

根据抛石勘探结果，抛石埋深主要位于地下6～15m范围内，小路钻探孔深度为18m。待小路钻探明抛石区域后，使用两台全回转（Ф2600与Ф2000）进行处理，处理孔径Ф2600mm，孔间距纵向2.25m，横向2.1m，处理孔径Ф2000mm，孔间距纵向1.75m，横向1.65m，采用梅花型布置，处理深度为地面以下18m。清障完成后回填水泥土，水泥掺量为6～8%。

3.5 排水板处理

先对覆土堆载区进行整平，堆载前用压路机碾压3遍;再进行分层覆土、碾压，直至达到2m标高;分段施工，每段40m，共10段，每段均分层施工，分层高度不大于30cm。

3.6 管桩处理

用挖机将过水箱涵结构周围土体挖除后，采用镐头机将过水箱涵主体混凝土结构凿除，露出PHC桩头，便于桩位及数量确认。采用Ф2000mm全回转进行处理，处理孔径Ф2000mm;根据暴露的桩位布置清障空位，将PHC管桩全部拔除，确保盾构推进断面内PHC全部清理完。

3.7 基岩处理

针对岸上及江中基岩统一采用爆破的方式进行处理，将进入隧道断面的岩层破碎至直径小于30cm的碎块，达到盾构机可处理状态。先进行岸上基岩爆破，在爆破完成后使用全回转对爆破区域进行取样，通过对岸上爆破进行评估后调整江中爆破参数及工艺，保证江中基岩处理的效果。在江中钻孔爆破完成后，对爆破打孔区域进行注浆加固。

4  盾构机设置

预处理后，为处理推进过程中可能遇到的抛石及基岩，盾构机还需要进行针对性设置：

4.1 SSP超前探测系统

为了提前预知盾构开挖面前方的障碍物，盾构机配备超前探测技术：在盾构机上加装SSP超前探测装置，不断进行隧道掌子面前方的地质情况的探测。自动进行数据采集和地质评估，然后实时显示盾构前方一定范围内的预报结果，利于现场快速作出判断[4]。SSP探测精度为刀盘前40m，直径大于800mm障碍物。

4.2 刀盘设计

刀盘共设计127把滚刀，为保证开挖半径，80#开挖轨迹为2把17.5寸滚刀、81#～83#开挖轨迹为7把18寸滚刀，其他开挖轨迹为17寸滚刀;出洞时，可用贝壳刀代替滚刀，将刀盘正面1#～71#轨迹共102把滚刀更换成贝壳刀。滚刀高于刀盘面175mm。刮刀共182把，高于刀盘面140mm;先行刀43把，高于刀盘面150mm;周边刮刀16把;保径刀8把;仿形刀1把。

磨损检测系统分布在刀盘钢结构上，共5个刀具磨损检测和1个钢结构磨损检测装置。每个检测点由一个传感器螺栓和一个焊接式的传感器螺栓保持架组成。传感器螺栓以特定的角度拧在保持架内。当传感器螺栓被前方的正常磨損磨穿后，压力传感器会检测到系统中的压力下降，并输出警告信号。

滚刀在刀盘的推力、扭矩作用下，在掌子面上切出一系列的同心圆沟槽。当推力超过岩石的强度时，盘形滚刀刀尖下的岩石直接破碎，刀尖贯入岩石，形成压碎区和放射状裂纹;进一步加压，当滚刀间距S满足一定条件时，相邻滚刀间岩石内裂纹延伸并相互贯通，形成岩石碎片而崩落，盘形滚刀完成一次破岩过程。

4.3 碎石机

针对本工程盾构穿越基岩层，为确保出渣顺利，配置了高性能的碎石机，对直径小于0.8m的石头破碎后的颗粒能满足泥水排浆系统的正常工作，并且其破碎的效率满足盾构机推进速度。

4.4 砾石捕捉器

在盾构排泥泵吸口前方设置碎石捕捉器，将由刀盘吸口进入的大直径的碎石颗粒收集于砾石捕捉器内，防止其进入循环管路堵塞管道。

5  结语

采用预处理的方式可在盾构推进施工前将推进风险降低，对于预处理过程中施工误差、或手段缺陷遗留的少量问题，如个别抛石遗留等，通过推进控制及应急措施进行有效的衔接设计，形成完成的体系，有效清除了盾构推进方向上的障碍物，确保了盾构正常推进。

华南地区特有的上软下硬附合地层对泥水盾构推进造成非常大的影响，应提前采取预处理措施，取得精确的地质资料，并且采取的大量障碍物处理方法，有效的解决了泥水盾构推进前方的障碍，确保了工程顺利推进，对在其他类似工程施工具有较大的参考意义。

参考文献：

[1]蒙雪海.盾构隧道穿越江中软硬不均基岩段处理措施[J].低碳世界，2017（13）：196-197.

[2]吕锦，范杰，黄凯.海相复合地层泥水盾构施工泥水材料试验研究[J].地下空间与工程学报，2019，15（01）：76-83，107.

[3]张弛，徐天明，庄欠伟.珠海横琴三通道盾构切削塑料排水板试验[J].地下工程与隧道，2016（03）：26-29，55.

[4]黎新亮.盾构隧道穿越湘江溶洞区工程风险分析及应对措施探讨[J].铁道标准设计，2014，58（02）：64-70.