穿越破碎断层富水地质地铁隧道施工关键技术分析研究

2021-07-03方金刚

广东土木与建筑 2021年6期

方金刚，姚俊

（1、广州城建职业学院广州510925；2、中国建筑第二工程局有限公司北京100160）

0 引言

隧道是埋置在地层中人类利用地下空间构筑物的一种形式。从开始隧道工程施工到现今，人们已积累总结了不少的施工方法，主要隧道施工方法有以下几种：浅埋暗挖法、矿山法、挪威法、新奥法、掘进机法（TBM）、盾构法等。根据不同的地质条件并综合多方面因素，采取适当的施工方法至关重要［1］。

在大湾区沿海城市地铁隧道施工中所面临是“地质环境多变、构造复杂、灾害频发”等严峻问题，特别是在穿越破碎断层富水地质条件下进行地铁隧道施工，常出现隧道塌方、突泥突水、瓦斯毒气爆炸等地质灾害和安全事故。目前，我国较为成熟的地铁隧道施工技术工法为明挖法、矿山法、盾构法、隧道掘进机法（TBM）等［2］，对于穿越破碎断层富水地质地铁隧道的施工，究竟应该采用哪种关键施工技术，或哪几种的组合，须根据实际工程进行分析和比较研究。研究以深圳市地铁轨道交通13号线某区段施工为例，通过对这些施工关键技术进行分析和比较研究，为施工企业选择最有针对性的施工方案。达到提高施工效率、缩短工期、降低施工成本费用、降低施工风险、保证施工质量安全的目的。

1 地铁隧道关键施工技术比较

1.1 明挖法关键技术

该关键技术是运用挖、运施工机械和人工将地铁隧道所在位置的土体，在基础设计标高以下，对上部全部土体采用明挖，使用装卸运输工具或机械将全部土体运出基础基坑以外，并在对基坑进行有效支护的前提下的隧道施工技术，如图1⒜所示。

1.2 矿山法关键技术

该关键技术一般用于开挖矿山巷道施工中，用于地铁隧道施工是属于暗挖施工中的一种。由于隧道开挖后，岩体受到爆破等施工的影响，会造成破裂或出现松弛状态，隧道随时都有可能坍落，故在开挖施工时往往要按照分部顺序，采取分割式的方式一块一块地进行开挖，并且要一边开挖一边采取及时支撑，以确保施工安全，如图1⒝所示。

图1 明挖法及矿山法关键技术Fig.1 Key Technology of Open Cut Method and Mining Method

该关键技术主要基于松弛荷载理论和挪威法方法，所以施工中支撑较为复杂，耗用木料比较多，改进为喷锚支护后，分部数目相对减少，进而发展成了新奥法和挪威法，均为通过对隧道围岩和支护结构的实时监控及测量，来指导地下隧道工程的设计与施工。

在采用矿山法关键技术施工时，基本的工序是：①钻孔；②装药；③放炮散烟；④出碴；⑤衬砌（衬砌技术包括复合式衬砌、锚喷支护等工序）。

1.3 盾构法关键技术

该关键技术是机械化暗挖法施工方法，具体施工程序为：盾构机械在地层中推进施工，用盾构外壳及管片来支承四周围岩体防止隧道坍塌，用刀片切削作业开挖面的土体完成土方开挖，千斤顶在后部顶进加压，然后用运输带把土方运出外部，拼装混凝土预制管片，从而形成隧道结构［1］（见图2）。

图2 盾构机械Fig.2 Shield Machine

1.4 TBM法施工关键技术

TBM 是Tunnel Boring Machine 的简称，TBM 即全断面隧道掘进机硬岩，利用旋转刀盘上的滚刀挤压剪切破岩，通过旋转刀盘上的铲斗齿拾起石渣，落入主机皮带机上向后输送，再通过牵引矿渣车或隧洞连续皮带机运渣到洞外［1］。是一种集掘进、出碴、导向、支护和通风防尘等为一体的大型多功能高效隧道施工的掘进机械（见图3）。实际隧道掘进机分为敞开式和护盾式2种类型，护盾式又分为单护盾式、双护盾式和扩孔式等几种。

图3 掘进机械Fig.3 Roadheader

1.5 实际案例工程对于选择关键技术的分析和比较

以上是关于穿越破碎断层富水地质地铁隧道施工关键技术的阐述，但每一种施工关键技术都有不同的适应环境，都有自己的优点和缺点，也都有自身的局限性，为此，现根据参考文献进一步将关键技术的优、缺点和适应性及局限性进行对比分析，得到关于明挖法、矿山法、盾构法、TBM 法等关键技术的对比分析，如表1 所示。以期为穿越破碎断层富水地质地铁隧道选择施工方案提供富有价值的依据［1-5］。

2 实际案例工程

2.1 实际案例工程概况

深圳市地铁轨道交通13 号线某区段位于深圳市南山区，区间线结构分别为单层三跨箱型结构、单洞单线马蹄形隧道。

2.2 实际案例工程地质分析

区间场地内岩土层主要为：人工填海土层（包括素土、块石、碎石、砂、杂土等），海积淤泥、淤泥质砾砂层，冲洪积淤泥质土、粉质黏土、砾砂等地层，残积层；花岗岩及震旦系（Z）的混合花岗岩。隧道洞身穿越地层主要为冲洪积粉质黏土、砾砂，砾质黏性土、花岗岩及混合花岗岩风化层，局部穿越人工填土层及淤泥层。场地范围为海积平原及台地或台地间冲沟地貌，地势略有起伏，地形地貌条件简单，未见泥石流、滑坡、采空区、岩溶、崩塌等大的不良地质作用及地质灾害。受区域断裂构造影响，局部地段岩体中构造节理极发育，岩体极破碎，碎裂岩化现象较明显。根据区域资料以及深圳市区域稳定性评价，13号线沿线附近的断裂构造活动现今活动微弱，属非全新世活动断裂，沿线分布有液化砂土和软土，属于典型的破碎断层富水地质，应充分考虑其对工程施工的不利影响，并采取相应的治理措施。

3 案例施工中关键技术的确定和实际效果

3.1 案例施工中关键技术的选择

根据表1 的分析比较，并结合本区间的实际工程情况：左线长度约300 m，左线起始端（约230 m）与停车线和折返线并行，左线后70 m 为左线与停车线并行；右线长约300 m 单独敷设。区间穿越地层为〈11-2-1〉强风化花岗岩（土状）、〈11-2-3〉强风化花岗岩（块状）、〈11-3〉中风化花岗岩、〈11-4〉微风化花岗岩、〈40-2-1〉强风化断层角砾岩，且发育孤石。区间左线若采用盾构法或TBM 施工，非标准断面无法实现，且区间较短，性价比不高。左线起始端（约230 m段）与停车线和折返线并行，若采用矿山法施工，跨度大，且穿越断层，施工风险大。左线后74 m 段下穿市政道路，明挖施工需中断道路，管线改迁，社会影响大。最终选择和确定了如下施工技术方案。

表1 明挖法、矿山法、盾构法、TBM法关键技术对比分析Tab.1 Comparative Analysis on Key Technologies of Open Cut Method，Mining Method，Shield Method and TBM Method

⑴区间左线施工技术方案

该区间段起始端（约213 m段）为三跨单层箱型结构，并行与双配线，主要采取明挖施工方法；左线后85 m 段为左线采取单洞双线马蹄形衬砌结构，并行与单配线，主要采取矿山施工法。

⑵本区间右线施工技术方案

右线单独敷设，若采用盾构法，穿越断层、上软下硬段风险大，硬岩段盾构机掘进效率不高，且右线长约300 m 线路较短，若采用盾构法掘进施工成本较高，经济效益差。若该段采用明挖施工，则需中断市政道路，社会影响大［5］。通过综合比选，右线采用矿山法施工。

3.2 采用明挖施工法和矿山法施工过程中遇到的问题

在施工过程中主要需要解决的问题是破碎断层富水地质对隧道施工的影响问题，有以下几个方面：

⑴容易引起矿山法施工隧道坍塌、管线破裂、地面交通、人员安全问题的因素是自稳性、均匀性较差，成分复杂的人工填软泥土层［6］。

⑵在隧道、联络通道等采用明挖法开挖时，底层中主要有强风化土状层、混合花岗岩残积土及花岗岩层等，强风化土状层含有较高的砂（砾）土，级配差，具有敏感扰动较强的砂、砾土的性质特征，一旦开挖在较短时间出现内水渗入并水量增加迅速，被土黏粒吸收迅速软化崩解为泥浆形状，强度急降渗透变形如管涌、流土等现象，会造成隧道围护结构失稳、塌方等［7］，影响隧道与联络通道安全。

⑶花岗岩及混合花岗岩中存在差异性风化体，即中等风化中夹强风层或强风化层中夹中等风化，对隧道的围岩稳定性影响较大，易导致围岩失稳，且有上软下硬、上硬下软等上下、左右不均特点。

⑷场区局部花岗岩中存在有隐蔽性球形风化体，风化球体的位置、大小、形态均有很高的随机性。当隧道中具有球形风化体时隧道施工较困难，当球状风化体硬度较高时，易影响矿山法施工作业。隧道需穿过同一断面区域上软下硬发育的风化沟槽，影响隧道施工作业。

⑸隧道局部洞身或洞顶上方穿越地下水（微承压水）较丰富的砂层，在施工时，由于地下水在压力、流速的作用下会带着砂涌流出，使得矿山法作业面出现垮塌，会出现地面塌陷现象，从而发生施工安全事故。宜提前从地面对砂层作处理。

⑹根据区域地质资料，本场地地下区间段经过1条构造断裂，洞身经过地层均为岩层，在断层的周边为破碎岩体，有极发育的节理裂隙，并且有很好的相互连通性，是地下水的富水带，当隧道施工时，易发生涌水、突水现象。应提前进行降水处理［8］。

3.3 采取相应的解决措施以及监测数据

⑴针对该区域上部上软下硬地层，为减小对施工带来的不利影响，帷幕注浆加固地层，采用潜孔钻冲击成孔+回填注浆的方法对上软下硬地层进行预处理，潜孔钻钻孔直径为φ200 mm，孔位按照梅花型布置，水平、垂直距离均为600 mm，孔底至隧顶0.5 m 采用开挖出来的碎石土回填，上部采用水灰比为0.8～1.0的水泥浆封孔［9］。

⑵针对断层破碎带主要采用超前深孔全断面帷幕注浆支护措施，封堵（止浆）墙厚度为0.8～1.0 m，用C20 混凝土一次浇注成型；注浆孔呈辐射状布置成矩形圈，浆液扩散半径为2.5 m，孔底间距<3.55 m；潜孔钻，开孔采用φ89 mm 的钻头；掏孔清渣采用φ76 mm的钻头；测涌水量及前方地下水的连通性；测涌水压力及注水实验；埋孔口管；注意注浆顺序［7］。

⑶针对硬度较高球状风化体地层采用预裂微震爆破技术，主要采用掏槽技术、浅孔控制爆破、深孔台阶控制爆破等爆破技术，爆破后岩壁稳定、无坍方、无剥落现象石碴块度大块一般不超过85 cm 碴堆集中、最大抛距23 cm。

⑷明挖法隧道施工措施：护结构受力计算模拟施工全过程，荷载按“增量法”原理进行。明挖段基坑800 mm 厚地下连续墙+3 道支撑（第1 道混凝土支撑，第2、3 道钢支撑）。第1 道支撑（“米”字撑）横向间距为9 m，第2、3道支撑横向间距为3 m。

⑸矿山法隧道施工施工措施：

①主要采用浅埋暗挖法及喷锚构筑法施工，为复合式衬砌结构，即以锚杆、钢筋网、喷射混凝土和钢架为初期支护，以模筑钢筋混凝土衬砌为二次衬砌组成。初期支护与二次衬砌间设全封闭防水隔离层［10］。

②按不同围岩类别、不同跨度、不同结构形式进行衬砌施工，共有4 种断面。各断面支护衬砌支护方法措施如表2所示。

表2 各断面支护衬砌支护方法措施Tab.2 Each Section Support Lining Support Methods and Measures

③采用的辅助施工措施主要有：洞内深孔预注浆；大管棚超前支护；超前（注浆）小导管预支护；喷射混凝土临时封闭开挖掌子面。不同跨度、不同围岩类别隧道辅助施工支护及施工临时支护措施如表3所示。

表3 不同跨度、不同围岩类别隧道辅助施工支护及施工临时支护措施Tab.3 Auxiliary Construction Support and Temporary Construction Support Measures for Tunnels with Different Span and Surrounding Rock Types

④区间隧道为单洞单线隧道，采用人工或机械开挖，当采用爆破开挖时，应采用光面微震爆破。单线隧道土质围岩采用环形台阶分部开挖法，石质围岩采用台阶开挖法。开挖后视掌子面稳定情况，必要时采用喷射混凝土封闭掌子面和台阶底部，并在拱脚设纵向联接槽钢或锁脚锚杆（管），以控制下沉。区间隧道施工措施如表4所示［5］。

表4 区间隧道施工措施Tab.4 Interval Tunnel Construction Measures

⑹隧道断层破碎带安全监测

采用3 台阶微台阶法施工，超前预支护采用全断面帷幕注浆支护。在断层主带的A 断面和断层影响带的B 断面分别进行了锚杆轴力、初期支护围岩压力、初期支护混凝土应力、二次衬砌接触压力、二次衬砌混凝土应力监控量测，在断层带沿纵向每隔11 m布置测点进行了初期支护拱顶下沉、水平收敛及二次衬砌收敛量测［8］。在位移量测中不仅对初期支护进行了各项位移量测，而且对二次衬砌位移也进行了长期监测。断裂带监测变形数据如表5 所示，隧道断层破碎带施工安全稳定［11］。

表5 断裂带监测变形数据Tab.5 Fault Zone Monitoring Deformation Data

3.4 案例的施工安全、工程质量与经济、社会效益情况

3.4.1 施工安全

在深圳市地铁轨道交通13 号线某区段施工过程中，由于事先按照隧道穿越破碎断层富水地质施工的关键技术进行比选和分析成果，确定了具有针对性的优选方案，加上严格的现场施工安全管理，实现了预期的各项施工安全控制目标，避免了重大安全事故的发生。

3.4.2 工程质量

通过对深圳市地铁轨道交通13 号线某区段施工竣工验收，案例工程的所有质量指标都符合设计要求和工程质量验收合格或优良标准，并为将来申报国家优质工程创造了有利条件。

3.4.3 社会经济效益

通过应用隧道穿越破碎断层富水地质施工关键技术比较和分析所确定的隧道施工方案，相对比原常规施工方案，该工程施工工期比原计划缩短约100 d，节支总额约达数百万元。实际工程的质量和安全等各方面指标都达到了预期效果，受到了业主、监理、设计和政府主管部门的高度肯定。也为以后同类型的工程建设积累了大量具有实用价值的施工设计资料和经验。