合肥典型地层特征及地铁盾构隧道建造关键技术综述

陈祖伟

（中铁二院华东勘察设计有限责任公司，浙江杭州 310004）

1 工程背景

合肥轨道交通第一条线路于2016年12月开通运营以来，截至2021年12月，运营线路包括合肥轨道交通1、2、3、4、5号线南段，运营线路总长156.15 km，设122座站点。目前合肥轨道处于第三期建规线路的建设中。

2 典型地层特征

2.1 地形地貌概述

合肥居于江淮之间，位于江淮分水岭东南侧，总体地貌呈岗坳相间、波状起伏状，宏观地势西北高、东南低，呈平缓的波状微倾斜平原。由于第四纪沉积物受南淝河、四里河、板桥河长期的侵蚀及堆积，区域河流地貌特征明显以河谷为中心向两侧延展，依次为河漫滩、一级阶地和二级阶地[1]。

2.2 典型地层地质特征

合肥地区河漫滩、一级阶地地貌分布于南淝河、店埠河等河道附近，表层由第四纪全新统黏性土、粉砂土组成，下伏第三纪定远群泥岩、泥质粉砂岩；二级阶地全线广泛分布，表部地层由第四纪更新统黏性土、砂粉土组成，下伏第三纪定远群泥岩、泥质粉砂岩组成，下伏基岩为白垩纪上统张桥组、侏罗纪上统周公山组泥岩、砂岩、泥质砂岩；典型地层主要包括黏土层、粉土（粉砂）层以及下伏基岩层。2

.2.1黏土层

合肥地区的二级阶地广泛分布了第四纪全新世冲洪积层和第四纪晚更新世冲洪积层的黏土层，虽然都为硬黏性土，但由于沉积年代和成因的不同，尽管物理指标相近，但工程性质有一定差异，按照不同的地质年代可分为：老黏土（第四纪上更新统地层）、一般黏性土及新沉积黏性土（第四纪全新统地层），具有孔隙比小、低渗透性、含水率低、抗剪强度高、中等膨胀性的特点。

2.2.2 粉土（粉砂）层

粉土、粉细砂层主要分布于南淝河、店埠河等主要河流的河漫滩和一级阶地部位，稍密～中等密实，含黏土颗粒，为合肥地区主要含水层，赋承压水[2]。

2.2.3 下伏基岩层

合肥地区下伏基岩主要为白垩纪上统张桥组、侏罗纪上统周公山组泥岩、砂岩、泥质砂岩以及第三纪定远群泥岩、泥质粉砂岩，均属于极软岩～软岩，强度普遍较低，弱膨胀性，遇水易软化。

3 关键技术

3.1 管片设计

3.1.1 管片构造设计

由中铁二院设计的合肥轨道1号线合肥南站—南站南广场站区间为合肥第一个盾构区间，以合肥轨道B2型车建筑限界ϕ5100 mm为基准，结合了合肥地区广泛分布的黏土层、黏粒含量较高的粉土（砂）层以及软岩地层、施工资源共享等多重因素，以实地调研、现场实验、理论分析、数值模拟为主要手段，没有盲目套用长三角主要城市做法（内径5500 mm、厚度350 mm、环宽1.2 m），采用内径5400 mm、厚度300 mm、环宽1.5 m的管片作为单层衬砌结构，衬砌环按照3标准块+2邻接块+1封顶块组合形式。合肥地铁管片标准块为67.5°，邻接块68.5°，封顶块21.5°。采用通用型管片，双面楔形45 mm，满足350 m小曲线半径的施工拟合要求。从施工拟合难度、防水效果考虑，采用了错缝拼装；不设榫槽，避免了榫槽处管片尤其是外侧易开裂的情况。为减少螺栓手孔处管片的削弱，管片间采用弯螺栓连接。

运营3～4年的1、2号线监测情况显示，盾构隧道的结构变形不超过2 mm，防水情况良好。管片结构及防水设计在确保施工安全及长期运营的基础上，保证了工程的安全性、针对性、经济性。

3.1.2 管片结构设计

管片计算采用了国内广泛采用的修正惯用设计法[3]即修正管片接头对内力影响的均质圆环计算方法，采用抗弯刚度有效率η折减管片刚度，引入弯距加大率ξ修正内力，其中0.6≤η≤0.7，0.3≤ξ≤0.4。

在全断面黏土层采用水土合算，复合地层中采用水土分算，12 m时按全土柱计算；区间覆土大于12 m时上覆土重根据太沙基理论考虑土体成拱效应，成拱高度不足12 m时按12 m土重计算，对于典型地层覆土超12 m土荷载采用太沙基公式计算。高水头深覆土全断面黏土层为计算控制工况。

3.2 盾构选型

盾构选型主要基于隧道断面尺寸、地层渗透系数、岩土颗分以及工程类比来进行选择，合肥地区的黏性土其渗透系数小，粉土层的黏粒含量略高，对于中等直径（≤7 m）盾构，选用土压平衡盾构可满足施工要求，合肥轨道1～5号线在河漫滩或一级阶地地貌段粉土粉砂层中下穿河道区间均采用土压平衡盾构，重点做好渣土改良措施，确保了盾构顺利施工和河道的安全。

3.3 洞门加固

合肥轨道的洞门加固技术研究经历了实施→反馈→分析→迭代的过程，基本形成了以淤泥质土和粉土中的水泥系加固、河漫滩地貌富水砂层中的冷冻法加固、老黏土层中的玻璃纤维筋桩加固的三种加固方式，针对最为广泛的老黏土层中的洞门加固稳定性做了详细分析，对于黏性土加固体稳定性采用滑移失稳理论计算模型（图1）进行验算，假定滑动面下部是以端部开洞外顶点O为圆心、开洞直径D为半径的圆弧面，整个滑移面如粗线所示，引起的下滑力矩为：M=M1+M2+M3；M1为地面荷载P引起的下滑力矩，M2为上覆土体自重引起的下滑力矩，M3为滑移圆环线内土体的下滑力矩；抵抗下滑力矩为：Md=Mr+△Mr，Mr为土体改良以前的抵抗力矩，△Mr为土体改良以后增加的抵抗弯矩。

图1 滑移失稳理论计算模型

在标准地下两层站中计算滑移安全系数=Md/M≥1.3，考虑洞门范围内围护桩采用玻璃纤维筋，可规避人工凿洞门工况的风险，在广泛分布的老黏土层中取消地层加固盾构，直接切削玻璃纤维筋围护桩，避免了盾构加固区的管杆线迁改，节省了工程投资。

3.4 周边建（构）筑物保护技术

合肥地铁在黏土层、基岩层、复合地层中穿越高风险源，形成了成套的安全风险控制技术，其中尤以轨道2号线下穿五里墩立交桩基群、下穿煤炭局宿舍楼较为典型。

3.4.1 下穿五里墩立交桩基群

2号线五里墩站—三里庵站区间在全断面软岩中下穿刚刚大修过的五里墩立交桩基群，桥墩支座的变形控制要求极高（3～5 mm），且匝道不具备封闭施工条件。设计通过施工试验段的反馈数据，结合数值计算推出全断面中风化软岩中盾构施工地层损失可以控制在1‰～3‰，采用小应变硬化土（HS Small）材料模式来模拟计算，计算参数由地质勘查报告以及以往同类工程实测数据反分析求得[4]。隧道掘进同样通过“应力释放”的方法模拟，分别采用地层损失率1‰～3‰计算。

根据不同地层损失率下的计算结果，采用线路深埋、桥梁检测给出剩余变形控制值、夜间封闭交通穿越后减少车辆荷载、同步注浆采用厚浆、桥墩支座顶升跟踪保护的技术方案，确保了区间近距离下穿五里墩立交危旧桩基群工程的安全，且施工后支座最大沉降不足4 mm，差异沉降仅1 mm，满足桥梁变形保护要求。

3.4.2 复合地层中近距离下穿建（构）筑物

2号线四牌楼站—大东门站区间在上部＜2-5＞粉土层和＜2-6＞粉细砂层、下部＜6-2＞强风化泥质砂岩和＜6-3＞中风化泥质砂岩的复合地层中下穿煤炭局宿舍楼6层（浅基础），通过分析同类型地层试验段掘进的数据，判断复合地层中地层损失率可设定在4‰～5‰，计算模型如图2所示。

图2 计算模型

隧道拱顶为粉土层，在建筑物下部地层加固或对结构加固的协调难度极大，采用地层变形分级与分层控制技术对盾构刀盘轮廓与盾尾间隙用凝结时间快、黏稠度高、抗稀释性好的浆液进行充填注浆，同时选择合理的施工工艺和施工参数，掘进过程中建立保持了密封土仓设定的工作压力与不断变化中的工作面水土压力之间的动态平衡[5]，确保了掘进顺利和建筑物的安全。

3.5 地下异物清障技术

3.5.1 全回转钻机拔桩

2号线东二十埠站—龙岗站区间须对二十埠河桥进行拆复建，需要拔除约15 m长大直径1.5 mm钻孔灌注桩后原桥址复建新桥，采用全回转钻机拔桩方案即利用全回转设备产生的下压力和扭矩，驱动钢套管转动，将套管钻入地下，去除套管与桩体间的土体后，减小桩周的摩阻力，拔桩对新实施桩基周边土体的扰动降到最低。

3.5.2 废弃人防洞室处理

2号线三里庵站—四牌楼段盾构隧道与20世纪70年代修建已废弃地下人防通道冲突，采用了洞内抽水+封堵、地面分段充填灌浆+排气孔+补充注浆的方案并成功实施。

3.5.3 锚索清障

徽商广场地下室围护锚索钢绞线侵入2号线大蜀山站—天柱路站区间，存在盾构掘进遭遇锚索导致刀盘被锚索缠住以及盾构刀具损坏及螺旋机被卡住的安全隐患，因此采用了旋挖钻机成孔+大直径钢护筒护壁+人工下井拔除锚索的方案，进而规避人工挖孔的风险，确保盾构顺利完成掘进。

4 总结及展望

（1）国内软土地区盾构隧道出现了不均匀沉降和收敛变形过大的情况，导致了管片接缝渗漏、错台与张开等病害，影响地铁的运营舒适度及安全，建议开展专题研究，在城市规划区宜适当增大隧道内径，减小后续城市建设对隧道长期变形的影响，预留合理的加固预留空间用于整治病害和确保耐久性要求。

（2）结合目前中等直径盾构建设经验，大直径（7～12 m）隧道采用土压平衡盾构在合肥典型地层中是可以实现的，其关键技术值得下一步深入研究。

（3）可塑、硬塑黏性土中盾构施工地层损失率可控制到4‰～5‰，中风化软岩层损失率可以控制得更低，可作为理论计算模型的输入参数。理论计算模型无法精确模拟复合地层中的施工环境，合肥复合地层中的地层损失和地面沉降规律仍需进一步总结。

（4）合肥典型地层中盾构隧道的风险控制技术宜主要针对盾构自身的控制（如厚浆技术、地层变形分级与分层控制等技术）来实现目标地层损失率和对风险源加固或托换来提高其变形能力两方面入手。