5 廣州復(fù)合地層與盾構(gòu)施工(竺維彬)

1、復(fù)合地層與盾構(gòu)施工技術(shù)竺維彬 鞠世健廣州地鐵總公司 摘 要:中國采用盾構(gòu)法已有45年的歷史，但前35年國內(nèi)只有少數(shù)承包商掌握了在均一軟土地層中的盾構(gòu)施工技術(shù)。1995年至今，廣州地鐵業(yè)主率先開放盾構(gòu)工程市場，培育盾構(gòu)施工隊伍。隨著大批盾構(gòu)承包商的成長，隨著40臺次盾構(gòu)機在廣州和深圳復(fù)合地層100多公里的實踐，復(fù)合地層的概念逐步形成，復(fù)合地層中的盾構(gòu)施工技術(shù)也有了突破性的發(fā)展。在這種背景下，親歷了100多公里復(fù)合地層施工過程的作者，有義務(wù)對復(fù)合地層的概念做出定義，對復(fù)合地層盾構(gòu)施工技術(shù)的進展做出概述，以便與同行一起推動盾構(gòu)工法在全國隧道施工中更廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：均一地層 復(fù)合地層 盾構(gòu)施工技術(shù)

2、盾構(gòu)法施工與其它傳統(tǒng)的地下工程施工工法一樣，其終極目標(biāo)是完成一特色的地下工程，比如一條地下隧道或地下車站，它的不同點在于，盾構(gòu)法采用了特殊的施工工具盾構(gòu)機。盾構(gòu)機是根據(jù)施工對象而“度身定做”，正如裁縫要根據(jù)具體的人進行“量體裁衣”一樣，否則縫制的衣服就不合身。盾構(gòu)機制造所依據(jù)的對象，稱之為施工環(huán)境，它是基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地貌、地面建筑物及地下管線和構(gòu)筑物等特征的總和。由此可以看出，如果不詳細研究施工環(huán)境，也就造不出適應(yīng)性強的盾構(gòu)機，也就談不上順利地進行盾構(gòu)施工。在施工環(huán)境的諸多因素中，基礎(chǔ)地質(zhì)和工程地質(zhì)特征是最重要的，因為它們是盾構(gòu)機選型及采用盾構(gòu)施工工藝最重要的先決條件。在實踐當(dāng)

3、中，對地質(zhì)特征的研究往往是一件被忽視的工作。殊不知，幾乎沒有哪一項盾構(gòu)施工技術(shù)不是與地質(zhì)特征有關(guān)的，尤其是在復(fù)合地層中的盾構(gòu)施工。1 復(fù)合地層的概念在盾構(gòu)施工的過程中，圍巖巖土力學(xué)、基礎(chǔ)地質(zhì)和工程地質(zhì)等特征的各向均勻性直接影響盾構(gòu)機的選型、盾構(gòu)施工工藝的選擇等關(guān)鍵性問題。從這個意義上講，可以宏觀地將圍巖地層區(qū)分為兩類，一是均一地層，一是復(fù)合地層。1.1均一地層1）均一地層的概念嚴格意義的各向同性的均質(zhì)地層在自然界是不存在的，本文定義的均一地層是指在開挖斷面范圍內(nèi)和開挖延伸方向上，由一種或若干種地層組成的，但其巖土力學(xué)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)等特性相近的地層或地層組合。均一地層有兩種情況：單純的軟土

4、地層：從地質(zhì)圖（圖1）中可以看出，地鐵隧道穿越了層，主要為粉砂質(zhì)土和層為粉質(zhì)粘土。這兩種地層的物質(zhì)組成，其結(jié)構(gòu)和構(gòu)造都存在著一定的差異，但它們的巖土力學(xué)性質(zhì)以及工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特征就盾構(gòu)機的選型和盾構(gòu)施工而言，差別并不大。根據(jù)上述地層特點，南京地鐵選用了適應(yīng)軟土地層的盾構(gòu)機，其刀盤為平面直角型的，只安裝刮刀（見圖2）。類似的均一地層，還普遍存在于上海地鐵、天津地鐵、北京地鐵以及過長江隧道等的施工當(dāng)中。圖1 南京A區(qū)間某段隧道地質(zhì)剖面圖圖2 軟土盾構(gòu)機刀盤圖3 硬巖掘進機刀盤 單純的硬巖地層。比如：西安安康鐵路秦嶺I線隧道。隧道斷面范圍內(nèi)以兩種巖石為主，一種是混合片麻巖，干抗壓強度為78137

5、MPa，整體性較好，裂隙較少。另一種是混合花崗巖，干抗壓強度為122162MPa，節(jié)理較發(fā)育，裂隙較多。選用的盾構(gòu)機（廣義）是典型的硬巖掘進機，刀具全部安裝滾刀，無需任何刮刀（見圖3）。2）均一地層中盾構(gòu)工程的主要特點 施工過程中盾構(gòu)機的模式基本上不需變化。在軟土地層中，若采用土壓平衡模式，則一般無需變化成開胸模式；在硬巖地層，若采用開胸模式掘進，則一般無需變化成土壓平衡模式。通常，在均一地層中的盾構(gòu)機，在設(shè)計和制造時，也沒有考慮模式的變化。 盾構(gòu)機的結(jié)構(gòu)不需在施工過程中進行改變。比如，在軟土均一地層中，刀盤采用軟土刀具，在施工過程中根本不需考慮是否會碰到硬巖而增加滾刀的問題。反之亦然。 盡管

6、均一地層中其物性也會有較大變化，但只需在施工工藝上做出調(diào)整。均一地層上述兩特點說明，在施工過程中盾構(gòu)機無需或無法做出結(jié)構(gòu)型式上的任何改變，但是，正如前面提到的，均一地層并不是絕對的均質(zhì)地層，這樣，在地層特性改變之后，必需在施工工藝或施工參數(shù)上采取相應(yīng)的措施。比如：同是在軟土地層中施工，當(dāng)?shù)貙邮且陨皩踊蛏暗[層為主時，以土壓平衡盾構(gòu)機為例，則應(yīng)適當(dāng)添加膨潤土或聚合物。若地層以粘性土為主時，則需添加適量的泡沫。如此等等，這一類的工藝或施工參數(shù)上的調(diào)整并不因均一地層而避免。1.2 復(fù)合地層1）復(fù)合地層的概念圖4 上軟下硬地質(zhì)剖面示意圖將開挖斷面范圍內(nèi)和開挖延伸方向上，由兩種或兩種以上不同地層組成，且這

7、些地層的巖土力學(xué)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)等特征相差懸殊的組合地層，定義為復(fù)合地層。復(fù)合地層的組合方式是非常復(fù)雜多樣的，但總的來說可分為三大類，一類是在斷面垂直方向上不同地層的組合，一類是在水平方向上地層的不同組合，另一類是上述兩者兼而有之。 復(fù)合地層在垂直方向上的變化。最典型的垂直方向上的復(fù)合地層就是所謂“上軟下硬”地層。即隧道斷面上部是第四系的松軟土層，而下部是堅硬的巖石地層；或者上部是軟弱的巖層而下部是硬巖層；或者是在硬巖層中夾軟巖層，或軟巖層夾硬巖層，等等。比如圖4所示的地層。 復(fù)合地層在水平方向上的變化。在一施工段當(dāng)中，可能分布著不同時代、不同巖性或不同風(fēng)化程度，從而表現(xiàn)出不同巖土性質(zhì)的地

8、層。比如廣州地鐵五號線草陶區(qū)間的地層（見圖5）。圖5 廣州地鐵五號線草陶區(qū)間（局部）地質(zhì)剖面圖 圖中白堊系紅層的粉砂巖為軟巖，單軸抗壓強度一般30Mpa；花崗巖和石炭系石灰?guī)r是硬巖，單軸抗壓強度一般會60Mpa。 在水平方向和垂直方向兩者兼而有之的更為復(fù)雜的變化。2）復(fù)合地層盾構(gòu)施工的主要特點。 經(jīng)常變換盾構(gòu)施工模式。在軟土地層或以軟土地層為主的“上軟下硬”地層施工時，一般要采用“閉胸模式”，而在以巖石地層，特別是自穩(wěn)性較好的（包括風(fēng)化程度不一）巖石地層施工時則可采用半開胸式（欠土壓平衡模式）或開胸模式；在以砂層或以砂層為主的“上軟下硬”地層中采用土壓平衡模式施工時，可能需要通過加注膨潤土等工

9、藝轉(zhuǎn)化為“泥水平衡”模式 ，如此等等。需經(jīng)常根據(jù)地層的變換來轉(zhuǎn)換盾構(gòu)機模式，是在復(fù)合地層中施工的一大特點。 盾構(gòu)機的配置需要做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。在硬巖的段施工時，通常要采用全斷面滾刀破巖模式，采用的刀盤開口率也會較小；當(dāng)掘進在軟巖或軟土地段時，通常都要將部分或全部滾刀換成適應(yīng)軟巖或軟土的刮刀，此時的開口率也相應(yīng)增大。 采用的施工工藝和施工參數(shù)也要根據(jù)地層的變化而變化。這些變化主要表現(xiàn)在不同地層需要的添加劑的種類和數(shù)量的不同；需要的輔助設(shè)備（比如破巖機、超前鉆機）的不同；盾構(gòu)機姿態(tài)控制的不同等等。 某些特殊的復(fù)合地層，可能需要一些輔助工法。采用輔助工法的主要原因是由于盾構(gòu)機本身的設(shè)計功能的局限性造成

10、的，而這種局限性在目前的技術(shù)發(fā)展階段還較難以克服。比如，廣州地區(qū)白堊系紅層的粉砂巖、砂巖一般的單軸抗壓強度最大為3045MPa，但有時在這些區(qū)間會碰到幾十米或幾百米長的堅硬的花崗巖，或花崗巖的球狀風(fēng)化體，其強度一般達到80MPa以上，甚至?xí)^120MPa。在這種條件下，以軟巖為主設(shè)計的刀盤和刀具，顯然不能適應(yīng)硬巖的要求，在無法更換新刀盤的情況下，采用其它可行的輔助工法，比如先采用礦山法，開挖通過堅硬巖石段，之后，用盾構(gòu)機拼裝管片完成隧道，事實證明，這將是一種比較好的輔助選擇。2 復(fù)合地層的分類及其對盾構(gòu)施工技術(shù)的影響復(fù)合地層的組合是極其復(fù)雜的，僅以在廣州、深圳地區(qū)常見的幾種形式說明其對盾構(gòu)施

11、工的影響。1）以第四系淤泥質(zhì)土層（工程地層編號為）或易液化的粉細砂層為主雜填土淤泥粉細砂礫砂淤泥2m2m2.2m6.4m8.8m隧道斷面圖6 黃長區(qū)間地質(zhì)斷面示意圖與其它松散地層的組合。廣州地鐵一號線黃沙長壽路區(qū)間最北端約80米地段，盾構(gòu)機全斷面通過地層（見6），這是廣州地鐵已建和在建盾構(gòu)工程中唯一的一段盾構(gòu)隧道下部有淤泥層的地質(zhì)剖面。隧道建成后不久，下沉了近100 毫米。在類似地層的盾構(gòu)施工過程中應(yīng)密切注意和預(yù)防的主要問題有： 建筑物和構(gòu)筑物的沉降：雜填土淤泥粘土粗砂強風(fēng)化中風(fēng)化砂巖1.9m4.6m4.0m5.65m1.7m8.95m隧道斷面圖7 長中區(qū)間塌方地區(qū)地質(zhì)斷面示意圖隧道斷面上部為

12、地層時，應(yīng)注意土倉中土（水）壓平衡的問題，因為地層大部分呈軟塑或流塑狀態(tài)，有些還具有液化特性，對盾構(gòu)機密封倉內(nèi)的土壓反映非常靈敏，而土倉內(nèi)壓力是否保持動態(tài)平衡，直接關(guān)系到地面及其建筑物是否發(fā)生沉降的問題。 隧道的后期沉降盾構(gòu)隧道下部如果有一定厚度的淤泥或液化層2，一旦由于某種原因造成失水發(fā)生淤泥層的重固結(jié)或液化，就會使已建好的隧道出現(xiàn)沉降，位移或變形。2）以第四系砂層（工程地層編號為）為主與風(fēng)化巖層的組合。第四系砂層有二種成因，一是陸相沖洪積形成的，一種是海陸交互相沉積形成的，其特點是在河床及河漫灘內(nèi)十分發(fā)育，其形態(tài)多呈透鏡狀，有些地段厚度大。此層粉粒和粘粒成份低，滲透系數(shù)大，是盾構(gòu)施工過程中

13、也應(yīng)十分重視的地層。以隧道上部斷面或隧道上方為砂層的問題為例，這類圍巖情況在廣州地區(qū)的盾構(gòu)施工過程中經(jīng)常碰到，尤其是下部為較硬巖石的情況下會給施工造成較多的問題。典型的例子是廣地鐵一號線盾構(gòu)施工在長壽路中山七路區(qū)間橫通道地段時，干砂量變化發(fā)生異常，由于砂層流失很快，造成了較大的地面沉降，使三幢三層樓塌方（圖7，8）。圖8 華貴路128-132號房倒塌（竺維彬 攝）圖9地面塌方現(xiàn)場 (魏康林 攝)同樣的問題也出現(xiàn)在三號線的大塘瀝滘區(qū)間，見圖9。3）以第四系殘積層（工程地層編號為）為主與其它地層的組合。殘積層是其下伏基巖經(jīng)過長期風(fēng)化之后，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造已全部消失了，部分巖石成份又經(jīng)過風(fēng)化和水化作用產(chǎn)生

14、了新的物質(zhì)，并在原地殘積下來而形成的。對盾構(gòu)施工可能造成嚴重影響的有二種類型即殘積粘土層和殘積砂質(zhì)或砂礫質(zhì)粘性土。 殘積粘土層。母巖大多為沉積巖系列中的泥巖和粉砂質(zhì)泥巖，其全風(fēng)化以后形成殘積粘土層。圖10是廣州地鐵二號線海珠廣場站市二宮區(qū)間采用的土壓平衡盾構(gòu)機的刀盤，41把滾刀。而地層是白堊系上統(tǒng)三水組東湖段的泥巖和粉砂質(zhì)泥巖。工程地層為殘積粘性土層，全風(fēng)化和強風(fēng)化和地層。由于過江施工時多次嚴重結(jié)泥餅（圖11），平均日進不足2米，掘進速度僅達到0-5.0mm/min。地鐵四號線琶侖區(qū)間過涌段與海江區(qū)間是同一時代的地層，盾構(gòu)施工過程中碰到了與海江區(qū)間相同的問題。圖11滾刀在泥餅中的印模（滾刀已拆

15、除）( 廣州地鐵總公司 盾構(gòu)處提供)圖10 海江區(qū)間盾構(gòu)刀盤(廣州地鐵總公司 盾構(gòu)處提供)圖12 滾刀在花崗巖殘積層中的偏磨 (鞠世健 深圳攝) 殘積砂質(zhì)或砂礫質(zhì)粘性土：殘積層中存在堅硬的砂質(zhì)或砂礫質(zhì)顆粒，SiO2質(zhì)堅硬顆粒在施工過程中會對刀具造成嚴重磨損。比如，花崗巖形成的殘積層，其原巖中的長石大部分都高嶺土化了，而原巖中的石英顆粒，仍然保存下來，這種殘積層中的粉粒和粘粒含量比較高，而同時非常堅硬的石英顆粒又較多，因此在盾構(gòu)機推進的過程中若處理不好會同時發(fā)生二種問題：在結(jié)泥餅的同時，對刀盤造成嚴重磨損，刀具發(fā)生單邊或多邊嚴重偏磨（圖12）。與花崗巖殘積層較類似的地層有各時代的粗砂巖，含礫砂巖

16、和礫巖層的殘積地層。4）以全風(fēng)化和強風(fēng)化和地層為主的組合。千枚巖圖13 地質(zhì)斷面示意圖全風(fēng)化和強風(fēng)化地層的原巖可以是各時代的沉積巖以及變質(zhì)巖和花崗巖，由于原巖不同，它們反映出來的圍巖特征稍有不同，但總的來說，盾構(gòu)在此類地層中施工時特別重要的是刀具的選擇。舉例如下： 刀具嚴重偏磨：深圳地鐵一號線某工地，其地質(zhì)斷面示意圖為圖13所示。當(dāng)時采用的是全斷面滾刀。由于風(fēng)化后的巖層和額定內(nèi)的總推力無法提供使?jié)L刀滾動的摩擦力，滾刀無法轉(zhuǎn)動而發(fā)生偏圖14 25 把滾刀在67號地層中全部偏磨 （竺維彬 攝）磨，在掘進不足10米的情況下，致使25把滾刀損壞（圖14）。通過對偏磨刀具的仔細觀察發(fā)現(xiàn)，刀刃部分都變成明

17、顯的暗藍色“淬火現(xiàn)象”（圖15）。說明當(dāng)時由于滾刀不轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磨擦將動能大量轉(zhuǎn)化為熱能。這樣，在高溫和不斷研磨的雙重作用下，進一步制造了在刀盤面上形成泥餅的條件。若不設(shè)法防止這種惡性循環(huán)，最終會損壞大軸承密封而停機。事實上，廣州地鐵三號線天華區(qū)間也碰到了類似的問題，從盾構(gòu)機密封倉滲出的滴水，居然能燙傷工人的皮膚。由于刀具選擇不適應(yīng)，以及施工參數(shù)選擇不合理，此類滾刀偏磨的問題在廣州地鐵三號線是較常見的。滾刀被燒成暗藍色“淬火現(xiàn)象” 圖15滾刀在高溫下淬火（竺維彬 攝） 工作面穩(wěn)定性問題：全風(fēng)化花崗巖強風(fēng)化花崗巖 中、微風(fēng)化花崗巖圖16 深圳地鐵某地質(zhì)剖面由于巖性變化較大，所以在盾構(gòu)推進的過程中根據(jù)

18、不同的圍巖特征及時換刀是必要的程序。在常溫常壓條件下?lián)Q刀是人們最希望的，因為這樣可以簡化很多復(fù)雜的工序，問題是工作面是否能自穩(wěn)。總的來說，此問題要根據(jù)特定的地層分布情況，根據(jù)不同的巖性進行具體的分析，否則就會出現(xiàn)預(yù)想不到的事故。圖16是深圳地鐵一號線某盾構(gòu)段的一個剖面示意圖。在換刀前曾對開挖面進行過旋噴加固，但加固效果未達要求，地下水仍比較大，開倉以后發(fā)現(xiàn)隧道工作面前上方有小的塌方空洞，但僅用一些木條做了簡單的支撐。在清倉換刀的過程中，剩最后的幾把刀更換時，前方掌子面突然塌方，造成了1人死亡、傷3人的事故。廣州地鐵三號線沒有發(fā)生過上述嚴重的事故，但類似的問題經(jīng)?？梢?。 關(guān)于花崗巖中的球狀風(fēng)化問

19、題（圖17）。圖17堅硬的花崗巖球狀風(fēng)化體夾在軟弱的全風(fēng)化和強風(fēng)化地層中刀盤與盾殼間隙變大圖18 刀盤遇花崗巖球狀風(fēng)化體變形(深圳地鐵一號線)（上海隧道工程股份有限公司 廣州項目部提供）球狀風(fēng)化是發(fā)生在花崗巖的、和地層中一種較常見的地質(zhì)現(xiàn)象，這在廣州地鐵三號線的天華區(qū)間、大石番禺廣場區(qū)段和深圳一號線盾構(gòu)區(qū)間花崗巖中都曾經(jīng)多次碰到。由于球狀風(fēng)化體的體量并不很大，一般只在1.05.0m左右，且是包裹在軟的、號地層中間，事前對其存在的可能性及確切的位置較難預(yù)測，所以在施工過程中尤其要引起注意。碰到的主要問題有三種，一是開挖面在水的作用下很快失穩(wěn)，無法進入倉內(nèi)換刀；二是既便可以在短時間內(nèi)換刀，但未換完

20、前，圍巖一下子又失穩(wěn)了；三是突然從軟地層中碰到堅硬的花崗巖球狀體時，容易卡住刀盤，甚至造成刀盤變形（圖18）。對前兩種情況，必須在地層加固或氣壓下進倉換刀。5 ) 以和地層的巖石地層為主在水平方向上的組合。與前面討論的一樣，由于圍巖不同，雖然都是中風(fēng)化和微風(fēng)化巖層，其特性也不一樣。比如，廣州地鐵一號線中山七路西門口區(qū)間，盾構(gòu)在白堊系三水組康樂段的砂巖中通過，巖石強度為2044Mpa。在80米的范圍內(nèi)，盾構(gòu)機損壞了58%的滾刀，51%的刮刀。地鐵三號線天華區(qū)間在中微風(fēng)化花崗巖掘進時，其強度超過100Mpa，盾構(gòu)機僅前進了4環(huán)（6.0m）就將滾刀大部分磨損了，不得不停機換刀。3 復(fù)合地層盾構(gòu)施工技術(shù)的突破性進展中國的盾構(gòu)施工技術(shù)人員主要在廣東（廣州、深圳）這塊復(fù)合地層類型繁多并且極其復(fù)雜的施工環(huán)境下，經(jīng)過10年、40臺次、掘進隧道長達100多公里的摸索。1）已充分認識到復(fù)合地層的超前系統(tǒng)研究是盾構(gòu)選型的基礎(chǔ)，全過程跟蹤研究和及時預(yù)報各地層的在垂向上、縱向上的變化并采取相應(yīng)的對策，是盾構(gòu)能否順利施工的關(guān)鍵。2）在統(tǒng)一認識的基礎(chǔ)上，經(jīng)過艱難困苦的實踐，施工技術(shù)有了突破性進展，概述如下：