5 广州复合地层与盾构施工(竺维彬)

复合地层与盾构施工技术竺维彬鞠世健广州地铁总公司摘要:中国采用盾构法已有45年的历史，但前35年国内只有少数承包商掌握了在均一软土地层中的盾构施工技术。1995年至今，广州地铁业主率先开放盾构工程市场，培育盾构施工队伍。随着大批盾构承包商的成长，随着40台次盾构机在广州和深圳复合地层100多公里的实践，复合地层的概念逐步形成，复合地层中的盾构施工技术也有了突破性的发展。在这种背景下，亲历了100多公里复合地层施工过程的作者，有义务对复合地层的概念做出定义，对复合地层盾构施工技术的进展做出概述，以便与同行一起推动盾构工法在全国隧道施工中更广泛的应用。关键词：均一地层复合地层盾构施工技术盾构法施工与其它传统的地下工程施工工法一样，其终极目标是完成一特色的地下工程，比如一条地下隧道或地下车站，它的不同点在于，盾构法采用了特殊的施工工具盾构机。盾构机是根据施工对象而“度身定做”，正如裁缝要根据具体的人进行“量体裁衣”一样，否则缝制的衣服就不合身。盾构机制造所依据的对象，称之为施工环境，它是基础地质、工程地质、水文地质、地貌、地面建筑物及地下管线和构筑物等特征的总和。由此可以看出，如果不详细研究施工环境，也就造不出适应性强的盾构机，也就谈不上顺利地进行盾构施工。在施工环境的诸多因素中，基础地质和工程地质特征是最重要的，因为它们是盾构机选型及采用盾构施工工艺最重要的先决条件。在实践当中，对地质特征的研究往往是一件被忽视的工作。殊不知，几乎没有哪一项盾构施工技术不是与地质特征有关的，尤其是在复合地层中的盾构施工。1复合地层的概念在盾构施工的过程中，围岩岩土力学、基础地质和工程地质等特征的各向均匀性直接影响盾构机的选型、盾构施工工艺的选择等关键性问题。从这个意义上讲，可以宏观地将围岩地层区分为两类，一是均一地层，一是复合地层。1.1均一地层1）均一地层的概念严格意义的各向同性的均质地层在自然界是不存在的，本文定义的均一地层是指在开挖断面范围内和开挖延伸方向上，由一种或若干种地层组成的，但其岩土力学、工程地质和水文地质等特性相近的地层或地层组合。均一地层有两种情况：①单纯的软土地层：从地质图（图1）中可以看出，地铁隧道穿越了Ⅱ层，主要为粉砂质土和Ⅲ层为粉质粘土。这两种地层的物质组成，其结构和构造都存在着一定的差异，但它们的岩土力学性质以及工程地质和水文地质特征就盾构机的选型和盾构施工而言，差别并不大。根据上述地层特点，南京地铁选用了适应软土地层的盾构机，其刀盘为平面直角型的，只安装刮刀（见图2）。类似的均一地层，还普遍存在于上海地铁、天津地铁、北京地铁以及过长江隧道等的施工当中。图1南京A区间某段隧道地质剖面图图2软土盾构机刀盘图3硬岩掘进机刀盘②单纯的硬岩地层。比如：西安~安康铁路秦岭I线隧道。隧道断面范围内以两种岩石为主，一种是混合片麻岩，干抗压强度为78~137MPa，整体性较好，裂隙较少。另一种是混合花岗岩，干抗压强度为122~162MPa，节理较发育，裂隙较多。选用的盾构机（广义）是典型的硬岩掘进机，刀具全部安装滚刀，无需任何刮刀（见图3）。2）均一地层中盾构工程的主要特点①施工过程中盾构机的模式基本上不需变化。在软土地层中，若采用土压平衡模式，则一般无需变化成开胸模式；在硬岩地层，若采用开胸模式掘进，则一般无需变化成土压平衡模式。通常，在均一地层中的盾构机，在设计和制造时，也没有考虑模式的变化。②盾构机的结构不需在施工过程中进行改变。比如，在软土均一地层中，刀盘采用软土刀具，在施工过程中根本不需考虑是否会碰到硬岩而增加滚刀的问题。反之亦然。③尽管均一地层中其物性也会有较大变化，但只需在施工工艺上做出调整。均一地层上述两特点说明，在施工过程中盾构机无需或无法做出结构型式上的任何改变，但是，正如前面提到的，均一地层并不是绝对的均质地层，这样，在地层特性改变之后，必需在施工工艺或施工参数上采取相应的措施。比如：同是在软土地层中施工，当地层是以砂层或砂砾层为主时，以土压平衡盾构机为例，则应适当添加膨润土或聚合物。若地层以粘性土为主时，则需添加适量的泡沫。如此等等，这一类的工艺或施工参数上的调整并不因均一地层而避免。1.2复合地层1）复合地层的概念将开挖断面范围内和开挖延伸方向上，由两种或两种以上不同地层组成，且这些地层的岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊的组合地层，定义为复合地层。复合地层的组合方式是非常复杂多样的，但总的来说可分为三大类，一类是在断面垂直方向上不同地层的组合，一类是在水平方向上地层的不同组合，另一类是上述两者兼而有之。①复合地层在垂直方向上的变化。最典型的垂直方向上的复合地层就是所谓“上软下硬”地层。即隧道断面上部是第四系的松软土层，而下部是坚硬的岩石地层；或者上部是软弱的岩层而下部是硬岩层；或者是在硬岩层中夹软岩层，或软岩层夹硬岩层，等等。比如图4所示的地层。②复合地层在水平方向上的变化。在一施工段当中，可能分布着不同时代、不同岩性或不同风化程度，从而表现出不同岩土性质的地层。比如广州地铁五号线草~陶区间的地层（见图5）。图4上软下硬地质剖面示意图图5广州地铁五号线草－陶区间（局部）地质剖面图图中白垩系红层的粉砂岩为软岩，单轴抗压强度一般≦30Mpa；花岗岩和石炭系石灰岩是硬岩，单轴抗压强度一般会≧60Mpa。③在水平方向和垂直方向两者兼而有之的更为复杂的变化。2）复合地层盾构施工的主要特点。①经常变换盾构施工模式。在软土地层或以软土地层为主的“上软下硬”地层施工时，一般要采用“闭胸模式”，而在以岩石地层，特别是自稳性较好的（包括风化程度不一）岩石地层施工时则可采用半开胸式（欠土压平衡模式）或开胸模式；在以砂层或以砂层为主的“上软下硬”地层中采用土压平衡模式施工时，可能需要通过加注膨润土等工艺转化为“泥水平衡”模式，如此等等。需经常根据地层的变换来转换盾构机模式，是在复合地层中施工的一大特点。②盾构机的配置需要做出适当的调整。在硬岩的段施工时，通常要采用全断面滚刀破岩模式，采用的刀盘开口率也会较小；当掘进在软岩或软土地段时，通常都要将部分或全部滚刀换成适应软岩或软土的刮刀，此时的开口率也相应增大。③采用的施工工艺和施工参数也要根据地层的变化而变化。这些变化主要表现在不同地层需要的添加剂的种类和数量的不同；需要的辅助设备（比如破岩机、超前钻机）的不同；盾构机姿态控制的不同等等。④某些特殊的复合地层，可能需要一些辅助工法。采用辅助工法的主要原因是由于盾构机本身的设计功能的局限性造成的，而这种局限性在目前的技术发展阶段还较难以克服。比如，广州地区白垩系红层的粉砂岩、砂岩一般的单轴抗压强度最大为30~45MPa，但有时在这些区间会碰到几十米或几百米长的坚硬的花岗岩，或花岗岩的球状风化体，其强度一般达到80MPa以上，甚至会超过120MPa。在这种条件下，以软岩为主设计的刀盘和刀具，显然不能适应硬岩的要求，在无法更换新刀盘的情况下，采用其它可行的辅助工法，比如先采用矿山法，开挖通过坚硬岩石段，之后，用盾构机拼装管片完成隧道，事实证明，这将是一种比较好的辅助选择。2复合地层的分类及其对盾构施工技术的影响复合地层的组合是极其复杂的，仅以在广州、深圳地区常见的几种形式说明其对盾构施工的影响。K2d14-2Qal+pl464.983.984-23.18-1.125-2-4.327-7.92N=3N=15N=21反弹16.354.25-6.75F-18.758c-2N=41239.256.154-1x5.353-10.650.15C1ds-1.35-1.95-3.95-4.95-5.85N=13N=12N=14N=205.84Qml44.244-21.29-0.369c-2-0.766c-1-15.56-18.86-22.66-23.66-24.36C1dsN=3N=15反弹1235.30z3.403-2-10.405-1-13.90-24.408N=10N=11N=14N=13N=12N=14反弹1234-25.39-21.79-20.09-13.192.819.0171-10.306反弹3.50-0.5074.50N=118-23.9353-176N=31N=195H-27-19.2328H-13.59-8.79-11.59-9.79853-1N=514-17.6719.178-2.19-1.292.116.615-14.41-13.414326.598.59dsC11jJ1jfc=88.10MPafc=70.30MPafc=45.90MPafc=49.30MPafc=77.60MPafc=92.00MPafc=89.60MPafc=57.40MPafc=26.80MPa1）以第四系淤泥质土层（工程地层编号为2）或易液化的粉细砂层为主与其它松散地层的组合。广州地铁一号线黄沙~长寿路区间最北端约80米地段，盾构机全断面通过2地层（见6），这是广州地铁已建和在建盾构工程中唯一的一段盾构隧道下部有淤泥层的地质剖面。隧道建成后不久，下沉了近100毫米。在类似地层的盾构施工过程中应密切注意和预防的主要问题有：①建筑物和构筑物的沉降：隧道断面上部为2地层时，应注意土仓中土（水）压平衡的问题，因为2地层大部分呈软塑或流塑状态，有些还具有液化特性，对盾构机密封仓内的土压反映非常灵敏，而土仓内压力是否保持动态平衡，直接关系到地面及其建筑物是否发生沉降的问题。②隧道的后期沉降盾构隧道下部如果有一定厚度的淤泥或液化层﹤2﹥，一旦由于某种原因造成失水发生淤泥层的重固结或液化，就会使已建好的隧道出现沉降，位移或变形。2）以第四系砂层（工程地层编号为3）为主与风化岩层的组合。第四系砂层有二种成因，一是陆相冲洪积形成的，一种是海陆交互相沉积形成的，其特点是在河床及河漫滩内十分发育，其形态多呈透镜状，有些地段厚度大。此层粉粒和粘粒成份低，渗透系数大，是盾构施工过程中也应十分重视的地层。以隧道上部断面或隧道上方为3砂层的问题为例，这类围岩情况在广州地区的盾构施工过程中经常碰到，尤其是下部为较硬岩石的情况下会给施工造成较多的问题。典型的例子是广地铁一号线盾构施工在长寿路－中山七路区间横通道地段时，干砂量变化发生异常，由于砂层流失很快，造成了较大的地面沉降，使三幢三层楼塌方（图7，8）。图8华贵路128-132号房倒塌（竺维彬摄）图9地面塌方现场(魏康林摄)同样的问题也出现在三号线的大塘—沥滘区间，见图9。3）以第四系残积层（工程地层编号为5）为主与其它地层的组合。杂填土淤泥粉细砂砾砂淤泥2m2m2.2m6.4m8.8m隧道断面图6黄—长区间地质断面示意图杂填土淤泥粘土粗砂7强风化8中风化砂岩1.9m4.6m4.0m5.65m1.7m8.95m隧道断面图7长—中区间塌方地区地质断面示意图残积层是其下伏基岩经过长期风化之后，其结构构造已全部消失了，部分岩石成份又经过风化和水化作用产生了新的物质，并在原地残积下来而形成的。对盾构施工可能造成严重影响的有二种类型即残积粘土层和残积砂质或砂砾质粘性土。①残积粘土层。母岩大多为沉积岩系列中的泥岩和粉砂质泥岩，其全风化以后形成残积粘土层。图10是广州地铁二号线海珠广场站－市二宫区间采用的土压平衡盾构机的刀盘，41把滚刀。而地层是白垩系上统三水组东湖段的泥岩和粉砂质泥岩。工程地层为残积粘性土层5，全风化和强风化6和7地层。由于过江施工时多次严重结泥饼（图11），平均日进不足2米，掘进速度仅达到0-5.0mm/min。地铁四号线琶－仑区间过涌段与海－江区间是同一时代的地层，盾构施工过程中碰到了与海－江区间相同的问题。②残积砂质或砂砾质粘性土：残积层中存在坚硬的砂质或砂砾质颗粒，SiO2质坚硬颗粒在施工过程中会对刀具造成严重磨损。比如，花岗岩形成的残积层，其原岩中的长石大部分都高岭土化了，而原岩中的石英颗粒，仍然保存下来，这种残积层中的粉粒和粘粒含量比较高，而同时非常