在硬巖及球狀風(fēng)化巖地段選用傳統(tǒng)工法輔助盾構(gòu)施工的探討

1、在硬巖及球狀風(fēng)化巖地段選用傳統(tǒng)工法輔助盾構(gòu)施工的探討提要：盾構(gòu)法施工的隧道區(qū)間，有時(shí)巖性變化很大，圍巖時(shí)軟時(shí)硬，有些地區(qū)在同一斷面 內(nèi)，出現(xiàn)上軟下硬，甚至在軟地層中夾有堅(jiān)硬的巖層或巖體，在這種情況下，繼續(xù)采用盾構(gòu) 法掘進(jìn)，在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上和進(jìn)度上都未必是最恰當(dāng)?shù)?，此時(shí)，分辨不同情況，適當(dāng)?shù)剡x用 一些傳統(tǒng)的輔助方法，是解決問(wèn)題的一種手段。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)區(qū)間硬巖段 球狀風(fēng)化巖地段 工法選擇和應(yīng)用abstract: in some cases, there are outstanding differences of rock property between the upper and the 1

2、ower in a running section, for example, the upper medium is very soft while the lower very hard, even there are some hard rock or rock body scattering in the soft stratum. in that case, probably it is not the best choice to use shield tunneling method to construct the tunnel in terms of technicality

3、, economic and scheduled progress. according to different conditions, we could properly adopt some traditional means to solve those kinds of problems in shield tunneling project.keywords: shield tunneling section, hard rock, globular weathered granite, construction method and i ts adoption.1引言由于盾構(gòu)法在

4、修建地鐵區(qū)間隧道所表現(xiàn)出的突出的優(yōu)越性，因此，采用盾構(gòu)法的比 例逐步提高，諸如在廣州地鐵三號(hào)線己超過(guò)了隧道總長(zhǎng)的2/3 （表1）?！澳苡枚軜?gòu)法的地 方，都采用盾構(gòu)法”不僅是一種共識(shí)，也是一種趨勢(shì)。表1廣州地鐵三條線采用盾構(gòu)法隧道長(zhǎng)度表（蒙曉蓮提供）工法礦山法和明挖渕盾概隠i盾號(hào)占的比例線路(km)(km)(%)1號(hào)綫；564.3936.742號(hào)線10.625.3233.373機(jī)9.6023.0070.55但是盾構(gòu)機(jī)是根據(jù)特定的地質(zhì)條件“度身定做”的，盡管盾構(gòu)機(jī)制造技術(shù)發(fā)展很快, 其適應(yīng)能力也越來(lái)越強(qiáng)，然而要找到一種既可用于軟土地層，又可用于硬巖地層，且適用于 水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜的萬(wàn)能盾構(gòu)機(jī)，

5、在目前階段，至少在造價(jià)上是不切合實(shí)際的。因此, 在盾構(gòu)區(qū)間出現(xiàn)的硬巖地段是否需要采用一些非盾構(gòu)工法作為輔助手段，就成了一個(gè)問(wèn)題。本文僅就盾構(gòu)區(qū)間如何通過(guò)硬巖地層的問(wèn)題，結(jié)合一些實(shí)例開(kāi)展討論。2 廣州地區(qū)區(qū)間隧道硬巖的分布特征及給盾構(gòu)施工造成的影響2. 1 軟土或軟巖地層與硬巖地層相間出現(xiàn)抗壓強(qiáng)度為2044mpa的中粒砂巖（圖1）。 型式如圖2o盾構(gòu)機(jī)在通過(guò)690mm砂層之后, 砂層中不能轉(zhuǎn)動(dòng)而根本就沒(méi)起作用。k5+250k7 + 900«構(gòu)璉道廣州地鐵1號(hào)線黃沙站-公園前站盾構(gòu)區(qū)間，既有全斷面的砂層、淤泥層，又有單軸 這一區(qū)間選用的是泥水加壓式盾構(gòu)機(jī)，其刀盤(pán) 66%的滾刀偏磨而需要更

6、換，因?yàn)檫@些滾刀在全斯面砂層全斷而淤泥層 中微風(fēng)化砂巖圖1 廣州地鐵1號(hào)線盾構(gòu)隧道巖性變化示意圖圖2 盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)型式圖圖3 ebpm盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)滾刀圖當(dāng)盾構(gòu)機(jī)通過(guò)微風(fēng)化的中粒砂巖后，58%的滾刀和51%的刮刀嚴(yán)重磨損。因?yàn)樵谟矌r 中推進(jìn)時(shí)，刮刀又起不到很大的作用。廣州地鐵2號(hào)線市二宮站一江南酋站區(qū)間，采用的是epbm,安裝了 41把滾刀（圖3）。 在通過(guò)砂質(zhì)粘土層時(shí)，由于刀盤(pán)前和密封倉(cāng)內(nèi)形成泥餅，滾刀無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)（圖4）,因而無(wú)法 發(fā)揮其功能。但在隨后通過(guò)含礫砂巖地層時(shí)，則滾刀嚴(yán)重磨損，以至于在盾構(gòu)進(jìn)站之后發(fā)現(xiàn), 不僅大部分滾刀和刮刀都磨損殆盡，連刀盤(pán)面板都受到了損傷（圖5）。圖4刀盤(pán)前和密封倉(cāng)內(nèi)形

7、成泥餅圖5 刀具和刀盤(pán)磨損類似的地質(zhì)剖面在廣州地鐵3號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間也會(huì)碰到。比如市橋一番禺廣場(chǎng)區(qū)間， 在幾百米的范圍內(nèi)隧道斷面通過(guò)的地層有軟弱的第四紀(jì)砂質(zhì)粘土層（n值變化在12. 047. 0 z間），有單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)140mpa的燕山期花崗巖，也有震旦紀(jì)的老地層，其單軸抗壓強(qiáng) 度超過(guò)loompao2.2 花崗巖的球狀風(fēng)化體花崗巖和花崗片麻巖在風(fēng)化后之后，往往在其殘積的砂質(zhì)粘性土或全風(fēng)化松散地層 中仍能保存體積和形狀不一的球狀風(fēng)化體，其單軸抗壓強(qiáng)度往往超過(guò)loompa,從而與其圍 巖表現(xiàn)出一種完全不同的特性（圖6、圖7）。圖7 深圳益四一香蜜湖盾構(gòu)區(qū)間花崗球狀風(fēng)化體育與盾構(gòu)機(jī)位置關(guān)系示意圖因?yàn)榍?/p>

8、狀風(fēng)化體的體積相對(duì)較小，在事前的地質(zhì)鉆探過(guò)程屮難以精確地全部勘察清 楚，因此在盾構(gòu)施工過(guò)程中，往往在較松軟的介質(zhì)，如殘積的砂質(zhì)粘性土中，會(huì)突然碰到小 體積的非常堅(jiān)硬的球狀體，不僅極容易損壞盾構(gòu)機(jī)，且會(huì)造成隧道管片破損，隧道中心線偏 移等許多難以預(yù)料的問(wèn)題(圖8) 0圖8 盾構(gòu)機(jī)碰到花崗石巖球狀風(fēng)化體后造成刀盤(pán)變形，出現(xiàn)明顯的空隙2. 3 隧道斷面巖性分布不均勻這樣地質(zhì)特點(diǎn)在許多地區(qū)極為常見(jiàn)，主要表現(xiàn)在：(1) 上軟下硬：上部為第四系的土層，下部為巖石地層；或上部為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化 巖層，下部為中風(fēng)化或微風(fēng)化巖層。(2) 上硬下軟：軟硬相間的混雜地層，特別發(fā)育在沉積地層屮，主要由于巖性的變 化造成

9、的。(3) 左右不均：主要發(fā)生在產(chǎn)狀變化大，節(jié)理發(fā)育的地段。這類地層，特別容易造成盾構(gòu)機(jī)偏離軸線，進(jìn)而在糾偏的過(guò)程中造成管片的破損和 開(kāi)裂，并可能伴生較大的地面沉降。3盾構(gòu)區(qū)間硬巖段輔助工法的選擇國(guó)外專家在研究巖石質(zhì)量特性q值時(shí)發(fā)現(xiàn)，就隧道掘進(jìn)速度而言，q值與采用的施 工工法有一定的相關(guān)關(guān)系(圖9)。該研究說(shuō)明，并非在任何地質(zhì)條件下采用盾構(gòu)法，其掘進(jìn)速度都是最快的。當(dāng)巖石的q值高到一定程度時(shí)，用傳統(tǒng)的鉆爆法（d+b法）比盾構(gòu)法施 工速度要快。進(jìn)度圖9 q值與不同工法掘進(jìn)速度的相關(guān)關(guān)系本文不準(zhǔn)備具體分析q值在廣州地區(qū)的分布特征及其與工法選擇的關(guān)系，之所以引 入q值的概念，僅僅想說(shuō)明，在某些硬巖地

10、段和球狀風(fēng)化巖地段，盾構(gòu)法未必是最佳選擇。 當(dāng)然，在考慮工法時(shí)，還應(yīng)研究投資、質(zhì)暈等方面的因素，最終以綜合風(fēng)險(xiǎn)分析為選擇的依 據(jù)，此內(nèi)容將另文討論。本文僅從掘進(jìn)速度和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)方面進(jìn)行討論。3. 1礦山法掘進(jìn)在盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)的完整硬巖地段，可考慮輔助傳統(tǒng)的礦山法掘進(jìn)。廣州地鐵2號(hào)線紀(jì)一越區(qū)間，將穿過(guò)兩個(gè)破碎帶寬4080m的廣從斷裂帶和清泉街 斷裂帶（圖10） o以往在附近進(jìn)行市政工程施工時(shí)就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)斷裂帶極為破碎且會(huì)大量涌 水，由此產(chǎn)生的地面沉降曾危及附近的國(guó)家級(jí)重點(diǎn)保護(hù)文物中山紀(jì)念堂的安全。圖10 廣州地鐵2號(hào)線紀(jì)一越區(qū)間斷面示意圖在區(qū)間工法論證階段，盾構(gòu)法曾是首先想到的，因?yàn)橐云鋬?yōu)越性來(lái)通過(guò)兩個(gè)

11、斷裂帶 應(yīng)比其他暗挖工法風(fēng)險(xiǎn)小得多。權(quán)衡再三，并未選擇盾構(gòu)法。究其原因，其中重要的一點(diǎn)是 該區(qū)間要通過(guò)長(zhǎng)約600m的花崗巖，其單軸抗壓強(qiáng)度超過(guò)loompa,選擇適宜的盾構(gòu)機(jī)很怵i難, 最后采用的是礦山法。在礦山法施工過(guò)程屮，為了防止地面沉降，曾在清泉街?jǐn)嗔褞?shí)施了 水平凍結(jié)加固處理，盡管如此，仍沒(méi)能避免地面樓房開(kāi)裂，居民臨遷，部分樓房進(jìn)行重建的 情況出現(xiàn)。深圳地鐵1號(hào)線某區(qū)間的地質(zhì)特點(diǎn)與廣州上述情況類似,他們?cè)诙軜?gòu)區(qū)間的硬巖段, 采用了礦山法施工，然后將盾構(gòu)機(jī)釆用過(guò)車(chē)站的方法“拉”過(guò)去。這樣既發(fā)揮了盾構(gòu)法的總 體優(yōu)勢(shì)，又用傳統(tǒng)方法彌補(bǔ)了其處理局部問(wèn)題的劣勢(shì)。盾構(gòu)法施工隧道采用傳統(tǒng)的輔助工法 的

12、一個(gè)較好的實(shí)例。采用這種方法施工時(shí)，重點(diǎn)要注意的問(wèn)題有：礦山法隧道底部導(dǎo)臺(tái)的處理。一一盾構(gòu)機(jī)通過(guò)方式的選擇。若仍釆用安裝管片的方式通過(guò)，則應(yīng)考慮襯背注漿方 法及注漿材料的研究。要解決隧道變形和漿液前竄的問(wèn)題。在盾構(gòu)機(jī)通過(guò)的過(guò)程屮，由于對(duì)安裝管片的反推力很小，則還應(yīng)考慮環(huán)縫防水 的特殊處理。施工精度的控制。從該區(qū)間的地質(zhì)剖面圖（圖11）。可以發(fā)現(xiàn)，隧道斷面頂部為花崗巖的全風(fēng)化層和 殘積的礫質(zhì)粘性土層，松散，易塌；中下部部分全斷面是超過(guò)loompa的中風(fēng)化和微風(fēng)化的 花崗巖。圖11 地質(zhì)剖面示意圖礦山法的施工步驟如下：礦山法完成隧道的初襯之后，盾構(gòu)機(jī)釆用管片安裝的方法推到隧道另一端，然后繼 續(xù)采用

13、正常的盾構(gòu)法施工（圖12） o圖12 盾構(gòu)機(jī)通過(guò)礦山法隧道順序示意圖3.2軟土地層中花崗巖球狀風(fēng)化體或其他孤石的處理深圳地鐵1號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間，線路改變后，由于某些原因而沒(méi)有及時(shí)采用新的地質(zhì) 資料，在推進(jìn)過(guò)程屮，盾構(gòu)機(jī)突然碰到堅(jiān)硬的花崗巖球狀風(fēng)化體，造成了盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)變形。 承包商采用的處理方法是，通過(guò)人孔進(jìn)入工作面，用靜態(tài)爆破的方法，將10個(gè)花崗巖球狀 風(fēng)化體一一破碎，將石塊從人孔和料孔中取出，然后盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)推進(jìn)（圖13和圖14） o圖13 盾構(gòu)工作而可以看到在砂質(zhì)粘性土屮的堅(jiān)硬花崗巖球狀風(fēng)化體圖14靜態(tài)爆破后通過(guò)盾構(gòu)機(jī)人孔和料孔取出的花崗巖球狀風(fēng)化體碎塊另?yè)?jù)資料報(bào)導(dǎo)，瑞士在用盾構(gòu)法修建一條鐵路

14、隧道過(guò)程中，碰到過(guò)45m3的冰磧漂 礫，盾構(gòu)機(jī)廠商專門(mén)為此類地層設(shè)計(jì)了一個(gè)可伸縮的中央子盾構(gòu)，但并沒(méi)能解決大漂礫的破 巖問(wèn)題，因?yàn)榈[石在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中是不穩(wěn)定的。不得己，只能從地面注漿將漂石固定之后, 盾構(gòu)機(jī)再破巖通過(guò)。根據(jù)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)花崗巖球狀風(fēng)化體或大礫石，應(yīng)視w巖的具體條件，可采用人 工方法處理和可直接由盾構(gòu)機(jī)破巖通過(guò)，但注意試用：小推力高轉(zhuǎn)速單刃滾刀3.3隧道斷面下部為硬巖，上部為軟土或軟巖的處理廣州地區(qū)淺埋和部分中埋隧道斷面上軟下硬的情況是很多見(jiàn)的，在一般情況下，結(jié) 合施工經(jīng)驗(yàn)，采取科學(xué)的施工參數(shù)，都可較順利地通過(guò)。是否需要采取輔助工法處理，則要 視下部硬巖的特征，分布范圍等具體情況來(lái)決定。4 結(jié)語(yǔ)鑒于某些地區(qū)工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性，在盾構(gòu)施工過(guò)程屮，不一定非要“一盾到 底”，可根據(jù)具體地質(zhì)條件，選用一些傳統(tǒng)的施工方法作為輔助手段。當(dāng)然，這必須還要同 吋考慮不同方法的經(jīng)濟(jì)合理性。（在