地铁盾构法遇不良地质施工技术研究——以福州地铁2号线为例

王 正

(福州地铁集团有限公司 福建福州 350004)

自新世纪以来，我国各城市地下轨道建设进入高速发展时期，其中由于盾构法施工速度快、对地层扰动小、安全性高，使得其在隧道中得到广泛应用。在我国海西地区，地层为上太古界至第四系均有出露，导致盾构掘进断面存在着不同程度的高强度球状风化岩体和基岩凸起入隧道断面内。一般地面探测和处理方法有着其局限性，有时甚至无法满足城市地铁建设需求。因此，高效、安全、低成本的盾构施工技术成为地铁施工的重要施工手段，而其施工技术的优劣，直接影响地下轨道工程质量。

基此，本文以福州地铁2号线某站为例，探析不良地质工况下的地下轨道盾构法的施工技术。

1 工程背景

1.1 工程概况

福州地铁2号线是福州地下铁交通网络中第二条新建线路。其沿福州市东西向布置，起到连接福州市主城区、大型居住区、金山工业区与高新科技园的作用。修建完成后，2号线有力地缓解了福州中心城区向东西辐射的交通压力，并引导和巩固大学城、高新区、闽侯县的开发建设。福州大学至董屿站区间为2号线第五个区间，出福州大学站后，沿旗山大道由北向南敷设至董屿站。该区间两侧建构筑物主要为福州大学、福州一中、建平村、省档案馆、轮船港和四境廟庙宇等。区间左右线为分修的两条单线隧道，起点里程为Y(Z)DK15+110.509，左线终点里程为ZDK16+896.637，长1779.006m；右线终点里程为YDK16+896.307，长1785.798m，埋深约为15.7～23.5m，上覆土层厚度约9.5m～17.3m。该区间由3段直线和3段圆曲线构成，曲线半径依次为R1000m右转弯、R500m左转弯及R350m左转弯；转弯段长度分别为324m、320m及137m。该区间采用两台Φ6460复合式土压平衡盾构负责隧道掘进。

1.2 不良地质情况

该区间穿越地质情况主要为：粉质粘土、淤泥质土、粉细砂、粗中砂(中密)、淤泥夹砂、砾质粘性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩等复合地层。根据勘察报告，基岩为燕山晚期的花岗岩，呈风化裂隙发育，风化程度不均匀。左线里程ZDK15+239～ZDK15+272，ZDK16+105～ZDK16+133处存在微风化花岗岩地层，各岩层长度分别约为32.8m和28.3m，强度高达120MPa。在左线里程ZDK15+183～ZDK15+240、ZDK15+240～ZDK15+272、ZDK15+484.4～ZDK15+501.4，右线YDK15+216.7～YDK15+248.4范围有强度平均值80MPa的中、微风化花岗岩侵入隧道范围，隧道开挖面上部则为流塑状淤泥和淤泥质沙土，形成典型的“上软下硬”断面。左右线还有37处存在孤石的可能。以上不良地层将使盾构法隧道施工过程中的掘进效率低下，并易导致盾构机损坏，刀盘磨损变形，线路偏移等诸多问题，增加超挖和开仓风险，及其后续处理速度缓慢，严重影响施工进度及施工成本。

1.3 总体工艺

盾构法遇不良地质施工，一般采用地质详勘辅以雷达探测，再搭配盾构开仓破碎或深孔爆破法等工艺。该区间由于位于车流量大的旗山大道，沿线管线密集，雷达受到极大干扰，达不到理想的效果。盾构开仓处理，安全风险大，效率低下。爆破审批材料繁杂，周期冗长，而且需要协调周边相关单位，并进行交通疏解和废除管线移除等相关工作。经比选，首先采用微动探测配合加密补勘的探测方法确认具体位置和尺寸，再在地面进行密集钻孔破碎处理，后跟袖阀管注浆加固和水泥回填封堵的地面预处理工艺[1]。并且，改造盾构设备，在掘进中使用实时根据地质情况调整掘进各项参数等技术手段，以最大程度适应不良地质基岩区域，有效地规避环境污染和开仓作业等安全隐患、保证掘进效率。

2 地面预处理技术

2.1 微动探测技术

微动探测技术是一种无损探测技术，只需在地面上摆放检波器，占地面积小(半径2.5m～3.0m)，利用周围环境震动作为震源，不受电磁环境干扰，较其它方法具有独特的优势[2]。在福州轨道交通1号线的孤石探测中已取得良好效果。通过对微动探测成果的分析，再结合加密补勘，可以排除或得到基岩凸起和孤石等不良地质体的准确位置。该技术极大地提高了探测的精度，为盾构法施工提供出详细且准确的地质信息，并为盾构刀盘优化设计以及合理的预处理方式的选择提供了有力的依据。

(1)该区间微动探测数据采测系统，由记录仪和2Hz拾震仪(速度型、三分量)组成，用一台记录仪同时收集一个台阵6个拾振器(摆)的数据。

(2)微动台阵类型及半径大小将根据现场地表条件进行灵活选择(图1为布置的正五边形圆形阵列观测系统)。该阵列由正五边形顶点和中心位置的6个拾振器(摆)组成，顶点到中心的距离为观测半径R。根据在旗山大道上各探测位置，半径选取2.5m～3.5m范围，按5m测点间距逐点采集微动信号。

图1 微动观测布置图

(3)在该区间左右线共布置5条微动测线，总长度1.93km，按点距5m共布有391台阵/点。其中，左线布置3条微测线，长度955m，有194台阵/点；右线布置2条微测线，长度975m，有197台阵/点。每天每个台班测试工作量80m～100m，约18～20个台阵，测试时间22d。

(4)图2为该次微动探测出的3处孤石。由各分量微动信号进行傅里叶变化得到频谱，再由水平垂直分量的频谱量值的比取得H/V曲线，几何平均H/V曲线形成H/V等值线图；运用相关算法从微动信号中提取瑞雷波频散曲线，根据同一测线上各微动台阵的平面相对位置直接绘制面波相速度等值线图。通过以上微动探测成果，可以直观看到H/V峰形和高速异常体推断基岩凸起和孤石。最后，利用加密地质补勘，验证确切位置及其大小等信息，减少错判漏判。

图2 微动等值线图

2.2 钻孔破碎技术

该施工流程为地质钻机进行密集钻孔将基岩凸起和孤石等不良地质体打成蜂窝状，对除袖阀管注浆孔外全区域回填干水泥，再以跳孔间隔的方式进行袖阀管注浆，最终拔出袖阀管回填干水泥。该技术具备施工成本低、环境影响小、避免爆破法遗留大碎块、回填注浆保证孤石区域稳定等特点。

(1)该区间用XY-100型地质钻机，从地面钻孔至隧道底下0.5m，对不良地质进行破碎处理，钻孔直径110mm，孔净距300mm，呈梅花形布置，钻孔数量根据地质实际情况而定，但破碎宽度应大于盾构机的直径。

(2)标记注浆孔。图3为福～董右线某孤石钻孔破碎区域。定首个基础注浆孔位，根据两相邻注浆孔位间距1.2m横纵向正方形布置，并对该正方形四角的对角线中心定为注浆孔。标记完成后，对除需注浆之外的钻孔填充干燥的水泥粉。

图3 某孤石钻孔破碎区域图

(3)为确保钻孔区域土体稳定性，余下钻孔采用袖阀管进行注浆。将钻孔破碎区域划分若干注浆施工区域，选取第一段依次竖直插入袖阀管，袖阀管的上端应高出孔位20cm，为防止污染物进入管内应及时将套头套牢。使用水泥浆与石膏改性材料混合跳孔间隔注入，注浆压力控制在0.5～1.0MPa。待第一区域干燥后进行第二区域注浆工作，重复以上步骤直至全平面注浆完毕[3]。注浆期间若有造成地面隆起的迹象，立即停止注浆。

(4)盾构通过破碎区域时，可能因上部存在液化砂层、前期钻孔作业扰动、后续封孔深度不够等问题，使得土层击穿无法保压从而出现地面砂浆、气泡冒顶等现象。因此，现场配置充足数量的大沙袋，及时通过利用堆载以及盾构加大膨润土量注入方法止住漏浆。

3 盾构改造和控制措施

3.1 盾构改造

盾构机刀盘的镶齿滚刀更换为重型滚刀，确保盾构机能在单轴抗压强度80MPa以上的岩层中顺利掘进，并按图4对盾构机刀盘原有6路泡沫管路，改为2路为膨润土与泡沫共用，4路仍加注泡沫。实践证明，管路优化后，刀盘所处区域的地表沉降值被控制在5mm以内；同时，地表沉降波动幅度也明显减少。因其渣土改良有效地增加了渣土的流动性，使得螺旋机出土均匀，土舱内渣土波动幅度较小，有效避免了超挖现象。

图4 盾构刀盘改造图

3.2 掘进控制措施

(1)盾构施工在正常软土掘进时，盾构姿态保持设计轴线下-20～-30mm推进，便于抵消管片上浮造成的影响，使最终的管片姿态尽量与设计轴线保持一致，但在基岩凸起地层，需根据凸起段长度来确定偏移量。该区间盾构在到达基岩凸起段前，先压低盾构垂直姿态至设计线下方-50mm，然后适当减少下部区压和推力，并利用盾体的自重，减缓盾体向软弱地层偏移的趋势。通过此预纠偏方法，盾构姿态得到了有效控制[4]。

(2)在通过孤石破碎区时，推进速度尽量控制在5～20mm/min范围内，推进速度随岩石的硬度增加而降低；刀盘扭矩控制在2600～3500kN·m，平均扭矩2973.35kN·m；保持住较高的土压，螺旋输转速一般保持在2～5r/min之间。这是由于该区域地层土质不均匀，在掘进时应采用小贯入度，低扭矩来指导实际施工，用以降低盾构刀具与硬岩碰撞的冲击力，减少刀具因碰撞而产生崩裂或者崩断等不正常磨损[5]。这样切削下来的硬岩大小适中，容易和渣土搅拌均匀，有利于螺旋机排出，减少螺旋机出现卡叶轮和卡闸门的现象。

(3)掘进模式采用一半气压一半土压的模式，以减少渣土对刀盘的阻力，减少扭矩，同时，可以减缓渣土对刀具的磨损；而且，上部的气压能够很好地稳定上部软土，起到稳定掌子面的作用，降低刀盘结泥饼的可能。

3.3 渣土改良，措施

盾构掘进渣土改良，主要根据盾构在通过不良地质基岩范围内地层的土体特征来进行。

(1)破碎区上部土体主要为淤泥质土或粉质粘土时，自稳性良好，因此，进行渣土改良主要是进行泡沫分散剂和水的添加。加入分散剂，是为了改良粘性土，使之不出现大的泥团以及防止出现特别长条状的渣土在皮带机上打滑，使渣土干湿均匀易断；加入水可以降低刀盘的温度，同时也可以改善渣土的干湿性，容易被皮带机带走，使渣土排出更连续。由于在此地质情况下，刀盘极易结泥饼，故，粘性土地层渣土改良使用泡沫分散剂尤为关键。

(2)破碎区上部土体主要为砂土时进行渣土改良，需要加入膨润土液和泡沫分散剂。其原理在于砂土容易遇水水崩、失稳，渣土若太干，可以注入配比较稀的膨润土液代替注入纯水。膨润土液的作用是在刀盘的转动下不仅能在掌子面形成保护性的泥膜，而且在有土压力的作用下能减少地层的水渗透进土仓。同时，泥膜气密性较好，能很好地保持土压稳定。由于砂土和硬岩渣土流动性较差，加入膨润土液还能润滑出渣，有效改善渣土的颗粒级配，使螺旋机能及时排出渣土，降低舱内的温度，并且可以降低螺旋机卡叶轮或者闸门的频率以及减缓螺旋机和刀具的磨损速率。

(3)该区间掘进范围的土质较为多样化，因此，在实际掘进过程中添加剂的注入应该随着地层的实时变化。因此，极需要盾构操作人员和管理工程师及时观察渣样，既时进行渣样分析，确定合适的添加剂。

3.4 测量及监控量测

(1)地面监测通常采用每天早晚两次，但对该类工程来说，则应适当加强监测频率3～5次，确保盾构顺利通过破碎区；同时，每天下午及时对当天掘进的管片姿态进行姿态和高程的测量，确保管片姿态满足设计要求；测量的结果应立即反馈，以便及时调整参数。

(2)掘进过程中，派专人巡查，发现地面冒浆或者建筑物附近出现裂缝、坑洞等情况时，及时与地面监控室联系。根据巡查人员的反馈，现场人员采取及时有效的措施防止附近其他相关人或物继续受到影响，同时根据影响情况，及时优化和调整掘进参数。期间始终保持住现场和盾构机的实时联络，直至地面情况得到控制。

(3)为确保导向系统的准确性，确保盾构按设计线路掘进，周期性地的对导向系统的数据进行人工复核，检测频率每周一次。

3.5 同步及二次注浆控制措施

同步注浆控制需及时跟进，并注浆饱满，按理论注浆量的1.5倍控制。当上部软土为砂土，选择上部2根注浆管比下部2根注浆管每根都多注1m3以上，通过控制同步注浆量为理论值1.5～2倍，可以保证上部砂土层能更好的填充饱满。同时，每环按1.5～2倍理论值注浆，注浆压力略大于地层水土压力20kPa。在管片刚刚拖出盾尾后，安排管片顶部开孔进行二次注浆，继续填充和稳固上部砂层可能由于同步注浆覆盖不饱满留下的空洞，进一步防止地面及建构筑物出现沉降。在二次注浆过程中，地面监控室安排巡查人员在注浆点里程附近观察，防止二次注浆量过多或者压力过大引起地面隆起过大或者泄漏砂浆。

3.6 出渣控制措施

以基岩凸起段为例，理论出渣量为39.8m3，但基于盾构掘进该地层时注入较多的膨润土液约4～6m3，故，出渣量按44m3左右控制。现场安排专人进行出渣量的观察控制。由于每个渣土斗都可以装18m3的渣土量，在控制上选择每个斗10～11m3，总计4个斗，根据情况选择最后一个斗多装或者少装渣土。具体控制措施是在每个渣土斗上设置了渣土标尺，当渣土到达标尺位置时即认为渣土已经装了11m3，这样基本保证了每环出渣量按照预估正常情况进行。通过持续的观察控制，很好地确保了在不良地层段渣土的进出平衡。

4 结语

在基岩隆起、孤石、微风化岩强度高等地层中盾构掘进速度慢、隐患大，盾构施工管理人员要提前考虑到此类问题。该工程在强化盾构机设备功能配置和性能要求的同时，辅以地面处理技术，提前对侵入隧道区域的硬岩和球状风化体进行处理，提高了安全和工作效率，并积累了遇不良地质的相关施工经验。经验总结如下。

(1)通过微动探测和加密探孔，可为盾构选型和改造提供尽可能详实的地质资料，评估地质风险，做好超前预报，从而保证管理人员提前采取应对措施。

(2)密集成孔冲碎施工时间短占道少，无需进行大范围交通疏解。多台钻机也可同时作业。根据监测数据，其对管线和周边建(构)筑物影响极小。

(3)人为地将盾构姿态下压时，由于区间前后环地质变化太快会导致盾构姿态难以控制，造成盾体下栽、管片上浮量超标等影响，因此需要有丰富经验的操作人员。

(4)不良地层段出渣量控制较困难，掘进慢容易导致刀盘上方超挖，岩层掘进时注入膨润土液和泡沫剂，一定程度上增加了渣土量，带来视觉误差。因此，要及时对出渣量加强精确控制，并及时监控路面沉降，反馈到盾构机上。

(5)该区间左右线分别于 273d、299d完成了掘进任务，平均日掘进6.5m，比预期计划提早约120d，并节省爆破和前期投资约合600万元。可见，该施工技术可适用于城市密集区盾构法施工，在面对地下基岩凸起和孤石起到安全、高效且经济的良好效果作用。