杜闖東（中鐵隧道集團(tuán)海外工程有限公司，河南洛陽 471009）

基巖破碎帶與軟硬不均等不良地層盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)分析

杜闖東
（中鐵隧道集團(tuán)海外工程有限公司，河南洛陽 471009）

摘要：為了解決并進(jìn)一步研究盾構(gòu)在基巖破碎帶或上軟下硬等不良地層中掘進(jìn)時(shí)易出現(xiàn)的問題和盾構(gòu)設(shè)備的適應(yīng)性問題，針對(duì)廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道和長株潭城際鐵路湘江隧道2個(gè)不同的工程項(xiàng)目和盾構(gòu)形式，在硬巖地層掘進(jìn)中出現(xiàn)的坍塌受阻情況和處理技術(shù)方案進(jìn)行了闡述和總結(jié)。分析2個(gè)工程的地層特點(diǎn)、掘進(jìn)時(shí)采取的措施和施工中存在的問題，論證泥水和土壓平衡2種盾構(gòu)在相關(guān)不良地層中的適應(yīng)性和掘進(jìn)技術(shù)的觀點(diǎn)，并對(duì)雙模盾構(gòu)和常壓刀盤的應(yīng)用提出了質(zhì)疑和建議，以期對(duì)今后類似工程的盾構(gòu)選型和掘進(jìn)施工有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：隧道；破碎帶；上軟下硬地層；地表塌陷；房屋下沉；土壓平衡盾構(gòu)；泥水平衡盾構(gòu)

0　引言

近年來，隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的加強(qiáng)和隧道工程技術(shù)的發(fā)展，采用盾構(gòu)法修建的隧道越來越多。國內(nèi)外的相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員對(duì)盾構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，使盾構(gòu)施工技術(shù)得到了長足的進(jìn)步，并且形成了一些比較系統(tǒng)的理論和理念。文獻(xiàn)［1］對(duì)中國盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展、創(chuàng)新和未來方向（雙模盾構(gòu)）等進(jìn)行了全面論述和分析研究；文獻(xiàn)［2］結(jié)合佛莞城際鐵路獅子洋隧道的工程特點(diǎn)和施工難點(diǎn)，對(duì)本工程的盾構(gòu)選型和雙模盾構(gòu)進(jìn)行了論述和研究；文獻(xiàn)［3－4］結(jié)合深圳和廈門地鐵的上軟下硬和硬巖地層，研究了盾構(gòu)施工的模式、參數(shù)和輔助工法等；文獻(xiàn)［5－7］分別針對(duì)大直徑盾構(gòu)在軟弱地層、硬巖地層和復(fù)合地層中的掘進(jìn)情況，對(duì)盾構(gòu)的各種地層掘進(jìn)技術(shù)、管片上浮、錯(cuò)臺(tái)、注漿及對(duì)接技術(shù)進(jìn)行了深入研究，為泥水盾構(gòu)適應(yīng)性的分析提供了借鑒；文獻(xiàn)［8］結(jié)合深圳地鐵的各種不良地層，對(duì)盾構(gòu)的掘進(jìn)方式、對(duì)策和盾構(gòu)選型等進(jìn)行了研究和分析；文獻(xiàn)［9－10］分別對(duì)本文中列舉的2個(gè)工程實(shí)例的事件處理和施工技術(shù)等進(jìn)行了一些前期分析和研究。但隨著盾構(gòu)施工技術(shù)的飛速發(fā)展，也產(chǎn)生了一些理念分歧和不同的聲音。比如，之前普遍認(rèn)為大斷面隧道（9 m直徑以上）不宜選用土壓平衡盾構(gòu)，而

適宜選擇泥水平衡盾構(gòu)；但現(xiàn)在最大的土壓平衡盾構(gòu)（美國西雅圖SR99隧道項(xiàng)目）已達(dá)到17.45 m。而且，之前普遍認(rèn)為土壓平衡盾構(gòu)不易解決地表沉降控制的問題，一般在對(duì)地表沉降控制要求高的情況下都宜采用泥水平衡盾構(gòu)；但現(xiàn)在有一些學(xué)者認(rèn)為土壓平衡盾構(gòu)能更好地解決上軟下硬地層或是基巖地層中的破碎帶坍塌和掉塊等問題。另外，現(xiàn)在國內(nèi)外盾構(gòu)界推崇的雙模盾構(gòu)和常壓換刀刀盤，已在一些項(xiàng)目中實(shí)施，但其是否必要可靠、經(jīng)濟(jì)有效，還存在一定爭議。

本文結(jié)合廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道和長株潭城際鐵路湘江隧道工程實(shí)例，針對(duì)2個(gè)工程中的2次地表沉降，對(duì)塌陷原因和處理過程進(jìn)行對(duì)比論證和引申分析，研究了土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)在一些不良地層中的掘進(jìn)技術(shù)，分析了2種盾構(gòu)的施工特點(diǎn)和選型原則，并引伸論證了雙模盾構(gòu)和常壓換刀刀盤應(yīng)用上的一些技術(shù)問題，希望通過本文的分析和論述，能進(jìn)一步推動(dòng)盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展。

1　工程概況

廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道下穿珠江主航道——獅子洋水道，隧道工程全長10.8 km，為雙洞單線設(shè)計(jì)。盾構(gòu)段共投入4臺(tái)11.18 m的氣壓調(diào)節(jié)式泥水平衡盾構(gòu)，在國內(nèi)首次采用“相向掘進(jìn)、地中對(duì)接、洞內(nèi)解體”的方式組織施工。盾構(gòu)隧道全長9 340 m，大部分處于微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、砂巖或砂礫巖中，基巖段存在多處長短不一的斷裂帶、破碎帶或風(fēng)化深槽，進(jìn)出口段位于淤泥質(zhì)和粉質(zhì)黏土中，局部地段穿越軟硬不均地層（見圖1）。

圖1　獅子洋隧道工程設(shè)計(jì)效果圖Fig.1 Drawing of Shiziyang tunnel

長株潭城際鐵路湘江隧道為雙洞單線隧道，采用2臺(tái)9.34 m的大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工。湘江隧道盾構(gòu)區(qū)間西起濱江新城站，穿越西岸商業(yè)街和居民區(qū)后進(jìn)入湘江，與銀盆嶺大橋斜交，上北岸后到達(dá)開福寺站，區(qū)間全長2 711.7 m。隧道洞身基本上全部位于基巖中，主要為弱風(fēng)化灰綠色條帶狀板巖夾泥質(zhì)板巖層，部分?jǐn)嗝婀绊敳课挥猩倭繌?qiáng)風(fēng)化板巖層，局部洞身穿越風(fēng)化深槽，節(jié)理裂隙密集發(fā)育，湘江兩岸人口較多，交通繁忙，地下管線分布密集。盾構(gòu)在始發(fā)段穿越岳北社區(qū)建筑群，該段地表建筑物密集，普遍為5層及以下的安置房，房屋基礎(chǔ)較薄弱（見圖2）。

圖2　湘江隧道工程設(shè)計(jì)效果圖Fig.2 Drawing of Xiangjiang rivercrossing tunnel

2　工程施工情況

廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道工程于2006年5月開工，前期明挖工程施工基本順利，盾構(gòu)隧道進(jìn)出口4臺(tái)盾構(gòu)從2007年11月—2008年7月先后開始掘進(jìn)，左、右線于2010年12月9日和2011年3月12日順利完成對(duì)接。廣深港客運(yùn)專線全線于2011年12月26日正式通車運(yùn)營，首次成功實(shí)現(xiàn)了大直徑泥水盾構(gòu)的“相向掘進(jìn)、地中對(duì)接、洞內(nèi)解體”的施工組織方式，單臺(tái)盾構(gòu)最長掘進(jìn)距離為5 200 m，與盾構(gòu)掘進(jìn)同步，后面緊接著進(jìn)行了隧底填充和溝槽、聯(lián)絡(luò)通道、洞口段二次襯砌施工等。盾構(gòu)對(duì)接完成后，在2個(gè)月時(shí)間內(nèi)完成了洞內(nèi)拆機(jī)和對(duì)接段隧道襯砌、管線拆除及隧道清理等工作，并同步進(jìn)行了機(jī)電安裝、軌道板施工等，為實(shí)現(xiàn)全線早日通車運(yùn)營爭取了寶貴時(shí)間。

長株潭城際鐵路湘江隧道工程于2010年5月開工，盾構(gòu)始發(fā)端濱江新城站于2010年11月開工，2012 年6月提供盾構(gòu)始發(fā)條件（包含160 m暗挖隧道），2013年7月主體結(jié)構(gòu)全部完工，左、右線盾構(gòu)于2012 年9月和12月先后開始掘進(jìn)，并分別于2013年10月和12月到達(dá)開福寺站西端頭。由于開福寺站拆遷滯后，車站于2013年12月開工，2014年10月提供盾構(gòu)吊出條件，左、右線盾構(gòu)分別于2014年10月和12月在停機(jī)1 a后順利進(jìn)入開福寺站并完成拆機(jī)。湘江盾構(gòu)隧道采用了洞內(nèi)始發(fā)技術(shù)，與盾構(gòu)掘進(jìn)同步進(jìn)行隧

底填充和聯(lián)絡(luò)通道、洞口段二次襯砌施工等工作，減除1 a的等待時(shí)間，盾構(gòu)掘進(jìn)的平均指標(biāo)達(dá)到了202 m／月，最高達(dá)333 m／月。

3　施工中出現(xiàn)的主要技術(shù)難題

在獅子洋隧道的施工中，解決了盾構(gòu)始發(fā)端頭涌砂、軟弱富水地層管片上浮和錯(cuò)臺(tái)分析、軟硬不均高黏地層掘進(jìn)和帶壓進(jìn)艙換刀、硬巖地層泥水盾構(gòu)注漿技術(shù)、泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)研究、深埋塌陷區(qū)地層加固與盾構(gòu)脫困、掘進(jìn)和鋪底襯砌同步施工、地中對(duì)接和洞內(nèi)拆機(jī)等難題。特別是對(duì)盾構(gòu)施工工藝和注漿設(shè)備進(jìn)行了技術(shù)革新和改造，在攻克軟弱地層管片上浮、錯(cuò)臺(tái)和硬巖地層注漿等方面取得突破。最后，圓滿完成了獅子洋隧道2臺(tái)盾構(gòu)的對(duì)接和拆機(jī)工作，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

在湘江盾構(gòu)隧道的施工中，解決了大直徑盾構(gòu)洞內(nèi)始發(fā)、大直徑土壓平衡盾構(gòu)下穿建筑物群及建筑物塌陷沉降處理、板巖破碎帶全土壓平衡掘進(jìn)、大直徑土壓平衡盾構(gòu)過江和穿越江底斷層破碎帶、掘進(jìn)和鋪底襯砌同步施工、大直徑盾構(gòu)平移拆機(jī)技術(shù)等難題。特別是在大直徑土壓平衡過江和破碎帶全土壓平衡掘進(jìn)方面取得突破，提前完成了長株潭城際鐵路的控制性工程，為后續(xù)工程的施工樹立了信心并奠定了基礎(chǔ)，也取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

本文針對(duì)2個(gè)不同類型的盾構(gòu)在2段深埋硬巖地層中的2次地表坍塌沉陷，通過對(duì)處理過程及事故原因的跟蹤分析，進(jìn)行理論分析和研究，探討并提出在以后類似工程施工中應(yīng)遵循的施工技術(shù)理念和應(yīng)采取的控制措施等，以保證不同模式盾構(gòu)在相應(yīng)地層中的順利掘進(jìn)。

4　過程及原因分析

4.1獅子洋隧道的地表塌陷處理及原因分析

獅子洋隧道左線東莞?jìng)?cè)始發(fā)的盾構(gòu)是本工程第1臺(tái)始發(fā)的盾構(gòu)，從500環(huán)以后全斷面進(jìn)入基巖地層；掘進(jìn)至1 250環(huán)進(jìn)入虎門港沙田港區(qū)軟硬夾雜及巖石破碎區(qū)域時(shí)，開始出現(xiàn)糊刀盤及堵塞出漿泵的現(xiàn)象；掘進(jìn)至1 354～1 355環(huán)時(shí)，掌子面及其上部巖層破碎程度和區(qū)域變大，環(huán)流中出現(xiàn)大量大石塊，循環(huán)不暢，頻繁堵泵，導(dǎo)致掘進(jìn)困難；最終在1 355環(huán)出現(xiàn)艙內(nèi)大量坍塌、環(huán)流堵塞、泥水艙碴體堆積太多導(dǎo)致刀盤無法轉(zhuǎn)動(dòng)的狀況，并引起港區(qū)地表大面積塌陷（見圖3）。

4.1.1地表塌陷處理

事件發(fā)生后，經(jīng)過多次分析會(huì)和專家會(huì)，最終確定采用如下措施使盾構(gòu)施工得以恢復(fù)：1）地面旋噴使盾構(gòu)頂部加蓋，固結(jié)覆蓋盾構(gòu)刀盤上部和前部坍塌漏斗區(qū)域，但加固體距離盾構(gòu)頂部需≥5 m，以防止固結(jié)盾構(gòu)及刀盤；2）帶高壓（0.52 MPa）進(jìn)倉移石，修復(fù)破碎機(jī)油管，以便于疏通氣墊艙；3）打開排漿管入口管路，疏通排漿管；4）恢復(fù)氣墊艙泥水循環(huán)，啟動(dòng)破碎機(jī)攪動(dòng)和泥便于門上下移動(dòng)，逐步恢復(fù)泥水艙內(nèi)循環(huán)；5）反復(fù)正、反向啟動(dòng)刀盤，使刀盤正常轉(zhuǎn)動(dòng)，最終增加推力恢復(fù)掘進(jìn)并快速通過。

圖3　港區(qū)地表塌陷Fig.3 Surface subsidence

另外，對(duì)本段區(qū)域前后進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)補(bǔ)勘（左、右線各20 m／孔，錯(cuò)開布置），盾構(gòu)通過后，從洞內(nèi)對(duì)坍塌區(qū)域加強(qiáng)同步注漿和二次注漿，從地表對(duì)坍塌區(qū)域進(jìn)行二次填充和壓密注漿，并對(duì)右線盾構(gòu)隧道未受影響區(qū)域和補(bǔ)勘破碎區(qū)域進(jìn)行地表深層壓密注漿預(yù)加固處理。最終，采用合理的泥水平衡壓力（不失壓），使右線盾構(gòu)順利通過該區(qū)域。

4.1.2地表塌陷原因分析

1）地質(zhì)認(rèn)識(shí)原因。根據(jù)港區(qū)段隧道的地質(zhì)縱斷面圖和鉆孔平面布置圖進(jìn)行分析，鉆探揭露地層情況顯示：洞頂埋深約為51 m，洞頂?shù)貙訌纳现?.8 m處為人工填土層，1.8～16.6 m為淤泥和淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層，16.6～28.5 m為中粗砂和粉細(xì)砂互層，28.5 m以下為中、微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和砂巖地層。1 355環(huán)前后地質(zhì)情況見圖4。由圖4可以看出，從1 250環(huán)開始地層又出現(xiàn)了反復(fù)，基巖中有破碎帶和風(fēng)化不均地層出現(xiàn)，從“隧莞岸8－1”和“隧莞岸5－1”來看，地層在逐步好轉(zhuǎn)；但1 355環(huán)前后剛好處在2種地層的接觸帶上，存在出現(xiàn)破裂面的可能。由于本段地表當(dāng)時(shí)正在進(jìn)行港區(qū)建設(shè)，受此影響，從“隧莞岸5－1”至“隧莞岸5”的鉆孔間距都非常大，而且這2個(gè)孔都布置在遠(yuǎn)離線路的位置，也會(huì)造成地層揭示不準(zhǔn)確。一般認(rèn)為在這么深的基巖地層中掘進(jìn)不可能出現(xiàn)大的坍塌，正是對(duì)地層認(rèn)識(shí)的不足和思想上的輕視才造成了這次地面塌陷。

2）對(duì)泥水盾構(gòu)壓力設(shè)定和平衡能力的認(rèn)識(shí)及技術(shù)經(jīng)驗(yàn)不足。壓力設(shè)定不足的原因是認(rèn)為在基巖地層中可以欠一定的壓力來掘進(jìn)，對(duì)于持續(xù)存在的大量掉塊、堵泵現(xiàn)象沒有給予重視，同時(shí)還認(rèn)為平衡的

泥水壓力不能防止泥水盾構(gòu)在破碎地層中掘進(jìn)時(shí)引起的掉塊和坍塌。

圖4　1 355環(huán)前后地質(zhì)縱斷面圖Fig.4 Geological profile around segment ring No.1 335

3）主司機(jī)和技術(shù)人員反應(yīng)不敏感，操作失誤，長時(shí)間沒有認(rèn)識(shí)到問題的嚴(yán)重性。在出現(xiàn)頻繁堵泵、循環(huán)不暢、排碴困難的情況下，不但沒有及時(shí)升高泥水壓力，而且反復(fù)使用反循環(huán)模式，致使艙內(nèi)壓力急速降低（因?yàn)榉囱h(huán)要通過P2.1泵從上部進(jìn)漿口吸漿，使艙內(nèi)壓力降低，來形成艙內(nèi)與底部排漿口進(jìn)漿的壓力差，而不是完全依靠洞外的P1泵通過長距離強(qiáng)行加壓形成），加劇了上部破碎地層的坍塌，艙內(nèi)碴土愈加堆積，使環(huán)流徹底堵塞，卡死刀盤。反循環(huán)和反沖洗在短時(shí)間內(nèi)循環(huán)不暢或個(gè)別石塊堵塞的情況下是有效的；但在已經(jīng)出現(xiàn)比較嚴(yán)重坍塌的情況下，應(yīng)該把艙內(nèi)壓力升高，保持壓力平衡，以防止坍塌為首要目標(biāo)。反循環(huán)模式見圖5。

圖5　泥水盾構(gòu)反循環(huán)模式操控面板圖Fig.5 Operation control panel of slurry shield in reverse circula tion mode

4）對(duì)于設(shè)備上的一些問題認(rèn)識(shí)不足，且未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決。一方面，由于在長距離的掘進(jìn)過程中需要頻繁地開閉旁通管路（實(shí)際在進(jìn)漿管與P2.1排漿泵之間有3路旁通管，而且多數(shù)都是單閥控制），閥體受到磨損，關(guān)閉不嚴(yán)，環(huán)流系統(tǒng)存在旁通泄漏問題，經(jīng)過艙內(nèi)的有效泥水大量減少，致使泥漿攜碴能力下降，造成碴土滯排；另一方面，由于破碎機(jī)油管等系統(tǒng)缺乏防護(hù)，在長時(shí)間使用、磨損和本次大量石塊碰撞的情況下，破碎機(jī)出現(xiàn)故障，使排漿口石塊得不到攪拌和破碎，加劇了堵塞的嚴(yán)重程度。氣墊艙石塊堆積情況見圖6。

4.2湘江隧道的房屋沉陷處理及原因分析

湘江隧道濱—開區(qū)間左線盾構(gòu)是長株潭城際鐵路首臺(tái)掘進(jìn)的盾構(gòu)，從洞內(nèi)基巖地層中始發(fā)，下穿岳北社區(qū)建筑群。在當(dāng)天上午開始掘進(jìn)63環(huán)時(shí)，出現(xiàn)了出碴難以控制、石塊多、扭矩波動(dòng)大和掘進(jìn)困難等狀況，并且在中午停機(jī)召開了現(xiàn)場(chǎng)分析會(huì)；但沒有解決問題，到下午本環(huán)掘進(jìn)完畢時(shí)，出碴量大，且基本沒有速度，據(jù)統(tǒng)計(jì)僅本環(huán)就多出碴50余m3。根據(jù)地表監(jiān)測(cè)反饋，地表房屋和地面沉降數(shù)據(jù)最大值迅速達(dá)到了40 mm左右（下午5點(diǎn)數(shù)據(jù)，前一天夜間的數(shù)據(jù)只有11 mm，到晚上12點(diǎn)開始地面注漿時(shí)，最大值達(dá)到了56 mm），房屋出現(xiàn)了不同程度的開裂，門窗無法開啟。岳北社區(qū)建筑群見圖7。

4.2.1房屋沉陷處理及通過措施

在下午5點(diǎn)得到信息后，立即啟動(dòng)應(yīng)急措施和相應(yīng)補(bǔ)救措施：1）立即疏散整棟樓的居民和商戶，防止?fàn)顩r惡化；2）同時(shí)準(zhǔn)備地面注漿設(shè)備和方案（工地備有應(yīng)急鉆機(jī)和注漿設(shè)備，以及快速布孔和確定注漿方案），盡快組織地面填充注漿和房屋抬升；3）洞內(nèi)盾構(gòu)同時(shí)進(jìn)行保壓悶推掘進(jìn)（強(qiáng)推不出碴，過程中反復(fù)推進(jìn)并空轉(zhuǎn)刀盤，最終基本悶推了1環(huán)），盡量把攪拌成糨糊狀的碴土強(qiáng)行填充至刀盤上部空腔；4）加強(qiáng)盾殼

和管片背后二次注漿，利用盾殼上部的膨潤土潤滑孔和超前注漿孔注入高膨潤土砂漿，在管片背后注入水泥砂漿；5）在房屋沉降穩(wěn)定后，嚴(yán)格保持全土壓模式掘進(jìn)，加強(qiáng)碴土改良，通過整棟房屋后，選擇適當(dāng)位置開艙檢查；6）在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中和通過后，利用均勻布置在房屋周邊和內(nèi)部的注漿孔，對(duì)房屋進(jìn)行均勻、緩慢地抬升。

圖7　下穿岳北社區(qū)房屋群Fig.7 Buildings of Yuebei Community above tunnel

同時(shí)，重新對(duì)該段加強(qiáng)地質(zhì)補(bǔ)勘，進(jìn)一步摸清地層狀況，有針對(duì)性地打設(shè)袖閥管，跟蹤注漿孔。對(duì)后面幾棟房屋和右線盾構(gòu)掘進(jìn)，加強(qiáng)碴土改良、保壓掘進(jìn)，必要時(shí)進(jìn)行跟蹤注漿，最終順利通過了本段地層破碎區(qū)域，房屋沉降也得到了良好控制。在整個(gè)區(qū)間掘進(jìn)的中后期，雙線都順利通過了江中心100多m的破碎帶地層。4.2.2 房屋沉陷原因分析

1）對(duì)地質(zhì)分析不夠，對(duì)地層的變化沒有給予重視。由于這是本項(xiàng)目首臺(tái)掘進(jìn)的盾構(gòu)，并且從洞內(nèi)基巖地層中始發(fā)，起初也嚴(yán)格按土壓平衡模式掘進(jìn)；但在掘進(jìn)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)扭矩高、推力大、速度慢等情況，掘進(jìn)不久就先后在7環(huán)和30環(huán)2次敞開式開艙檢查。隨后觀察到掌子面地層較好、滲水量小，判斷此段地層較為穩(wěn)定，為降低掘進(jìn)難度和能量消耗，提高施工效率，決定適當(dāng)采用局部氣壓和欠壓模式掘進(jìn)。在繼續(xù)向前掘進(jìn)的過程中，沒有注意圖8中上部地層的變化，認(rèn)為（9）1－2地層與（9）1－3地層區(qū)別不大，應(yīng)該比較穩(wěn)定，并沒有給予重視。實(shí)際上2種地層界限非常明顯，在本段差別很大，上部地層比較破碎。64環(huán)前后地質(zhì)情況見圖8。

2）類似情況下的施工經(jīng)驗(yàn)不足。大部分技術(shù)和管理人員都是第1次接觸如此大斷面的土壓平衡盾構(gòu)，經(jīng)驗(yàn)不足，而且此次掘進(jìn)距離較短；因此，在出現(xiàn)問題時(shí)，采取措施不當(dāng)。

3）思想上麻痹大意，認(rèn)識(shí)不到位，反應(yīng)不敏感。在下穿建筑物段本就應(yīng)該采用保壓掘進(jìn)，在多次開艙檢查地層比較良好的情況下，思想上出現(xiàn)了松懈，認(rèn)為采用局部氣壓和欠壓模式掘進(jìn)沒有問題，由于前面已經(jīng)通過一棟大的商鋪，對(duì)過民房段就不夠重視。管理層的認(rèn)識(shí)也不到位，降低了保壓掘進(jìn)的基本要求。在上午發(fā)現(xiàn)出碴有大量石塊、出碴量超標(biāo)和掘進(jìn)困難的情況下，雖然召開了分析會(huì)，但參加的人員對(duì)問題分析不透徹，認(rèn)為是上一環(huán)艙內(nèi)憋碴（根據(jù)后來了解和分析，實(shí)際上是前一環(huán)已經(jīng)出現(xiàn)了上部坍塌，出碴量較大，而且主司機(jī)已經(jīng)感覺到掘進(jìn)不順暢，出碴大塊多。實(shí)驗(yàn)測(cè)試顯示，碴土中原狀石塊、大塊越多，則碴土比重越高，按出碴總重計(jì)算，前一環(huán)出碴量超標(biāo)；另外，根據(jù)個(gè)別居民反映，早上出門較晚的已經(jīng)發(fā)現(xiàn)房門開啟不順暢），可以繼續(xù)掘進(jìn)；在后面掘進(jìn)不可控的情況下，也沒有在第一時(shí)間停機(jī)保壓，反應(yīng)極不敏感，最終造成事態(tài)惡化。

圖8　64環(huán)前后地質(zhì)縱斷面圖Fig.8 Geological profile around segment ring No.64

4.32種模式的技術(shù)探討

4.3.1技術(shù)工作思路

如何在上軟下硬和基巖破碎帶2種特殊地層中順利掘進(jìn)是盾構(gòu)施工中的難題，通過上述2個(gè)工程案例的處理措施和原因分析可說明：只要事先對(duì)地層掌握分析透徹、在思想上高度重視、在操作上意志堅(jiān)決，2種盾構(gòu)都能滿足需求；但要順利地解決這個(gè)難題，還需要做大量的基礎(chǔ)工作。

4.3.1.1地層分析透徹，環(huán)境調(diào)查明確

在項(xiàng)目一開始就要對(duì)整個(gè)工程的地層情況進(jìn)行認(rèn)真地研究和分析，分出區(qū)段及不良地層（軟土段、軟硬不均段、基巖段、斷裂帶、破碎帶等），研究鉆孔揭示狀況（鉆孔布置密度、平面位置是否合理，需要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)勘），摸清地面環(huán)境狀況（重要建、構(gòu)筑物及相互關(guān)系），要針對(duì)每一個(gè)鉆孔的巖芯照片、柱狀圖、縱斷面

圖和平面圖，分析出重點(diǎn)部位和區(qū)域，制定出相應(yīng)的掘進(jìn)應(yīng)對(duì)方案，并在掘進(jìn)過程中不斷實(shí)施和驗(yàn)證。

4.3.1.2思想重視，意志堅(jiān)決

針對(duì)工程中的施工重、難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)（如盾構(gòu)掘進(jìn)通過不良地層或穿越重要建筑物），要在指導(dǎo)思想上高度重視，執(zhí)行過程中意志堅(jiān)決，操作上決不走樣，因?yàn)樵跊Q策上差之毫厘，將會(huì)在操作上謬以千里。

4.3.1.3反應(yīng)上敏感，應(yīng)對(duì)上及時(shí)有效

遇到異常情況要高度敏感，不能麻痹；現(xiàn)場(chǎng)要及時(shí)反饋，拿不準(zhǔn)的方案不擅作主張；技術(shù)分析要透徹，找準(zhǔn)問題關(guān)鍵，做到應(yīng)對(duì)方案可靠；領(lǐng)導(dǎo)層要現(xiàn)場(chǎng)高效決策指揮，操作層要執(zhí)行堅(jiān)決。

4.3.1.4盾構(gòu)選型和掘進(jìn)的基本思路

每個(gè)工程都要根據(jù)其最特殊的地層和環(huán)境特點(diǎn)，在進(jìn)行深入分析和研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)相應(yīng)的選型原則，來確定合適的盾構(gòu)模式和類型。盾構(gòu)選型要考慮的關(guān)鍵因素有地層復(fù)雜程度、主要地層特點(diǎn)、地層水壓滲透性、開挖斷面、掘進(jìn)距離、地面場(chǎng)地條件和沿線環(huán)境要求等。一般來說，在地層條件相對(duì)單一、水土壓力不高、水量不大、開挖斷面不大、掘進(jìn)距離適中、地面場(chǎng)地條件適中和沿線環(huán)境影響要求不高的情況下，可選用土壓平衡盾構(gòu)，反之，宜選用泥水平衡盾構(gòu)。

另外，在施工過程中，管理者和操作者都要熟知土壓和泥水平衡盾構(gòu)的施工操作要領(lǐng)。在不良地層段，土壓平衡盾構(gòu)要控制好壓力和出土量，泥水平衡盾構(gòu)要保證壓力不失和環(huán)流順暢。并且要認(rèn)識(shí)到盾構(gòu)自身的不足，特殊情況下要采取一定的輔助工法和措施進(jìn)行配合，盾構(gòu)才能順利掘進(jìn)。

4.3.22個(gè)工程實(shí)例的探討

通過前文的介紹和闡述，從工程自身的特點(diǎn)和實(shí)施的最終效果來看，各自最初的盾構(gòu)選型都是合理的，只是由于前期缺乏經(jīng)驗(yàn)、認(rèn)識(shí)不足和操作失誤，而產(chǎn)生了一系列問題；但通過后期系統(tǒng)、深入的研究和分析，克服了重重困難，最終都圓滿完成了項(xiàng)目的各項(xiàng)任務(wù)指標(biāo)，并使參建的管理和技術(shù)人員的認(rèn)知和技術(shù)水平得到了轉(zhuǎn)變和提高。

獅子洋隧道項(xiàng)目具有開挖斷面大、掘進(jìn)距離長、水壓高、部分地段滲透系數(shù)大、途經(jīng)長距離復(fù)合地層、地層黏粉粒含量高和井口場(chǎng)地開闊等特點(diǎn)，適合采用泥水平衡盾構(gòu)。第1臺(tái)盾構(gòu)在軟弱地層中管片上浮超限，在上軟下硬地層中出現(xiàn)堵艙、地表塌陷、刀具異常磨損和長距離帶壓進(jìn)艙，在硬巖破碎帶深埋地層中出現(xiàn)地表坍塌和高黏地層堵艙等狀況，通過認(rèn)真的總結(jié)、分析和改進(jìn)，在第2臺(tái)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)都得到了較好的應(yīng)對(duì)。如果采用土壓平衡盾構(gòu)會(huì)有以下問題：大斷面、長距離出碴效率問題，高水壓、強(qiáng)滲透地層的掘進(jìn)防噴涌問題，長距離上軟下硬、高黏地層的保壓掘進(jìn)、糊刀盤和換刀等問題。從最終結(jié)果來看，采用泥水平衡盾構(gòu)要明顯優(yōu)于土壓平衡盾構(gòu)。

湘江隧道項(xiàng)目具有開挖斷面中等、掘進(jìn)距離適中、地層單一、穿越長距離巖石地層和井口場(chǎng)地狹小等特點(diǎn)，適合采用土壓平衡盾構(gòu)。如果采用泥水平衡盾構(gòu)，受城區(qū)內(nèi)場(chǎng)地條件限制，不易布置泥水分離設(shè)備，而且本區(qū)間地層主要為基巖地層，相對(duì)比較單一，也比較適合土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)；但后期另一個(gè)區(qū)間復(fù)合地層的掘進(jìn)也反映出其不適應(yīng)性，主要是全土壓平衡產(chǎn)生的堵倉、高扭矩、刀具異常磨損和地面沉降控制困難等問題，這也從另一方面反映出泥水盾構(gòu)對(duì)地層的適應(yīng)性更廣，特別是在大斷面盾構(gòu)隧道中。

4.3.3本質(zhì)問題的探討

1）對(duì)于2種模式的盾構(gòu)施工，在發(fā)現(xiàn)異常大塊比較多時(shí)，都應(yīng)該引起高度重視，由于設(shè)定的壓力不夠極易造成硬巖地層中的大塊巖層坍塌。

2）對(duì)于泥水平衡盾構(gòu)，在泥水平衡狀態(tài)下，在破碎地層中設(shè)定一個(gè)較大的泥水壓力（大于自然水壓力），形成一個(gè)向外的壓力梯度，在泥水壓力作用下，泥漿通過巖層裂隙向外滲透，從而形成一個(gè)共同向外的成拱效應(yīng)，小范圍內(nèi)被擾動(dòng)的巖層會(huì)產(chǎn)生部分掉塊，可有效阻止大塊（大范圍）的坍塌。在盾構(gòu)連續(xù)向前掘進(jìn)的情況下，可有效防止大面積坍塌。另外，要保證泥漿的性能，好的泥漿既可減少掌子面掉塊，又能更好的攜碴。

3）對(duì)于土壓平衡盾構(gòu)，在破碎的巖層中掘進(jìn)時(shí)，必須要建立全土壓來掘進(jìn)。在氣壓逃逸較快的情況下更要建立全土壓，這是公認(rèn)土壓平衡盾構(gòu)能夠更好解決破碎帶掘進(jìn)問題的基本理論支撐點(diǎn)。

4.3.4其他問題的探討

1）對(duì)于泥水平衡盾構(gòu)，在破碎地層中出現(xiàn)大塊堵塞和循環(huán)不暢的情況下，要慎用反沖洗和反循環(huán)模式。

2）土壓平衡盾構(gòu)在巖石地層中長距離全土壓掘進(jìn)時(shí)，由于艙內(nèi)積碴，導(dǎo)致碴土在艙內(nèi)循環(huán)不暢，會(huì)加劇刀盤、刀具的二次磨損和發(fā)熱，出現(xiàn)碴溫升高板結(jié)、結(jié)泥餅，造成刀具、刀盤磨損和損壞。雖然在短距離的破碎巖層中能強(qiáng)行通過，但不適合長距離硬巖地層掘進(jìn)，實(shí)際上在長距離硬巖地層中（可確認(rèn)的較均一地層，沒有重要建筑物和敏感地段），宜采用局部氣壓和欠壓模式掘進(jìn)。

3）對(duì)于目前備受推崇的雙模盾構(gòu)，通過前文的論述，可以認(rèn)為，在目前的工程中沒有絕對(duì)的必要。首先，土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)的選型界面比較清晰，不存在太多的交叉條件；因此，根據(jù)盾構(gòu)選型的基本原則，合理的選擇某一模式的盾構(gòu)和配置完全可以

滿足相應(yīng)的工程要求。其次，雙模盾構(gòu)必須有管道輸送和泥水循環(huán)、分離系統(tǒng)，如果要實(shí)現(xiàn)土壓掘進(jìn)模式和效率，必須增加碴車、碴坑、出碴運(yùn)輸和提升系統(tǒng)，在單一模式可克服復(fù)雜地層的情況下，雙模的雙系統(tǒng)顯然不夠經(jīng)濟(jì)。另外，雙模會(huì)犧牲掉某一模式的部分功能和效率，是否可靠、高效也一直存在爭議。

4）對(duì)于常壓換刀刀盤的應(yīng)用，主要是為了解決在上軟下硬和破碎帶等特殊地層中掘進(jìn)時(shí)不易開艙換刀的問題，但其應(yīng)用可能弊大于利。首先，在軟弱地層中換刀不太頻繁，在長距離基巖地層中可以開艙換刀，復(fù)合地層應(yīng)以掘進(jìn)至基巖地層中或合理設(shè)置加固點(diǎn)來解決換刀問題，真正存在換刀問題的是在長距離的不良地層、且無加固條件的地段；但在這種地層中掘進(jìn)，導(dǎo)致刀具磨損和損壞的原因并不是該地層易磨損刀具，而是上軟下硬地層容易堵艙、糊刀盤，以及破碎地層掉落大塊會(huì)沖擊刀具等。而堵艙靠碴土改良、改善出碴、加強(qiáng)循環(huán)和人工清艙等手段解決，大塊沖擊靠防止掉大塊（前面已經(jīng)做了論述）解決，并不能靠常壓刀盤自身解決。其次，常壓換刀刀盤的厚度大、質(zhì)量大，會(huì)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)的排碴、環(huán)流和姿態(tài)控制等帶來不利影響，厚重的刀盤會(huì)加劇堵艙、糊刀盤的嚴(yán)重程度。另外，從已經(jīng)應(yīng)用的常壓刀盤更換齒刀的情況看，其實(shí)施應(yīng)用效果并不理想，更換滾刀的工藝更復(fù)雜，而且大多數(shù)盾構(gòu)制造商并沒有成熟的常壓換刀刀盤設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)；因此，在應(yīng)用上可能會(huì)存在一定的弊端。

5　結(jié)論與討論

1）在上軟下硬和基巖破碎帶2種特殊地層中掘進(jìn)所出現(xiàn)的問題，無論采用哪種模式的盾構(gòu)，都要在前期工作到位、控制措施有效的情況下才能解決，但這確實(shí)是盾構(gòu)施工的最大難題。還有一些關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)：如何更好地減少高黏地層的糊刀盤、堵艙和順暢排碴的問題，如何有效地進(jìn)行碴土改良的問題，在堵艙情況下如何高效快速清艙的問題，如何提高帶壓進(jìn)艙作業(yè)工作效率和全面掌握飽和帶壓進(jìn)艙技術(shù)等。

2）一個(gè)大型盾構(gòu)隧道工程或一條地層復(fù)雜的盾構(gòu)隧道，沒有哪一種模式或廠家的盾構(gòu)就能輕松完成施工，都需要在施工前進(jìn)行有針對(duì)性的分析研究，以確定最合理的盾構(gòu)和TBM選型。

3）除了敞開式TBM在長距離硬巖和山嶺隧道中具有明顯優(yōu)勢(shì)外，對(duì)于需要閉胸掘進(jìn)的盾構(gòu)隧道，泥水盾構(gòu)的適用范圍更廣，在穿江越洋、地層差異大和環(huán)境對(duì)沉降要求高的情況下更有優(yōu)勢(shì)。一般情況下，適合土壓平衡盾構(gòu)的工程也可以采用泥水平衡盾構(gòu)（除了一些級(jí)配很差的漂石、卵石地層），但是泥水盾構(gòu)的掘進(jìn)和泥水分離費(fèi)用比較高、占用場(chǎng)地大等缺點(diǎn)，限制了泥水盾構(gòu)的使用。

4）建議大斷面的（直徑10 m以上）隧道盡量選用泥水盾構(gòu)；但泥水盾構(gòu)在掘進(jìn)中（特別是硬巖地層）產(chǎn)生的泥水會(huì)對(duì)后部漿液造成侵蝕，影響同步注漿效果而引起其他問題（如管片上浮錯(cuò)臺(tái)等），所以，建議同步注漿盡量采用雙液漿，并加強(qiáng)二次注漿。

5）土壓平衡盾構(gòu)在城區(qū)場(chǎng)地受限地段、地層相對(duì)單一、對(duì)地面環(huán)境影響要求不高、斷面不大的情況下具有一定優(yōu)勢(shì)；但在長距離硬巖中掘進(jìn)應(yīng)注意因非保壓掘進(jìn)，而引起后部匯水增大的惡性循環(huán)，影響同步注漿效果的問題。建議在同步注雙液漿的基礎(chǔ)上，采用停機(jī)時(shí)保持全土壓和高壓力，加強(qiáng)同步和二次注漿對(duì)盾尾后部匯水進(jìn)行封堵。

6）對(duì)于雙模盾構(gòu)和常壓換刀刀盤，不建議在一般項(xiàng)目推廣，建議進(jìn)一步加深相關(guān)技術(shù)研究，以推進(jìn)技術(shù)的成熟和創(chuàng)新，最終在確定其可靠、高效的情況下再運(yùn)用到必要的工程項(xiàng)目中。

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Analysis on Shield Tunneling in Fractured Bed Rock Zones and Uppersoft Lowerhard Ground

DU Chuangdong
（Overseas Engineering Co.，Ltd.，China Railway Tunnel Group，Luoyang 471009，Henan，China）

Abstract：Nowadays，shield tunneling in fractured bed rock zones and uppersoft lowerhard ground is widely discussed.In the paper，two project cases，i.e.，Shiziyang tunnel on GuangzhouShenzhenHong Kong highspeed railway and Xiangjiang rivercrossing tunnel on ChangshaZhuzhouXiangtan intercity highspeed railway are studied，with the geological conditions of these two tunnels，problems occurring during tunneling and countermeasures taken analyzed.The adaptability of EPB shield and slurry shield to such unfavorable geological conditions is analyzed，and recommendations are made on the application of dualmode shield and cutting tool replacement under atmospheric conditions.The paper can provide reference for similar project in the future.

Keywords：tunnel；fractured zone；uppersoft lowerhard ground；surface subsidence；building subsidence；EPB shield；slurry shield

作者簡介：杜闖東（1974—），男，河南洛陽人，2013年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，土木工程專業(yè)，本科，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事地下土木工程、隧道、盾構(gòu)等施工技術(shù)管理工作。

收稿日期：2015－06－15；修回日期：2015－08－24

中圖分類號(hào)：U 455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672－741X（2015）09－0920－08

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.09.010