水下盾构隧道硬岩处理与对接技术

洪开荣

(1．盾构及掘进技术国家重点实验室，郑州 450001;2．中铁隧道集团有限公司，河南洛阳 471009)

0 引言

目前城市交通(地铁与地下市政道路)、跨越大江大河隧道、管廊等工程大部分采用盾构技术。在水下软硬不均地层、孤石地层、卵砾石地层采用盾构法修建隧道，技术难度大、风险高，而国内外对于此类地层盾构隧道施工经验稍嫌不足，如何进行硬岩处理、降低工程风险、提高掘进效率、降低施工成本是盾构法施工领域需要迫切解决的难题。同时，对于特长水下隧道(长度大于10 km)，由于环境条件的制约，难以设置辅助坑道(竖井或斜井)，因此，水下地层盾构对接方法就成为最佳方案，但国内在此方面可借鉴的经验很少。

近年来，对于盾构隧道硬岩施工技术的研究也取得了一些进展。王梦恕［1］总结分析了水下隧道设计、施工的重难点及其关键技术;孙钧［2］介绍了国内外跨海隧道工程建设现状及其设计施工和研究特色;王锦洋等［3］针对台湾电力公司竹工超高压线路隧道工程卵砾石层盾构掘进过程中遇到的难题做了分析说明;李茂文等［4］对盾构长距离穿越硬岩地层遇到的技术难题进行了研究;杨书江［5］对盾构在硬岩及软硬不均地层的施工技术做了研究;张恒等［6］介绍了盾构掘进孤石处理技术;孙谋等［7］结合武汉长江隧道等水下盾构隧道工程，对水下盾构施工的关键技术进行了归纳。以上研究虽然在软硬不均地层、孤石地层、卵砾石地层中采用盾构法修建隧道采取了许多措施，在一些问题上有所突破，但仍需系统总结，明确一些基本的对策和措施;关于盾构隧道水下对接技术，国内仍处于摸索阶段。本文针对上述特殊地层处理技术和特长水下隧道盾构对接问题进行了一些总结和探讨，提出了相应的处理措施与关键技术。

1 特殊地层的主要问题及处理方法

1．1 软硬不均地层的处理

盾构在软硬不均地层中施工，出现的主要问题有盾构负载变化频繁、破岩困难、刀具磨损与破坏率高、施工效率低等。由于工作面不同地层的物理力学参数差异较大，刀盘切削时软地层较易进入密封土仓，而硬岩不易破碎。刀具在软硬不均岩面作周期性碰撞，刀盘受到的冲击力很大，容易造成局部刀具受力超载破坏。经过现场分析与研究，采取了一些预处理技术，如人工清除(钻爆法施工)、洞内弱化处理(超前钻蜂窝孔)、地面破碎处理(地面冲孔、爆破)，在盾构掘进中用重型滚刀破岩，带压更换刀具，结果表明刀具磨损正常，提高了施工效率。

1．2 孤石地层的处理

花岗岩球状风化核体俗称孤石，其单轴抗压强度可以达到200 MPa，孤石地层是盾构掘进的重大风险之一，盾构穿越孤石地层是盾构隧道施工的重点与难点。因此，研究孤石处理关键技术对盾构法施工极其重要。由于孤石的影响，盾构施工过程中出现的主要问题有孤石强度差异大、刀盘易磨损变形、孤石漂移、刀具破损严重、排渣困难、易堵塞等。应根据孤石的大小、位置、形状、周边环境等因素确定处理方法。

盾构掘进过程中发现的孤石，可直接通过大刀具、全覆盖、人工进仓搬运孤石的方法直接掘进通过。如直接掘进通过风险太大，则进行预处理后再掘进通过。当隧道上方地面具备冲孔、挖孔条件时，应首先采用人工清除(竖井清除)或地面处理方式(冲消或爆破);当地面不具备冲孔、挖孔条件时，采用洞内处理(爆破或胀裂)方式。

1．3 卵砾石地层的处理

在卵砾石地层进行盾构掘进施工，刀具磨耗速度快、强胶时易损刀盘、排渣难度大是需要重点解决的问题。卵砾石地层有别于一般土层，其性质较复杂，工程进行前需做充分的地质调查，由地质调查结果设计适用于该地层的盾构机。设计上的主要技术措施有加大刀盘开口率、采用耐磨撕裂刀切割、采用带式螺旋输送机、采用有针对性的冲浮设计等，以应对此类特殊地层。

2 台山核电取水隧洞工程硬岩处理

2．1 工程概况

台山核电位于广东省台山市，建设规模为6×175万kW压水堆核能电站。核电站取水隧洞位于陆域腰古咀至大襟岛之间的海域中，隧洞全长4 330．6 m，为双洞取水隧洞，开挖洞径为9．03m，隧洞埋深为10～29 m，两洞线间距为29．2m，采用气垫式泥水盾构施工。

2．2 地质概况

工程区出露的岩性为第四系松散堆积物、燕山期花岗岩(γ5)及泥盆系老虎头组(D2-3l)粉砂岩、变质砂岩。第四系松散堆积物主要分布在海域，主要有淤泥、粗砾砂、砾砂质黏土。燕山期花岗岩(γ5)主要分布在陆域近海段，长度为430 m。泥盆系老虎头组(D2-3l)主要分布在大襟岛侧内海段，长度为230m。

2．3 主要地质问题

陆域侧海中的微风化花岗岩强度最高达到197 MPa，局部存在球状风化的花岗岩孤石。对微风化花岗岩和球状风化孤石分别采用水下爆破碎裂与带压洞内清除进行处理。

2．4 物探结果与钻探验证

无论采用何种方法处理孤石地层，首先必须要探明孤石存在的位置和大小。利用RTK系统，采取高频高密度地震波，密点距多道多次(CDP)叠加技术进行物探，并结合垂直取芯、水平钻探等途径，确定基岩顶面或孤石的位置。

根据工程特点，在研究不同处理方法的基础上，采用了水下爆破法和冲击钻冲孔2种方法进行基岩突起和孤石处理，保证了盾构施工的顺利进行。

2．5 高强度基岩的爆破处理

由于基岩埋深较大，为10～22 m，最厚约9 m，导致其爆破破碎难度较大。为了便于施工并提高爆破破碎效果，首先对前排孔进行爆破，然后利用前排孔爆破挤压周围土层产生的自由面，再对后排孔进行逐个起爆。基岩爆破布孔平面图如图1所示。

图1 基岩爆破布孔平面图Fig．1 Plan layout of blasting holes

炸药爆炸后压缩应力波到达软弱岩土时，压缩形成一定的临空，而部分应力波从临弱面反射回来变成反射拉伸应力波，可再次引起岩石的片落和径向裂隙的扩展。

2．6 处理效果

爆破后基岩取芯，发现芯样最大为55 cm，一般在30 cm以下，爆破效果明显。200多m的基岩段盾构掘进非常顺利，没有进行刀具更换。

3 狮子洋隧道盾构地中对接技术

3．1 盾构段主要地质

盾构隧道大部分处于砂岩、砂砾岩中，部分地段穿越软硬不均地层。基岩的最大单轴抗压强度为82．8 MPa，渗透系数达6．4×10-4m/s，基岩的石英含量最高达55．2%，岩石地层的黏粉粒含量达55．3%。

3．2 工程主要特点

狮子洋隧道3次穿江越洋。其中狮子洋水面宽达3 300 m，水深26．6 m，设计水压达0．67 MPa。隧道要3次穿越长达数百m的节理裂隙密集带，其渗透性强，稳定性差。盾构隧道较长段处于复合地层中，且地层岩体石英含量高，黏粉粒多。工程为高速铁路隧道，其线型要求高，且在中国是首次采用水下盾构对接施工技术。狮子洋隧道地质剖面图如图2所示。

图2 狮子洋隧道地质剖面图Fig．2 Geological profile of Shiziyang tunnel

3．3 狮子洋隧道对接施工技术

水下隧道盾构对接施工的关键技术在于2个方面。1)对接面的隧道稳定性，从而确保施工安全;2)对接精度的控制，一次成型隧道要满足高速铁路线型要求。狮子洋隧道盾构段使用了4台气垫式泥水平衡盾构，采用“相向掘进、地中对接、洞内解体”的技术。

3．4 狮子洋隧道对接方法的选择

目前国际上的盾构对接施工方法有直接对接和辅助对接2种。直接对接又称为机械对接，辅助对接又称为土木对接。

原设计采用注浆加固对接地层和封堵地下水的方式进行土木对接，但通过地质补充勘察，最终选择了无辅助措施的硬对接方式。对接区段如图3所示。

图3 对接区段Fig．3 Shield-docking section

3．5 离心试验

考虑到模型制作的难度和主要观测的是掌子面的应力和变形，确定本次试验模型离心率N=50，离心加速度为50 g。模型总体布置如图4所示。

试验模拟了围岩强度为10 MPa的情况。试验表明:在对接岩体厚度为2．5 m，平衡压力在0．3 MPa的情况下，岩墙不出线拉应力，在无平衡压力下，岩墙局部表面拉应力值已经接近极限值，但岩体是稳定的。

图4 模型总体布置图Fig．4 General layout of model

3．6 对接面稳定性分析

采用FLAC 3D软件数值分析的方法，对恒定压力和无压力情况下工作面的稳定性进行分析，如图5和图6所示。

离心试验及计算结果证明了设计预留2．5 m的对接厚度是可行的，但是，在撤掉维持掌子面平衡压力的瞬间，掌子面的受力发生突变，拉应力增加，这对抗拉强度较低的岩石很不利。

3．7 狮子洋隧道对接测量方案

利用洞内双导线法和联络通道再闭合修正对测量精度进行控制，对接段的控制测量方案如图7所示。

图7 对接段的控制测量方案Fig．7 Control survey of shield-docking section

3．8 相向掘进、地中对接

实际施工中，采用了在2台盾构相距20～30m时，1台盾构停止掘进，实施保压并拆除部分盾构部件，第2台盾构向前趋近对接掘进的方法，如图8所示。

图8 对接区段的趋近掘进Fig．8 Approaching advance of shield in shield-docking section

在完成趋近掘进后，降压观察隧道的稳定性和地下水的渗流情况。如果液位变化较大，应升高仓内压力，并进行必要的壁后堵水施工，直至卸压后仓内液位基本无变化，才能打开舱门，在常压下进行最后的拆机工作。对接后的状态如图9所示。

图9 对接后状态Fig．9 Shield docking completed

在盾壳保护下，拆除盾构内部和刀盘中心部位构件，并将刀盘外圈梁直接焊接，一侧与切口环连接，另一侧与对接的盾构刀盘外圈梁连接，实现隧道的贯通，然后再施作钢筋混凝土衬砌。洞内拆机后示意图如图10所示。

图10 洞内拆机后示意图Fig．10 Tunnel with shield machine dismantled

3．9 对接效果

狮子洋隧道的对接贯通非常成功，对接点的围岩相对稳定，且残留的渣土很少。对接精度平面偏差为28．5 mm、高程偏差为 19．6 mm，达到了安全、精确、高效的对接目标。盾构对接与拆机后的效果图如图11所示。

图11 盾构对接与拆机后的效果图Fig．11 Completed tunnel

4 结论

1)目前，盾构广泛地应用于各领域的地下工程中，但从安全风险、工期和经济性考虑，对高强度软硬不均地层、孤石地层及大直径卵砾石地层，采用适当的辅助方法是必要的。

2)在水下复合地层隧道中，盾构法施工遇到长距离的软硬不均地段，采用预处理爆破碎裂技术是可行的，且具有显著的安全、效率与经济优势。

3)特长水下隧道应用盾构法施工，采用“相向掘进、地中对接、洞内解体”的方法，能够很好地解决盾构使用寿命带来的技术问题，这对我国将来的跨海工程有非常重要的借鉴意义。

［1］王梦恕．水下交通隧道发展现状与技术难题——兼论“台湾海峡海底铁路隧道建设方案”［J］．岩石力学与工程学报，2008(11):6-17．(WANG Mengshu．Current de velopments and technical issues of underwater traffic tunneldiscussion on construction scheme of Taiwan strait undersea railway tunnel［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008(11):6-17．(in Chinese))

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