厦门地铁复杂地质条件下盾构法施工技术探讨

杨书江

(中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009)

厦门地铁复杂地质条件下盾构法施工技术探讨

杨书江

(中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009)

为了解决厦门轨道交通1号线工程复杂地质条件下的盾构施工难题，从地质勘察、盾构选型、特殊地质盾构施工及辅助工法应用等方面进行研究。主要得出以下结论：1)详细的工程地质和水文地质勘查是工程建设的基础；2)适应于地质的盾构选型是工程建设的关键；3)合理选择盾构掘进参数和辅助工法是工程建设的保证。

厦门地铁；复杂地质；盾构选型；施工；辅助工法

0 引言

厦门轨道交通地质条件极其复杂，涵盖淤泥质土、砂层、全风化/中风化地层、上软下硬地层、硬岩地层、花岗岩球状风化体等，对盾构施工提出了严峻的挑战。差异如此大的地层类型集中于一个城市，在国内尚属罕见，对此开展的研究工作亦不多见。文献[1]从岩土工程勘察、地质风险认识和风险治理等方面明确地质风险的控制对策，阐明地质工作是工程建设的基础；文献[2]对盾构在短距离硬岩和上软下硬地层的盾构施工提出了相应的处理措施；文献[3]结合深圳地铁2号线东延线上软下硬地层盾构施工，研究了盾构掘进参数选择、渣土改良及带压开仓换刀技术；文献[4]对盾构在硬岩地层的掘进技术进行了探讨，降低了刀具的损坏；文献[5]在广州地铁3号线工程创造性地采用了钻爆法开挖盾构法衬砌施工工艺，成功解决了长距离硬岩地层的施工难题；文献[6]对提高刀盘刀具的耐磨性能及孤石地层的掘进提出了见解并取得了良好的效果；文献[7]结合深圳地铁5号线工程实例，分析了孤石的形成机制和分布规律，介绍了破除孤石的方法和施工措施；文献[8]以成都地铁火车南站站—省体育馆站盾构工程为例，介绍了辅助工法在盾构刀具更换中的应用情况。

已发表的文献大都对单一复杂地质进行研究的较多，而对在同一城市轨道交通复杂地质的盾构施工研究较少。为解决厦门轨道交通1号线工程复杂地质条件下的盾构施工难题，本文从地质勘察、盾构选型、特殊地质盾构施工及辅助工法应用等方面进行研究。

1 工程概况

厦门市轨道交通 1 号线为规划线网中最为重要的一条中心放射状骨干线，由本岛西南端向北辐射形成快速跨海连接通道。一期工程线路全长30.26 km，本岛15.0 km，岛外15.26 km，共设置车站24座，最大站间距3.84 km，最小站间距0.62 km，平均站间距1.3 km。区间长度为25.00 km，其中明挖2.72 km、盾构11.23 km、矿山法6.89 km、高架2.62 km、路基1.55 km。预计采用14台盾构施工，每台盾构平均掘进长度为1 584.67 m。

1.1 工程地质

1)第四系土层岩性变化大，岩浆岩种类多。第四系土层由于形成的时期不同，中粗砂、淤泥质土、粉质黏土、残积砂质黏土、全/强风化花岗岩、全风化辉绿岩等岩性变化很大。已揭露的岩浆岩种类有凝灰岩、花岗岩、辉绿岩、闪长岩和正长岩，是迄今国内地质最复杂的地区之一，在其他城市盾构施工中还没有遇到过。盾构性能要适应差异化极大的地质条件，选型困难。

2)基岩起伏大、花岗岩球状风化体(孤石)发育。由于基岩起伏大，存在岩面突起，形成了非常典型的上软下硬复合地层特点。根据初勘结果，花岗岩球状风化体(孤石)钻孔的见孔率为18%，盾构施工风险大。含孤石地层见图1。

图1 含孤石地层

3)岩石单轴抗压强度高。局部存在中/微风化花岗岩，单轴抗压强度分别为30～50 MPa、62～140 MPa，对刀盘强度、刚度和刀具破岩能力要求高。

1.2 水文地质

地下水的主要补给来源首先为大气降水的渗入，其次为相邻含水层的侧向补给，局部地段为地表水体的下渗补给。地下水分布受地貌、岩性、构造等因素影响，其运动主要受地形和地貌的影响。

1.3 地质补勘及建议

工程地质及水文地质资料的准确性关系到盾构的选型，是盾构工程施工的关键。盾构掘进时揭示的地质条件与勘测资料不相吻合的现象时有发生，增加了盾构施工的难度和风险。

进场后在详勘基础上沿隧道中线增加至每20 m一个钻孔进行补充地质勘察。在发现基岩突起、差异风化体等不良地质时，钻孔加密至10 m或5 m一孔，必要时横向布孔形成“地质切片”。

设计选线时尽量避开上软下硬、互层地层，使隧道位于均质地层中。广州地铁复合地层、成都地铁泥岩、砂卵石互层地层盾构施工前，根据补充地质勘察成果对线路平面及纵坡进行合理优化，确保盾构掘进的顺利进行。

2 盾构选型

厦门地铁地质条件复杂多样，增大了盾构选型的难度。根据“掘得进、稳得住、出得来、成形快、环保好”的选型原则，建议选用复合式土压平衡盾构。

2.1 总体要求

主驱动功率不小于900 kW；刀盘最大推力不小于35 000 kN，额定扭矩不小于6 000 kN·m；优先选用轴式螺旋输送机，且直径不小于800 mm；配置双仓并联结构的人仓，以满足检查刀盘和更换刀具的需求。

2.2 刀盘设计原则

1)充分考虑软弱不均地层受力不均、球状风化体碰撞刀盘等不利因素，刀盘必须有足够的刚度、强度，刀盘面板和边缘应加强耐磨保护设计。

2)刀盘开口率在30%～40%，刀盘开口均匀布置，适当增大中心部位的开口，防止频繁结泥饼。

刀盘设计见图2。

图2 刀盘

2.3 刀具配置原则

复合式地层中软弱地层和硬岩特性差别巨大，建议采用破岩能力较强的单刃滚刀、宽刃齿刀和刮刀的刀具组合形式。刀座设计做到滚刀和齿刀可互换。

1)滚刀刀间距控制在100 mm以内。

2)刀具高度差宜大于30 mm，滚刀高度大于齿刀。

2.4 添加剂注入系统的设计

1)刀盘面板、土仓内、螺旋输送机内设置足够的添加剂注入管路。

2)为提高渣土改良效果，设置独立的膨润土注入系统。

3)为确保背衬注浆效果及特殊情况下的补充注浆，设置二次注浆系统。

3 复杂地层盾构掘进施工

盾构在砂层、淤泥质土、粉质黏土、残积砂质黏土、全/强风化花岗岩的掘进施工技术比较成熟，在此不再赘述。在局部硬岩及上软下硬地层中以刀具破岩贯入量为基准控制掘进速度，做到对刀具的有效保护。含孤石地层的掘进比较困难，建议采取辅助措施提前处理。长距离上软下硬或硬岩地层，建议采用钻爆法开挖、盾构空载推进、拼装管片通过。

3.1 局部上软下硬地层的掘进

上软下硬地层是一种特殊的地质，既具有软岩地层的不稳定性，又具有硬岩的强度和稳定性。为确保地面建(构)筑物的安全，必须采用土压平衡模式掘进。

3.1.1 掘进参数选择

1)刀盘转速。在上软下硬地层中掘进，只需对掌子面切削即可剥落软岩，但硬岩对刀盘、刀具的磨损较大，适当降低刀盘转速，减少刀具受到的瞬时冲击。刀盘转速控制在1.0～1.2 r/min。

2)土仓压力。由于软岩容易坍塌，而硬岩不易破碎，为保护刀具需要降低掘进速度，但对软岩的稳定不利，要保证掌子面的稳定，需要保持较高的土压。根据地层特性、覆土厚度等计算土仓压力，实际土仓压力设定值稍高于计算值。

3)刀盘扭矩和推力。刀盘扭矩保持在10～13 MPa，掘进速度控制在3～5 mm/min，推力在10 000～18 000 kN。

4)螺旋输送机转速的选择。为保持土仓压力平衡，需控制螺旋输送机的出渣速度，转速在3～8 r/min。

3.1.2 掘进辅助措施

1)由于刀具和软硬不均岩面发生周期性碰撞，刀盘的震动很大，主司机必须仔细聆听刀盘内的声音，观察刀盘扭矩的变化，防止刀盘被卡死。

2)如果刀盘扭矩减小、掘进速度降低、渣土温度变高，可能刀具磨损严重，应及时检查并更换刀具，防止刀盘受损。

3)必须加强渣土改良，加泡沫的同时向土仓内加入泥浆(或膨润土)，对砂层或其他软弱地层起泥膜作用，可有效防止软弱地层坍塌。

3.2 局部硬岩地层的掘进

盾构在全断面硬岩地层掘进时，掌子面自稳性好，采用半敞开或敞开模式掘进。

3.2.1 掘进参数选择

1)刀盘转速。刀盘转速在1.5～1.7 r/min，每转一圈刀具贯入量为5～10 mm，掘进速度在7.5～17 mm/min。刀具破岩轨迹见图3。

图3 刀具破岩轨迹

2)土仓压力。硬岩中掌子面的自稳性较好，可以保持较低的土压进行掘进，土仓内渣土保持2/3左右。若地层含水量大时上部土压可提高0.03～0.05 MPa，具体数值要考虑隧道覆土厚度来确定。

3)刀盘推力。刀盘扭矩一般为17～19 MPa，推力在14 000～17 000 kN调节。

4)螺旋输送机转速。硬岩地层掘进速度慢且土仓内渣土量少，螺旋输送机转速在6～10 r/min进行调节。

3.2.2 掘进辅助措施

1)注入泡沫既能冷却刀具，又可以改良渣土的流动性，泡沫用量一般为35 L/m，视渣土情况可加少量水。

2)由于硬岩地层隧道成形断面完整光滑，同步注浆浆液初凝前处于流动状态，已安装管片受到的浮力远大于自重，极易发生管片上浮事故。掘进时将盾构竖向姿态适当调低以抵消一部分管片上浮值。将浆液初凝时间调整在8 h以内，每隔10环管片注水泥-水玻璃双液浆将同步注浆浆液隔离，同时加强人工测量盾构和管片的姿态。

3.3 含花岗岩球状风化体(孤石)地层盾构掘进技术

盾构在含花岗岩球状风化体(孤石)地层掘进时刀盘刀具磨损严重(见图4)，甚至可能磨穿刀盘，造成地表坍塌或建筑物管线破坏。利用盾构掘进含孤石地层比较困难，应探清孤石的分布、粒径等，提前采取措施进行处理。

图4 刀盘严重磨损

3.3.1 利用刀具切削破碎孤石

1)适当减小刀盘转速，增大推力，同时采取刀盘正、反转的方式缓慢切削孤石，注意控制刀盘的扭矩变化量在10%以内。刀具破碎孤石效果见图5。

图5 刀具破碎孤石效果

2)尽可能向刀盘、土仓内多加入泡沫或膨润土泥浆，以使刀盘刀具降温。

3.3.2 人工进仓处理

采取上述措施后，若未能破碎孤石，优先考虑带压处理。作业人员进入土仓，利用液压锤或静态爆破进行处理。

在无带压进仓条件或孤石数量较多时，考虑从地面进行地层加固，待掌子面有足够的自稳能力后再进仓处理。地层加固方式应综合考虑地质情况、隧道埋深、地面环境等确定。

准确判定孤石的位置后，用冲孔钻机从地面冲孔破碎是一种有效的处理方法。孤石体积较大，采取其他方法处理无效时，从地面施工竖井或人工挖孔桩进行破碎也是可行的，但成本较高。

3.3.3 深孔爆破处理

深孔爆破是指孔深在5 m以上的钻孔爆破技术，可根据孤石的形状、大小来具体确定孔径、深度和装药量大小，对厚度较大的孤石可实施分层爆破。通过调整炮眼间距和用药量来控制爆破后石块的大小，石块单边长度控制在300 mm以下，以利于螺旋输送机顺利出渣。钻孔直径为110 mm，孔距和排距均为800 mm。孔内雷管选用毫秒导爆管雷管，起爆雷管选用顺发电雷管，炸药选用乳化炸药，标准直径为60 mm，具体参数根据实际情况调整。深圳地铁、广东台山核电站取水隧洞等工程采取该工艺，在盾构到达前对孤石进行了处理。深孔爆破示意见图6。

图6 深孔爆破示意图

3.4 长距离上软下硬或硬岩地层施工技术

对于长距离上软下硬或硬岩地层，采用钻爆法开挖并进行初期支护、隧道底部施作弧形钢筋混凝土导向平台、盾构空载推进拼装管片通过、管片背后的空隙利用吹豆粒石与注浆结合的工艺，规避盾构掘进的风险。

3.4.1 盾构空载推进拼装管片

盾构空载推进时，止水条挤压不紧容易造成管片漏水，主要采取以下措施：

1)在刀盘前方堆放粒石，利用粒石对刀盘正面的阻力和盾壳下部产生的摩擦力为刀盘提供反作用力。

2)每环管片用φ22 mm钢筋与上一环管片相连，防止隧道贯通时刀盘前方突然失去反力造成已安装的管片松动。

3)合理选择管片的安装类型，控制推进油缸行程差，使盾构姿态偏差在±20 mm以内。

4)当环管片安装完成后，对上一环管片螺栓进行二次紧固，保证管片的块与块之间、环与环之间的紧密连接。

3.4.2 管片背衬回填

3.4.2.1 喷射豆粒石回填

每隔4.5 m在盾构切口和初期支护间用砂袋围挡，不小于2:00～10:00点钟位置，从刀盘前方向盾壳外壁吹入粒径5～10 mm的豆粒石。豆粒石累计喷射量至少达到管片背后孔隙的60%～70%。喷射豆粒石施工见图7。

图7 喷射豆粒石示意图

3.4.2.2 盾尾同步注浆

同步注浆采用水泥砂浆，浆液初凝时间为8 h，终凝时间为10.5 h。注浆控制以观察为主，从盾构前方观察有无漏浆，从管片开孔检查注浆效果，视情况调整浆液的初凝时间。

3.4.2.3 补充注浆

第1次补充注浆主要是填充管片顶部的空洞。盾构每推进6 m从管片1:00或11:00点钟位置的注浆孔注入水泥单液浆，注浆时避开封顶块位置。盾构通过钻爆法隧道后，根据管片间渗漏水情况，注水泥-水玻璃双液浆止水。

广州市轨道交通3号线大石南—汉市区间盾构工程、广州大学城供热供冷管道过江隧道工程、深圳地铁5号线盾构工程均采用该工艺，顺利规避了硬岩隧道的盾构掘进风险。

4 盾构施工辅助工法

盾构法在城市地铁隧道施工中的作用越来越重要，但盾构不是万能的，需要在辅助工法的配合下，才能最大程度发挥盾构的性能。

4.1 端头地层加固技术

端头土体加固效果不好是盾构始发或到达过程中经常遇到的问题，必须根据端头土体的工程地质、水文地质和周围环境选择合理的加固方法。区间端头采用φ800@600三重管旋喷桩加固，纵向加固长度为10 m，横向隧道轮廓外3 m。每个端头设3口备用降水井。要求加固后的土体无侧限抗压强度不小于0.8 MPa，渗透系数应小于1.0×10-7cm/s。

4.2 带压进仓技术

检查刀盘及更换刀具一般选择在稳定地层中进行，在上软下硬地层或其他不稳定地层中检查刀盘刀具时，必须进行地层稳定性评估，必要时采取地层加固措施。土压平衡盾构配备有带压进仓系统，可以在压气状态下安全进仓进行作业。带压进仓作业属于非常危险的工作，进仓人员必须严格选拔并经过专业培训。

对土压平衡盾构而言，采用压气法换刀难度相对较大。在换刀位置前5环开始加入优质膨润土进行渣土改良，掘进到预定里程后，停止掘进，通过加泥系统向土仓的顶部泵送膨润土泥浆，用膨润土泥浆置换土仓内的渣土，缓慢转动刀盘，浆液逐步渗透到地层的孔隙中，通过螺旋输送机将土仓内的渣土逐步排空。当螺旋输送机出来的渣土非常少时，停止出渣，继续向土仓内注入泥浆，让泥浆充分渗透到地层，形成泥膜(见图8)。泥膜的形成可以防止气体逃逸，保持土仓内压力的稳定，从而保证作业安全。

图8 形成的泥膜

4.3 建(构)筑物保护技术

厦门市具有历史文化价值的建筑物众多，对建筑物保护要求高。隧道穿越大量民用住宅、商业大厦、交通繁忙的公路、高架桥等，沿线有密集的种类繁多的地下管线、高架电塔等，地表环境极其复杂。

1)加强与产权单位的沟通协调，调查了解建(构)筑物基础类型、埋置地层以及结构现状等。

2)确定相应的沉降控制值，制定专项监测方案，及时反馈监测数据，进行回归分析，实现信息化施工。

3)紧邻或穿越建(构)筑物施工前视情况进行地层预加固，盾构穿越时根据监测数据及时跟踪注浆。

4)过建(构)筑物前做好盾构检修保养，保证盾构性能良好。施工中加强掘进参数控制，做好同步注浆和洞内补充注浆。

4.4 监控量测技术

将盾构始发端头、到达端头、穿越或邻近通过地面建(构)筑物作为重点监测区段，监测内容包括沉降、倾斜、地下水位、土体分层沉降等。区间线路监测主要以沉降监测为主。

盾构掘进前明确监测项目、监测方法、监测频率、监测控制值及报警值，进行监测数据的分析，并及时反馈指导施工。

5 结论与讨论

盾构法施工在厦门市系首次采用，因而没有系统性的成功经验可以借鉴。只要工程实施前期做好详细的地质勘查工作，摸清工程地质和水文地质条件，选择地质适应性强的盾构设备，借鉴国内其他城市地铁在部分特殊地质下的经验教训，合理选择盾构掘进参数及辅助工法，加强掘进过程控制，提高盾构施工风险管理水平，安全优质建好轨道交通1号线的目标是完全可以实现的。

鉴于厦门轨道交通工程的复杂性，应积极探索盾构施工洞内超前地质预报技术的研究和应用，进一步弥补地面地质勘查的不足。如此复杂的地质条件集中于一个城市，在国内尚属罕见，本文提出的各种工艺尚需在实践中进一步验证完善。

本文介绍的特殊地质条件下的盾构施工工艺均有成熟的工程实践案例，对厦门轨道交通盾构法施工具有较强的指导意义和具体借鉴价值。结合厦门轨道交通的建设，进一步研究盾构法施工在复杂地质条件下的应用，对拓展土压平衡盾构的使用范围，提升我国盾构施工技术水平的具有重要意义。

[1]金淮，刘永勤，吴锋波,等.城市轨道交通工程地质风险作用及控制对策[J].都市快轨交通，2013(6): 92-96.(JIN Huai，LIU Yongqin，WU Fengbo,et al.Geological risks and risk control for urban rail transit engineering[J].Urban Rapid Rail Transit，2013(6): 92-96.(in Chinese))

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[4]李锐.硬岩地层盾构机掘进技术探讨[C]//第二届隧道掘进机(盾构、TBM)专业委员会第一次学术研讨会暨中铁隧道集团城市盾构项目管理、施工技术、设备维保交流会.北京：中国土木工程学会，2011.

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国产盾构无进洞隧道内拆除技术在新加坡地铁成功应用

日前，新加坡地铁市区线三期C923A项目4条隧道掘进任务全部完成，标志着该项目主体隧道土建施工基本结束。

C923A项目由2段长度分别为1.5 km和800 m的双线隧道，以及处于2隧道区间中部的盾构始发井组成，采用由上海隧道股份自行研制的国产土压平衡盾构施工。施工期间，首次在国产盾构中应用“盾构无进洞并在隧道内拆除”技术，盾构在完成1.5 km隧道推进后，盾构壳体留在接口处，内部部件拆离后由始发井运出，经地面重新装配后送入井下再次始发，向相反方向完成剩余800 m隧道区间推进。

由于在隧道内拆除盾构风险较高，所有吊点都经过反复计算和验核，保证项目安全推进。

(摘自 隧道网 http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=c0720db1-6aac-42a0-a41f-e0c2c2682a02&CtgId=77bc9040-5c59-4063-b0a5-2771b7223dd9 2014-07-22)

ShieldTunnelingTechnologiesforXiamenMetrounderComplexGeologicalConditions

YANG Shujiang
(ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

The shield tunneling of Line 1 of Xiamen Metro is studied in terms of geology survey,shield selection,shield boring under complex geological conditions and assistant construction methods,so as to ensure the successful construction of the project.Conclusions drawn are as follows: 1)Detailed engineering geological and hydrogeological survey is the basis for the construction of the project;2)Shield suitable for the geological conditions of the project is fundamental for the construction of the project;3)Proper shield boring parameters and proper assistant construction methods are guarantee for the construction of the project.

Xiamen Metro;complex geology;shield selection;construction;assistant construction method

2014-05-19;

2014-06-20

杨书江(1973—)，男，山东招远人，1996年毕业于中国矿业大学，矿井建设专业，硕士，教授级高级工程师，从事城市轨道交通工程技术管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.08.010

U 45

B

1672-741X(2014)08-0765-06