复杂地质或环境条件下盾构施工整体筹划中的问题分析

谭万忠

(中国铁道科学研究院 深圳研究设计院，广东 深圳 518034)

我国正处于城市轨道交通建设的繁荣时期，在建线路和规划线路约1万km以上[1]。城市轨道交通地下区间施工除特殊地段外主要采用盾构法施工，盾构施工线路达线路总长的70%～80%以上[2]。

对线路采用盾构法施工，特别是遇到孤石或球状风化体、上软下硬地层，穿越建(构)筑物、河流湖泊等复杂地质或环境条件时，做好整个项目的盾构施工整体筹划与管理控制既会影响盾构资源的合理投入、质量安全控制和工期目标的实现，也会显著影响经济效益[3]。

1 工程概况

深圳市城市轨道交通7号线双线长22.272 km，其中盾构区间双线长16.998 km，占总数的76.32%[4]。

本线线路均位于城市建成区，房屋密集。下穿既有建(构)筑物50余栋，3次下穿(上穿)既有铁路，4次 下穿既有运营地铁线，8次下穿(侧穿)既有桥梁，5次下穿河流湖泊[5]。地质或环境条件复杂多变。

2 盾构施工整体筹划中应重点考虑的问题

盾构整体策划需要考虑的问题很多，如沿线水文地质、周边环境、区间长度、车站、配线、盾构井、施工场地、交通疏解等。除此之外，在复杂地质或环境条件下盾构施工还应重点考虑以下问题。

2.1 施工勘察加密到位

根据规范[6]，城市轨道交通初步勘察阶段勘探点间距宜为100～200 m，在地貌、地质单元交接部位、地层变化较大地段、不良地质和特殊性岩土发育地段应加密勘探点；详细勘察阶段对复杂场地要求区间勘探点间距10～30 m。遇到孤石、上软下硬地层、富水砂层、断裂构造、全断面硬岩地层，穿越既有建(构)筑物或江河湖泊时，依据详勘地质资料根本无法满足施工要求。

如深圳市城市轨道交通7号线区间1左右线长 2 620 m，需下穿桥梁和雨水箱涵，区间存在大量孤石，基岩突起。前期施工时由于对地质情况认识不足，补勘工作不到位，当盾构遇到孤石没有立即停机，无法掘进时刀具磨损严重，最后进仓更换9把刀具，停机1.5个月。

图1 区间1补勘后地质情况

按勘探孔间距5 m加密补勘，补勘后地质情况见图1。新发现孤石29处，加上原详勘的9处孤石总共需处理孤石38处，上软下硬地层占26%。补勘阶段新发现的孤石数量远远超过详勘阶段。因此，应仔细研究盾构沿线地质、建筑物、管线等情况，做好地质勘探、补勘或施工专项勘察，尽可能地确保地质资料准确、齐全。对于可能存在孤石或不良地质的地段，首先通过微动法进行地质扫描，确定范围后再通过地质钻机取芯进行确认。对于已经探明的孤石或不良地质要想尽一切办法，提前处理。

对复杂或不良地质条件区段的处理是保证盾构正常化施工的重要环节。要严格过程控制，加强现场管控，任何一个环节的疏忽有可能造成不可弥补的损失。

2.2 盾构机的新旧程度与区间条件的适应性

盾构机的设计使用寿命一般只有10～15 km(其主轴承的设计使用时间是 10 000 h 到 15 000 h)，但是根据研究，国内地铁隧道用盾构机的使用寿命为 8～9 km/台[7-8]。目前，盾构机的维修基本上处于事后维修或定期预防维修，效率较低，不能及时有效地发现初始、潜在的故障，难以避免关键部件在作业时发生失效。

如该线路区间2右线隧道长 1 752.07 m，其中空推约101 m的矿山法段需要下穿房屋6处和泄洪渠1处。由于该区间投入的盾构机已掘进约5 km，达到设计使用寿命的50%，未能及时发现潜在故障，导致该台盾构机刚完成65环空推段管片拼装，进入地层0.5 m 即出现盾构机主驱动外密封损坏的情况。最终确定增加开挖竖井，将盾构刀盘拆除吊出，进行主驱动外密封的更换，耗时约2个多月。

实践表明整体筹划时应结合区间线路情况，充分考虑盾构机的新旧程度与使用寿命，合理选择盾构机的投入。对于新购的盾构应当优先用于长度较长、穿越建(构)筑物或河流湖泊、存在不良地质的区间；对于掘进使用期已达到设计寿命50%以上的盾构不宜用于此类区间。

2.3 盾构掘进指标的合理选择

根据建标104—2008《城市轨道交通工程项目建设标准》，区间盾构施工单线单洞日推进7～10 m，月平均进度为140～200 m(含盾构安装调试1.0～1.5个月，盾构调头1个月，盾构转场1.5个月，盾构拆卸1个月)[9]。这一指标可在可行性研究或设计文件的工程筹划中参考使用，但在施工整体筹划时还应细分。

图2 区间3左线月进度

该线路区间3左线隧道长976.1 m,需下穿一桥梁和输油管道。在补勘中发现有孤石、硬岩段存在，掘进中刀盘刀具磨损严重，多次产生卡刀、刀具偏磨等问题，严重影响了施工进度。从区间3左线月进度(见图2)可以看出：该区间实际施工时间为318 d，折算综合进度为3.07 m/d，月进度约93 m/月。单月最低掘进仅7.5 m，综合进度比建设标准的平均进度降低约50%。该盾构区间原计划采用1台盾构掘进双线，后来为满足工期要求不得不临时增加1台盾构机。

实践表明各地区各线路不能笼统地采用《城市轨道交通工程项目建设标准》中的掘进指标。当线路遇到孤石、球状风化体、上软下硬地层，穿越建(构)筑物、江河湖泊等复杂地质或环境条件区段时，应将掘进指标比建设标准中的平均进度降低约50%来考虑工期，否则容易造成较大的工期偏差。

2.4 换刀方案的综合确定

在复杂地质或环境条件下进行盾构施工时，不可避免要较为频繁地换刀。关键在于把握好换刀位置和时机，做好换刀方案。一般情况下，应综合考虑刀盘、刀具的磨损情况，换刀地点地质、水文情况，换刀位置的地面条件，经济性与安全性的平衡问题[10]。

在复杂地质或环境条件下确定盾构换刀方案时，应选择适当的换刀方案达到安全性和经济性的平衡，并以人员安全和设备安全为主要考虑因素。

3 结论

线路遇到孤石、球状风化体、上软下硬等复杂地质，穿越建(构)筑物、江河湖泊时，盾构施工整体筹划应注意：

1)通过微动法进行地质扫描，确定不良地质范围后再通过钻机取芯进行确认。在场地条件允许时按勘探点间距5 m左右加密勘察，对于已经探明的不良地质要想尽一切办法，提前处理。

2)宜选用新购盾构或掘进使用寿命50%以下的盾构。

3)不能笼统地采用《城市轨道交通工程项目建设标准》中的掘进指标，应将掘进指标比建设标准中的平均进度降低约50%左右来考虑工期要求，否则容易造成较大的工期偏差。

[1]侯秀芳,左超,李楠.城市轨道交通2016年度统计和分析 [J].都市快轨交通，2017，30(3)：1-7.

[2]程海云.盾构机司机培训教材[M].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[3]王效文.地铁盾构隧道施工组织影响因素分析[J].现代隧道技术，2005，42(6)：53-56.

[4]铁道第三勘察设计院集团有限公司.深圳地铁7号线工程初步设计技术要求[R].深圳：铁道第三勘察设计院集团有限公司,2012.

[5]深圳市地铁集团有限公司，铁科院(北京)工程咨询有限公司.深圳地铁7号线BT项目工程筹划[R].深圳：深圳市地铁集团有限公司，北京：铁科院(北京)工程咨询有限公司，2012.

[6]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50307—2012 城市轨道交通岩土工程勘察规范[S].北京：中国计划出版社，2012.

[7]戴文浩.砂卵石地层盾构机关键部件可靠性与剩余使用寿命评估研究[D].成都：西南交通大学，2017.

[8]黄克，赵炯，周奇才，等.基于多变量统计过程监控的盾构机故障诊断[J].中国工程机械学报，2012，10(2)：222-227．

[9]中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家发展和改革委员会.建标104—2008 城市轨道交通工程项目建设标准[S].北京：中国计划出版社，2008.

[10]段浩，孙凤江.富水砂卵石地层盾构换刀方案[J].现代城市轨道交通，2010(6):36-38.