城市盾构法施工隧道的风险及勘察要点——以妈湾跨海通道工程为例

赵冬ZHAO Dong；龚旭亚GONG Xu-ya；张昌盛ZHANG Chang-sheng

（深圳市勘察测绘院（集团）有限公司，深圳 518028）

0 引言

随着城市地下空间的高密度、大规模开发，尤其是城市隧道的高速发展，盾构隧道施工的风险问题日益突出，尤其是岩土问题相关的地质风险。深圳特区地质条件复杂，地下空间的开发中对隧道施工的风险认识和应对，越来越引起业界的广泛关注，在隧道施工中遇到了许多困难和问题，深圳发生过惨痛的事故[1-2]，同时也对城市隧道的勘察带来了新的转变和思考，如何做好盾构隧道的岩土工程勘察，精准预测盾构隧道施工的风险，并提出措施和技术对策成为关键，本文结合深圳妈湾跨海通道项目，总结了盾构实践中遇到的风险点，分析主要问题和困难，相应地提出了技术对策，并对如何做好城市盾构隧道勘察提出了几点建议，为深圳地区及类似地区的城市盾构隧道工程研究提供参考及一定的指导。

1 项目概况

妈湾跨海通道工程位于深圳市西部，国内首屈一指的超大直径海域复合地层盾构法隧道工程，全线总长约8.05km，其中盾构隧道约2.06km，包含海域段1.1km。前海始发隧道顶覆土厚度21.6m，大铲湾接收段最小覆土10.5m，海域段覆土厚度20.9～28.6m，最大水深为9.2m。

2 盾构施工风险点及应对措施分析

妈湾跨海通道工程位于深圳前海片区，地质及周边环境的特点特别突出，尤其是非均质差异性大、软硬不均的地层在其他城市建设中很少遇到。该复合地层对于盾构施工来讲是极其困难的，且因没有太多类似工程经验，施工风险和施工难度相当大。盾构始发前海区为深厚填石、淤泥层，隧道穿越软硬不均、硬岩等多种复杂地层，该区地下水丰富，断裂带发育，分析认为盾构施工主要风险点有：

①软硬不均地层掘进。隧道断面内上部为黏土、全～强风化岩，下部为中～微风化岩；上部黏土中黏粒含量可达75.8%，盾构推进过程中极易造成刀盘结泥饼，刀具磨损严重，需大量刀具更换工作。上软下硬致使盾构机掘进姿态控制困难，易使盾构机向上偏移，工况转换频繁，对地表沉降、开挖面稳定、盾尾密封等控制难度极大。

对于软硬不均地层盾构掘进前，应进行超前地质钻探，摸清始发段填石厚度及分布范围及基岩突起区段。始发段对填石清除后再做加固。基岩突起区段，对盾构区间侵入隧道内2m 的微风化岩进行预爆破处理，但要注意对爆破孔的封孔处理。

②全断面硬岩掘进。隧道全断面处于微风化硬岩中推进。微风化岩单轴抗压强度平均为45MPa，最大193MPa，RQD 值可达75%。

盾构在硬岩中掘进，刀具磨损严重，换刀频率加大，同时也易造成盾构机卡壳现象。对于全断面硬岩掘进，应设置合理的掘进参数和同步注浆参数、配置适用于硬岩掘进的刀具。

③断裂带掘进。海域段穿越2 条断裂带，与隧道的交角约40°～50°，钻孔取芯揭示为碎裂岩，具绿泥石化，碎裂岩渗透系数为4.05×10-2cm/s，单轴抗压强度为15.0MPa。

盾构在断裂带中掘进时水压较高、水量大，岩层破碎、块度大、地质松散等特点，盾构在掘进时容易出现盾体载头、开挖面失稳等施工难题，如果控制不当可能出现坍塌、渗水被淹等灾难性安全事故。应查明断裂带的性状，与隧道的位置关系，设置有针对性掘进参数，加强同步注浆质量。

④盾构穿越既有前海大堤及大铲湾沉箱结构。盾构始发掘进约180m 即穿越前海南岸大堤，大堤段覆土厚度变化梯度大，覆土深度由27.5m 渐变至227m，隧道断面内为软硬不均复核地层，上部为全～强风化岩，下部为中风化岩，中风化岩侵入断面约3.0～3.5m。大铲湾一期码头结构采用沉箱重力式结构，沉箱底宽14.1m，长17.98m。

在穿越南岸大堤和大铲湾沉箱结构前，对其基础结构形式、大堤处填石深度进行详查，明确分布情况。盾构推进过程中，严格控制平衡泥水压力，控制推进速度，盾构及时纠偏，并做好同步注浆管理，同时在地面做好大堤变形监测。穿越后，持续进行监测，并根据实际地面沉降情况，进行隧道内壁后补压浆。

⑤长距离、深覆土下穿海域水底段。盾构穿越海域段掘进距离约1.1km，最大覆土约31.8m，最下覆土约20.2m，穿越地层为软硬不均复合地层和全断面硬岩层。

盾构推进过程中，严格控制切口水压波动范围，合理设定推进速度，防止海底冒浆。当发现水底冒浆时，如果是轻微冒浆，在不降低开挖面水压下能进行推进，则向前推进（并使用堵漏型泥水材料），应适当加快推进速度，提高拼装效率，使盾构尽早穿过冒浆区。对海域河床及水位监测，必要时增加监测频率。

⑥浅覆土盾构掘进。

本标段盾构接收段为浅覆土（小于隧道直径）施工区。盾构顶最小覆土仅为10.5m，浅覆土段上部为软土，下部为全风化岩层，夹中砂层，给地面沉降控制增加了难度，极有可能出现冒浆甚至开挖面坍塌、隧道“上浮”现象。

浅覆土为加固区，不易纠偏，应保持平稳推进，减少对土体的扰动，同时，合理分配注浆量，确保及时充填盾尾间隙。

⑦超大直径盾构交汇。

妈湾跨海通道工程左右线采用相向推进的盾构掘进方式，左右线隧道最小净距离为13.34m。盾构推进交会推进对盾构姿态控制及成型隧道的保护都是一个巨大的挑战。

盾构交汇前，复核测量盾构机里程，确定左右线盾构机交汇位置，做好施工监测和突发事故应急处理。

3 盾构隧道勘察建议

盾构机的选型设计和施工参数的设定必须与地质条件相适应，即盾构机要做到“吃得下、排的出、稳得住”[3]，才能有效预判盾构隧道施工过程中的风险点，并提前采取相应技术对策。这就对盾构隧道的岩土工程勘察提出了较高的要求，不仅需要查明工程地质条件，还要对盾构法相关的岩土工程问题进行专项研究[4]，并提出处理措施和建议。

3.1 调查工程场地周边环境

针对项目所处场地特点，勘察作业应首先考虑收集周边工程资料，走访调查项目沿线周边环境，主要查明地上地下建构筑物，尤其是沿线地下管线、老旧基础（桩基、锚索）、人防工程等，盾构机刀盘很难处理这些地下障碍物，会给盾构掘进带来较大困难。

调查场地周边环境，尤其是摸清地下建构筑物，可提前对其选择改线避让、加固或破除，施工工单位也能有针对性地做好施工组织和应急预案，合理正确地选择盾构掘进参数，避免盾构掘进过程中遇到不明障碍物所产生的各种风险。在妈湾跨海通道工程盾构掘进过程中就遇到了混凝土搅拌站未拆除的老基础，给盾构机刀盘造成了严重的损坏。对于地下不明构筑物的调查要引起足够重视。

3.2 查明岩土层性状

对于黏性土地层，易导致刀盘结泥饼，应查明黏粒含量。对于软弱土层，土层易扰动，盾构姿态控制困难，也可能造成地面沉降，甚至开挖面坍塌，勘察过程中应结合老地形图，钻探查验，摸清软弱土层的分布范围和埋藏深度。砂类地层要查明密实度，进行矿物含量、颗粒分析等，卵石类地层查明粒径及胶结情况。对于复合地层，“上软下硬”会引起工况转换频繁，刀具磨损严重，地面变形大，开挖面不稳等问题，应采用物探和钻探相结合手段，查明软硬界面、岩石风化界面、软土、砂土层与风化岩界面。对于基岩，应查清耐磨率、单轴抗压强度、基岩矿物成分等。

妈湾项目对于软土层，进行了土工试验和现场原位测试统计分析，结果表明固结程度均较明显，虽然妈湾段及大铲湾段淤泥软基处理方式及处理时间不同，但是经过处理后彼此的淤泥层性质差异不大。

对于残积土及风化岩进行了全颗分，从统计结果来看，大于0.075mm 的颗粒质量大于50%，见表1。

表1 残积土及风化岩全颗分统计表

为查清基岩强度异常点，施工勘察中采取了岩样进行了单轴抗压强度试验，并与详勘进行了比对（图1）。中风化岩平均强度25.87MPa，微风化平均强度64.68MPa。

图1 基岩强度对比曲线图

海域段350 环～650 环岩面较高，大部分为全断面岩层且大于40MPa 基岩长度约580m，耐磨率较低（刀具磨损率高），大铲湾段651 环～750 环、810 环～970 环岩面较高且大于40MPa 基岩长度约280m，耐磨率相对高一些（图2）。

对区间盾构基岩矿物成分进行统计分析，混合花岗岩矿物成分主要为石英（30%）和长石（60%），其它为少量的黑云母及不透明矿物（图3）。

图3 岩石矿物成分分析图

盾构机与地质的适应性决定盾构能否顺利推进，而查明岩土层性状是盾构机选型的关键。黏土的黏粒含量、砾砂类颗粒分析、砂卵石的粒径等都是刀盘的结构设计、刀具选型布置、渣土改良装置设计以及排渣系统设计的重要依据。妈湾跨海通道工程勘察过程中盾构选型关注的岩土层性状进行了针对性分析，对于后期盾构机设计及优化起了决定性作用，同时指导了施工过程中做好渣土改良和同步注浆，防止了刀盘和螺旋输送机卡死、刀盘刀具快速磨损以及地层失稳的问题。

3.3 查清断层性质

断层破碎带岩性复杂，稳定性差，含承压水，水量丰富，且透水性好，盾构推进时易造成泥水逃逸，导致开挖面失稳，甚至造成重大事故。

盾构里程LK2+632 与LK2+702 处遇断裂带，相交夹角约40°～44°，断裂宽度5～10m。碎裂岩裂隙面绿泥石、擦痕、铁质重胶结明显，层厚17～19m，主要填充物为短柱状碎石、土等。根据钻孔的抽水试验，破碎岩渗透系数为4.05×10-2cm/s，碎裂岩的单轴抗压强度为15.0MPa。

查清断层破碎带范围、岩性和水文特征，对于盾构切口水压、掘进速率、同步注浆等参数的设定非常关键。妈湾跨海通道过程中通过物探、钻探综合手段查清了断裂特征，设置了合理的掘进参数，避免了刀盘旋转时突然碰到大块碎裂岩出现的瞬间载荷崩断刀具、裂隙水发育造成螺旋输送器的喷涌，保证了盾构顺利快速穿越断层破碎带。

3.4 查清水文地质

盾构穿越地表水体是一个风险点，可能会造成地表水体倒灌，发生重大安全事故，查明沿线地表水体与隧道的水力联系、地下水类型、水位、相关土层渗透性、连通性成为关键。

妈湾项目对于地下水位进行了观测，结合相关水文试验，认为地下水与海水有一定的水力联系，受地形地貌控制，地下水径流总体上为由东北向西南方向向海排泄，垂直上主要为大气蒸发排泄。

查清水文地质特征对盾构机选型起着决定性作用，也对施工安全至关重要，近年珠海曾发生过地表水体倒灌隧道的透水事故。妈湾跨海通道工程勘察中进行了水文地质专项勘察，查清了地下水位、地下水类型、地下水与海水的水力联系，有效指导了盾构机密封油脂压力设定、注浆压力设定、土仓内压力设定、渣土改良剂浓度和掺入比等盾构密封系统的设计，盾构掘进过程中未出现渗水、漏水等问题。

4 结论

①软硬不均地层、硬岩地层、断层破碎带、既有建构筑物（包含地下基础）、沿线水体（地表水体、海域）、浅覆土、超大直径盾构交汇等都是城市盾构隧道的风险点。

②盾构始发前应对各个风险点进行专题研究。长距离软硬不均地层可采用预爆破处理，硬岩地层应设置合理掘进参数和同步注浆参数，穿越断层带时应结合断层性状及对隧道的影响制定有针对性方案，穿越既有构筑物时，应做好地面监测，控制盾构平衡压力，平稳推进，穿越地表水体时重点保持切口水压力稳定，提高同步注浆质量，增加备用泵及堵漏材料，及时排水、堵漏，左右线盾构交汇时，确定好交汇位置后，通过总结不同地层下盾构实践经验，优化掘进参数，以求达到盾构以最合理的施工参数交汇施工。

③城市盾构隧道勘察应先调查后钻探，多手段综合勘察。首先查清沿线周边环境，尤其地下障碍物探查，其次对于岩土层性状，应重点查明渗透系数、抗剪强度、颗分曲线、岩石抗压、抗拉强度、岩石RQD、完整性等，还要查明断层、风化孤石、岩溶等不良地质作用，应进行专题研究，最后，对于水文地质条件勘察应重点查明沿线地表水体与隧道水力联系，地下水类型、水位、相关土层渗透性等。另外，除了对地质条件分析评价外，还应预测可能发生的岩土工程问题，并提出相应的技术对策和建议。