在硬岩及球状风化岩地段选用传统工法辅助盾构施工的探讨

在硬岩及球状风化岩地段选用传统工法
辅助盾构施工的探讨
提要：盾构法施工的隧道区间，有时岩性变化很大，围岩时软时硬，有些地区在同一断面内，出现上软下硬，甚至在软地层中夹有坚硬的岩层或岩体，在这种情况下，继续采用盾构法掘进，在技术上、经济上和进度上都未必是最恰当的，此时，分辨不同情况，适当地选用一些传统的辅助方法，是解决问题的一种手段。

关键词：盾构区间硬岩段球状风化岩地段工法选择和应用
Abstract: In some cases, there are outstanding differences of rock property between the upper and the lower in a running section, for example, the upper medium is very soft while the lower very hard, even there are some hard rock or rock body scattering in the soft stratum. In that case, probably it is not the best choice to use shield tunneling method to construct the tunnel in terms of technicality, economic and scheduled progress. According to different conditions, we could properly adopt some traditional means to solve those kinds of problems in shield tunneling project.
Keywords: shield tunneling section, hard rock, globular Weathered Granite, construction Method and its Adoption.
1 引言
由于盾构法在修建地铁区间隧道所表现出的突出的优越性，因此，采用盾构
法的比例逐步提高，诸如在广州地铁三号线已超过了隧道总长的2/3（表1）。

“能用盾构法的地方，都采用盾构法”不仅是一种共识，也是一种趋势。

表1 广州地铁三条线采用盾构法隧道长度表（蒙晓莲提供）
但是盾构机是根据特定的地质条件“度身定做”的，尽管盾构机制造技术发展很快，其适应能力也越来越强，然而要找到一种既可用于软土地层，又可用于硬岩地层，且适用于水文地质条件十分复杂的万能盾构机，在目前阶段，至少在造价上是不切合实际的。

因此，在盾构区间出现的硬岩地段是否需要采用一些非盾构工法作为辅助手段，就成了一个问题。

本文仅就盾构区间如何通过硬岩地层的问题，结合一些实例开展讨论。

2 广州地区区间隧道硬岩的分布特征及给盾构施工造成的影响
2.1 软土或软岩地层与硬岩地层相间出现
广州地铁1号线黄沙站-公园前站盾构区间，既有全断面的砂层、淤泥层，又有单轴抗压强度为20～44MPa的中粒砂岩（图1）。

这一区间选用的是泥水加压式盾构机，其刀盘型式如图2。

盾构机在通过690mm砂层之后，66%的滚刀偏磨而需要更换，因为这些滚刀在砂层中不能转动而根本就没起作用。

图1 广州地铁1号线盾构隧道岩性变化示意图
图2 盾构机刀盘型式图
图3 EBPM盾构机刀盘滚刀图
当盾构机通过微风化的中粒砂岩后，58%的滚刀和51%的刮刀严重磨损。

因为在硬岩中推进时，刮刀又起不到很大的作用。

广州地铁2号线市二宫站—江南西站区间，采用的是EPBM，安装了41把滚刀（图3）。

在通过砂质粘土层时，由于刀盘前和密封仓内形成泥饼，滚刀无法转动（图4），因而无法发挥其功能。

但在随后通过含砾砂岩地层时，则滚刀严重磨损，以至于在盾构进站之后发现，不仅大部分滚刀和刮刀都磨损殆尽，连刀盘面板都受到了损伤（图5）。

图4 刀盘前和密封仓内形成泥饼
图5 刀具和刀盘磨损
类似的地质剖面在广州地铁3号线盾构区间也会碰到。

比如市桥—番禺广场区间，在几百米的范围内隧道断面通过的地层有软弱的第四纪砂质粘土层（N值变化在12.0~47.0之间），有单轴抗压强度达140MPa的燕山期花岗岩，也有震旦纪的老地层，其单轴抗压强度超过100MPa。

2.2 花岗岩的球状风化体
花岗岩和花岗片麻岩在风化后之后，往往在其残积的砂质粘性土或全风化松散地层中仍能保存体积和形状不一的球状风化体，其单轴抗压强度往往超过
100MPa，从而与其围岩表现出一种完全不同的特性（图6、图7）。

图6 广州地铁3号线汉溪—光明路区间岩性剖面示意图
图7 深圳益四—香蜜湖盾构区间花岗球状风化体育与盾构机位置关系示意图
因为球状风化体的体积相对较小，在事前的地质钻探过程中难以精确地全部勘察清楚，因此在盾构施工过程中，往往在较松软的介质，如残积的砂质粘性土中，会突然碰到小体积的非常坚硬的球状体，不仅极容易损坏盾构机，且会造成隧道管片破损，隧道中心线偏移等许多难以预料的问题（图8）。

图8 盾构机碰到花岗石岩球状风化体后造成刀盘变形，出现明显的空隙
2.3 隧道断面岩性分布不均匀
这样地质特点在许多地区极为常见，主要表现在：
(1) 上软下硬：上部为第四系的土层，下部为岩石地层；或上部为全风化、强风化岩层，下部为中风化或微风化岩层。

(2) 上硬下软：软硬相间的混杂地层，特别发育在沉积地层中，主要由于岩性的变化造成的。

(3) 左右不均：主要发生在产状变化大，节理发育的地段。

这类地层，特别容易造成盾构机偏离轴线，进而在纠偏的过程中造成管片的破损和开裂，并可能伴生较大的地面沉降。

3 盾构区间硬岩段辅助工法的选择
国外专家在研究岩石质量特性Q值时发现，就隧道掘进速度而言，Q值与采用的施工工法有一定的相关关系（图9）。

该研究说明，并非在任何地质条件下采用盾构法，其掘进速度都是最快的。

当岩石的Q值高到一定程度时，用传统的钻爆法（D+B法）比盾构法施工速度要快。

图9 Q值与不同工法掘进速度的相关关系
本文不准备具体分析Q值在广州地区的分布特征及其与工法选择的关系，之所以引入Q值的概念，仅仅想说明，在某些硬岩地段和球状风化岩地段，盾构法未必是最佳选择。

当然，在考虑工法时，还应研究投资、质量等方面的因素，最终以综合风险分析为选择的依据，此内容将另文讨论。

本文仅从掘进速度和技术风险方面进行讨论。

3.1 矿山法掘进
在盾构区间内的完整硬岩地段，可考虑辅助传统的矿山法掘进。

广州地铁2号线纪—越区间，将穿过两个破碎带宽40～80m的广从断裂带和清泉街断裂带（图10）。

以往在附近进行市政工程施工时就已经发现断裂带极为破碎且会大量涌水，由此产生的地面沉降曾危及附近的国家级重点保护文物中山纪念堂的安全。

图10 广州地铁2号线纪—越区间断面示意图
在区间工法论证阶段，盾构法曾是首先想到的，因为以其优越性来通过两个断裂带应比其他暗挖工法风险小得多。

权衡再三，并未选择盾构法。

究其原因，其中重要的一点是该区间要通过长约600m的花岗岩，其单轴抗压强度超过100MPa，选择适宜的盾构机很困难，最后采用的是矿山法。

在矿山法施工过程中，为了防止
地面沉降，曾在清泉街断裂带实施了水平冻结加固处理，尽管如此，仍没能避免地面楼房开裂，居民临迁，部分楼房进行重建的情况出现。

深圳地铁1号线某区间的地质特点与广州上述情况类似，他们在盾构区间的硬岩段，采用了矿山法施工，然后将盾构机采用过车站的方法“拉”过去。

这样既发挥了盾构法的总体优势，又用传统方法弥补了其处理局部问题的劣势。

盾构法施工隧道采用传统的辅助工法的一个较好的实例。

采用这种方法施工时，重点要注意的问题有：
——矿山法隧道底部导台的处理。

——盾构机通过方式的选择。

若仍采用安装管片的方式通过，则应考虑衬背注浆方法及注浆材料的研究。

要解决隧道变形和浆液前窜的问题。

——在盾构机通过的过程中，由于对安装管片的反推力很小，则还应考虑环缝防水的特殊处理。

——施工精度的控制。

从该区间的地质剖面图（图11）。

可以发现，隧道断面顶部为花岗岩的全风化层和残积的砾质粘性土层，松散，易塌；中下部部分全断面是超过100MPa的中风化和微风化的花岗岩。

图11 地质剖面示意图
矿山法的施工步骤如下：
矿山法完成隧道的初衬之后，盾构机采用管片安装的方法推到隧道另一端，然后继续采用正常的盾构法施工（图12）。

图12 盾构机通过矿山法隧道顺序示意图
3.2 软土地层中花岗岩球状风化体或其他孤石的处理
深圳地铁1号线某盾构区间，线路改变后，由于某些原因而没有及时采用新的地质资料，在推进过程中，盾构机突然碰到坚硬的花岗岩球状风化体，造成了盾构机刀盘变形。

承包商采用的处理方法是，通过人孔进入工作面，用静态爆破的方法，将10个花岗岩球状风化体一一破碎，将石块从人孔和料孔中取出，然后盾构机继续推进（图13和图14）。

图13 盾构工作面可以看到在砂质粘性土中的坚硬花岗岩球状风化体
图14 静态爆破后通过盾构机人孔和料孔取出的花岗岩球状风化体碎块
另据资料报导，瑞士在用盾构法修建一条铁路隧道过程中，碰到过4~5m3的冰碛漂砾，盾构机厂商专门为此类地层设计了一个可伸缩的中央子盾构，但并没能解决大漂砾的破岩问题，因为砾石在盾构推进过程中是不稳定的。

不得已，只能从地面注浆将漂石固定之后，盾构机再破岩通过。

根据国外的经验，对花岗岩球状风化体或大砾石，应视围岩的具体条件，可采用人工方法处理和可直接由盾构机破岩通过，但注意试用：
· 小推力
· 高转速
· 单刃滚刀
3.3 隧道断面下部为硬岩，上部为软土或软岩的处理
广州地区浅埋和部分中埋隧道断面上软下硬的情况是很多见的，在一般情况下，结合施工经验，采取科学的施工参数，都可较顺利地通过。

是否需要采取辅助工法处理，则要视下部硬岩的特征，分布范围等具体情况来决定。