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复杂条件下超大直径盾构市政隧道工程勘察方法探讨

 摘 要: 超大直径盾构隧道由于尺寸大,洞身范围地层多,水文地质条件复杂,遇到的岩土工程问题更多、更复杂。本文结合春风隧道工程的特点,总结该工程的勘察经验,在勘探点布置、围岩分级、水文地质条件问题、结泥饼可能性、石英含量、岩石耐磨性和硬度、建( 构) 筑物基础情况调查等方面,探讨了超大直径盾构工程勘察的重点、难点和对应解决方法,对同类型的复杂条件下的超大直径盾构隧道工程勘察工作具有借鉴作用。
1 引 言
  随着我国城市化进程的加快,城市可用地逐渐减少,城市市政建设开始不断向地下空间发展,尤其是在大城市和特大城市,超大直径的隧道施工技术慢慢被采用。超大直径盾构隧道一般是指直径 15 m级的大直径盾构隧道。自东京湾道路隧道于 1996 年建成以来,已建成工程多项。目前,国外直径 15 m级的盾构隧道工程完成 8 项,掘进长度约58.8 km,采用盾构14 台,其中 11 台为泥水平衡盾构,仅 3 台为土压平衡盾构,盾构直径为 14.14 m ~ 15.61 m。而国内超大直径盾构隧道已建和在建的项目达 21项,已建成或贯通的有 10 项,其中上海 5 项,南京 2 项,扬州 1 项,杭州 1项,武 汉 1 项; 在 建 的 有 11 项,盾构隧道直径为14.50 m ~ 15.80 m。
  从表 1 可看出,在项目所在区域分布这个角度上看,已建成或已贯通的盾构施工的大直径隧道项目主要分布在我国东部沿海和中部城市,除个别隧道遇有卵石或部分断面岩石地层外,表中多数工程项目的地质条件,多是在土层中施工的大直径盾构隧道,而类似春风隧道全断面入硬质岩石的大直径盾构隧道并不多见。
 

2 春风隧道盾构工程的特点
  深圳春风隧道项目为城市快速路,双向四车道,设计车速为 60 km / h,拟采用单洞双层结构,上下双向通行,单方向设置 2 车道加应急车道。工程跨越深圳市福田、罗湖两区,起于滨河大道上步立交,依次经过多条重要道路及建筑区,终于沿河南路新秀立交以南,全线长约 5.16 km,其中隧道盾构段长 3.6 km,为城市快速路,双向四车道,设计车速为 60 km / h。隧道外径约为 15.80 m,拟采用泥水平衡盾构施工工艺。拟建隧道位置示意图如图 1 所示。该项目工程特点主要有如下几个方面:
                                                                                 
2.1 盾构断面尺寸大
  城市一般地铁盾构断面直径约为 6.5 m,而超大直径盾构断面一般超过 15 m,为普通地铁工程断面面积的 5 倍以上。给工程带来特有的问题如下:
  ①工程经验少。我国仅在上海、南京、杭州、武汉等城市有超大盾构直径隧道建设经验,但上述地区地貌基本以各类型平原或阶地为主,基岩埋深大,盾构机穿越地层以土层为主,而深圳市春风隧道区域基岩埋藏浅、岩石种类多、构造条件复杂,可能遇到的问题也更复杂多样,春风隧道盾构全断面为岩石的里程长度达到了 2 800 m,占隧道盾段全长的 78%,故可供参考借鉴的同类型经验非常少。
  ②由于盾构断面直径超过 15 m,洞身范围分布的地层多,盾构施工对地层差异敏感性更高,施工造成土层应力重分布的影响范围大。
  ③隧道起止段埋深较浅,中间段埋深大。一般城市盾构隧道两端洞口需与地面市政道路相链接配套,故其起止段埋深一般较浅,上覆土层厚度也较小,盾构施工对周边地面环境的影响较大; 隧道中间段埋深大,春风隧道在深圳罗湖火车站位置的最大埋深达到了60 m左右,深部岩层性质、强度和完整性对盾构施工有较大影响。
2.2 水文和工程地质条件复杂
  通过现场踏勘和收集的资料显示,拟建工程场地的水文和工程地质条件较复杂,如图 2 所示,主要体现在以下方面:
  ①拟建工程场地为海陆相冲洪积平原、滩涂及沟谷地貌地区,沿线分布厚层砂( 卵) 石层,隧道下穿布吉河,临近深圳河,其水量较大,且水位受潮汐的影响,场地内分布断裂十余条,隧道与深圳断裂带斜交,形成地下水良好的通道,地表水与地下水存在一定的水力联系,其沿线水文环境相当复杂。
  ②沿线布有淤泥,淤泥质黏土等软弱地层以及富含地下水的砂层、卵石层等,对隧道等地下空间施工不利的地层。
  ③场地分布有多种岩性: 沿线有多种岩性,按线路里程主要分布有粗粒花岗岩、板岩、碎裂岩、凝灰质砂岩、变质砂岩等多种岩性。岩石类别为较软岩 ~ 坚硬岩,岩石强度变化大,岩面埋深起伏大,盾构施工掌子面软硬不均。
  ④深圳市罗湖区构造较为复杂,断裂发育。场地内断裂主要为深圳断裂带,隧道范围内共分布断裂 13条。隧道与断裂斜交处岩石极破碎,隧洞左右侧岩体完整性及坚硬程度差异也较大,形成软硬不均的现象,对盾构施工造成不利影响。
                                                                                                      
                                                                                                                 
2.3 隧道穿越区域的环境复杂
  如图 3 所示,春风隧道线路需穿越多条城市主干道、地铁、铁路、河流、桥梁以及房屋建筑 70 余栋,人口密集,沿线分布有较多的通信、电力、燃气、供水、雨水、污水等重要的市政管线,需下穿的建( 构) 筑物多,基础形式复杂,对沉降敏感。 
3 勘察关注的重难点及解决措施
  根据已有的盾构工程经验和春风隧道的工程特点,超大直径盾构隧道勘察关注的重点、难点和解决的措施分述如下:
3.1 勘探工作量的布置
  城市盾构隧道周边环境复杂,地质条件也复杂多样,一般规范中的勘察工作量布置较稀疏,可参考的规范,如《市政工程勘察规范》主要适用于常规尺寸的城市地下浅埋隧道,《公路工程地质勘察规范》主要适用于山岭矿山法隧道,而《城市轨道交通岩土工程勘察规范》虽对盾构工法针对性强,但由于其断面直径一般仅为6.5 m,对于超过 14 m直径的超大直径盾构隧道,断面尺寸效应造成其参考意义存在局限性。以详勘阶段为例,上述不同规范对于隧道布置钻孔的允许间距范围较大,故对于大直径盾构隧道,上述规范针对性不强,均具有一定的局限性,显然不足以解决目前的问题。解决措施: 针对不同的重点部位,有的放矢,采取适宜的钻孔间距。在盾构始发段、接收段 100 m以及建筑物密集区域按照 10 m的间距布置钻孔; 建筑较少区段,浅基础区域按照 15 m的间距控制,深基础区域则按照 20 m间距布置; 在断裂带前后 30 m范围加密钻孔,布孔间距 5 m。还需注意加强始发井和接收井的作为深基坑的勘察工作布置。
3.2 隧道围岩分级
  隧道围岩分级关系到支护强度、盾构施工工期、换刀频率、换刀位置选择及超前支护措施,因此隧道围岩的稳定性、坚硬程度及完整性是盾构隧道勘察关注的重点和难点之一。
  解决措施: ①根据区域地质图,结合初勘成果,在断层破碎带经过区域前后 30 m范围内按照 5 m的间距布置钻孔,以查明断层影响范围内岩石的强度和完整性; ②对所有钻孔在洞身范围内采取岩样进行单轴抗压强度试验或点荷载试验,以查明洞身范围内岩石的强度;③采取 1 /4 ~ 1 /2 的钻孔进行波速测试或孔内电视试验,以查明岩体的完整性;
④对所有钻孔基岩段进行岩芯采取率和 RQD 统计,如图 4 所示,并结合波速试验和孔内电视试验进行分析比对。
  通过对钻孔平均 RQD 值、钻孔声波和孔内电视对比分析,三种手段都可得出全线洞身范围内岩石完整性的特点。以钻孔 RQD 值为例,明显可以找出在里程段 K2 ~ K3 范围的岩石,完整性相对全线其他里程段来说更为完整,对于盾构刀盘换刀安全位置的选择具有指导意义,为盾构选型、设计和施工提供可靠的依据。
3.3 水文地质条件
  春风隧道线路下穿布吉河,紧邻深圳河,其水位均受潮汐影响。场地原始地貌单元存在滨海滩涂地貌,地质条件复杂,分布断层破碎带较多。地下水条件对地面沉降和端头加固具有一定的联系,因此查明场地的水位地质条件为本工程的重点和难点之一。
  解决措施: ①结合地貌单元,按每 500 m 左右采取水样进行水质简分析试验,查明场地地下水与布吉河、深圳河的联系;②布置一定数量的钻孔进行抽水试验,查明孔隙水和基岩裂隙水的承压性和富水情况;③收集原始地形资料,分析线路与原深圳河的关系,并在古河道进行钻孔采取水样进行试验,并分析其与深圳河河水的联系,分析海水入侵范围及对混凝土腐蚀性的影响。④设置水文观测钻孔,定期量测水位,分析其与潮汐的关系。
3.4 预加固区勘察
  盾构始发或到达时围护结构外侧的土体为软弱地层、强透水性地层,直接人工凿除洞门会发生涌水、涌砂、涌泥等安全事故。对进出洞土体进行预加固处理,有止水、加固土体的作用,稳定围护结构外侧的土体,使得盾构始发、接收时,破除洞门更加安全。因此,查明盾构始发和接收段的地质条件和水文条件为本工程的重点和难点之一。
  解决措施: ①在盾构始发和接收段 150 m范围内按照 10 m的间距布置钻孔,详细查明加固范围内的地质条件; ②根据盾构始发和接收段的地质条件,布置一定数量的抽水试验孔和水文观测孔,查明始发段和接收段岩土层的渗透系数和富水情况。
3.5 结泥饼可能性分析
  黏土矿物是泥饼形成的物质基础,当土或岩中黏土矿物含量超过 25%时,随着其含量的增加,相同施工设备和工艺的条件下,泥饼形成的可能性将增加。春风隧道在进出洞段埋深较浅,洞身位于全、强风化基岩中,因此,查明全、强风化基岩中黏土矿物的含量是本次勘察关注的重点和难点之一。
  解决措施: 对每种岩性的全、强风化基岩和断层泥采取一定数量样品进行黏土矿物含量分析试验,对试验结果中黏土矿物含量大于 25%的全、强风化基岩,扩大其取样数量,进行分析统计,为盾构选型和设计提供依据。
3.6 岩石特性
  石英含量的高低、岩石的耐磨性以及硬度,对盾构设备的换刀频率亦紧密联系,因此查明各岩石上述特性为本次勘察关注的重点和难点之一。
  解决措施: 对每种岩性的中等风化和微风化基岩采取一定数量的样品,分别进行岩石的石英含量、耐磨性试验和硬度试验,查明全线基岩石英含量的分布,并对全线岩石抗压强度大于 80MPa 的地段辅以波速测试和孔内电视进行分析,为盾构选型和后期盾构施工换刀频率及换刀位置的选择提供参考。对沿线各类型岩石的石英含量进行了岩石薄片鉴定分析试验,试验统计结果如表 2 所示:
  对沿线各类型岩石进行耐磨率和摩氏硬度试验,供盾构掘进和刀盘的选型参考,试验的统计结果如表 4 所示:

3.7 断裂带勘察
  深圳市罗湖区构造较为复杂,断裂发育。场地内断裂主要为深圳断裂带,隧道范围内共分布断裂带 13条。隧道与断裂斜交处岩石极破碎,隧洞左右侧岩体完整性及坚硬程度差异也较大,形成软硬不均的现象,对盾构施工造成不利影响。因此,查明沿线断裂带及其性质条件,是本工程的重点和难点之一。
  解决措施: ①分阶段进行勘察,对于初勘遇到断层破碎带的位置,在详勘阶段加密布置钻孔勘察,本项目在预测的断层位置上下盘 30 m范围内,沿线路方向每5 m布置一个钻孔,查清断层走向、倾角、影响范围及地层空间分布、性质;②选取部分遇断裂带的钻孔采用钻孔电视手段,直观观测破碎带内岩石完整性;③对揭露破碎带的钻孔进行波速测试,判断岩体的完整性;④布置钻孔进行抽水试验,查明断层位置地下水的承压性、富水情况和断层的地下水连通性。
3.8 建( 构) 筑物基础探查
  线路位于罗湖老城区,下穿的建( 构) 筑物较多,隧道与某大厦竖向关系图如图 5 所示,盾构施工产生的变形对建( 构) 筑物的影响较大,桩基础也有可能侵入盾构隧道断面,以对盾构施工产生影响。因此,查明沿线建( 构) 筑物的性质、基础情况和持力层条件,是本工程的重点和难点之一。
  解决措施: ①通过向产权单位收集各建( 构) 筑物的基础情况,查明各建( 构) 筑物的基础埋深和基础持力层,确定其与盾构隧道顶板之间的距离; ②对线路下穿的建( 构) 筑物周边按 10 m的间距进行布置钻孔,查明各建( 构) 筑物基础底部至盾构隧道顶板之间的地质条件,根据地质条件分析盾构施工对建( 构) 筑物的不利影响。通过上述工作,查明建( 构) 筑物的基础情况后,在横断面上标识出建( 构) 筑物的基础与隧道关系,如表 5 所示,在竖向方面能够直观地表述,便于设计单位验算使用。

4 结 论
  超大直径盾构隧道由于尺寸大,洞身范围地层多,而春风隧道又由于深圳罗湖区断层复杂,岩性多样,隧道周边水文环境复杂,下穿建( 构) 筑物多,且隧道两端浅埋、中间段深埋,总体属全断面入岩的大直径深埋盾构隧道,相对于一般的市政隧道、地铁,需要解决的岩土工程问题更多、更复杂。通过春风隧道工程的特点和工程勘察经验的总结,主要有如下值得推广的经验: 在勘探点布置方面有的放矢,在断层、隧道端头等重点部位加密布置钻孔;对于围岩分级,在岩石的类型鉴定定名、单轴抗压强度试验、点荷载强度试验、岩体纵波速测试、RQD 和采取率统计分析应用、孔内电视测试等多方面着手,有效查明围岩分级问题,有利于掌握全线围岩的完整度情况;对于水文地质条件问题,结合地貌单元和历史地形沿革,采用布置抽水试验和长期水文监测等手段查明水文地质条件; 对于盾构机及刀盘选型等盾构施工相关问题,勘察阶段重点关注结泥饼可能性、岩石强度、石英含量、岩石耐磨性和硬度,可以对盾构刀盘选型起到较强的指导作用; 建( 构) 筑物基础情况采用调查、钻探等方面工作,查明沿线外部环境影响条件及与工程的相互影响关系。
  本文通过这些方面的探讨,分析了超大直径城市隧道盾构工程的特点,明确了超大直径盾构工程勘察的重、难点,指明了对应的解决方法,对同类型复杂条件下的超大直径盾构隧道勘察工作,具有借鉴作用。

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