復雜條件下超大直徑盾構(gòu)市政隧道工程勘察方法探討

易宙子，莫衍超，熊清林，李仲軒

(深圳市建設(shè)綜合勘察設(shè)計院有限公司，廣東 深圳 518108)

1 引 言

隨著我國城市化進程的加快，城市可用地逐漸減少，城市市政建設(shè)開始不斷向地下空間發(fā)展，尤其是在大城市和特大城市，超大直徑的隧道施工技術(shù)慢慢被采用。超大直徑盾構(gòu)隧道一般是指直徑 15 m級的大直徑盾構(gòu)隧道[1]。自東京灣道路隧道于1996年建成以來，已建成工程多項。目前，國外直徑 15 m級的盾構(gòu)隧道工程完成8項，掘進長度約 58.8 km，采用盾構(gòu)14臺，其中11臺為泥水平衡盾構(gòu)，僅3臺為土壓平衡盾構(gòu)，盾構(gòu)直徑為 14.14 m～15.61 m。而國內(nèi)超大直徑盾構(gòu)隧道已建和在建的項目達21項，已建成或貫通的有10項，其中上海5項，南京2項，揚州1項，杭州1項，武漢1項；在建的有11項，盾構(gòu)隧道直徑為 14.50 m～15.80 m。

從表1可看出，在項目所在區(qū)域分布這個角度上看，已建成或已貫通的盾構(gòu)施工的大直徑隧道項目主要分布在我國東部沿海和中部城市，除個別隧道遇有卵石或部分斷面巖石地層外，表中多數(shù)工程項目的地質(zhì)條件，多是在土層中施工的大直徑盾構(gòu)隧道，而類似春風隧道全斷面入硬質(zhì)巖石的大直徑盾構(gòu)隧道并不多見。

國內(nèi)大直徑盾構(gòu)工程概況 表1

2 春風隧道盾構(gòu)工程的特點

深圳春風隧道項目為城市快速路，雙向四車道，設(shè)計車速為 60 km/h，擬采用單洞雙層結(jié)構(gòu)，上下雙向通行，單方向設(shè)置2車道加應急車道。工程跨越深圳市福田、羅湖兩區(qū)，起于濱河大道上步立交，依次經(jīng)過多條重要道路及建筑區(qū)，終于沿河南路新秀立交以南，全線長約 5.16 km，其中隧道盾構(gòu)段長 3.6 km，為城市快速路，雙向四車道，設(shè)計車速為 60 km/h。隧道外徑約為 15.80 m，擬采用泥水平衡盾構(gòu)施工工藝。擬建隧道位置示意圖如圖1所示。該項目工程特點主要有如下幾個方面：

圖1 擬建隧道位置示意圖

2.1 盾構(gòu)斷面尺寸大

城市一般地鐵盾構(gòu)斷面直徑約為 6.5 m，而超大直徑盾構(gòu)斷面一般超過 15 m，為普通地鐵工程斷面面積的5倍以上。給工程帶來特有的問題如下：

①工程經(jīng)驗少。我國僅在上海、南京、杭州、武漢等城市有超大盾構(gòu)直徑隧道建設(shè)經(jīng)驗，但上述地區(qū)地貌基本以各類型平原或階地為主，基巖埋深大，盾構(gòu)機穿越地層以土層為主，而深圳市春風隧道區(qū)域基巖埋藏淺、巖石種類多、構(gòu)造條件復雜，可能遇到的問題也更復雜多樣，春風隧道盾構(gòu)全斷面為巖石的里程長度達到了 2 800 m，占隧道盾構(gòu)段全長的78%，故可供參考借鑒的同類型經(jīng)驗非常少。

②由于盾構(gòu)斷面直徑超過15 m，洞身范圍分布的地層多，盾構(gòu)施工對地層差異敏感性更高，施工造成土層應力重分布的影響范圍大。

③隧道起止段埋深較淺，中間段埋深大。一般城市盾構(gòu)隧道兩端洞口需與地面市政道路相鏈接配套，故其起止段埋深一般較淺，上覆土層厚度也較小，盾構(gòu)施工對周邊地面環(huán)境的影響較大；隧道中間段埋深大，春風隧道在深圳羅湖火車站位置的最大埋深達到了 60 m左右，深部巖層性質(zhì)、強度和完整性對盾構(gòu)施工有較大影響。

2.2 水文和工程地質(zhì)條件復雜

通過現(xiàn)場踏勘和收集的資料顯示，擬建工程場地的水文和工程地質(zhì)條件較復雜，如圖2所示，主要體現(xiàn)在以下方面：

①擬建工程場地為海陸相沖洪積平原、灘涂及溝谷地貌地區(qū)，沿線分布厚層砂(卵)石層，隧道下穿布吉河，臨近深圳河，其水量較大，且水位受潮汐的影響，場地內(nèi)分布斷裂十余條，隧道與深圳斷裂帶斜交，形成地下水良好的通道，地表水與地下水存在一定的水力聯(lián)系，其沿線水文環(huán)境相當復雜。

②沿線布有淤泥，淤泥質(zhì)黏土等軟弱地層以及富含地下水的砂層、卵石層等，對隧道等地下空間施工不利的地層。

③場地分布有多種巖性：沿線有多種巖性，按線路里程主要分布有粗粒花崗巖、板巖、碎裂巖、凝灰質(zhì)砂巖、變質(zhì)砂巖等多種巖性。巖石類別為較軟巖～堅硬巖，巖石強度變化大，巖面埋深起伏大，盾構(gòu)施工掌子面軟硬不均。

④深圳市羅湖區(qū)構(gòu)造較為復雜，斷裂發(fā)育。場地內(nèi)斷裂主要為深圳斷裂帶，隧道范圍內(nèi)共分布斷裂13條。隧道與斷裂斜交處巖石極破碎，隧洞左右側(cè)巖體完整性及堅硬程度差異也較大，形成軟硬不均的現(xiàn)象，對盾構(gòu)施工造成不利影響。

圖2 隧道區(qū)域水文及地質(zhì)構(gòu)造簡圖

2.3 隧道穿越區(qū)域的環(huán)境復雜

如圖3所示，春風隧道線路需穿越多條城市主干道、地鐵、鐵路、河流、橋梁以及房屋建筑70余棟，人口密集，沿線分布有較多的通信、電力、燃氣、供水、雨水、污水等重要的市政管線，需下穿的建(構(gòu))筑物多，基礎(chǔ)形式復雜，對沉降敏感。

圖3 擬建隧道下穿建筑群局部圖

3 勘察關(guān)注的重難點及解決措施

根據(jù)已有的盾構(gòu)工程經(jīng)驗和春風隧道的工程特點，超大直徑盾構(gòu)隧道勘察關(guān)注的重點、難點和解決的措施分述如下：

3.1 勘探工作量的布置

城市盾構(gòu)隧道周邊環(huán)境復雜，地質(zhì)條件也復雜多樣，一般規(guī)范中的勘察工作量布置較稀疏，可參考的規(guī)范，如《市政工程勘察規(guī)范》主要適用于常規(guī)尺寸的城市地下淺埋隧道，《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》主要適用于山嶺礦山法隧道，而《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》雖對盾構(gòu)工法針對性強，但由于其斷面直徑一般僅為 6.5 m，對于超過 14 m直徑的超大直徑盾構(gòu)隧道，斷面尺寸效應造成其參考意義存在局限性。以詳勘階段為例，上述不同規(guī)范對于隧道布置鉆孔的允許間距范圍較大，故對于大直徑盾構(gòu)隧道，上述規(guī)范針對性不強，均具有一定的局限性，顯然不足以解決目前的問題。

解決措施：針對不同的重點部位，有的放矢，采取適宜的鉆孔間距。在盾構(gòu)始發(fā)段、接收段 100 m以及建筑物密集區(qū)域按照 10 m的間距布置鉆孔；建筑較少區(qū)段，淺基礎(chǔ)區(qū)域按照 15 m的間距控制，深基礎(chǔ)區(qū)域則按照 20 m間距布置；在斷裂帶前后 30 m范圍加密鉆孔，布孔間距 5 m。還需注意加強始發(fā)井和接收井的作為深基坑的勘察工作布置。

3.2 隧道圍巖分級

隧道圍巖分級關(guān)系到支護強度、盾構(gòu)施工工期、換刀頻率、換刀位置選擇及超前支護措施，因此隧道圍巖的穩(wěn)定性、堅硬程度及完整性是盾構(gòu)隧道勘察關(guān)注的重點和難點之一。

解決措施：①根據(jù)區(qū)域地質(zhì)圖，結(jié)合初勘成果，在斷層破碎帶經(jīng)過區(qū)域前后 30 m范圍內(nèi)按照 5 m的間距布置鉆孔，以查明斷層影響范圍內(nèi)巖石的強度和完整性；②對所有鉆孔在洞身范圍內(nèi)采取巖樣進行單軸抗壓強度試驗或點荷載試驗，以查明洞身范圍內(nèi)巖石的強度；③采取1/4～1/2的鉆孔進行波速測試或孔內(nèi)電視試驗，以查明巖體的完整性；④對所有鉆孔基巖段進行巖芯采取率和RQD統(tǒng)計，如圖4所示，并結(jié)合波速試驗和孔內(nèi)電視試驗進行分析比對。

圖4 隧道沿線鉆孔RQD統(tǒng)計圖

通過對鉆孔平均RQD值、鉆孔聲波和孔內(nèi)電視對比分析，三種手段都可得出全線洞身范圍內(nèi)巖石完整性的特點。以鉆孔RQD值為例，明顯可以找出在里程段K2～K3范圍的巖石，完整性相對全線其他里程段來說更為完整，對于盾構(gòu)刀盤換刀安全位置的選擇具有指導意義，為盾構(gòu)選型、設(shè)計和施工提供可靠的依據(jù)。

3.3 水文地質(zhì)條件

春風隧道線路下穿布吉河，緊鄰深圳河，其水位均受潮汐影響。場地原始地貌單元存在濱海灘涂地貌，地質(zhì)條件復雜，分布斷層破碎帶較多。地下水條件對地面沉降和端頭加固具有一定的聯(lián)系，因此查明場地的水位地質(zhì)條件為本工程的重點和難點之一。

解決措施：①結(jié)合地貌單元，按每500 m左右采取水樣進行水質(zhì)簡分析試驗，查明場地地下水與布吉河、深圳河的聯(lián)系；②布置一定數(shù)量的鉆孔進行抽水試驗，查明孔隙水和基巖裂隙水的承壓性和富水情況；③收集原始地形資料，分析線路與原深圳河的關(guān)系，并在古河道進行鉆孔采取水樣進行試驗，并分析其與深圳河河水的聯(lián)系，分析海水入侵范圍及對混凝土腐蝕性的影響。④設(shè)置水文觀測鉆孔，定期量測水位，分析其與潮汐的關(guān)系。

3.4 預加固區(qū)勘察

盾構(gòu)始發(fā)或到達時圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)的土體為軟弱地層、強透水性地層，直接人工鑿除洞門會發(fā)生涌水、涌砂、涌泥等安全事故。對進出洞土體進行預加固處理，有止水、加固土體的作用，穩(wěn)定圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)的土體，使得盾構(gòu)始發(fā)、接收時，破除洞門更加安全。因此，查明盾構(gòu)始發(fā)和接收段的地質(zhì)條件和水文條件為本工程的重點和難點之一。

解決措施：①在盾構(gòu)始發(fā)和接收段 150 m范圍內(nèi)按照 10 m的間距布置鉆孔，詳細查明加固范圍內(nèi)的地質(zhì)條件；②根據(jù)盾構(gòu)始發(fā)和接收段的地質(zhì)條件，布置一定數(shù)量的抽水試驗孔和水文觀測孔，查明始發(fā)段和接收段巖土層的滲透系數(shù)和富水情況。

3.5 結(jié)泥餅可能性分析

黏土礦物是泥餅形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，當土或巖中黏土礦物含量超過25%時，隨著其含量的增加，相同施工設(shè)備和工藝的條件下，泥餅形成的可能性將增加[3]。春風隧道在進出洞段埋深較淺，洞身位于全、強風化基巖中，因此，查明全、強風化基巖中黏土礦物的含量是本次勘察關(guān)注的重點和難點之一。

解決措施：對每種巖性的全、強風化基巖和斷層泥采取一定數(shù)量樣品進行黏土礦物含量分析試驗，對試驗結(jié)果中黏土礦物含量大于25%的全、強風化基巖，擴大其取樣數(shù)量，進行分析統(tǒng)計，為盾構(gòu)選型和設(shè)計提供依據(jù)。

3.6 巖石特性

石英含量的高低、巖石的耐磨性以及硬度，對盾構(gòu)設(shè)備的換刀頻率亦緊密聯(lián)系，因此查明各巖石上述特性為本次勘察關(guān)注的重點和難點之一。

解決措施：對每種巖性的中等風化和微風化基巖采取一定數(shù)量的樣品，分別進行巖石的石英含量、耐磨性試驗和硬度試驗，查明全線基巖石英含量的分布，并對全線巖石抗壓強度大于80MPa的地段輔以波速測試和孔內(nèi)電視進行分析，為盾構(gòu)選型和后期盾構(gòu)施工換刀頻率及換刀位置的選擇提供參考。

對沿線各類型巖石的石英含量進行了巖石薄片鑒定分析試驗，試驗統(tǒng)計結(jié)果如表2所示：

石英含量統(tǒng)計表 表2

對沿線各類型巖石進行耐磨率和摩氏硬度試驗，供盾構(gòu)掘進和刀盤的選型參考，試驗的統(tǒng)計結(jié)果如表3、表4所示：

巖石的耐磨性統(tǒng)計表 表3

巖石摩氏硬度試驗統(tǒng)計表 表4

3.7 斷裂帶勘察

深圳市羅湖區(qū)構(gòu)造較為復雜，斷裂發(fā)育。場地內(nèi)斷裂主要為深圳斷裂帶，隧道范圍內(nèi)共分布斷裂帶13條。隧道與斷裂斜交處巖石極破碎，隧洞左右側(cè)巖體完整性及堅硬程度差異也較大，形成軟硬不均的現(xiàn)象，對盾構(gòu)施工造成不利影響。因此，查明沿線斷裂帶及其性質(zhì)條件，是本工程的重點和難點之一。

解決措施：①分階段進行勘察，對于初勘遇到斷層破碎帶的位置，在詳勘階段加密布置鉆孔勘察，本項目在預測的斷層位置上下盤 30 m范圍內(nèi)，沿線路方向每 5 m布置一個鉆孔，查清斷層走向、傾角、影響范圍及地層空間分布、性質(zhì)；②選取部分遇斷裂帶的鉆孔采用鉆孔電視手段，直觀觀測破碎帶內(nèi)巖石完整性；③對揭露破碎帶的鉆孔進行波速測試，判斷巖體的完整性；④布置鉆孔進行抽水試驗，查明斷層位置地下水的承壓性、富水情況和斷層的地下水連通性。

3.8 建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)探查

線路位于羅湖老城區(qū)，下穿的建(構(gòu))筑物較多，隧道與某大廈豎向關(guān)系圖如圖5所示，盾構(gòu)施工產(chǎn)生的變形對建(構(gòu))筑物的影響較大，樁基礎(chǔ)也有可能侵入盾構(gòu)隧道斷面，以對盾構(gòu)施工產(chǎn)生影響。因此，查明沿線建(構(gòu))筑物的性質(zhì)、基礎(chǔ)情況和持力層條件，是本工程的重點和難點之一。

解決措施：①通過向產(chǎn)權(quán)單位收集各建(構(gòu))筑物的基礎(chǔ)情況，查明各建(構(gòu))筑物的基礎(chǔ)埋深和基礎(chǔ)持力層，確定其與盾構(gòu)隧道頂板之間的距離；②對線路下穿的建(構(gòu))筑物周邊按 10 m的間距進行布置鉆孔，查明各建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)底部至盾構(gòu)隧道頂板之間的地質(zhì)條件，根據(jù)地質(zhì)條件分析盾構(gòu)施工對建(構(gòu))筑物的不利影響。

通過上述工作，查明建(構(gòu))筑物的基礎(chǔ)情況后，在橫斷面上標識出建(構(gòu))筑物的基礎(chǔ)與隧道關(guān)系，如表5所示，在豎向方面能夠直觀地表述，便于設(shè)計單位驗算使用。

圖5 隧道與某大廈豎向關(guān)系圖

線路與部分下穿建(構(gòu))筑物關(guān)系表 表5

4 結(jié) 論

超大直徑盾構(gòu)隧道由于尺寸大，洞身范圍地層多，而春風隧道又由于深圳羅湖區(qū)斷層復雜，巖性多樣，隧道周邊水文環(huán)境復雜，下穿建(構(gòu))筑物多，且隧道兩端淺埋、中間段深埋，總體屬全斷面入巖的大直徑深埋盾構(gòu)隧道，相對于一般的市政隧道、地鐵，需要解決的巖土工程問題更多、更復雜。

通過春風隧道工程的特點和工程勘察經(jīng)驗的總結(jié)，主要有如下值得推廣的經(jīng)驗：在勘探點布置方面有的放矢，在斷層、隧道端頭等重點部位加密布置鉆孔；對于圍巖分級，在巖石的類型鑒定定名、單軸抗壓強度試驗、點荷載強度試驗、巖體縱波速測試、RQD和采取率統(tǒng)計分析應用、孔內(nèi)電視測試等多方面著手，有效查明圍巖分級問題，有利于掌握全線圍巖的完整度情況；對于水文地質(zhì)條件問題，結(jié)合地貌單元和歷史地形沿革，采用布置抽水試驗和長期水文監(jiān)測等手段查明水文地質(zhì)條件；對于盾構(gòu)機及刀盤選型等盾構(gòu)施工相關(guān)問題，勘察階段重點關(guān)注結(jié)泥餅可能性、巖石強度、石英含量、巖石耐磨性和硬度，可以對盾構(gòu)刀盤選型起到較強的指導作用；建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)情況采用調(diào)查、鉆探等方面工作，查明沿線外部環(huán)境影響條件及與工程的相互影響關(guān)系。

本文通過這些方面的探討，分析了超大直徑城市隧道盾構(gòu)工程的特點，明確了超大直徑盾構(gòu)工程勘察的重、難點，指明了對應的解決方法，對同類型復雜條件下的超大直徑盾構(gòu)隧道勘察工作，具有借鑒作用。