某超大直徑盾構(gòu)工程勘察重難點(diǎn)分析及對(duì)策措施

孫常青

（1.北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101；2.城市軌道交通深基坑巖土工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

0 引言

城市土地的高強(qiáng)度開發(fā)使得城市土地資源愈顯珍貴，城市市政建設(shè)不斷向超深地下空間發(fā)展，超大直徑的隧道施工技術(shù)逐漸被采用。超大直徑盾構(gòu)隧道是指建成后的襯砌外徑直徑≥14 m 級(jí)的盾構(gòu)法隧道[1]。世界上第一條超大直徑盾構(gòu)法隧道東京灣海底隧道1997年貫通，推動(dòng)了超大直徑盾構(gòu)法隧道的發(fā)展。截至2019年10月31日，在世界范圍內(nèi)，超大直徑盾構(gòu)法隧道工程數(shù)量（含已通車、已貫通和在建）為52 個(gè)[1]，其中國(guó)外16 個(gè)， 中國(guó)大陸地區(qū)34 個(gè)，中國(guó)香港地區(qū)2 個(gè)。超大直徑盾構(gòu)隧道技術(shù)正在向大深度、大斷面、長(zhǎng)距離的方向發(fā)展[2]，目前大直徑盾構(gòu)隧道直徑主要為14.50～15.80 m，項(xiàng)目所在區(qū)域主要分布在我國(guó)東部沿海和中部城市[1-2]。肖明清[3]針對(duì)武漢長(zhǎng)江隧道、南京長(zhǎng)江隧道、上海長(zhǎng)江隧道、獅子洋隧道4 座代表性大直徑盾構(gòu)隧道的環(huán)境條件特點(diǎn)，總結(jié)了大直徑盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)步。楊方勤等[4]介紹了上海長(zhǎng)江隧道抗浮模型試驗(yàn)與結(jié)果，確定了超大直徑隧道動(dòng)態(tài)上浮力，以此為基礎(chǔ)提出了隧道上浮穩(wěn)定機(jī)理，建立了盾構(gòu)隧道上浮計(jì)算的理論模型。余暄平等[5]結(jié)合上海長(zhǎng)江隧道工程超大直徑、超長(zhǎng)距離盾構(gòu)掘進(jìn)，分析了施工中的關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)難點(diǎn)與風(fēng)險(xiǎn)，提出了相應(yīng)的對(duì)策。萬(wàn)凱軍等[6]總結(jié)了武漢長(zhǎng)江隧道水上鉆探與定位困難、砂土取芯率低、地下水流速流向測(cè)試?yán)щy等問(wèn)題，并提出了采用組合樁錨定位、動(dòng)態(tài)跟蹤糾偏技術(shù)、江上同位素示蹤法地下水流速、流向測(cè)試、江上勘探深度監(jiān)控技術(shù)、砂土旋切式鉆探工藝等方法。熊清林和莫衍超[7]以春風(fēng)隧道工程為實(shí)例，介紹了復(fù)雜條件下超大直徑城市盾構(gòu)隧道勘察中常見的技術(shù)難點(diǎn)，并提供了解決措施。由于我國(guó)幅員遼闊，東部沿海、中部城市與北方城市地質(zhì)條件千差萬(wàn)別。盾構(gòu)施工與工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、地形地貌、地面建筑、地下管線、隧道結(jié)構(gòu)、線路線型等因素息息相關(guān)，盾構(gòu)機(jī)應(yīng)該依據(jù)這些具體條件來(lái)“量身定做”。鑒于此，本文以北京東六環(huán)改造隧道工程為依托，分析超大直徑盾構(gòu)的特點(diǎn)、勘察重難點(diǎn)，并提出針對(duì)性勘察措施，對(duì)于盾構(gòu)機(jī)選型、施工，盾構(gòu)井支護(hù)設(shè)計(jì)、地下水控制等具有重要的意義。

1 工程概況

東六環(huán)改造盾構(gòu)隧道工程第2 標(biāo)段位于北京市通州區(qū)，南起于北運(yùn)河北側(cè)約200 m，北至潞苑北大街，設(shè)計(jì)里程范圍LYK8+800-LYK16+000，線路長(zhǎng)7.2 km，設(shè)計(jì)為高速公路，設(shè)計(jì)速度80 km/h。里程LYK8+800-LYK13+840 為超大直徑盾構(gòu)段，長(zhǎng)度為5040 m，隧道直徑約15.5 m，結(jié)構(gòu)頂板埋深約12.5～50.5 m，結(jié)構(gòu)底板埋深為28.0～66.0 m，設(shè)計(jì)荷載250～300 kPa。在里程LYK9+040-LYK9+065設(shè)置中部豎井，LYK13+840-LYK13+867 設(shè)置北部豎井，中部豎井長(zhǎng)57.1 m，寬27.8 m，深42.5 m；北部豎井長(zhǎng)57.1 m，寬27.0 m，深26.0m，均采用明挖法施工，地連墻+內(nèi)支撐支護(hù)。擬建隧道工程地理位置示意圖見圖1。

2 東六環(huán)盾構(gòu)隧道工程特點(diǎn)

（1）工程勘察等級(jí)高

城市軌道交通盾構(gòu)斷面直徑一般約6.0 m，而東六環(huán)隧道直徑15.5 m，盾構(gòu)機(jī)開挖斷面202 m2，是北京市首例超大直徑盾構(gòu)隧道，工程勘察等級(jí)甲級(jí)，工程經(jīng)驗(yàn)較少。盾構(gòu)機(jī)選型對(duì)于超大直徑、長(zhǎng)距離、高水壓隧道工程設(shè)計(jì)和施工是關(guān)鍵。

（2）工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜

第2 標(biāo)段隧道長(zhǎng)5040 m，隧道起點(diǎn)段結(jié)構(gòu)頂板埋深約12.5 m，結(jié)構(gòu)底板埋深約28.0 m；中間段埋深最大，結(jié)構(gòu)頂板埋深約50.5 m，結(jié)構(gòu)底板埋深約66.0 m；隧道終點(diǎn)段結(jié)構(gòu)頂板埋深約18.30 m，結(jié)構(gòu)底板埋深約33.8 m。盾構(gòu)穿越地層為黏性土、粉土、砂土層，砂層以密實(shí)富水砂層為主。由于埋深變化大，即使是相同巖性的粉土、粉質(zhì)黏土、砂土，工程性質(zhì)截然不同。盾構(gòu)施工對(duì)地層差異敏感性高，施工造成土層應(yīng)力重分布的影響范圍較大。

另外，場(chǎng)地內(nèi)分布多層地下水，其中承壓水水頭較高，水壓力較大，盾尾密封倉(cāng)可能被水壓力擊穿，勘察時(shí)需重點(diǎn)查明擬建場(chǎng)地的各土層的物理力學(xué)性質(zhì)以及水文地質(zhì)條件。

（3）超深基坑支護(hù)以及地下水控制難度大

中部盾構(gòu)井深42.5 m，北部盾構(gòu)井深26 m，屬于超深基坑，基坑安全等級(jí)為一級(jí)?；觽?cè)壁土層主要為人工填土、第四系大厚度砂土，夾黏性土、粉土層，基坑易坍塌，支護(hù)難度大；同時(shí)，場(chǎng)地內(nèi)分布有上層滯水、潛水和多層承壓水，承壓水水頭高，基坑開挖時(shí)可能發(fā)生基底隆起、突涌。勘察時(shí)需要查明擬建場(chǎng)地內(nèi)各層含水層的分布，特別是承壓水的水頭高度對(duì)盾構(gòu)井地下水控制方案的選擇起決定作用。

另外，盾構(gòu)井埋置深度大，擬建隧道場(chǎng)地歷史水位高，抗浮問(wèn)題較為突出。

（4）周邊環(huán)境復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高

隧道工程周邊環(huán)境復(fù)雜，主要位于北京城市副中心綠化景觀提升公園，沿線下穿規(guī)劃M101、現(xiàn)狀6 號(hào)線、規(guī)劃平谷線、城際鐵路、京秦鐵路、規(guī)劃M103、運(yùn)潮減河，沿線還存在超高壓燃?xì)?、航油、石油等重要管線（見圖2）。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)從一級(jí)到特級(jí)，盾構(gòu)掘進(jìn)引起地層擾動(dòng)，對(duì)周邊建構(gòu)筑（構(gòu)）物影響較大，盾構(gòu)下穿上述部位需要嚴(yán)格控制拱頂圍巖沉降，以保證周邊環(huán)境安全。

圖2 擬建隧道周邊環(huán)境條件

3 工程重難點(diǎn)分析及勘察對(duì)策

3.1 超大直徑盾構(gòu)機(jī)選型及勘察對(duì)策

超大直徑深埋盾構(gòu)隧道需要克服很大的水壓，平衡盾構(gòu)開挖面頂?shù)椎乃畨翰?，最大泥水壓力約6 bar，要求刀盤旋轉(zhuǎn)力矩足夠大。根據(jù)泥水平衡盾構(gòu)的特點(diǎn)[8]，泥水平衡盾構(gòu)成為超大直徑、長(zhǎng)距離、高水壓隧道盾構(gòu)的最佳選擇。另外，盾構(gòu)穿越地層為黏性土、粉土、砂土層，砂層以高密度富水砂層為主，因此選擇超大直徑復(fù)合泥水平衡盾構(gòu)機(jī)可以更好地控制地層沉降[9]。

本文對(duì)盾構(gòu)穿越部位進(jìn)行了砂層、粉土、粉質(zhì)黏土地層比例的統(tǒng)計(jì)，提供了砂土、粉土顆分曲線，砂土特征粒徑（D60、D50、D30、D10）、不均勻系數(shù)（d60/d10）、粉土和黏性土黏粒含量百分比、砂土物質(zhì)組成，黏性土、粉土、砂土的標(biāo)貫擊數(shù)，為盾構(gòu)合理選用刀盤結(jié)構(gòu)形式、優(yōu)化刀具配置以及盾構(gòu)施工過(guò)程中各種施工參數(shù)設(shè)定，如切口水壓設(shè)定與控制參數(shù)、泥水指標(biāo)和同步注漿等提供依據(jù)。

表1是隧道穿越部位地層百分比統(tǒng)計(jì)結(jié)果；圖3為典型砂土顆分試驗(yàn)曲線，表2為隧道穿越部位不同砂層特征粒徑、不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)；表3為對(duì)應(yīng)砂土耐磨礦物成分平均值；表4為盾構(gòu)穿越部位粉土和黏性土黏粒含量平均值；表5為隧道穿越部位粉土、砂層地層標(biāo)貫統(tǒng)計(jì)值。

表1 隧道穿越部位地層百分比統(tǒng)計(jì) %

表2 不同砂層粒徑、不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)平均值

表3 不同砂層耐磨礦物成分X 射線衍射物相分析 %

表4 盾構(gòu)穿越部位粉土和黏性土黏粒含量平均值 %

圖3 砂土典型顆分曲線

3.2 工程地質(zhì)條件及勘察對(duì)策

擬建場(chǎng)地位于永定河沖洪積扇下部，屬于古潮白河故道東側(cè)臺(tái)地。對(duì)于勘探深度范圍內(nèi)的土層，首先按照地層沉積年代、成因類型劃分為人工堆積層、新近沉積層和一般第四紀(jì)沖洪積層三大類。為了進(jìn)一步查明擬建隧道沿線的工程地質(zhì)條件，本文按照地層沉積旋回劃分出地層的主層，在此基礎(chǔ)上依據(jù)地層巖性以及物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)一步劃分9 個(gè)主層及相應(yīng)亞層，工程地質(zhì)剖面見圖4，分層統(tǒng)計(jì)各土層物理力學(xué)性質(zhì)。對(duì)于超大直徑盾構(gòu)圍巖地層，本文對(duì)黏性土、粉土、砂土進(jìn)行了一系列物理力學(xué)試驗(yàn)，提供參數(shù)類別見表6，每一層參數(shù)取值見表1-表5、表7，為盾構(gòu)井設(shè)計(jì)、大直徑隧道盾構(gòu)設(shè)計(jì)、施工提供依據(jù)。

表5 隧道穿越部位地層標(biāo)貫擊數(shù)統(tǒng)計(jì)值

表6 盾構(gòu)施工巖土參數(shù)表

表7 盾構(gòu)穿越部位黏性土、粉土層特殊指標(biāo)參數(shù)

3.3 水文地質(zhì)條件及勘察對(duì)策

為查明擬建場(chǎng)地的地下水分布情況，計(jì)算超大直徑、超大埋深、超高水壓盾構(gòu)管片所承受的水壓力，分析超深盾構(gòu)井基坑開挖所產(chǎn)生的突涌風(fēng)險(xiǎn)，并采取合適的地下水控制措施，本工程進(jìn)行了地下水位分層觀測(cè)、盾構(gòu)區(qū)間黏性土中孔隙水壓力測(cè)試、抽水試驗(yàn)及注水試驗(yàn)。

（1）地下水位分層觀測(cè)

擬建場(chǎng)地在85 m 深度范圍內(nèi)分層觀測(cè)地下水位，并設(shè)置長(zhǎng)期觀測(cè)孔，地下水分層觀測(cè)結(jié)果見表8、地下水分布見圖4。

圖4 擬建場(chǎng)地工程地質(zhì)剖面圖

根據(jù)地下水的含水介質(zhì)及賦存條件，潛水（二）、層間潛水（三）賦存在一個(gè)大的含水層中，只有中間局部粉質(zhì)黏土部位以兩層地下水的方式存在。

潛水（二）、層間潛水（三）、承壓水（四）、承壓水（五）、承壓水（六）長(zhǎng)期觀測(cè)孔水位曲線見圖5。

（2）孔隙水壓力觀測(cè)

為了觀測(cè)盾構(gòu)區(qū)間埋置深度范圍內(nèi)黏性土中的孔隙水壓力，本工程埋設(shè)4 個(gè)孔隙水壓力計(jì)，場(chǎng)地內(nèi)地下水長(zhǎng)期觀測(cè)孔的水位及孔隙水壓力計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果見表9，觀測(cè)時(shí)間為2020年3月；根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制出孔隙水壓力隨深度變化曲線見圖6。

圖6 孔隙水壓力隨深度變化曲線

表9 盾構(gòu)區(qū)間地下水位長(zhǎng)期觀測(cè)孔與孔隙水壓力計(jì)監(jiān)測(cè)情況

（3）水文地質(zhì)試驗(yàn)

滲透系數(shù)k是工程設(shè)計(jì)、施工地下水控制的重要水文地質(zhì)參數(shù)，本工程在中部豎井布置了3 組單井抽水試驗(yàn)、1 組變水頭注水試驗(yàn)，水文地質(zhì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)見表10。每組抽水試驗(yàn)布設(shè)1 個(gè)抽水井，3個(gè)觀測(cè)井，抽水試驗(yàn)水泵型號(hào)采用250QJ140-46，水位監(jiān)測(cè)采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)繩，流量監(jiān)測(cè)采用超聲波管井流量計(jì)TDS-100F1(DN100)，標(biāo)定誤差＜ 3 %。

表10 水文地質(zhì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

抽水試驗(yàn)中每個(gè)抽水井均完成2 個(gè)降深，達(dá)到穩(wěn)定降深后記錄持續(xù)時(shí)間和涌水量，然后進(jìn)行水位恢復(fù)試驗(yàn)?？紤]到抽水試驗(yàn)過(guò)程受電壓、水泵等因素影響流量的不穩(wěn)定性，本文利用水位自然恢復(fù)數(shù)據(jù)，采用非穩(wěn)定流 Jacob 直線圖解法計(jì)算滲透系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表11。

表11 抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)注水試驗(yàn)單對(duì)數(shù)曲線求出時(shí)對(duì)應(yīng)的特征時(shí)間TL、形狀系數(shù)、滲透系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表12。

表12 注水試驗(yàn)計(jì)算滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算得出不同含水層滲透系數(shù)取值范圍見表13。

表13 不同含水層滲透系數(shù)取值

（4）抗浮水位

本工程在水文地質(zhì)調(diào)查、水文地質(zhì)試驗(yàn)、地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和大量工程地質(zhì)、水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，分析擬建場(chǎng)地含水層分布特征，借助于GMS 軟件建立研究區(qū)的水文地質(zhì)概念模型和地下水流數(shù)值模擬模型（非均質(zhì)各向同性的非穩(wěn)定流模型）。選擇1959年作為降水典型年，采用頻率分析法確定擬建場(chǎng)地百年一遇降水量1500 mm，同時(shí)考慮該區(qū)域遠(yuǎn)期地下水停采，地下水位降落漏斗恢復(fù)以及西部地區(qū)長(zhǎng)期生態(tài)補(bǔ)水的影響，擬建場(chǎng)地地下水位將抬升至15.5～16.0 m。通過(guò)數(shù)值模擬模型對(duì)擬建場(chǎng)地百年一遇情況下的最高水位進(jìn)行預(yù)測(cè)，模型預(yù)測(cè)期為10年，其中第6年降水量利用百年一遇降水量。

經(jīng)分析，擬建場(chǎng)地百年一遇地下水位大幅抬升，潛水水位上升至19.5 m（見圖7）。因此，擬建場(chǎng)地抗浮設(shè)防水位確定為19.5 m。

圖7 擬建場(chǎng)地地下水位動(dòng)態(tài)變化預(yù)測(cè)曲線

3.4 周邊環(huán)境調(diào)查及專項(xiàng)安全評(píng)估

針對(duì)復(fù)雜的周邊環(huán)境條件，本工程對(duì)現(xiàn)狀6 號(hào)線、城際鐵路、京秦鐵路、運(yùn)潮減河以及超高壓燃?xì)狻⒑接?、石油等重要管線進(jìn)行建（構(gòu)）筑物專項(xiàng)調(diào)查。同時(shí)，對(duì)盾構(gòu)下穿上述建（構(gòu)）筑物進(jìn)行了施工安全專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，結(jié)果表明建（構(gòu)）筑物、河底的沉降量均在允許的范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

（1）盾構(gòu)機(jī)選型、刀盤、刀具及盾構(gòu)施工過(guò)程中各種施工參數(shù)匹配是超大直徑隧道施工的關(guān)鍵，本文查明了盾構(gòu)隧道刀盤不同巖土地層切削比例，砂土的密實(shí)度、石英含量與顆粒級(jí)配，黏性土、粉土的黏粒含量等關(guān)鍵參數(shù)。

（2）超大直徑盾構(gòu)隧道斷面尺寸大，隧道兩端埋深淺、中間段埋深大，隧道圍巖涉及地層種類多，工程性質(zhì)變化大，通過(guò)詳細(xì)勘察，查明了場(chǎng)地土層的物理力學(xué)性質(zhì)，提供了隧道圍巖設(shè)計(jì)、施工所需的巖土參數(shù)。

（3）超大直徑、超大埋深、超高水壓致使盾構(gòu)管片承受很大的泥水壓力；超深盾構(gòu)井基坑開挖涉及多層地下水，面臨基坑突涌風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行專項(xiàng)水文地質(zhì)勘察，分層設(shè)置地下水位長(zhǎng)期觀測(cè)孔，量測(cè)盾構(gòu)區(qū)間孔隙水壓力，進(jìn)行抽水試驗(yàn)、注水試驗(yàn)測(cè)定不同土層滲透系數(shù)，為制定合適的地下水控制方案提供依據(jù)。

（4）針對(duì)復(fù)雜的周邊環(huán)境條件，需要建（構(gòu)）筑物專項(xiàng)調(diào)查，并進(jìn)行施工安全專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以保證盾構(gòu)施工過(guò)程中周邊環(huán)境安全。

（5）通過(guò)分析超大直徑隧道盾構(gòu)的工程特點(diǎn)，明確了超大直徑盾構(gòu)工程勘察重難點(diǎn)及對(duì)策措施，為超大直徑盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)、施工提供依據(jù)。