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摘 要：本文主要对珠海沿海铁路大盾构施工过不良地层进行了分析研究，针对施工中可能出现的问题和险情进行分析，找出盾构过沿海复合不良地层施工的难点和风险点，提出了相应的解决措施。并提出盾构施工过沿海复合不良地层相关建议。
关键词：沿海复合不良地层 风险分析 措施 建议
1 引言
由于国家对基础建设的投入及地面空间的减少，21世纪我国隧道和地下工程项目繁多，大量的铁路、公路、地铁隧道修建，涌现出许多过江、过海隧道。近年来我国盾构法隧道施工技术有了较大的发展，许多过江、过海隧道采用盾构法施工，复合不良地层，尤其在沿海一直是盾构施工难题，本文针对沿海复合不良地层盾构施工风险及解决方法进行探讨
2 工程概况
1）工程简介
该工程为城际铁路，计时速100km/h，盾构施工区间为双洞单线隧道，隧道结构型式如图2-1所示，隧道管片采用钢筋混凝土单层衬砌，通用楔形环管片。
图2-1：隧道横断面图
线路靠近海边水道，其中左、右线各约300m隧道位于海边水道内。
2）主要地质情况
水中段隧顶覆盖层厚度为15～17m，主要地层情况自上而下分别为：人工抛填石、淤泥质黏土、砂层、全风化花岗岩、弱风化花岗岩地层，地层分布情况见下表和图2-3，图2-3所示。
表2-1：左线地层情况
表2-2：右线地层情况
其中左线局部地段人工抛填石底面距离隧顶在0.5～8米范围内，右线局部地段人工抛填石底面距离隧顶在2.6～5.1米范围内。补勘地质断面如下图所示，详细地质资料见相关附件。
图2-2：左线水中段地质纵断面图
图2-3：右线水中段（补勘地质）纵断面图
3 该不良地质盾构施工风险分析
1）冒顶通透水流
主要集中在上软下硬地层，由于洞身上软下硬，盾构掘进过程中容易产生振动，使隧顶上方坍塌。一方面，由于刀具和软硬不均岩面作周期性碰撞，刀盘的振动很大，且掘进速度缓慢，软土部分易过量切削进入舱内、易多出土，这对地层的扰动都比较大；另一方面，上部软弱地层稳定性差，易产生坍塌。
由于人工抛填片石区离隧顶距离比较小，一旦产生塌陷，容易产生冒顶透水，河水通过刀盘开口或盾尾进入盾构机内，造成盾构淹水，甚至机损人亡。
在广州地铁三号线盾构施工过程中引发的较大的地面沉降，特别是几次“塌通天”的沉降，几乎都是在上软下硬的地质条件下造成的。
2）人工抛填石下陷
处在人工抛填片石区域，如果隧顶产生塌陷，片石将会落至刀盘前方，形成类似孤石对盾构机影响的情形。片石下陷对施工的影响主要表现在：刀具磨损严重、刀座变形、刀具更换困难；刀盘磨耗导致刀盘强度和刚度降低，引起刀盘变形；刀盘受力不均导致主轴承受损或主轴承密封被破坏，刀盘堵塞，盾构机负载加大；片石无法破碎，赌塞刀盘开口，出土不流畅，均金缓慢。
3）地面沉降难以控制，易造成地面塌方，堤岸及道路开裂损坏
在这类地层中掘进，地面沉降难以控制，易造成塌方，地面建构筑物开裂损坏，原因主要有两方面：一方面，由于刀具和软硬不均岩面作周期性碰撞，刀盘的振动很大，且掘进速度缓慢，软土部分易过量切削进入舱内、易多出土，这对地层的扰动都比较大；另一方面，上部软弱地层稳定性差，易产生坍塌。
本地段隧道上方为规划建设中的堤岸和已有道路，一旦发生严重塌方，堤岸及道路将有可能受到严重破坏。
4）频繁进仓换刀的风险
由于隧道断面内的岩石强度高，上软下硬地层同一掘进面岩石软硬不均一，掘进时参数较难控制，容易造成刀具偏磨，刀圈崩断等现象，如不及时换刀，刀具磨损或损坏后，容易造成盾构开挖直径变小，盾构推力增加，扭矩增加，掘进困难。因此、需要频繁换刀。而该地层开挖面上半部分为淤泥或花岗岩风化土层遇水软化，甚至泥化流淌，自稳性极差，这都给换刀带来极大的困难和风险。
由于隧道处于河道下方，在上软下硬地层必须进行带压进仓作业，而隧顶上方为人工抛填石或流塑性淤泥质黏土等，上方抛填石覆盖层较小，作业仓内气压很难保持稳定，一旦隧道上方覆盖层坍塌，将给带压进仓换刀作业带来灾难性事故。左右线人工抛填石离隧顶距离只有0.5m，而这0.5m厚度内是淤泥质黏土层，很容易受到气压破坏，产生掌子面坍塌事故。
5）盾构机易被卡住
本工程基岩强度大部分在80～100MPa，最高强度达150MPa，在这种地层中掘进，边缘滚刀及扩挖刀极易被破坏，造成开挖直径缩小，导致盾构机盾壳与隧道间隙过少，摩擦力增加，发生盾构卡住现象；深圳地铁1号线续建工程7标盾构隧道区间出现卡机事故，至使停机时间长达8个月，严重影响工程进度和安全，其中一个重要原因就是隧道地质复杂、上软下硬地层、砂层较厚引起的。
6）质量风险
a） 盾构机姿态难以控制
复合不良地层盾构机在推进过程中，上部软土层较易被切削进入密封土仓，而下部较坚硬岩体不易破碎，造成盾构机抬头、打偏，且纠偏困难，盾构机姿态较难控制。造成盾构隧道与设计轴线偏差。
b） 管片错台、开裂
硬岩及上软下硬地层掘进，盾构推力本来就比土层中盾构推力大，如盾构机姿态控制不好，为盾构提供反力的管片将会因为推力的应力集中，使管片错台、开裂、崩角，从而影响隧道防水，造成管片施工质量差。
7）工期控制的风险
在水中段，洞身范围内地层软硬不均或全断面硬岩，洞身范围内的硬岩强度普遍在80～100MPa，最高强度达150MPa，强度极高，上述提及到的安全风险如果发生，施工工效将大打折扣，工期没法得到保障，因此，盾构施工必须建立在安全的基础上，一旦发生盾构卡机事故、隧顶冒顶透水或带压进仓换刀坍塌的安全事故，工期损失是没法估计的。上面提及的深圳地铁1号线续建工程7标盾构隧道区间出现卡机事故，至使停机时间长达8个月，严重影响工程进度和安全，其中一個重要原因就是隧道地质复杂、上软下硬地层、覆盖砂层较厚引起的。 4 针对主要风险采取的应对措施
通过前述该复合不良地层的施工风险分析，综合总结其他铁路、地铁地基加固处理方法和岩石松动、松散爆破经验，对本工程盾构隧道水中段施工风险点采取如下辅助工法措施处理。为盾构施工提供安全保障，同时也为施工进度提供保障。
1）加强盾构设备的适应性，通过对盾构机推力、扭矩、刀盘设计，使其最大限度地适应该复合地层，同时配置可靠的人闸压气系统，进入该地層前全盘更换适合的刀具，施工过程中，调整好施工参数，严格做到信息化施工；
2）在上软下硬地段的隧顶及两侧注浆加固，防止隧顶塌陷和冒顶通透水流的现象发生，并保证带压进仓检查换刀的安全。注浆的方法为袖阀管注浆。
为了保证隧道顶注浆加固的效果，在上软下硬地段隧道顶上方8m范围内，如果是遇到人工抛填石，则先在该片区范围内用素混凝土桩围护成一排止水隔离带，然后采用袖阀管注浆加固，如果是淤泥质黏土，则直接采用袖阀管注浆加固的方法。为了保证注浆加固效果，确保掘进时的保护作用，在洞身范围内每隔10m设一排混凝土桩。
3）进行隧顶及两侧注浆加固，防止隧顶塌陷的同时，也防止了人工抛填石下陷的危险，起到保护刀盘刀具及保证盾构机正常掘进的作用。
4）对洞身基岩进行预爆破，使爆破碎裂后石块的单边长度控制在30cm以内，以利于螺旋输送机能顺利出渣，减少盾构机振动，防止卡机现象的发生，保证盾构机正常掘进。
5）通过实施以上辅助工法措施，针对主要风险的预控措施见表4-1所示。
表4-1：主要风险预控措施表
5 结语
综合以上所述，在沿海地区盾构施工，碰到的不良地层主要有沿海抛石回填地层、水中上软下硬（基岩凸起）、水中硬岩、孤石等不良地层，根据当前盾构掘进施工技术及地基加固和处理技术，做到以下几个方面，方能确保沿海复合不良地层盾构工程的顺利实施。
1）准确可靠的工程地质资料是关键，是确定施工方法的决策依据，不同地层采取不同的对应措施。
2）盾构机本身具有一定的适应性，当前经济技术条件下，盾构机不能适用所有地层，要有针对性设计和取舍。
3）孤石、上软下硬（基岩凸起）地层以及硬岩采取辅助工法配合，更能确保施工安全及工期控制可靠性，辅助工法可以采取注浆加固，基岩爆破爆碎固结处理等，在台山核电引水隧道工程该辅助工法已取得成功。
4）盾构掘进时，施工参数选择及信息化施工是保证盾构顺利通过的必须手段。
参考文献
1 何焕雄 曹国金 盾构法施工技术及其在我国的发展和应用 建筑技术开发 Vol.31，No.4Apr.2004 期刊
2 竺维彬； 鞠世健 广州复合地层与盾构施工技术 大直径隧道与城市轨道交通工程技术——2005上海国际隧道工程研讨会文集
3 游永锋； 梁奎生盾构法施工海底隧道孤石及基岩侵入体爆破施工风险分析隧道建设2012-12-15 期刊
4 梁奎生 台山核电海底泥水盾构隧洞基岩及风化孤石地层深孔爆破技术研究与应用中南大学2012-12-01硕士。
关键词：沿海复合不良地层 风险分析 措施 建议
1 引言
由于国家对基础建设的投入及地面空间的减少，21世纪我国隧道和地下工程项目繁多，大量的铁路、公路、地铁隧道修建，涌现出许多过江、过海隧道。近年来我国盾构法隧道施工技术有了较大的发展，许多过江、过海隧道采用盾构法施工，复合不良地层，尤其在沿海一直是盾构施工难题，本文针对沿海复合不良地层盾构施工风险及解决方法进行探讨
2 工程概况
1）工程简介
该工程为城际铁路，计时速100km/h，盾构施工区间为双洞单线隧道，隧道结构型式如图2-1所示，隧道管片采用钢筋混凝土单层衬砌，通用楔形环管片。
图2-1：隧道横断面图
线路靠近海边水道，其中左、右线各约300m隧道位于海边水道内。
2）主要地质情况
水中段隧顶覆盖层厚度为15～17m，主要地层情况自上而下分别为：人工抛填石、淤泥质黏土、砂层、全风化花岗岩、弱风化花岗岩地层，地层分布情况见下表和图2-3，图2-3所示。
表2-1：左线地层情况
表2-2：右线地层情况
其中左线局部地段人工抛填石底面距离隧顶在0.5～8米范围内，右线局部地段人工抛填石底面距离隧顶在2.6～5.1米范围内。补勘地质断面如下图所示，详细地质资料见相关附件。
图2-2：左线水中段地质纵断面图
图2-3：右线水中段（补勘地质）纵断面图
3 该不良地质盾构施工风险分析
1）冒顶通透水流
主要集中在上软下硬地层，由于洞身上软下硬，盾构掘进过程中容易产生振动，使隧顶上方坍塌。一方面，由于刀具和软硬不均岩面作周期性碰撞，刀盘的振动很大，且掘进速度缓慢，软土部分易过量切削进入舱内、易多出土，这对地层的扰动都比较大；另一方面，上部软弱地层稳定性差，易产生坍塌。
由于人工抛填片石区离隧顶距离比较小，一旦产生塌陷，容易产生冒顶透水，河水通过刀盘开口或盾尾进入盾构机内，造成盾构淹水，甚至机损人亡。
在广州地铁三号线盾构施工过程中引发的较大的地面沉降，特别是几次“塌通天”的沉降，几乎都是在上软下硬的地质条件下造成的。
2）人工抛填石下陷
处在人工抛填片石区域，如果隧顶产生塌陷，片石将会落至刀盘前方，形成类似孤石对盾构机影响的情形。片石下陷对施工的影响主要表现在：刀具磨损严重、刀座变形、刀具更换困难；刀盘磨耗导致刀盘强度和刚度降低，引起刀盘变形；刀盘受力不均导致主轴承受损或主轴承密封被破坏，刀盘堵塞，盾构机负载加大；片石无法破碎，赌塞刀盘开口，出土不流畅，均金缓慢。
3）地面沉降难以控制，易造成地面塌方，堤岸及道路开裂损坏
在这类地层中掘进，地面沉降难以控制，易造成塌方，地面建构筑物开裂损坏，原因主要有两方面：一方面，由于刀具和软硬不均岩面作周期性碰撞，刀盘的振动很大，且掘进速度缓慢，软土部分易过量切削进入舱内、易多出土，这对地层的扰动都比较大；另一方面，上部软弱地层稳定性差，易产生坍塌。
本地段隧道上方为规划建设中的堤岸和已有道路，一旦发生严重塌方，堤岸及道路将有可能受到严重破坏。
4）频繁进仓换刀的风险
由于隧道断面内的岩石强度高，上软下硬地层同一掘进面岩石软硬不均一，掘进时参数较难控制，容易造成刀具偏磨，刀圈崩断等现象，如不及时换刀，刀具磨损或损坏后，容易造成盾构开挖直径变小，盾构推力增加，扭矩增加，掘进困难。因此、需要频繁换刀。而该地层开挖面上半部分为淤泥或花岗岩风化土层遇水软化，甚至泥化流淌，自稳性极差，这都给换刀带来极大的困难和风险。
由于隧道处于河道下方，在上软下硬地层必须进行带压进仓作业，而隧顶上方为人工抛填石或流塑性淤泥质黏土等，上方抛填石覆盖层较小，作业仓内气压很难保持稳定，一旦隧道上方覆盖层坍塌，将给带压进仓换刀作业带来灾难性事故。左右线人工抛填石离隧顶距离只有0.5m，而这0.5m厚度内是淤泥质黏土层，很容易受到气压破坏，产生掌子面坍塌事故。
5）盾构机易被卡住
本工程基岩强度大部分在80～100MPa，最高强度达150MPa，在这种地层中掘进，边缘滚刀及扩挖刀极易被破坏，造成开挖直径缩小，导致盾构机盾壳与隧道间隙过少，摩擦力增加，发生盾构卡住现象；深圳地铁1号线续建工程7标盾构隧道区间出现卡机事故，至使停机时间长达8个月，严重影响工程进度和安全，其中一个重要原因就是隧道地质复杂、上软下硬地层、砂层较厚引起的。
6）质量风险
a） 盾构机姿态难以控制
复合不良地层盾构机在推进过程中，上部软土层较易被切削进入密封土仓，而下部较坚硬岩体不易破碎，造成盾构机抬头、打偏，且纠偏困难，盾构机姿态较难控制。造成盾构隧道与设计轴线偏差。
b） 管片错台、开裂
硬岩及上软下硬地层掘进，盾构推力本来就比土层中盾构推力大，如盾构机姿态控制不好，为盾构提供反力的管片将会因为推力的应力集中，使管片错台、开裂、崩角，从而影响隧道防水，造成管片施工质量差。
7）工期控制的风险
在水中段，洞身范围内地层软硬不均或全断面硬岩，洞身范围内的硬岩强度普遍在80～100MPa，最高强度达150MPa，强度极高，上述提及到的安全风险如果发生，施工工效将大打折扣，工期没法得到保障，因此，盾构施工必须建立在安全的基础上，一旦发生盾构卡机事故、隧顶冒顶透水或带压进仓换刀坍塌的安全事故，工期损失是没法估计的。上面提及的深圳地铁1号线续建工程7标盾构隧道区间出现卡机事故，至使停机时间长达8个月，严重影响工程进度和安全，其中一個重要原因就是隧道地质复杂、上软下硬地层、覆盖砂层较厚引起的。 4 针对主要风险采取的应对措施
通过前述该复合不良地层的施工风险分析，综合总结其他铁路、地铁地基加固处理方法和岩石松动、松散爆破经验，对本工程盾构隧道水中段施工风险点采取如下辅助工法措施处理。为盾构施工提供安全保障，同时也为施工进度提供保障。
1）加强盾构设备的适应性，通过对盾构机推力、扭矩、刀盘设计，使其最大限度地适应该复合地层，同时配置可靠的人闸压气系统，进入该地層前全盘更换适合的刀具，施工过程中，调整好施工参数，严格做到信息化施工；
2）在上软下硬地段的隧顶及两侧注浆加固，防止隧顶塌陷和冒顶通透水流的现象发生，并保证带压进仓检查换刀的安全。注浆的方法为袖阀管注浆。
为了保证隧道顶注浆加固的效果，在上软下硬地段隧道顶上方8m范围内，如果是遇到人工抛填石，则先在该片区范围内用素混凝土桩围护成一排止水隔离带，然后采用袖阀管注浆加固，如果是淤泥质黏土，则直接采用袖阀管注浆加固的方法。为了保证注浆加固效果，确保掘进时的保护作用，在洞身范围内每隔10m设一排混凝土桩。
3）进行隧顶及两侧注浆加固，防止隧顶塌陷的同时，也防止了人工抛填石下陷的危险，起到保护刀盘刀具及保证盾构机正常掘进的作用。
4）对洞身基岩进行预爆破，使爆破碎裂后石块的单边长度控制在30cm以内，以利于螺旋输送机能顺利出渣，减少盾构机振动，防止卡机现象的发生，保证盾构机正常掘进。
5）通过实施以上辅助工法措施，针对主要风险的预控措施见表4-1所示。
表4-1：主要风险预控措施表
5 结语
综合以上所述，在沿海地区盾构施工，碰到的不良地层主要有沿海抛石回填地层、水中上软下硬（基岩凸起）、水中硬岩、孤石等不良地层，根据当前盾构掘进施工技术及地基加固和处理技术，做到以下几个方面，方能确保沿海复合不良地层盾构工程的顺利实施。
1）准确可靠的工程地质资料是关键，是确定施工方法的决策依据，不同地层采取不同的对应措施。
2）盾构机本身具有一定的适应性，当前经济技术条件下，盾构机不能适用所有地层，要有针对性设计和取舍。
3）孤石、上软下硬（基岩凸起）地层以及硬岩采取辅助工法配合，更能确保施工安全及工期控制可靠性，辅助工法可以采取注浆加固，基岩爆破爆碎固结处理等，在台山核电引水隧道工程该辅助工法已取得成功。
4）盾构掘进时，施工参数选择及信息化施工是保证盾构顺利通过的必须手段。
参考文献
1 何焕雄 曹国金 盾构法施工技术及其在我国的发展和应用 建筑技术开发 Vol.31，No.4Apr.2004 期刊
2 竺维彬； 鞠世健 广州复合地层与盾构施工技术 大直径隧道与城市轨道交通工程技术——2005上海国际隧道工程研讨会文集
3 游永锋； 梁奎生盾构法施工海底隧道孤石及基岩侵入体爆破施工风险分析隧道建设2012-12-15 期刊
4 梁奎生 台山核电海底泥水盾构隧洞基岩及风化孤石地层深孔爆破技术研究与应用中南大学2012-12-01硕士。