王晓伟
（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004）
图1 沙石区间地质断面图
图2 上沙区间孤石分布图
1 复合地层盾构施工特点和难点
1.1 普遍性和难以避免性。深圳沿海地区孤石分布存在不均匀离散性大、埋藏深度大、空间赋存特性不规则等特性；沿海地层变化多端，岩层起伏大，埋藏浅，上软下硬地层难以避免，因此，复合地层具有普遍性和难以避免性。
1.2 盾构机姿态难以控制。盾构机上软下硬岩层推进过程中，盾构机易抬头、土方超挖；遇花岗岩球状风化体刀具破碎时无法固定，常在刀盘前滚动，因此，盾构机姿态难以控制。
1.3 刀具损坏严重且更换困难。上软下硬地层短距离内就整盘刀可能损坏殆尽，需频繁换刀，而开挖面上半部自稳性差，给换刀带来极大困难和风险；遇花岗岩球状风化体时，刀具损坏严重甚至直接崩坏，地层扰动，开仓换刀困难。
1.4 地面沉降难以控制，易造成地面塌方、建筑物开裂损坏。复合地层刀具周期性碰撞刀盘振动很大，且掘进速度非常慢，对地层的扰动比较大，同时，上部软弱地层稳定性差，易坍塌，造成地层沉降大，甚至引起塌方及上方建（构）筑物损坏。
1.5 盾构机易被被动停机。盾构遇孤石时，孤石刀盘前方滚动极易造成刀具损坏严重，掘进困难，上软下硬地层掘进边缘滚刀及扩挖刀极易被损坏，地层扰动，同时如无法带压开仓换刀，会造成卡盾趴窝而被动停机。
1.6 工期和处理费用高。孤石深孔爆破、冲孔回填等预处理不影响工期，但处理费用高，遇未探明孤石造成盾构机趴窝时，需要地面钻孔注浆加固或打竖井等措施解救盾构，费用高，且严重影响工期；上软下硬岗岩地层刀具损坏严重且更换频繁，开仓换刀困难、卡盾，造成进度缓慢，对成本、工期影响很大。
2 主要工艺原理及工艺流程
首先对即将施工的地层进行补充勘探，通过详细掌握地层地质状况，判断硬岩的分布、比例及深度关系，在盾构未到达该区段前，对存在的孤石、基岩凸起采取“深孔爆破法”、注浆等预处理；根据掘进地段的地质状况、硬岩比例配备针对性刀具，及时调整掘进参数，包括掘进推力、压力，并根据实际情况控制刀盘掘进时的转速；每5～10环检查一次刀具，发现掘进参数变化时立即开仓检查，做到勤检查、勤换刀，特别注意边缘滚刀及时更换，尽量避免被动换刀；改良正面土体，降低刀盘形成泥饼的概率，减少刀具偏磨，必要时开仓清泥饼；遇未处理孤石和地面坍塌及时处理（图3）。
其次，经济发展水平能够影响基本公共服务水平。经济发展程度较高的城市，把主要资源投入经济发展，其基本公共服务水平未必很高。然而，经济发展水平较低的城市，其基本公共服务水平却普遍较低。在中国当今的社会经济发展体制下，经济发展水平较低的地方，往往会首先把主要资源投入经济发展，投入对经济增长拉动较大的项目中，而对于与GDP关系不大的民生类项目的投入则缺乏应有的动力。反过来说，经济发展水平较低的地区，财政收入也直接制约了各项基本公共服务财政支出的规模。
图3 复合地层施工工艺流程图
3 主要施工工艺及方法
3.1 地质补勘
微动探测法探测方便快捷，施工前对不良地质范围及详勘不到位处采用微动探测法探测，进一步探清隧道掘进范围硬岩分布及特性、上软下硬地层的位置及长度，并对存在孤石、上软下硬地层及全断面硬岩地层等特殊区域进行钻孔验证，确定盾构掘进范围内详细地质状况，最终明确区间盾构掘进安全等级。
3.2 复合地层预处理
对上沙区间探明的孤石和砂石区间微风化基岩凸起地段进行了深孔爆破预处理，对砂石和石皇区间的上软下硬地层进行了搅拌桩注浆加固处理。
3.2.1 深孔爆破预处理
按照前期准备→钻孔施工→装药及填塞→起爆→爆破质量检顺序施工。3.2.1.1 前期施工准备。进行爆破设计和方案专家评审和批复，现场交通疏解及施工围挡，张贴爆破“安民告示”，同时对钻孔工人、爆破施工人员进行安全、技术交底，将布孔原则，钻孔允许偏差等技术要求传达给所有施工人员。计算确定单耗q、梅花形布孔（间排距0.8 m）、先边缘孔后中间孔起爆顺序和装药结构。爆破设计示意如图4所示。3.2.1.2 钻孔施工。首先炮孔定位，钻机就位；接着钻孔施工，严格按现场布孔钻孔，记录基岩面标高、孤石面的标高并将炮孔编号，芯样拍照、记录及技术分析；最后炮孔验收，炮孔上下畅通能装入套管及药包筒，做好护壁及成孔工作。3.2.1.3 装药及填塞。设置装药施工警戒；而后炮孔装药，药包筒加工好后下药包，药包悬位置准确，用铁丝固定在套管壁上；装药完成后填塞作业，孔内填碎米石至指定位置，导线理顺至安全位置，覆盖防护；人员撤至安全地点后，由有经验爆破技术人员和爆破员按设计进行起爆网络连接；以爆破中心周围50米为警戒线进行安全警戒，统一爆破警戒信号和起爆信号，爆破前派人员清场。3.2.1.4 起爆。爆破员鸣哨示警两次，确认安全后方可起爆。爆破完毕，经检查现场无误后，解除警戒命令。3.2.1.5 爆破质量检验。钻孔取芯，隧道纵向每5延米抽检一孔，抽取完整岩芯单向长度≤30cm为合格，否则，补孔二次爆破。
图4 厚度2.0 m以下及以上、重叠孤石爆破布孔示意图
3.2.2 搅拌桩注浆加固预处理
加固采用三重管旋喷桩，加固区呈倒L型，加固区示如图5所示。
图5 -29-4-3上软下硬地段地面加固区示意图
3.3 复合地层正常掘进
3.3.1 提前筹划，做好准备工作
3.3.1.1 进行盾构适用性选型配置，选用Ø6280海瑞克土压平衡复合盾构，6辐条刀盘，35%开口率，18吋全断面滚刀的刀具配置形式。3.3.1.2 在工程施工前，根据工程地质条件，提前制定刀具更换计划，对换刀困难的地段进行预加固，以增加换刀的安全性，预加固地点宁可提前也不能滞后，否则就会失去作用。3.3.1.3 盾构机施工进入孤石和上软下硬等复合地层前，在具备条件的地段停机进行盾构机设备检查、修复，更换磨损超过规范的刀具，并更换上符合该地层掘进的重型滚刀。
3.3.2 掘进过程中合理选择、控制掘进参数，保证盾构连续掘进。3.3.2.1 控制掘进参数。①推力：推力过大容易造成刀盘卡死，对推进系统的能力要求相应增高，推力过小则刀具对土体切削力不够，盾构掘进速度慢，对上覆土体扰动太大，一般掘进推力不超过1400t。②刀盘转速：复合地层中掘进时，刀盘转速太快会使刀具受到冲击力太大而导致刀具崩坏，所以刀盘转速不能快，缓慢匀速。刀盘转速在1.2 ～1.6 rpm为宜。③土仓压力：复合地层中掘进时，掘进速度较慢扭矩较大，保持真正的压平衡比较困难，可以采取气压平衡模式掘进。④出土量：由于推进速度慢，刀盘切削下来的渣土较少，而螺旋输送机等排土器每工作一次的出土量又很大，往往会造成因软土部位的超挖和过量出土造成地面沉降异常，甚至坍塌。因此，复合地层中掘进严格控制每一循环排土器工作的次数，严格控制出土量，必要时，在渣斗中划上刻度，以便计算和控制出土量，达到平衡出土。⑤渣土管理：为更好的控制土仓压力，增大土仓内渣土的止水性等，采取措施保持泡沫系统工作状况良好，并及时添加泡沫剂，使渣土具有很好的软流塑状。当掌子面地层的渗透性很好时，则需要向土仓内添加膨润土等改良渣土。否则，很可能发生渣土喷涌，直接导致地层超挖而地面沉降。实践证明，这是非常必要的。同时，时刻注意渣土的稀稠、土的含量、石块的含量和石块的大小、棱角、颜色等，判断掌子面的地层情况。⑥渣土温度：时刻测量渣土温度，如果渣土温度在短时间内升高，立即停止掘进，分析渣土升高的原因，观察是否是泡沫系统出现问题；需要降低刀盘温度时，不能加水，应加入稀的膨润土泥浆。在顶部为全风化或强风化岩的复合地层石中加水会造成掌子面坍塌。3.3.2.2 控制喷涌。①尽量满仓方式保持连续掘进，避免掌子面前方土体内部形成流水通道；②出现喷涌时，立即关闭螺旋输送机后门，适当向前掘进，土仓内建立平衡，通过刀盘转动将土仓内土体搅拌均匀，然后将螺旋输送机后门慢慢打开，开门度约为20%，流出的渣土随传送带带走，边掘边出土，保持土仓内压力稳定。③渣土改良，向刀盘前掌子面注入膨润土，在刀盘前形成一层厚厚的泥膜，同时，向土仓注入高分子吸水材料，用刀盘充分搅拌以改良渣土。④通过管片进行双液二次注浆，形成止水环，封堵隧道背后汇水通道，阻断来自盾尾后方的水流。3.3.2.3 连续施工，防止停机。①掘进时，如掘进速度、刀盘转速、刀盘扭矩、盾构机的推力以及渣温发生突变或不在正常的范围内，应立即分析原因，检查刀具情况，切忌盲目掘进。②复杂复合地层盾构掘进将带压开仓检查及换刀作为一个常规方式来管理，将盾构机不停机趴窝作为底线。掘进过程中发现参数异常马上开仓检查，刀具磨损到一定程度马上更换，勤开舱勤检查，带压开仓能够换刀的一定带压换刀，即使参数正常掘进到一定环数（如正常换刀环数的1.5 倍以上如20环）以上或主动换刀点时，也要检查刀具，万不可存在侥幸心理，希望再掘进几环常压开仓处理，复杂的复合地层一两环内就可能将盾构机刀具磨损无法推进，只能被动换刀，如地层扰动无法带压开仓将造成盾构机被动停机。③不能通过盾构机直接破除球状风化体的，如条件具备可进仓直接取出或破坏较小风化体，对较大的进行注浆加固，换刀后通过。④做好监测工作，建(构)筑物沉降超标时采取袖阀管注浆加固等措施，并及时反馈调整土仓压力、千斤顶推力等施工参数。
3.4 掘进中复合地层停工处理
3.4.1 未探明孤石处理
2004年6月车上区间盾构掘进至香蜜湖路段时掘进参数异常，盾构机无法向前掘进，经对掘进数据及渣土进行分析，初步判定盾构机前方出现孤石并有塌方现象，部分围闭后现场勘查，发现连接工业园的雨水箱涵侧墙垮塌，并对下部孤石进行探测，通过钻探孤石大小为长4.5 m、宽1.5 m、高2.0 m，且强度达70Mpa，经专家研究，决定采用加密钻孔的方式把孤石打成蜂窝状、注浆加固后利用盾构机刀盘本身的破岩能力通过的方法，加固完成后带压开仓换刀，恢复掘进，通过48天停机处理后通过孤石地层。
3.4.2 上部厚砂层下部微风化岩的上软下硬盾构处理
石皇区间DK17+226.44 ～DK17+310，上部为浅覆土、流沙性较大厚砂层下部为微风化岩，地层差异性大，且水位高，刚掘进至该地段，土层超挖明显、地面沉降异常，为保证盾构机正常顺利通过盾构掘进通过前方施行地面双浆液注浆加固，边注浆边掘进，虽有局部坍塌，但未造成盾构停机和大的社会影响，收到了比较明显的效果。
3.5 掘进后处理
3.5.1 持续进行地面和建构筑物变形监测，及时分析。
3.5.2 进行线路范围地面和洞内空洞探测，发现空洞，进行钻孔注浆，必要时进行混凝土或砂浆回填。
3.5.3 洞内二次注浆加固，控制隧道变形。
3.5.4 建筑物袖阀管注浆加固。
4 结论
沿海花岗岩复合地层施工属复杂地层，施工难度大，深圳地铁7303标段区间施工总体顺利，周边建构筑物和道路沉降未出现异常，上软下硬复合地层施工无停机处理现象，通过总结也得出一些认识和体会。
4.1 盾构机于复杂花岗岩复合地层掘进把开仓换刀确保盾构机不停机作为底线管理，把带压开仓作为一个重要工序来执行，勤开仓、勤检查、勤换刀，当机立断不犹豫。
4.2 球状风化体在已探明的情况下采用深孔爆破预处理是可行的，盾构穿越时快速通过，基本可控。
4.3 已施工上软下硬掘地层共计1143.2 米，共组织带压开仓34次，常压开仓换刀22次，其中地面加固后带压换刀10次，共带压进仓234仓，共更换刀具577把。开仓指标为13环/次，换刀指标为1环/把。
4.4 将7号线的经验教训应用于深圳地铁12号线出入线复合地层施工中，将盾构掘进刀盘改造为重型刀盘，刀具全部采用19吋滚刀，2020年施工过程收到了意想不到的效果，掘进顺利，施工工效提高了1倍以上，有必要对复合地层进一步深入研究。
