盾构法施工是比较成熟的地下工程施工技术, 其不受地形地貌等地表环境的影响, 且地层适应性强、施工风险较小, 目前已广泛应用于地铁、隧道、城市排水、水气油输送管道等地下工程^[1-4]。虽然盾构法在实践中越来越成熟, 但作为地下隐蔽工程, 受各种不确定性因素影响, 其发生安全事故的概率依然很大^[5]。

西三线长江盾构穿越的地层主要为强~中风化板岩, 其中里程0 km+600 m~2 km+100 m为连续的断层破碎带, 且整个地层中分布了56处断层, 给施工带来较大风险。断层最宽为14 m, 分布于西岸接收井70 m处, 其他断层宽度为1~10 m, 断层带中多分布宽度小于30 cm的石英脉, 脉体受构造作用而破碎、杂乱。断裂破碎带最突出的地质特点是岩石破碎, 且单个碎块硬度大、强度高, 地下水丰富, 补给迅速^[6]。

盾构机通过硬岩断裂带时, 易卡刀盘, 从而损坏刀具^[7], 因此, 对于断层中的盾构穿越, 应进行详细的分析研究, 以确保施工安全、顺利。

1.   工程地质情况

1.1   断层

根据地表观察, 并参考钻探和物探资料, 断层的主要构造形式有: 古弧形构造、东西向构造、体系不明构造、华夏式构造、新华夏系构造等。

长江隧道穿越工程拟建场地属长江中下游地震带, 位于华北断块与华南断块交汇部位, 断裂发育, 由于地表出露基岩较少, 只能根据区域地质、钻探和物探综合解释成果推断断层数量。此次穿越段内主要有北西、北东东及北西西3组共56条断裂带, 断层规模较小, 多为隐伏性次生断裂, 两岸及江面发育较多, 边滩相对较少, 两岸竖井处断裂不发育, 由于地表基岩露头较少, 钻探所发现的断层数量亦较少, 很难量化和判别3组断层的发育程度和规模(表 1)。

表  1  穿越段断层分布

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北西组: 倾向以东北为主, 少数倾向东西, 倾角一般45°~80°, 缓倾角发育较少。断裂规模小, 总体平直延伸, 断层影响带为碎块岩, 多已劈理化, 岩体破碎; 断层带中多分布宽度小于30 cm的石英脉, 脉体受构造作用而破碎、杂乱; 沿断层多有风化加剧现象, 岩质坚硬程度较围岩低; 断层带纵波速度较低, 结合水文地质实验结果, 经综合分析和工程地质类比, 该组断层中胶结差~较差者为中等透水, 形成脉状富水透水体。主断带斜切岩层, 其走向与穿越断面轴线方向呈小锐角相交; 断层多显压性或压扭性特征, 对拟穿越隧道围岩的稳定较为不利。

北东东组: 该组断层走向60°左右, 倾向东南, 倾角45°~75°。该组断层构造岩多为灰绿色碎裂岩, 少数为角砾岩, 多数胶结较好, 少数胶结较差, 多已劈理化; 断层带中有小石英脉分布, 脉体破碎, 断层构造岩风化严重, 岩质坚硬程度较围岩稍低, 纵波速度一般较低。北东东组断层性状稍好, 透水性较弱, 局部中等, 与穿越断面轴线呈大角度相交, 对拟穿越隧道围岩的稳定性影响较小。

北西西组: 该组断层走向280°~298°, 倾向西南, 与岩层倾向相反, 倾角55°~70°。该组断层构造岩多为灰绿色碎块岩, 少数为砾岩、碎裂岩, 胶结较差, 碎块岩多已劈理化; 断层带中有较多石英脉延伸, 脉体破碎; 断层带内构造岩局部有风化加剧现象, 岩质坚硬程度较围岩稍低, 纵波速度一般较低, 透水性较弱, 局部较强, 与穿越断面轴线呈大角度相交, 对拟穿越隧道围岩的稳定性影响较小。

总体而言, 穿越区内断裂具有以下特征: ①断裂在各地段分布具有不均匀性, 两岸及河床段发育较多, 但两岸竖井无断裂通过, 边滩段发育较少, 拟穿越段断裂主要集中在里程0 km+25 m~0 km+845 m段、0 km+845 m~1 km+965 m段、2 km+785 m~ 3 km+265 m段, 分布间距较小; ②断裂规模大小不一, 各地段亦有一定差别; ③断裂发育具有明显的优势方向。通过对穿越场地进行工程地质调绘得知, 场区断裂北西组最发育, 穿越段基本以该组为主, 另两组不发育。北西组与穿越断面轴线呈小角度相交, 断裂倾角以陡倾角为主, 少数为缓倾角。

1.2   层间破碎带

层间破碎带是指受构造运动影响, 岩层之间相对滑动所产生的力偶作用形成的劈理带, 力学性质上属破劈理, 其产状与岩层基本一致, 破碎带内微裂隙极发育, 岩体破碎。穿越区岩体原岩为泥岩, 岩质较软, 局部为砂岩, 岩质坚硬, 经过江水长期冲刷、浸泡、渗透及风化剥蚀, 在构造断裂运动时高温高压的作用下, 原岩呈糜棱化, 形成鳞片状的构造运动产物。由钻探成果可知, 左岸(北岸)大堤至边滩钻孔岩层内层间破碎带较发育, 表现为集中出现在受构造带影响的岩层间, 分层厚度不均, 江面段夹有石英岩透镜体, 岩质坚硬。

从钻探揭露的构造破碎带分析, 构造剪切带具有如下特征: ①分布严格受构造和岩性控制, 产状与岩层产状基本一致, 泥质板岩中较发育, 浅变质粉砂岩中少见; ②层间破碎带分布具有区域性, 南北岸竖井不发育, 0 km+105 m~0 km+865 m段、0 km+865 m~2 km+225 m段较发育, 且分布较连续, 2 km+245 m~2 km+865 m段发育相对较少; ③规模差别较大, 大者厚度达数十米, 出现在北岸大堤内至江面钻孔, 小者数米, 多呈层间分布, 延展性较好; ④层间破碎带内多顺剪切面分布石英条带, 石英条带破碎, 界面一般平直稍粗~较光滑, 面上具有数毫米厚的糜棱岩及泥化物, 其中1 km+45 m~1 km+325 m段发育石英岩透镜体, 厚度达数米至数十米, 岩质坚硬; ⑤剪切带内主要发育3组节理面: 一是原生板节理面, 最发育; 二是走向与板理面接近垂直的北东~北东东组裂隙; 三是走向与板理面一致、倾角较陡的北西组裂隙, 各组结构面相互切割, 岩体破碎, 多已劈理化, 岩石呈碎块状、薄片状或鳞片状; ⑥沿剪切带普遍存在风化加剧现象, 部分存在水蚀现象, 岩质坚硬程度较围岩低。

2.   风险分析与对策

2.1   做好超前地质预报及施工勘察

掘进之前, 对地质情况进行详细地补勘十分必要^[8]。断层位置不准确, 容易增加施工风险的随机性, 给施工带来盲目性, 在断层较大及断层密集的部位采用超前地质预报并增加地勘钻孔, 以查明断裂带的走向、倾向、倾角以及分布宽度^[9], 为注浆、刀具更换等准备工作提供依据。

2.2   加强施工监测及超前土体加固

出现断裂带的部位因地质软硬不均、含水量大, 采用泥水平衡盾构施工时, 若控制不当, 容易出现地层超挖导致地面沉降。为此需要在江堤等主要部位建立监测点, 跟踪地表沉降情况, 为盾构掘进施工提供参考依据, 鉴于土层、岩体的复杂性和不确定性, 必须通过正确的监测数据来判断地层及岩性的稳定, 核对原有的设计并指导施工^[10]。必要时对大堤、竖井等主要部位采用防渗墙、灌注桩、地层注浆等措施进行土体加固。

2.3   掘进风险及控制措施

由于断裂带中岩石破碎, 地下水丰富, 采用泥水平衡盾构穿越断裂带时, 若泥水压力失衡, 容易发生掌子面坍塌、地表隆起等情况。为确保盾构安全顺利地通过断裂带, 在盾构掘进过程中应采取以下控制措施: ①采用泥水平衡盾构机; ②利用快速通过的方式掘进, 减小对原地层的扰动; ③控制出土量; ④加强同步注浆; ⑤采用上喷嘴掘进, 加大对刀盘面的冲刷, 防止“泥饼”形成, 以控制地面沉降及喷涌的发生。

2.4   掘进前盾构机的检查

盾构施工前需要对盾构机进行维护保养, 盾构机到达断裂带前30 m时, 对所有设备(包括地面设备)进行彻底的检查和维修, 以确保盾构机以良好的状态顺利穿过断裂带。

2.5   石英脉结晶体风险及施工措施

地层中石英脉结晶体一般具有体积小、强度高的特性, 与周围的围岩强度差距大, 不易被钻孔发现, 施工中容易产生刀盘卡阻、盾构机姿态不易控制、刀具磨损严重、周边围岩不稳等风险。考虑到整个盾构隧道地质的复杂性, 选择开口率为10%~30%的挡板式刀盘, 刀具选择具有硬岩切削能力的滚刀(盘形或牙轮)及圆形切削刀具组合。

3.   结论

(1) 尽管盾构技术日趋成熟, 但复杂的地质条件仍会给施工带来一定的风险。

(2) 在复合地层, 尤其是长江盾构穿越这样的特殊地质条件下进行施工, 对盾构施工地质条件的判断应引起高度重视。

(3) 掘进前充分做好地质补勘工作, 探明断层及结晶体位置, 以及断裂带走向、倾向、倾角、分布宽度。

(4) 在施工前应做好风险排查并制定应对措施, 在盾构掘进前对已经探明的风险采取预先处理, 确保施工的顺利进行。

(5) 选择与地质条件相匹配的盾构设备, 包括刀盘、刀具。

(6) 施工前应该对所有设备(包括地面设备)进行彻底的检查和维修, 以确保盾构机以良好的状态顺利穿过断裂带。