1 引言
过去的十几年，硬岩或软硬不均地层中地铁盾构机掘进施工，在我国广州、深圳、重庆、南京等地进行了不少实践，取得了不少宝贵地方经验。例如：王小忠通过广州地铁实践，认为盾构机在硬岩中的掘进是可行的,出现的问题能够通过采取相应的措施予以克服[]；李茂文在深圳地铁5号线中总结了长距离硬岩地层盾构施工关键技术[]；尤显明结合介绍了广州地铁3号线硬岩和上软下硬地层的盾构法施工技术[]；刘建国以深圳地铁5号线为例总结十几年来深圳地铁盾构在软弱不均地层、硬岩地层中的施工技术[]；谭军民对重庆地铁复合地层中硬岩盾构施工技术进行了总结分析[]等等。
福州地质条件复杂，福州市西北部分别为戴云山脉和鹭峰山脉的延伸部分，中低山地地貌，东南部为福州盆地和沿海冲积平原。地铁区间遇到的地层复杂多样，从淤泥、强透水中粗砂到岩石残积层、强~微风化基岩都有。本文结合1号线盾构区间的实际施工经验，总结在福州软硬不均地层中地铁土压盾构临近建筑物设计施工关键技术，为以后福州市类似工程提供参考经验。
2 工程概况
2.1线路平纵概况
福州1号线树兜~屏山区间分两座上下行隧道，其中上行线1141.9m，下行线1123.4m，左右线各设一处曲线，曲线半径分别为R=315m及R=310m。
图1 树屏区间平面示意图
区间按V型坡设计，埋深10~23m。沿线主要地层有：树兜站至屏山站，155m段落穿粉质粘土层；185m段落穿淤泥质粘土与粉质粘土复合地层；220m段落全~散体状强风化花岗岩；417m段落的中微风化花岗岩；接90m左右的散体状强风化岩，最后约50m段落的残积土。基岩段占37%。
图2 树屏区间纵断面图
2.2区间重难点
（1）区间隧道上行线1141.9m，下行线1123.4m，盾构一次掘进距离长。区间最小半径310m，且区间隧道小曲线段下穿多座农业厅建筑，对地层控制沉降要求严格。
（2）区间紧邻福建省政府，地面交通繁忙，详勘部分钻孔无法实施或者钻孔距离隧道较远，对隧道施工的指导作用小。
（2）地层起伏大，存在花岗岩球状风化，造成地层软硬不均。隧道主要通过淤泥、粉质粘土、全风化花岗岩、散体状及碎裂状强风化岩以及中微风化岩。其中基岩段占全隧37%。地层起伏大，盾构多次穿不同地层交接面，如淤泥与粉质粘土、粉质粘土与全强风化岩、中微风化基岩面等。
（4）隧道穿越树兜河及屏东河，地下水位与之有一定的梯度关系。勘察地下水稳定埋深1.2~3.20m，高于隧顶7~18m。
根据本区间特点，综合考虑采用土压平衡盾构机施工。
3 软硬不均地层盾构隧道地质补勘关键技术
国内盾构工程特别是硬岩地段盾构工程目前暂时无专门针对硬岩的勘察规范。从事盾构工程的勘察单位在实验项目的选择、实验数据的选取、勘察报告往往套用一般土建工程的勘察模式，不能对盾构隧道后期施工进度、施工安全、施工管理给出可靠参考依据。本工程结合隧道特点，进行了补勘。
3.1 地质调查及钻探、微动探测
（1）岩体类别、节理、裂隙的调查
节理、裂隙等软弱面对岩体的贯入度(PRev)及刀具破岩效率有很大影响。参考挪威科学及技术大学模型(NTH)，刀具贯入度与滚刀直径影响系数Kd、刀距影响系数Ka、节理、裂隙影响系数Ks 有关,而节理、裂隙间距直接制约影响系数Ks。
表1 节理、裂隙间距与影响系数Ks 对照表
（2）加密钻探
对隧道穿越风化岩层地段，按《城市轨道交通岩土工程勘察规范》（GB50307-2012）中复杂场地要求进行钻孔加密，加密后孔距10～30m。特别对隧道穿基岩面的段落，探孔距离适当加密，判明基岩面与隧道的位置关系（福州对中风化及微风化岩判为基岩）。
深度要求：一般性勘探孔深度要求达到隧底以下2倍隧道直径，控制性孔要求达到隧底以下3倍隧道直径；当隧道进入中微风化岩层时，钻孔深度按进入中等风化岩层3m或深入隧底3m双控。
表2 补勘钻孔工作量
（3）引进微动探测技术
微动法探测孤石主要就是采用电子仪器和相应的接收仪，发射和接收微动波（一种由体波(P波和S波)和面波(Rayleigh波和Love波)组成的复杂振动，并且面波的能量占信号总能量的70%以上），然后从采集的微动数据中提取面波的频散信息， 并推断地下介质的速度结构。其特点有：
①地面无损探伤，占道时间短，探测速度快，对周边环境影响小；
②采用一台电子仪器和若干接收仪，施工设备简单，占用场地小；
③准确度较一般，探测准确率约在50%
本次利用详勘及补勘孔，在夜间进行勘察，重点对基岩面进行了探查。对于基岩突起情况，微动探测波形反映为F0的频率较高（成果见图3）。
图3 微动探测技术对基岩突起的探测成果
3.2室内实验
本区间详勘勘察报告对岩石开展的项目主要有密度、凝聚力、内摩擦角及抗压强度。由于试验时没有区分破坏类型（节理/ 裂隙破坏），抗压强度取值上存在一些偏差。另外，受一般土建工程影响，在试验时认为低值对工程更安全，使勘察报告中数据代表性不强。
通过对盾构机滚刀破岩机理认识，参照国外TBM工程勘察经验，硬岩盾构还需进行如下针对性实验。
表3 室内试验明细表
3.3补勘成果
本次补勘，重点探查了基岩面与隧道的位置关系，补充了基岩（中微风化花岗岩）岩石质量指标、单轴极限抗压强度、耐磨指数等参数进行了相关的试验，其实验成果满足盾构机选型及刀配置需要。
表4 岩石物理力学指标统计表
3盾构机选型及配置
结合补勘工作成果，在进行设备选型及多项的适应性评估后，经专家论证，树屏区间采用2台复合式盾构机。考虑到硬岩段微风化岩石质量指标在60~95，强度普遍在110Mpa以上，刀具采用意大利庞万力进口刀具。盾构机设备性能参数见表5：
表5 盾构机设备性能参数
4 盾构隧道临近建筑物设计施工关键技术
4.1 隧道过农业厅建筑物概况
树屏区间以小半径曲线穿华林路与鼓屏路东南象限，隧道在DK7+335~+400段落下穿了省农业厅住宅、综合服务办公楼以及食堂等建筑。建筑主要以框架结构、砖混结构。结构基础类型有桩基及独立浅基础。
该段隧道洞身地层主要为散体状强风化花岗岩、碎裂状强风化岩以及中风化花岗岩。盾构机施工从基岩地层到全风化岩过渡段。
图4 树屏区间小曲线段穿农业厅房屋平面图
表6 隧道下穿及临近的农业厅房屋情况及风险措施
4.2 隧道下穿（侧穿）建筑物影响分析及风险设计
4.2.1 建筑物沉降控制标准
设计阶段对农业厅建筑物进行了调研及资料收集工作，并委托鉴定单位进行了房屋安全等级评估，结合上述资料，对隧道下穿及侧穿建筑物变形控制标准拟定如下：
表7 建筑物基础沉降控制标准
4.2.2 隧道施工对建筑物影响分析
根据收集的资料，结合本区间工法，采用了结构分析软件Midas/GTS进行了数值模拟分析。模拟工况主要分两种：盾构隧道下穿房屋及隧道近距离侧穿。
图5 数值模拟三维模型
根据本区间隧道的相关资料及盾构施工对周围土体的影响。计算模型长度取30m，宽度取100m，深度取40m。
对于房屋结构，将屋面、楼板、装饰材料等荷载转换成均布荷载，加载到框架梁上。荷载的取值依照相规范取值。
（1）盾构隧道下穿房屋模拟结果
当建筑物位于区间隧道正上方时，盾构隧道开挖引起地表建筑物整体下沉，先行开挖右线的拱顶位移最大沉降值约52mm，后行开挖左线的拱顶位移约44mm，地表沉降约30mm。盾构施工时两隧道间存在一定的相互作用，且先行开挖隧道处土体沉降大于后行开挖隧道土体位移沉降。
图6 盾构隧道下穿建筑物地层位移云图
（2）盾构隧道侧穿房屋模拟结果
当区间隧道侧穿建筑物时（本次模拟了盾构隧道与地表建筑物间距0.5D、1D、1.5D、2D、3D工况，D为盾构外径）。
图7 建筑物与隧道不同间距时地地表沉降曲线
模拟结果显示，当建筑物与隧道平面距离为1D时，地表最大的沉降值为11mm，2D时地表沉降最大值为7mm，3D时地表沉降最大值为5mm。模拟结果说明，在设计埋深和地层情况下，隧道下穿、侧穿邻近建筑物时，建筑物沉降值发生在允许范围。
图8 侧穿建筑物（1D间距）地层位移云图
（3）盾构隧道二次注浆与地层沉降模拟
模拟了盾构隧道不同注浆压力情况下，地表沉降情况。模拟结果显示在盾构施工过程中随着注浆压力p值的增大，引起地表沉降槽“V”的宽度逐渐减小。注浆压力值越小，则地表沿竖向的沉降数值越大。
图9 不同注浆压力地表沉降曲线
（4）数值模拟主要结论
①DK7+335~+400段落隧道洞身埋深20m左右，洞身地层主要中风化花岗岩以及强风化岩，上覆全风化岩及残积层。在这种情况下，盾构法施工引起的地层沉降及对建筑物造成的倾斜满足建筑物基础沉降控制标准。
②加强盾构同步注浆及二次注浆，可进一步减少地表沉降，有利于控制地层变形及建筑物沉降。
4.2.2 过农业厅建筑物风险设计
对于本段隧道下穿及临近的房屋，设计根据《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》GB50652-2011以及模拟计算，对隧道下穿（侧穿）的建筑物进行了风险评级毛并提出了风险处理措施，风险评价及处理措施见表6。
4.3 过农业厅建筑物施工关键技术
DK7+335~+400段落，盾构施工主要有三个难点：①地层从全断面硬岩~上软下硬不均地层过渡；②R=310m的小曲线半径掘进；③隧道临近农业厅建筑物。在该段掘进过程中需关注掘进关键参数、刀具检查更换以及盾构机纠偏。
4.3.1 盾构掘进控制参数
区间下行、上行线分别于2014年10月~2015年6月以及上行线2015年1月~7月通过上软下硬岩层，通过实践总结该段掘进控制参数如下：
（1）土仓压力：土仓压力根据地面监测情况进行调整，每环掘完或因其他原因停机时土仓上部土压稳定后应比掘进时上部土压高0.2～0.3bar，已避免盾构机在拼装过程中栽头；
（2）掘进推力：9000～1100t，掘进过程中总推力不应出现较大波动；
（3）掘进速度：上软下硬地层掘进速度控制在10-15mm/min；硬岩地层掘进速度控制在3～8mm/min；
（4）刀盘扭矩：1700～2500kN•m，扭矩波动控制在100 kN•m以内（当扭矩波动频繁接近或超过200 kN•m，则说明刀盘刀具可能出现偏磨现象）；
（5）刀盘转速：通过岩层时刀盘转速控制在1.0～1.5RPM（一般1.2 RPM左右）；
（6）刀具贯入度：刀盘贯入度，软硬不均地层按不大于10 mm/min控制，其中在全断面硬岩段按不大于5mm/min控制。
4.3.2 刀具检查及更换
盾构机处在进入上软下硬地层前，应选定换刀点提前进行换刀，尽量避免在土仓上部地层较差的地段换刀；硬岩地层中掘进刀具损坏较快，掘进时重点观察盾构机的推力、速度、刀盘扭矩以及渣土情况。
（1）刀具每1环检查1-2次。利用管片拼装及停止掘进时对刀具进行检查，发现损坏及时更换。
（2）一般边缘刀磨损控制在10mm以内，特殊地段控制在5mm内。
（3）根据刀具磨损规律，将超限磨损的边缘刀、正面刀向刀具磨损量较小中心区依次倒换，合理利用刀具。
（4）为每一把刀具建立健全刀具维修、使用及更换档案。
4.3.3 小曲线段盾构姿态控制
小半径掘进曲线过程中，盾构机水平油缸推力保持一定的推力差，机体水平姿态应控制在-20～-40mm。确保盾构机千斤体油缸行程差与盾构机铰接油缸行程差保持一致，同时要注意盾构机油缸行程差不超过40mm。
中微风化岩地层盾构机纠偏难度较大。盾构机司机在掘进过程中要密切关注盾构机轴线与设计轴线偏差值，并根据盾构机水平及垂直趋向判断未来盾构机姿态，做到提前纠偏，确保盾构机姿态受控。
在小半径曲线段，隧道在纵断面上处于11%的上坡上，单环盾构机垂直纠偏量控制在4mm左右，确保纠偏完成后盾构机垂直姿态为-10～-30mm之间。
在小半径曲线掘进过程中，要加强管片螺栓的复紧，并定期抽查。
4.3.4 掘进进度及损耗
在进入地层过渡段（上软下硬）及全断面硬岩段后，由于岩石质量指标在60~95，强度普遍在110Mpa以上，盾构机的刀具消耗非常高，盾构工效低，单月最快92环，较慢时仅有28环，平均达57环/月。
根据统计，延米刀具平均损耗1.22把，费用2.7万左右。隧道综合成洞造价5.5万。
4.4 施工监控测量
施工对DK7+335~+400段上部建筑物进行了全程监控量测，限于篇幅，本文仅列出省农业厅综合服务中心监测情况。
图10 省农业厅综合服务中心监测点平面布置图
图11省农业厅综合服务中心监测点沉降数据基本反应了从盾构到达到通过建筑物各监测点的沉降情况。
前5周盾构机尚未到达，建筑物检测点数据在0附近摆动（测量误差）；第6周盾构机到达，沉降点发生上拱，最大值发生JC20-7测点，上拱1.28mm；隧道通过后，检测点最大沉降9.8mm。数据符合盾构隧道通过规律，且满足建筑物变形控制标准。现场观测农业厅综合服务中心地表及墙体均无明显开裂情况。
图11 省农业厅综合服务中心监测点沉降数据
5 结论及建议
本区间下行线自2014年8月掘进，2015年7月完成施工，上行线自2014年11月始发，2015年8月达到，区间总工期约13个月，全过程无安全事故发生。
通过本区间的实践，初步掌握了在福州时上软下硬地层中，土压平衡盾构法小半径过建筑物的技术。收获经验如下：
（1）盾构法隧道对硬岩、软硬不均段的地质勘察有特殊要求。在各阶段地质勘察，应对岩层线、岩石强度（抗压及抗拉）、岩层节理裂隙、岩石耐磨性指标、矿物含量（特别是石英含量）进行相关工作。
（2）采用加装滚刀的复合式盾构机完全可以掘进福州市高强度的中微风化花岗岩地层，但工效较低，综合月进度在 60~80m。且刀具损耗大（采用进口刀具，延米损耗1.22把滚刀）。
（3）通过加大埋深，严格控制盾构机开挖仓压力、盾构机顶推力（具体参数见4.3节），并加强同步注浆及二次注浆措施，能做到土压盾构通过期间地层变形不超标，确保隧道上方或临近的多层或高层建筑物结构安全。
本区间实践总结的经验可供福州市其他类似情况参考，但地下工程地质复杂多变，施工队伍经验参差不齐，本工程所取的经验不能作为标准，其他工程还应因地制宜，辨证使用。
参考文献
[1]王小忠. 盾构机在长距离硬岩中掘进的探讨[J]. 铁道工程学报,2006,04:52-56+66.
[2]李茂文,刘建国,韩雪峰,陈寿根. 长距离硬岩地层盾构施工关键技术研究[J]. 隧道建设,2009,04:470-474.
[3]尤显明,杨书江. 短距离硬岩及上软下硬地层盾构法施工技术[J]. 城市轨道交通研究,2007,05:32-34.
[4]刘建国. 深圳地铁盾构隧道施工技术与经验[J]. 隧道建设,2012,01:72-87.
[5]谭军民,王逢松. 重庆地铁复合地层中硬岩盾构施工技术[J]. 建筑机械化,2012,S2:61-65.
[6]张厚美. TBM的掘进性能数值仿真研究[J]. 隧道建设,2006,S2:1-7.
[7]GB 50009-2012, 建筑结构荷载规范[S].
