論復(fù)雜地層的盾構(gòu)施工技術(shù)

張明華

摘? ? 要：盾構(gòu)施工作業(yè)均在地下進(jìn)行，噪音、振動(dòng)引起的公害小，既不影響地面交通，又不對(duì)附近居民造成影響。其推進(jìn)、出土、拼裝襯砌循環(huán)進(jìn)行，易于管理，人員較少，勞動(dòng)強(qiáng)度低，生產(chǎn)效率高，因其綠色環(huán)保的特點(diǎn)成為地下工程優(yōu)先考慮的施工方法。盾構(gòu)法雖然是一種安全高效的施工方法，但也不是萬(wàn)能的施工方法。如遇曲線半徑過(guò)小、地表沉陷、復(fù)雜地層時(shí)得慎重對(duì)待。本文針對(duì)復(fù)雜地層的盾構(gòu)施工技術(shù)和難點(diǎn)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜地層;盾構(gòu)施工

1? 引言

盾構(gòu)是指利用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧道開挖、襯砌等作業(yè)的施工方法。盾構(gòu)施工過(guò)程中，要在施工前做好地質(zhì)勘查工作、掌握工程地質(zhì)條件、合理控制掘進(jìn)參數(shù)，進(jìn)而保障工程質(zhì)量。

2? 復(fù)雜地層盾構(gòu)掘進(jìn)面臨的問題

復(fù)雜地層由于工作面地層巖石力學(xué)指標(biāo)及地質(zhì)特征差異大，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中容易出現(xiàn)掌子面坍塌、土壓盾構(gòu)噴涌、泥水盾構(gòu)環(huán)流異常、超量出碴、地表沉降超限、刀盤結(jié)泥餅、刀具偏磨損壞和盾構(gòu)姿態(tài)難以控制等問題，出現(xiàn)上述問題的原因，主要如下。

2.1? 復(fù)雜地層中工作面平衡難以建立

盾構(gòu)施工的核心之一就是要建立和維持工作面的水土壓力平衡，從而達(dá)到減少地層擾動(dòng)、控制沉降和保護(hù)環(huán)境的目的。在軟土地層中，盾構(gòu)可以建立起理想的水土壓力平衡模式;在復(fù)雜地層中，掌子面上部需要平衡水土壓力，下部?jī)H需要平衡水壓力。若僅考慮掌子面上部平衡，則下部可能出現(xiàn)超壓;若僅考慮掌子面下部平衡，則掌子面上部會(huì)出現(xiàn)欠壓。

掌子面超壓在富含黏、粉粒地層中極易出現(xiàn)結(jié)泥餅、糊刀盤和刀具異常磨損現(xiàn)象;掌子面欠壓則會(huì)發(fā)生上部軟弱地層坍塌、超量出碴和沉降超限等異常情況。

2.2? 軟硬不均地層中盾構(gòu)工作狀態(tài)不佳

盾構(gòu)在軟硬不均地層掘進(jìn)時(shí)，刀盤受力復(fù)雜，刀具在掌子面上、下部位貫入度相差很大。刀盤旋轉(zhuǎn)過(guò)程中刀具接觸巖土分界面產(chǎn)生的撞擊易造成刀圈崩刃、開裂和脫落，刀體損壞。

2.3? 復(fù)雜地層中滾刀容易過(guò)載

復(fù)雜地層中盾構(gòu)總推力克服盾殼摩擦力、土艙堆碴反力和后配套拖車牽引反力后，剩余的凈推力全部作用在接觸掌子面硬巖的部分滾刀上面，推力控制稍有不慎，即可造成滾刀過(guò)載損壞，引起刀具損壞的多米諾骨牌效應(yīng)。

2.4? 復(fù)雜地層中碴土改良難度大

復(fù)雜地層中掌子面圍巖物理力學(xué)性狀差異大，從松散、流塑、軟塑到堅(jiān)硬石同時(shí)存在。一方面碴土改良的客觀難度增加，另一方面掌子面水土平衡對(duì)碴土改良的要求更高。

3? 復(fù)雜地質(zhì)條件中的盾構(gòu)隧道施工技術(shù)

3.1? 土壓式平衡盾構(gòu)機(jī)施工技術(shù)要點(diǎn)

（1）模式的選擇。土壓式平衡盾構(gòu)機(jī)有三種模式，包括敞開式、半敞開式和土壓平衡模式。在對(duì)掘進(jìn)模式進(jìn)行選擇時(shí)，我們應(yīng)該根據(jù)地層的不同條件特征來(lái)選擇。通常情況下，對(duì)全斷面巖層掘進(jìn)時(shí)，我們可選擇敞開式掘進(jìn)模式，并使用泡沫劑對(duì)渣土進(jìn)行改良;而對(duì)于存在軟弱層的復(fù)雜地層，則可選擇土壓平衡模式，并采用泡沫和適量的膨潤(rùn)土對(duì)渣土進(jìn)行改良。采用此種模式時(shí)，土倉(cāng)的壓力不用過(guò)于頻繁調(diào)節(jié)，只要保證土倉(cāng)壓力略高于掌子面的土壓和水壓力和即可;對(duì)于處理砂卵石或者上軟下硬的土層，由于土層比較復(fù)雜，則同樣需要采用土壓平衡模式來(lái)掘進(jìn)，因?yàn)樵谶@種復(fù)雜土層掘進(jìn)時(shí)控制土倉(cāng)壓力較難，所以掘進(jìn)時(shí)必須認(rèn)真對(duì)待每個(gè)環(huán)節(jié)。

（2）掘進(jìn)參數(shù)的確定。采用土壓式平衡盾構(gòu)機(jī)施工之前，我們應(yīng)該根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的不同地質(zhì)特點(diǎn)和隧道的埋置深度來(lái)確定其掘進(jìn)的主要參數(shù)。其中包括對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)、推力、扭矩、掘進(jìn)速度以及刀盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)的確定，同時(shí)還需要根據(jù)掘進(jìn)試驗(yàn)段的監(jiān)測(cè)情況，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)進(jìn)行隨時(shí)調(diào)整。由于采用的是土壓平衡模式，所以需要通過(guò)螺旋機(jī)的旋轉(zhuǎn)出土來(lái)維持動(dòng)態(tài)平衡，所以在實(shí)際施工過(guò)程中，我們還需要對(duì)螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速和壓力進(jìn)行有效控制。

（3）盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的控制。在復(fù)雜地層掘進(jìn)時(shí)，對(duì)于盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的控制尤其重要，特別是在硬巖地層和土層條件變化較大的地段，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)糾正難度較大。如果采用調(diào)整千斤頂推力來(lái)糾正姿態(tài)，往往很難達(dá)到理想的效果，而且會(huì)使刀具的磨損加大，甚至?xí)霈F(xiàn)盾構(gòu)機(jī)被卡或者管片錯(cuò)臺(tái)的嚴(yán)重后果。所以在這類地層中掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)該嚴(yán)格遵守長(zhǎng)距離、慢糾偏的原則，避免用力過(guò)猛，造成掘進(jìn)困難。

3.2? 盾構(gòu)穿越施工技術(shù)

在加固完成后，接下來(lái)需要進(jìn)行盾構(gòu)穿越施工。盾構(gòu)穿越施工需要考慮到施工工藝選擇，要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，從而保證施工工藝起到較好的施工效果。盾構(gòu)穿越過(guò)程中，根據(jù)模擬段進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，以保證土倉(cāng)壓力值符合施工需要。在對(duì)盾構(gòu)壓力控制時(shí)，其波動(dòng)應(yīng)在0kPa～15kPa之間，并根據(jù)土壓傳感器傳回的數(shù)據(jù)信息，對(duì)千斤頂?shù)耐七M(jìn)速度進(jìn)行考慮，一般來(lái)說(shuō)，千斤頂?shù)耐七M(jìn)速度宜控制在3cm/min，每天推進(jìn)的環(huán)數(shù)在5～9環(huán)，從而保證注漿速度、推進(jìn)速度與施工進(jìn)度具有較好的協(xié)調(diào)性。在同步注漿過(guò)程中，可采取硬性漿液，并且注漿的壓力要進(jìn)行有效控制。盾構(gòu)施工過(guò)程中，盾構(gòu)姿態(tài)控制的角度變化不要太大，偏差量控制在10mm范圍內(nèi)，坡度變化不應(yīng)超過(guò)1‰，進(jìn)而有效地減少地表沉降現(xiàn)象發(fā)生。在盾構(gòu)穿越既有鐵路施工時(shí)，要注重對(duì)刀盤進(jìn)行有效地潤(rùn)滑，并且在盾尾5環(huán)的時(shí)候，進(jìn)行二次注漿處理，有效降低地表變形量。

3.3? 始發(fā)掘進(jìn)技術(shù)要點(diǎn)

（1）盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)時(shí)的總推力應(yīng)控制在反力架承受能力之內(nèi)，同時(shí)確保在此推力下刀具切入地層所產(chǎn)生的扭矩小于始發(fā)基座提供的反扭矩。

（2）在盾構(gòu)推進(jìn)、建立土壓過(guò)程中應(yīng)注意對(duì)洞門密封，始發(fā)基座、反力架及反力架支撐的變形，渣土狀態(tài)等情況必須認(rèn)真觀察，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低土壓力（或泥水壓力）、減小推力、控制推進(jìn)速度。

（3）由于始發(fā)基座軌道與管片有一定的空隙，為了避免負(fù)環(huán)管片全部推出盾尾后下沉，可在始發(fā)基座導(dǎo)軌上焊接外徑與理論間隙相當(dāng)?shù)膱A鋼，將負(fù)環(huán)管片托起。

（4）在盾構(gòu)內(nèi)拼裝好整環(huán)管片后，利用盾構(gòu)推進(jìn)油缸將負(fù)環(huán)管片緩慢推出盾尾，直至與負(fù)鋼環(huán)接觸，并用管片螺栓連接固定。負(fù)環(huán)管片的最終位置要以推進(jìn)油缸的行程進(jìn)行控制，將第1環(huán)負(fù)環(huán)管片與負(fù)鋼環(huán)之間的空隙用早強(qiáng)砂漿或鋼板填滿，確保推進(jìn)油缸的推力能較好地傳遞至反力架上。第2環(huán)負(fù)環(huán)管片及以后管片將按照正常的安裝方式進(jìn)行安裝。

（5）隨著負(fù)環(huán)管片的拼裝，應(yīng)不斷用準(zhǔn)備好的木楔填塞負(fù)環(huán)管片與始發(fā)基座軌道及三角支撐之間的間隙，待洞門圍護(hù)結(jié)構(gòu)完全拆除后，盾構(gòu)應(yīng)快速地通過(guò)洞門進(jìn)行始發(fā)掘進(jìn)施工。

4? 結(jié)語(yǔ)

盾構(gòu)施工方法以其安全可靠、地層適應(yīng)性好、施工影響小、機(jī)械化程度高、掘進(jìn)速度快、土方外運(yùn)量少、穿越河道時(shí)不影響航運(yùn)、施工不受風(fēng)雪雨等氣候條件影響的諸多優(yōu)點(diǎn)，在工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但針對(duì)各種復(fù)雜條件，應(yīng)因地制宜，及時(shí)調(diào)整施工措施，使盾構(gòu)機(jī)保持良好狀態(tài)，從而保障掘進(jìn)過(guò)程的安全平穩(wěn)進(jìn)行以及設(shè)備的經(jīng)濟(jì)有效使用。

參考文獻(xiàn)：

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