復(fù)雜地質(zhì)條件地鐵盾構(gòu)施工技術(shù)要點(diǎn)及安全影響因素

呂鵬程

摘要：隨著城市交通軌道技術(shù)的飛速發(fā)展，地鐵工程已經(jīng)在各大城市蓬勃展開，成為城市經(jīng)濟(jì)和建設(shè)的重要?jiǎng)恿Γ矠槿藗兊某鲂刑峁┝烁憷臈l件。為了解決城市軌道交通工程在復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工難題，盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)已經(jīng)成為地鐵施工中最關(guān)鍵的手段。本文將從勘察地質(zhì)、盾構(gòu)選擇、盾構(gòu)始發(fā)施工、掘進(jìn)等技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，對復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工安全影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

Abstract： With the rapid development of urban transportation track technology， subway projects have flourished in major cities， becoming an important driving force for urban economy and construction， and providing more convenient conditions for people to travel. In order to solve the construction problems of urban rail transit projects under complex geological conditions， shield tunneling construction technology has become the most critical method in subway construction. This article will analyze the technical aspects of survey geology， shield selection， shield construction， and tunneling， and conduct experimental research on the influencing factors of shield construction safety under complex geological conditions.

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)施工;復(fù)雜地質(zhì);技術(shù)要點(diǎn);安全影響

Key words： shield construction;complex geology;technical points;safety impact

中圖分類號：U455.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）08-0171-04

0 ?引言

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)高速發(fā)展，城市交通建設(shè)空間呈現(xiàn)擁擠的態(tài)勢，由此，城市交通規(guī)劃開始逐漸向地下空間擴(kuò)展，不同工程穿越交叉的情況越來越普遍，這就需要盾構(gòu)施工技術(shù)參與工程施工，但所穿越的地下底層地質(zhì)條件極其復(fù)雜，盾構(gòu)施工會(huì)經(jīng)常發(fā)生地面變形和沉降的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了地表管線和周圍建構(gòu)筑的安全，如果不加以解決，甚至能威脅到民眾的生命安全和城市的發(fā)展。由此，在復(fù)雜條件下，選擇先進(jìn)、科學(xué)的盾構(gòu)施工工藝顯得特別重要。同時(shí)，施工過程中安全事故也經(jīng)常發(fā)生，由此可見，對盾構(gòu)施工的安全影響因素進(jìn)行分析也是至關(guān)重要的。本文將從以下幾個(gè)方面進(jìn)行闡述。

1 ?地鐵隧道盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的施工特點(diǎn)分析

1.1 較高的安全保障

隨著整體科技高速發(fā)展，地鐵施工中對盾構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用的安全性也相應(yīng)提升，但畢竟盾構(gòu)施工是地下工程，受地質(zhì)條件變化的影響極大，如盾構(gòu)穿越溶洞、孤石、流砂等不良地質(zhì)，有很大的不確定性。但同時(shí)盾構(gòu)施工具備快速的特點(diǎn)，通過提前地質(zhì)勘探、科學(xué)合理盾構(gòu)選型等，化解了諸多的不利因素，降低了各種因素對施工的影響，提升了地鐵工程中盾構(gòu)結(jié)構(gòu)施工的安全系數(shù)。另外，在盾構(gòu)的合理科學(xué)的結(jié)構(gòu)施工中，對地面交通的影響幾乎為零，切實(shí)提升了地鐵施工的效率和質(zhì)量。

1.2 施工的高效率

雖然我國地鐵工程中對盾構(gòu)結(jié)構(gòu)施工起步晚，研究課題不多，但在對盾構(gòu)結(jié)構(gòu)施工的投入上卻有后來居上的趨勢，該項(xiàng)目的規(guī)模躋身世界前列，而且在盾構(gòu)施工技術(shù)方面也在大幅度提高，各種施工設(shè)備和技術(shù)層出不窮，例如，直徑15米以上的特大型盾構(gòu)機(jī)、異形隧道盾構(gòu)機(jī)、自帶冷凍刀盤盾構(gòu)機(jī)等等一系列最前沿的開挖掘進(jìn)和支護(hù)技術(shù)，促進(jìn)我國的盾構(gòu)結(jié)構(gòu)施工的效率逐年提高。

1.3 對環(huán)境危害小

利用盾構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)行地鐵隧道施工，因?yàn)榉浅Ｐ〉墓ぷ髅?，加之是全過程是地下施工，對城市地面的環(huán)境影響不大。另外，盾構(gòu)施工的所有設(shè)備都是在地下直接安裝的，對地上建筑物沒有影響，大大降低了施工對環(huán)境的影響。

2 ?地鐵盾構(gòu)結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的構(gòu)成

通常情況下，地鐵盾構(gòu)施工項(xiàng)目都具備地質(zhì)復(fù)雜的特性，在施工之前以至于施工過程中，要對所在地的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行全面的勘察，然后經(jīng)過論證找出合適的施工技術(shù)，下面通過某佛山地鐵2號線某區(qū)間的實(shí)踐對地鐵盾構(gòu)施工技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行淺析。

2.1 盾構(gòu)出洞準(zhǔn)備施工技術(shù)

2.1.1 材料與設(shè)備比選

在出洞施工前務(wù)必要結(jié)合現(xiàn)場的地質(zhì)條件，選擇好施工材料和施工設(shè)備，同時(shí)認(rèn)真詳細(xì)檢查盾構(gòu)施工的出洞條件，確保出洞施工的安全順暢。同時(shí)要用盾構(gòu)的出洞條件與設(shè)備出洞前的土質(zhì)進(jìn)行認(rèn)真比選。

2.1.2 基座設(shè)置

基座的設(shè)置是盾構(gòu)出洞施工的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其基座參數(shù)的選擇務(wù)必根據(jù)實(shí)際的盾構(gòu)出洞施工條件相適合，如此才可以保證按照預(yù)定的軌跡進(jìn)行掘進(jìn)，確保施工的精準(zhǔn)性。

2.1.3 檢查設(shè)備

在出洞施工前務(wù)必對盾構(gòu)機(jī)及其配套設(shè)施進(jìn)行嚴(yán)格檢查，檢查的指標(biāo)是主體和配套的匹配性，由于地下施工過程中沒有辦法檢查周圍的環(huán)境，務(wù)必在對設(shè)備的組裝和施工前對設(shè)備的安全性和有效性進(jìn)行確認(rèn)。

2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)階段施工技術(shù)要點(diǎn)

在盾構(gòu)掘進(jìn)施工開始前，必須要對盾構(gòu)掘進(jìn)設(shè)備實(shí)施試驗(yàn)運(yùn)行，確保機(jī)械的性能和施工的要求相匹配，對不符合施工要求的設(shè)備進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，保證掘進(jìn)施工的有效開展。在掘進(jìn)數(shù)據(jù)確定以后，施工人員還要做最后的參數(shù)調(diào)整，然后方可以開展掘進(jìn)施工。在掘進(jìn)的施工過程中，操作者要實(shí)時(shí)觀察盾構(gòu)機(jī)的工作狀態(tài)，如果發(fā)生了方向傾斜等問題，要立即進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整，并且要對施工數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)的計(jì)算，確保盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)方向完全符合設(shè)計(jì)線路。

2.3 粉細(xì)砂層地段施工要點(diǎn)

在地鐵的盾構(gòu)施工中，經(jīng)常發(fā)生勘察的地層分部與實(shí)際存在較大偏差的現(xiàn)象，會(huì)嚴(yán)重影響盾構(gòu)施工的效率。佛山最常見的地層是粉細(xì)砂層，這樣的地質(zhì)條件對盾構(gòu)施工的安全開展造成不利的影響，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中由于壓力過高，極易發(fā)生噴涌，從而造成地面塌陷等嚴(yán)重后果。因此，在施工方案中要對這種情況專門設(shè)定應(yīng)急預(yù)案。對目前粉細(xì)砂層的問題的處理，主要方案是利用刀盤面板上的注漿孔向土艙內(nèi)加泥的手段，以降低其幾乎液態(tài)的流動(dòng)性，從而降低粉砂層對盾構(gòu)施工的不良影響。

2.4 盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞施工技術(shù)要點(diǎn)

在我國的地鐵工程中，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞的施工技術(shù)發(fā)展很快，對相應(yīng)的盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)施工也提出越來越高的要求，由此，在整個(gè)的地鐵盾構(gòu)施工中，必須要施工前就做好充分的進(jìn)出洞施工準(zhǔn)備。主要表現(xiàn)在下面幾點(diǎn)。第一，基于工序非常復(fù)雜的地鐵盾構(gòu)機(jī)的進(jìn)出洞施工，為了保證盾構(gòu)設(shè)備的精度不受復(fù)雜環(huán)境的影響，相關(guān)的技術(shù)人員必須在進(jìn)出洞前進(jìn)行準(zhǔn)確的地質(zhì)數(shù)據(jù)勘測，同時(shí)根據(jù)掌握的情況規(guī)劃詳細(xì)的盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)行線路，以確保盾構(gòu)機(jī)在地鐵隧道施工中的精準(zhǔn)性。第二，在對施工路線進(jìn)行準(zhǔn)確的確定后，施工單位還要準(zhǔn)確分析研究確定好的施工路線的地質(zhì)情況，確保盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)的過程中參數(shù)的科學(xué)性，保障掘進(jìn)施工的正常運(yùn)行。第三，針對盾構(gòu)施工中無法規(guī)避的不良地質(zhì)條件，解決的措施就是及時(shí)調(diào)整施工方案，根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際環(huán)境制定相適應(yīng)的施工措施，確保進(jìn)出洞施工的正常開展。

3 ?盾構(gòu)施工過程中需要注意的問題分析

3.1 開挖前勘測工作的必要性

在地鐵盾構(gòu)挖掘施工開展前，對施工總體路線的精準(zhǔn)勘測是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，這樣就可以更全面更細(xì)致地掌握各種復(fù)雜地質(zhì)，例如斷層和薄弱的土層分布狀況等，然后按照勘察的數(shù)據(jù)和實(shí)際情況制定預(yù)防的措施，最大限度地減輕施工過程中的意外地質(zhì)影響。另外，還要根據(jù)施工的地質(zhì)情況做好對盾構(gòu)機(jī)的保養(yǎng)計(jì)劃，對于特殊狀況下可能出現(xiàn)的特殊情況要充分做好預(yù)案，并且對不同地段的不同地質(zhì)條件下的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行分析，制定下一步的掘進(jìn)方案，確保盾構(gòu)施工的安全穩(wěn)定。

3.2 設(shè)置科學(xué)合理的盾構(gòu)施工參數(shù)

在地鐵盾構(gòu)施工的過程中，合理、科學(xué)的參數(shù)設(shè)置是盾構(gòu)施工正常運(yùn)行的保障，只有設(shè)置盾構(gòu)掘進(jìn)施工的合理參數(shù)，才可以參照地質(zhì)的勘測數(shù)據(jù)對盾構(gòu)機(jī)土倉參數(shù)進(jìn)行最佳的選擇，才能根據(jù)實(shí)際情況對測量的參數(shù)進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整，保障盾構(gòu)施工的順利開展。在盾構(gòu)的掘進(jìn)參數(shù)異常反應(yīng)的時(shí)候，進(jìn)行線路調(diào)整的依據(jù)是系統(tǒng)反饋回來的信息，同時(shí)要結(jié)合渣土改良、渣樣分析等輔助手段，對盾構(gòu)姿態(tài)實(shí)時(shí)進(jìn)行糾偏推進(jìn)，以這種模式來科學(xué)掌控掘進(jìn)的正確方向。對于曲線段的掘進(jìn)施工，必須按照曲線半徑計(jì)算出來最佳的鉸接角度，對合適的輔助掘進(jìn)曲線進(jìn)行設(shè)置。目前最普遍安裝的盾構(gòu)機(jī)油缸有兩種，即主推模式和低壓跟隨模式，如想對掘進(jìn)的方向做出選擇，就需要對另外一側(cè)的主推油缸的數(shù)量進(jìn)行設(shè)定，而在進(jìn)行下坡段的掘進(jìn)施工時(shí)候，就要適當(dāng)增加盾構(gòu)機(jī)上部分的壓力，對于掘進(jìn)施工的左轉(zhuǎn)彎段落時(shí)，就要適當(dāng)增加右側(cè)的壓力。

3.3 預(yù)防管片上浮問題

在地鐵盾構(gòu)施工的中，管片上浮也會(huì)影響工程的順利實(shí)施，由此，技術(shù)人員在施工前對地質(zhì)的精準(zhǔn)勘測是非常重要的，可以根據(jù)勘測的實(shí)際狀況，通過適當(dāng)降低掘進(jìn)速度、調(diào)整同步注漿凝固時(shí)間、管片螺栓多次復(fù)緊等措施，使得管片上浮的情況得以改善（圖1）。

3.4 避免地面沉降措施

在地鐵盾構(gòu)施工過程中，地面發(fā)生沉降也是常見的施工安全問題，所以，杜絕此類現(xiàn)象發(fā)生的有效措施就是在施工前制定科學(xué)合理的預(yù)防措施，嚴(yán)格控制出渣量。另外，工程注漿量不足也會(huì)引起地面沉降的發(fā)生，由此，要對注漿的時(shí)間和速度進(jìn)行控制，按照施工的實(shí)際地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3.5 滲漏問題的控制措施

滲漏現(xiàn)象是在地鐵盾構(gòu)施工中老大難問題，嚴(yán)重影響地鐵的施工質(zhì)量，因此，及時(shí)分析滲漏原因、找出控制措施是保障地鐵盾構(gòu)施工的必不可少的措施。

在盾構(gòu)施工中發(fā)現(xiàn)，通過嚴(yán)格控制止水條粘貼質(zhì)量、封頂快安裝時(shí)在止水條外部涂刷潤滑劑（如肥皂水等）、合理控制同步注漿量等措施可以有效減少滲漏水情況的發(fā)生。

4 ?盾構(gòu)施工安全影響因素分析

本文將通過計(jì)算模型模擬盾構(gòu)施工過程，對施工安全影響因素進(jìn)行分析。

4.1 土艙壓力的對比分析

為了分析不同的土艙壓力下對地表的位移的影響程度，本文對隧道進(jìn)行模擬，設(shè)定土艙壓力分別取0.3兆帕、0.345兆帕、0.4兆帕、0.45兆帕。

4.1.1 不同土艙壓力下的地表位移變化

在地表在不同壓力下進(jìn)行試驗(yàn)，變形曲線通過數(shù)值模擬顯現(xiàn)出來，如圖2所示。由此可見，對隧道實(shí)施0.3兆帕的土艙壓力的情況下，地表表現(xiàn)小幅度的沉降位移，已開挖地表部分沉降的最大幅度為-2.29毫米，沒有進(jìn)行挖掘的地表沉降位移為-1.99毫米，都是顯現(xiàn)很小的位移沉降。對隧道實(shí)施不同土艙壓力，在逐漸增大的壓力下，地表顯現(xiàn)小幅度的整體沉降。在盾構(gòu)的具體施工中，如果想調(diào)整土艙的壓力，必須參照地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)以及場地實(shí)際情況進(jìn)行。

4.1.2 不同土艙壓力下的應(yīng)力分析

在盾構(gòu)機(jī)不同土艙壓力作用下隧道未開挖土體的應(yīng)力表現(xiàn)，如圖3所示。不難看出，應(yīng)力影響比較大的是盾構(gòu)開挖刀盤前方的土體，特別是表現(xiàn)極大的主應(yīng)力，土體上方的應(yīng)力稍弱，應(yīng)力變化很明顯的還有盾構(gòu)機(jī)周圍土體，而且隨著逐漸增大的土艙壓力，掌子面上的應(yīng)力也明顯在增大。

4.2 注漿量影響因素對比分析

地鐵盾構(gòu)施工主體就是隧道工程，在地鐵隧道開挖過程中，需要有管片的設(shè)置，每向前掘進(jìn)1.2米就施加一級管片，基于隧道土體與管片之間的空隙，需要對縫隙實(shí)施注漿填充，以達(dá)到改善周圍土體、減少地表土體沉降的作用。模擬的過程中，注漿的數(shù)量根據(jù)管片的厚度決定，原有管片厚度為300毫米，現(xiàn)在通過彈性模量改變對有效厚度模擬，等效厚度注漿為50毫米、100毫米、150毫米、250毫米。通過數(shù)值的模擬，可以顯示出注漿量的差異性地表沉降的變化狀況曲線，等效厚度與地表沉降成反比例，等效厚度增大的情況下，地表沉降變小。在地鐵盾構(gòu)施工的具體注漿施環(huán)節(jié)里，注漿的科學(xué)合理性會(huì)減小地表的沉降，但注漿數(shù)量過多就會(huì)讓地表發(fā)生隆起，對土體的穩(wěn)定性有一定的破壞，造成地表沉降加大，所以，在盾構(gòu)的實(shí)際施工中，合理的注漿量要根據(jù)地表位移監(jiān)測數(shù)據(jù)和實(shí)際情況來決定。

4.3 隧道穿越不同土層的影響因素分析

情況來在極其復(fù)雜的地質(zhì)條件下，地鐵盾構(gòu)在隧道開挖過程中，穿越土層的差異性是很大的，當(dāng)對上硬下軟土層進(jìn)行穿過時(shí)，通過模擬可以得出地表的變化情況。隧道在應(yīng)對0.345兆帕的土艙壓力下，在經(jīng)過全風(fēng)化軟土層時(shí)，上面呈現(xiàn)硬土層中風(fēng)化土，而進(jìn)行全面挖掘以后，地表位移發(fā)生變化，隨著開挖的逐漸展開，就會(huì)逐漸減小地表的整體位移，而且最大位移和最小位移的差距不大，地表也沒有明顯的變化。隧道施工在上軟下硬的土層進(jìn)行的時(shí)候，沒有明顯的應(yīng)力變化。而變化較大的是掌子面上的應(yīng)力。在這樣的地質(zhì)土層中，基于土艙的壓力變化，顯現(xiàn)的應(yīng)力應(yīng)變值的影響區(qū)域遠(yuǎn)比硬土層要大，但對下部土體沒有太大的影響，因?yàn)橄虏康耐临|(zhì)為硬土層風(fēng)化類型，比較有較好的土體穩(wěn)定性。

5 ?結(jié)束語

綜上所述，極其復(fù)雜的地質(zhì)條件是地鐵盾構(gòu)施工面臨的最大挑戰(zhàn)，施工技術(shù)人員應(yīng)該具備豐富的施工經(jīng)驗(yàn)和過硬的施工技術(shù)，在施工的過程中，必須對現(xiàn)場的狀況進(jìn)行了解，根據(jù)具體的施工情況對盾構(gòu)施工技術(shù)做出選擇，對盾構(gòu)的掘進(jìn)狀態(tài)和參數(shù)實(shí)施嚴(yán)格控制，把施工的管理水平提高到新水平，確保整體的工程質(zhì)量。同時(shí)，本文也通過模型試驗(yàn)對盾構(gòu)施工安全關(guān)鍵影響因素進(jìn)行了分析，以期對盾構(gòu)的安全施工措施制定提供數(shù)據(jù)資料。

參考文獻(xiàn)：

[1]林大涌，雷明鋒，曹豪榮，等.盾構(gòu)下穿運(yùn)營鐵路施工風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評價(jià)方法研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2018，15（5）：1347-1355.

[2]余學(xué)嬌.蘭州軌道交通區(qū)間隧道盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)管理研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2017.

[3]楊書江.復(fù)雜地質(zhì)條件下廈門地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)及對策[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2016，53（5）：188-193.