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(kāi)，成為城市經(jīng)濟(jì)和建設(shè)的重要?jiǎng)恿?，也為人們的出行提供了更便利的條件。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(duì)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(lèi)號(hào)：U455.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(shì)，由此，城市交通規(guī)劃開(kāi)始逐漸向地下空間擴(kuò)展，不同工程穿越交叉的情況越來(lái)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(xiàn)和周?chē)?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(guò)程中安全事故也經(jīng)常發(fā)生，由此可見(jiàn)，對(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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(duì)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(guó)地鐵工程中對(duì)盾構(gòu)結(jié)構(gòu)施工起步晚，研究課題不多，但在對(duì)盾構(gòu)結(jié)構(gòu)施工的投入上卻有后來(lái)居上的趨勢(shì)，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(pán)盾構(gòu)機(jī)等等一系列最前沿的開(kāi)挖掘進(jìn)和支護(hù)技術(shù)，促進(jìn)我國(guó)的盾構(gòu)結(jié)構(gòu)施工的效率逐年提高。

1.3 對(duì)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(guò)程是地下施工，對(duì)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(duì)地上建筑物沒(méi)有影響，大大降低了施工對(duì)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(guò)程中，要對(duì)所在地的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行全面的勘察，然后經(jīng)過(guò)論證找出合適的施工技術(shù)，下面通過(guò)某佛山地鐵2號(hào)線(xiàn)某區(qū)間的實(shí)踐對(duì)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(chǎng)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(duì)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(guò)程中沒(méi)有辦法檢查周?chē)沫h(huán)境，務(wù)必在對(duì)設(shè)備的組裝和施工前對(duì)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(kāi)始前，必須要對(duì)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(duì)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(kāi)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(kāi)展掘進(jìn)施工。在掘進(jìn)的施工過(guò)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(wèn)題，要立即進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整，并且要對(duì)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(xiàn)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(jiàn)的地層是粉細(xì)砂層，這樣的地質(zhì)條件對(duì)盾構(gòu)施工的安全開(kāi)展造成不利的影響，在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中由于壓力過(guò)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(duì)這種情況專(zhuān)門(mén)設(shè)定應(yīng)急預(yù)案。對(duì)目前粉細(xì)砂層的問(wèn)題的處理，主要方案是利用刀盤(pán)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(duì)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(guó)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(duì)相應(yīng)的盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)施工也提出越來(lái)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(cè)，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(xiàn)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(duì)施工路線(xiàn)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(xiàn)的地質(zhì)情況，確保盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)的過(guò)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(duì)盾構(gòu)施工中無(wú)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(chǎng)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(kāi)展。

3 ?盾構(gòu)施工過(guò)程中需要注意的問(wèn)題分析

3.1 開(kāi)挖前勘測(cè)工作的必要性

在地鐵盾構(gòu)挖掘施工開(kāi)展前，對(duì)施工總體路線(xiàn)的精準(zhǔn)勘測(cè)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(guò)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(duì)盾構(gòu)機(jī)的保養(yǎng)計(jì)劃，對(duì)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(duì)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(guò)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(cè)數(shù)據(jù)對(duì)盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)參數(shù)進(jìn)行最佳的選擇，才能根據(jù)實(shí)際情況對(duì)測(cè)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(kāi)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(xiàn)路調(diào)整的依據(jù)是系統(tǒng)反饋回來(lái)的信息，同時(shí)要結(jié)合渣土改良、渣樣分析等輔助手段，對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)實(shí)時(shí)進(jìn)行糾偏推進(jìn)，以這種模式來(lái)科學(xué)掌控掘進(jìn)的正確方向。對(duì)于曲線(xiàn)段的掘進(jìn)施工，必須按照曲線(xiàn)半徑計(jì)算出來(lái)最佳的鉸接角度，對(duì)合適的輔助掘進(jìn)曲線(xiàn)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(duì)掘進(jìn)的方向做出選擇，就需要對(duì)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(duì)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(wèn)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(duì)地質(zhì)的精準(zhǔn)勘測(cè)是非常重要的，可以根據(jù)勘測(cè)的實(shí)際狀況，通過(guò)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(guò)程中，地面發(fā)生沉降也是常見(jiàn)的施工安全問(wèn)題，所以，杜絕此類(lèi)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(duì)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(wèn)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(wèn)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(guò)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(rùn)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(guò)計(jì)算模型模擬盾構(gòu)施工過(guò)程，對(duì)施工安全影響因素進(jìn)行分析。

4.1 土艙壓力的對(duì)比分析

為了分析不同的土艙壓力下對(duì)地表的位移的影響程度，本文對(duì)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(xiàn)通過(guò)數(shù)值模擬顯現(xiàn)出來(lái)，如圖2所示。由此可見(jiàn)，對(duì)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(kāi)挖地表部分沉降的最大幅度為-2.29毫米，沒(méi)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(duì)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(cè)數(shù)據(jù)以及場(chǎng)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(kāi)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(kāi)挖刀盤(pán)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?chē)馏w，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(duì)比分析

地鐵盾構(gòu)施工主體就是隧道工程，在地鐵隧道開(kāi)挖過(guò)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(jí)管片，基于隧道土體與管片之間的空隙，需要對(duì)縫隙實(shí)施注漿填充，以達(dá)到改善周?chē)馏w、減少地表土體沉降的作用。模擬的過(guò)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(guò)彈性模量改變對(duì)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(guò)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(xiàn)，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(guò)多就會(huì)讓地表發(fā)生隆起，對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)際情況來(lái)決定。

4.3 隧道穿越不同土層的影響因素分析

情況來(lái)在極其復(fù)雜的地質(zhì)條件下，地鐵盾構(gòu)在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，穿越土層的差異性是很大的，當(dāng)對(duì)上硬下軟土層進(jìn)行穿過(guò)時(shí)，通過(guò)模擬可以得出地表的變化情況。隧道在應(yīng)對(duì)0.345兆帕的土艙壓力下，在經(jīng)過(guò)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(kāi)挖的逐漸展開(kāi)，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(méi)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(méi)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(duì)下部土體沒(méi)有太大的影響，因?yàn)橄虏康耐临|(zhì)為硬土層風(fēng)化類(lèi)型，比較有較好的土體穩(wěn)定性。

5 ?結(jié)束語(yǔ)

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(guò)硬的施工技術(shù)，在施工的過(guò)程中，必須對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的狀況進(jìn)行了解，根據(jù)具體的施工情況對(duì)盾構(gòu)施工技術(shù)做出選擇，對(duì)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(guò)模型試驗(yàn)對(duì)盾構(gòu)施工安全關(guān)鍵影響因素進(jìn)行了分析，以期對(duì)盾構(gòu)的安全施工措施制定提供數(shù)據(jù)資料。

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