高 強

（中鐵十一局集團有限公司，湖北 武漢 430063）

1 城軌施工中盾構(gòu)機選型概述

1.1 影響盾構(gòu)機選型的不利因素

1.建筑物與地下設(shè)施。在城軌工程施工中，盾構(gòu)機需要穿越重要房屋、構(gòu)筑物與地下管線等設(shè)施，如水泥灌注樁、雨污水管等，如果盾構(gòu)機選型不當，容易出現(xiàn)土體流失、土壓力過低、漏水漏砂和出土量過大等問題，存在施工質(zhì)量隱患，并加大了盾構(gòu)機掘進難度。在這一工程背景下，一方面，需要做好施工監(jiān)測與地質(zhì)勘察作業(yè)，提前掌握施工現(xiàn)場地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地層情況，合理制定盾構(gòu)機掘進方案。另一方面，應(yīng)根據(jù)穿過地段地質(zhì)條件與障礙物分布情況，合理選擇盾構(gòu)機中的刀盤形式與刀具配置方式，可盡量減輕刀具磨耗程度。

2.區(qū)間埋深與隧道直徑。根據(jù)實際施工情況來看，在不同城軌工程中，由于各區(qū)間埋深情況與隧道直徑參數(shù)存在明顯差異，對盾構(gòu)機設(shè)備的規(guī)格型號與性能有著特殊要求。因此，在制定盾構(gòu)機選型方案時，工作人員必須重點考慮這一問題。例如，在深圳城軌7號線工程中，為滿足實際的施工需要，根據(jù)工程現(xiàn)場地質(zhì)條件、區(qū)間埋深變化情況與隧道直徑，定制一款新型的土壓平衡式盾構(gòu)機，將其命名為“雄風1 號”。該盾構(gòu)機開挖直徑為6.28m，主機重量超過500t，將雄風1 號盾構(gòu)機用于開展北環(huán)大道與龍珠大道交叉口北側(cè)的城軌7 號線7302 標段的深云站始發(fā)掘進作業(yè)。

3.地層滲水系數(shù)。在制定盾構(gòu)機選型方案時，應(yīng)將地層滲水系數(shù)作為重要的衡量指標，正確掌握地層滲透性和盾構(gòu)機選型二者關(guān)系，確保所配置盾構(gòu)機設(shè)備可以有效適應(yīng)城軌區(qū)間地層中的土壓平衡環(huán)境。例如，在地層透水系數(shù)不超過10-7m/s 時，優(yōu)先配置土壓平衡式盾構(gòu)機。在地層透水系數(shù)超過10-4m/s 時，優(yōu)先配置泥水式平衡盾構(gòu)機。而在地層透水系數(shù)保持在10-7m/s～10-4m/s 時，可以配置泥水平衡盾構(gòu)機或是土壓平衡盾構(gòu)機。

1.2 盾構(gòu)機選型原則

（1）適用性原則。要求所配置盾構(gòu)機設(shè)備滿足各項性能指標要求，并具備到頭易于更換、配備氣壓艙、具備鉸接系統(tǒng)、獨立存在加泥與加泡沫系統(tǒng)等使用功能。同時，根據(jù)工程設(shè)計要求與現(xiàn)場地質(zhì)情況，對盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)體系與功能模塊進行優(yōu)化調(diào)整。（2）技術(shù)先進性原則。在多個種類盾構(gòu)機的使用性能均滿足實際施工需要與設(shè)計要求的前提下，需要從技術(shù)先進、可操作性、刀頭使用壽命等維度進行綜合評分，從中配置綜合評分最高的盾構(gòu)機，以此提高城軌施工水準，為工程質(zhì)量提供保障。（3）經(jīng)濟合理性原則。為控制工程造價成本，避免產(chǎn)生不必要的成本支出，在確保盾構(gòu)機設(shè)備使用性能達標的前提下，可以選擇配置現(xiàn)有的盾構(gòu)機設(shè)備，而非新購盾構(gòu)機。

1.3 盾構(gòu)機類型比選

在部分城軌工程中，具備配置多種類盾構(gòu)機設(shè)備的基礎(chǔ)條件，如何從中選擇最佳種類的盾構(gòu)機，則是盾構(gòu)機選型工作的重點。在這一工程背景下，應(yīng)從施工技術(shù)、經(jīng)濟效益等方面進行比較分析。例如，在北京城軌四號、五號、十號線工程中，同時具備配置泥水式盾構(gòu)機與加泥式土壓平衡盾構(gòu)機的條件，工作人員從經(jīng)濟技術(shù)方面對兩種機型進行比較分析，比較項目包括適用地層、止水性、方向控制、排土設(shè)備、開挖效率、綜合造價、配套設(shè)備、大源石處理等。最終，選擇配置加泥式土壓平衡盾構(gòu)機。

1.4 盾構(gòu)機關(guān)鍵功能的選擇

在多數(shù)城軌工程中，要求盾構(gòu)機在一般性功能外，還要具有以下使用功能：（1）刀頭易于更換。采取螺栓連接方式來固定連接刀盤外側(cè)分布的刀頭，要求盾構(gòu)機在開艙8h 內(nèi)完成刀頭更換作業(yè)。同時，具備滾刀與刮刀互換功能，在盾構(gòu)機穿越巖層等特殊地層時，可以直接互換滾刀與刮刀，無須開艙開展更換刀頭作業(yè)。（2）配備氣壓艙?？紤]到地下作業(yè)環(huán)境較為復雜，應(yīng)在盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)中配備氣壓艙。（3）螺栓連接。為提高設(shè)備組裝調(diào)試速度，預(yù)防和減少設(shè)備故障問題的出現(xiàn)，優(yōu)先配置采取分割設(shè)計理念制造的盾構(gòu)機，將盾體結(jié)構(gòu)分割為若干部件，通過螺栓連接方式，將若干部件連接組裝為整體性的盾體結(jié)構(gòu)。

2 工程概況

某城軌區(qū)間工程北側(cè)主通道1 寬度約2.25m，采用條石襯砌，與隧道凈距5.4m，目前作為電纜通道使用；南側(cè)主通道3 寬度約2.5m，采用條石襯砌，存在積水、積泥現(xiàn)象，與區(qū)間隧底凈距1.5～4.9m，目前出口封閉，呈廢棄狀態(tài)；南北連通道2 寬度約4.5～6.0m，均為中風化灰?guī)r天然毛洞，20 世紀80 年代修建停滯，襯砌未施工，積水現(xiàn)象嚴重、局部深度約1m，頂部局部有巖石坍落痕跡，與隧道凈距4.8～5.4m。上跨人防地道段隧道處于黏土層、強風化凝灰?guī)r、中風化凝灰?guī)r中，巖石飽和單軸抗壓強度28.1～61MPa，基巖裂隙水豐富。隧道采用復合式土壓平衡盾構(gòu)施工（見圖1）[1]。

圖1 城軌隧道施工剖面圖

3 盾構(gòu)掘進參數(shù)控制

3.1 刀盤配置

針對復合地層和全斷面巖層施工，對刀盤和刀具進行了優(yōu)化設(shè)計。刀盤為復合式，結(jié)構(gòu)形式為輻條面板式，刀具可滾齒互換，整體刀盤開口率約40%。刀具配置：中心雙刃滾刀4 把、單刃滾刀33 把、正面齒刀23 把、邊緣齒刀7 把、仿行齒刀1 把、切刀64 把、邊緣刮刀16 把、保徑刀8 把、貝殼刀12 把。

3.2 優(yōu)化掘進參數(shù)

為防止盾構(gòu)姿態(tài)在推進過程中發(fā)生較大偏差，降低盾構(gòu)機推進速度：掘進速度為5～15mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速為1.2r/min。根據(jù)地質(zhì)情況、隧道埋深及地面監(jiān)測情況進行及時調(diào)整平均土壓力，控制在0.12～0.15MPa。

3.3 同步注漿及二次注漿

為保證空隙有效充填，防止人防地道發(fā)生較大變形，注漿壓力取值為0.25～0.35MPa。注漿量控制在8～10m3環(huán)，根據(jù)實際情況調(diào)整。當注漿壓力達到設(shè)定值，注漿量達到設(shè)定值的85%，同步注漿完成3d 后，采用探地雷達對注漿效果進行檢測，針對注漿不充盈的區(qū)域進行二次注漿補強。水泥漿采用P42.5 普通硅酸鹽水泥，水灰比1：1；水玻璃采用42°Bé的溶液與水按1：1.5進行稀釋。注入時水泥漿與水玻璃體積比為4：1。

3.4 監(jiān)控量測

盾構(gòu)推進過程中，對地表及人防地道每天不少于2 次監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)來調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)。對于變形速率較大處，每4h 監(jiān)測一次并及時進行二次注漿。城市軌道交通盾構(gòu)法施工監(jiān)測的具體內(nèi)容如下。

（1）要確定變形監(jiān)測的具體內(nèi)容，需考慮隧道主體埋置的深度，以及所建設(shè)的工程的地質(zhì)和環(huán)境條件特點，選擇主要監(jiān)測對象和具體的項目。（2）對隧道結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測，主要監(jiān)測項目為隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部收斂，所使用的監(jiān)測儀器是收斂計。（3）對地層進行沉降監(jiān)測，針對地表、隧道、襯砌環(huán)進行沉降監(jiān)測，利用的儀器是水準儀。（4）對周圍環(huán)境建筑物以及地下的管道交通等進行沉降位移的監(jiān)測，監(jiān)測是否有水平位移、傾斜或者建筑物裂縫，所采用的監(jiān)測元件以及儀器為經(jīng)緯儀、全站儀以及游標卡尺。

3.4.1 布設(shè)沉降監(jiān)測觀測點

在開展沉降監(jiān)測之前，先要進行沉降基準點的選取?；鶞庶c所在位置要不在施工場地影響的范圍之內(nèi)，具有較高的穩(wěn)定性。在沉降基準點的基礎(chǔ)上，進一步建設(shè)水準控制網(wǎng)，并且確定好觀測路線，這樣能讓監(jiān)測數(shù)據(jù)更準確。（1）對于地表沉降的監(jiān)測點而言，在布設(shè)的時候，首先要采用鉆孔機進行地面鉆孔，在鉆孔到一定的深度之后，進行預(yù)制鋼筋的埋設(shè)，并且利用細沙等材料進行填充，起到夯實的作用，這樣能對監(jiān)測點進行固定，避免其發(fā)生移動變形。（2）利用專業(yè)機器進行沉降監(jiān)測標志的加工，要顯著突出立尺部位。在加工過程中，也可以選擇讓其成為半球狀，這樣更加利于立尺。加工完后，要在上方進行防腐材料的涂抹，做好防腐處理工作。（3）在對地下管線的監(jiān)測點進行設(shè)置時，如果有專門檢查井的設(shè)置，可以在管線或者承載體上布設(shè)監(jiān)測點。如果因為地質(zhì)條件等因素，使管線未進行檢查井的設(shè)置，而且也不具備條件開挖，就要設(shè)置間接沉降監(jiān)測點，布設(shè)在地表。（4）在監(jiān)測點布設(shè)的過程中，所采用的各項儀器都需要是國家批準的、正規(guī)合格的儀器。

3.4.2 裂縫監(jiān)測

對軌道監(jiān)測來說，常見的安全隱患是管片發(fā)生裂縫現(xiàn)象。由于這種裂縫問題的形成原因多種多樣，因此造成的危害也具有一定差異。對于大部分的裂縫類型來說，一般都是從整體上對管片產(chǎn)生影響，并伴隨著施工進展裂縫越來越大，會對管片造成結(jié)構(gòu)性損害。在監(jiān)測的過程中，務(wù)必注意要對監(jiān)測結(jié)果進行觀察，并且需要收集每一次監(jiān)測所得到的信息，將其應(yīng)用到未來的發(fā)展與建設(shè)中，不斷提升工程質(zhì)量。

3.5 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

定期進行監(jiān)測點的觀測工作能夠通過現(xiàn)場實測收集到具體的變形數(shù)據(jù)，并且利用特定軟件，針對所獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)進一步開展偏差計算，同時還要保證數(shù)據(jù)的精確性，才能在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中進行輸入。對數(shù)據(jù)庫來說，要保存原始的觀測數(shù)據(jù)以及計算處理后的數(shù)據(jù)。

3.5.1 橫向地表沉降監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)對橫向地表沉降的實際測量數(shù)據(jù)信息進行具體分析和計算，可以得到這樣的結(jié)果：對盾構(gòu)機的始發(fā)端來說，由于土地所產(chǎn)生的壓力具有不斷變化的特點，無法處于平衡狀態(tài)，而且隧道埋深不深，在盾構(gòu)機掘進的過程中，對地表具有顯著擾動，就會出現(xiàn)嚴重的地表變形現(xiàn)象。首先，利用盾構(gòu)法施工，其所發(fā)生的地表變形與盾構(gòu)機所掘進的地質(zhì)環(huán)境的差別有著密切關(guān)系。如果地質(zhì)條件較差，那么在盾構(gòu)機掘進的時候，就會對地表造成較大的擾動，相反，就會使擾動較小。因此，導致底邊具有較小幅度的沉降變形。其次，在盾構(gòu)法施工過程中，對地表產(chǎn)生影響的范圍在隧道中線軸線的5m～7m 之內(nèi)，中心軸線處是沉降值最大的位置[2]。

3.5.2 縱向地表沉降監(jiān)測結(jié)果分析

通過對縱向沉降曲線的分析得知，盾構(gòu)始發(fā)端的掘進不會引起較大的地表沉降變形，而且隨著掘進的不斷推進，也會使土壓一直處于變化的狀態(tài)并且不斷增大。所以對于盾構(gòu)機的始發(fā)以及到達端來說，都要應(yīng)用控制措施實現(xiàn)對地表沉降變形的有效緩解，提高底層整體的穩(wěn)定性以及地層強度。

3.5.3 隧道管片沉降

在開展具體的監(jiān)測時，通過所得數(shù)據(jù)觀察到，隧道的管片變形具有顯著的上浮趨勢，大概在13mm～33mm之間，進行了關(guān)于管片上浮以及盾構(gòu)掘進變化的具體曲線圖的繪制。通過對曲線圖中監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和處理，將隧道管片隆沉概括為如下三個具有顯著特征的階段：首先，在管片安裝到脫離這一時期，因為千斤頂和盾構(gòu)機所帶來的管片上浮，其上浮可以控制在5m空間范圍內(nèi)；其次，在管片脫離之后，大約5m 的距離會在注漿壓力不夠的情況下使上浮量明顯上漲，達到10mm～20mm；最后，對于后期固結(jié)時期來說，也會因為土體的固結(jié)變形和漿液滲透產(chǎn)生沉降現(xiàn)象，一般在-3mm 左右。