彭朝陽(yáng)

（中交二航局（成都）建設(shè)工程有限公司，成都610218）

1 引言

地鐵作為現(xiàn)代城市的交通脈絡(luò)，其重要性不言而喻。 為滿足不斷增長(zhǎng)的交通需求，更高效、安全、可靠的隧道施工技術(shù)成為研究和探討的焦點(diǎn)。 其中，盾構(gòu)施工技術(shù)因其高效率、低擾動(dòng)和良好的安全記錄在隧道工程中受到廣泛應(yīng)用。 然而，隨著施工條件的多樣性和項(xiàng)目需求的復(fù)雜性， 單一的施工方法往往難以滿足所有需求，因此，如何根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化盾構(gòu)施工技術(shù)，確保其在不同條件下均能發(fā)揮最大效能，成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)。

2 盾構(gòu)施工流程及盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)

2.1 盾構(gòu)機(jī)的分類與特點(diǎn)

盾構(gòu)技術(shù)因其獨(dú)特的施工特性而逐漸成為地下工程領(lǐng)域的重要施工方法。 盾構(gòu)機(jī)根據(jù)其結(jié)構(gòu)和適用的地質(zhì)條件，可大致劃分為4 類：（1）土壓平衡盾構(gòu)機(jī)適用于流變性土體、高水壓和其他復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道施工， 通過維持接近地面壓力的土倉(cāng)壓力，確保掘進(jìn)過程的穩(wěn)定性，避免地面沉降；（2）硬巖盾構(gòu)機(jī)主要用于在堅(jiān)硬的地層中掘進(jìn)，如花崗巖、石英砂巖等，前端裝配有旋轉(zhuǎn)切削盤，可將巖石切割并碎成小塊，通過輸送系統(tǒng)將其輸送至地面[1]；（3）雙盾盾構(gòu)機(jī)結(jié)合了硬巖盾構(gòu)與土壓平衡盾構(gòu)的特點(diǎn)，能在堅(jiān)硬的巖層中掘進(jìn)，也能應(yīng)對(duì)柔軟、高水壓的地層；（4）泥水盾構(gòu)機(jī)則通過注入特定的泥漿，維持掘進(jìn)面的穩(wěn)定性，適用于細(xì)顆粒沙、黏土等地質(zhì)條件。

2.2 盾構(gòu)施工流程概述

1）盾構(gòu)施工的前期勘察需要明確地質(zhì)、水文和環(huán)境條件，為后續(xù)的盾構(gòu)機(jī)選擇、施工參數(shù)設(shè)定，以及預(yù)見可能的風(fēng)險(xiǎn)提供依據(jù)。

2）根據(jù)地質(zhì)條件和隧道設(shè)計(jì)需求，選擇合適的盾構(gòu)機(jī)類型，將其運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，并進(jìn)行組裝和調(diào)試，確保其正常運(yùn)行。

3）盾構(gòu)起始井的施工開始。 起始井作為盾構(gòu)機(jī)起始掘進(jìn)的位置，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、尺寸以及與預(yù)計(jì)的隧道軸線的對(duì)齊至關(guān)重要。

4）盾構(gòu)機(jī)就緒后進(jìn)行隧道掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)的切削部分對(duì)地層進(jìn)行掘進(jìn)。 節(jié)段架設(shè)機(jī)器將預(yù)制的隧道節(jié)段逐一安裝，確保新形成的隧道段的穩(wěn)定性。 土質(zhì)松散、水分含量較高的地段，需要注入特定的泥漿或其他材料以維持掘進(jìn)面的穩(wěn)定性。 隨著盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)， 大量土方通過輸送系統(tǒng)輸送至地面并進(jìn)行合適的處理。

5）隧道掘進(jìn)完成后，特定工程可能還需要進(jìn)行二襯施工，即在原有的隧道內(nèi)墻上再施工一層結(jié)構(gòu)，以進(jìn)行更好的防水、結(jié)構(gòu)支撐，或者滿足其他的功能需求[2]。

3 地鐵隧道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素

3.1 地質(zhì)條件和預(yù)測(cè)

土壤類型、地下水位、地層厚度及其分布特點(diǎn)等都是決定盾構(gòu)機(jī)選擇、施工方法和隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。 隧道施工中，采用先進(jìn)的勘探技術(shù)，如地質(zhì)雷達(dá)、地震反射和鉆探等，是獲取準(zhǔn)確地質(zhì)信息的關(guān)鍵。 地質(zhì)條件還與隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性緊密相關(guān)[3]，需要設(shè)計(jì)者根據(jù)地質(zhì)條件采用適當(dāng)?shù)乃淼兰庸?、防水措施，確保隧道的長(zhǎng)期安全和穩(wěn)定。 準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)測(cè)可以為決策者提供關(guān)鍵的經(jīng)濟(jì)評(píng)估信息， 幫助其進(jìn)行合理的資源配置和成本控制。

3.2 隧道的深度和位置

隧道的深度直接決定了施工復(fù)雜程度和安全性及工程成本。 較淺的隧道需要面對(duì)更多的地下工程和設(shè)施， 如地下管線、建筑基礎(chǔ)等，這往往會(huì)增加施工中的障礙和風(fēng)險(xiǎn)。 而深層隧道，卻面臨更高的巖土壓力，需要更加復(fù)雜的支護(hù)結(jié)構(gòu)和施工技術(shù)，深度增加會(huì)導(dǎo)致施工及運(yùn)營(yíng)過程中的通風(fēng)、排水和救援等問題更為復(fù)雜。 隧道位置需要綜合考慮交通需求、土地利用、環(huán)境保護(hù)以及社區(qū)影響等多個(gè)方面，隧道的深度和位置也關(guān)系到其防災(zāi)和應(yīng)急響應(yīng)能力。

3.3 隧道的尺寸和形狀選擇

隧道的尺寸需與其預(yù)定的運(yùn)輸容量相匹配，隧道的寬度、高度和長(zhǎng)度決定了地鐵列車的規(guī)模、 站臺(tái)的布局以及乘客的流動(dòng)情況。 隧道的形狀關(guān)系到其結(jié)構(gòu)性能和施工技術(shù)的選擇，圓形或近似圓形的斷面通常具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性， 能有效分散地下的土壓力，適用于多種地質(zhì)條件，但特定場(chǎng)合，如交會(huì)站或特大跨徑區(qū)域，需要選擇橢圓形、馬蹄形或其他特定形狀的斷面，以滿足實(shí)際需求。

4 地鐵隧道應(yīng)用盾構(gòu)施工技術(shù)的常見問題

4.1 地質(zhì)突變引起的問題

地鐵隧道盾構(gòu)施工的地質(zhì)突變指的是在短距離內(nèi)地質(zhì)條件出現(xiàn)的劇烈變化，如巖層硬度、土層組成或地下水條件的迅速變更，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)從柔軟的土層進(jìn)入硬巖層時(shí)，其刀具受到的沖擊和磨損會(huì)顯著增加，可能導(dǎo)致刀具損壞或盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度降低[4]。 地下水的突然涌出是地質(zhì)突變中的另一大問題。 在某些情況下，盾構(gòu)機(jī)可能突然進(jìn)入含有大量地下水的層面，導(dǎo)致隧道內(nèi)部積水或盾構(gòu)機(jī)前部的土體流失， 由于不同地質(zhì)層的推進(jìn)阻力不同， 盾構(gòu)機(jī)在遭遇地質(zhì)突變時(shí)可能發(fā)生方向偏移，影響隧道的定位準(zhǔn)確性。 此外，由于盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過程中對(duì)土體會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)， 特定的地質(zhì)突變條件下可能會(huì)導(dǎo)致地面的顯著沉降或隆起，對(duì)周圍的建筑和基礎(chǔ)設(shè)施造成潛在威脅。

4.2 隧道滲水或坍塌

隧道滲水主要是由地下水壓力、 不完善的防水設(shè)計(jì)或施工缺陷導(dǎo)致的。 在盾構(gòu)施工中，若盾構(gòu)機(jī)的密封性不佳可能會(huì)造成地下水滲入隧道，長(zhǎng)期的滲水會(huì)降低隧道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還可能導(dǎo)致設(shè)備腐蝕、電氣系統(tǒng)故障等一系列問題，同時(shí)，還可能引發(fā)二次污染，對(duì)隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。 隧道坍塌則通常與地質(zhì)條件、施工方法及施工質(zhì)量緊密相關(guān)。 不穩(wěn)定的地質(zhì)層、 存在的空洞或過度的土體擾動(dòng)可能導(dǎo)致局部或整體的坍塌；土壓平衡不當(dāng)或切削參數(shù)設(shè)置不恰，也可能導(dǎo)致土體不穩(wěn)定。 坍塌對(duì)施工人員的生命安全構(gòu)成直接威脅，而且對(duì)施工進(jìn)度和整體項(xiàng)目成本都有重大影響。

4.3 鄰近建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的影響

盾構(gòu)施工會(huì)擾動(dòng)周圍的土體， 導(dǎo)致局部甚至是大范圍的土體位移，引發(fā)地面沉降，對(duì)鄰近建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。 盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過程中的振動(dòng)傳導(dǎo)到周圍的建筑物和結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生振動(dòng)，對(duì)于某些敏感設(shè)施，可能造成其工作失?；驌p壞。 再者，盾構(gòu)施工可能會(huì)改變地下水流動(dòng)方向和速度，以及地下水位改變，進(jìn)而對(duì)鄰近建筑物基礎(chǔ)造成沖刷，引發(fā)局部區(qū)域的地面泡水，進(jìn)一步影響地面交通和基礎(chǔ)設(shè)施。

5 基于盾構(gòu)技術(shù)的地鐵隧道施工優(yōu)化策略

5.1 先進(jìn)地質(zhì)預(yù)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

在盾構(gòu)隧道施工中， 先進(jìn)的地質(zhì)預(yù)測(cè)技術(shù)已成為確保施工安全、高效、并最小化對(duì)周邊環(huán)境影響的關(guān)鍵因素。

1）地震反射法是常用的地質(zhì)預(yù)測(cè)技術(shù)，通過向地下發(fā)送和接收地震波，能在較大的深度范圍內(nèi)獲得關(guān)于地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖層連續(xù)性和其他關(guān)鍵參數(shù)的信息，對(duì)于預(yù)測(cè)地下水、空腔、斷層以及其他可能對(duì)盾構(gòu)施工造成困難的地質(zhì)現(xiàn)象尤為有效。

2）地電阻率勘測(cè)為施工團(tuán)隊(duì)提供了有關(guān)地下材料導(dǎo)電性的信息，從而推斷其地質(zhì)信息，在預(yù)測(cè)含水層、鹽漬層和某些礦化帶方面具有優(yōu)勢(shì)。 結(jié)合其他預(yù)測(cè)技術(shù)，地電阻率勘測(cè)可以為盾構(gòu)施工提供更全面的地質(zhì)畫像。

3）鉆孔探測(cè)是獲取地質(zhì)樣本和進(jìn)行詳細(xì)地質(zhì)分析的主要方法，通過將鉆孔數(shù)據(jù)與其他地質(zhì)預(yù)測(cè)技術(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)合，施工團(tuán)隊(duì)可獲得對(duì)即將進(jìn)入的地質(zhì)條件的深入了解和精準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析。

5.2 施工參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能夠?yàn)槭┕F(tuán)隊(duì)提供關(guān)于盾構(gòu)機(jī)狀態(tài)的信息，如刀盤扭矩、進(jìn)給壓力、土壓平衡壓力等關(guān)鍵參數(shù)，反映盾構(gòu)機(jī)與地層之間的相互作用， 對(duì)于預(yù)防盾構(gòu)機(jī)過度磨損或損壞至關(guān)重要[5]。 通過監(jiān)測(cè)這些數(shù)據(jù)，工程師可以及時(shí)識(shí)別并解決施工過程中可能出現(xiàn)的問題，如刀盤卡滯、土體坍塌等。 對(duì)于城市中的盾構(gòu)施工，特別是在密集建筑區(qū)域，這種監(jiān)測(cè)對(duì)于保護(hù)周邊建筑和基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要。 當(dāng)監(jiān)測(cè)到超出預(yù)期的變化時(shí)，施工團(tuán)隊(duì)可以立即采取措施。

5.3 施工材料的創(chuàng)新和應(yīng)用

基于盾構(gòu)技術(shù)的地鐵隧道施工， 施工材料的性能與選擇直接影響盾構(gòu)施工的進(jìn)度、成本和工程質(zhì)量。 盾構(gòu)機(jī)的刀具材料是盾構(gòu)施工中最為關(guān)鍵的部分，針對(duì)不同的地質(zhì)條件，刀具的材料、硬度、耐磨性和抗沖擊性等都需要進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)和選擇。 新型合金材料、碳化物和陶瓷復(fù)合材料的引入使刀具在復(fù)雜地質(zhì)中展現(xiàn)出更長(zhǎng)的使用壽命和更好的切削效果，提高了施工效率。 傳統(tǒng)的鋼支護(hù)已逐漸被新型的復(fù)合材料所替代。 復(fù)合材料具有更佳的強(qiáng)度與韌性，同時(shí)自重更輕，有利于加快施工速度并降低工程成本。 為了應(yīng)對(duì)地下水和各種化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，現(xiàn)代支護(hù)材料還需具備更好的耐腐蝕性。 除此之外， 隧道施工中使用的現(xiàn)代灌漿材料加入了多種高性能添加劑和納米材料，不僅有良好的流動(dòng)性和凝固性，還具備較高的抗壓強(qiáng)度和抗折性能，以確保隧道的穩(wěn)定性和防止?jié)B漏。

6 數(shù)字化和信息技術(shù)在盾構(gòu)施工中的應(yīng)用

6.1 BIM 技術(shù)在隧道設(shè)計(jì)與施工中的價(jià)值

BIM 技術(shù)所涵蓋的三維建模， 整合了各工程學(xué)科的數(shù)據(jù)并提供真實(shí)的建筑項(xiàng)目模擬，為項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到施工，再到后期運(yùn)維的各個(gè)階段提供了決策支持，從設(shè)計(jì)角度看，BIM 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)隧道的三維可視化模擬及分析；BIM 模型中的信息實(shí)時(shí)更新能夠及時(shí)反映施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際狀況， 為決策者提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)支持。 BIM 技術(shù)還為隧道的后期運(yùn)維和管理提供了有力支持， 記錄隧道的設(shè)計(jì)和施工信息， 并整合隧道的運(yùn)維數(shù)據(jù)，為隧道的長(zhǎng)期安全運(yùn)行提供了精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。

6.2 虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的潛力

在盾構(gòu)施工領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)能使工程師進(jìn)入完全模擬的隧道環(huán)境中， 更加直觀地評(píng)估設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性，預(yù)見潛在的施工難題，并針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化。 VR 為利益相關(guān)者提供了更為生動(dòng)、真實(shí)的設(shè)計(jì)展示平臺(tái)，增強(qiáng)了項(xiàng)目參與者之間的溝通與協(xié)同。 AR 技術(shù)將計(jì)算機(jī)生成的信息疊加到真實(shí)環(huán)境中， 工程師可以使用AR 眼鏡直觀地查看地下設(shè)施的布局、管線走向等，減少施工過程中的誤差和風(fēng)險(xiǎn)；AR 還能實(shí)時(shí)提供施工指導(dǎo)和反饋， 使施工人員在面對(duì)復(fù)雜情境時(shí)，能夠做出快速且準(zhǔn)確的判斷。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，盾構(gòu)施工技術(shù)通過結(jié)合先進(jìn)的地質(zhì)預(yù)測(cè)技術(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、創(chuàng)新施工材料和綜合安全管理，可以大大提高隧道施工的效率，同時(shí)確保施工過程的安全可靠。 盾構(gòu)施工技術(shù)在地鐵隧道設(shè)計(jì)與施工中擁有廣闊的應(yīng)用前景， 仍需要持續(xù)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和不斷積累經(jīng)驗(yàn)， 來(lái)面對(duì)未來(lái)更為復(fù)雜的施工環(huán)境和更高的工程要求。