深圳地鐵盾構(gòu)隧道施工技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)

劉建國(guó)

(深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東深圳 518026)

0 引言

深圳地鐵建設(shè)10多年來(lái)，從零開(kāi)始進(jìn)行著盾構(gòu)施工的實(shí)踐，由于深圳特區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，在施工中遇到了許多困難和問(wèn)題，甚至發(fā)生過(guò)慘痛的事故。深圳地鐵盾構(gòu)工程具有地質(zhì)條件復(fù)雜、周邊建(構(gòu))筑物密集、地下水位高等特點(diǎn)，各單位組織開(kāi)展了一系列技術(shù)研究，取得了一些成果，這些技術(shù)成果研究的成功應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)深圳地鐵5號(hào)線盾構(gòu)工程安全施工發(fā)揮了非常重要的作用［1］。深圳復(fù)合地層盾構(gòu)施工技術(shù)，拓寬了土壓平衡盾構(gòu)的適應(yīng)范圍，為國(guó)內(nèi)外類似盾構(gòu)隧道工程的設(shè)計(jì)與施工提供了非常有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)［2］。作者一直從事深圳地鐵的技術(shù)研究工作，希望通過(guò)本文能把具有深圳特色的盾構(gòu)隧道施工技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)介紹給同行。

1 深圳地質(zhì)特點(diǎn)和盾構(gòu)適應(yīng)性

1.1 深圳地質(zhì)特點(diǎn)

深圳地鐵的地質(zhì)及周邊環(huán)境的特點(diǎn)特別突出，尤其是非均質(zhì)差異性大、軟硬不均的地層在其他城市地鐵建設(shè)中很少遇到。該復(fù)合地層對(duì)于盾構(gòu)施工來(lái)講是極其困難的，且因沒(méi)有太多類似工程經(jīng)驗(yàn)，施工風(fēng)險(xiǎn)和施工難度相當(dāng)大。深圳地鐵盾構(gòu)隧道穿越淤泥、黏土、砂卵、孤石、硬巖和軟硬不均等多種復(fù)雜地層，該區(qū)域地下水豐富，施工難度極大。主要不良工程地質(zhì)情況有:

1)淤泥質(zhì)地層。填海片區(qū)淤泥層，結(jié)構(gòu)松軟，承載力低，含水量高，容易產(chǎn)生觸變、流變。盾構(gòu)主要在淤泥層下黏性土層中通過(guò)，其掘進(jìn)時(shí)會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生較大擾動(dòng)，引起地基變形和失穩(wěn)，刀盤中心區(qū)域容易結(jié)泥餅，降低掘進(jìn)速度，增大切削扭矩，同時(shí)造成土倉(cāng)內(nèi)溫度升高，影響主軸承密封的壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成主軸承密封老化破壞。螺旋輸送機(jī)由于排土不暢而無(wú)法形成土塞，排土口易產(chǎn)生噴涌，且上層淤泥土流變性強(qiáng)，易下陷，可能會(huì)造成開(kāi)挖面失穩(wěn)，引發(fā)地層坍塌。

2)軟硬不均地層。深圳地質(zhì)起伏較大，軟硬不均現(xiàn)象明顯，地鐵施工時(shí)常遇到巖性變化較大的地層，其中以上軟下硬現(xiàn)象居多，致使盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制困難，易使盾構(gòu)向上偏移，同時(shí)工況轉(zhuǎn)換頻繁也會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)，易造成較大地表變形。5302標(biāo)洪浪—興東區(qū)間盾構(gòu)隧道所穿越地層同一斷面軟硬不均現(xiàn)象尤為突出，且變化頻次多，硬巖單軸強(qiáng)度高達(dá)154 MPa，施工難度大、技術(shù)要求高。

3)硬巖地層。在5302標(biāo)翻身—靈芝區(qū)間部分地段以及長(zhǎng)龍—百鴿籠區(qū)間大部分地段，隧道所穿越的地層是硬巖。巖質(zhì)堅(jiān)硬，最大單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到295 MPa。盾構(gòu)在硬巖中掘進(jìn)，刀具磨損嚴(yán)重，換刀頻率加大，甚至有可能損壞刀盤，從而導(dǎo)致工期延誤。

4)孤石地段。5302標(biāo)寶安—翻身區(qū)間、翻身—靈芝區(qū)間和5304標(biāo)民治—五和區(qū)間盾構(gòu)線路均遇到孤石。根據(jù)以往盾構(gòu)掘進(jìn)施工經(jīng)驗(yàn)，孤石處理非常困難，如果處理不當(dāng)，可能造成長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)、損壞刀盤以及盾構(gòu)轉(zhuǎn)向偏離隧道軸線等嚴(yán)重問(wèn)題。

5)斷裂帶。5307標(biāo)怡景—黃貝嶺區(qū)間盾構(gòu)隧道穿過(guò)3條斷裂帶，其中F7斷裂帶在右線投影長(zhǎng)度為4.8m，F(xiàn)8斷裂帶在右線投影長(zhǎng)度為10.5m，F(xiàn)9斷裂帶在左右線投影長(zhǎng)度分別為31.5 m和14.6 m。

1.2 深圳地鐵盾構(gòu)選型及適應(yīng)性

深圳地鐵根據(jù)深圳地區(qū)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)狀況、盾構(gòu)特性、工程經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境等條件，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮全部采用土壓平衡盾構(gòu)［3］。如地鐵5號(hào)線，根據(jù)其穿越淤泥、黏土、軟硬不均、孤石和微風(fēng)化花崗巖等各種情況，對(duì)盾構(gòu)性能提出了更高的要求。經(jīng)過(guò)綜合比較，最終確定全部選用改進(jìn)后的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)(德國(guó)海瑞克)，該機(jī)針對(duì)深圳特殊地質(zhì)具有良好的適應(yīng)性。

2 深圳盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)

2.1 特定地層條件下盾構(gòu)掘進(jìn)合理刀具配置技術(shù)

盾構(gòu)刀具的布置方式應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)情況進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，不同的工程地質(zhì)特點(diǎn)采用不同的刀具配置方式，以獲得良好的切削效果和掘進(jìn)速度。

2.1.1 黏土地層條件下合理刀具配置技術(shù)

在黏土地層盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)該在復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)刀盤的中心區(qū)和正面區(qū)配置盡可能多的齒刀。此地層由于土體強(qiáng)度不高，很難給滾刀提供足夠的滾刀力矩，同時(shí)由于土體黏性較高，滾刀刀箱內(nèi)堆滿了渣土，不易塌落，在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱量會(huì)使刀箱內(nèi)土體的水分越來(lái)越少而逐漸變硬，最終形成泥餅。滾刀極易因結(jié)泥餅無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)而造成偏磨現(xiàn)象。在刀盤中心較易結(jié)泥餅的位置(刀盤中心區(qū)直徑2.0 m范圍內(nèi))宜少設(shè)或不設(shè)滾刀，應(yīng)將滾刀換為齒刀和魚(yú)尾形中心刀，既能確保刀具切削黏土的有效性，又能增加刀盤的開(kāi)口率，大大降低刀具結(jié)泥餅的可能性;同時(shí)，刀具的布置要層次清楚，其中滾刀和齒刀的高差宜大于35 mm，既可增加滾刀和齒刀的切削效率，又能減少刀具磨損。

2.1.2 硬巖地層條件下合理刀具配置技術(shù)

在純硬巖地層(如混合花崗巖2種巖石)中掘進(jìn)，刀具應(yīng)全部選用滾刀，不用齒刀，且滾刀為重型刀具，耐磨性更強(qiáng)。有時(shí)，在刀盤面板周邊開(kāi)口處配備刮渣刮刀板。在城市地鐵盾構(gòu)隧道施工中，遇到長(zhǎng)距離的硬巖地段，則應(yīng)該將正面區(qū)的一部分切刀更換為滾刀，既能提高盾構(gòu)的破巖能力，又能避免切刀和刀盤的磨損。

在深圳地鐵的硬巖盾構(gòu)施工中，布設(shè)的刀具種類有滾刀(包括單刃滾刀和雙刃滾刀)、齒刀、刮刀，其中滾刀和齒刀的刀座形式相同。用于制造刀盤鋼結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為16Mn，其剛度和強(qiáng)度均滿足掘進(jìn)要求。刀具具體布置為:雙刃滾刀4把，單刃滾刀32把(其中周邊滾刀12把)，周邊刮刀16把，正面切刀64把。滾刀高出齒刀35 mm，以便在硬巖地段掘進(jìn)時(shí)保護(hù)齒刀和刮刀;滾刀與齒刀層次間距為40mm，以利于硬巖的破碎。

2.1.3 軟硬不均地層條件下合理刀具配置技術(shù)

盾構(gòu)在軟硬不均地層中掘進(jìn)，需要同時(shí)配置破碎硬巖的滾刀和適應(yīng)于軟土地層的切削刀具。首先通過(guò)滾刀進(jìn)行破巖，然后切刀將初步破碎的巖土刮削下來(lái)以達(dá)到配合破巖的效果。滾刀的超前量應(yīng)大于切刀的超前量，在滾刀磨損后仍能避免切刀進(jìn)行破巖，確保切刀的使用壽命。在小半徑曲線隧道掘進(jìn)時(shí)，為保證盾構(gòu)的調(diào)向和避免盾殼被卡死，需要有較大的開(kāi)挖直徑，刀盤上需配置滾刀型的超挖刀。為提高刀盤的壽命，刀盤面板及周邊焊有耐磨條。

5號(hào)線工程中滾刀刀刃距刀盤面板的高度為175 mm，齒刀和刮刀刀刃距刀盤面板的高度為140 mm。滾刀高出齒刀35mm，以便在硬巖地段掘進(jìn)時(shí)保護(hù)齒刀和刮刀;滾刀與齒刀層次間距為40 mm，以利于硬巖的破碎。滾刀的刀間距過(guò)大或過(guò)小都不利于破巖，間距過(guò)大，滾刀間會(huì)出現(xiàn)“巖脊”現(xiàn)象;間距過(guò)小，滾刀間會(huì)出現(xiàn)小碎塊現(xiàn)象，降低破巖功效。在復(fù)合地層中周邊滾刀的間距一般應(yīng)小于90 mm，正面滾刀的間距為100～120 mm;當(dāng)巖石強(qiáng)度高時(shí)，滾刀的間距控制在70～90 mm比較合理。

2.2 盾構(gòu)始發(fā)施工關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 始發(fā)階段掘進(jìn)參數(shù)的選擇

盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)中，尤以始發(fā)階段掘進(jìn)參數(shù)的選擇最為關(guān)鍵。以翻身站始發(fā)端頭為例，根據(jù)該處的地質(zhì)條件選擇半敞開(kāi)式平衡模式推進(jìn)，即保持土倉(cāng)內(nèi)一半的渣土來(lái)平衡掌子面土體的穩(wěn)定。在初始掘進(jìn)段內(nèi)，由于反力架的剛度和強(qiáng)度的要求以及要考慮洞門密封所能承受的最大水壓，總推力不宜過(guò)大，對(duì)盾構(gòu)的推進(jìn)速度、土倉(cāng)壓力、注漿壓力均應(yīng)作相應(yīng)的降低。盾構(gòu)總推力保持在7 000～9 000 kN，推進(jìn)速度控制在20～30 mm/min，刀盤扭矩保持在0.8 ～1.1 MN·m，刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.3～1.4 r/min。建議土倉(cāng)壓力為0.9 MPa，同步注漿壓力設(shè)定為0.2～0.3MPa，管片二次注漿的注漿壓力為0.2 ～0.4MPa，每環(huán)注漿量為 6 m3左右［4］。實(shí)際盾構(gòu)始發(fā)各掘進(jìn)參數(shù)值隨施工變化如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)參數(shù)隨施工變化曲線Fig.1 Curvesofvariationsofshield boring parameters during launching

始發(fā)時(shí)優(yōu)先選用下部千斤頂，推力增加要遵守循序漸進(jìn)原則。負(fù)環(huán)管片脫出盾構(gòu)后周圍無(wú)約束，在推力作用下易變形，應(yīng)在管片兩側(cè)用型鋼支撐加固，并用鋼絲繩將管片和始發(fā)托架箍緊。當(dāng)盾構(gòu)外殼脫離洞門密封圈后及時(shí)進(jìn)行同步注漿，盾構(gòu)穿過(guò)洞口土體加固段時(shí)，土層由硬至軟，要加強(qiáng)盾構(gòu)的方向控制，并根據(jù)地層情況和地面建筑物的情況綜合確定始發(fā)試掘進(jìn)的參數(shù)。始發(fā)階段宜采用小推力、低速度、微調(diào)向、低壓力的掘進(jìn)模式。

2.2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制

由于刀盤切削開(kāi)挖面土體產(chǎn)生的扭矩大于盾構(gòu)殼體與隧道洞壁之間的摩擦力矩，盾構(gòu)會(huì)產(chǎn)生滾動(dòng)偏差;由于受土層界面起伏大、強(qiáng)度不均等原因，盾構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生方向偏差;過(guò)大的滾動(dòng)旋轉(zhuǎn)和方向偏差會(huì)影響管片的拼裝，也會(huì)引起隧道軸線的偏斜。因此，需要對(duì)盾構(gòu)的姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.3 盾構(gòu)平移施工技術(shù)

在盾構(gòu)掘進(jìn)完某區(qū)間隧道后到達(dá)接收井，往往需要將盾構(gòu)平移調(diào)出、轉(zhuǎn)場(chǎng)進(jìn)行下一個(gè)區(qū)間的掘進(jìn)或者是將盾構(gòu)平移、通過(guò)地鐵車站、進(jìn)入下一掘進(jìn)區(qū)間。現(xiàn)以洪浪—興東區(qū)間盾構(gòu)下落平移工程為例對(duì)盾構(gòu)平移進(jìn)行闡述。盾構(gòu)在洪浪站出站后，由于洪浪站左線盾構(gòu)井正上方交通疏解的軍用貝雷梁影響，盾構(gòu)不能從左線盾構(gòu)井吊出，只能在車站底板上平移至右線盾構(gòu)井再吊出。盾構(gòu)下落平移施工技術(shù)措施如下:

1)盾構(gòu)接收及下落平移準(zhǔn)備。首先對(duì)盾構(gòu)到達(dá)時(shí)的實(shí)際隧道中線及實(shí)際洞門中線進(jìn)行測(cè)量，得出盾構(gòu)姿態(tài)與設(shè)計(jì)隧道中線及設(shè)計(jì)洞門位置的偏差值;然后結(jié)合實(shí)測(cè)車站底板高程，計(jì)算出鋼板及接收托架的安裝高程。

2)盾構(gòu)下落。盾構(gòu)主體到達(dá)托架預(yù)定位置后，先分離主機(jī)與臺(tái)車，然后用4根鋼絲繩將盾構(gòu)與托架牢固固定，防止盾構(gòu)下落和平移時(shí)在托架上移動(dòng)甚至側(cè)翻。

盾構(gòu)下落采用4臺(tái)200 t液壓千斤頂，計(jì)劃將接收托架下縱向和橫向30 cm×20 cm H型鋼全部抽掉，然后鋪上平移鋼軌，將盾構(gòu)下落40 cm，這樣就能滿足盾構(gòu)橫移要求。液壓千斤頂高度為700 mm，行程為350 mm，需進(jìn)行2次頂升才能將接收托架與盾構(gòu)下落到位。頂升結(jié)束后，盾構(gòu)下落及其平移示意圖如圖2和圖3所示。

圖2 頂升結(jié)束后盾構(gòu)下落Fig.2 Lowering of shield machine after lifting

圖3 盾構(gòu)平移示意圖Fig.3 Sketch of transverse moving of shield machine

3)盾構(gòu)平移施工措施。盾構(gòu)平移主要采用6套10 t手拉葫蘆橫向拉動(dòng)，車站底板澆注混凝土?xí)r，在底板右側(cè)預(yù)埋6個(gè)φ20 mm鋼筋拉環(huán)，用于掛設(shè)手拉葫蘆。采用2臺(tái)100 t液壓千斤頂作為輔助平移措施，千斤頂高度為80 cm，其前部頂在接收架下部H30型鋼上，后部頂在牛腿上，該牛腿用連接鋼板和螺栓固定在行走鋼軌上，以此來(lái)形成推動(dòng)盾構(gòu)平移的反力［5］。盾構(gòu)下落及平移施工如圖4和圖5所示。

2.4 復(fù)合地層盾構(gòu)施工地表沉降分析及控沉技術(shù)

盾構(gòu)法施工引起周圍地層變形的內(nèi)在原因是土體的初始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化，使得原狀土經(jīng)歷了擠壓、剪切、扭曲等應(yīng)力路徑。地層擾動(dòng)的影響范圍和程度取決于多種因素，包括盾構(gòu)型式、隧道幾何尺寸、施工參數(shù)(土倉(cāng)壓力、刀盤扭矩、推進(jìn)力、出土量、注漿量、注漿壓力、盾尾間隙等)、土體的性質(zhì)及隧道所處的環(huán)境、上部荷載的影響等。在實(shí)際盾構(gòu)隧道開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)地面沉降起關(guān)鍵作用的是盾尾注漿量的多少以及注漿量強(qiáng)度的大小。由于盾構(gòu)殼具有一定的厚度，為便于管片的拼裝和盾構(gòu)的糾偏而在盾構(gòu)殼與襯砌之間留有一定的空隙。千斤頂推動(dòng)盾構(gòu)前行時(shí)，在盾尾襯砌管片外圍形成了盾尾空隙，使得周圍土體由于填充盾尾空隙而發(fā)生趨向隧道的位移從而引起地面沉降，工程中普遍采用同步注漿或二次注漿的方法來(lái)減小由盾尾空隙引起的地層損失，從而減小地面沉降。當(dāng)注漿量較小時(shí)，可以抵消上部土體的部分沉降，當(dāng)注漿量很大時(shí)也可能會(huì)引起地表隆起［6］。

2.4.1 注漿壓力對(duì)地表沉降的影響分析

為了反映盾尾注漿壓力對(duì)地表沉降的影響，分別取注漿壓力為0.15，0.2，0.25，0.3MPa 進(jìn)行有限差分模擬計(jì)算。不同注漿壓力對(duì)地表沉降的影響見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 盾尾注漿壓力對(duì)地表沉降影響圖Fig.6 Influence of shield tail grouting pressure on ground surface settlement

從圖6可以得出:隧道上方的土體在重力作用下向隧道方向運(yùn)動(dòng)，從而引起地表沉降;隧道底部的土體由于隧道的開(kāi)挖出現(xiàn)有卸荷的過(guò)程，隧道底部土體向上隆起。

圖7 不同注漿壓力隧道軸線上方地表沉降圖Fig.7 Ground surface settlement above the tunnel axis under different grouting pressures

從圖7可以看出:地表沉降值與注漿壓力成反比，注漿壓力越大，地表沉降越小。注漿壓力從0.15 MPa升到0.2 MPa時(shí)，地表最大沉降值降低了1.11 mm;注漿壓力從0.20 MPa升到0.25 MPa時(shí)，地表最大沉降值降低了0.88 mm;注漿壓力從0.25 MPa升到0.3 MPa時(shí)，地表最大沉降值降低了1.13 mm。其原因是在土體壓力一定時(shí)，注漿壓力越大，注漿體的變形越小，所以提高注漿壓力可以有效降低地表沉降。同步注漿要求注漿是填充土體間隙而不是劈裂土體，在壓入口的壓力稍大于該點(diǎn)的靜止水壓力與土壓力之和。注漿壓力過(guò)大，管片外的土層被劈裂擾動(dòng)而造成較大的后期沉降以及跑漿;反之，注漿壓力過(guò)小，漿液充填速度過(guò)慢，間隙充填不密實(shí)，地表變形也會(huì)增大。

2.4.2 土倉(cāng)壓力對(duì)地表沉降的影響分析

土壓平衡盾構(gòu)施工是盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中靠土倉(cāng)內(nèi)的泥土壓力，即倉(cāng)壓與盾構(gòu)前方土體壓力相平衡來(lái)保持開(kāi)挖面的土體穩(wěn)定。實(shí)際施工過(guò)程中設(shè)定的盾構(gòu)土倉(cāng)壓力難以和開(kāi)挖面土體原來(lái)的土壓力達(dá)到完全平衡，總會(huì)存在一定的差值，從而引起開(kāi)挖面土體的位移。開(kāi)挖面處土體的位移又會(huì)進(jìn)一步影響地面沉降。為反映開(kāi)挖面土倉(cāng)壓力變化對(duì)地面沉降的影響，分別取開(kāi)挖面土倉(cāng)壓力為0.05，0.1，0.15，0.2MPa 進(jìn)行有限差分計(jì)算。不同土倉(cāng)壓力對(duì)地面沉降的影響見(jiàn)圖8和圖9。

從圖8可以看出，隨著土倉(cāng)壓力的增大，開(kāi)挖面前方的土體向開(kāi)挖面移動(dòng)的位移減小。

從圖9可以看出:土倉(cāng)壓力與土體的原始側(cè)向壓力接近時(shí)的地表沉降量最小，當(dāng)土倉(cāng)壓力設(shè)置過(guò)大或過(guò)小時(shí)，地表的最大沉降值都會(huì)增大。其原因?yàn)?當(dāng)土倉(cāng)壓力小于地層原始應(yīng)力時(shí)，土體會(huì)向土倉(cāng)坍塌，導(dǎo)致地層損失;當(dāng)土倉(cāng)壓力大于土體原始應(yīng)力時(shí)，會(huì)對(duì)開(kāi)挖面前方土體產(chǎn)生擾動(dòng)，使開(kāi)挖面的土體向遠(yuǎn)離開(kāi)挖面的方向擠出，開(kāi)挖面處土體的位移又會(huì)進(jìn)一步引起沉降。

2.4.3 實(shí)測(cè)地表沉降與掘進(jìn)參數(shù)的關(guān)系

見(jiàn)圖10—15。從圖10中可以看出，在施工過(guò)程中土壓得到了比較好的控制，地表沉降都控制在10 mm內(nèi)。圖11為洪浪—興東區(qū)間右線DK7+185～+110范圍內(nèi)的土倉(cāng)壓力統(tǒng)計(jì)值，其大小隨盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程不斷變化，基本穩(wěn)定在 0.08 ～0.11 MPa。

當(dāng)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)到65環(huán)時(shí)土倉(cāng)壓力較大，為0.12 MPa，注漿量控制較好，為6.5 m3;而此處的地表微微隆起，隆起值為0.13 mm。當(dāng)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)到103環(huán)時(shí)土倉(cāng)壓力較小，為0.07 MPa，注漿量控制較好，為6.5m3;而此處的地表沉降值較小，為8.3mm。由此可知當(dāng)注漿量一定時(shí)(比理論注漿量稍大)，地面沉降隨土倉(cāng)壓力的增加而減小，所以通過(guò)改變土倉(cāng)壓力對(duì)控制地表沉降有一定的效果。

圖12 左線225～280環(huán)地表沉降統(tǒng)計(jì)圖Fig.12 Ground surface settlement from No.225 ring to No.280 ring of left tunnel tube

盾尾注漿量及注漿壓力將直接影響最終沉降量，注漿量越多，注漿壓力適當(dāng)增大，則注入的漿液將被壓縮產(chǎn)生一定的壓力抵抗外周土體的移動(dòng)，使沉降量減小。從圖12—15可以看出:左線265～273環(huán)附近注漿量為7 m3，注漿壓力為0.29 MPa，地表產(chǎn)生了1 mm左右的隆起。由此可以說(shuō)明:地表沉降隨注漿量及注漿壓力的增大而減小，改變盾尾注漿量及注漿壓力是控制地表沉降的有效途徑;但注漿量及注漿壓力過(guò)大時(shí)，可能會(huì)引起地表隆起和增大管片變形。

掘進(jìn)過(guò)程中的各種掘進(jìn)參數(shù)取值是否合理，應(yīng)控制在什么范圍內(nèi)，需要地面沉降的結(jié)果來(lái)驗(yàn)證。只有將理論計(jì)算、實(shí)際應(yīng)用和監(jiān)測(cè)結(jié)果三者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，實(shí)施信息化施工和管理才能真正地控制好土壓，保持開(kāi)挖面穩(wěn)定，保證盾構(gòu)掘進(jìn)的安全、順利。

2.5 長(zhǎng)距離礦山法段盾構(gòu)空推技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)使用的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)對(duì)于長(zhǎng)度超過(guò)100 m巖石單軸抗壓強(qiáng)度超過(guò)100 MPa的地層，直接采用盾構(gòu)法施工存在較大難度。

2.5.1 過(guò)礦山法段盾構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

2.5.1.1 盾構(gòu)空推反力計(jì)算

為保證盾構(gòu)過(guò)空推段時(shí)的管片拼裝質(zhì)量，盾構(gòu)前方必須提供足夠的合力以將管片環(huán)縫隙擠壓密實(shí)。翻身—靈芝靈盾構(gòu)區(qū)間采用在刀盤前方堆放豆礫石來(lái)提供反力，其堆積方式為隧道半斷面堆積，共長(zhǎng)6 m。若礦山法隧道內(nèi)漏水和積水不多，也可以堆土。盾構(gòu)空推時(shí)的反力F由混凝土導(dǎo)臺(tái)與盾構(gòu)的摩擦阻力F1、推動(dòng)刀盤前所堆豆礫石受到的摩擦阻力F2、刀盤支撐豆礫石所受側(cè)向阻力F3、盾尾刷與管片間的摩擦阻力F4和臺(tái)車所需牽引力F5構(gòu)成。F要大于止水條最小防水?dāng)D壓力(2 500 kN)的要求。

2.5.1.2 刀盤前方堆土(豆礫石)計(jì)算

當(dāng)?shù)V山法隧道初期支護(hù)施作質(zhì)量較高，隧道內(nèi)幾乎不滲漏水時(shí)，刀盤前方可以堆土;若隧道內(nèi)滲漏水嚴(yán)重時(shí)，所堆渣土與水結(jié)合變?yōu)橄∧?，在盾?gòu)空推時(shí)不能對(duì)刀盤形成有效的反力。因此，在初期支護(hù)效果不是很理想的情況下，需要在刀盤前方堆積豆礫石。根據(jù)盾構(gòu)空推反力計(jì)算結(jié)果，采用半斷面堆積豆礫石，堆積長(zhǎng)度為6 m，堆土總方量為102.64 m3。堆積豆礫石可以采用人工配合機(jī)械施工或者可以在隧道正上方的地表鉆孔，從地表將豆礫石卸入礦山法隧道段指定位置。

2.5.1.3 端頭墻設(shè)計(jì)

端頭墻的周邊密排3排鋼格柵，玻璃纖維筋格柵水平設(shè)置，每個(gè)格柵橫排有4排玻璃纖維筋，外側(cè)為2排密排的φ28 mm的玻璃纖維筋，中間和內(nèi)側(cè)為2排φ22 mm的玻璃纖維筋，豎向排3排玻璃纖維筋，格柵要錨固入隧道初期支護(hù)30 cm。全斷面設(shè)置單層玻璃纖維筋網(wǎng)，初噴40 mm混凝土后掛φ6 mm玻璃纖維筋網(wǎng)。端頭處玻璃纖維筋格柵間距300 mm，噴800 mm厚的C20混凝土，保護(hù)層厚度為40 mm;然后在玻璃纖維筋格柵噴射完的混凝土后面設(shè)置一道混凝土環(huán)梁，環(huán)梁鋼筋與礦山法隧道初期支護(hù)鋼格柵焊接。

2.5.2 過(guò)礦山法段盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

2.5.2.1 端頭加固

由于礦山法施工和盾構(gòu)推進(jìn)相隔時(shí)間較長(zhǎng)，隧道開(kāi)挖掌子面暴露時(shí)間較長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)變差;同時(shí)，為保證盾構(gòu)到達(dá)時(shí)其推進(jìn)力不至于將礦山法隧道掌子面推擠坍塌，在礦山法隧道與盾構(gòu)隧道連接處設(shè)置端頭墻。礦山法在施工到與盾構(gòu)隧道連接處時(shí)密排3排鋼格柵，水平放置的玻璃纖維筋格柵隨隧道端頭最后3排格柵鋼架同步架設(shè)，全斷面設(shè)置單層玻璃纖維筋網(wǎng)，初噴40 mm混凝土后掛φ6 mm玻璃纖維筋網(wǎng)。翻身—靈芝區(qū)間2#豎井端頭墻小里程方向50 m處上覆有碧海花園小區(qū)建筑物，為避免由于盾構(gòu)刀盤對(duì)端頭墻的擠壓而造成端頭墻的瞬間垮塌，進(jìn)而導(dǎo)致建筑物隨上覆地層產(chǎn)生較大沉降，從而危及建筑物安全，在盾構(gòu)掘進(jìn)至端頭墻之前對(duì)端頭墻進(jìn)行注漿加固。注漿漿液為水泥－水玻璃雙液漿，注漿有效長(zhǎng)度為15 m，橫向及豎向加固范圍為隧道拱腰以上及拱頂周圍2 m土體。

2.5.2.2 導(dǎo)臺(tái)施工

為保證盾構(gòu)安全、高效、優(yōu)質(zhì)通過(guò)礦山段，在礦山開(kāi)挖段設(shè)置鋼筋混凝土導(dǎo)臺(tái)為盾構(gòu)提供精確導(dǎo)向，確保盾構(gòu)保持良好的推進(jìn)姿態(tài)，確保管片拼裝質(zhì)量，從而達(dá)到預(yù)期的防水效果。

2.5.2.3 盾構(gòu)進(jìn)入空推段施工措施

1)調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)。盾構(gòu)進(jìn)入礦山空推前50 m測(cè)定管片姿態(tài)，人工測(cè)量檢查盾構(gòu)姿態(tài)，校正VMT測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)，測(cè)定盾構(gòu)推進(jìn)姿態(tài)偏差(水平偏差為0，垂直偏差為+50 mm)，開(kāi)始糾偏。在此段進(jìn)行二次注漿，保證二次注漿效果，穩(wěn)定管片姿態(tài)，確保VMT導(dǎo)向系統(tǒng)能精確、高效工作;同時(shí)，復(fù)測(cè)礦山段斷面情況，監(jiān)測(cè)礦山段拱頂沉降量，檢查端頭墻洞門尺寸，確保凈空，保證盾構(gòu)能準(zhǔn)確安全進(jìn)入礦山空推段隧道。

2)盾構(gòu)步進(jìn)。盾構(gòu)直接掘削破除玻璃纖維筋格柵和水泥－水玻璃注漿加固過(guò)的C20混凝土墻之后，步上提前施工完畢的混凝土導(dǎo)臺(tái)。啟動(dòng)盾構(gòu)向前掘進(jìn)，根據(jù)刀盤與導(dǎo)向平臺(tái)之間的關(guān)系調(diào)整各組推進(jìn)油缸的行程，使盾構(gòu)姿態(tài)沿線路方向進(jìn)行推進(jìn)。盾構(gòu)推動(dòng)刀盤前方的豆礫石在刀盤前逐漸形成較為密實(shí)的礫石堆，管片與已開(kāi)挖成型隧道間靠噴射豆礫石充填，同時(shí)進(jìn)行同步注漿。盾構(gòu)在礦山法隧道中步進(jìn)情況如圖16所示。

圖16 盾構(gòu)過(guò)礦山法隧道施工示意圖Fig.16 Shield machine advancing through tunnel section constructed by mining method

盾構(gòu)掘進(jìn)模式采用不建壓模式，掘進(jìn)推力控制在6 000 kN以內(nèi)(主要以掘進(jìn)速度控制在10～25 mm/min來(lái)控制推力大小)，當(dāng)掘進(jìn)推力＞6 000 kN以后，可啟動(dòng)螺旋輸送機(jī)出土，但要控制出土量。掘進(jìn)過(guò)程中，土倉(cāng)內(nèi)不加氣壓和泡沫。

盾構(gòu)在掘進(jìn)至橫通道前15m，前方土體以半斷面封堵了橫通道，此時(shí)應(yīng)開(kāi)始減少掘進(jìn)推力和速度，掘進(jìn)推力控制在5 000kN以內(nèi)，掘進(jìn)速度控制在10mm/min左右;在橫通道位置加大噴射豆礫石和同步注漿量，在保證隧道內(nèi)豆礫石和管片背后漿液不外流的前提下，充分填實(shí)管片與橫通道之間的空隙;在靠近豎井段安裝型鋼作為帷幕的支撐，確保帷幕的穩(wěn)定。盾構(gòu)空推掘進(jìn)施工如圖17所示。

圖17 盾構(gòu)空推掘進(jìn)施工圖Fig.17 Shield machine advancing without load

當(dāng)盾構(gòu)刀盤掘進(jìn)至距另一側(cè)端頭墻12 m處，在保證推力≥4 500 kN前提下啟動(dòng)螺旋輸送機(jī)，將刀盤前方豆礫石往外運(yùn)輸。控制掘進(jìn)速度及出渣量，當(dāng)?shù)侗P頂住封堵墻掌子面時(shí)，確保土倉(cāng)內(nèi)為滿倉(cāng)土。繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，掘削封堵墻掌子面噴射混凝土，土倉(cāng)不出土，以建立土壓。當(dāng)倉(cāng)內(nèi)土壓達(dá)到設(shè)定值(0.22 MPa)時(shí)，開(kāi)啟螺旋輸送機(jī)出土，盾構(gòu)進(jìn)入正常掘進(jìn)施工。

3)管片拼裝。管片安裝是盾構(gòu)法施工的重要環(huán)節(jié)，其安裝質(zhì)量不僅直接關(guān)系到成洞的質(zhì)量和隧道防水的效果，而且對(duì)盾構(gòu)能否繼續(xù)順利推進(jìn)有直接的影響。管片在安裝前仍要進(jìn)行一次檢查，再確認(rèn)管片種類正確、質(zhì)量完好無(wú)缺和密封墊粘結(jié)無(wú)脫落，才允許安裝。安裝每一片管片時(shí)，先人工將管片連接螺栓進(jìn)行初步緊固;待安裝完一環(huán)后，用風(fēng)動(dòng)扳手對(duì)螺栓進(jìn)行進(jìn)一步緊固;每塊管片安裝時(shí)須擰緊螺栓一次，在每環(huán)管片安裝結(jié)束后要再次及時(shí)擰緊各個(gè)方向的螺栓，且在該環(huán)脫出盾尾后再次擰緊。

4)管片背襯回填。包括噴射豆礫石、同步注漿和二次補(bǔ)注漿3部分:①噴射豆礫石。管片外徑為6 000 mm，礦山隧道初期支護(hù)內(nèi)徑為6 600 mm，管片與礦山隧道之間空隙達(dá)到300 mm，首先采用5～10 mm連續(xù)級(jí)配的花崗巖豆礫石來(lái)填充空隙，在管片拼裝時(shí)即可進(jìn)行噴射豆礫石回填。每延米填充量為5.9 m3，即每環(huán)至少需要填充豆礫石8.89 m3。由于隧道開(kāi)挖不規(guī)整，每環(huán)豆礫石量不完全相等。每隔4.5～6 m在盾構(gòu)的切口四周60～300°的范圍用袋裝砂石料圍成一個(gè)圍堰，防止管片背后的豆礫石、砂漿前竄，利用混凝土噴射機(jī)從刀盤前方向盾構(gòu)后方吹填豆礫石(見(jiàn)圖18)，噴射壓力為0.25 ～0.3 MPa。②同步注漿。利用盾構(gòu)自身的同步注漿系統(tǒng)壓注水泥砂漿，其漿液與正常掘進(jìn)時(shí)同步注漿漿液相同。該漿液采用水泥砂漿，水泥、膨潤(rùn)土、粉煤灰、砂、水的質(zhì)量配合比為179∶65∶253∶1 165∶338。漿液可填充豆礫石之間的間隙，將豆礫石固結(jié)為一體，使管片與礦山隧道初期支護(hù)緊密接觸，以提高支護(hù)效果?？刂谱{壓力既要保證達(dá)到對(duì)環(huán)形空隙的有效填充，又要確保管片結(jié)構(gòu)不因注漿產(chǎn)生位移、變形和損壞，同時(shí)還要防止砂漿前竄至盾構(gòu)刀盤前方。保證同步注漿質(zhì)量，漿液將會(huì)在圍巖和管片間形成一層致密的防水層，對(duì)盾構(gòu)隧道防水起到第一層保護(hù)作用;因此，同步注漿質(zhì)量的好壞是隧道防水的關(guān)鍵。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)可以采用注漿量控制，當(dāng)注漿量達(dá)到小碎石理論孔隙率的80%以上時(shí)即可暫停注漿。小碎石理論孔隙率為37%，則每環(huán)同步注漿量≥V漿=8.89 ×0.37 ×0.8=2.6 m3。③二次補(bǔ)注漿。盾構(gòu)空推段施工時(shí)，由于管片與礦山隧道空隙已經(jīng)填有一層密實(shí)的豆礫石，有可能導(dǎo)致同步注漿不充分，同步注漿壓力將控制在一定范圍內(nèi);因此，同步注漿很難完全填充所有的間隙。管片安裝10環(huán)后，間隔6 m在管片吊裝處開(kāi)口檢查注漿效果。若注漿效果不好，則進(jìn)行回填注漿。

圖18 吹填豆礫石的混凝土噴射機(jī)Fig.18 Shotcreting machine used to backfill pea gravel

2.6 端頭墻玻璃纖維筋格柵加固技術(shù)

盾構(gòu)進(jìn)出洞為盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，盾構(gòu)進(jìn)出洞前處理端頭井圍護(hù)結(jié)構(gòu)中鋼筋的傳統(tǒng)方法是:采用注漿或臨時(shí)圍護(hù)樁等措施對(duì)井壁背后的土體進(jìn)行加固后，在降水條件下進(jìn)行人工鑿除。由于結(jié)構(gòu)被開(kāi)鑿破壞、結(jié)構(gòu)背后土體暴露、地下水較難控制等原因，盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)易出現(xiàn)地層土體坍塌而導(dǎo)致地表下沉并危及地下管線和附近的建(構(gòu))筑物。近幾年來(lái)，隨著大深度、大斷面的盾構(gòu)需求迅速增加，盾構(gòu)直接掘削纖維筋混凝土工法問(wèn)世，即把盾構(gòu)要穿過(guò)的擋土墻上的相應(yīng)部位用纖維筋混凝土制作，可用一般盾構(gòu)的切削刀具直接切削，達(dá)到盾構(gòu)的直接進(jìn)洞、出洞［7］。

2.6.1 玻璃纖維筋的特性

玻璃纖維筋是以玻璃纖維為增強(qiáng)材料，以合成樹(shù)脂及輔助劑等為基本材料，在光電熱一體的高速聚合裝置內(nèi)受熱固化，經(jīng)拉擠牽引成型的一種新型復(fù)合材料(其英文名稱為glass fiber reinforced polymer rebar，簡(jiǎn)稱GFRP筋)。它是一種具有較好的抗拉、耐腐蝕和抗電、磁等性能的纖維復(fù)合材料，在特殊環(huán)境下可以用來(lái)代替普通鋼筋。其外形根據(jù)需要可以加工成光圓、螺紋、矩形及工字形等。玻璃纖維筋見(jiàn)圖19。

圖19 玻璃纖維筋Fig.19 Fiber glass

玻璃纖維筋作為新型的筋材，與傳統(tǒng)鋼筋相比，具有抗拉強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、彈性模量小、易脆斷、耐腐蝕、易切割、防爆防靜電和抗剪強(qiáng)度低等特性。

2.6.2 玻璃纖維筋在地鐵端頭墻加固中的應(yīng)用

盾構(gòu)法或盾構(gòu)過(guò)硬巖礦山法施工進(jìn)出洞，若采用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土端頭墻，則在盾構(gòu)推進(jìn)前先要人工破除該端頭墻，存在一定的施工風(fēng)險(xiǎn)，而且也將影響施工進(jìn)度。采用剪切強(qiáng)度低、易脆斷的玻璃纖維筋代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋施作端頭墻優(yōu)勢(shì)明顯，在深圳地鐵施工中得到了推廣應(yīng)用。若采用玻璃纖維筋端頭墻，盾構(gòu)推進(jìn)至端頭墻時(shí)，只需降低速度，直接推進(jìn)，不需人工破除，加快了施工的連續(xù)性，保證了盾構(gòu)施工的安全性。

2.6.2.1 端頭墻施工措施

盾構(gòu)端頭墻周邊采用3排鋼格柵，墻體使用玻璃纖維筋，主筋之間及主筋和箍筋之間均采用綁扎連接，搭接長(zhǎng)度是普通鋼筋搭接長(zhǎng)度的1.3倍。全斷面設(shè)置單層玻璃纖維筋網(wǎng)，初噴40 mm混凝土后掛φ6 mm玻璃纖維筋網(wǎng)。端頭處玻璃纖維筋格柵間距300 mm，噴800 mm厚的C20混凝土，保護(hù)層厚度為40 mm;然后在玻璃纖維筋格柵噴射完的混凝土后面設(shè)置一道混凝土環(huán)梁，環(huán)梁鋼筋與礦山法隧道初期支護(hù)鋼格柵焊接［8］。盾構(gòu)切削端頭墻時(shí)玻璃纖維格柵力學(xué)行為如圖20所示。

2.6.2.2 應(yīng)用效果

從玻璃纖維筋的斷裂情況可以發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維筋多數(shù)都是在周邊的位置發(fā)生斷裂，這是由于隨著盾構(gòu)的擠壓，玻璃纖維筋中間部位有較大的空間使其產(chǎn)生自身能夠承受的形變來(lái)釋放所受到的擠壓力;但是端頭墻周邊位置的玻璃纖維格柵隨著盾構(gòu)的擠壓，則沒(méi)有足夠的空間去產(chǎn)生變形來(lái)釋放擠壓造成的拉力，從而在與盾構(gòu)的刀盤接觸后的擠壓中產(chǎn)生了脆斷。首先被拉斷的并不是主筋，而是直徑較小的玻璃纖維箍筋。盾構(gòu)從盾構(gòu)隧道進(jìn)入礦山法施工段的整個(gè)施工過(guò)程中，盾構(gòu)段與礦山法段連接處并未出現(xiàn)垮塌，端頭墻體也未出現(xiàn)瞬間坍塌，這證明了采用玻璃纖維格柵施作端頭墻完全是可行的，不僅節(jié)省了施工的時(shí)間和成本，而且安全、高效。

圖20 盾構(gòu)切削端頭墻時(shí)玻璃纖維筋格柵力學(xué)行為Fig.20 Mechanical behavior of fiber glass grating when shield machine cutting the end wall

3 深圳地鐵盾構(gòu)施工典型實(shí)例

3.1 黏土地層盾構(gòu)掘進(jìn)實(shí)例

3.1.1 工程概況

5301標(biāo)前海灣—臨海灣區(qū)間通過(guò)填海片區(qū)淤泥層，結(jié)構(gòu)松軟，承載力低，含水量高，容易產(chǎn)生觸變、流變。盾構(gòu)主要在淤泥層下黏性土層中通過(guò)，如圖21所示。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生較大擾動(dòng)，引起地基變形和失穩(wěn);刀盤中心區(qū)域容易結(jié)泥餅，降低掘進(jìn)速度，增大切削扭矩;同時(shí)造成土倉(cāng)內(nèi)溫度升高，影響主軸承密封的壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成主軸承密封老化破壞。螺旋輸送機(jī)由于排土不暢而無(wú)法形成土塞，排土口易產(chǎn)生噴涌，且上層淤泥土流變性強(qiáng)，易下陷，可能會(huì)造成開(kāi)挖面失穩(wěn)，引發(fā)地層坍塌。

3.1.2 盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)措施

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，刀盤結(jié)泥餅及刀箱被糊容易造成刀具偏磨;盾構(gòu)推力大、速度低、扭矩變化不靈敏;渣土呈塊狀，基本不具有流動(dòng)性，渣土溫度偏高，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)出渣口冒白氣甚至阻塞螺旋機(jī)等癥狀。為解決這些問(wèn)題，施工時(shí)應(yīng)該按照如下措施進(jìn)行操作。

圖21 前臨區(qū)間地質(zhì)斷面圖Fig.21 Geological profile of tunnel section from Qianhaiwan station to Linhaiwan station

1)在淺埋隧道施工、刀盤開(kāi)口率小于40%并且地層標(biāo)貫值大于20的情況下，即地層相對(duì)自穩(wěn)時(shí)，設(shè)定的出土壓力不宜超過(guò)主動(dòng)土壓力，并且最好控制在0.1 MPa以下，即宜采用欠土壓平衡模式掘進(jìn)。

2)在保證地面安全的情況下，掘進(jìn)過(guò)程中可以適當(dāng)降低土倉(cāng)壓力。若地層穩(wěn)定性較差，但隔氣性較好時(shí)，宜采用輔助氣壓作業(yè)，掘進(jìn)也宜采用欠土壓平衡模式。

3)控制掘進(jìn)速度＜60 mm/min，關(guān)注連續(xù)幾環(huán)的參數(shù)變化，尤其注意推力和扭矩的變化，黏土地層掘進(jìn)參數(shù)如圖22所示。

4)應(yīng)特別注重渣土改良并及時(shí)關(guān)注渣土溫度變化情況，避免掘進(jìn)過(guò)程中不出渣，向土倉(cāng)擠土，保證足夠的加水量及添加劑注入量。

5)長(zhǎng)時(shí)間掘進(jìn)或是發(fā)現(xiàn)有糊刀盤或結(jié)泥餅的征兆時(shí)應(yīng)停機(jī)加水并向刀盤前方注入分散劑空轉(zhuǎn)刀盤，采用冷卻措施，避免土倉(cāng)高溫高熱。

3.1.3 形成泥餅的原因及防止措施

探究泥餅的成因，應(yīng)該從地質(zhì)、盾構(gòu)選型及施工3個(gè)方面著手，其中地質(zhì)是客觀自然因素，是形成泥餅的基礎(chǔ)。預(yù)防結(jié)泥餅的相應(yīng)對(duì)策如下:

1)認(rèn)真研究地質(zhì)資料，施工全過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)跟蹤地質(zhì)條件的變化，并根據(jù)地質(zhì)條件調(diào)整施工措施。

2)當(dāng)隧道洞身為黏土層、黏土質(zhì)砂土層、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、殘積花崗巖、全風(fēng)化花崗巖等軟巖類(單軸抗壓強(qiáng)度＜30 MPa)地層，并且黏土礦物含量超過(guò)25%時(shí)，盾構(gòu)選型需考慮預(yù)防結(jié)泥餅的(措施)設(shè)施、如刀具的布置要層次清楚，其中滾刀和刮刀的高差宜大于35mm;刀盤中心區(qū)直徑2.0m范圍內(nèi)宜少設(shè)或不設(shè)滾刀，可盡可能增大開(kāi)口率，也可設(shè)置獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的中心子刀盤或高出面板40 cm以上的中心刀群，刀盤的扭矩也應(yīng)相應(yīng)增大;宜設(shè)置攪拌棒，尤其是能進(jìn)行注泥漿、注泡沫、注水的固定攪拌棒必須設(shè)置，位置宜設(shè)計(jì)在軸承密封圈內(nèi)側(cè)。

3)裝備有泡沫生產(chǎn)機(jī)、輔助氣壓作業(yè)和盾構(gòu)冷卻設(shè)備等。

圖22 盾構(gòu)在黏土地層中的掘進(jìn)參數(shù)Fig.22 Parameters of shield boring in clay strata

3.2 上軟下硬地層盾構(gòu)掘進(jìn)實(shí)例

由于軟硬不均地層巖性變化較大，局部存在不均勻風(fēng)化夾層，致使盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制困難，易發(fā)生盾構(gòu)向上偏移事故且易造成刀口折斷，同時(shí)工況轉(zhuǎn)換頻繁也對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)，易造成較大地表變形。

3.2.1 工程概況

5302標(biāo)工程西起翻身站(DK4+196.04)，終點(diǎn)到興東南明挖段(DK7+534.91)，全標(biāo)段長(zhǎng)3 339 m。區(qū)間盾構(gòu)隧道主要穿越礫質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，部分穿越中、微風(fēng)化巖層(地質(zhì)縱斷面見(jiàn)圖23)，盾構(gòu)隧道穿越地層同一斷面軟硬不均現(xiàn)象突出，而且存在不均勻現(xiàn)象，且變化頻次多，硬巖單軸抗壓強(qiáng)度高達(dá)154 MPa。

圖23 洪浪—興東盾構(gòu)區(qū)間隧道地質(zhì)縱斷面圖Fig.23 Geological profile of tunnel section from Honglang to Xingdong

3.2.2 穿越軟硬不均地層盾構(gòu)施工措施

1)探明工程地質(zhì)情況。設(shè)計(jì)選線時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)軟硬不均地層，使隧道位于均質(zhì)地層中，以減少盾構(gòu)施工的風(fēng)險(xiǎn)。施工前必須掌握工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況，為科學(xué)選擇掘進(jìn)參數(shù)提供依據(jù)。

2)掘進(jìn)模式選擇。由于軟硬不均地層是一種特殊的地質(zhì)，既有軟巖地層的不穩(wěn)定性，又具有硬巖的強(qiáng)度。為確保地表及地面建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定，必須采用土壓平衡掘進(jìn)模式。

3)掘進(jìn)參數(shù)選擇。在軟硬不均地層中掘進(jìn)，局部巖石硬度較高，硬巖處刀盤的滾刀受力較大，而軟巖部分只需對(duì)掌子面進(jìn)行切削即可破壞土層，但局部硬巖對(duì)刀具即刀盤的損傷較大，應(yīng)適當(dāng)降低刀盤轉(zhuǎn)速，刀盤的轉(zhuǎn)速要控制在1.0 r/min左右;土壓力的設(shè)定需要考慮多方面的因素，以靜止土壓力為計(jì)算依據(jù)，結(jié)合0.01～0.02 MPa的預(yù)備壓力設(shè)置;為了防止盾構(gòu)抬頭，掘進(jìn)過(guò)程中適當(dāng)加大頂部千斤頂?shù)捻斖屏?要保證掌子面的穩(wěn)定性，需要保持較高的土壓;要求螺旋輸送機(jī)的出渣量小，轉(zhuǎn)速一般保持在3～8 r/min。

4)刀具布置。增加邊緣滾刀的數(shù)量，減小刀間距，增強(qiáng)邊緣的破巖能力;同時(shí)，利用安裝在刀盤上的超挖刀，便于掘進(jìn)方向發(fā)生偏差時(shí)能夠?qū)τ矌r進(jìn)行超挖，及時(shí)糾正偏差，確保盾構(gòu)前進(jìn)方向與隧道設(shè)計(jì)軸線一致。

5)盾構(gòu)掘進(jìn)方向控制。由于地層軟硬不均、隧道曲線和坡度變化以及操作等因素的影響，盾構(gòu)推進(jìn)不可能完全按照設(shè)計(jì)的隧道軸線前進(jìn)，而會(huì)產(chǎn)生一定的偏差。當(dāng)這種偏差超過(guò)一定界限時(shí)就會(huì)使隧道襯砌侵限、盾尾間隙變小使管片局部受力惡化，并造成地層損失增大而使地表沉降加大。因此，盾構(gòu)施工中應(yīng)采取有效技術(shù)措施控制掘進(jìn)方向，及時(shí)有效糾正掘進(jìn)偏差。

6)科學(xué)更換刀具。盾構(gòu)在軟硬不均地層中施工，為了保護(hù)盾構(gòu)刀盤和確保刀具磨損達(dá)到極限值時(shí)能夠及時(shí)換刀，應(yīng)注意總結(jié)刀具在類似地層中的磨損規(guī)律，超前制定刀具配件計(jì)劃，并結(jié)合工程地質(zhì)及地面環(huán)境等因素，提前確定開(kāi)倉(cāng)檢查刀具的位置，做到開(kāi)倉(cāng)的計(jì)劃性、可控性。在軟硬不均及硬巖地層施工時(shí)，當(dāng)邊緣滾刀磨損量為15 mm、正面區(qū)滾刀磨損量為20 mm、中心區(qū)滾刀磨損量為20～25 mm時(shí)需要進(jìn)行更換;當(dāng)刮刀合金齒缺損達(dá)到1/2以上或耐磨層磨損量達(dá)2/3以上時(shí)需要進(jìn)行更換。

3.3 花崗巖球狀風(fēng)化體和基巖突起處理實(shí)例

3.3.1 工程概況

5號(hào)線工程在寶安—翻身區(qū)間、翻身—靈芝區(qū)間和民治—五和區(qū)間盾構(gòu)線路均遇到孤石。寶安—翻身區(qū)間盾構(gòu)隧道開(kāi)挖范圍以砂質(zhì)黏性土和砂層為主，拱頂以上地層以雜填土、淤泥、粉質(zhì)黏性土為主。根據(jù)勘察報(bào)告，本區(qū)間左線發(fā)現(xiàn)5塊孤石，其中2塊位于隧道范圍內(nèi);右線發(fā)現(xiàn)6塊孤石，其中3塊位于隧道范圍內(nèi)。翻身—靈芝區(qū)間隧道主要穿越的巖層為礫質(zhì)黏性土和全風(fēng)化花崗巖，含水量豐富并且與海水存在動(dòng)力聯(lián)系，同時(shí)隧道下穿諸多構(gòu)建筑物，如碧海花園、創(chuàng)業(yè)立交橋、107國(guó)道等。

3.3.2 孤石的物理性質(zhì)及主要特征

孤石屬于花崗巖殘積土的不均勻風(fēng)化，包括囊狀風(fēng)化巖和球狀風(fēng)化巖。本工程盾構(gòu)隧道工程中孤石主要為球狀風(fēng)化巖，即殘積土中存在球狀中等風(fēng)化、微風(fēng)化巖體。一般于地形平緩、風(fēng)化帶厚度較大的地區(qū)較發(fā)育。孤石形狀各異，大小從幾十cm到幾m，單軸抗壓強(qiáng)度大部分為80～200 MPa，相對(duì)周邊的風(fēng)化土體，孤石的強(qiáng)度要大得多，主要賦存在花崗巖的全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化巖體中，其空間分布具有較大的隨機(jī)性，很難找到規(guī)律。從土倉(cāng)取出的孤石見(jiàn)圖24。

圖24 從土倉(cāng)中取出的孤石Fig.24 Boulders taken from excavation chamber

3.3.3 孤石爆破處理方法

孤石處理方法應(yīng)根據(jù)孤石的大小、位置、形狀、周邊環(huán)境等因素確定。當(dāng)隧道上方地面具備沖孔、挖孔條件時(shí)，采取地面處理方式;當(dāng)?shù)孛娌痪邆錄_孔、挖孔條件時(shí)，采用洞內(nèi)處理。深圳地鐵采取深孔爆破法處理較為成功，效果好、速度快。具體處理方法為:地質(zhì)勘探過(guò)程中遇到孤石時(shí)，首先查明孤石的產(chǎn)狀、大小、形狀，并依此來(lái)制定爆破孔的數(shù)量、分布和裝藥量，利用小口徑鉆頭從地面下鉆，在孤石上鉆出爆破眼;然后在小孔內(nèi)安放適量的靜爆炸藥對(duì)孤石進(jìn)行爆破，達(dá)到分裂、瓦解孤石的目的?？紤]盾構(gòu)的出渣能力，通過(guò)螺旋輸送機(jī)的石塊尺寸不能超過(guò)40cm，爆破后石塊的單邊長(zhǎng)度應(yīng)控制在30 cm以下，以利于螺旋輸送機(jī)順利出渣。爆破后石塊大小通過(guò)調(diào)整爆破孔間距和用藥量來(lái)進(jìn)行控制［9］。具體鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖25所示。

圖25 孤石爆破鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.25 Boulder removing by drilling and blasting

3.3.4 孤石破碎后盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)控制

大的孤石雖然已經(jīng)爆破成為體積較小的碎石，但由于爆破位置處于地下14～22m，鉆孔質(zhì)量、裝藥位置和爆破效果都不能完全保證;因此，孤石最終不一定都能破碎成單邊長(zhǎng)度小于30 cm的碎石，體積較大石塊的存在仍會(huì)對(duì)盾構(gòu)施工帶來(lái)較大的困難。盾構(gòu)進(jìn)入孤石爆破區(qū)段后要密切注意推進(jìn)油缸的推力變化、盾構(gòu)姿態(tài)的突變及土倉(cāng)壓力和出渣量的變化，采取優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)、降低螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速、加大泡沫注入量等措施，采用“高轉(zhuǎn)速、低扭矩、小推力”的原則謹(jǐn)慎掘進(jìn)穿越孤石爆破群;同時(shí)，盾構(gòu)司機(jī)應(yīng)根據(jù)渣樣特征、掘進(jìn)時(shí)刀盤發(fā)出的聲音、盾構(gòu)震動(dòng)等情況判斷刀盤前方碎石的情況、盾構(gòu)的工作狀態(tài)以及刀具磨損的情況。翻身—靈芝區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)隨施工變化曲線見(jiàn)圖26。

從圖26可以得出，在孤石爆破后地層中(在30環(huán)開(kāi)始進(jìn)入孤石爆破地段)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)(推力、扭矩、推進(jìn)速度和轉(zhuǎn)速)控制如下:1)盾構(gòu)總推力比平常掘進(jìn)時(shí)小，控制在9 000～11 000 kN;2)保持較低的推進(jìn)速度，控制在5～20 mm/min;3)刀盤扭矩要相應(yīng)降低，保持在0.5～1.2 MN·m;4)加快刀盤轉(zhuǎn)速，使其從1.4 ～1.5 r/min增加到1.6 r/min左右。

圖26 掘進(jìn)參數(shù)隨施工變化曲線Fig.26 Shield boring parameters

3.4 盾構(gòu)下穿廣深鐵路施工關(guān)鍵技術(shù)

3.4.1 工程概述

長(zhǎng)龍站—布吉站區(qū)間，線路出長(zhǎng)龍站后沿吉華路下穿金鵬路，之后下穿布吉公園、廣深鐵路，到達(dá)布吉站(如圖27所示)。區(qū)間隧道在左DK31+317.569～+392.037(16～66環(huán))范圍內(nèi)平面斜交穿越廣深鐵路，隧道中心線與鐵路平交角為77°，左線斜交的鐵路里程為DK138+282，共計(jì)8股道，穿越長(zhǎng)度約58 m。區(qū)間和鐵路的豎向凈距為13.7 m，土層從上到下分別為素填土、礫砂、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化角巖、強(qiáng)風(fēng)化角巖和中風(fēng)化角巖。隧道在DK31+350處覆土最淺，約為 13.3 m。

3.4.2 盾構(gòu)下穿鐵路關(guān)鍵技術(shù)

廣深鐵路作為國(guó)家準(zhǔn)高速鐵路，對(duì)地表沉降的要求極高。由于其運(yùn)行著動(dòng)車組，在下穿時(shí)對(duì)其監(jiān)測(cè)極其重要，為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域。

圖27 下穿廣深鐵路平、縱斷面圖Fig.27 Shield boring crossing underneath Guangzhou-Shenzhen railway

3.4.2.1 推進(jìn)前預(yù)加固

盾構(gòu)推進(jìn)前，鐵路線路應(yīng)進(jìn)行預(yù)加固。下穿區(qū)域鐵路線路兩側(cè)設(shè)4排旋噴樁，樁間范圍內(nèi)路基分層注漿加固。加固剖面圖如圖28所示。

圖28 鐵路線路加固剖面圖Fig.28 Profile of railway line reinforcement

首先進(jìn)行廣深鐵路路兩側(cè)(B區(qū))的旋噴樁施工，起加固、隔斷及控制變形的作用。加固過(guò)程應(yīng)控制施工速度，以減小施工對(duì)廣深鐵路的影響;旋噴樁施工期間必須對(duì)廣深鐵路進(jìn)行監(jiān)護(hù)和監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整施工參數(shù)，并通知鐵路部門對(duì)線路進(jìn)行及時(shí)養(yǎng)護(hù)。旋噴樁單樁直徑為0.8 m，樁與樁相互咬合量為0.2 m，加固土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度＞0.8 MPa，滲透系數(shù)≤10－8cm/s。采用普通硅酸鹽R32.5水泥。

3.4.2.2 合理選擇掘進(jìn)參數(shù)

在掘進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的正確選擇，直接關(guān)系到盾構(gòu)的正常掘進(jìn)。由于參數(shù)選擇不當(dāng)或者操作失誤而導(dǎo)致參數(shù)設(shè)定錯(cuò)誤，在實(shí)際工程中將會(huì)釀成巨大災(zāi)難。

1)土倉(cāng)壓力。由于該區(qū)域地層絕大部分為軟土，局部夾雜強(qiáng)風(fēng)化角巖，渣土黏性大，含水量小，極易形成泥餅;自穩(wěn)性較差，不具備開(kāi)倉(cāng)條件。一旦形成泥餅，推進(jìn)將變得非常艱難。推進(jìn)過(guò)程中必須全程加水以調(diào)整土倉(cāng)渣土稠度，以出土為流塑狀為宜。另外，通過(guò)調(diào)整盾構(gòu)的排土量來(lái)實(shí)現(xiàn)土壓平衡，控制地層壓力與土倉(cāng)壓力的差值在一定范圍，將土倉(cāng)壓力波動(dòng)控制在最小幅度，以控制地面沉降。盾構(gòu)在穿越廣深鐵路推進(jìn)過(guò)程中頂部土倉(cāng)壓力不宜過(guò)大，土倉(cāng)壓力平均值控制在0.11 MPa左右，否則場(chǎng)內(nèi)過(guò)多的積土難以與水均勻攪拌，將導(dǎo)致出土不暢，形成泥餅。

2)轉(zhuǎn)速和扭矩。下穿鐵路時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高刀盤轉(zhuǎn)速，以充分混合渣土與水，但同時(shí)需要保持一個(gè)比較穩(wěn)定的值，防止土體擾動(dòng)過(guò)大。盾構(gòu)穿越廣深鐵路推進(jìn)過(guò)程中平均轉(zhuǎn)速為1.8 r/min，由于易結(jié)泥餅，扭矩一般比較大，平均扭矩為2.0 MN·m。

3)推力和掘進(jìn)速度。推進(jìn)速度受到推力大小的控制，盾構(gòu)穿越廣深鐵路推進(jìn)過(guò)程中平均掘進(jìn)速度為37 mm/min，平均推力為10 440 kN。掘進(jìn)過(guò)程中不能因?yàn)樘岣咚俣榷哟笸屏?，推力增大將?huì)導(dǎo)致前方土體隆起。如需要適當(dāng)加大推力，應(yīng)該緩慢加大，切忌猛推。

4)出土量大小。推進(jìn)過(guò)程中要嚴(yán)格控制出土量，保證掘進(jìn)進(jìn)尺與出土量匹配。一般來(lái)說(shuō)，每掘進(jìn)100 m，所出松散土方量為4.3 m3，每環(huán)控制在6 m3以內(nèi)。廣深鐵路掘進(jìn)過(guò)程中要杜絕開(kāi)倉(cāng)，保證土倉(cāng)壓力足夠平衡掌子面的反力，使前方土體穩(wěn)定。如果在推進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)進(jìn)尺與出土量不匹配，有超挖趨勢(shì)或判斷因刀盤位置土體塌方導(dǎo)致土倉(cāng)壓力突然大幅度增加，應(yīng)立即停止出土，加力、保壓繼續(xù)推進(jìn)至土倉(cāng)壓力穩(wěn)定后停機(jī)。推進(jìn)過(guò)程中加入的水量和出土含水量都不能作為出土超量的合理原因。

5)盾構(gòu)姿態(tài)控制。盾構(gòu)掘進(jìn)中不可避免地會(huì)有糾偏，下穿廣深鐵路時(shí)應(yīng)該做到糾偏量少和高精度控制軸線。盾構(gòu)姿態(tài)一旦發(fā)生偏差，需要及時(shí)糾正。糾偏關(guān)鍵在于“逐步糾正，不得猛糾硬調(diào)”，具體應(yīng)做到如下幾點(diǎn):①盾構(gòu)下坡推進(jìn)時(shí)，要防止盾構(gòu)“磕頭”;盾構(gòu)上坡推進(jìn)時(shí)，要防止“抬頭”，每次糾偏幅度不得過(guò)大，調(diào)整切口水壓設(shè)定值，確保切口土體不下沉、不隆起或少隆起。②控制盾構(gòu)軸線，利用控制盾構(gòu)縱坡來(lái)控制盾構(gòu)高程位置;利用2個(gè)對(duì)稱千斤頂伸出的差值控制盾構(gòu)平面位置。③選擇合理的壓漿位置，利用壓漿的壓力調(diào)整管片和盾構(gòu)的相對(duì)位置，改善盾構(gòu)的糾偏條件。

6)監(jiān)控量測(cè)。在整個(gè)下穿過(guò)程中，將通過(guò)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不斷調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，從而保證盾構(gòu)正常進(jìn)行。

根據(jù)鐵路沉降相關(guān)規(guī)范，監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值Table 1 Thresholds of deformation

觀測(cè)時(shí)間從2009年5月15日至22日，以DKZ31+317～+356中隧道中心線測(cè)點(diǎn)D－3為研究對(duì)象，建立各斷面隧道中線測(cè)點(diǎn)縱剖面變化曲線(見(jiàn)圖29)。

圖29 各斷面D－3隧道中心測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間變化曲線圖(2009年)Fig.29 Settlement curves in 2009

從圖29可以看出:各斷面中心點(diǎn)沉降點(diǎn)在21號(hào)后開(kāi)始收斂，隧道中心里程各點(diǎn)最大累計(jì)沉降量為DK31+353中的D－3點(diǎn)，累計(jì)沉降量為3.79 mm;最大隆起點(diǎn)為DK31+334中的D－3點(diǎn)，在5月19日時(shí)隆起值達(dá)到3.83 mm，隨后開(kāi)始下沉，并保持穩(wěn)定。由此可以說(shuō)明，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不斷調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，地表沉降沒(méi)有較大變化，能夠保證廣深準(zhǔn)高速鐵路和施工的正常進(jìn)行。

3.5 盾構(gòu)下穿河流施工關(guān)鍵技術(shù)

3.5.1 工程概況

布吉—百鴿籠區(qū)間于DK31+649～+683處下穿布吉河，河底控制高程為18.32 m，軌面高程為8.0～8.8 m，拱頂最小覆土約5 m。布吉河在里程DK31+639.533地質(zhì)自上而下依次為粉質(zhì)黏土(層厚2.864 m)、全風(fēng)化角巖(層厚 1.498 m)、強(qiáng)風(fēng)化角巖(層厚7.114 m)、中等風(fēng)化角巖(層厚1.524 m)、微風(fēng)化角巖(布吉河河床頂面13 m往下均為微風(fēng)化角巖)。布吉河段工程地質(zhì)情況如圖30和圖31所示。

3.5.2 盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)措施

3.5.2.1 掘進(jìn)模式的選擇

由于下穿布吉河為強(qiáng)風(fēng)化地層，地層中巖石整體性差，結(jié)構(gòu)松軟，抗壓強(qiáng)度低，掌子面自穩(wěn)性較弱，為避免掌子面涌水、涌泥等情況發(fā)生采用土壓平衡掘進(jìn)模式。采用這種掘進(jìn)模式，盾構(gòu)切削下來(lái)的渣土直接進(jìn)入土倉(cāng)內(nèi)，并未即刻被螺旋輸送機(jī)排出，而是充滿整個(gè)土倉(cāng)，形成土塞效應(yīng)，達(dá)到土倉(cāng)壓力始終與掌子面壓力平衡的效果，從而保證盾構(gòu)前方土體不坍塌，也不會(huì)出現(xiàn)切口冒頂?shù)默F(xiàn)象，使盾構(gòu)安全順利地通過(guò)。

3.5.2.2 盾構(gòu)姿態(tài)的控制

下穿布吉河時(shí)盾構(gòu)姿態(tài)的控制非常重要，姿態(tài)控制得好，可以減少超挖及糾偏，從而減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，避免河床開(kāi)裂滲水。由于下穿地層為強(qiáng)風(fēng)化角礫巖層，巖層較軟，在此巖段進(jìn)行開(kāi)挖，容易造成盾構(gòu)抬頭、低頭以及偏移軸線等問(wèn)題。如果盾構(gòu)偏離了設(shè)定掘進(jìn)線路，糾偏難度較大。調(diào)整千斤頂推力太大，稍不留意，會(huì)引起糾偏過(guò)猛從而導(dǎo)致盾構(gòu)蛇形前進(jìn);因此，要控制好各組推進(jìn)油缸的行程，保持盾構(gòu)的正確姿態(tài)，使盾構(gòu)安全快速地通過(guò)布吉河段。

3.5.2.3 掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)設(shè)置合理的掘進(jìn)參數(shù)。根據(jù)水深及上覆土層的厚度設(shè)定土倉(cāng)壓力，其波動(dòng)值控制在±0.02 MPa以內(nèi)，穿越河道中段推進(jìn)速度應(yīng)適當(dāng)提高，一方面可快速通過(guò)河中段，另一方面可降低渣土中水的比例，改善出土狀況，保證盾構(gòu)掘進(jìn)的安全。

盾構(gòu)進(jìn)入布吉河下方時(shí)，隧道上層覆土厚度有一個(gè)突變，掌子面水土壓力變化較大，此時(shí)應(yīng)按照以下掘進(jìn)參數(shù)來(lái)控制盾構(gòu)掘進(jìn):盾構(gòu)推進(jìn)速度控制在2 cm/min以內(nèi);土倉(cāng)壓力設(shè)置在根據(jù)實(shí)際計(jì)算的參數(shù)上增加0.01～0.02MPa;嚴(yán)格出渣管理，每環(huán)出土量控制在55 m3以內(nèi)，減少土體擾動(dòng);總推力控制在8 000～10 000 kN;刀盤扭矩控制在2 000～3 000 kN·m;刀盤轉(zhuǎn)速控制在 1.6 ～2 r/min［10］。

盾構(gòu)軸線控制偏離設(shè)計(jì)軸線不大于±20 mm，河床沉降量控制在+5～－10 mm，并及時(shí)糾偏，盡量避免在過(guò)河時(shí)超量糾偏、蛇形擺動(dòng);施工過(guò)程中對(duì)管片及河床加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，控制盾構(gòu)姿態(tài)，防止盾構(gòu)抬頭，出現(xiàn)上浮現(xiàn)象立即進(jìn)行壓重處理。

3.6 盾構(gòu)下穿淺基建筑物施工關(guān)鍵技術(shù)

深圳地鐵5號(hào)線盾構(gòu)隧道正穿或是斜穿多棟建筑物。如翻身—靈芝區(qū)間的碧?；▓@、寶安汽車站、白金酒店;西麗—大學(xué)城區(qū)間盾構(gòu)隧道于DK11+040～+070位置側(cè)穿人才公寓;民治—五和區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越民興工業(yè)區(qū)廠房、萬(wàn)科四季花城茉莉苑;布吉—百鴿籠區(qū)間盾構(gòu)隧道穿過(guò)龍翔花園、牡丹苑等;怡景—黃貝嶺區(qū)間盾構(gòu)在DK38+320處下穿黃貝嶺小區(qū)5棟房屋。

3.6.1 工程概況

翻身至靈芝盾構(gòu)區(qū)間右線下穿碧?；▓@小區(qū)，穿越長(zhǎng)度為99.75m，穿越部分為2層和8層的混凝土框架樓房。碧?；▓@樁基采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，承臺(tái)下樁基采用φ480 mm沉管灌注樁，單樁設(shè)計(jì)承載力600 kN/根，貫入度≤3.5mm，有效樁長(zhǎng)為17m。按17m有效樁長(zhǎng)計(jì)算，該建筑物樁基與隧道拱頂最近距離為1.14 m，掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)大，盾構(gòu)姿態(tài)必須嚴(yán)格控制。該斷面埋深20.5 m，地下水位埋深3.2 m，隧道位于礫質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖及強(qiáng)風(fēng)化花崗巖3種不同硬度的地層中，局部有硬巖突起，突起硬巖裂隙發(fā)育，地質(zhì)條件復(fù)雜。區(qū)間隧道下穿碧?；▓@樁基立面關(guān)系見(jiàn)圖32。

圖32 隧道與碧?；▓@樁基位置關(guān)系圖(單位:m)Fig.32 Relationship between tunnel and pile foundations of Bihaihuayuan building(m)

3.6.2 下穿建筑前的準(zhǔn)備工作

為防止地面下沉而引起地面及建筑物沉降、開(kāi)裂等安全問(wèn)題，在盾構(gòu)通過(guò)前對(duì)小區(qū)內(nèi)地質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)勘，以進(jìn)一步了解建筑物下方地質(zhì)情況，同時(shí)在受影響的房子外側(cè)布置好監(jiān)測(cè)點(diǎn)，嚴(yán)密監(jiān)測(cè)房子沉降變形情況及地表沉降情況。

1)地質(zhì)補(bǔ)勘。在詳勘的基礎(chǔ)上對(duì)勘探點(diǎn)進(jìn)行加密，以進(jìn)一步了解地層情況。因隧道從小區(qū)樓房下穿過(guò)，難以全部對(duì)隧道范圍進(jìn)行地質(zhì)加密補(bǔ)勘，一部分在隧道外側(cè)進(jìn)行加密補(bǔ)勘。

2)地面注漿措施。盾構(gòu)通過(guò)過(guò)程及通過(guò)前后對(duì)地面及樓房進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)?shù)孛娉两党^(guò)30 mm時(shí)或房屋傾斜超過(guò)2‰時(shí)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)注漿加固。注漿方式可采用水泥－水玻璃雙液漿、袖閥管注漿等。注漿孔位布置于沉降較大位置，間距按1.5～2 m布置，注漿深度為地面下3～5 m。對(duì)于樓房發(fā)生傾斜超限時(shí)，直接在沉降較大處從房子外側(cè)打斜孔進(jìn)行注漿，注漿量及注漿壓力以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行調(diào)整，確保房子在原沉降基礎(chǔ)上盡量回復(fù)到初始值。

3)設(shè)備檢修換刀。在盾構(gòu)通過(guò)前進(jìn)行全面檢修，對(duì)其存在的一些問(wèn)題徹底解決，為盾構(gòu)過(guò)建筑物做好準(zhǔn)備。在盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)入碧?；▓@樓房之前15 m處(DK4+466)對(duì)刀具進(jìn)行檢查更換。

3.6.3 掘進(jìn)參數(shù)控制

盾構(gòu)通過(guò)樓房時(shí)嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)以及管片拼裝、注漿質(zhì)量，保證盾構(gòu)平穩(wěn)、快速通過(guò)，并將地表及建筑物沉降控制在設(shè)計(jì)值之內(nèi)。

1)控制掘進(jìn)速度。保證盾構(gòu)正常掘進(jìn)，在盾構(gòu)通過(guò)樓房過(guò)程中將掘進(jìn)速度控制為30～50 mm/min，以便保證出土量、正面土壓力及注漿均勻、及時(shí)。

2)嚴(yán)格控制正面土壓力、注漿量和注漿壓力。一般情況下，正面土壓力、注漿量和注漿壓力過(guò)大將可能導(dǎo)致地面隆起，反之將可能導(dǎo)致地面沉降;因此，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)必須加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果嚴(yán)格按照地面下沉及隆起量控制正面土壓力、注漿量和注漿壓力。根據(jù)類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，注漿壓力等于土壓力加上0.1～0.2 MPa。盾構(gòu)過(guò)樓房時(shí)注漿壓力暫取2.0～4.0 MPa，注漿量≥6 m3/環(huán)。根據(jù)始發(fā)段掘進(jìn)情況及實(shí)際監(jiān)測(cè)情況，在理論計(jì)算的土壓力、注漿量、注漿壓力值基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整。

3)二次注漿。當(dāng)管片與巖壁間的空隙充填密實(shí)性差，致使地表沉降得不到有效控制或管片襯砌出現(xiàn)較嚴(yán)重滲漏時(shí)，采取二次注漿措施。施工時(shí)每隔10 m進(jìn)行二次注漿，通過(guò)二次補(bǔ)強(qiáng)注漿有效控制地表沉降。

二次注漿采用雙液漿作為注漿材料，能對(duì)同步注漿起到進(jìn)一步補(bǔ)充和加強(qiáng)作用，同時(shí)也對(duì)管片周圍的地層起到充填和加固作用。二次補(bǔ)強(qiáng)注漿根據(jù)地質(zhì)情況及注漿記錄情況分析注漿效果，結(jié)合監(jiān)測(cè)情況由注漿壓力控制。注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa。

4)出土量控制。每掘進(jìn)一環(huán)對(duì)應(yīng)理論開(kāi)挖土體體積≥60 m3，掘進(jìn)過(guò)程中時(shí)刻注意控制掘進(jìn)速度和螺旋輸送機(jī)出土速度，使掘削土量等于出土量，做到不多出土，從而保證掌子面及拱頂土體穩(wěn)定。

4 結(jié)論與建議

深圳地鐵盾構(gòu)施工從一期工程開(kāi)始就遇到許多預(yù)想不到的技術(shù)難題，尤其是在5號(hào)線的設(shè)計(jì)施工中碰到了軟弱地層、上軟下硬、球狀風(fēng)化體、穿越建(構(gòu))筑物、托換等盾構(gòu)施工技術(shù)難題，但諸多盾構(gòu)隧道施工技術(shù)難關(guān)都被攻克，使施工順利進(jìn)行，并確保了施工及建(構(gòu))筑物安全。

4.1 結(jié)論

1)土壓平衡盾構(gòu)在黏土地層中掘進(jìn)，主要經(jīng)驗(yàn)是盡量采用欠土壓平衡模式，控制土倉(cāng)壓力，在保證地面安全的情況下，掘進(jìn)過(guò)程中可以適當(dāng)降低土倉(cāng)壓力。若刀盤結(jié)泥餅，要采取增加泡沫量、正反轉(zhuǎn)刀盤，嚴(yán)重情況下要停機(jī)進(jìn)行人工處理。

2)盾構(gòu)長(zhǎng)距離穿越硬巖地段采用敞開(kāi)式掘進(jìn)模式，設(shè)定合理的掘進(jìn)參數(shù)和同步注漿參數(shù)、配置適應(yīng)于硬巖掘進(jìn)的刀具和使用泡沫劑改良渣土等措施，輔助采用“壓重車”的方法減少管片上浮;在軟硬不均地層盾構(gòu)施工時(shí)，要重點(diǎn)控制盾構(gòu)的姿態(tài)，避免盾構(gòu)在軟硬不均地層中發(fā)生抬頭或低頭、盾構(gòu)軸線與設(shè)計(jì)軸線偏離過(guò)大等現(xiàn)象的發(fā)生。

3)始發(fā)和到達(dá)是盾構(gòu)工法建造隧道的關(guān)鍵工序，始發(fā)施工直接影響隧道軸線的質(zhì)量和工程施工的成敗。端頭加固、洞門破除施工、洞門密封及止水裝置的安裝是始發(fā)施工的關(guān)鍵工序。

4)孤石對(duì)盾構(gòu)施工影響較大，施工中有地層注漿加固、鉆孔爆破、人工挖孔樁破碎和沖擊破碎等地面處理方法。處理孤石或基巖隆起采用深孔爆破法是有效、快速、安全的方法，值得推廣。

5)對(duì)盾構(gòu)下穿鐵路、河流和建筑物，適當(dāng)加大注漿壓力能有效控制地表沉降;但注漿壓力過(guò)大，管片外的土層被劈裂擾動(dòng)會(huì)造成較大的后期沉降，土倉(cāng)壓力與土體原始側(cè)向壓力接近時(shí)地表沉降量最少。

6)盾構(gòu)空推施工，端頭墻以及接收井圍護(hù)墻采用玻璃纖維筋代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋，盾構(gòu)可以直接推進(jìn)，避免了人工破除端頭墻的繁雜工序，經(jīng)驗(yàn)表明該工法不僅能節(jié)省時(shí)間和成本，而且能夠保證盾構(gòu)進(jìn)出洞安全。

4.2 建議

本文所介紹的盾構(gòu)施工技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)是根據(jù)深圳地區(qū)特點(diǎn)創(chuàng)立的一整套適合深圳復(fù)合地層，不同于上海軟土均質(zhì)地層的盾構(gòu)施工技術(shù)。雖然取得了很大成功，但仍存在一些新問(wèn)題有待進(jìn)一步研究解決。建議一方面對(duì)盾構(gòu)的管片配筋率、防裂防水、防腐蝕及耐久性等問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步研究;另一方面對(duì)盾構(gòu)施工新問(wèn)題(如深圳地鐵11號(hào)線將采用時(shí)速120 km/h的快線標(biāo)準(zhǔn)，其盾構(gòu)內(nèi)徑為6 m)，建議進(jìn)行專題研究。

［1］ 劉建國(guó).深圳地鐵盾構(gòu)隧道技術(shù)研究與實(shí)踐［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［2］ 竺維彬，鞠世健.復(fù)合地層中的盾構(gòu)施工技術(shù)［M］.北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

［3］ 周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［4］ 韓雪峰，李茂文，劉建國(guó)，等.復(fù)合地層土壓平衡盾構(gòu)始發(fā)施工關(guān)鍵技術(shù)［J］.四川建筑，2010(5):91 －93.

［5］ 崔青玉，陳壽根，李茂文.盾構(gòu)下落平移施工設(shè)計(jì)研究［J］.四川建筑，2011(2):170 －171.

［6］ 張恒，陳壽根，鄧稀肥.盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)地表沉降的影響分析［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010，47(5):48 －53.(ZHANG Heng，CHEN Shougen，DENG Xifei.Analysis of the influence of shield driving parameters on ground settlements［J］.Modern Tunnelling Technology，2010，47(5):48 －53.(in Chinese))

［7］ 林剛，羅世培.玻璃纖維筋在盾構(gòu)端頭井圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2009，131(8):77 －81.(LIN Gang，LUO Shipei.Application of fiberglass reinforcement in exterior-protected structure of shield end shaft［J］.Journal of Railway Engineering Society，2009，131(8):77 － 81.(in Chinese))

［8］ 張恒，陳壽根，趙玉報(bào)，等.玻璃纖維筋在盾構(gòu)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(3):73－76.

［9］ 劉建國(guó).深圳地鐵軟硬不均復(fù)雜地層盾構(gòu)施工對(duì)策［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010，47(5):79－83.(LIU Jianguo.Countermeasures for shield tunneling in hard and soft mixed strata of Shenzhen subway［J］.Modern Tunnelling Technology，2010，47(5):79 －83.(in Chinese))

［10］ 李茂文，陳壽根，劉建國(guó)，等.下穿布吉河盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.四川建筑，2010(4):215 －217，219.