中鐵號盾構(gòu)機掘進(jìn)保證措施

丁枲詔 代鵬飛

（中鐵隧道股份有限公司，廣州 510000）

隨著我國城市地下工程的飛速發(fā)展，盾構(gòu)法施工以其特有的機械化程度高、對地面影響小、安全、進(jìn)度快等特點，成為城市地鐵隧道的主要施工工法。地鐵線路多選擇在人員相對密集、相對繁華的路段，地鐵線路多下穿既有管線及建筑物。盾構(gòu)機的設(shè)計比較適合軟巖施工，但是城市地鐵環(huán)境極為復(fù)雜，軟硬巖交錯，尤其是廣深地區(qū)，被業(yè)內(nèi)稱為“地質(zhì)博物館”。復(fù)雜地層中盾構(gòu)下穿建筑物成為盾構(gòu)施工的重難點。目前，相關(guān)研究多討論設(shè)計比選、優(yōu)化參數(shù)等內(nèi)容，現(xiàn)場的可實際操作性不強[1-2]。本文通過實踐經(jīng)驗總結(jié)，以滿足現(xiàn)場操作為目的進(jìn)行整理提煉，為盾構(gòu)機在復(fù)雜地層中掘進(jìn)方法及如何控制地表沉降提供較真實的參考意見。

1 工程概況

1.1 工程范圍

龍洞站—柯木塱站區(qū)間主體結(jié)構(gòu)包括盾構(gòu)法及礦山法隧道，其中礦山法隧道在進(jìn)行開挖及初期支護(hù)后，由盾構(gòu)空推時安裝管片作為久二次襯砌結(jié)構(gòu)。右線起止里程YDK27+743.109～YDK29+362.400，長度1619.291m，中間暗挖段起止里程為YDK28+362～YDK28+435，長度73m，其中2#聯(lián)絡(luò)通道與暗挖施工橫通道合建，中心里程為YDK28+376.615。左線起止里程為ZDK27+743.110～ZDK29+362.400（包含短鏈2.5m），長度為1617.74m，中間暗挖段起止里程為ZDK28+321.864～ZDK28+481.964，長度160.1m，聯(lián)絡(luò)通道中心里程ZDK28+374.364，區(qū)間雙線總長3237.031m，其中中間暗挖段共長233.1m，盾構(gòu)掘進(jìn)段3003.931m。龍柯區(qū)間總平面圖如圖1所示。

標(biāo)準(zhǔn)環(huán)管片內(nèi)徑為5.4m，外徑為6.0m，寬度為1.5mm，分為6塊，分別為一塊封頂塊（K塊）、三個標(biāo)準(zhǔn)塊（A1、A2、A3塊）、兩個鄰接塊（B、C塊）。管片設(shè)計為錯縫拼裝形式。管片采用強度等級為C50，抗?jié)B等級為P12的混凝土預(yù)制。

為滿足盾構(gòu)隧道在曲線上偏轉(zhuǎn)及蛇形糾偏的需要及保證管片安裝質(zhì)量，設(shè)計采用左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、標(biāo)準(zhǔn)環(huán)三種襯砌環(huán)形式，轉(zhuǎn)彎環(huán)楔形量為38mm。管片連接采用彎曲螺栓連接，其中每環(huán)環(huán)縫采用10根M24縱向螺栓連接，每環(huán)縱縫采用12根M24環(huán)向螺栓連接。螺栓等級為5.8級，螺母為5級。

圖1 龍柯區(qū)間總平面圖

1.2 特殊段地層工程地質(zhì)概況

根據(jù)施工地質(zhì)剖面圖，結(jié)合地質(zhì)補堪資料，揭示隧道上軟下硬、全斷面硬巖及孤石地層為：花崗巖強風(fēng)花帶7H、花崗巖中等風(fēng)花帶8H、花崗巖微風(fēng)花帶9H。隧道洞身通過的地層主要為花崗巖殘積土層，該地層強度不高，自穩(wěn)性差，遇水易崩解。龍洞站～柯木塱站特殊地層工程量如表1、表2所示。

1.3 水文地質(zhì)及地表環(huán)境

1.3.1 水文地質(zhì)

特殊段地層的地下水位埋深變化較大，初見水位埋深為0.9～3.9m，平均埋深為2.09m，穩(wěn)定水位埋深為1.3～8.2m，平均埋深為3.92m。地下水位的變化與地下水的賦存、補給及排泄關(guān)系密切，每年5～10月為雨季，降雨充沛，水位明顯上升，冬季降雨減少，地下水位隨之下降。無地表水體，地下水相對不豐富。

1.3.2 地表環(huán)境

隧道掘進(jìn)需近距離穿越大量建筑物，如表3所示。主要建（構(gòu)）筑物包括：華美路跨線橋等樁基礎(chǔ)，沿著廣汕公路兩側(cè)分布的大量村鎮(zhèn)居民用房、商鋪。居民用房、商鋪為二至五層建筑，多為天然基礎(chǔ)，且多數(shù)建筑年代較久，對地表沉降變形較為敏感。盾構(gòu)施工過程中需重點關(guān)注建筑物。

本段沿廣汕路輔道行進(jìn)，道路經(jīng)過多次加寬翻修，新遷移鋪設(shè)管線和老管線縱橫交錯，非常復(fù)雜。具體情況如表4所示。

左線路面分布有一條直徑1200mm自來水管、一條污水管、一條雨水管，靠近人行道分布有高壓電纜，龍柯區(qū)間分布大量通信光纜。

表1 龍洞站—柯木塱站特殊地層工程量（全斷面硬巖和上軟下硬分布里程）

表2 龍洞站—柯木塱站特殊地層工程量（孤石分布里程）

表3 盾構(gòu)過暗挖段地表建構(gòu)筑物一覽表

表4 盾構(gòu)區(qū)間管線統(tǒng)計

右線路面管線較復(fù)雜。分布有兩條通信光纜，其中一條為新遷移至人行道上的長途光纜，一條為老線路未遷移且和軍用光纜合建，還分布有一條直徑350mm的燃?xì)夤艿馈⒁晃鬯艿馈?/p>

2 盾構(gòu)掘進(jìn)保證措施

中鐵23號盾構(gòu)機施工龍洞站—柯木塱站區(qū)間右線，此種地質(zhì)條件中掘進(jìn)，地表沉降控制是關(guān)鍵，因為該種地層擾動及失水易造成地表及建（構(gòu)）筑物沉降，所以控制沉降是重點。由于本區(qū)間工程地質(zhì)的復(fù)雜性，施工過程中不可控制的因素將會較多。因此，快速安全地掘進(jìn)來通過孤石段以及控制地表沉降是影響本區(qū)間施工進(jìn)度及安全管理的重中之重[3-7]。根據(jù)實際情況，筆者制定如下應(yīng)對措施。

2.1 孤石探測及掘進(jìn)處理措施

施工前，委托有經(jīng)驗的勘察單位采用地質(zhì)雷達(dá)結(jié)合地震反射波法及加密地勘孔（每3～5m一孔）對標(biāo)段沿線內(nèi)孤石情況進(jìn)行詳細(xì)勘察，初步明確孤石的位置及大小。

盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中，對未超前探到的孤石，根據(jù)掘進(jìn)參數(shù)的異常變化，及時發(fā)現(xiàn)前方遇到的孤石，采用廣深地區(qū)孤石掘進(jìn)的處理方法。當(dāng)遇到孤石時，參數(shù)波動較大，聲音明顯，有強烈的震動，操作人員立即減小推力，降低刀盤轉(zhuǎn)速，控制刀盤扭矩的波動情況，控制推進(jìn)速度10mm/min以內(nèi)，控制好土倉壓力，控制好出渣量，加強渣土改良效果，嚴(yán)格控制好地表沉降。也就是說，采用小推力、小扭矩、慢速度、穩(wěn)土壓、勤改良、嚴(yán)控制的掘進(jìn)方法。

2.2 針對盾構(gòu)掘進(jìn)施工重難點處理措施

盾構(gòu)掘進(jìn)隧道通過補勘確定的大于1m的孤石，在地表采用地質(zhì)鉆機打引孔，通過特殊PVC管引炸藥入孔，在洞外進(jìn)行爆破處理。在施工過程中，要嚴(yán)格監(jiān)測推進(jìn)油缸和盾構(gòu)機姿態(tài)的突然變化、土倉壓力和出碴量的變化，如發(fā)現(xiàn)異常，進(jìn)入土倉進(jìn)行檢查，以判斷是否存在孤石，并確定孤石與刀盤的位置關(guān)系。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中遇孤石卡住刀盤或隨刀盤一起轉(zhuǎn)動擾動周圍土體時，考慮從洞內(nèi)土倉內(nèi)進(jìn)行處理。在倉內(nèi)主要采用巖石分裂機對孤石進(jìn)行處理。

針對孤石巖質(zhì)較硬的特點，在刀具選擇上，采用超硬耐磨滾刀將會顯著提高刀具的破巖能力，掘進(jìn)時采用低轉(zhuǎn)速將其切削成碎塊。若掘進(jìn)速度相當(dāng)慢或孤石隨刀盤一起滾動時，應(yīng)進(jìn)入土倉進(jìn)行人工處理，可以采用洞內(nèi)靜態(tài)爆破、炸藥爆破以及特殊工具等方法來清除孤石。針對較小孤石，從地表采用注漿加固的方式進(jìn)行地層加固，待周邊土體與孤石形成加固后的整體，再使用盾構(gòu)機破巖掘進(jìn)。

龍洞站—柯木塱站區(qū)間，隧道與華美路跨線橋平行段長度約為395m（盾構(gòu)區(qū)間長為174m），左線隧道與華美路跨線橋樁基中心的距離為4.59～9.05mm，右線隧道與華美路跨線橋樁基中心的距離為3.59～6.91m；隧道下穿廣汕路熱帶植物所天橋時，右線隧道與其樁基的水平凈距離約3.685m。

本區(qū)間過樁基段距離較長，盾構(gòu)施工會對地層形成擾動，可能造成其樁基的變形，影響交通，甚至影響跨線橋和人行天橋的結(jié)構(gòu)安全。如何確保盾構(gòu)穿越過程中樁基的穩(wěn)定，是本工程施工控制的重點。應(yīng)對措施如下。

（1）在盾構(gòu)穿越前，設(shè)定一模擬施工段，確定盾構(gòu)施工參數(shù)；在盾構(gòu)穿越前，做好機械設(shè)備維修保養(yǎng)工作，加強施工組織，確保安全通過；分類制定詳細(xì)的、切實可行的應(yīng)急預(yù)案，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，必要時實施應(yīng)急預(yù)案，以避免對建（構(gòu)）筑物造成較大的影響和損壞。

（2）控制好盾構(gòu)姿態(tài)，避免盾構(gòu)大幅糾偏、上浮、后退等現(xiàn)象發(fā)生；隨時調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)，減少盾構(gòu)的超挖和欠挖，以改善盾構(gòu)前方土體的坍落或擠密現(xiàn)象，降低地基土橫向變形施加于樁基的橫向力；在曲線上推進(jìn)時，放緩?fù)七M(jìn)速度、一次糾偏量不宜大于最大值。加大注漿工作、加強糾偏工作，減少地層損失。

（3）施工過程中加強對橋基的監(jiān)測，必要時增加監(jiān)測頻率，做好監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，及時反饋結(jié)果，指導(dǎo)現(xiàn)場施工；加強局部注漿管理，減少盾構(gòu)通過后隧道外的建筑空隙，減少隧道周圍土體的水平位移及因此產(chǎn)生的樁基負(fù)摩阻力；在施工過程中，根據(jù)地面及大橋橋墩變形情況，通過管片內(nèi)的注漿孔，及時對周圍土體進(jìn)行二次雙液注漿加固。

2.3 盾構(gòu)機維護(hù)處理措施

中鐵23#盾構(gòu)機在廣州地鐵六號線二期二標(biāo)盾構(gòu)工區(qū)龍洞站—柯木塱站區(qū)間使用，確保中鐵23#盾構(gòu)機在后續(xù)掘進(jìn)施工中順利進(jìn)行，避免對施工進(jìn)度造成滯后的不利影響。盾構(gòu)機在成都項目部使用，貫通后成都項目部對中鐵23#盾構(gòu)機全面進(jìn)行了清潔保養(yǎng)和維修工作。盾構(gòu)機運輸至廣州地鐵六號線二期二標(biāo)盾構(gòu)工區(qū)后，確保中鐵23#盾構(gòu)機機況性能完好，能滿足現(xiàn)場正常施工掘進(jìn)要求，施工現(xiàn)場對盾構(gòu)機進(jìn)行了全面檢查和維修工作。人們可以采取以下盾構(gòu)機維護(hù)處理措施。

（1）對于刀盤改造工作，根據(jù)地層情況對刀盤進(jìn)行改造，將刀盤中心位置開口率改大，土倉內(nèi)加2個高壓噴水口，刀盤改造工作由中鐵裝備盾構(gòu)制造公司負(fù)責(zé)；關(guān)于前體檢修工作，對旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行檢查潤滑，泡沫孔和膨潤土孔進(jìn)行疏通，螺栓機筒體進(jìn)行耐磨層堆焊，保壓系統(tǒng)管路檢查確保運轉(zhuǎn)正常；關(guān)于中體檢修工作，對推進(jìn)油缸球頭、彈簧、撐靴和油缸中心固定支座進(jìn)行檢查調(diào)整；關(guān)于尾盾檢修工作，對尾盾密封和安全氣囊進(jìn)行更換，尾刷進(jìn)行焊接。

（2）螺旋機螺旋耐磨層堆焊，安裝機和管片小車檢查維修完成；對泡沫系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查和調(diào)試，保證泡沫系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常；關(guān)于皮帶輸送系統(tǒng)，對皮帶架子進(jìn)行校正調(diào)整和滾筒更換；吊機檢查維修，保證運轉(zhuǎn)正常；對油脂系統(tǒng)管路疏通檢查，油脂泵檢查調(diào)試，氣動閥和分配閥檢查清洗；液壓系統(tǒng)部分管路和液壓閥更換，液壓泵運行調(diào)試正常；電氣系統(tǒng)調(diào)試檢查運轉(zhuǎn)正常。

2.4 機械設(shè)備的管理措施及保養(yǎng)措施

2.4.1 建立完善的設(shè)備管理組織機構(gòu)和科學(xué)的組織管理體系

人們要建立完善的設(shè)備管理組織機構(gòu)，對于大型施工機械設(shè)備，必須制定詳細(xì)、規(guī)范、科學(xué)的組織管理體系，實行系統(tǒng)化管理。借鑒以往盾構(gòu)施工的管、用、養(yǎng)、修成功經(jīng)驗，結(jié)合廣州地鐵、深圳地鐵施工中的設(shè)備管理方式，對盾構(gòu)和常規(guī)設(shè)備各系統(tǒng)實行工程師負(fù)責(zé)制，機械工程師、電氣工程師、刀具工程師、狀態(tài)檢測工程師共同組成盾構(gòu)設(shè)備管理體系，并成立維保班和電工班為主的維護(hù)和修理組。

2.4.2 制定詳細(xì)的盾構(gòu)管、用、養(yǎng)、修制度

根據(jù)盾構(gòu)施工的特點，制訂盾構(gòu)機綜合管理制度、盾構(gòu)機使用安全操作規(guī)程、盾構(gòu)機維修保養(yǎng)制度、盾構(gòu)機油水管理制度、盾構(gòu)機狀態(tài)檢測制度和盾構(gòu)機配件管理制度等；對盾構(gòu)機的使用及維修保養(yǎng)人員進(jìn)行培訓(xùn)，經(jīng)考試合格后持證上崗，實行崗位責(zé)任制，實行“三定三包”，即定人、定崗、定機，包保管、包使用、包維修保養(yǎng)；建立盾構(gòu)機履歷簿、運轉(zhuǎn)記錄、狀態(tài)監(jiān)測記錄和維修保養(yǎng)記錄，實行盾構(gòu)機的表格化管理；對盾構(gòu)機進(jìn)行成本管理，詳細(xì)記錄和考核油料消耗、配件消耗、電力消耗、設(shè)備完好率考核以及設(shè)備利用率考核等工作，總結(jié)和積累盾構(gòu)機的使用成本分析。

2.5 刀具配置

刀具是易損件，因此必須定期檢查，制定維護(hù)保養(yǎng)計劃，使刀盤及刀具質(zhì)量保證處于完好狀態(tài)，根據(jù)本工程的地層特點，結(jié)合類似工程的施工經(jīng)驗，本區(qū)間計劃在260環(huán)、500環(huán)、660環(huán)、850環(huán)和1065環(huán)開倉檢查更換刀具。必要時采取帶壓進(jìn)倉作業(yè)。換刀計劃如表5所示。

表5 換刀計劃

2.6 人員保證措施

本區(qū)間地層使用盾構(gòu)推進(jìn)，盾構(gòu)機應(yīng)配置相應(yīng)的施工人員，每臺盾構(gòu)機施工人員兩班輪轉(zhuǎn)。執(zhí)行每天7∶30～19∶30～19∶30～7∶30工作制，白班、夜班各一班。

表6 班組人員配置

2.7 材料供應(yīng)保證措施

材料管理是保證工程質(zhì)量和確保工期的關(guān)鍵之一，材料管理也應(yīng)制定管理制度，其管理工作主要有：根據(jù)工程進(jìn)度計劃提前編制季、月、旬等需用各種材料計劃報表；組織材料供應(yīng)方案，組織材料的采購、訂貨、運輸、驗收入庫保管工作；推行原材料、成品或半成品、設(shè)備的質(zhì)量驗收制度；推行材料的檢驗和測試制度。

3 結(jié)語

本文針對該段盾構(gòu)區(qū)間的地質(zhì)情況，從盾構(gòu)機始發(fā)前維護(hù)、孤石處理、掘進(jìn)過程中參數(shù)控制及設(shè)備管理保養(yǎng)、刀具配置及更換、人員配置及材料供應(yīng)等方面制定相應(yīng)的措施，從而快速安全地掘進(jìn)通過孤石段并控制地表沉降，為保證掘進(jìn)施工的安全提供保障。

盾構(gòu)法因其對環(huán)境影響小、占地面積小、施工不受天氣條件限制、安全高效快速等優(yōu)點，已經(jīng)在城市隧道施工技術(shù)中確立了穩(wěn)固的統(tǒng)治地位，其適用的地層范圍也從最初的軟土、砂卵石、軟巖擴充到硬巖。本文探討的施工保證措施對盾構(gòu)機在復(fù)雜地層中安全快速掘進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義。