城市軌道交通盾構法隧道施工技術分析

張金濤

（中鐵十一局集團有限公司，湖北 武漢 430061）

1 盾構法施工概述

利用盾構法進行地鐵項目的隧道施工，具體內容包括穩(wěn)定開挖面、開挖與排土、襯砌3 個部分。與其他類型的施工方法相比，盾構法具有自動化程度高、成本低、施工速度快、不會受到氣候影響等特點；同時，還可以有效控制地面塌陷問題，極大地降低對地面建筑物的干擾性[1]。基于此，特別是對于一些埋深大、隧洞長的地鐵項目的隧道施工，運用盾構法能獲得較理想的經濟效益。

運用盾構法進行地鐵項目隧道施工，不僅可以保證施工過程的安全性，還可以對管片支護起到保護作用。盾構機基礎構造包括盾構殼體、刀盤系統(tǒng)、螺旋輸送機等不同類型的裝置。在實際施工過程中，盾構法涉及的施工工序通常包括盾構機安裝與拆卸、土體挖掘、襯砌、拼裝和防水等。

選擇盾構法進行實際施工，現場工作人員需要先在某一個路段使用明挖法開挖基坑后，在其內部裝置盾構機，待盾構機準備就緒后，先向開挖面掘進一段等同于裝配式襯砌寬度的土體，并在裝置盾構反力設備基礎上形成外力支撐[2]。

2 盾構法施工技術

2.1 盾構機進出洞口

施工在地鐵項目隧道施工期間，現場工作人員在實際使用盾構機過程中，需注意以下施工要點。

（1）重點控制盾構機進洞問題及出洞操作，因為這兩個環(huán)節(jié)會對整體隧道施工質量產生直接影響。

（2）為保證盾構機順利進洞，需在施工前確定好線路，以防止發(fā)生與設計軸線偏差過大的問題。

（3）鑒于盾構機出洞難度高、工作繁雜的特點，必須選擇科學合理的施工方法來進行系列操作，如預先加固處理洞口段地層，保證安全性。

（4）在施工準備完成后，為避免土體暴露時長過長，要根據盾構機實際情況讓切口切入土層[3]。

2.2 風井施工

以風井處地質的實際情況為基礎，加固該區(qū)域與盾構機進洞有關的地基，長度控制在6m 以內，其中5.4m 要采用鉆孔灌注施工。因為風井關鍵點通常都設置在城鎮(zhèn)居民區(qū)附近，容易受到其他因素干擾，所以，必須要對其進行基坑圍護操作，同時，還要加固鉆孔灌注樁施工，而此過程要保證隧道直徑為7m、水泥摻量為20%（由于進洞口洞圈上3m 以外的地區(qū)主要是弱加固區(qū)，弱加固區(qū)的水泥摻量為7%）。

值得注意的是，要在水泥攪拌樁與鉆孔灌注樁間進行加固，該環(huán)節(jié)重點在于需應用旋噴樁來實施關聯(lián)性加固。

2.3 盾構機挖掘施工

在使用盾構法對地鐵項目隧道進行整體施工過程中，由于盾構機進出洞口環(huán)節(jié)十分關鍵，因此，工作人員要嚴格遵循操作準則來控制施工全程，從而避免對四周環(huán)境（尤其是土體）造成干擾。必須保證盾構機姿態(tài)控制與盾構施工軸線控制均在《盾構機操作、使用規(guī)范》（T/CCMA 0063—2018）（以下稱“規(guī)范”）所規(guī)定標準的誤差范圍內。

2.4 盾構機穿越粉砂土層施工

與其施工設備相比，盾構機的環(huán)境適應能力較強，可在淤泥質土等軟土施工中獲得理想效果，但不適合在粉砂土層中施工，這其中主要有兩個難度：①土體液化；②土體流動性。

為避免上述狀況，可采用提升正面土體流動性與止水性方式。具體操作方法：①在規(guī)范所規(guī)定限度內提升土倉壓力，以保證不發(fā)生土體液化狀況。②利用盾構機加泥系統(tǒng)給土倉注入膨潤土漿液并混合到土倉里，從而在改變土倉內土體性質的同時，起到潤滑作用，以最終避免土體液化，改善土體流動性。

2.5 盾構機冷凍刀盤技術

盾構機在砂層、淤泥層、斷層等繁雜地質環(huán)境行進中，若開挖至建筑物下方，在刀盤驅動系統(tǒng)掘進時，需使用特別加固方法，因為一旦忽略此問題勢必會引發(fā)地面塌陷。一般來說，在地質環(huán)境不符合盾構機常壓換刀情況時，僅采用通常技術方法無法保證常壓換刀的安全性，這尤其體現在對該區(qū)域沉降的把控上。

針對此，2017 年，我國中鐵華隧聯(lián)合重型裝備有限公司創(chuàng)新研制出了世界第一臺具備冷凍刀盤和復合注漿系統(tǒng)的雙模式盾構機，其將冷凍法施工與盾構機相結合，在常壓換刀流程中可保證刀盤四周被冷凍與穩(wěn)固，從而凍結圓盤；與此同時，該設備還能提升土層強度與穩(wěn)固性，并隔絕地下水，以進一步高效降低盾構機穿越特殊區(qū)域時發(fā)生地面沉降的概率。

2.6 聯(lián)絡通道機械化施工技術

聯(lián)絡通道是關聯(lián)地下空間與地上空間的重要紐帶。通常情況下，聯(lián)絡通道一般在主空間施工完畢后才實施，所以極易被忽略。但是，現有聯(lián)絡通道施工重點是在經地層加固后采用礦山法來挖掘，而加固方法通常采用凍結法。凍結法在實踐中已被廣泛應用，但其存在一定的潛在安全風險，且施工時間長、成本高、施工效果一般。聯(lián)絡通道微加固機械法T 接施工技術成功應用于寧波軌道交通3 號線聯(lián)絡通道工程實踐中。其十分符合城市地下空間研發(fā)標準，可降低聯(lián)絡通道施工干擾。此外，其還能縮減施工投入費用與減少施工周期，助力將聯(lián)絡通道達成機械化。

2.7 應用克泥效工法實現對盾構法施工沉降控制

盾構機在地下掘進過程中往往會擾動地層而引發(fā)變形。對此，可同步應用注漿技術將漿液注入盾尾后方，以補充盾體外殼與管片間的環(huán)形空隙，從而有效解決地面沉降問題。然而，由于盾構機刀盤外徑通常大于盾體外殼，因此，在盾構機盾體范圍內會在開挖輪廓與盾體間形成一個環(huán)形空隙，導致對盾尾進行同步注漿也無法抑制盾體四周土體發(fā)生變形。

當地鐵項目隧道施工需穿過既有線或重大危險源時，針對地面沉降所對應的標準要求十分嚴格，故而一定要采取針對性策略來確保施工安全，以防止地層變形程度加深。對此，可采用克泥效工法。

克泥效工法基本原理：將黏土和強塑劑根據相應比例融合之后，二者可迅速變成高黏度、不硬化、變化性、抗稀釋性與擋水性強、抗沉陷性高的可塑性黏土，即黏度經過二者配合比方法發(fā)生變動。

在使用盾構法過程中，克泥效工法適用范圍較廣、普及度高，因為其不僅具備土壓平衡盾構的效果，還能滿足空隙填充和盾構機姿態(tài)控制問題，能夠給地鐵項目隧道施工帶來積極影響。

3 地鐵盾構區(qū)間隧道施工風險因素

3.1 地質因素

地鐵盾構機掘進部位地層地質條件高度復雜，土層沉積環(huán)境中透鏡體形式較多，且局部存在受壓縮氣體，在盾構掘進期間，因氣體突然釋放極易形成地下水通道，造成盾構后方承壓水沿通道涌向洞口。特別是在微承壓水層局部夾雜高富水、大滲透性粉砂薄層或者地道旋噴樁加固地層時，會導致掘進困難，提高設備故障出現概率，進而招致工藝操作隱患。

3.2 設備選擇

盾構機等設備是地鐵盾構區(qū)間隧道工藝操作主要用設備，也是隧道工藝操作風險主要來源之一。比如，盾構機測量自動導向系統(tǒng)VMT 系統(tǒng)輸入盾構推進計劃線數據文件錯誤時，會導致盾構機沿著錯誤的計劃線推進，引發(fā)盾構隧道軸線偏差。

3.3 人員操作

人員的操作是地鐵盾構區(qū)間隧道工程工藝操作過程的主要風險因素，表現為人員缺乏自我防范意識、安全意識淡薄、現場安全操作漏洞。比如，操作人員違反《盾構機操作說明書》中的規(guī)定操作，擅自安排現場工作者打開螺旋機觀察孔，會導致地下水噴涌事故，進而促使螺旋機被水泥土混合物固結塊卡堵無法運轉。

4 地鐵盾構區(qū)間隧道施工風險控制對策

4.1 完善風險預警機制

在地鐵盾構區(qū)間隧道工程工藝操作過程中，風險因子較多，為避免風險因子持續(xù)作用，應利用盾構工藝操作區(qū)間地質情況探測手段，以進出洞加固區(qū)域探測為重點，收集風險數據，完善風險預先警報機制。同時，根據圖紙審核中的地質柱狀圖，判定沿線地質是否存在特殊變化，及時加密補充勘察點，保證風險預先警報精準度。

在加強地質情況探測的基礎上，依據預警系統(tǒng)理論，可以設定預先警報指標值及閾值，進行工程工藝操作風險量的控制，達到提前預防、減少損失的目的。以盾構進出洞工藝操作風險預警為例，可以依據工程工藝操作順序，從安全（人員傷害、地層沉降、周邊結構破壞）、經濟（經濟損失）、質量（軸線偏差、襯砌變形、隧道滲水）、工期（工期損失）幾個維度入手建立風險評估模型。進而結合盾構區(qū)間隧道掘進過程，將盾構進出洞工藝操作劃分為地基處理、盾構基座、止水裝置、洞門拆除、盾構推進、負環(huán)拼裝、后靠體系、洞門封堵等幾個工序。依據工序，對地層穩(wěn)定性、基座穩(wěn)定性、盾構姿態(tài)、測量誤差等風險現象、原因、后果進行逐一辨識，構建風險層次分析模型。

4.2 加強突沉現象的控制

突然沉降事故是地鐵盾構區(qū)間隧道工藝操作常見事故，為避免該事故出現，可以盾構穿越建筑、盾構穿越河流、盾構穿越道路、盾構穿越地下管線幾個方面入手，進行控制。

在盾構穿越建筑時，為避免既有建筑物因盾構發(fā)生擾動而出現沉降，可以實現調查盾構基礎情況、建筑物基礎所在地地質情況。結合調查結果，進行掘進參數的恰當選擇。在掘進參數確定后，對基礎、地層進行同步的注漿加固或二次注漿加固處理。在注漿加固后，從盾構掘進過程姿態(tài)控制入，時刻關注，避免盾構掘進過程姿態(tài)變化對土體造成過度擾動。同時，加強建筑物沉降監(jiān)測，及時發(fā)現沉降問題，及時調整盾構掘進方案，避免相關問題的進一步惡化。

在盾構穿越河流時，為避免河流防汛墻因盾構掘進出現突然沉降，應進行合理推進速度、注漿量、出土量、注漿壓力的合理選擇，并對防汛墻沉降進行監(jiān)測。另外，在機械作業(yè)姿態(tài)控制的同時，利用油脂在盾構機尾部進行潤滑輔助。

在盾構穿越道路時，為避免既有道路路面因盾構掘進發(fā)生不均勻沉降甚至塌陷，應以盾構機工作壓力控制為重點，嚴格限定盾構機工作壓力在恰當范圍內。同時，進行注漿參數的恰當選擇，合理劃定注漿位置，保障漿液注入過程連續(xù)不間斷、合理、有效，規(guī)避開挖面過大擾動。同時，加大監(jiān)測頻率、質量，保證盾構掘進期間監(jiān)測頻率在2 次/d 或以上。

在盾構穿越地下管線時，為避免既有管線因盾構掘進出現沉降，應注意根據土層擾動監(jiān)測結果，進行機械正面壓力的平衡處理。同時，嚴格控制盾構掘進速度，并責令專門人員負責盾構掘進偏差糾正作業(yè)。比如，在管片出現較大偏差時，應第一時間進行管片貼片處理，進行強制糾偏。即根據測量計算獲知的管片偏差，將厚度在5.00mm 以內的石棉墊片貼在相應位置，以便軸線為豎曲線段時可將坡度調整至水平。

4.3 加強相關設備管理

在盾構設備選擇時，因盾構機刀盤是盾構機掘進期間機械故障主要來源，在工序操作前，應綜合考慮工期、設計、經濟、安全、環(huán)境要求，選擇與工程地質相匹配、滿足工程掘進長度及線形、與后續(xù)設備相匹配、與始發(fā)基地相匹配、可輔以輔助工法、對周邊環(huán)境干擾小的刀盤。

在盾構機安裝調試時，應以第一塊盾構殼體吊裝到位為入手點，每天召開工地例會，進行項目節(jié)點計劃的詳細劃分，保證偏差問題的及時發(fā)現、處理。在工地總裝完畢后，開始盾構機的試掘進操作，要求各方全天候跟班監(jiān)測、調試，保證設備在短時間內得到完善。同時，由專業(yè)人員根據試掘進期間總結經驗，對管片拼裝、同步注漿、車架糾偏、起重、泥水接管等工序設備現場管理規(guī)程進行詳細規(guī)劃。并根據盾構機系統(tǒng)劃分，制定詳細的周、日、月、年保養(yǎng)記錄表，全面反映月度盾構設備運行情況，降低系統(tǒng)故障發(fā)生概率。因盾構設備運行工況較為惡劣，需長時間連續(xù)工作，備品備件消耗量較大。因此，在設備保養(yǎng)時，應以拼裝機密封條等耗材為重點，建立專業(yè)維護保養(yǎng)方案，避免維護保養(yǎng)不及時導致的設備損壞、工期延滯情況。

4.4 加強人員防范措施

加強人員管理是降低地鐵盾構區(qū)間隧道工程工藝操作風險的有效手段。管理者應全面貫徹落實安全生產一崗雙責、黨政同責、崗崗有責方針，促使安全質量責任制覆蓋每一個作業(yè)層，涉及每一個職能崗位，遏制盾構區(qū)間不規(guī)范操作問題。比如，盾構人員應在保證無心臟疾病、聽力與視力正常的情況下，對自身操作高度負責，配合上級下達的參數要求，具有基本防火、安全意識，且對地質表達含義、涂鴉計算、盾構機工作原理及參數、管片選擇與使用具有一定了解。

5 結語

綜上所述，采用盾構法對地鐵項目隧道施工可發(fā)揮積極作用，與傳統(tǒng)的施工方式相比，盾構法雖工序復雜，但施工精度及技術含量都很高，具有自動化程度高、對環(huán)境干擾較少等優(yōu)勢，且呈現出作業(yè)時間短、施工效率高等經濟效益。