盾構(gòu)隧道施工遇不穩(wěn)定圍巖的輔助工法

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣東 廣州 510640)

一、前言

近年來，隨著城市軌道交通的快速發(fā)展、地鐵建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，盾構(gòu)法獲得了蓬勃的發(fā)展。但是規(guī)模擴(kuò)大的同時(shí)也遇到了許多難題，為了確保盾構(gòu)在不穩(wěn)定圍巖中，特別是在軟硬不均圍巖、不良地質(zhì)環(huán)境中施工，如盾構(gòu)施工的始發(fā)、到達(dá)、穿過不穩(wěn)定巖層等作業(yè)，必須采取必要的輔助工法，以確保盾構(gòu)隧道施工的安全進(jìn)行。

圍巖不穩(wěn)定時(shí)，會(huì)導(dǎo)致開挖面涌水以及開挖面土壓力的釋放，從而使圍巖出現(xiàn)松動(dòng)或者坍塌等工程問題，由此還可能引起地表下沉，甚至?xí)沟孛娼Y(jié)構(gòu)物或隱蔽工程遭受到破壞。當(dāng)隧道穿越河底或者海底時(shí)，可能因開挖面涌水而導(dǎo)致整個(gè)工程失敗。因此采用必要的輔助工法是保證施工順利進(jìn)行的關(guān)鍵，輔助工法即盾構(gòu)隧道修建過程中穩(wěn)定地層的保護(hù)措施。

二、輔助工法

(一)壓氣法。壓氣法施工技術(shù)在城市地鐵建設(shè)中被廣泛采用，該施工技術(shù)通過超高壓空氣護(hù)壁，阻止地下水向隧道滲入，該技術(shù)對(duì)隧道周圍的地下水環(huán)境影響較小。

1.壓氣法的分類及工作原理。壓氣法的施工措施是在隧道內(nèi)設(shè)置隔離帷幕，其作用是將高壓區(qū)與外界大氣壓隔離。通常壓氣法可以分為三種：(1)將隔離帷幕設(shè)置在臨近始發(fā)豎井處并將隧道全范圍加壓，即全隧道壓氣法；(2)將隔離帷幕設(shè)置在區(qū)間隧道中的部分區(qū)域，只對(duì)隔離帷幕至掌子面的隧道區(qū)域加壓，即部分隧道壓氣法；(3)局部壓氣法。

2.壓氣法注意事項(xiàng)及缺點(diǎn)。氣壓的維持是該輔助工法的難點(diǎn)以及核心，且目前氣壓的維持以經(jīng)驗(yàn)為主，缺少相關(guān)理論研究，且地層不同，氣壓參數(shù)的設(shè)定也不同。有研究表明在均質(zhì)地層中，掌子面的漏氣量一般為常數(shù)，而襯砌結(jié)構(gòu)上的漏氣量隨著隧道長(zhǎng)度的增加而線性增加[1]。

該輔助工法的缺點(diǎn)也比較明顯：(1)為確保工作人員的安全，氣壓不能過高；(2)氣壓可能隨時(shí)發(fā)生變化，必要時(shí)應(yīng)重新壓氣并采取應(yīng)對(duì)措施，其工作效率較低；(3)工序繁瑣復(fù)雜、價(jià)格昂貴；(4)有時(shí)僅使用壓氣法維持穩(wěn)定較困難，還應(yīng)輔以其他工法以維持穩(wěn)定。

(二)降水法。降水法是通過將地層中的地下水位降低，以保證掌子面安全穩(wěn)定的工法，一般適用于滲透系數(shù)在10-1～10-4cm/s范圍內(nèi)的粉土質(zhì)砂到砂礫層。

1.降水法的分類。(1)從地表施工，可細(xì)分為淺井點(diǎn)和深井點(diǎn)降水法；(2)從隧道內(nèi)施工，有時(shí)候由于地表不具備降水施工條件，而需要從隧道內(nèi)設(shè)置井或其他方法降水降低地下水位。

2.降水法的注意事項(xiàng)。采用降水法降水施工時(shí)，應(yīng)充分考慮地質(zhì)條件等因素，以保證隧道掘進(jìn)開挖時(shí)巖土體穩(wěn)定。降水過程中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，適時(shí)調(diào)節(jié)降水井的降水量，通過動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和調(diào)整，既能保證安全施工，又能合理減少地下水開采、節(jié)約成本[2]。

(三)注漿法。注漿法通過在巖土體中注入漿體材料，以改善原巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)，增加強(qiáng)度和不透水性，從而保證隧道安全施工的一種工法。

1.注漿法的適用情況。(1)在盾構(gòu)機(jī)從始發(fā)井開始掘進(jìn)和到達(dá)接收井時(shí)，由于豎井擋土墻被切削使得掌子面前方的巖土體處于暴露狀態(tài)，故常采用注漿法來提高巖土體的力學(xué)性質(zhì)[3]；(2)盾構(gòu)機(jī)穿越河涌或從受保護(hù)的重要結(jié)構(gòu)下方行進(jìn)時(shí)，通常采用注漿法來保證施工安全；(3)填充盾構(gòu)管片周圍的間隙，防止管片漏水，增加周圍巖土體強(qiáng)度，控制地面沉降[4]；(4)在不穩(wěn)定巖土層中，更換盾尾刷時(shí)采用注漿法優(yōu)點(diǎn)明顯。

2.注漿法的優(yōu)點(diǎn)。注漿法是盾構(gòu)法施工中最常運(yùn)用的輔助工法，其優(yōu)點(diǎn)如下：(1)施工設(shè)備規(guī)模小、工序簡(jiǎn)單；(2)對(duì)場(chǎng)地的占用面積小，狹窄場(chǎng)地、空間均可施工，對(duì)交通影響??；(3)工期短，經(jīng)濟(jì)性好，見效快；(4)噪聲污染和振動(dòng)??；(5)加固深度可控。

(四)凍結(jié)法。凍結(jié)法是采用人工制冷的方法，降低盾構(gòu)隧道周圍巖土體溫度，使含水土層形成凍結(jié)體，以增加巖土體強(qiáng)度并阻斷地下水的一種輔助工法[5]。

1.凍結(jié)法的適用情況。凍結(jié)法一般有以下幾種適用情況：(1)盾構(gòu)機(jī)從始發(fā)井出發(fā)或到達(dá)接收井時(shí)可采用凍結(jié)法進(jìn)行地層加固，該輔助工法可有效隔絕地下水[6]；(2)盾構(gòu)機(jī)對(duì)接施工時(shí)，可采用凍結(jié)法進(jìn)行地層加固；(3)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中可采用凍結(jié)法對(duì)臨近構(gòu)筑物進(jìn)行保護(hù)；(4)盾構(gòu)機(jī)穿越不穩(wěn)定巖土層時(shí)，可采用凍結(jié)法進(jìn)行加固。

2.凍結(jié)法優(yōu)缺點(diǎn)。凍結(jié)法具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)其原理是對(duì)巖土層降溫，故對(duì)環(huán)境無(wú)污染，(2)能夠在各種復(fù)雜、不穩(wěn)定巖土層中使用；(3)凍土形狀不受限制，可根據(jù)需要合理調(diào)整；(4)具有良好的隔水作用。

凍結(jié)法具有以下缺點(diǎn)：(1)采用凍結(jié)法對(duì)周圍巖土體進(jìn)行降溫，在凍結(jié)時(shí)可導(dǎo)致巖土體膨脹，導(dǎo)致地基開裂、隆起，在解凍時(shí)又會(huì)使地基收縮、下沉，故應(yīng)特別注意對(duì)周圍構(gòu)筑物的保護(hù)；(2)周圍巖土體含水率較小時(shí)，凍結(jié)法對(duì)其強(qiáng)度的提升效果有限；(3)在施工過程中易受熱源的影響，應(yīng)隔絕熱源；(4)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)電能的消耗大，費(fèi)用較高。

三、結(jié)語(yǔ)

圍巖不穩(wěn)定時(shí)，會(huì)導(dǎo)致開挖面涌水以及開挖面土壓力的釋放，從而使圍巖出現(xiàn)松動(dòng)或者坍塌等工程問題，由此還可能引起地表下沉，甚至?xí)沟孛娼Y(jié)構(gòu)物或隱蔽工程遭受到破壞。采用合適的輔助工法是保證施工安全、順利進(jìn)行的關(guān)鍵。壓氣法的氣壓不宜過高，以保證工作人員的安全，但氣壓過低無(wú)法起到應(yīng)有效果，故氣壓、漏氣量的計(jì)算極為重要；采用降水法應(yīng)注意地層沉降的問題，以免對(duì)周圍建筑造成不可逆的破壞；注漿法規(guī)模小耗資少，見效快且對(duì)周圍環(huán)境的影響小，是一種高效的加固手段；采用凍結(jié)法能有效改善土體條件，但應(yīng)注意土壤凍結(jié)和解凍時(shí)對(duì)環(huán)境的影響。采用盾構(gòu)法穿越不穩(wěn)定巖土層時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件選擇經(jīng)濟(jì)、安全的輔助工法，可以是一種或者是幾種工法的結(jié)合，以保證開挖順利進(jìn)行。