地鐵盾構(gòu)隧道穿越高速公路及橋梁變形控制施工技術(shù)

龔清華

摘 要： 近年來，我國的交通行業(yè)有了很大進展，地鐵工程建設(shè)越來越多。以某地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道下高速路、大橋為工程背景，對盾構(gòu)隧道穿越風險源的變形控制措施進行了詳細論述。盾構(gòu)設(shè)備下穿風險源前，選取100m試驗段，通過試驗分析，確定了盾構(gòu)掘進參數(shù)，包括刀盤扭矩、盾構(gòu)推力、土壓力、掘進速度、同步注漿量、注漿壓力、漿液配合比以及二次注漿的頻率等。監(jiān)測結(jié)果表明，該施工技術(shù)有效控制了盾構(gòu)施工對高速路和大橋的影響。工程實踐驗證了施工方法的有效性，可為類似工程提供一定的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞： 地鐵;盾構(gòu)隧道;穿越高速公路;穿越橋梁;變形控制

【中圖分類號】TU311.4 ? ? 【文獻標識碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.29.056

引言：地鐵隧道的施工方法雖然很多，但人們經(jīng)常采用明挖法，主要是基于施工的經(jīng)濟性和工程的安全性來考慮。該方法多用于施工現(xiàn)場空曠、地下建筑拆除修建而需要將地面挖開的情況。在我國，可以利用計算機對地鐵隧道基坑和圍護結(jié)構(gòu)進行力學模擬，分析施工對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響，進而做出準確預(yù)測和報告，在實際施工中意義重大。

1 地鐵盾構(gòu)隧道施工的概述

地鐵工程在施工過程中，通常采用兩種隧道施工方式，一種是礦山法，對隧道進行暗挖施工，另外一種是盾構(gòu)法，此施工過程中都在地下進行。對于一些大中型城市而言，地鐵線路在規(guī)劃過程中，勢必經(jīng)過商業(yè)的繁華區(qū)域以及人口的居住密集區(qū)域，如果采用礦山法進行施工，會給民眾的出行帶來極大的不便，而且增加了地鐵隧道施工的成本。相較于礦山法，盾構(gòu)法的核心是采用構(gòu)造復雜的盾構(gòu)機來完成隧道作業(yè)，實現(xiàn)了地鐵大部分施工是地下施工，有效降低了施工對城市的影響，是當前應(yīng)用最為廣泛的施工方式。

2 工程簡介

某地鐵10號線隧道采用明挖、盾構(gòu)、礦山法施工。右線里程K29+694.513—K31+807.890為盾構(gòu)隧道，采用2臺盾構(gòu)機從明挖配線段始發(fā)，在里程K30+897位置下穿高速路路基，同時開始側(cè)穿某大橋橋樁，到達區(qū)間盾構(gòu)井接收。區(qū)間隧道管片外徑6m、厚0.3m，穿越處線間距約15m。穿越區(qū)域隧道線路由直線段、緩和曲線段及曲線段構(gòu)成，緩和曲線段及曲線段轉(zhuǎn)彎半徑為600m。

3 同步注漿施工藝原理

盾構(gòu)法在地鐵隧道的施工過程中被廣泛使用，其需要盾構(gòu)機進行輔助實施，盾構(gòu)機在向前挖掘的時候，會造成拼接成功的管片出現(xiàn)滑落并逐步掉至盾構(gòu)機尾部，進而在盾構(gòu)機尾部形成一個環(huán)形空隙，環(huán)形空隙會造成土體出現(xiàn)臨空面，最終發(fā)生變形。為了避免出現(xiàn)地面變形，需要借助同步注漿技術(shù)來進行縫隙填充，漿液不但會自動固定成型填充到盾構(gòu)機尾部空隙處，而且能增強地層壓力，抑制地層變形。需要注意的是，以下兩部分內(nèi)容會對同步注漿施工技術(shù)造成干擾：（1）盾構(gòu)管片的盾殼掉落之后，管片周圍出現(xiàn)空隙，就會造成管片周圍的土體不穩(wěn)，同時伴隨著地應(yīng)力的產(chǎn)生，最終造成土體卸荷現(xiàn)象;（2）在進行同步注漿操作時，漿液會對盾尾周圍的泥土產(chǎn)生壓迫，造成土體變形移動，促使注漿的擾動。

4 盾構(gòu)穿越施工風險分析及應(yīng)對措施

4.1 開挖面失穩(wěn)

地鐵隧道工程的盾構(gòu)施工作業(yè)開展過程中經(jīng)常會出現(xiàn)開挖面失穩(wěn)等相關(guān)問題，究其根本原因是因為工作人員在實施盾構(gòu)開挖作業(yè)時受到管涌或流砂等客觀因素的影響而導致盾構(gòu)機設(shè)備發(fā)生突沉的情況，從而導致開挖面失穩(wěn)。若盾構(gòu)開挖隧道中若出現(xiàn)一些地層孔洞，也會在一定程度上影響盾構(gòu)機設(shè)備開挖路線，從而引發(fā)路線偏移、設(shè)備沉陷、隧道塌方等造成開挖面失穩(wěn)的安全事故。此外，有些情況下盾構(gòu)機設(shè)備會存在開挖過程中突然出現(xiàn)超淺覆土的情況，從而引起盾構(gòu)設(shè)備冒頂，或盾構(gòu)機設(shè)備在開挖時受到隧道內(nèi)地下水的影響而造成較大范圍內(nèi)的塌方，這也是造成開挖面失穩(wěn)的重要原因。

4.2 雙線盾構(gòu)施工風險分析

區(qū)間為雙線平行盾構(gòu)隧道，雙線盾構(gòu)掘進過程中，盾構(gòu)的二次擾動加劇了地表及風險源的最終變形，需嚴格控制左、右線盾構(gòu)掘進距離。施工過程中，如果對掘進速度和出土量控制不嚴格，可能造成盾構(gòu)機停滯不前，隧道上方的砂土源源不斷地流入開挖面，出土量大量增加，致使周邊地層松散，最后在隧道上方形成空洞，嚴重時導致地面坍塌。

4.3 坍塌事故

在盾構(gòu)施工作業(yè)進展的過程中，不可避免地會出現(xiàn)局部塌方等安全事故，造成坍塌事故的原因有以下兩點：第一，由地下水引起的塌方;第二，盾構(gòu)機施工所引起的塌方。工作人員可以從上述引起坍塌事故的兩方面原因作為出發(fā)點，制定有效地施工方案來減少坍塌事故的發(fā)生，避免因坍塌事故對施工企業(yè)造成不必要的傷亡和損失。

5 主要應(yīng)對措施

5.1 盾構(gòu)法隧道施工的機械安全管理

（1）盾構(gòu)選型。在本工程施工過程中，機械設(shè)備的選擇尤為關(guān)鍵。相關(guān)施工單位必須結(jié)合施工現(xiàn)場的實際情況，對可能存在的各種安全風險加以識別，并以此為依據(jù)，選擇最佳的盾構(gòu)配置，包括盾構(gòu)的主軸承等關(guān)鍵部件，以提高施工效率，減少設(shè)備的故障頻次，降低設(shè)備維護費用支出，保障施工的安全。（2）壓氣作業(yè)。盾構(gòu)設(shè)備均配備的壓氣系統(tǒng)，通過注入無油空氣來提高盾構(gòu)刀盤組件的壓力，確保其與施工階段外側(cè)土層的壓力保持一致。該操作過程中，受到施工作業(yè)空間以及空氣中雜質(zhì)的影響，存在一定的安全問題。因此在本工程壓氣作業(yè)過程中，首先，應(yīng)當結(jié)合地質(zhì)環(huán)境的變化，來合理進行刀盤的更換，降低壓氣作業(yè)的難度;其次，要求相關(guān)操作人員必須具有較高的身體素質(zhì)，且每天的壓氣作業(yè)時間不超過240min;最后，做好相關(guān)的應(yīng)急措施，配備必要的流動醫(yī)療艙，應(yīng)對潛在的安全風險。（3）盾構(gòu)刀具更換。在刀具進行更換過程中，首先，需要關(guān)注更換作業(yè)時所處的地質(zhì)環(huán)境情況，采取必要的加固措施，避免出現(xiàn)巖石脫落、墜物等問題，導致作業(yè)人員失穩(wěn)被滾刀傷害;其次，需要做好必要的安全措施，通過搭設(shè)穩(wěn)定的支架和作業(yè)平臺，提供充足的照明燈，確保更換作業(yè)的順利進行;最后，為避免刀盤非期望轉(zhuǎn)動導致人員出現(xiàn)傷害，在啟動盾構(gòu)設(shè)備之前，必須確認現(xiàn)場是否存在人員逗留或者不應(yīng)存在的工具設(shè)備。

5.2 針對開挖面失穩(wěn)

為了可以有效地減少盾構(gòu)機設(shè)備施工過程中可能會出現(xiàn)的開挖面失穩(wěn)的情況，工作人員可以采取以下安全管理措施：第一，對地鐵隧道工程所處地區(qū)的地勢環(huán)境進行全面地勘察，采取施工區(qū)域內(nèi)的渣土進行相應(yīng)的改良試驗，從止水性和流動性兩個方面對渣土進行優(yōu)化，通過這種方式來制定合理地開挖計劃，盡可能地減少開挖面失穩(wěn)狀況的發(fā)生;第二，從控制地鐵隧道內(nèi)土層所承受壓力的角度來避免開挖面失穩(wěn)等情況;第三，工作人員還應(yīng)在盾構(gòu)施工過程中控制好盾構(gòu)設(shè)備的推進速度，并結(jié)合推進速度合理地排出隧道內(nèi)多余渣土，盡可能地保證地鐵隧道內(nèi)開挖量和排出渣土量的平衡性，從而有效地降低了開挖面失穩(wěn)等安全事故發(fā)生的概率。

5.3 高速路和某大橋風險控制

①東南側(cè)橋臺與隧道之間采取隔離樁措施，對相應(yīng)樁基礎(chǔ)進行保護。②施工前在某大橋部分脫空支座處加入楔形鋼塊，使其受力均勻，并加強對橋梁支座的巡視。③對高速路和某大橋變形控制指標進行左右線分解，加強對橋梁及地表變形的監(jiān)測、巡視，結(jié)合控制指標，及時調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)。

5.4 支護施工

為保護地下結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境安全，當施工到達一道支撐的位置時，要根據(jù)其與圍護樁的距離快速安裝，施工過程中要將快凝早強砂漿層置于起接觸面，使其更加嚴密，保證后續(xù)施工順利。繼續(xù)施工時也要密切觀察，嚴格把關(guān)，必須做到支撐穩(wěn)固后再進行后續(xù)施工，必須按照規(guī)劃進行施工，及時予以加固支撐。

結(jié)語：綜上所述，盾構(gòu)下穿高速路和某大橋橋樁為雙一級風險源，通過施工前風險源周邊環(huán)境調(diào)查及風險評估，選取100m范圍作為盾構(gòu)施工試驗段，確定了盾構(gòu)掘進參數(shù)，包括土壓力、掘進速度、同步注漿量、注漿壓力、漿液配合比以及二次注漿的頻率等，在技術(shù)上為盾構(gòu)安全穿越風險源奠定了基礎(chǔ)。雙線盾構(gòu)隧道下穿高速路和某大橋，因區(qū)間隧道左線先行施工，盾構(gòu)施工對地層存在擾動，右線后施工，受群洞效應(yīng)影響，最大沉降發(fā)生在左線隧道拱頂上方。參考類似工程及隧道影響線對變形控制指標進行分解，實現(xiàn)了盾構(gòu)穿越高速路施工變形控制要求。

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