地鐵工程土壓平衡式盾構(gòu)施工技術(shù)分析

陸 云

上海建科工程咨詢有限公司，上海 200032

1 土壓平衡式盾構(gòu)的原理和特點

1.1 原理

在土壓平衡式盾構(gòu)施工環(huán)節(jié)，經(jīng)過刀盤切削處理之后所形成的渣土材料會經(jīng)過刀盤的進口直接傳輸?shù)酵羵}結(jié)構(gòu)內(nèi)部，然后經(jīng)倉內(nèi)的部件通過攪拌等方式處理后成為流塑狀，盾構(gòu)設(shè)備中油缸所造成的推力經(jīng)過隔板、土倉中渣土與單盤傳輸?shù)皆O(shè)備前部的掌子面中，保證該位置上的土壓與地下水壓力處于平衡的條件下，掌子面會時刻保持穩(wěn)定性，然后經(jīng)過螺旋機深入土倉中就能夠轉(zhuǎn)動進行排土處理。具體的結(jié)構(gòu)原理見圖1。

1.2 技術(shù)特點

土壓平衡盾構(gòu)是應(yīng)用設(shè)備將切削下的渣土進行改進處理，形成流塑的形式，可以保證土倉的壓力達到要求并進行開挖結(jié)構(gòu)的支撐處理。該環(huán)節(jié)處于時刻的動態(tài)條件下，一方面能夠應(yīng)用刀盤實施切削處理，另一方面螺旋機能不斷出渣，螺旋機在出渣和保壓動態(tài)階段通過葉片結(jié)構(gòu)能夠確保保壓的壓力在規(guī)定范圍內(nèi)，尤其是在施工中如果存在較高的水壓狀態(tài)，渣土?xí)诙虝r間內(nèi)被稀釋，導(dǎo)致壓力快速下降，而且在土壓壓力升高的情況下，刀盤的攪拌阻力也會相應(yīng)地升高，一旦超出主體驅(qū)動結(jié)構(gòu)的扭矩就會導(dǎo)致其產(chǎn)生堵倉的問題。因此，雖然土壓盾構(gòu)的優(yōu)勢明顯，但是盡量不要應(yīng)用到江河湖海等條件下的隧道施工項目，否則將產(chǎn)生不利的效果。

2 工程概況

某地鐵隧道施工項目中，盾構(gòu)施工方式的總體長度為3399單線延米，盾構(gòu)施工的區(qū)域范圍內(nèi)經(jīng)過2臺盾構(gòu)設(shè)備同時開始掘進施工作業(yè)，某個路段的部分采用的是從東北一側(cè)出發(fā)進行，在經(jīng)過該部位的貫通處理之后就可以利用礦山法的方式進行掘進吊出施工。該項目里程：左線單線長度為1963.88m，右線單線長度為1435.48m。

3 土壓平衡式盾構(gòu)施工的技術(shù)要點

3.1 選擇符合工程要求的盾構(gòu)機械設(shè)備形式

在實際的設(shè)備選型中，應(yīng)該遵循以下要點：（1）使盾構(gòu)機的開挖尺寸滿足工程中的斷面設(shè)計尺寸的要求；（2）保證盾構(gòu)機開挖施工范圍內(nèi)的地質(zhì)條件滿足使用的需要，有效減少可能產(chǎn)生的沉陷等問題，保證開挖施工作業(yè)達到安全性、穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)；（3）結(jié)合盾構(gòu)機的技術(shù)參數(shù)在制造前進行全面的計算，并緊密結(jié)合盾構(gòu)區(qū)間的地質(zhì)條件進行深入分析；（4）保證盾構(gòu)機使用壽命符合要求，各個部件及施工的里程都要達到工程的標(biāo)準(zhǔn)要求，還要滿足預(yù)算的要求，最好是采用壽命較長的設(shè)備進行施工。

3.2 靈活運用合適的端頭及盾構(gòu)加固技術(shù)

從實際情況分析，盾構(gòu)開端到末端周圍地層穩(wěn)定性不足，通常來說該位置上分布著透水性較強的松散砂土、含水黏土等，如不采取有效的措施進行處理，在鑿除洞門維護結(jié)構(gòu)后將可能出現(xiàn)土體或地下水的下陷問題，無法保障建筑物的安全性。因此，在端頭加固的過程中，需要使加固之后端頭的自立性、防水性與強度性能滿足規(guī)范要求，從而為整個盾構(gòu)施工的安全性、可靠性提供良好的基礎(chǔ)。

在地鐵施工項目的地質(zhì)條件比較差的情況下，可以進行必要的洞口加固處理，有效預(yù)防施工中的沉降或塌陷等嚴重問題，如可以在施工中利用深層攪拌法、注漿法、加固法等作業(yè)方式開展全面的地鐵工程的盾構(gòu)加固施工。在施工中，要根據(jù)不同的加固施工要求、目標(biāo)，土體結(jié)構(gòu)性質(zhì)與類型、土體深度尺寸等選擇最佳的處理方式，但要確保土體強度達到適中的要求，保證各結(jié)構(gòu)部分都有一定的自立性與防水性，同時還應(yīng)該根據(jù)技術(shù)方案的要求做好土體強度加固施工的計算、驗證和分析，做好端頭部位的加固施工和土體取樣處理，保證各結(jié)構(gòu)部分的性能合格。

3.3 運用科學(xué)合理的盾構(gòu)掘進技術(shù)

盾構(gòu)掘進施工環(huán)節(jié)，應(yīng)根據(jù)工程的需要采取科學(xué)合理的盾構(gòu)初始掘進作業(yè)方式，具體包含如下兩種：（1）科學(xué)合理地應(yīng)用化學(xué)注漿、高壓噴射注漿等作業(yè)方式實施地層部分的開挖與加固施工，保證其開挖部位的地下水壓力時刻保持平衡的狀態(tài)，使盾構(gòu)機可以直接插入穩(wěn)定地層結(jié)構(gòu)中；（2）在開挖面的位置進行擋土墻結(jié)構(gòu)的施工，且需要及時進行開挖作業(yè)施工，從而避免在施工中產(chǎn)生土體結(jié)構(gòu)崩潰等嚴重問題。

利用以上兩種施工作業(yè)方式可以使豎井擋土墻形成雙層的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，還可以直接開挖形成另外一個豎井的結(jié)構(gòu)，避免在開挖施工之后產(chǎn)生土體結(jié)構(gòu)崩潰的問題。此外，水泥加固土墻的施工方式也較為常見，應(yīng)用效果較好。一般來說，盾構(gòu)掘進施工方式比較多，但是要選擇符合工程實際需要的方式，以提升加固施工的效果。但是在地鐵工程施工環(huán)節(jié)，由于巖石具備不穩(wěn)定性特征，在工作面上經(jīng)常會出現(xiàn)大量涌水?？紤]涌水問題帶來的不利影響，可以通過旋轉(zhuǎn)土壓平衡模式進行施工，控制作業(yè)面的土壓及水壓，使其處于平衡狀態(tài)。需要注意的是，在盾構(gòu)掘進模式的選擇上，需要按照項目的變化情況進行選擇，使地鐵工程的土壓得到有效控制，從而保證項目作業(yè)的安全與質(zhì)量。

4 特殊地質(zhì)條件下的施工要點

4.1 砂質(zhì)、淤泥地質(zhì)條件下的施工要點

一般情況下，地鐵項目在實施環(huán)節(jié)都會遇到?jīng)_擊砂層或者淤泥質(zhì)地層的結(jié)構(gòu)條件，這些地質(zhì)條件的主要特點是穩(wěn)定性不足、承載力比較差。因此，這種地質(zhì)條件下的盾構(gòu)作業(yè)施工應(yīng)該注意以下四個方面的問題：（1）應(yīng)根據(jù)需要通過土壓平衡式盾構(gòu)技術(shù)做好土量的管理和控制，保證土倉內(nèi)的壓力符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，有效預(yù)防出現(xiàn)地表沉降等嚴重的問題；（2）在具體的推進施工環(huán)節(jié)，要合理地增加必要的施工材料，有效改善渣土材料的性能，避免出現(xiàn)涌水流砂、噴涌等事故問題；（3）要做好盾構(gòu)路線的研究和確定工作，防止發(fā)生盾構(gòu)抬升的問題；（4）不斷進行技術(shù)改革與創(chuàng)新，提高盾構(gòu)施工的技術(shù)水平和工程質(zhì)量。

4.2 球狀風(fēng)化地層條件下的施工要點

從盾構(gòu)施工的實際情況來看，球狀風(fēng)化層地質(zhì)條件下的施工質(zhì)量難以得到保障，并易造成施工設(shè)備損壞，因此在該地質(zhì)條件下應(yīng)做好以下工作：（1）做好施工前的地質(zhì)勘探工作，及時了解風(fēng)化巖的具體情況，結(jié)合具體的狀態(tài)選擇最佳的實施方案，以保證深孔爆破的施工方式可以順利進行；（2）及時檢查地鐵盾構(gòu)施工的具體情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，應(yīng)立即檢查設(shè)備和施工環(huán)境，然后進行必要的整改和處理，以提升施工質(zhì)量；（3）進行必要的風(fēng)化巖周邊軟土層的加固處理，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性合格，確保掘進作業(yè)施工速度科學(xué)合理。

4.3 不均勻地質(zhì)條件下的施工要點

在施工中難免會遇到不均勻的地質(zhì)條件，主要是土層硬度相對較差，具有一定的復(fù)雜性，這種情況下對設(shè)備的要求是很高的，具體施工時需注意如下施工要點：（1）要深入現(xiàn)場進行地質(zhì)勘察與分析，充分了解地質(zhì)條件和實際情況，分析受力特點等因素；（2）要進行土壓平衡模式的使用情況分析和研究，如有必要，可加入必要的材料以提高渣土材料的綜合性能；（3）綜合分析和了解軟硬地層的分布狀態(tài)，然后靈活使用超挖刀與千斤頂并做好技術(shù)參數(shù)控制，消除不均勻地層條件下的不利影響因素。

4.4 斷裂帶地層條件下的施工要點

斷裂帶地層條件下盾構(gòu)作業(yè)施工最為明顯的劣勢就是涌水事故頻發(fā)，并且會產(chǎn)生比較多的巖塊，極易使螺旋輸送機產(chǎn)生堵塞的情況。同時，因為這種地質(zhì)條件下巖土硬度較高，所以盾構(gòu)機需要選擇具備較高破巖能力的設(shè)備。該類地質(zhì)條件下的施工應(yīng)注意以下問題：（1）選擇使用具備較高破巖能力的單刃滾刀設(shè)備進行開挖作業(yè)施工；（2）充分利用泥水與泡沫等材料，將其直接注入土倉結(jié)構(gòu)，可以有效地減少堵塞、涌水等問題。

5 結(jié)束語

綜上所述，在地鐵工程中應(yīng)用土壓平衡式盾構(gòu)施工技術(shù)時，可利用設(shè)備進行盤旋切削的作業(yè)方式將開挖之后的土砂直接傳輸?shù)酵羵}的空間中，然后運輸?shù)皆O(shè)備的后部空間。這種方式可以加速施工，保障施工達到安全性、穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)，從而確保隧道工程的質(zhì)量合格，不會產(chǎn)生嚴重的安全事故，具有較高的經(jīng)濟及社會效益。