地鐵盾構(gòu)隧道掘進(jìn)地下障礙物處理技術(shù)

岳飛

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑行業(yè)也獲得了較大進(jìn)步。但在施工期間不免會(huì)遇到各種障礙物影響施工，尤其是地鐵隧道施工期間。對(duì)此，應(yīng)采用合理方法及時(shí)清除障礙物，保證施工進(jìn)度。本文通過(guò)地鐵盾構(gòu)隧道掘進(jìn)期間遇到的障礙物問(wèn)題，提出了具體的處理方案，以期為此后地鐵施工提供更多的借鑒依據(jù)。

盾構(gòu)施工對(duì)地上建筑物的影響較小，機(jī)械自動(dòng)化性能較高，適用于不同地面，但掘進(jìn)期間會(huì)遇到一些障礙物，加大了施工難度。對(duì)此，應(yīng)充分掌握盾構(gòu)施工障礙物的清理工作，采用合理恰當(dāng)?shù)那宄椒ā?/p>

一、工程概況

某市地鐵2號(hào)線(xiàn)隧道總長(zhǎng)為873m，管片外徑為6200mm，管片內(nèi)徑為5500mm，共728環(huán)。隧道盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)至562環(huán)674m時(shí)，無(wú)法繼續(xù)推進(jìn)，施工人員開(kāi)始檢查故障原因。通過(guò)帶壓進(jìn)倉(cāng)檢查發(fā)現(xiàn)掌子面存在障礙物，為兩根DN200熱軋無(wú)縫鋼管，侵入掌子面內(nèi)的長(zhǎng)度為1900mm、1030mm。具體障礙物與刀盤(pán)之間的關(guān)系圖見(jiàn)下圖1所示。

圖1 障礙物與刀盤(pán)位置示意圖

同時(shí)，檢查盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置的周?chē)h(huán)境發(fā)現(xiàn)，刀盤(pán)位于圍欄外人行道，左線(xiàn)盾構(gòu)機(jī)停機(jī)處頂部埋深為32.5m，位于粉砂層中。

二、障礙物處理方案

當(dāng)?shù)竭_(dá)隧道埋深32.5m時(shí)，盾構(gòu)機(jī)停機(jī)此處位于粉細(xì)砂層，掌子面存在較大的水土壓力，增大了障礙物的處理難度。此隧道屬于節(jié)點(diǎn)工程，工期受到一定限制，在確定障礙物處理方案時(shí)應(yīng)綜合考慮工期與安全因素。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，施工人員初步確定明挖法、直接進(jìn)倉(cāng)處理、鹽水冷凍加固進(jìn)倉(cāng)處理以及液氮冷凍加固再進(jìn)倉(cāng)處理等幾種方案，進(jìn)行對(duì)比分析。

1.明挖法施工

清除障礙物時(shí)若采用明挖施工法，需要清除隧道影響范圍內(nèi)的鋼筋混凝土，之后回填土方至地面，穿過(guò)明挖區(qū)域。明挖法施工雖可以保證隧道范圍內(nèi)的鋼筋混凝土被徹底清除，但施工難度大，風(fēng)險(xiǎn)較高。期間施工人員需要遷改管線(xiàn)，將其移至地下，但管線(xiàn)較多，且道路狹窄，周邊存在較多的建筑物，因此可供管線(xiàn)改遷的空間范圍較小。同時(shí)，管線(xiàn)年久失修，缺乏參考資料，增大了物探難度，當(dāng)清除障礙物時(shí)采用明挖施工方法會(huì)中斷路面的交通。因此，施工單位需要結(jié)合實(shí)際情況，改成曲線(xiàn)繞行或半幅通行模式。且每條管線(xiàn)的遷改工期各不相同，排布站點(diǎn)需要20天左右的時(shí)間，甚至復(fù)雜的站點(diǎn)排布還會(huì)持續(xù)2-3個(gè)月的時(shí)間。完成管線(xiàn)的改遷工作后，施工人員還應(yīng)對(duì)隧道進(jìn)行豎井開(kāi)挖，通過(guò)機(jī)械開(kāi)挖方法處理粉細(xì)砂層、卵石圓礫層以及雜填土等，并人工輔助進(jìn)行有效修整。明挖采用分層方法，在建立環(huán)框梁后掛網(wǎng)噴錨，并利用長(zhǎng)臂挖機(jī)處理豎井開(kāi)挖期間產(chǎn)生的碴土，利用卡車(chē)運(yùn)出，因此完成整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程大約需要15-20天。

2.直接帶壓進(jìn)倉(cāng)處理

施工人員應(yīng)采用高壓水開(kāi)挖作業(yè)洞室、帶壓進(jìn)倉(cāng)切割的施工方案，在固定掌子面時(shí)采用高強(qiáng)度膨潤(rùn)土漿，在明確泥膜厚度之后再確定作業(yè)洞室的開(kāi)挖厚度，之后向掌子面壓注膨潤(rùn)土漿液，并開(kāi)始開(kāi)挖洞室，循環(huán)進(jìn)行作業(yè)，直至開(kāi)挖洞室可以進(jìn)倉(cāng)進(jìn)行切割鋼管作業(yè)。

3.冷凍加固后進(jìn)倉(cāng)處理

鹽水冷凍時(shí)先加固掌子面周邊，采用垂直鉆孔凍結(jié)方式，之后帶壓進(jìn)倉(cāng)切割，在掌子面前方與盾構(gòu)機(jī)上采用垂直凍結(jié)加固地層方法，凍結(jié)掌子面左右側(cè)、上部以及前方內(nèi)的土體，利用形成的冷凍加固體固定掌子面。

4.方案比較

在結(jié)合隧道實(shí)際情況的基礎(chǔ)上合理選擇施工方案，并綜合考慮施工成本、工期、周邊環(huán)境影響等因素。發(fā)現(xiàn)帶壓直接進(jìn)倉(cāng)雖然技術(shù)具備一定的可行性，但無(wú)法確定障礙物清除的徹底性，且存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。鹽水冷凍加固與帶壓進(jìn)倉(cāng)方法可以檢查障礙物的清除效果，穩(wěn)定性較強(qiáng)且安全性較高，但需要較長(zhǎng)的冷凍時(shí)間，且對(duì)周邊環(huán)境的影響程度較大。液氮冷凍加固與帶壓進(jìn)倉(cāng)方法可以檢查障礙物的清除效果，進(jìn)倉(cāng)切割比較安全，冷凍時(shí)間較短，雖然對(duì)周邊環(huán)境也會(huì)存在影響，但程度較輕。

綜合各種因素，最終選擇液氮冷凍加固后帶壓進(jìn)倉(cāng)切割方法，在盾構(gòu)機(jī)上部及掌子面利用垂直凍結(jié)孔保證地層的進(jìn)一步加固，之后凍結(jié)掌子面左右側(cè)、上部以及前方范圍，當(dāng)帶壓進(jìn)倉(cāng)切割鋼管時(shí)，可以利用冷凍加固體穩(wěn)定掌子面。

三、冷凍清障施工流程

1.冷凍孔鉆孔施工

合理布置冷凍孔鉆孔位置，保證孔間距為1.0-1.2m，且呈梅花形狀，總共布置三排冷凍孔，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)頂部深度確定具體深度，A型冷凍孔底距盾構(gòu)機(jī)周邊為1m，設(shè)置16個(gè)，B型冷凍孔深度為42m，設(shè)置13個(gè)，且同步設(shè)計(jì)測(cè)溫孔，保證深度為42m。

2.凍結(jié)施工

冷凍過(guò)程中，還應(yīng)通過(guò)控制時(shí)間保證冷凍體效果，在凍結(jié)管中，液氮的蒸發(fā)量各不相同，凍土發(fā)展速度為1-5cm/h，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，凍土發(fā)展速度確定為10cm/d。人員合理設(shè)定凍結(jié)孔間距為1m，且凍土滿(mǎn)足厚度與時(shí)間設(shè)計(jì)要求。在完成冷凍管的布設(shè)工作后，施工人員開(kāi)始采用液氮冷凍方法，確定合理的冷凍體擴(kuò)散速度，在冷凍運(yùn)行10天后，則可以完全交圈冷凍體。之后確定掌子面冷凍體的厚度，距離掌子面600mm，為了保證水倉(cāng)作業(yè)空間不結(jié)冰，還應(yīng)設(shè)置刀具保護(hù)措施。

3.帶壓進(jìn)倉(cāng)開(kāi)挖洞室

開(kāi)始運(yùn)行冷凍后，通過(guò)測(cè)溫孔測(cè)定溫度，達(dá)到要求后帶壓進(jìn)倉(cāng)開(kāi)挖洞室，并在完成后焊接槽鋼與鋼板，以防掌子面掉落土體。在完成洞室的開(kāi)挖工作后，施工人員帶壓進(jìn)倉(cāng)切割鋼管。

四、安全性分析

使用上述液氮冷凍方法依然存在一定風(fēng)險(xiǎn)，施工單位還應(yīng)合理測(cè)定冷凍體溫度與周邊環(huán)境的影響，保證安全性。一是監(jiān)控冷凍體溫度，對(duì)測(cè)溫孔進(jìn)行溫度監(jiān)控，統(tǒng)計(jì)冷凍開(kāi)始至開(kāi)挖洞室完成這段時(shí)間內(nèi)冷凍孔溫度數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)在冷凍10天后，溫度穩(wěn)定，冷凍體成型質(zhì)量滿(mǎn)足要求。在停止冷凍后，開(kāi)挖洞室清除障礙物。二是測(cè)定周邊環(huán)境，最大限度地減小影響。冷凍開(kāi)始至障礙物清除過(guò)程中，凍脹效應(yīng)管線(xiàn)最大隆起量為5-6mm，隨著冷凍的解除，管線(xiàn)沉降保持在3-4mm內(nèi)，對(duì)周邊環(huán)境的影響較小，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

五、結(jié)語(yǔ)

本文描述了某市地鐵2號(hào)線(xiàn)隧道障礙物的處理過(guò)程，得出如下結(jié)論：一是地鐵施工采用冷凍加固法清除地下障礙物時(shí)，應(yīng)詳細(xì)計(jì)算冷凍參數(shù)，確定合理的冷凍強(qiáng)度、冷凍范圍以及冷凍時(shí)間等參數(shù)，確保施工順利進(jìn)行。二是在施工期間應(yīng)考慮冷凍加固技術(shù)對(duì)周邊環(huán)境的影響，分析發(fā)現(xiàn)，融沉效應(yīng)的下沉量為3-4mm，冷凍效應(yīng)產(chǎn)生的最大隆起量為5-6mm，對(duì)周邊建筑影響較小。