城市軌道交通隧道盾構施工關鍵技術

高強

摘 要 隨著目前城市軌道交通的快速發(fā)展，盾構隧道施工變得越來越普遍，盾構技術對環(huán)境和地面影響小、進度快且其安全性也要高出其他技術很多，盾構技術的機械化程度較大且勞動強度低，在城市軌道交通的應用上存在其自身價值。因此如何控制隧道盾構施工質量，對于保證城市軌道安全運行具有重要的保障作用。

關鍵詞 城市軌道交通 盾構施工 監(jiān)測數據

中圖分類號：U45 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）02-0001-03

1 城軌施工中盾構機選型概述

1.1 影響盾構機選型的不利因素

1.建筑物與地下設施。在城軌工程施工中，盾構機需要穿越重要房屋、構筑物與地下管線等設施，如水泥灌注樁、雨污水管等，如果盾構機選型不當，容易出現土體流失、土壓力過低、漏水漏砂和出土量過大等問題，存在施工質量隱患，并加大了盾構機掘進難度。在這一工程背景下，一方面，需要做好施工監(jiān)測與地質勘察作業(yè)，提前掌握施工現場地質結構與地層情況，合理制定盾構機掘進方案。另一方面，應根據穿過地段地質條件與障礙物分布情況，合理選擇盾構機中的刀盤形式與刀具配置方式，可盡量減輕刀具磨耗程度。

2.區(qū)間埋深與隧道直徑。根據實際施工情況來看，在不同城軌工程中，由于各區(qū)間埋深情況與隧道直徑參數存在明顯差異，對盾構機設備的規(guī)格型號與性能有著特殊要求。因此，在制定盾構機選型方案時，工作人員必須重點考慮這一問題。例如，在深圳城軌7號線工程中，為滿足實際的施工需要，根據工程現場地質條件、區(qū)間埋深變化情況與隧道直徑，定制一款新型的土壓平衡式盾構機，將其命名為“雄風1號”。該盾構機開挖直徑為6.28m，主機重量超過500t，將雄風1號盾構機用于開展北環(huán)大道與龍珠大道交叉口北側的城軌7號線7302標段的深云站始發(fā)掘進作業(yè)。

3.地層滲水系數。在制定盾構機選型方案時，應將地層滲水系數作為重要的衡量指標，正確掌握地層滲透性和盾構機選型二者關系，確保所配置盾構機設備可以有效適應城軌區(qū)間地層中的土壓平衡環(huán)境。例如，在地層透水系數不超過10-7m/s時，優(yōu)先配置土壓平衡式盾構機。在地層透水系數超過10-4m/s時，優(yōu)先配置泥水式平衡盾構機。而在地層透水系數保持在10-7m/s～10-4m/s時，可以配置泥水平衡盾構機或是土壓平衡盾構機。

1.2 盾構機選型原則

（1）適用性原則。要求所配置盾構機設備滿足各項性能指標要求，并具備到頭易于更換、配備氣壓艙、具備鉸接系統(tǒng)、獨立存在加泥與加泡沫系統(tǒng)等使用功能。同時，根據工程設計要求與現場地質情況，對盾構機結構體系與功能模塊進行優(yōu)化調整。（2）技術先進性原則。在多個種類盾構機的使用性能均滿足實際施工需要與設計要求的前提下，需要從技術先進、可操作性、刀頭使用壽命等維度進行綜合評分，從中配置綜合評分最高的盾構機，以此提高城軌施工水準，為工程質量提供保障。（3）經濟合理性原則。為控制工程造價成本，避免產生不必要的成本支出，在確保盾構機設備使用性能達標的前提下，可以選擇配置現有的盾構機設備，而非新購盾構機。

1.3 盾構機類型比選

在部分城軌工程中，具備配置多種類盾構機設備的基礎條件，如何從中選擇最佳種類的盾構機，則是盾構機選型工作的重點。在這一工程背景下，應從施工技術、經濟效益等方面進行比較分析。例如，在北京城軌四號、五號、十號線工程中，同時具備配置泥水式盾構機與加泥式土壓平衡盾構機的條件，工作人員從經濟技術方面對兩種機型進行比較分析，比較項目包括適用地層、止水性、方向控制、排土設備、開挖效率、綜合造價、配套設備、大源石處理等。最終，選擇配置加泥式土壓平衡盾構機。

1.4 盾構機關鍵功能的選擇

在多數城軌工程中，要求盾構機在一般性功能外，還要具有以下使用功能：（1）刀頭易于更換。采取螺栓連接方式來固定連接刀盤外側分布的刀頭，要求盾構機在開艙8h內完成刀頭更換作業(yè)。同時，具備滾刀與刮刀互換功能，在盾構機穿越巖層等特殊地層時，可以直接互換滾刀與刮刀，無須開艙開展更換刀頭作業(yè)。（2）配備氣壓艙?？紤]到地下作業(yè)環(huán)境較為復雜，應在盾構機結構中配備氣壓艙。（3）螺栓連接。為提高設備組裝調試速度，預防和減少設備故障問題的出現，優(yōu)先配置采取分割設計理念制造的盾構機，將盾體結構分割為若干部件，通過螺栓連接方式，將若干部件連接組裝為整體性的盾體結構。

2 工程概況

某城軌區(qū)間工程北側主通道1寬度約2.25m，采用條石襯砌，與隧道凈距5.4m，目前作為電纜通道使用;南側主通道3寬度約2.5m，采用條石襯砌，存在積水、積泥現象，與區(qū)間隧底凈距1.5～4.9m，目前出口封閉，呈廢棄狀態(tài);南北連通道2寬度約4.5～6.0m，均為中風化灰?guī)r天然毛洞，20世紀80年代修建停滯，襯砌未施工，積水現象嚴重、局部深度約1m，頂部局部有巖石坍落痕跡，與隧道凈距4.8～5.4m。上跨人防地道段隧道處于黏土層、強風化凝灰?guī)r、中風化凝灰?guī)r中，巖石飽和單軸抗壓強度28.1～61MPa，基巖裂隙水豐富。隧道采用復合式土壓平衡盾構施工（見圖1）[1]。

3 盾構掘進參數控制

3.1 刀盤配置

針對復合地層和全斷面巖層施工，對刀盤和刀具進行了優(yōu)化設計。刀盤為復合式，結構形式為輻條面板式，刀具可滾齒互換，整體刀盤開口率約40%。刀具配置：中心雙刃滾刀4把、單刃滾刀33把、正面齒刀23把、邊緣齒刀7把、仿行齒刀1把、切刀64把、邊緣刮刀16把、保徑刀8把、貝殼刀12把。

3.2 優(yōu)化掘進參數

為防止盾構姿態(tài)在推進過程中發(fā)生較大偏差，降低盾構機推進速度：掘進速度為5～15mm/min，刀盤轉速為1.2r/min。根據地質情況、隧道埋深及地面監(jiān)測情況進行及時調整平均土壓力，控制在0.12～0.15MPa。

3.3 同步注漿及二次注漿

為保證空隙有效充填，防止人防地道發(fā)生較大變形，注漿壓力取值為0.25～0.35MPa。注漿量控制在8～10m3環(huán)，根據實際情況調整。當注漿壓力達到設定值，注漿量達到設定值的85%，同步注漿完成3d后，采用探地雷達對注漿效果進行檢測，針對注漿不充盈的區(qū)域進行二次注漿補強。水泥漿采用P42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比1：1;水玻璃采用42°Bé的溶液與水按1：1.5進行稀釋。注入時水泥漿與水玻璃體積比為4：1。

3.4 監(jiān)控量測

盾構推進過程中，對地表及人防地道每天不少于2次監(jiān)測，通過監(jiān)測數據來調整盾構掘進參數。對于變形速率較大處，每4h監(jiān)測一次并及時進行二次注漿。城市軌道交通盾構法施工監(jiān)測的具體內容如下。

（1）要確定變形監(jiān)測的具體內容，需考慮隧道主體埋置的深度，以及所建設的工程的地質和環(huán)境條件特點，選擇主要監(jiān)測對象和具體的項目。（2）對隧道結構進行結構變形的監(jiān)測，主要監(jiān)測項目為隧道結構內部收斂，所使用的監(jiān)測儀器是收斂計。（3）對地層進行沉降監(jiān)測，針對地表、隧道、襯砌環(huán)進行沉降監(jiān)測，利用的儀器是水準儀。（4）對周圍環(huán)境建筑物以及地下的管道交通等進行沉降位移的監(jiān)測，監(jiān)測是否有水平位移、傾斜或者建筑物裂縫，所采用的監(jiān)測元件以及儀器為經緯儀、全站儀以及游標卡尺。

3.4.1 布設沉降監(jiān)測觀測點

在開展沉降監(jiān)測之前，先要進行沉降基準點的選取?；鶞庶c所在位置要不在施工場地影響的范圍之內，具有較高的穩(wěn)定性。在沉降基準點的基礎上，進一步建設水準控制網，并且確定好觀測路線，這樣能讓監(jiān)測數據更準確。（1）對于地表沉降的監(jiān)測點而言，在布設的時候，首先要采用鉆孔機進行地面鉆孔，在鉆孔到一定的深度之后，進行預制鋼筋的埋設，并且利用細沙等材料進行填充，起到夯實的作用，這樣能對監(jiān)測點進行固定，避免其發(fā)生移動變形。（2）利用專業(yè)機器進行沉降監(jiān)測標志的加工，要顯著突出立尺部位。在加工過程中，也可以選擇讓其成為半球狀，這樣更加利于立尺。加工完后，要在上方進行防腐材料的涂抹，做好防腐處理工作。（3）在對地下管線的監(jiān)測點進行設置時，如果有專門檢查井的設置，可以在管線或者承載體上布設監(jiān)測點。如果因為地質條件等因素，使管線未進行檢查井的設置，而且也不具備條件開挖，就要設置間接沉降監(jiān)測點，布設在地表。（4）在監(jiān)測點布設的過程中，所采用的各項儀器都需要是國家批準的、正規(guī)合格的儀器。

3.4.2 裂縫監(jiān)測

對軌道監(jiān)測來說，常見的安全隱患是管片發(fā)生裂縫現象。由于這種裂縫問題的形成原因多種多樣，因此造成的危害也具有一定差異。對于大部分的裂縫類型來說，一般都是從整體上對管片產生影響，并伴隨著施工進展裂縫越來越大，會對管片造成結構性損害。在監(jiān)測的過程中，務必注意要對監(jiān)測結果進行觀察，并且需要收集每一次監(jiān)測所得到的信息，將其應用到未來的發(fā)展與建設中，不斷提升工程質量。

3.5 監(jiān)測數據處理

定期進行監(jiān)測點的觀測工作能夠通過現場實測收集到具體的變形數據，并且利用特定軟件，針對所獲得的監(jiān)測數據進一步開展偏差計算，同時還要保證數據的精確性，才能在數據處理系統(tǒng)中進行輸入。對數據庫來說，要保存原始的觀測數據以及計算處理后的數據。

3.5.1 橫向地表沉降監(jiān)測結果分析

根據對橫向地表沉降的實際測量數據信息進行具體分析和計算，可以得到這樣的結果：對盾構機的始發(fā)端來說，由于土地所產生的壓力具有不斷變化的特點，無法處于平衡狀態(tài)，而且隧道埋深不深，在盾構機掘進的過程中，對地表具有顯著擾動，就會出現嚴重的地表變形現象。首先，利用盾構法施工，其所發(fā)生的地表變形與盾構機所掘進的地質環(huán)境的差別有著密切關系。如果地質條件較差，那么在盾構機掘進的時候，就會對地表造成較大的擾動，相反，就會使擾動較小。因此，導致底邊具有較小幅度的沉降變形。其次，在盾構法施工過程中，對地表產生影響的范圍在隧道中線軸線的5m～7m之內，中心軸線處是沉降值最大的位置[2]。

3.5.2 縱向地表沉降監(jiān)測結果分析

通過對縱向沉降曲線的分析得知，盾構始發(fā)端的掘進不會引起較大的地表沉降變形，而且隨著掘進的不斷推進，也會使土壓一直處于變化的狀態(tài)并且不斷增大。所以對于盾構機的始發(fā)以及到達端來說，都要應用控制措施實現對地表沉降變形的有效緩解，提高底層整體的穩(wěn)定性以及地層強度。

3.5.3 隧道管片沉降

在開展具體的監(jiān)測時，通過所得數據觀察到，隧道的管片變形具有顯著的上浮趨勢，大概在13mm～33mm之間，進行了關于管片上浮以及盾構掘進變化的具體曲線圖的繪制。通過對曲線圖中監(jiān)測數據的分析和處理，將隧道管片隆沉概括為如下三個具有顯著特征的階段：首先，在管片安裝到脫離這一時期，因為千斤頂和盾構機所帶來的管片上浮，其上浮可以控制在5m空間范圍內;其次，在管片脫離之后，大約5m的距離會在注漿壓力不夠的情況下使上浮量明顯上漲，達到10mm～20mm;最后，對于后期固結時期來說，也會因為土體的固結變形和漿液滲透產生沉降現象，一般在-3mm左右。

參考文獻：

[1] 劉治富.城軌隧道盾構法施工中的地面沉降問題及處治措施[J].智能城市，2021，07（02）：149-150.

[2] 李云，劉霽.框架橋頂進下穿施工中鋼盾構框架的應力和變形監(jiān)測[J].湖南文理學院學報（自然科學版），2020，32（03）：76-81.