城市軌道交通盾構(gòu)法隧道施工工藝研究

李?；?/p>

（中交路橋建設有限公司，北京 100027）

1 引言

當前，盾構(gòu)法被廣泛應用于城市軌道交通隧道施工中。盾構(gòu)機作為盾構(gòu)法的關(guān)鍵施工機械，在挖掘進程中可經(jīng)過外殼與襯砌支撐隧道圍巖，在借助切削裝置開挖前方土體后，由出土設施向外運送渣土，利用頂進裝置沿著隧道設計軸線往前遞推，并同步通過預制拼裝管片與注漿工藝構(gòu)建隧道結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)法工序復雜且施工精確度及技術(shù)含量較高，具有創(chuàng)新性，需在不影響地面交通正常通行的前提下，實施相應的隧道施工。

2 盾構(gòu)法施工特性

利用盾構(gòu)法進行地鐵項目的隧道施工，具體內(nèi)容包括穩(wěn)定開挖面、開挖與排土、襯砌3 個部分。與其他類型的施工方法相比，盾構(gòu)法具有自動化程度高、成本低、施工速度快、不會受到氣候影響等特點；同時，還可以有效控制地面塌陷問題，極大地降低對地面建筑物的干擾性?；诖耍貏e是對于一些埋深大、隧洞長的地鐵項目的隧道施工，運用盾構(gòu)法能獲得較理想的經(jīng)濟效益。

3 盾構(gòu)法施工原理

運用盾構(gòu)法進行地鐵項目隧道施工，不僅可以保證施工過程的安全性，還可以對管片支護起到保護作用。盾構(gòu)機基礎構(gòu)造包括盾構(gòu)殼體、刀盤系統(tǒng)、螺旋輸送機等不同類型的裝置。在實際施工過程中，盾構(gòu)法涉及的施工工序通常包括盾構(gòu)機安裝與拆卸、土體挖掘、襯砌、拼裝和防水等。

選擇盾構(gòu)法進行實際施工，現(xiàn)場工作人員需要先在某一個路段使用明挖法開挖基坑后，在其內(nèi)部裝置盾構(gòu)機，待盾構(gòu)機準備就緒后，先向開挖面掘進一段等同于裝配式襯砌寬度的土體，并在裝置盾構(gòu)反力設備基礎上形成外力支撐。

另外，要在盾殼掩護下借助千斤頂將切口環(huán)向前頂入土層進行地層挖掘與裝配式襯砌，安裝盾構(gòu)反力架等設備，形成外部支撐，然后在盾殼的掩護下利用千斤頂將切口環(huán)向前項入土層進行地層開挖、裝配襯砌，隨后盾構(gòu)靠頂在已拼裝好的襯砌環(huán)上的千斤頂向前的推力來克服盾構(gòu)掘進中所遇到的地層阻力，從而在有利于盾構(gòu)機掘進的同時，確保其能勻速連續(xù)前進。

4 盾構(gòu)法施工技術(shù)

4.1 盾構(gòu)機進出洞口施工

在地鐵項目隧道施工期間，現(xiàn)場工作人員在實際使用盾構(gòu)機過程中，需注意以下施工要點：

1）重點控制盾構(gòu)機進洞問題及出洞操作，因為這兩個環(huán)節(jié)會對整體隧道施工質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。

2）為保證盾構(gòu)機順利進洞，需在施工前確定好線路，以防止發(fā)生與設計軸線偏差過大的問題。

3）鑒于盾構(gòu)機出洞難度高、工作繁雜的特點，必須選擇科學合理的施工方法來進行系列操作，如預先加固處理洞口段地層，保證安全性。

4）在施工準備完成后，為避免土體暴露時長過長，要根據(jù)盾構(gòu)機實際情況讓切口切入土層。

4.2 風井施工

以風井處地質(zhì)的實際情況為基礎，加固該區(qū)域與盾構(gòu)機進洞有關(guān)的地基，長度控制在6 m 內(nèi)，其中5.4 m 要采用鉆孔灌注施工。因為風井關(guān)鍵點通常都設置在城鎮(zhèn)居民區(qū)附近，容易受到其他因素干擾，所以，必須要對其進行基坑圍護操作，同時，還要加固鉆孔灌注樁施工，而此過程要保證隧道直徑為7 m、水泥摻量為20%（由于進洞口洞圈上3 m 外的地區(qū)主要是弱加固區(qū)，弱加固區(qū)的水泥摻量為7%）。

值得注意的是，要在水泥攪拌樁與鉆孔灌注樁間進行加固，該環(huán)節(jié)重點在于需應用旋噴樁來實施關(guān)聯(lián)性加固。

4.3 盾構(gòu)機挖掘施工

在使用盾構(gòu)法對地鐵項目隧道進行整體施工過程中，由于盾構(gòu)機進出洞口環(huán)節(jié)十分關(guān)鍵，因此，工作人員要嚴格遵循操作準則來控制施工全程，從而避免對四周環(huán)境（尤其是土體）造成干擾。必須保證盾構(gòu)機姿態(tài)控制與盾構(gòu)施工軸線控制均在T/CCMA 0063—2018《盾構(gòu)機操作、使用規(guī)范》（以下稱“規(guī)范”）所規(guī)定標準的誤差范圍內(nèi)。

4.4 盾構(gòu)機穿越粉砂土層施工

與其施工設備相比，盾構(gòu)機的環(huán)境適應能力較強，可在淤泥質(zhì)土等軟土施工中獲得理想效果，但不適合在粉砂土層中施工，這其中主要有2 個難度：（1）土體液化；（2）土體流動性。

為避免上述狀況，可采用提升正面土體流動性與止水性方式。具體操作方法：（1）在規(guī)范所規(guī)定限度內(nèi)提升土倉壓力，以保證不發(fā)生土體液化狀況；（2）利用盾構(gòu)機加泥系統(tǒng)給土倉注入膨潤土漿液并混合到土倉里，從而在改變土倉內(nèi)土體性質(zhì)的同時，起到潤滑作用，以最終避免土體液化，改善土體流動性。

4.5 盾構(gòu)機冷凍刀盤技術(shù)

盾構(gòu)機在砂層、淤泥層、斷層等繁雜地質(zhì)環(huán)境行進中，若開挖至建筑物下方，在刀盤驅(qū)動系統(tǒng)掘進時，需使用特別加固方法，因為一旦忽略此問題勢必會引發(fā)地面塌陷。一般來說，在地質(zhì)環(huán)境不符合盾構(gòu)機常壓換刀情況時，僅采用通常技術(shù)方法無法保證常壓換刀的安全性，這尤其體現(xiàn)在對該區(qū)域沉降的把控上。

針對此，2017 年，我國中鐵華隧聯(lián)合重型裝備有限公司創(chuàng)新研制出了世界第一臺具備冷凍刀盤和復合注漿系統(tǒng)的雙模式盾構(gòu)機，其將冷凍法施工與盾構(gòu)機相結(jié)合，在常壓換刀流程中可保證刀盤四周被冷凍與穩(wěn)固，從而凍結(jié)圓盤；與此同時，該設備還能提升土層強度與穩(wěn)固性，并隔絕地下水，以進一步高效降低盾構(gòu)機穿越特殊區(qū)域時發(fā)生地面沉降的概率。

4.6 聯(lián)絡通道機械化施工技術(shù)

聯(lián)絡通道是關(guān)聯(lián)地下空間與地上空間的重要紐帶。通常情況下，聯(lián)絡通道一般在主空間施工完畢后才實施，所以極易被忽略。但是，現(xiàn)有聯(lián)絡通道施工重點是在經(jīng)地層加固后采用礦山法來挖掘，而加固方法通常采用凍結(jié)法。凍結(jié)法在實踐中已被廣泛應用，但其存在一定的潛在安全風險，且施工時間長、成本高、施工效果一般。

對此，以微加固、可切削、嚴密封、強支護為基礎特性的聯(lián)絡通道微加固機械法T 接施工技術(shù)是較理想的解決方案。該技術(shù)主要在狹小封閉的隧道空間中實施盾構(gòu)機開發(fā)與接收工作，并通過止水注漿施工技術(shù)和改變支護結(jié)構(gòu)形狀完成微加固情況下對T 接隧道的施工。聯(lián)絡通道機械法見圖1。

圖1 聯(lián)絡通道機械法

聯(lián)絡通道微加固機械法T 接施工技術(shù)成功應用于寧波軌道交通3 號線聯(lián)絡通道工程實踐中。其十分符合城市地下空間研發(fā)標準，可降低聯(lián)絡通道施工干擾。此外，其還能縮減施工投入費用與減少施工周期，進而助力將聯(lián)絡通道達成機械化。

4.7 應用克泥效工法實現(xiàn)對盾構(gòu)法施工沉降控制

盾構(gòu)機在地下掘進過程中往往會擾動地層而引發(fā)變形。對此，可同步應用注漿技術(shù)將漿液注入盾尾后方，以補充盾體外殼與管片間的環(huán)形空隙，從而有效解決地面沉降問題。然而，由于盾構(gòu)機刀盤外徑通常大于盾體外殼，因此，在盾構(gòu)機盾體范圍內(nèi)會在開挖輪廓與盾體間形成一個環(huán)形空隙，導致對盾尾進行同步注漿也無法抑制盾體四周土體發(fā)生變形[1]。

當?shù)罔F項目隧道施工需穿過既有線或重大危險源時，針對地面沉降所對應的標準要求十分嚴格，故而一定要采取針對性策略來確保施工安全，以防止地層變形程度加深。對此，可采用克泥效工法。

克泥效工法基本原理：將黏土和強塑劑根據(jù)相應比例融合之后，二者可迅速變成高黏度、不硬化、變化性、抗稀釋性與擋水性強、抗沉陷性高的可塑性黏土，即黏度經(jīng)過二者配合比方法發(fā)生變動。

在使用盾構(gòu)法過程中，克泥效工法使用范圍較廣、普及度高，因為其不僅具備土壓平衡盾構(gòu)的效果，還能滿足空隙填充和盾構(gòu)機姿態(tài)控制問題，能夠給地鐵項目隧道施工帶來積極影響。

5 地鐵盾構(gòu)法隧道采用盾構(gòu)法施工的注意事項

5.1 創(chuàng)建施工安全生產(chǎn)保障制度

以安全生產(chǎn)各項規(guī)章制度為基礎，需進行的系列施工管理操作主要包括以下內(nèi)容：

1）結(jié)合項目實際情況完善安全生產(chǎn)管理方案。

2）現(xiàn)場工作人員除需執(zhí)行安全生產(chǎn)責任制度外，還要根據(jù)企業(yè)需求完成培訓工作，并創(chuàng)設安全生產(chǎn)教育的培訓檔案。

3）施工前，相關(guān)管理人員要確保施工現(xiàn)場符合安全生產(chǎn)管理規(guī)范與生產(chǎn)開工標準。

4）在施工進程中，需按期組織整體安全大排查工作，且記錄存檔。

5.2 告知事前風險與篩查潛在風險

施工前，需編制完備、可靠、高效的施工方案，務必遵循施工單位內(nèi)部、監(jiān)理單位、建設單位與建設主管職能部門的審批流程，且務必將每項施工計劃交底工作落實到位。

另外，施工單位需通過告知事前風險的方式使工作人員了解項目風險事故、風險成因、注意事項、事故預兆及處理措施等內(nèi)容，并加強對施工場地四周環(huán)境與人員潛在風險的篩查，確保施工的安全性。

5.3 動態(tài)監(jiān)管與評價事中風險源

針對施工過程中的重大風險源頭，需應用工程監(jiān)測、場內(nèi)巡檢與監(jiān)控等方式，并遵照整體監(jiān)視、兩類預警、險情直達模式來對事中風險源實施動態(tài)監(jiān)測與評價。

5.4 完善事后突發(fā)危險事件應急對應方法

從項目整體出發(fā)，綜合其施工特性在全面預測施工過程中潛在危險事件后，對風險源進行推斷、解析與評估，并匯總常見事故種類。完成該環(huán)節(jié)后，要從根本上分辨風險源，編制事故綜合應對救援預案，嚴密遵照施工單位、監(jiān)理單位、建設單位與建設主管職能部門的審批流程，同時，將應急預案交底工作落實到位。

6 結(jié)語

綜上所述，采用盾構(gòu)法對地鐵項目隧道施工可發(fā)揮積極作用，與傳統(tǒng)的施工方式相比，盾構(gòu)法雖工序復雜，但施工精度及技術(shù)含量都很高，具有自動化程度高、對環(huán)境干擾較少等優(yōu)勢，且呈現(xiàn)出作業(yè)時間短、施工效率高等經(jīng)濟效益。且隨著盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展、成熟，盾構(gòu)施工方法越來越受到重視和青睞，逐步成為地鐵隧道的主要施工方法，特別適用于大直徑、大埋深以及斷面復雜的施工現(xiàn)場。