不良地質(zhì)對地鐵盾構(gòu)施工的影響分析

張建設(shè)，毋遙 （河南理工大學土木工程學院，河南 焦作 454000）

1 引言

社會的快速發(fā)展迫切需要配置便捷可達的交通工具來支撐。城市軌道交通作為現(xiàn)代城市交通的核心部分，在世界各地廣泛建設(shè)。地鐵施工是一項非常復雜的施工技術(shù)，投資成本高、管理難度大且工期長，施工過程中的不確定性和風險會誘發(fā)風險事故[1]。此外，地下段存在建筑基礎(chǔ)和大量地下管線設(shè)備，沿線地質(zhì)的不確定性和復雜性使施工充滿困難與潛在風險[2]。有關(guān)專家、學者對地鐵施工安全開展了大量研究工作。先前有研究者介紹了復雜地質(zhì)條件下地鐵盾構(gòu)施工技術(shù)的適用條件[3]，也有研究者將存在于山地城市中的不良地質(zhì)作為研究方向，探究了在不良地質(zhì)條件下地質(zhì)災害的發(fā)生機理和影響因素[4]。通過對軟土層、第四系砂土層富水、砂卵石地質(zhì)對盾構(gòu)法在不良地質(zhì)中的地鐵施工進行安全管理分析，不僅有助于對地鐵盾構(gòu)施工技術(shù)的了解，還可以充分對可能出現(xiàn)的問題進行分析，為同行業(yè)提供參考。

2 地鐵盾構(gòu)施工的相關(guān)理論

2.1 地鐵盾構(gòu)施工的原理

地鐵盾構(gòu)施工是一種自動化程度極高的施工方法，其特點表現(xiàn)為節(jié)省人力且施工速度快，能夠一次成隧道，不受氣候影響，不僅在開挖時可控制地面沉降，減少對地面建筑物的影響，而且水下開挖時不影響水上交通[5]。基本工作原理是通過一個圓柱形鋼組件沿著隧道軸線向前推動，對土壤進行開鑿[6]。國內(nèi)主要的不良地質(zhì)有黃土、黑土、軟土地基、膨脹土地層、第四系砂土富水層等。這些地質(zhì)會引起塌陷、裂縫、滑坡等，不僅會對場地穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，也對工程的安全、經(jīng)濟和正常使用帶來問題。

2.2 地鐵盾構(gòu)施工的影響因素

①對地鐵隧道施工安全風險的重視程度還不夠高。由于應在實施準備階段進行地鐵隧道項目規(guī)劃和設(shè)計，其安全風險只能在施工或運營階段才能，因此，安全風險容易在規(guī)劃或設(shè)計階段被忽視。另外，項目建設(shè)某些階段帶有固有的風險，但多數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的。如果前階段施工的風險在沒有得到有效規(guī)避的情況下即進行下一階段施工，則會形成難以處理的風險事故。因此，在充分意識到項目建設(shè)各個階段風險關(guān)聯(lián)性的同時，也要通過有效的方法辨識影響安全管理的因素，并在相應的階段進行有效規(guī)避。大量的地鐵隧道施工安全事故表明，人們對地鐵隧道施工安全風險的重視程度不高，安全意識有待進一步加強。

②不良地質(zhì)對地鐵盾構(gòu)施工的安全影響分析還不夠充分。在地鐵盾構(gòu)施工中，通常面臨著不同的地質(zhì)，對地質(zhì)的分析是必不可少的，但地質(zhì)因素也是最容易被忽略的。

3 不良地質(zhì)對地鐵盾構(gòu)施工的影響及安全管理分析

3.1 軟土層對地鐵盾構(gòu)施工的影響

軟土層具有天然含水量高、壓縮性高、天然孔隙比大、透水性差、抗剪強度低、固結(jié)時間長、擾動性大的特征，軟土層各層之間物理力學性質(zhì)相差相對較大[7]。這些特征對地鐵盾構(gòu)施工產(chǎn)生一定的影響，因此將其作為一種不良地質(zhì)來進行分析。在軟土層中，使用地鐵盾構(gòu)機挖掘時會產(chǎn)生土體應變且地表發(fā)生沉降。地表沉降可表現(xiàn)為五個不同階段。

①盾構(gòu)機進入前，超孔隙水壓力的產(chǎn)生和有效壓力的降低導致盾構(gòu)機進入前，土體應力狀態(tài)變化，地表會有略微抬升。

②盾構(gòu)機到達時，開挖面的平衡土壓力發(fā)生改變。

③盾構(gòu)機通過時，盾構(gòu)機與土層之間的摩擦剪切力發(fā)生改變。

④盾構(gòu)機通過后離開盾尾時，會有一定的建設(shè)差距，建設(shè)差距所造成的高度差和壓力的釋放可能會造成地表沉降。

⑤盾構(gòu)通過后長期固結(jié)，盾構(gòu)機開挖會引起地表擾動，土體發(fā)生固結(jié)。盾構(gòu)機施工時，對土體的擾動越大其長期固結(jié)沉降越大。一旦發(fā)生沉降或倒塌的情況，必然給地鐵盾構(gòu)的組織造成無法彌補的損失。

在我國諸多城市中，存在許多在軟土層中修建地鐵的案例。寧波市作為我國典型的軟土地區(qū)，其軟土層分布廣泛，且層厚約為10m～32m，具有液限小于天然含數(shù)量，天然孔隙不小于1.0，壓縮性高、強度低、透水性低的特點。寧波軌道交通1號線一期工程地下隧道主要采用盾構(gòu)法施工。施工中穿越粉土、粉砂、粉質(zhì)粘土混粉砂等土層，屬于典型的軟土地層，地質(zhì)條件較差，給地基處理的設(shè)計和施工帶來很大困難。需要非常規(guī)的施工設(shè)備和方法，結(jié)合特殊設(shè)計，以確保地基穩(wěn)固。由于地質(zhì)的特殊性，通常需要采用加固的方法來保證安全施工。加固通常分為地表面加固和隧道內(nèi)加固，地表面加固多采用高壓噴射灌漿。隧道內(nèi)加固包括注漿加固、水平攪拌加固等。通過對寧波軌道交通1號線一期工程的了解，參考地質(zhì)條件相似的地鐵隧道施工實例，地鐵隧道開鑿的路線穿越繁華鬧市時不應采用地表面加固，因此考慮采用凍結(jié)法進行隧道內(nèi)加固。凍結(jié)法施工成本很高且工期長，但該方案不需要進行交通管制，加固效果明顯，足以實現(xiàn)開挖施工要求，因此凍結(jié)法仍是最優(yōu)的選擇。通過對寧波市軌道交通1號線一期工程的分析，能夠更好地了解地鐵盾構(gòu)技術(shù)在軟土層中的施工方法。

3.2 第四系砂土層富水對地鐵盾構(gòu)施工的影響

第四系疏松砂巖在潛伏水頭、富水的條件下，具有裂隙發(fā)育，孔隙率大，地下含水體易貫通，容易產(chǎn)生涌水涌砂的特點。

孔隙水壓力的地下水通常會影響巖體的力學性能，大多數(shù)情況下第四系砂土層存在于富水的環(huán)境中，地下水位較高且第四系出水地層涌砂原因復雜多樣。在地鐵工程進行開挖建設(shè)前，地層內(nèi)部應力系統(tǒng)是平衡的狀態(tài)。而工程開挖通常會將應力平衡狀態(tài)破壞，通常在工程初期并不發(fā)生涌砂，但在出水時，毛管力的消失，使得砂粒在地層內(nèi)開始流動，破碎砂粒的運移會發(fā)生流體，從而出現(xiàn)大面積的涌砂。因此，在工程初支條件下，能夠?qū)⒊鏊闆r有效控制，便可減小工程災害。另外，在工程接近斷層時，斷層構(gòu)造類型也會對其導水性及致災性產(chǎn)生影響。斷層破碎帶集中涌水段水溫普遍較高，屬高溫涌水。水壓高，初始揭露水壓為5MPa～8MPa，后穩(wěn)定在3.7MPa左右[8]。

由于臨海，青島地區(qū)地質(zhì)特殊，毗連青島與黃島的地鐵主線路M2號線全線共設(shè)車站22座，站間距11613m，最大站間距2254.4m，最小站間距758.2m，途經(jīng)第四系砂土涌水地質(zhì)。由于第四系砂土層滲水出現(xiàn)潰砂的現(xiàn)象，在洞身開挖過程中涌水涌砂極為嚴重。再加上該區(qū)段車流量大，交通繁忙，為防止在地面車輛荷載的影響下地面塌陷或裂縫等災害的發(fā)生，故對此區(qū)段采取了預注漿治理。而且由于涌水段流量大，在注漿過程中跑漿現(xiàn)象嚴重，一旦發(fā)生涌水封堵，水壓升高易引起巷道頂板出現(xiàn)涌水的轉(zhuǎn)移。

3.3 砂卵石地質(zhì)對地鐵盾構(gòu)施工的影響

卵石土在廣義上是土石混合體。當?shù)罔F盾構(gòu)施工在卵石含量高的情況下進行施工時，砂卵石含量較高的區(qū)域使得隧道地下環(huán)境較差，不均勻，易發(fā)生地面沉降、超挖導致盾構(gòu)機偏離線路原本方向[9]。當砂卵石地層完整性良好時，開挖后土體易形成空洞而形成地表沉降。而當工程中砂卵石地層較為破碎、松散時，孔隙率自身很大，再加上土體因開挖而被擾動，孔隙率會更加大，易破壞土壓平衡力，導致土倉壓力不易控制。

以北京地鐵9號線為例，論述砂卵石地質(zhì)對地鐵盾構(gòu)的影響。北京地鐵9號線周圍為砂卵石地質(zhì)，盾構(gòu)機穿越水位低的區(qū)域以及無水的砂卵石地層時，通過加泥手段調(diào)整切削土體流動性的效果并不理想。另外，此種地質(zhì)會使盾構(gòu)經(jīng)常出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，導致掘進效率低下，所產(chǎn)生的施工費用過高。

3.4 安全管理分析

①通過對寧波市軌道交通一號線的認識，了解到在實際施工過程中可以采用凍結(jié)法來加固地基。此施工工藝能滿足開挖施工要求，且技術(shù)相對成熟，施工風險相對較小。在地鐵盾構(gòu)技術(shù)施工前，對地質(zhì)進行充分的分析，相應地制定處理軟土地基的方案，做好準備工作。對相關(guān)技術(shù)人員進行專業(yè)培訓，組織專業(yè)技術(shù)人員對特殊地質(zhì)上的地下施工進行分析論證和指導，通過控制施工參數(shù)來降低對地層的擾動，例如對出土量、注漿壓力和土倉壓力的控制。在施工過程中要完善相應的監(jiān)管管理工作，要對施工日志作業(yè)監(jiān)督管理的工作負責，將施工做到盡可能保質(zhì)保量。嚴格按照計劃圖紙施工，聽從指揮安排。最后必須注重文明施工，在施工過程結(jié)束時，應進行現(xiàn)場的清理，確保不會對周邊環(huán)境造成影響。

注漿工藝流程

②根據(jù)青島地鐵M2號線以及上述分析，可以得出注漿工藝將會對地鐵盾構(gòu)在第四系砂土層富水中出現(xiàn)的問題進行改善。首先需要調(diào)查圍巖特性，將注漿目的、注漿的具體部位等情況明確，如上圖所示；其次在完成施工的基礎(chǔ)上必須要提倡文明施工，保護環(huán)境，設(shè)置施工護欄，避免沉降造成二次傷害；另外要嚴格把控盾構(gòu)機的管片，保證管片材料的質(zhì)量，確保其受力性能良好，以免后期管片損壞，不僅影響工期而且可能造成不可挽回的后果。

③通過對北京市地鐵9號線的了解，認識到施工前首先應進行充分的地質(zhì)檢測，盡量避免地質(zhì)中出現(xiàn)的卵石層區(qū)域。如果在避免不了的情況下，要根據(jù)所屬區(qū)域的砂石層的具體情況來提前進行工程的規(guī)劃，做好應對措施。應將做好的地質(zhì)測評資料與施工人員進行交底，使施工人員充分地了解施工的環(huán)境，更好地應對施工過程可能出現(xiàn)的安全問題，減少其對工程帶來的不利影響。

4 結(jié)論

隨著地鐵盾構(gòu)施工技術(shù)的廣泛應用，對其進行安全管理也逐漸成為必不可少的環(huán)節(jié)，在日常應用中要以預防為主，堅決規(guī)范使用和維護各項設(shè)備，加強對盾構(gòu)機在施工過程中的各項工作，盡量做到信息化施工。盾構(gòu)機在安全的條件下施工，才能確保隧道開鑿高效有序地進行。

本文在了解地鐵盾構(gòu)施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過地鐵案例分析、論證，進一步提出當?shù)罔F盾構(gòu)施工遇到不良地質(zhì)時所出現(xiàn)的問題及安全管理措施，得出在不良地質(zhì)中應采用凍結(jié)法、注漿法等措施，解決在不良地質(zhì)中進行盾構(gòu)施工所造成的問題，強調(diào)了針對施工過程中出現(xiàn)的危險問題進行及時處理的重要性。

作者僅對地鐵盾構(gòu)法施工在軟土層地質(zhì)中可能帶來的影響和改善方法進行分析，在不斷進步的科技水平下，望能有更合理的改進措施以及方案，能夠更好地解決地鐵盾構(gòu)施工過程在不良地質(zhì)的安全管理問題，更加全面地對可能出現(xiàn)的各種不良地質(zhì)進行考慮，提高地鐵盾構(gòu)施工的施工質(zhì)量。