城市軌道交通隧道盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究

龔文棋

（中國交建軌道交通分公司，北京 100088）

1 盾構(gòu)法施工原理

盾構(gòu)施工的基本工作原理是在盾構(gòu)機(jī)罩的掩護(hù)下進(jìn)行開挖，在開挖期間它的主要功能是對(duì)尚未開挖的隧道進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，承擔(dān)四周巖體的壓力和地下水的壓力，防止地下水進(jìn)入隧道；開挖完畢后，在盾殼的掩護(hù)下進(jìn)行管片的組裝和灌漿。

盾構(gòu)施工要求一口始發(fā)作業(yè)井、一口接收作業(yè)井。始發(fā)作業(yè)井用于盾構(gòu)機(jī)、后配套設(shè)備的裝配、反力架、負(fù)環(huán)的安裝以及出土、管片運(yùn)輸?shù)仁奸_挖工作。接收工作井用于完成盾構(gòu)機(jī)到達(dá)、解體等有關(guān)工作。

目前，地鐵的起始和接收工作大都設(shè)置在車站末端。普通盾構(gòu)施工開始后，根據(jù)設(shè)計(jì)的軸線進(jìn)行作業(yè)，并在期間進(jìn)行橫向、縱向的數(shù)值監(jiān)測(cè)，及時(shí)糾正；糾正過程中應(yīng)遵循“緩糾、慢糾、勒糾”的原則，避免“急糾”。并做好背面注漿和二次注漿，對(duì)沉降進(jìn)行控制。

2 工程概況

以某一實(shí)際鐵路隧道工程為例，左線隧道的起點(diǎn)設(shè)計(jì)里程為ZDK37+401.035，終點(diǎn)為ZDK39+260，左線區(qū)間隧道總長1858.965m，其中EPB/TBM 盾構(gòu)法1488.965m，井下370m；區(qū)間右線的起點(diǎn)為YDK37+400，終點(diǎn)為YDK39+263，右線段為1863m，其中EPB/TBM 法為1580m，礦法283m。隧道山體地勢(shì)起伏大，沿線地面高程為12.0～237.0m，其中最高點(diǎn)標(biāo)高為237.0m。隧道入口地勢(shì)較復(fù)雜，整體呈現(xiàn)南北高、東西高差15m 的特點(diǎn)。隧道入口EPB/TBM 雙模盾構(gòu)法在工程中應(yīng)用了一種新型的回填素混凝土+樁基礎(chǔ)法。

該盾構(gòu)施工由北方重工2 臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行，開挖直徑8.85m，采用主動(dòng)鉸鏈方式，盾身總長13390mm，前盾長度4818mm，中盾和尾盾總長8572mm，最小轉(zhuǎn)向半徑550m，盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3 施工重難點(diǎn)分析

3.1 地鐵沉降控制

隧道下穿越時(shí)，若不注意施工，極有可能引起地層擾動(dòng)、沉降，地面為高速公路主干道，不適合路面加固，而該地鐵線又是客流量最大的地下鐵路線，因此，施工中最重要的工作就是控制隧道的沉降。

3.2 隧道穿越斷裂層

在FD1 和FD2 斷裂層中，隧道的施工難度較大。斷裂層巖體的破裂面寬度分別為0.8m、0.6m，F(xiàn)D1、FD2 斷層的真實(shí)傾角為60，鄰近節(jié)理區(qū)的密度大于100m。斷層部位的節(jié)理裂隙較多，且圍巖破裂時(shí)有構(gòu)造軟弱，易造成地表水滲入，出現(xiàn)滲水、涌水等問題。在斷裂層中，刀具易受到損傷，尤其是在主要斷裂中，基巖表面的凹凸不平，極易導(dǎo)致刀片開裂，刮片螺栓剪斷。在某些地區(qū)，巖石的強(qiáng)度較低，硬度較低，容易引起滾刀的偏磨合過度磨損。在地質(zhì)條件較差的情況下，如果采用實(shí)心和盾尾注漿法，很容易將盾構(gòu)機(jī)包覆，從而使盾構(gòu)二次啟動(dòng)困難。擠壓斷層容易發(fā)生滑塊、崩塌，斷層破碎帶、節(jié)理密集帶水等都會(huì)加重塌陷的發(fā)生。

4 管片點(diǎn)位選擇及安裝

合理的拼裝位置是保證盾尾空隙的先決條件，而均勻的空隙既有利于管片的組裝，又有利于小弧段的盾構(gòu)施工。

式（1）中：C 為楔形量；W 為1600mm 的管片環(huán)寬度；D為8500mm 的外徑；R 為按公式計(jì)算的曲線半徑600mm；經(jīng)計(jì)算，當(dāng)彎曲半徑600m 時(shí)，需要的楔形截面為：C=22.67mm＜46mm

式（2）中：P 為楔形量（左側(cè)為負(fù)值，右側(cè)為正）；a 為該直徑線的夾角，46 為該管片楔形量。

該項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的盾構(gòu)機(jī)架共有19 個(gè)推進(jìn)油缸，按照F 段19 個(gè)拼裝點(diǎn)位的拼裝點(diǎn)，按公式求出相應(yīng)的楔形量，管片拼裝點(diǎn)位對(duì)應(yīng)的楔形量如表1 所示。

由表1 數(shù)據(jù)可知，裝配點(diǎn)位為13、14、15、16、17、18油缸，即可滿足R=600m 左轉(zhuǎn)彎曲線管片楔形量-22.67mm 的要求。但如果連續(xù)選擇這些位置，總的楔形量將會(huì)大于-22.67mm，因此，F(xiàn) 塊的主要分布在6 個(gè)氣缸上，考慮到盾尾和推進(jìn)缸的形狀差異，采用其他部位的拼裝補(bǔ)償，以確保盾尾間隙的均一，減少推進(jìn)油缸的沖程差值，確保在小曲線的盾構(gòu)施工中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油缸的合理分配。

表1 管片拼裝點(diǎn)位對(duì)應(yīng)的楔形量（單位：mm）

5 掘進(jìn)參數(shù)的確定

在施工前進(jìn)行盾構(gòu)施工的掘進(jìn)參數(shù)的確定；在施工中，根據(jù)不同的工作條件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)及信息化技術(shù)，得出了不同地質(zhì)條件下盾構(gòu)的最佳施工掘進(jìn)參數(shù)，詳見表2 盾構(gòu)穿越建筑物及斷裂層掘進(jìn)參數(shù)。

表2 盾構(gòu)穿越建筑物及斷裂層掘進(jìn)參數(shù)

6 地鐵盾構(gòu)法施工技術(shù)控制要點(diǎn)分析

6.1 管片安裝

盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)作業(yè)達(dá)到一定施工標(biāo)準(zhǔn)后，施工企業(yè)要依照地下設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)要求，組織專業(yè)人士深入現(xiàn)場(chǎng)開展襯砌處理。盾構(gòu)法在進(jìn)行掘進(jìn)工作時(shí)起到了良好的支撐作用，但在施工作業(yè)完成之后，襯砌應(yīng)作為建筑物永久性的承載力，應(yīng)發(fā)揮其支撐作用。

在地下設(shè)施項(xiàng)目中，由于施工中使用的大多是鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土砌塊，因此，為了獲得更好的施工效果，相關(guān)人員必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，對(duì)盾構(gòu)的尺寸等進(jìn)行詳細(xì)的了解，保證各項(xiàng)參數(shù)的科學(xué)性。盾構(gòu)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，而且在施工過程中，即使出現(xiàn)了偏移，其糾偏也比較容易操作，但其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在整體上的不足。對(duì)比矩形砌塊，梯形砌塊其整體性較好，施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中，一般在條件允許的狀況下選擇梯形砌塊，但此類砌體在施工中對(duì)施工技術(shù)的要求更高，如果出現(xiàn)偏差，則會(huì)造成很大的困難，因此在施工中必須遵循相關(guān)技術(shù)規(guī)程。另外，在砌體的黏結(jié)工藝中，以平口和企口為主，其接縫防水性能較好，但在裝配過程中，其安裝工藝要求也較高。

6.2 盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)

盾構(gòu)的推進(jìn)依賴巨大的推力，通過使用千斤頂來實(shí)現(xiàn)所需要的推力，從而確保盾構(gòu)機(jī)的前進(jìn)。目前，土體壓力平衡式盾構(gòu)是最常用的方法。在掘進(jìn)作業(yè)中，面對(duì)開挖工作面，盾構(gòu)機(jī)遇到了很大的推進(jìn)阻力。隧道施工阻力主要由前方盾構(gòu)機(jī)的刃口與工作面的阻力以及機(jī)身與周圍土壤的摩擦等組成。

推力太少會(huì)對(duì)工程的進(jìn)度產(chǎn)生不利的影響，而太大的推力會(huì)使工作面的土壤產(chǎn)生壓力，從而導(dǎo)致地表的凸起。在施工中，要密切關(guān)注前面的土層地質(zhì)狀況，并針對(duì)各層的應(yīng)力情況進(jìn)行詳細(xì)的分析。掘進(jìn)的速度一般取決于掘進(jìn)時(shí)所產(chǎn)生的推動(dòng)力和掘進(jìn)泥土的數(shù)目。在施工需要進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，通過試驗(yàn)和實(shí)踐證明，合理的推進(jìn)力和速度應(yīng)該是20～40mm/min，如果遇到軟弱不均勻的情況，可以根據(jù)工程的情況和工期的需要，適當(dāng)?shù)亟档途蜻M(jìn)速率，同時(shí)要保證掘進(jìn)的速度一定，太快、太慢對(duì)盾構(gòu)的控制不利。在土壓平衡動(dòng)力施工中，當(dāng)出現(xiàn)盾構(gòu)的姿態(tài)偏差時(shí)，必須合理地選用不同的千斤頂，并適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)其應(yīng)力分布。同時(shí)，通過對(duì)盾構(gòu)后方灌漿的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)位移的調(diào)整。

6.3 壁后注漿

在施工中，為了便于挖掘和管片的組裝，盾構(gòu)機(jī)刀盤的直徑一般要比隧道本身的直徑稍大，這樣會(huì)導(dǎo)致襯砌在離開盾尾后產(chǎn)生一定的間隙。在圍巖出現(xiàn)變形崩塌之前，盾構(gòu)間隙能使圍巖處于應(yīng)力均衡狀態(tài)，并能穩(wěn)定地層，從而防止圍巖出現(xiàn)較大的位移，同時(shí)對(duì)襯砌進(jìn)行防水處理，保證了前期管片襯砌的安全性和合理性。

同步注漿技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是將盾構(gòu)機(jī)開挖和灌漿作業(yè)同時(shí)進(jìn)行，并通過在箱體外側(cè)設(shè)置注漿管或灌漿孔來實(shí)現(xiàn)。該方法不僅能保證隧道的防水性能，而且能有效地阻止因盾尾水滲透到封閉的土倉中而導(dǎo)致的噴射。

二次注漿，是指在通過施工區(qū)段后，進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)下一個(gè)工段，以保證隧道的環(huán)保和整體的穩(wěn)定性。比如，上一期工程段在其同步注漿過程中出現(xiàn)了施工缺陷，可以通過其管片內(nèi)的灌漿孔進(jìn)行二次灌漿。在同步注漿的過程中，如果有質(zhì)量問題，或者是同步注漿類的各種材料，體積會(huì)縮小，產(chǎn)生孔隙，從而減少盾構(gòu)機(jī)的沉降，并降低地鐵項(xiàng)目自身防水的主要壓力，提升其整體防水效果。通過以往大量工作經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐證明，注漿工作是地鐵盾構(gòu)法作業(yè)中的主要內(nèi)容，只有對(duì)注漿工作進(jìn)行有效的控制，才能確保地下沉降量在10mm 以下，以確保工程施工的安全。

6.4 盾構(gòu)接收階段

該階段是盾構(gòu)施工最后的階段，對(duì)整個(gè)盾構(gòu)施工效果有著一定影響，一般情況下，其主要是以貫通前最后50m 的范圍作為到達(dá)階段。所以施工者應(yīng)在具體使用中綜合考慮施工多個(gè)要點(diǎn)內(nèi)容，例如觀測(cè)洞門位置的探孔是不是有滲漏問題，加固土體，確保達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求和隧道軸線位置的重新評(píng)估、盾構(gòu)基座加固和洞門止水簾布的合理安裝等。

另外，在現(xiàn)場(chǎng)施工中應(yīng)合理布設(shè)控制點(diǎn)的導(dǎo)線，使得盾構(gòu)機(jī)可以依照既定姿態(tài)和要求平穩(wěn)進(jìn)入到洞中。同時(shí)掘進(jìn)至離洞口位置封門的100m 時(shí)，應(yīng)做好軸線位置的推進(jìn)和測(cè)量，調(diào)整好軸線；切口應(yīng)在距離封門10m 時(shí)，合理控制土量。距離一旦超過300～500mm 時(shí)，應(yīng)立即停止推進(jìn)工作，確保切口開挖面總體壓力能夠降到最低，保證盾構(gòu)機(jī)接收工作的安全性。

7 重難點(diǎn)位置施工措施

7.1 穿越既有建筑物安全措施控制要點(diǎn)

在通過有關(guān)大樓的盾構(gòu)施工過程中，要注意對(duì)切口的壓力均衡，防止過挖、欠挖，最大限度地降低平衡壓力的變化?？刂贫軜?gòu)推進(jìn)速度，采用低速掘進(jìn)方式，減小滾刀對(duì)巖土分界面的撞擊，一般情況下，速度為10～20mm/min，EPB 掘進(jìn)方式為2/3 艙氣體保壓方式。為了減少盾構(gòu)施工對(duì)地表的影響，采取了穩(wěn)坡法、緩坡法，并采取了不急糾、不猛糾的方法。

在進(jìn)入彎道時(shí)，為了降低每環(huán)的糾偏，必須事先進(jìn)行糾偏，以降低結(jié)構(gòu)的空洞?？刂仆阶{量，均勻、合理地壓注漿液，適時(shí)填充建筑孔洞和縫隙，降低施工期間土體變形的概率。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的變化情況，及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以確保壓漿工藝的施工質(zhì)量與效果；為有效地控制地基的后期沉降，保證地面建筑物的安全，做好二次注漿。對(duì)管片的裝配質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的控制，確保管片的環(huán)向和縱向接縫平整，不存在錯(cuò)臺(tái)和漏水現(xiàn)象。

7.2 側(cè)穿鐵路安全措施控制要點(diǎn)

為了保障鐵路的安全運(yùn)行，以防塌方、防沉降、防變形為主要控制目標(biāo)，采用試驗(yàn)段對(duì)施工工藝和不同地區(qū)進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)其進(jìn)行了逐級(jí)優(yōu)化，并將其歸納為“勻速、連續(xù)、均衡、飽滿”。

“勻速”是指在橫線上通過時(shí)，必須確保掘進(jìn)速度在一定的范圍內(nèi)，而不會(huì)有時(shí)間和空間的變化。

“連續(xù)”是為了在施工過程中加強(qiáng)設(shè)備和施工工藝的管理，以保證盾構(gòu)的持續(xù)工作和不間斷的工作。

“均衡”是指每一項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)都是穩(wěn)定的，在掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)速度、刀片轉(zhuǎn)矩始終處于一種動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。

“飽滿”是保證墻后灌漿、同步灌漿和二次灌漿充分、及時(shí)注漿，以保證在離開盾尾后，管片的施工孔隙能夠得到充分的充填。

7.3 盾構(gòu)穿越斷裂層技術(shù)措施

7.3.1 超前地質(zhì)雷達(dá)的檢測(cè)與預(yù)加固技術(shù)

利用超前地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)，在掘進(jìn)工作面前方3 個(gè)鉆孔直徑的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集與評(píng)價(jià)，并對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了實(shí)時(shí)的顯示，方便了現(xiàn)場(chǎng)的快速?zèng)Q策。當(dāng)?shù)侗P在距斷層20 圈左右時(shí)，TBM 模式將不再進(jìn)行掘進(jìn)，采用TBM 專用的超前鉆機(jī)（在30～50m 的深度），進(jìn)行跟管鉆井，設(shè)置水平鉆孔，與壓力計(jì)和水表相連，以進(jìn)一步了解斷層上盤圍巖的狀況和水壓；在需要的時(shí)候，使用雙液灌漿裝置，在刀盤前面一段距離內(nèi)提前注漿，以確保施工的安全性。

7.3.2 斷裂層的圍巖中采取的施工方法

在斷裂層中，每9m 為一個(gè)封閉環(huán)，封閉環(huán)的實(shí)施過程是：首先在TBM 橋段設(shè)置封閉環(huán)形作業(yè)區(qū)域，并配備注漿泵及注漿物料平臺(tái)；然后根據(jù)隧道管片的施工進(jìn)度，每隔5 圈進(jìn)行一次封口環(huán)注漿；最后采用化學(xué)注漿法或水泥-水玻璃雙液漿進(jìn)行注漿法。由于常規(guī)注漿料的灌漿凝固時(shí)間長、蔓延面積大、不易迅速封閉，因此使用化學(xué)灌漿材料或水泥-水玻璃，其具有凝固時(shí)間可控、擴(kuò)散范圍小、密封迅速等優(yōu)點(diǎn)。

7.3.3 盾構(gòu)工程的監(jiān)測(cè)和控制

強(qiáng)化施工現(xiàn)場(chǎng)的施工管理，確保超前探測(cè)、超前預(yù)加固、TBM 脫困施工、后期處理等工作的銜接。在地質(zhì)勘探、隧道設(shè)計(jì)和施工觀測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用超前地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)裝置，提前進(jìn)行地質(zhì)預(yù)測(cè)，并及時(shí)采取防范措施，最大限度降低因特殊巖性而導(dǎo)致的停工。在工程建設(shè)中，要強(qiáng)化工程的安全監(jiān)測(cè)，以控制地面建筑物的沉降指標(biāo)，控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，使隧道的收縮量在安全的范圍內(nèi)，以保障TBM 施工的安全。

7.3.4 地面沉降控制

在采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的情況下，盾構(gòu)施工中存在著地表塌陷的問題，這主要是盾構(gòu)機(jī)的刀片在旋轉(zhuǎn)切削時(shí)干擾了地層的結(jié)構(gòu)，或者由于注漿量、注漿速度等工藝參數(shù)的不合理，導(dǎo)致了地表的不均勻沉降和局部塌陷。

盾構(gòu)施工中地表沉降可以分為四種類型：前期沉降、開挖前沉降、盾構(gòu)開挖時(shí)的沉降、管片脫出尾盾時(shí)的沉降。為此，應(yīng)在前期進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查及前期準(zhǔn)備工作，合理設(shè)置注漿量、注漿速度、出土量、刀盤旋轉(zhuǎn)速度等技術(shù)指標(biāo)，以保持掘進(jìn)和盾構(gòu)面的平衡狀況作為主要質(zhì)量保證。同時(shí)，采取了盾構(gòu)掘進(jìn)方式的調(diào)整、襯砌接縫防水、盾尾同步注漿等綜合防治措施。

比如，按照盾構(gòu)機(jī)所在位置的地質(zhì)情況，采用敞開式、土壓平衡式、半敞開式等相應(yīng)的開挖方式；采用內(nèi)部灌漿或在接頭處填充橡膠止水帶；為了降低地層損耗，在盾構(gòu)機(jī)尾出現(xiàn)裂縫時(shí)，適時(shí)進(jìn)行同步注漿。

8 結(jié)語

城市軌道交通的建設(shè)可以減輕城市的交通壓力，降低城市的交通擁擠程度，從而最大限度滿足人民的出行需要。目前，我國的城市軌道交通具有較大的承載能力和較高的運(yùn)行速率，有效地改善了城市交通。盾構(gòu)技術(shù)是地鐵工程建設(shè)的重要技術(shù)，因此，施工單位要深入研究盾構(gòu)施工技術(shù)，掌握技術(shù)過程、關(guān)鍵技術(shù)，明確工程質(zhì)量控制的關(guān)鍵，建立清晰、明確的技術(shù)應(yīng)用思想，為地鐵工程質(zhì)量的提高提供技術(shù)支持。