盾構穿越地裂縫施工技術分析

張碉堡

隨著中國城市化的快速發(fā)展，城市建設者不斷開發(fā)地下空間，許多城市進行地鐵工程施工，全國各地出現(xiàn)了大量隧道群[1]。近年來，隧道施工中發(fā)生了許多安全事故。由于地下管線復雜，在隧道施工時對圍巖產生一定的擾動，常出現(xiàn)地裂縫、管片裂縫以及滲漏水情況，存在一定程度上的安全隱患，可能引發(fā)安全事故，對人們的出行安全造成了潛在威脅。為保證隧道施工的質量，減少經濟損失，避免人員傷亡，需要研究地下隧道的施工技術[2]。

地鐵隧道施工中常用盾構法推進和穿越土體，可不受地面交通、季節(jié)以及氣候等客觀因素的影響。在利用盾構法進行推進和襯砌的過程中能夠實現(xiàn)自動化控制，有力保障了隧道施工的效率。同時，由于盾構法在施工過程對圍巖擾動的影響較小，因此適用于松軟地層的施工，具有一定的安全性。為了解決當前隧道施工中容易出現(xiàn)的問題，本文對盾構法穿越地裂縫區(qū)域的技術進行研究，為地下隧道穿越地裂縫技術施工提供了依據(jù)，對施工區(qū)域地面結構物和地下管線的安全具有重要的現(xiàn)實意義。

1 盾構法概述

盾構法起源于19 世紀30 年代，用于修建地下隧道，在歐洲及日本等地具有較大的發(fā)展，技術水平較為先進。我國在盾構法的研究上起步較晚，從20 世紀60 年代開始使用盾構法進行施工，建成了第一座盾構法隧道。盾構隧道施工是利用盾構機暗挖隧道，在控制開挖面及圍巖穩(wěn)定的情況下挖掘隧道，滾鉤機內拼裝盾構管片，形成襯砌。完成隧道壁施工后，執(zhí)行注漿操作，避免出現(xiàn)圍巖坍塌的情況[3]。為了盡可能避免施工對地面建筑物和地基埋設物的影響，盾構施工的關鍵在于控制圍巖的擾動情況。因此，盾構機與相應設備的技術工藝煩瑣，盾構機的刀盤及鋼殼可以通過支護作用以及壁后注漿的方式，對開挖面縫隙進行填充。盾構機在盾體的支護下進行開挖與襯砌施工，并使用千斤頂快速推進完成隧道出渣以及管片拼裝等工作，具有施工速度快、機械化程度高的特點，管片質量可靠，為典型單層襯砌，在施工過程中對地層的改良和預支護的涉及較少，只有在盾構進出井外的施工中才進行相應施工處理。

2 盾構施工技術

2.1 施工難點及原因分析

地下隧道施工存在部分管片損壞情況嚴重和周邊水土壓力不均的情況，致使部分管片出現(xiàn)裂縫，最深處達242 mm。管片裂縫集中在隧道拱頂位置，管片滲漏水情況嚴重，最大錯臺量已經高于1/2的襯砌管片厚度，達172 mm，這對后續(xù)的修復施工提出了更為嚴格的要求。修復過程中需要保證管片結構不受過多擾動，保障結構安全，避免管片變形[4]。

施工過程中盾構受到不同相互作用力，使管片前端和后端的受力與實際情況存在一定偏差，造成管片開裂的情況。監(jiān)測到誤差后，糾偏管片時沒有將管片貼鋪平整也容易出現(xiàn)裂縫。盾構機掘進過程中的曲線段是施工的難點路段，對線路角度的控制具有嚴格要求。若千斤頂在推進時出現(xiàn)偏位現(xiàn)象，導致盾構機與管片軸線未完全重合，容易造成管片裂縫，使管片的滲漏水情況更加嚴重。

2.2 盾構施工方法

2.2.1 盾構施工測量

盾構施工測量是進行盾構掘進方向控制和盾構姿態(tài)控制的重要前提，盾構在進入緩和曲線與急曲線的前期和中期都需要進行隧道貫通測量。通過連續(xù)測量、隧道內導線測量復核盾構掘進方向，并基于地面控制網(wǎng)復測結果，在后續(xù)曲線段施工時為盾構機的姿態(tài)控制提供參考。為了保證急曲線的盾構施工效果，需要在急曲線情況下增加測量，進而及時了解盾構掘進狀態(tài)，調整掘進參數(shù)，保證盾構在急曲線情況下能夠合理控制盾構姿態(tài)。由于急曲線具有較小的半徑，并且可視距離短，測量數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)偏差，因此需要及時調整數(shù)據(jù)參數(shù)。在掘進過程中，盾構機的速度不宜過快，避免軸線間的夾角過大或盾尾間隙不均勻。同時，在砂層掘進時加注泡沫劑，緩解推力過大情況；采用雙注漿的方式封堵漏點，利用烘干機保持管片表面干燥；通過彈性膠泥，在清理管片嵌縫槽后進行注漿，使嵌縫填充完整[5]。

2.2.2 盾構掘進方向控制方法

采用隧道自動導向系統(tǒng)和人工測量輔助進行盾構姿態(tài)監(jiān)測，采用分區(qū)操作盾構機推進油缸控制盾構掘進方向。根據(jù)線路條件所做的分段軸線擬合控制計劃、導向系統(tǒng)反映的盾構姿態(tài)的信息，結合隧道地層情況，通過分區(qū)操作盾構機的推進油缸來控制掘進方向。在上坡段掘進時，適當增大盾構機下部油缸的推力和速度；在下坡段掘進時，適當增大盾構機上部油缸的推力和速度；在左轉彎曲線段掘進時，適當增大盾構機右部油缸的推力和速度；在右轉彎曲線段掘進時，適當增大盾構機左部油缸的推力和速度；在直線段掘進時，盡量使所有的推力和速度保持一致。

在均勻的地質條件下，保持所有油缸推力和速度一致；在軟硬不均的地層掘進時，根據(jù)不同地層在斷面的具體分布情況，遵循硬地層一側推進油缸的推力和速度適當加大，軟地層一側推進油缸的推力和速度適當減小的原則來操作。采用使盾構刀盤反轉的方法，糾正滾動偏差。允許滾動偏差不超過3°，當超過3°時，盾構機報警，提示操縱者必須切換刀盤旋轉方向，進行反轉糾偏。

2.2.3 盾構掘進姿態(tài)控制方法

實際施工中，由于地質突變等原因，盾構機推進方向可能會偏離設計軸線并超過管理警戒值。在穩(wěn)定地層中掘進，因地層提供的滾動阻力小，可能會產生盾體滾動偏差；在線路變坡段掘進，有可能產生較大的偏差。因此，地裂縫區(qū)域施工時，必須在預先掌握盾構姿態(tài)的前提下控制盾構單次糾偏的幅度，姿態(tài)調整應控制糾偏頻率和糾偏方位，將姿態(tài)調整控制在每環(huán)±5 mm 范圍內，保持糾偏量均勻穩(wěn)定，避免因過度過量糾偏而影響周圍土體，實現(xiàn)及時調整盾構機姿態(tài)、糾正偏差。

采用分區(qū)操作盾構機推進油缸調整盾構機姿態(tài)，糾正偏差，將盾構機的方向控制調整到符合要求的范圍。在急彎和變坡段，必要時可利用盾構機的超挖刀進行局部超挖來糾偏。對于渣土改良的控制是保證盾構持續(xù)掘進的關鍵。通過土體改良改善刀盤扭矩，可達到穩(wěn)定土倉壓力的目的。根據(jù)本文研究區(qū)域的地裂縫特點，采用分散性泡沫改進施工方法，在盾構掘進過程中適量增加泡沫劑及水的用量，并根據(jù)掘進情況實時調整，避免生成泥餅和土倉堵塞現(xiàn)象。

3 實例分析

3.1 現(xiàn)場工況

本文探討的施工區(qū)間為某市新建地鐵車站B 站至A 站的盾構施工段，施工的地質條件為粉質黏土層、粉細砂層，地下水為地下淺層水。淤泥質黏土層的總推力為7 000 ～11 000 kN，細砂土層總推力為11 000 ～14 000 kN。隧道直徑為6.2 m，襯砌環(huán)結構，環(huán)寬1.5 m，由西向東掘進，上方覆土12.15 m，拱頂至車站基底為8.796 m。隧道道床下為結構筏板基礎，埋深2.2 m，車站為地下兩層的島式車站，長331 m，寬20 m，為兩層雙向框架結構。結構沿縱向有兩道變形裂縫，地裂縫處理段共150 m，新建地鐵線路的左右線盾構隧道均從下方穿越，雖然為新建車站，但每個墊塊接縫部位均存在裂縫現(xiàn)象。過軌段隧底標高為24 m，實地勘察與監(jiān)測盾構基坑，結合已有地質資料，判定施工段未涉及層間潛水，且表層滯水不影響盾構施工。本文工程主要受潛水影響，在施工中土壓的設定需要充分考慮水壓。通過錯縫方式拼裝襯砌管片，3 塊標準管片，兩塊鄰接管片以及1塊封頂片，使用弧形螺栓，安裝拼接管片，并通過人工方式加固。

3.2 施工過程

本文施工可能造成地裂縫產生結構變形和沉降等情況，因此需要監(jiān)測隧道裂縫擴展、錯動情況及地面沉降。B 站至A站間左右線以22 ‰的坡度下坡270 m 到達最低點，以28 ‰的坡度上坡300 m 為大縱坡段，在此施工段布設12 個測縫計，監(jiān)測裂縫的變位情況。為了實時監(jiān)測隧道內滲漏水情況，在始發(fā)端設置降水井，并在端墻上設置水位觀測孔，使水位降至底板下1 m。管片受地下水浮力較大，掘進過程中應適當降低盾構機垂直姿態(tài)，避免成型后的管片因上浮導致垂直姿態(tài)過高。

根據(jù)盾構掘進趨勢、盾尾間隙、成型管片拼裝質量，選擇左右彎環(huán)拼裝點位，選擇±18°或者±54°的管片進行管片拼接。盾構出洞段的掘進要略抬頭向上，保證盾構能順利到達接收端導臺。盾構在暗挖段前復測洞內所有測量點，并及時針對復測結果進行糾偏，根據(jù)洞門鋼環(huán)實際位置調整盾構姿態(tài)，保證盾構機線路與隧道導軌線路重合。隧道貫通后，清除洞口渣土，在導軌端割出斜坡，角度約為30°。

空推段施工時，速度不易過快，前期速度為15 mm/min，待推進逐步穩(wěn)定后，適當提高速度到35 mm/min。管片出盾尾后，以人工方式緊固和拼裝管片。反力架運至現(xiàn)場后，將其放置于導臺預留槽中，并調整位置確保測量無誤后，加焊加固，安裝兩側反力架，并且與底部焊接牢固。

施工前，在施工區(qū)域的周邊環(huán)境與周圍巖土體埋設監(jiān)測設備，施工過程中，埋設工程支護結構的監(jiān)測設備。與此同時，采用精密水準測量的方法，布設高程控制網(wǎng)，實時監(jiān)測盾構推進時地表沉降規(guī)律、盾構推進對地表的影響程度。同時，還需對地下水位和地表及相關建筑物沉降狀況實施監(jiān)測。當監(jiān)測數(shù)據(jù)達到或超過管理基準值時，應停止施工，修正參數(shù)后方能繼續(xù)施工，以保證施工過程的安全。

3.3 結果分析

監(jiān)測盾構穿越地裂縫時的沉降變形情況，得到監(jiān)測縱向變形數(shù)據(jù)，分析縱向地表沉降的情況，從而分析出土體的影響范圍與沉降變化。若縱向地表沉降速率過大，會在盾構機穿越土體時引起結構物的傾斜，導致結構物向推進方向彎曲變形，對周圍土體擾動較大。因此，本文設定縱向沉降的警戒值為20 mm，通過監(jiān)測裂縫橫斷面軸線處的3 個監(jiān)測斷面的地表沉降量，得到結果如圖1所示。

圖1 斷面軸線處地表沉降與開挖面距離（來源：作者自繪）

由圖1 可知，盾構法推進對前方土體影響的范圍為-20 ～0 m，沉降量均在5 mm 以內，隨著距開挖面距離的增加，土體存在持續(xù)沉降的情況，并且沉降過程較為緩慢，沒有發(fā)生地表隆起的現(xiàn)象。盾構機在離開監(jiān)測斷面0 ～10 m 時，沉降量仍較大，沉降量達到了15 mm，但是距開挖面距離10 m 以后，沉降速率明顯減緩，沉降量較小，認定此時為盾尾脫出階段。同時，在注漿后，沉降量明顯減小，且地面有所回升。綜合分析可知，縱向沉降量均在警戒值范圍內，表明本文施工方法有效控制了土體沉降速率，降低了沉降量，減少了施工對隧道周圍土體的擾動，具有一定可行性。為進一步驗證本文盾構法穿越地裂縫的施工效果，觀測研究區(qū)域內的路基，得到的總沉降量，經過監(jiān)測數(shù)據(jù)整理得到結果如表1。

表1 監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總表

由表1 可知，所有監(jiān)測點中，2 號監(jiān)測點沉降量最大，15 號測隆起量最大，測點的波動范圍為-1.21 ～1.30 mm，所有測點的沉降量值均在允許沉降值范圍，因此盾構施工未影響該研究區(qū)域內的路基。有效控制了路基的形變量，降低了施工的影響范圍。

4 結語

本文深入闡述了盾構法，分析了項目的施工難點及原因，提出盾構穿越地裂縫施工方法。介紹現(xiàn)場工況并說明施工過程，分析施工效果，驗證本文方法的有效性和可行性。驗證分析得出，本文施工方法有效控制了施工對土體的影響，降低了沉降量。由于時間和條件的限制，本文的研究存在著諸多不足，有待于在今后的研究中不斷完善。同時，該項目未全部竣工，需在項目全部竣工后統(tǒng)計整個項目的監(jiān)測數(shù)據(jù)，不斷完善本文方法，提高盾構法的施工效果，保證施工的安全性和可靠性。