復(fù)雜地層條件下地鐵工程盾構(gòu)施工技術(shù)安全控制研究

牛婷婷

（中鐵二十局集團南方工程有限公司，廣東 廣州 511340）

0 引言

盾構(gòu)法是地鐵工程施工中常見的施工技術(shù)，因其具備自動化、施工速度快以及作業(yè)安全系數(shù)高等優(yōu)點而被各地鐵工程廣泛應(yīng)用，尤其是對于城市中心地段以及周邊情況較為復(fù)雜的地段等，盾構(gòu)施工技術(shù)的作用和價值表現(xiàn)得更加突出。同時，地鐵盾構(gòu)工程施工具有地質(zhì)條件復(fù)雜、建筑物密集以及地下水位較高等特點，所以施工難度和技術(shù)要求非常高。相關(guān)工作人員應(yīng)該充分認(rèn)識到該施工環(huán)節(jié)的重要性，并不斷提高自身水平和能力，保障在復(fù)雜地層條件下，我國地鐵工程盾構(gòu)施工的順利完成，為地鐵工程建設(shè)和施工技術(shù)的完善保駕護航。

1 盾構(gòu)施工技術(shù)概述

盾構(gòu)的選型要結(jié)合施工地點具體的地質(zhì)特征確定，包括水文特征、地貌地面建筑物以及地下管道的走向等。不同地層會產(chǎn)生不同的作用力，對盾構(gòu)施工的要求也不盡相同。

根據(jù)不同的地層結(jié)構(gòu)選擇合適的盾構(gòu)施工方案，包括刀具、開挖直徑以及盾構(gòu)機的總廠選擇等，以此保證施工要求的順利完成，并保障施工質(zhì)量。

以貴陽地質(zhì)地層情況為例，貴陽地鐵所在場內(nèi)分布地層地質(zhì)為人工填土（Qml）、殘積紅黏土（Qel）；基巖為三疊系下統(tǒng)安順組（T1a）泥質(zhì)白云巖、大冶組（T1d）中風(fēng)化灰?guī)r。殘坡積層（Qe1）為紅黃、黃色黏土夾少量碎石，主要分布在洼地、溶槽及緩坡地帶。基巖為安順組、大冶組。不良地質(zhì)情況有強風(fēng)化巖、填土、軟弱夾層、紅黏土、巖溶等[1]。

以西安地質(zhì)地層情況為例，西安地鐵所在地場內(nèi)地基土的組成自上而下為：人工填土；第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、飽和軟黃土、古土壤；中更新統(tǒng)風(fēng)積老黃土、沖積粉質(zhì)黏土及砂類土等。隧道穿越地層為：古土壤、老黃土及粉質(zhì)黏土。

2 地鐵盾構(gòu)施工中存在的風(fēng)險因素

2.1 自然因素

地鐵盾構(gòu)施工基本上在地下進行，所以在施工過程中，受自然因素的影響較大。地質(zhì)條件和氣候環(huán)境都存在著不確定性，所以在施工過程中一旦遇到地質(zhì)條件復(fù)雜的情況，就會造成盾構(gòu)施工產(chǎn)生各種安全問題，不但影響施工進度，還會對人們的生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的威脅。

2.2 人為因素

在地鐵工程盾構(gòu)施工過程中，人為因素是對其影響比較嚴(yán)重的環(huán)節(jié)，而其主要造成的影響是在施工方案設(shè)計階段。在地鐵工程盾構(gòu)施工開展之前，相關(guān)管理人員和設(shè)計人員要進行地質(zhì)勘察以及技術(shù)可行性分析評估，對施工過程中可能出現(xiàn)的問題和風(fēng)險進行預(yù)測，并制定相應(yīng)的解決措施。但是由于施工前的準(zhǔn)備工作千頭萬緒，設(shè)計人員在開展工作過程中難免出現(xiàn)失誤或者遺漏重要信息的情況，這些情況容易造成設(shè)計方案不合理或者財務(wù)資金投入風(fēng)險，資金分配不均或者施工技術(shù)可行性有待商榷的問題，為后期地鐵工程盾構(gòu)施工環(huán)節(jié)的順利進行帶來一定的潛在風(fēng)險和問題，影響施工進度和施工安全[2]。

2.3 盾構(gòu)選型因素

盾構(gòu)選型主要指盾構(gòu)機的選擇，這一過程是保障盾構(gòu)施工技術(shù)安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在實際的施工中，必須根據(jù)施工地點的實際情況進行合理的選擇，保證盾構(gòu)機的合理性和適用性。首先，刀盤道具是盾構(gòu)機的主要組成部分，而且盾構(gòu)機的施工作業(yè)主要是靠盾刀盤以及相應(yīng)刀具的突進來實現(xiàn)挖掘作業(yè)的，所以施工地點的地質(zhì)情況對刀具以及刀盤的影響比較大。在選擇刀盤和刀具時，要結(jié)合實際的地質(zhì)情況，保證刀盤以及刀具硬度以及強度的合理性，避免施工過程中出現(xiàn)較為嚴(yán)重的磨損情況。其次，盾尾密封也是較容易出現(xiàn)施工質(zhì)量問題的關(guān)鍵部位。盾尾失效容易造成泥水泄漏的問題，而這一問題是帶來地鐵道路沉降問題的主要因素，所以在施工過程中要保障盾尾的密封性，利用防水性以及密封性較好的油脂進行密封，能夠起到良好的保護作用。

3 復(fù)雜地層條件下地鐵工程盾構(gòu)施工技術(shù)要點

以我國的地鐵工程項目施工情況為例，當(dāng)前我國盾構(gòu)技術(shù)主要分為三種，其主要特點如表1 所示。

表1 國內(nèi)盾構(gòu)施工隧道典型工程

3.1 土壓式平衡掘進技術(shù)

復(fù)雜地質(zhì)條件下對土壓式平衡掘進技術(shù)的應(yīng)用，需要充分結(jié)合土層特點進行選擇。一般該技術(shù)主要分為敞開式、半敞開式以及土壓平衡式三種工作模式，不同的土層特點需要選擇不同的施工方式。土壓式平衡盾構(gòu)的主要工作參數(shù)如表2 所示。

表2 土壓式平衡盾構(gòu)主要工作參數(shù)

如在硬度較高的全斷面巖層條件下，就需要用到敞開式盾構(gòu)模式，而土層較軟的情況則用土壓平衡模式，并且結(jié)合具體的施工需要和后期投產(chǎn)使用的實際情況，對土層進行科學(xué)合理的改良，以保證更好的施工效果。另外，表2 中的相關(guān)參數(shù)，可以根據(jù)不同施工情況的需要對相應(yīng)的道具以及扭矩和轉(zhuǎn)速等進行合理的調(diào)整，以保證在復(fù)雜地層條件下，地鐵隧道施工能夠順利進行。還有一點需要施工人員和技術(shù)人員格外注意的是，在復(fù)雜地層情況下開展盾構(gòu)施工，需要嚴(yán)格把控注漿壓力和速度，以保證盾構(gòu)機管片的正常運行，避免出現(xiàn)上浮問題，保證注漿質(zhì)量，以此保證盾構(gòu)施工的順利進行并為后期施工質(zhì)量奠定良好的基礎(chǔ)。

3.2 泥水加壓式盾構(gòu)掘進技術(shù)

泥水加壓式盾構(gòu)掘進技術(shù)的應(yīng)用相對來說較為普遍，在具體的施工環(huán)節(jié)開始之前，施工人員要結(jié)合地鐵工程施工地點的實際情況對水泥密度進行檢測，確定泥水密度符合國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。這一環(huán)節(jié)對于整個泥水加壓式盾構(gòu)掘進技術(shù)的應(yīng)用是十分關(guān)鍵的，只有準(zhǔn)確合理的泥水密度，才能保證泥水性能的穩(wěn)定性，保證施工速度和施工質(zhì)量。從實際的施工過程中來看，泥水的密度不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的話，會加大泥漿泵運轉(zhuǎn)的阻力，一方面影響施工效率，另一方面對泥漿泵等相關(guān)施工設(shè)備有較大的影響，容易造成運轉(zhuǎn)故障，不僅影響施工進度，還會造成一定的經(jīng)濟損失。所以在實際的施工過程中，相關(guān)工作人員要嚴(yán)格結(jié)合地鐵施工地點的涂層結(jié)構(gòu)和施工機械設(shè)備的實際功能和性能，明確泥水密度。另外，在使用該技術(shù)的過程中，要對機械切口進行全面的檢查，保證切口壓力的穩(wěn)定性，同時在掘進過程中要合理地降低盾構(gòu)機推力和刀盤的運轉(zhuǎn)速度，根據(jù)施工需要調(diào)整導(dǎo)向油缸的長度和推進壓力，進而有效保障泥水加壓式盾構(gòu)掘進技術(shù)的施工質(zhì)量。

3.3 隧道姿勢控制

對于隧道姿勢控制環(huán)節(jié)來說，線性控制是該施工環(huán)節(jié)的重要內(nèi)容。線性控制的主要任務(wù)是保證盾構(gòu)施工位置的合理性，并且使其的誤差在允許范圍內(nèi)。所以，相關(guān)工作人員需要在盾構(gòu)施工之前對隧道內(nèi)的相關(guān)參數(shù)進行管理測量，施工人員在管理測量過程中要嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)定并使用合理的測量方式以保障測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而保障盾構(gòu)施工的順利進行，并提高施工效率。在盾構(gòu)施工過程中，要時刻關(guān)注盾構(gòu)推進方向，并對出現(xiàn)的偏差及時糾正，全面掌握盾構(gòu)推進的計劃線路與施工路段實際線路的偏差，對于管理措施要嚴(yán)格執(zhí)行，基本上根據(jù)地鐵工程施工的實際情況，每天進行兩次管理和檢測。對于組裝完成的，及時測量防護罩各方向的偏差，即縱向、橫向以及旋轉(zhuǎn)偏差，以確保相關(guān)工作人員能夠及時查看防護罩的實際狀態(tài)。而對于盾構(gòu)以及管片的位置，相關(guān)工作人員可以在施工過程中科學(xué)合理地測量千斤頂?shù)男谐滩罨蛘叨芪查g隙來確定盾構(gòu)機實際的運行情況，除此之外在資金允許的情況下，可以安裝自動測量系統(tǒng)，以保證施工過程中能夠及時、高效、準(zhǔn)確地獲取測量數(shù)據(jù)。

4 優(yōu)化復(fù)雜地層條件下地鐵工程盾構(gòu)施工技術(shù)措施

4.1 保障道具組合以及設(shè)計方案的合理性

在實際的施工過程中，相關(guān)設(shè)計人員以及施工人員需要對地鐵施工地點的實際地質(zhì)情況進行全面的勘察，保證道具選擇的合理性，并且在特殊區(qū)域內(nèi)能夠及時地調(diào)整、更換道具組合。這一施工環(huán)節(jié)要嚴(yán)格按照施工標(biāo)準(zhǔn)進行，以保證施工質(zhì)量以及施工過程的穩(wěn)定性。一般來說，道具間距用在10cm 以內(nèi)，道具高度保證在30cm 以上。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗，在控制刀盤開口環(huán)節(jié)，應(yīng)該保證其開口率在30%～40%之間，以保證開口效果，從而有效提高盾構(gòu)掘進的施工效率和質(zhì)量。

4.2 重視盾構(gòu)密閉的重要性

在地鐵工程盾構(gòu)施工過程之中，很容易發(fā)生地下水的灌入，所以相關(guān)工作人員要格外注意盾構(gòu)的密閉性，避免地下水同注漿漿液從盾尾灌入隧道。在實際的施工過程中，需要在盾尾鋼絲刷位置壓注盾尾油脂，以保證盾尾的密封性，從而有效保證盾構(gòu)的密封功能，同時能夠有效避免盾構(gòu)施工過程中出現(xiàn)密閉性損傷的情況。除此之外，相關(guān)工作人員在施工時可以選擇合理寬度的管片來優(yōu)化盾尾區(qū)域的實際施工情況以及盾構(gòu)機的運行情況，從而有效避免在施工過程中出現(xiàn)積壓損傷的狀況，這種方式能夠有效保證施工的正常作業(yè)，同時能夠保障盾構(gòu)機的安全性。尤其是復(fù)雜地層條件下，經(jīng)常遇到橫跨地下河流的情況，施工人員一方面要防止砂漿灌入，另一方面要對受損的盾構(gòu)結(jié)構(gòu)進行及時的更換，以保證施工項目的順利進行。

4.3 注意盾構(gòu)施工應(yīng)用于巖層地質(zhì)

復(fù)雜地層條件下，地鐵工程盾構(gòu)施工過程中遇到最多的問題就是巖層地質(zhì)環(huán)境，這種情況是整個地鐵施工工程風(fēng)險最大的區(qū)域，尤其是施工區(qū)域出現(xiàn)巖層軟硬不均的情況時，經(jīng)常使得道具與不同性質(zhì)的巖層接觸而產(chǎn)生一定的不穩(wěn)定性，進而使盾構(gòu)機道具出現(xiàn)異常振動的問題。在實際的施工過程中，一旦出現(xiàn)刀盤卡頓的情況，容易發(fā)生安全事故，影響施工安全，所以施工人員應(yīng)該格外重視刀盤異響的情況。對于這類問題，要及時對刀具以及刀盤的運行狀態(tài)以及作業(yè)情況進行全面檢查，保證刀盤運行的良好。另外，對扭矩和底盤掘進速度也要格外關(guān)注，避免刀盤因溫度問題而出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損情況。

4.4 注意盾構(gòu)施工始發(fā)、接收風(fēng)險

在盾構(gòu)施工過程中始發(fā)、接收時遇到的風(fēng)險較大，如不能在始發(fā)及接收前將風(fēng)險歸零，對正常始發(fā)和完美貫通都有很大影響。在始發(fā)及接收前一定要和前期地質(zhì)單位溝通確定地質(zhì)、地層情況，根據(jù)具體情況確定風(fēng)險控制及相應(yīng)措施。如西安地鐵六號線鐘樓—大差市區(qū)間右線盾構(gòu)始發(fā)、接收風(fēng)險：始發(fā)及接收端加固地層以4-1 老黃土、4-3 粉質(zhì)黏土夾中砂層為主，且地下水位較高(尤其是大差市始發(fā)端)，覆土埋深約18m，地下水埋范深約12.8m，加固下部所含中砂層致使旋噴樁加固頂難以保證，同時加固深度較大（24～26m），加固止水易失敗，故采用φ800mm 間距為600mm 的地表雙重管旋噴樁加固，加固范圍為縱向8m，水平豎向加固范圍為隧道拱頂以上4m 至底板以下2m，隧道兩側(cè)3.0m 的洞身范圍，以防止掌子面滲水、流砂、地表沉降開裂等問題。西安地鐵六號線大差市—長樂門站區(qū)間始發(fā)端頭位于地下水位以下，地層為4-1-3 老黃土，故采用φ800mm 間距為600mm的三重管旋噴樁加固，加固長度8m，加固寬度、高度、深度超出盾構(gòu)輪廓線3m、4m、2m，輔助降水，有效防止洞門涌水涌泥、地面沉陷等問題。

5 結(jié)語

綜上所述，地鐵施工的難度較大，尤其是在復(fù)雜地質(zhì)條件下，面臨的挑戰(zhàn)更加嚴(yán)峻，相關(guān)單位和負(fù)責(zé)人要全面認(rèn)識到地鐵工程的重要性，有針對性地提高我國盾構(gòu)施工技術(shù)，有效規(guī)避地鐵工程施工中的不利因素，保障施工進度和施工質(zhì)量，不斷提高施工水平，引進先進的盾構(gòu)技術(shù)，全面結(jié)合我國的地質(zhì)特點，充分發(fā)揮盾構(gòu)技術(shù)的最大作用，促進我國交通事業(yè)的全面發(fā)展。