地鐵復雜地質(zhì)條件的盾構施工技術

龍亮

中國水利水電第十四工程局有限公司 云南 昆明 650041

引言

隨著我國城市建設的不斷深入發(fā)展，地鐵在城市交通中的應用越來越多，且應用效果日益突顯出來，有效地緩解城市交通壓力。然而地鐵工程施工建設與其他普通工程項目施工相比，具有施工難度非常大，復雜性強，且投資大等特點。特別是面臨復雜地質(zhì)條件時，一旦處理不當極可能引發(fā)嚴重的安全和質(zhì)量問題，所以，有必要進一步加大對地鐵復雜地質(zhì)條件下施工技術的研究。

1 地鐵復雜地質(zhì)條件下的盾構施工組織管理分析

1.1 工藝和盾構機的選擇

對于地鐵工程來講，其主戰(zhàn)場為地下，因地下地質(zhì)條件和環(huán)境較為復雜，所以在具體的地鐵工程施工中為了確保工程施工質(zhì)量和安全，往往需要對盾構機的施工方法和工藝進行研判和提前籌劃。另外，當施工區(qū)段地層比較復雜和施工條件受限時，通常需要提前制定施工方案，提出應對措施，并進行方案論證和細化。對于復雜的程度來講，一旦在某個環(huán)節(jié)中發(fā)生錯誤必定會對工程的施工質(zhì)量、效果何安全等造成影響。因此，在地鐵施工建設中對于施工工藝技術的要求也比較高，不僅要全面做好地面沉降反應的控制，而且還需對地面沉降量的問題加以控制，切實有效地將其控制在一定范圍內(nèi)，以確保盾構施工的順利進行、地面的安全及管片成型的質(zhì)量[1]。

1.2 施工準備

在地鐵工程建設中，復雜地質(zhì)條件下的盾構施工往往會存在著很大的施工風險，為了降低風險對工程施工造成影響，通常提前進行籌劃，做好相關準備工作。如在施工前需對施工區(qū)域及線路環(huán)境、地層、建構筑及管線等風險源展開全面細致識別，根據(jù)識別結果采取不同的措施，通過技術方案進行細化。對于風險較大路段需作為重點勘測對象，還需在具體的施工作業(yè)前展開科學合理的方案設計和技術交底等工作，盡可能做到提前謀劃，技術先行，對施工問題提前制定應對措施。

1.3 對盾構機性能進行把握

一般來講，盾構施工算是流水作業(yè)，如果要確保盾構施工連續(xù)，不間斷，就需要施工人員要對盾構機的性能做全面地了解和掌握，通過各個環(huán)節(jié)的把握，對設備的了解、對施工流程的熟悉等，提前制定施工計劃，備足施工所需的耗材、主材及配件，以免因各種原因造成不必要的停機，從而產(chǎn)生各種風險。

1.4 嚴格落實施工設計方案

有研究表明，在復雜地質(zhì)環(huán)境下，盾構施工過程中往往需要面對較為復雜的施工工藝，且各施工工藝技術與施工條件又有著十分緊密的聯(lián)系。在實際施工過程中，一旦某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)質(zhì)量問題，就會對整體工程施工質(zhì)量造成影響。所以，在具體的盾構施工階段，需要嚴格按照施工方案開展施工作業(yè)，切實保證各項施工能夠與實際施工規(guī)范及要求相符合，全面有效地落實好工程質(zhì)量管理與控制工作。如對于地鐵隧道注漿的施工需要采取科學合理且有效的控制措施，以免出現(xiàn)施工安全問題；在對管片拼裝和選型時需對其質(zhì)量加以考慮，切實保證盾構機能夠實現(xiàn)正常、穩(wěn)定作業(yè)[2]。

2 影響盾構施工安全的因素分析

2.1 土倉壓力的影響

在盾構推進過程中，土倉壓力的設置往往會根據(jù)不同地層、不同埋深和不同的水頭壓力而進行設定，為了更好地了解不同土倉壓力與地面沉降之間的聯(lián)系，本文通過對成都砂卵石地層埋深20m左右不同土倉壓力下地面沉降數(shù)據(jù)的不同進行分析。

2.1.1 不同土倉壓力條件下，地面的沉降變化情況。通過對不同土倉壓力掘進條件下的地面沉降數(shù)據(jù)分析、歸納并總結。當掘進時土倉壓力值2.1bar左右時，隧道正上方的沉降最大，數(shù)據(jù)約為4mm/d沉降速率也最快，隨著盾構往前推進，沉降速率逐漸降低，最終沉降基本控制在7mm范圍內(nèi)。當土倉壓力降低至1.8bar左右時，隧道正上方的沉降最大，數(shù)據(jù)約為6mm/d沉降速率也最快，隨著盾構往前推進，沉降速率逐漸降低，最終沉降基本控制在11mm范圍內(nèi)。

2.1.2 不同土倉壓力下條件，應力變化情況。盾構機土倉壓力的不同，隧道內(nèi)未開挖部分的地層應力也各不相同。在具體的施工過程中，應力對盾構開挖刀盤前方位置的土體往往產(chǎn)生較大的影響，特別是會表現(xiàn)出極大的主動應力，但土體上方位置的應力往往比較小，盾構機開挖面周邊土體的應力通常會發(fā)生較大的變化，且隨著土倉壓力的不斷增大，掌子面壓力也會越來越大[3]。

2.2 注漿量的影響

在地鐵盾構施工中，隧道工程是其施工的主體，在具體的開挖過程中通常需要同步襯砌預制管片，而管片的設置通常需堅持一定的原則，同時，還需對于管片與隧道土體間存在的空隙使用注漿填充作業(yè)進行填充，盡可能降低地表沉降和管片滲漏水的發(fā)生，以使其周圍土體得到一定的改善。在具體施工作業(yè)期間，需要結合盾構機開挖直徑及管片的外徑計算出理論的注漿量。在實際施工過程中，注漿分為同步注漿，二次注漿及后續(xù)頂管注漿，同步注漿需要合理設置理論量，若注漿量多了容易竄入土倉內(nèi)造成資源浪費、地面冒漿、土倉內(nèi)結泥餅、地面隆起等問題，注漿量少了易造成管片失穩(wěn)，上浮下掉等問題，因此在同步注漿后需要及時補充二次注漿，對因同步注漿未填充密實的壁后進行補充，以確保管片及地面的穩(wěn)定，當二次注漿也無法滿足施工要求或地層中存在空洞時，可采取頂管注漿進行鞏固。所以，在實際的盾構施工階段，需要結合實際各項數(shù)據(jù)分析對注漿量及注漿方式進行合理確定。

2.3 隧道穿越不同地層的影響

在地鐵工程施工中面臨復雜地質(zhì)條件的情況下，運用盾構施工技術時，穿越的地層有著較大的差異，如在穿越上軟下硬地層時，由于地層上下強度不同，盾構機掘進時容易造成漂移、姿態(tài)不容易往下走等問題，因而導致掘進速度變慢，姿態(tài)不可控，地面沉降增大等風險。因此在上軟下硬地層施工時，需要適時增加土倉壓力，使推進力增加從而加大上下油缸的壓力差，控制出土量、增加同步注漿量等措施，控制盾構掘進姿態(tài)及地面沉降情況。

3 地鐵復雜地質(zhì)條件下盾構施工技術分析

3.1 土壓平衡模式盾構施工技術

3.1.1 土壓的選擇。對于土壓式平衡盾構機來講，是通過盾構開挖時開挖倉內(nèi)建立相對正壓力。在對其掘進施工過程中，通常需要與地層的表現(xiàn)特征、實際條件等結合起來加以考慮。一般來講，土壓平衡盾構施工時需要使用泡沫劑及水來對渣土實施改良，以確保渣土的流動性能，使螺旋機能順利將土排出，并且能在螺旋機內(nèi)形成有效土封效果。在這種模式下需要根據(jù)地層埋深等情況對土倉壓力進行設置，保證土倉壓力與掌子面水土壓相對平衡。土壓平衡掘進模式通常適用在復雜的泥巖、砂巖、砂卵石地層和上軟下硬的多種地層上，而在這種較為復雜的地層進行掘進作業(yè)時，往往難以控制土倉壓力，所以，這就需要施工人員切實做好各細節(jié)位置的處理，保證掘進施工[4]。

3.1.2 掘進參數(shù)的確定。在對土壓平衡盾構機進行使用前，需要施工方嚴格按照隧道的埋深、現(xiàn)場地質(zhì)條件等為依據(jù)對掘進的參數(shù)進行確定，如掘進的速度、刀盤轉速、推力、扭矩和盾構注漿量等都需要做進一步的明確。另外，還需全面做好監(jiān)測工作，切實以監(jiān)測有關反饋及時有效地調(diào)整現(xiàn)場數(shù)據(jù)。在應用土壓平衡法進行施工時，需要使用螺旋機旋轉以實現(xiàn)土層的動態(tài)平衡，在實際施工過程中，還需要科學合理地控制好螺旋機的轉速和壓力，盡可能保證施工作業(yè)的有序開展。

3.1.3 盾構機姿態(tài)的控制。在地鐵復雜地質(zhì)進行掘進作業(yè)時，需要對盾構機的姿態(tài)進行合理控制，尤其是在一些土層變化大的硬巖石層中想要對盾構機的姿態(tài)進行糾正是十分困難的。許多實踐表明，對于盾構機姿態(tài)的糾偏通常需要使用千斤頂壓力差及鉸接油缸以達到良好的效果，但在使用千斤頂進行糾偏時會使刀具的磨損增大，甚至還有可能會致使盾構機出現(xiàn)被卡、管片錯臺等故障問題，所以，在具體的施工作業(yè)時，需要嚴格遵循勤糾偏、緩糾偏的基礎原則來展開，切忌糾偏過大，以免使施工作業(yè)難度加大。

3.2 泥水平衡模式盾構施工技術

3.2.1 泥水性能的確定。想要對泥水的性能進行確定，就需要先確定其密度。在掘進過程中泥漿的存在可以很好地減少開挖面發(fā)生變形的情況。一般來講，可以通過提高泥漿的密度使其與開挖土體的密度保持一致，但在具體的實踐作業(yè)中，如果泥漿的密度過大，極可能使泥漿泵的處理能力受到嚴重的影響，而致使泥漿處理工作難度加大，甚至還有可能會引發(fā)泵運轉故障問題，若泥漿比重太低而使攜渣困難，容易造成沉倉結泥餅等風險。

3.2.2 掘進參數(shù)的確定。在對復雜地層進行掘進作業(yè)時，需要確保切口壓力具有較強的穩(wěn)定性，且推力與刀盤轉速達到良好的水平狀態(tài)。在對盾構姿態(tài)進行控制時，需要通過導向油缸長度調(diào)整和推進壓力的方法來展開，如遇到上軟下硬的土層時，因上層砂層自身的穩(wěn)定性比較差，只需要做少許的切削扭轉，而隨著下層土層硬度的不斷提高，刀具的阻力不斷增大而致使刀具造成較大的損傷，尤其是在軟硬土層相連的部位較為明顯。因此，在具體的掘進作業(yè)時，為了有效減少刀具荷載作用力，可以對刀具的扭矩做適當提升，減緩刀盤的轉速。如果掘進速度過快，會使泥水輸送壓力和處理壓力增大，進而可能引發(fā)超挖的情況[5]。

4 地鐵復雜地質(zhì)條件下盾構施工需要注意的事項

4.1 重視開挖前的勘測

在具體的挖掘施工前，通常需要對掘進的路線做好全面地勘測作業(yè)，以實現(xiàn)對掘進路線中的地質(zhì)情況進行有效把握。如對于土層和斷層薄弱的部分可以結合勘測數(shù)據(jù)制定與之相適應的措施加以防范，盡可能有效地對影響盾構施工因素進行控制。另外，還需結合地質(zhì)情況建立科學合理的盾構機維保機制，并具有針對性地制定相關應急預案。在具體的盾構機作業(yè)過程中，需嚴格按照地質(zhì)勘測結果對地質(zhì)的變化情況進行全面了解，以保證盾構施工質(zhì)量。

4.2 避免管片上浮

在實際的盾構施工過程中，一旦發(fā)生管片上浮，會對盾構施工的正常進行造成阻礙，所以，在具體的施工作業(yè)前，有關施工人員需對地質(zhì)情況進行精準地勘測，并嚴格按照相關參數(shù)做相應的指導，一旦管片發(fā)生上浮問題時能夠及時對其做適當?shù)卣{(diào)整。另外，還需結合工程施工的實際情況，使用千斤頂對盾構掘進的速度進行合理控制，以提高工程的整體施工質(zhì)量，有效規(guī)避坍塌故障的發(fā)生。

4.3 規(guī)避地面沉降

在地鐵復雜地質(zhì)條件下進行盾構施工過程中常常發(fā)生沉降問題，所以，在具體的盾構施工前，需事先結合工程的實際情況及勘測結果制定科學合理的預防措施，同時，選擇與之相符合的盾構機，盡可能規(guī)避地面沉降問題的出現(xiàn)。另外，因注漿也會影響地面沉降問題，所以，還需結合土質(zhì)參數(shù)對注漿的時間、速度等做適當?shù)卣{(diào)整，從而保證工程施工質(zhì)量。

5 結束語

綜上所述，在現(xiàn)階段社會經(jīng)濟日益發(fā)展的環(huán)境背景下，國內(nèi)城市交通壓力逐漸增大，城市交通系統(tǒng)建設中，地鐵工程的建設成了一項十分重要的組成內(nèi)容。在地鐵工程建設過程中，因受到復雜地質(zhì)環(huán)境的影響而致使在實際施工過程中面臨著許多問題，通過科學合理地使用盾構施工技術，可以很好地解決復雜地質(zhì)環(huán)境對施工造成的影響，從而確保工程能夠實現(xiàn)正常、穩(wěn)定開展。