城市地下軌道交通盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)研究

摘要：采用盾構(gòu)法進(jìn)行城市地下軌道交通施工時(shí)，受地層移動與地表變形的影響易發(fā)生隧道結(jié)構(gòu)破壞等事故。為此需要針對城市地下軌道交通盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)展開進(jìn)一步研究。根據(jù)地層特性確定盾構(gòu)機(jī)的型號和刀盤、刀具的類型，根據(jù)掘進(jìn)參數(shù)后控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，并在掘進(jìn)過程中，合理向管片壁后同步注漿進(jìn)行護(hù)壁。實(shí)例結(jié)果表明，盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)間地表最終累積沉降量為19.81mm，在控制范圍內(nèi)，證實(shí)了該施工技術(shù)的合理性。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)掘進(jìn)；刀盤；注漿；沉降量

0" "引言

隨著我國建筑領(lǐng)域相關(guān)制度與法規(guī)的不斷完善，人們對城市地下軌道交通施工技術(shù)的要求逐漸嚴(yán)格。地下軌道交通工程作為一項(xiàng)需要耗費(fèi)大量時(shí)間與精力的復(fù)雜工程，不僅施工難度較大，而且對施工質(zhì)量的要求較高，盾構(gòu)法因其施工速度快、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于地下掘進(jìn)工程中。

在軌道交通區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中，復(fù)雜的地下環(huán)境勢必會對盾構(gòu)掘進(jìn)的各項(xiàng)參數(shù)造成一定影響，不同地質(zhì)條件下的城市軌道交通工程，盾構(gòu)施工參數(shù)各不相同。盾構(gòu)法施工對地質(zhì)參數(shù)變化較為敏感，為此我國城市地下軌道交通工程不能簡單地借鑒國外已建盾構(gòu)工程的研究成果和經(jīng)驗(yàn)。在此背景下，如何對盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，滿足城市地下軌道交通工程實(shí)際需求，成為我國工程領(lǐng)域迫切需要解決的一個(gè)難題。本文針對城市地下軌道交通盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)進(jìn)行研究，詳細(xì)闡述了盾構(gòu)機(jī)選型、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)及注漿護(hù)壁這幾個(gè)關(guān)鍵工序內(nèi)容，并依托實(shí)際工程對所設(shè)計(jì)盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1" "盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1" "盾構(gòu)機(jī)及其刀盤、刀具選型

1.1.1" "盾構(gòu)機(jī)選型

一般來說，盾構(gòu)機(jī)在不同地質(zhì)類型下城市軌道交通工程的適用范圍各不相同，所以在進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)，首先需要結(jié)合工程實(shí)際地質(zhì)特點(diǎn)，選擇工況適應(yīng)性較好的盾構(gòu)機(jī)機(jī)型，從而確保城市地下軌道交通工程的順利施工[1]。當(dāng)下，我國建筑領(lǐng)域中常用的盾構(gòu)機(jī)主要有土壓和泥水這兩種類型。其中土壓盾構(gòu)機(jī)具有出土效率高、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但因在掘進(jìn)過程中，土壓盾構(gòu)機(jī)需要對土層施加一定的壓力以保持穩(wěn)定，導(dǎo)致其切削力和扭矩較大，容易引起上層地表的變形。而泥水盾構(gòu)機(jī)則與之相反。泥水盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中，盾殼擺動較小，不易造成地表變形，但其有采購成本較高、排土效率低的缺陷。所以實(shí)際施工中，需要根據(jù)地下軌道交通施工現(xiàn)場的地質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的選型。

如果城市地下軌道交通施工現(xiàn)場地層滲透系數(shù)較大，宜采用泥水盾構(gòu)機(jī)。如果施工現(xiàn)場地層滲透系數(shù)較小宜，采用土壓盾構(gòu)機(jī)。如果現(xiàn)場地層滲透系數(shù)在10-7～10-4m/s之間，選用兩類盾構(gòu)機(jī)都可以，但需根據(jù)施工成本、施工現(xiàn)場的環(huán)境保護(hù)等因素進(jìn)行綜合考量，以便選出最合理的選型[2]。

1.1.2" "刀盤選型

在選定盾構(gòu)機(jī)的類型后，需要確定盾構(gòu)機(jī)刀盤類型。其中，刀盤上配有刀座，用以安裝滾刀。刀盤用于支撐開挖面和承受掘進(jìn)中的推力和扭矩為此需要其具有足夠的剛度、強(qiáng)度，并可安裝足夠的數(shù)量的刀具。

1.1.3" "刀具選型

刀具須具有較好的耐磨性，從而保證其使用壽命。盾構(gòu)機(jī)刀盤與刀具的合理選型，不僅有利于提升盾構(gòu)掘進(jìn)的效率，而且有利于減少盾構(gòu)部件的磨損，提升工程效益。常用盾構(gòu)刀具類型如圖1所示。

在城市地下軌道交通盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，需要根據(jù)施工現(xiàn)場地質(zhì)條件和巖石強(qiáng)度來選擇合理的刀具。如果遇到軟硬復(fù)合地層，可以采用雙刃滾刀。如果遇到含水量較高且軟硬不均的地層，可以采用單刃滾刀。

1.2" "盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)控制

在做好盾構(gòu)機(jī)的選型工作后，控制盾構(gòu)機(jī)進(jìn)場，即可開始盾構(gòu)掘進(jìn)施工。

1.2.1" "推力和刀盤扭矩計(jì)算

在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)之前，需要對城市地下軌道交通盾構(gòu)施工的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行確定[3]。盾構(gòu)的推力計(jì)算公式如下所示：

?=?1+?2+?3+?4+?5" " " " " " " （1）

式中：?表示城市地下軌道交通盾構(gòu)掘進(jìn)施工中盾構(gòu)機(jī)的推力；?1表示盾構(gòu)機(jī)和地下土體之間的摩擦力；?2表示盾構(gòu)機(jī)后方臺車前進(jìn)過程中遇到的阻力；?3表示盾構(gòu)機(jī)在水平方向上的推力；?4表示盾構(gòu)機(jī)切削時(shí)推力；?5表示盾構(gòu)機(jī)和管片之間在掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的摩擦力。

刀盤扭矩計(jì)算公式如下所示：

N=N1+N2+N3+N4+N5" " " " " " （2）

式中：N表示城市地下軌道交通盾構(gòu)掘進(jìn)施工中盾構(gòu)機(jī)刀盤的總扭矩；N1表示盾構(gòu)機(jī)刀盤產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩；N2表示盾構(gòu)機(jī)刀具的切削扭矩；N3表示盾構(gòu)機(jī)刀盤與密封裝置產(chǎn)生的摩擦力矩；N4表示盾構(gòu)機(jī)刀盤的剪切力矩；N5表示盾構(gòu)機(jī)刀盤的攪動力矩。

1.2.2" "掘進(jìn)控制方法

先進(jìn)行150m的試掘進(jìn)作業(yè)，其目的在于科學(xué)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度等參數(shù)。此過程中需做好施工監(jiān)測工作，以確保在盾構(gòu)機(jī)順利掘進(jìn)前提下控制地表沉降量[4]。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)試推150m后，開始進(jìn)入正常掘進(jìn)階段，需要對始發(fā)設(shè)施進(jìn)行一定調(diào)整。此時(shí)需將始發(fā)基座與反力架拆除，并在盾構(gòu)前端將各種軌道與管線連接鋪設(shè)好，讓盾構(gòu)機(jī)按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行自動掘進(jìn)，并在顯示器上實(shí)時(shí)顯示掘進(jìn)參數(shù)。

在盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)過程中，需要確保盾構(gòu)機(jī)的掌斷面始終處于平衡狀態(tài)，嚴(yán)格按照設(shè)定路線掘進(jìn)。如果發(fā)生偏差，需要及時(shí)糾正，糾正線路偏差時(shí)需要采用多次少量的方式進(jìn)行，否則一次糾正偏差過大，可能會造成地層擾動，從而引發(fā)工程事故。

1.2.3" "常見問題處理

在整個(gè)城市地下軌道交通盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，由于施工強(qiáng)度較大，再加上地下條件復(fù)雜多變，非常容易發(fā)生盾構(gòu)設(shè)備故障。如果出現(xiàn)螺旋輸送機(jī)被卡住的問題，可以采用多次伸縮螺旋的方式擺脫此困境。如果出現(xiàn)刀盤被卡住的問題，可以通過調(diào)整扭矩、掘進(jìn)速度以及注漿參數(shù)來嘗試恢復(fù)刀盤的正常工作。在遇到復(fù)雜地質(zhì)條件時(shí)，可以采用注漿、爆破等適宜的處理措施，來改善地層條件，減少刀盤被卡住的可能性。

1.3" " 注漿護(hù)壁

在城市地下軌道交通盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，為防止地層發(fā)生坍塌現(xiàn)象，需要進(jìn)行同步的注漿施工，加固地層，起到護(hù)壁作用[5]。

1.3.1" "注漿系統(tǒng)選配

在注漿施工時(shí)，本文主要采用由注漿泵、注漿管、注漿頭組件等設(shè)備構(gòu)成的注漿系統(tǒng)。先根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的實(shí)際位置，將注漿泵設(shè)置在地下軌道交通施工現(xiàn)場，確保順利注漿的同時(shí)不影響盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)施工。然后將注漿管與注漿頭組件與注漿泵相連接。通常注漿頭組件具有壓力測量功能，可有效控制漿液注入，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3.2" " 注漿操作要點(diǎn)

本文以水、水泥、水玻璃為主要原材料，配制注漿施工的漿液，具體配合比需根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)整[6]。根據(jù)城市地下軌道交通需要，確定注漿孔位置，并在此處打孔安裝注漿頭，然后以一定的壓力將漿液注入注漿孔。

在開啟注漿系統(tǒng)后，漿液從注漿頭的接頭側(cè)流入管路，經(jīng)過管路中的閥門等控制裝置后，注入待注漿處。在注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)停止注漿，拔出注漿頭，按同樣的方法繼續(xù)下個(gè)點(diǎn)位的注漿施工，直至全部點(diǎn)位注漿完成后，對各個(gè)點(diǎn)位的注漿質(zhì)量進(jìn)行檢查。

一般來說加入水玻璃的漿液會在短時(shí)間內(nèi)凝固，從而達(dá)到加固軌道土體的目的。如果存在漿液量不足等問題，需要進(jìn)行二次補(bǔ)漿，避免影響加固效果。

2" "實(shí)例分析

2.1" "工程概況

某城市地下軌道交通工程區(qū)間位于城市主干道正下方，由西向東貫穿城市，線路區(qū)間全長約2136m。該地鐵隧道全線均敷設(shè)于地下，為此采用文中設(shè)計(jì)的盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)展開施工。據(jù)施工現(xiàn)場的地質(zhì)勘察報(bào)告顯示，盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)間地勢相對平坦，具體地層特性如表1所示。

2.2" " 預(yù)期目標(biāo)

在本次施工過程中，合理選取盾構(gòu)機(jī)并確定盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)后，按照文中內(nèi)容展開掘進(jìn)施工。本次施工的預(yù)期目標(biāo)是隧道地表沉降穩(wěn)定后，最終累計(jì)沉降在24mm之內(nèi)。如果地表沉降超過24mm的限值，說明本次施工質(zhì)量較差，需要及時(shí)采取措施進(jìn)行補(bǔ)救，反之則說明施工質(zhì)量良好。

2.3" "監(jiān)測結(jié)果分析

2.3.1" " 測點(diǎn)布設(shè)

為掌握本次城市地下軌道交通工程中盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)的應(yīng)用效果，在盾構(gòu)施工現(xiàn)場采取實(shí)時(shí)觀測的方式，收集隧道地表沉降數(shù)據(jù)。隧道地表監(jiān)測點(diǎn)布置如圖3所示。

2.3.2" "沉降值統(tǒng)計(jì)與分析

在本次地下軌道交通盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，沿線路均勻布置觀測點(diǎn)，每日通過精密的水準(zhǔn)儀進(jìn)行一次地表沉降觀測，并對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理。隧道地表沉降監(jiān)測值統(tǒng)計(jì)如表2所示。

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，隨著地下軌道交通盾構(gòu)施工的不斷展開，隧道地表沉降值呈先增長后穩(wěn)定的狀態(tài)，且增長速率越來越小。與此同時(shí)，在城市地下軌道交通盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，隧道中心位置處的地表沉降量較隧道兩側(cè)地表沉降量明顯增大，但最終累計(jì)的最大沉降量僅為19.81mm，未超過城市地下軌道交通施工的限值。由此可以說明，本次盾構(gòu)掘進(jìn)施工質(zhì)量較好，可將盾構(gòu)對周圍環(huán)境的影響控制一定范圍內(nèi)。

3" "結(jié)束語

盾構(gòu)掘進(jìn)施工不僅有利于降低城市地下軌道交通工程中的施工風(fēng)險(xiǎn)，而且有利于保護(hù)周圍環(huán)境與建筑物的安全穩(wěn)定，對推動我國城市化建設(shè)步伐具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文針對城市地下軌道交通盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)進(jìn)行研究，詳細(xì)闡述了盾構(gòu)機(jī)選型、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)及注漿護(hù)壁這幾個(gè)關(guān)鍵工序內(nèi)容，并依托實(shí)際工程對所設(shè)計(jì)盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

監(jiān)測結(jié)果顯示，隧道中心位置處、隧道兩側(cè)地表沉降量最大沉降量僅為19.81mm，未超過城市地下軌道交通施工的限值。由此可以說明，本次盾構(gòu)掘進(jìn)施工質(zhì)量較好，可將周圍環(huán)境的影響控制一定范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

[1] 戴志仁，王俊，胡瑞青.城市軌道交通大直徑盾構(gòu)隧道若干

關(guān)鍵技術(shù)[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2021，38（6）：75-81.

[2] 劉智，鐘長平.超大直徑泥水平衡盾構(gòu)斷層破碎帶掘進(jìn)關(guān)鍵

技術(shù)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2023，60（1）：225-232.

[3] 張晉勛，殷明倫，江華，等.砂卵石地層盾構(gòu)長距離掘進(jìn)先

行刀優(yōu)化配置研究[J].都市快軌交通，2021，34（4）：119-127.

[4] 趙旭偉.大漂石高富水地層土壓平衡盾構(gòu)施工控制策略[J].

城市軌道交通研究，2021，24（6）：86-89+94.

[5] 張海超.大直徑盾構(gòu)下穿運(yùn)營地鐵隧道施工變形控制技術(shù)

[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2022，59（S1）：934-940.

[6] 章邦超.上軟下硬地層區(qū)段新建地鐵線路盾構(gòu)法下穿既有

地鐵運(yùn)營線路關(guān)鍵施工技術(shù)[J].城市軌道交通研究，2021，

24（9）：132-136.