復(fù)雜地質(zhì)條件下的市政地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)研究

袁偉嘉

摘要：敘述了廣佛環(huán)線GFHD-2標(biāo)三工區(qū)施工段的工程概況和工程地質(zhì)勘察情況，從盾構(gòu)機(jī)選擇、雙模式盾構(gòu)機(jī)性能、地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)、隧道初期支護(hù)與二次襯砌等方面詳細(xì)闡述了在復(fù)雜地質(zhì)條件下采用的地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)，通過測量和對比隧道工程土體位移量驗(yàn)證了該文所述地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)的良好質(zhì)量效果和可行性。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜地質(zhì)；市政地鐵；盾構(gòu)施工；技術(shù)研究

0? ?引言

隨著城市化發(fā)展的迅速推進(jìn)，市政地鐵成為現(xiàn)代城市交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。然而市政地鐵隧道在軟弱地層、巖溶地區(qū)、斷層帶等復(fù)雜地質(zhì)條件下施工，會增加盾構(gòu)施工的難度和風(fēng)險(xiǎn)，需要針對不同地層特點(diǎn)采取相應(yīng)的施工參數(shù)和支護(hù)措施[1]。盾構(gòu)施工在復(fù)雜地質(zhì)條件下通過改進(jìn)施工技術(shù)，可以減少地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、降低工程成本。研究復(fù)雜地質(zhì)條件下的市政地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)具有重要意義[2]。

當(dāng)前我國在市政地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)研究方面已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展。通過地質(zhì)調(diào)查與預(yù)警技術(shù)、盾構(gòu)機(jī)的改進(jìn)與智能化應(yīng)用、施工參數(shù)合理優(yōu)化等方面，已有效應(yīng)對復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工難題。例如陳強(qiáng)研究小半徑曲線地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)[3]，謝鴻輝研究巖溶和土洞復(fù)合地層地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)[4]?；谏鲜鲅芯砍晒?，本文進(jìn)一步研究復(fù)雜地質(zhì)條件下市政地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)的可行性和質(zhì)量效果。

1? ?工程概況

地鐵廣佛環(huán)線GFHD-2標(biāo)三工區(qū)的大源站至太和站區(qū)間DSK35+771～DSK42+167段工程，全長為6396m。其中DSK35+771～DSK41+915段為盾構(gòu)隧道，長度為6144m；DSK41+915～DSK42+167段為明挖段，包括盾構(gòu)始發(fā)24#井，長度為252m；大太區(qū)間的橫通道、無砟道床等。該工程的工期為50個月，其中：土建總工期為50個月，鋪軌為2個月，四電工程為4個月。

設(shè)計(jì)方案為盾構(gòu)機(jī)從大源站端頭井開始盾構(gòu)掘進(jìn)施工，到太和站前部的24#工作井結(jié)束。其中上行線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)里程為6144m、下行線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)里程為6148m。

2? ?工程地質(zhì)勘查情況

在施工前進(jìn)行的地質(zhì)勘察表明，礦山法（用開挖地下坑道的作業(yè)方式修建隧道的施工方法）接應(yīng)段（DSK35+771～DSK36+151）的洞身開挖地層主要為W2中風(fēng)化片麻巖、花崗巖，區(qū)間下穿航油管線段主要為W2中風(fēng)化片麻巖、花崗巖。礦山法接應(yīng)段地質(zhì)如圖1所示。

地質(zhì)勘查結(jié)果表明，該工程在地質(zhì)條件復(fù)雜，其具體地質(zhì)特征及分布如下：人工堆積層（Q4ml），主要為雜填土和素填土。殘坡積土層（Q4el+dl），土層的厚度在0.60～17.50m之間變化，平均厚度約為5.25m。全風(fēng)化片麻巖帶，巖石層厚度在2.00～39.00m之間變化，平均厚度約為13.80m。強(qiáng)風(fēng)化片麻巖帶，其巖石芯部分表現(xiàn)出堅(jiān)硬的土柱形態(tài)，還包含有土夾碎塊或者碎塊。中風(fēng)化片麻巖帶，巖質(zhì)堅(jiān)硬不易碎裂，其飽和抗壓強(qiáng)度在23.1～155.6MPa之間變化。全風(fēng)化花崗巖，其巖石的芯部形態(tài)近似土柱狀。當(dāng)遇到水時，這種巖石會變得較為軟化，容易發(fā)生崩解；中風(fēng)化花崗巖，其巖石的核心部位則呈現(xiàn)短柱狀和柱狀形態(tài)。

3? ?復(fù)雜地質(zhì)地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)

3.1? ?盾構(gòu)機(jī)選擇

盾構(gòu)機(jī)是用于隧道開挖和支護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備，要根據(jù)隧道設(shè)計(jì)要求和地質(zhì)條件選擇適當(dāng)類型的盾構(gòu)機(jī)[5]?，F(xiàn)對常用的3種盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行技術(shù)性能和工程費(fèi)用對比，如表1所示。

根據(jù)該工程的復(fù)雜地質(zhì)條件和表1所示3種盾構(gòu)機(jī)的對比，結(jié)合此前盾構(gòu)隧道工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為保證順利完成該合同段的盾構(gòu)工程施工，決定采用2臺雙模式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行地鐵隧道盾構(gòu)施工。

3.2? ?雙模式盾構(gòu)機(jī)性能分析

雙模式盾構(gòu)機(jī)（TBM模式和EPB模式）配置了可轉(zhuǎn)換刀箱，可根據(jù)不同巖石的強(qiáng)度來選擇不同的刀具和設(shè)備、采用不同的盾構(gòu)模式，以適應(yīng)復(fù)雜的硬巖與軟巖結(jié)合的地層。

3.2.1? ?TBM模式

在遇到堅(jiān)硬的巖石地段時，選用TBM（Traditional Mechanical Excavation Boring，即傳統(tǒng)的機(jī)械挖掘鉆孔）模式進(jìn)行盾構(gòu)施工。利用盾構(gòu)機(jī)的刀盤前部的重型滾刀以及刮刀，并將其旋轉(zhuǎn)起來[6]。通過滾刀的擠壓力和剪切力破碎巖石并將其分解成碎片，然后將這些碎片引導(dǎo)進(jìn)入土倉內(nèi)部。利用刀盤上的刮板，將巖石碎片刮送到刀盤中央內(nèi)側(cè)的土料收集槽，并使用傳送機(jī)將其輸送出來。TBM模式盾構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2a所示。

3.2.2? ?EPB模式

在掘進(jìn)軟巖和復(fù)合地層時，選用EPB（Earth Pressure Balance，即土壓平衡）模式進(jìn)行盾構(gòu)施工。利用刀盤前部安裝的部分滾刀、撕裂刀或先行刀等刀具進(jìn)行旋轉(zhuǎn)推進(jìn)。這些刀具能夠剝離巖土物質(zhì)，并將其順著刀盤開口送入土倉。與此同時，土體的自然堆積和壓縮會產(chǎn)生一定的土壓力，用于平衡刀盤前部受到的土壓力，以確保刀盤前部土體的穩(wěn)定性、控制地表沉降在安全范圍之內(nèi)。EPB模式盾構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2b所示。

3.3? ?地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)

3.3.1? ?掘進(jìn)流程

大源站至太和站區(qū)間盾構(gòu)隧道上行線與下行線段施工均采用TBM和EPB兩種模式交替進(jìn)行地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)施工。大太區(qū)間隧道施工優(yōu)化方案如圖3所示。

TBM模式也稱為“硬巖模式”。TBM模式下的地鐵隧道盾構(gòu)流程如下：首先，機(jī)械鉆頭進(jìn)行巖石的鉆爆和破碎，同時噴水冷卻和抑制灰塵；其次，將破碎后的巖屑通過盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部的螺旋輸送器輸送到傳送帶上；最后，通過輸送帶等運(yùn)輸裝置將巖屑運(yùn)出隧道。

EPB模式下的地鐵隧道盾構(gòu)流程如下：首先，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中，掌子面和刀盤后面的土倉之間充滿切削下來的土壤中形成一個壓力平衡的土環(huán)；其次，在保持土壓平衡的條件下，螺旋輸送器將多余的土壤輸送到盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部的傳送帶上；最后，通過傳送帶等運(yùn)輸裝置將土壤運(yùn)出隧道。

3.3.2? ?掘進(jìn)方法

采用礦山法進(jìn)行盾構(gòu)施工，從大源站端頭井開始盾構(gòu)掘進(jìn)施工，向太和站方向施工。本區(qū)段有Ⅲ、Ⅳ、V、Ⅵ級圍巖，上行線從大源站端頭井開始，圍巖級別依次分別是Ⅵ級60m、V級圍巖14m、Ⅳ級圍巖40m，Ⅲ級圍巖246m、Ⅳ級圍巖20m；下行線從大源站端頭井開始，圍巖級別依次分別是Ⅵ級29m、V級圍巖45m、Ⅳ級圍巖30m，Ⅲ級圍巖96m。

3.4? ?隧道初期支護(hù)與二次襯砌

3.4.1? ?隧道初期支護(hù)

根據(jù)圍巖的不同等級、性質(zhì)和穩(wěn)定性要求，選擇最合適的初期支護(hù)方案，可以防止圍巖失穩(wěn)或塌方，減小隧道結(jié)構(gòu)的局部荷載，增強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，免除隧道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，確保隧道的施工安全和長期、穩(wěn)定運(yùn)行。初期支護(hù)參數(shù)設(shè)定如表2所示。

根據(jù)表2中的初期支護(hù)參數(shù)，確定初期支護(hù)流程如下：一是清理施工區(qū)域，確保區(qū)域內(nèi)沒有浮石、雜物和障礙物，并在隧道圍巖上做出第一次混凝土噴射厚度標(biāo)記。二是根據(jù)隧道圍巖級別和第一次混凝土噴射厚度標(biāo)記，使用噴射機(jī)向隧道圍巖進(jìn)行第一次C25混凝土噴射，對圍巖發(fā)揮穩(wěn)定作用。三是根據(jù)隧道圍巖級別、混凝土厚度和設(shè)計(jì)要求，按照隧道的環(huán)向和縱向間距設(shè)置錨桿，并在圍巖上鉆孔和安裝錨桿，確保錨桿的支護(hù)作用有效。四是根據(jù)表2中規(guī)定的規(guī)格尺寸在圍巖上安裝Φ8鋼筋網(wǎng)，其作用是提供抗裂和增強(qiáng)初期支護(hù)的強(qiáng)度，防止圍巖松動和坍塌。五是根據(jù)表2中的要求在隧道全環(huán)安裝鋼拱架，其作用是增加隧道的整體強(qiáng)度與穩(wěn)定性。六是再次噴射混凝土，混凝土的平均噴射厚度應(yīng)≥表2規(guī)定的厚度。

3.4.2? ?二次襯砌

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)一段距離且完成初期支護(hù)后，即可進(jìn)行隧道的二次襯砌施工。此時，隨著盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)，完成與初次支護(hù)、開始進(jìn)行二次襯砌的隧道施工段分離。隧道的二次襯砌常用的模板有整體移動式模板臺車、分體移動式模板臺車和拼裝式拱架模板，應(yīng)結(jié)合。二次襯砌是隧道的最后一次襯砌，可抵御隧道外界的壓力，保證隧道結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定和地鐵車輛的安全運(yùn)行。

4? ?應(yīng)用效果

地鐵廣佛環(huán)線GFHD-2標(biāo)三工區(qū)的大源站至太和站區(qū)間，按照本文所述地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)完成了施工任務(wù)。為了驗(yàn)證該技術(shù)的應(yīng)用效果，選擇隧道土體位移數(shù)據(jù)作為評價(jià)指標(biāo)。

根據(jù)隧道施工建設(shè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，為了確保隧道完工后的運(yùn)行安全，其土體的位移量在豎直方向和水平方向都不得超過±5mm?；谠摌?biāo)準(zhǔn)，在施工前隨機(jī)抽取了施工區(qū)域內(nèi)的5個測量點(diǎn)，進(jìn)行了土體位置測量和記錄。在完成該隧道施工后，對這5個測量點(diǎn)的土體位移量再次進(jìn)行了測量和記錄，并將測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行了比較，其結(jié)果如表3所示。

從表3記錄的結(jié)果可以看出，按照本文提出的隧道施工技術(shù)進(jìn)行施工后，各個測點(diǎn)上的位移量均在±5mm范圍之內(nèi)，能夠保證隧道的質(zhì)量和安全，由此說明本文設(shè)計(jì)的地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)在市政地鐵隧道盾構(gòu)施工中具有可行性。

5? ?結(jié)束語

本文研究了復(fù)雜地質(zhì)條件下市政地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)，并結(jié)合廣佛環(huán)線GFHD-2標(biāo)三工區(qū)項(xiàng)目為例，對其地質(zhì)勘察、盾構(gòu)機(jī)選擇和地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)等過程進(jìn)行了設(shè)計(jì)和探討，采用了TBM模式和EPB模式進(jìn)行盾構(gòu)施工，滿足了不同地質(zhì)條件下的施工需求，取得了在復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行市政地鐵施工高質(zhì)量的良好效果。

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