復(fù)雜地層城市地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)分析

摘 要：近年來(lái)我國(guó)城市地下軌道交通網(wǎng)絡(luò)體系越來(lái)越完善，盾構(gòu)隧道已經(jīng)成為城市地鐵工程建設(shè)的重要施工方法，穿越的地層條件也更加復(fù)雜，若盾構(gòu)施工技術(shù)使用不合理，地層變形控制不到位，會(huì)威脅到地鐵隧道安全。文中以某城市地鐵工程為例，從盾構(gòu)始發(fā)、盾構(gòu)掘進(jìn)、盾構(gòu)接收方面分析隧道盾構(gòu)技術(shù)要點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，該技術(shù)保證了地鐵隧道建設(shè)質(zhì)量與安全，可為后續(xù)類似工程提供指導(dǎo)與借鑒。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜地層 地鐵隧道 盾構(gòu)施工 二次注漿

0 引言

盾構(gòu)施工在我國(guó)城市地鐵隧道建設(shè)中應(yīng)用較為廣泛。較之普通地層條件，盾構(gòu)機(jī)在復(fù)雜地層中掘進(jìn)作業(yè)，容易發(fā)生刀盤堵塞、刀具過(guò)度磨損、地層沉降及效率低等現(xiàn)象，因此需結(jié)合城市地鐵隧道現(xiàn)狀，科學(xué)進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)選型，綜合研究泥漿配比、盾構(gòu)施工參數(shù)等[1]。

1 工程概況

某城市地鐵2號(hào)線I期工程06工區(qū)，總里程長(zhǎng)為5.95km，盾構(gòu)施工總長(zhǎng)為358m。其中始發(fā)站到下一站的隧道左線長(zhǎng)為882m，右線長(zhǎng)為879m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，地勢(shì)呈現(xiàn)東高西低，地層條件復(fù)雜，包括殘積土、全風(fēng)化花崗巖、高風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖等。不同地層物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地層物理性能，盾構(gòu)施工選用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，數(shù)量為2臺(tái)，型號(hào)分別為JZ068、JZ094，主要參數(shù)見(jiàn)表2。

2 隧道盾構(gòu)施工技術(shù)

2.1 盾構(gòu)始發(fā)

本工程盾構(gòu)始發(fā)涉及隧道洞門復(fù)測(cè)、盾構(gòu)吊裝與調(diào)試、水平探孔、盾構(gòu)試掘進(jìn)等。為提升隧道盾構(gòu)施工質(zhì)量，需嚴(yán)格控制盾構(gòu)始發(fā)操作要點(diǎn)。

（1）前期準(zhǔn)備。在盾構(gòu)正式下井下，需從車站底板處鋪設(shè)配套行走軌道，包括盾構(gòu)軌道與電瓶車軌道。按照盾構(gòu)機(jī)類型及實(shí)際情況，其中盾構(gòu)機(jī)行走軌道鋪設(shè)長(zhǎng)度控制90m左右，電瓶車行走軌道鋪設(shè)長(zhǎng)度控制145m左右，所有軌道均為鋼軌拼接組成，單節(jié)長(zhǎng)度是6.0m，通過(guò)專用軌道夾板進(jìn)行連接，同時(shí)鋼枕使用扁鋼，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)扣件將鋼軌和鋼枕固定[2]。

（2）盾構(gòu)吊裝。下井臺(tái)車與電瓶車要做好協(xié)調(diào)作業(yè)，設(shè)備橋與螺旋機(jī)進(jìn)站過(guò)程中必須加固，防止出現(xiàn)傾覆，本工程選用葫蘆（重量為5t）加固方法。在盾構(gòu)吊裝階段需嚴(yán)控下井誤差，要求盾構(gòu)和隧道兩者中心線水平、垂直向偏差≤5mm，按照次序下井盾體，然后與中盾進(jìn)行平移和拼接。

（3）洞門止水密封處理。隧道洞口密封可避免盾構(gòu)始發(fā)時(shí)導(dǎo)致水土流失，提升注漿質(zhì)量。本工程盾構(gòu)始發(fā)階段，預(yù)留隧道洞口和盾構(gòu)環(huán)形殼體之間空隙接近230mm?？紤]盾構(gòu)始發(fā)會(huì)造成隧洞口水土流失，使開(kāi)挖面整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到影響，因此要做好密封止水處理，選用高性能的止水裝置，從而保證盾構(gòu)始發(fā)安全、有序進(jìn)行。本工程中隧道始發(fā)洞口上方預(yù)埋了圓環(huán)板（材料為Q235B鋼板），可在此處安裝密封止水裝置。操作流程為：在圓環(huán)板上設(shè)置固定螺孔，然后利用壓板、螺栓將簾布橡膠板有效固定在圓環(huán)板上。

（4）水平探孔。本工程中隧道洞口設(shè)置的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在拆除前必須鉆設(shè)水平探孔，完成水量與加固質(zhì)量檢測(cè)。要求水平探孔深度至少為1.5m，孔徑為80mm，布設(shè)在盾構(gòu)邊緣位置。若檢測(cè)發(fā)現(xiàn)透水，應(yīng)進(jìn)行有效封堵與加固處理，保證盾構(gòu)始發(fā)過(guò)程中無(wú)地下水。封堵措施為“木塞+棉紗”，確保探孔密實(shí)封堵。當(dāng)隧道洞口滲水封堵結(jié)束后，從隧道洞口處進(jìn)行垂直鉆孔，通過(guò)壓密注漿實(shí)現(xiàn)端頭加固處理，使土體結(jié)構(gòu)加固質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)規(guī)定基本要求，最后再次鉆設(shè)水平探孔，對(duì)加固效果進(jìn)行檢測(cè)，直到滿足要求[3]。

（5）涂抹密封油脂。對(duì)于負(fù)環(huán)拼裝，應(yīng)提前從盾尾鋼絲刷內(nèi)均勻涂抹一層專用密封油脂，可發(fā)揮良好止水效果，避免注漿液回流，也可以降低鋼絲刷摩擦。首環(huán)管片拼裝前必須合理涂抹盾尾密封油脂，同時(shí)將鋼絲刷分開(kāi)，保證不銹鋼網(wǎng)和鋼絲刷布滿密封油脂。

（6）鋪設(shè)導(dǎo)軌。由于盾構(gòu)始發(fā)托架和隧道洞門間隔一段距離，為避免盾構(gòu)始發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)懸空問(wèn)題，應(yīng)從兩者之間沿著始發(fā)導(dǎo)軌向安裝預(yù)防“叩頭”裝置。鋪設(shè)剛導(dǎo)軌，長(zhǎng)度為25cm，要求導(dǎo)軌標(biāo)高不低于托架鋼軌標(biāo)高1～2cm。

（7）加固段掘進(jìn)。在盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)之前，要安排專人對(duì)盾構(gòu)始發(fā)托架位置進(jìn)行仔細(xì)復(fù)測(cè)，然后根據(jù)盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行校對(duì)調(diào)整。同時(shí)對(duì)托架穩(wěn)定性進(jìn)行檢查，導(dǎo)軌安裝是否合理、穩(wěn)固，盾尾外殼部位防扭轉(zhuǎn)設(shè)備是否焊接牢固。

（8）試掘進(jìn)。選取隧道100m段進(jìn)行盾構(gòu)施工試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)施工確定合理的盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)，掌握地面變形沉降和推進(jìn)參數(shù)之間存在的關(guān)系，同時(shí)做好所有盾構(gòu)施工相關(guān)數(shù)據(jù)信息的采集、處理、研究，從而確定本工程中盾構(gòu)機(jī)實(shí)踐操作性能，得出盾構(gòu)作業(yè)參數(shù)設(shè)定具體范圍。

2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)

（1）設(shè)定掘進(jìn)參數(shù)。經(jīng)過(guò)地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)、處理、分析不同地層段掘進(jìn)參數(shù)、地層變化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及成型管片復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)，然后不斷調(diào)整盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)，最后得出地鐵隧道復(fù)雜地層正常掘進(jìn)參數(shù)，從而為后續(xù)施工提供有效指導(dǎo)。結(jié)合工程地質(zhì)特點(diǎn)與水文條件，沿線構(gòu)筑物、管線等因素，同時(shí)重點(diǎn)分析地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化情況，對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)調(diào)整。

（2）姿態(tài)控制。主要利用自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)與人工測(cè)量復(fù)核實(shí)施盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的有效監(jiān)控，同時(shí)結(jié)合成型管片的具體復(fù)核數(shù)據(jù)作出合理調(diào)整，降低管片上浮造成的不利影響。在自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)中建立滾動(dòng)角、俯仰角，當(dāng)超限后可及時(shí)自動(dòng)報(bào)警與刀盤跳停。另外，導(dǎo)向系統(tǒng)中的后視基準(zhǔn)點(diǎn)必須跟隨盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)及時(shí)前移，此過(guò)程中利用人工測(cè)量進(jìn)行定位[4]。為使盾構(gòu)機(jī)精準(zhǔn)推進(jìn)，以50m為單位人工復(fù)測(cè)一次，完成導(dǎo)向系統(tǒng)的校核，以及后視棱鏡坐標(biāo)的調(diào)整，利用雙導(dǎo)線閉合方法測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，使盾構(gòu)按設(shè)計(jì)方向精準(zhǔn)掘進(jìn)。

（3）洞內(nèi)注漿。本工程隧道洞內(nèi)注漿選用同步注漿法、即時(shí)注漿法以及二次注漿法。其中同步注漿應(yīng)保持與盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)一同進(jìn)行，從盾尾中安裝注漿管與注漿系統(tǒng)連接，當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)盾尾產(chǎn)生空隙，即開(kāi)始同步注漿，要合理控制注漿壓力、注漿量，保證漿液灌注飽滿。同步注漿液配比見(jiàn)表3。每掘進(jìn)一環(huán)就要進(jìn)行即時(shí)注漿，在與盾尾管片相距6環(huán)左右處進(jìn)行背填注漿。針對(duì)特殊地段，比如穿越構(gòu)筑物、管線等地層條件，必須做好同步注漿與管片即時(shí)注漿。結(jié)合工程具體狀況，比如隧道上浮或是沉降等，應(yīng)從管片注漿孔處開(kāi)展二次注漿，嚴(yán)格控制注漿量與注漿壓力，以降低后續(xù)沉降。

2.3 盾構(gòu)接收

本工程中盾構(gòu)接收內(nèi)容包括端頭土體加固、隧道洞門鑿除、隧道洞門復(fù)核、鉆設(shè)降水井、注入雙液漿封堵隧道洞門等，詳見(jiàn)圖1。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

3.1 隧道洞門復(fù)測(cè)

本工程中隧道洞門內(nèi)圈邊緣接近為圓形，為能精準(zhǔn)確定圓心，從隧道洞門內(nèi)圈邊緣隨機(jī)選取3點(diǎn)，然后測(cè)量各點(diǎn)三維坐標(biāo)，通過(guò)計(jì)算得出隧道洞門內(nèi)圈中心。在實(shí)踐測(cè)量時(shí)，為進(jìn)一步提升測(cè)量精度與可靠性，需隨機(jī)選取6個(gè)隧道洞門內(nèi)圈對(duì)稱點(diǎn)實(shí)施測(cè)量，然后計(jì)算確定隧道洞門鋼圈凈空與鋼圈中心坐標(biāo)。最后對(duì)比分析隧道洞門中心實(shí)際測(cè)量數(shù)值和設(shè)計(jì)數(shù)值，可為盾構(gòu)機(jī)出洞提供有效指導(dǎo)。

3.2 盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)監(jiān)測(cè)

測(cè)量復(fù)核盾構(gòu)機(jī)始發(fā)掘進(jìn)時(shí)的俯仰角、回轉(zhuǎn)角、初始姿態(tài)等，使盾構(gòu)機(jī)能夠按照地鐵隧道設(shè)計(jì)中心線進(jìn)行掘進(jìn)。

3.3 地表沉降監(jiān)測(cè)

本工程中左線地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2。分析圖2得出，盾構(gòu)機(jī)始發(fā)掘進(jìn)過(guò)程地表沉降整體比較穩(wěn)定，且波動(dòng)小。本次施工左線地表沉降數(shù)值變化范圍在-10.8～0.5mm，前期變化幅度較大，后期變化范圍在-1.3～0.5mm，波動(dòng)小。其中編號(hào)1～5的地表沉降數(shù)值較大，原因是盾構(gòu)機(jī)始發(fā)掘進(jìn)過(guò)程中遇到了發(fā)育溶洞，導(dǎo)致溶洞原有穩(wěn)定狀態(tài)遭到破壞，從而出現(xiàn)大幅度沉降，而通過(guò)進(jìn)行洞內(nèi)注漿加固后，地表沉降顯著減小且趨于穩(wěn)定可控。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)掘進(jìn)狀況，同步注漿法、即時(shí)補(bǔ)漿法、二次注漿法可有效控制地表沉降，降低地層變形。

4 結(jié)語(yǔ)

隧道盾構(gòu)始發(fā)、盾構(gòu)掘進(jìn)、盾構(gòu)接收是保證城市地鐵工程順利建設(shè)的基石。文中重點(diǎn)研究了盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)及各項(xiàng)要點(diǎn)，為后續(xù)相關(guān)地鐵工程建設(shè)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)在后續(xù)城市地鐵工程建設(shè)中，還應(yīng)不斷地優(yōu)化與創(chuàng)新盾構(gòu)施工技術(shù)方案，以適應(yīng)不同地層條件及城市交通發(fā)展需求，推動(dòng)城市地鐵建設(shè)高水平發(fā)展。

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