城市軌道交通隧道盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

摘 要：以城市軌道交通作為研究對象，采用理論總結(jié)與案例討論法，著重分析了隧道盾構(gòu)施工技術(shù)的原理及應(yīng)用。從盾構(gòu)法施工原理出發(fā)，引入某城市軌道交通項目，著重分析了隧道盾構(gòu)施工的技術(shù)流程及控制要點，指出了盾構(gòu)施工的特殊性、適用性，說明在各城市軌道交通工程中大力推廣隧道盾構(gòu)施工技術(shù)具有必要性。為減少隧道盾構(gòu)施工的質(zhì)量及安全問題，需分析軌道交通現(xiàn)場環(huán)境，合理選擇施工工藝與技術(shù)，加強全過程技術(shù)管理及質(zhì)量控制，做到施工問題的早發(fā)現(xiàn)、早處理，提高盾構(gòu)施工的規(guī)范性。

關(guān)鍵詞：軌道交通；隧道盾構(gòu)；施工技術(shù)

中圖分類號：U23" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " " "文章編號：2096-6903（2024）10-0001-03

0 引言

隨著城市發(fā)展步伐的加快，大量人口涌入城市，越來越多城市都面臨交通壓力。為改善城市交通，大中型城市增大了在軌道交通項目中的投入，以構(gòu)建更為完善的交通網(wǎng)絡(luò)。由于城市人口密度大、建筑物密集，軌道交通建設(shè)中面臨諸多限制，為順利完成施工作業(yè)，隧道盾構(gòu)施工優(yōu)勢明顯。一些城市軌道交通項目中成功應(yīng)用了隧道盾構(gòu)技術(shù)，而每一軌道交通項目都有各自的特殊性，相關(guān)人員需結(jié)合實際情況，優(yōu)化隧道盾構(gòu)施工作業(yè)流程和技術(shù)參數(shù)，構(gòu)建完善的施工技術(shù)體系。

1 盾構(gòu)法施工原理

盾構(gòu)施工是將盾構(gòu)機作為主要設(shè)備，盾構(gòu)機罩作為掩護體，為開挖創(chuàng)造理想條件。開挖時盾構(gòu)機能對未開挖部分起到臨時支護作用，使未開挖部分暫時承受四周巖體、地下水等施加的壓力，保持相對的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

盾構(gòu)施工之前，相關(guān)人員需結(jié)合現(xiàn)場條件設(shè)置1口始發(fā)作業(yè)井、1口接收作業(yè)井。始發(fā)井負(fù)責(zé)盾構(gòu)機、后配套設(shè)備的裝配，反力架、負(fù)環(huán)的安裝，及出土、管片運輸?shù)仁奸_挖任務(wù)，接收井負(fù)責(zé)盾構(gòu)機到達(dá)、解體工作[1]。很多軌道交通項目在應(yīng)用盾構(gòu)施工工藝時，起始、接收均在車站末端。進(jìn)入盾構(gòu)施工段后，盾構(gòu)機應(yīng)沿設(shè)計軸線掘進(jìn)?，F(xiàn)場需配備專業(yè)化監(jiān)測設(shè)備采集盾構(gòu)機運行速度、方向等數(shù)據(jù)，如發(fā)現(xiàn)偏位等情況，應(yīng)立即糾偏。

2 工程概況

某城市地鐵工程左線隧道起點、終點分別為ZDK35+402.021、ZDK37+261，左線隧道全長1.86 km，其中，EPB/TBM盾構(gòu)施工總長1 468.35 m，井下365 m。右線隧道起點、終點分別為YDK35+400、YDK39+265，全長1 865 m，其中EPB/TBM盾構(gòu)施工長度為1 590 m。綜合本項目現(xiàn)場的地質(zhì)環(huán)境調(diào)研，現(xiàn)場山體分布較多，地勢高低起伏較大，沿線地面高程在12.4～235.9 m?？紤]到本城市項目環(huán)境的復(fù)雜性，盾構(gòu)施工法較為適用。為滿足施工便捷性、安全性要求，配備2臺土壓平衡盾構(gòu)機，開挖直徑為8.85 m，利用主動鉸鏈工藝，盾身總長13 450 mm。

3 施工重難點分析

3.1 地鐵沉降控制

本地鐵工程的盾構(gòu)施工期間，局部路段存在穿越施工情況。如在實際的工作中未制定合理的穿越施工方案，伴隨著施工作業(yè)的持續(xù)進(jìn)行，易因沉降等導(dǎo)致重大事故。經(jīng)環(huán)境調(diào)查后，進(jìn)行前期經(jīng)濟性、技術(shù)性論證。穿越施工時有關(guān)人員需考慮諸多因素，做好沉降控制及預(yù)防。

3.2 隧道穿越斷裂層

本項目盾構(gòu)段長度較長，各施工段的地質(zhì)地形條件有所不同。在FD1、FD2斷裂層盾構(gòu)施工時，存在風(fēng)險高、技術(shù)難度大等難點。斷裂層巖體破裂寬度較大，達(dá)到了0.65 m、0.81 m，如盾構(gòu)施工時未過多關(guān)注這一方面，將導(dǎo)致失穩(wěn)問題。經(jīng)前期調(diào)研，斷裂處節(jié)理裂隙分布較多，部分區(qū)域有軟弱與風(fēng)化巖石，隨著施工作業(yè)的開展，地表水將逐步滲入到巖體內(nèi)部，從而造成更大的結(jié)構(gòu)問題。針對盾構(gòu)施工工藝，在斷裂層盾構(gòu)施工時，刀具可能出現(xiàn)一定的損傷，導(dǎo)致盾構(gòu)施工難以繼續(xù)進(jìn)行。

4 軌道交通地鐵盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 盾構(gòu)始發(fā)測量

本項目的盾構(gòu)施工中，為提高施工質(zhì)量，相關(guān)人員需做好前期的測量工作。但測量工作的難度較大，為減小偏差，相關(guān)人員需在盾構(gòu)機安裝位置設(shè)置相應(yīng)的測量儀器，以測定盾構(gòu)機就位精度，獲取反力架、始發(fā)臺的位置、角度等。依據(jù)測量結(jié)果，相關(guān)人員需進(jìn)一步分析地面沉降與安裝參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性，以調(diào)整施工參數(shù)，使設(shè)備、配套工具等的就位精度符合設(shè)計規(guī)定。結(jié)合盾構(gòu)施工經(jīng)驗，安裝反力架時將左右偏差、高程偏差、上下偏差分別設(shè)為10 mm、5 mm、10 mm左右。安裝始發(fā)臺時，水平軸線的垂直方與反力架夾角偏差應(yīng)在2‰以內(nèi)，盾構(gòu)姿態(tài)與設(shè)計軸線豎直方向偏差也是如此，允許誤差應(yīng)在2‰以下[2]。

4.2 管片點位選擇及安裝

盾構(gòu)施工全流程中，管片點選擇及安裝為關(guān)鍵步驟。只有選定恰當(dāng)?shù)钠囱b位置，方可達(dá)到盾位空隙規(guī)定，均勻的空隙條件不僅能為管片組裝提供場地條件，還能為小弧段盾構(gòu)施工創(chuàng)造理想條件。在選擇點位、安裝管片時可以通過公式（１）計算。

C=WD/R " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （１）

式中，C、W、D、R分別為楔形量、管片環(huán)寬度、外徑、曲線半徑，單位均為mm。盾構(gòu)施工時相關(guān)人員需根據(jù)設(shè)計方案中的這些參數(shù)，展開一定的分析、計算與論證。本項目中，W、D、R取值分別為1 600 mm、8 500 mm、600 mm，經(jīng)計算后，C=22.67 mm，此數(shù)值遠(yuǎn)低于46 mm。

此后繼續(xù)利用公式（２）進(jìn)行計算。

P=46cos（a） " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（２）

式中，P、a分別表示楔形量（左側(cè)為負(fù)值、右側(cè)為正值）、直徑線夾角。

參考本項目設(shè)計方案，盾構(gòu)機架的推進(jìn)缸數(shù)量為19個，施工過程中相關(guān)人員需根據(jù)F段19個拼裝點位的拼裝點，計算楔形量。

4.3 確定掘進(jìn)參數(shù)

掘進(jìn)參數(shù)影響盾構(gòu)施工效率、安全及質(zhì)量。為提高本項目的盾構(gòu)施工水平，有關(guān)人員在正式施工之前，需確定掘進(jìn)參數(shù)。在分析現(xiàn)場地質(zhì)條件、施工風(fēng)險等條件下，本項目的掘進(jìn)參數(shù)如表1所示。

5 地鐵盾構(gòu)法施工技術(shù)控制要點

5.1 管片安裝

盾構(gòu)機頂進(jìn)作業(yè)達(dá)到特定要求后，有關(guān)人員需結(jié)合總體的施工規(guī)范及要求，在現(xiàn)場完成襯砌作業(yè)。掘進(jìn)施工期間盾構(gòu)機充當(dāng)臨時支護結(jié)構(gòu)，一旦相應(yīng)的施工作業(yè)結(jié)束，襯砌需作為永久支撐結(jié)構(gòu)存在。本地鐵施工項目中，主要為鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土砌塊等材料。為達(dá)到預(yù)期的結(jié)構(gòu)施工目標(biāo)，有關(guān)人員需整合已有的項目資料，并進(jìn)入現(xiàn)場了解真實情況，獲取盾構(gòu)尺寸等參數(shù)，據(jù)此制定管片安裝方案。如與矩形砌塊相比，梯形砌塊的完整性好，但對施工人員的操作水平有嚴(yán)格規(guī)定。

盾構(gòu)推進(jìn)作業(yè)中，前后兩環(huán)管片之間的接縫位置將產(chǎn)生較大的壓力。為避免此壓力作用影響施工作業(yè)，一般需利用橡膠軟木作為墊襯，以處理接縫位置，維持相對均衡的環(huán)面受力條件，預(yù)防管片破碎。針對通縫拼裝作業(yè)，圓環(huán)發(fā)生變形的概率較大，如相關(guān)人員未采取合理化處理措施，圓環(huán)變形難以避免。一些情況下隧道剛度較差，縱向變形發(fā)生的可能性較高，再加上拼裝圓環(huán)接縫位置的壓密度差異，圓環(huán)表面的平整度難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。若相鄰兩塊管片在縱向上前后位置有明顯偏差，環(huán)向螺栓將很難穿過土體[3]。

5.2 盾構(gòu)機的推進(jìn)

當(dāng)有足夠的推力時盾構(gòu)機方可正常推進(jìn)。施工現(xiàn)場需配備特定型號的千斤頂來保障推力。本項目的盾構(gòu)施工中采用土壓平衡工藝，為減少盾構(gòu)作業(yè)問題，相關(guān)人員需遵循設(shè)計要求完成盾構(gòu)機的推進(jìn)。開挖作業(yè)面施工時，因現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，推進(jìn)阻力較大，掘進(jìn)緩慢。為避免影響盾構(gòu)作業(yè)，有關(guān)人員進(jìn)入現(xiàn)場排查原因，發(fā)現(xiàn)阻力為盾構(gòu)機刃口與工作面阻力、機身與周圍土壤之間的摩擦力過大所引起。為此，施工期間相關(guān)人員需動態(tài)監(jiān)測現(xiàn)場的土層條件，據(jù)此優(yōu)化盾構(gòu)作業(yè)參數(shù)。結(jié)合盾構(gòu)施工經(jīng)驗，掘進(jìn)速度為重點參數(shù)，有關(guān)人員一般需參考掘進(jìn)期間的推動力、掘進(jìn)泥土數(shù)量等來調(diào)整掘進(jìn)速度。一些路段為軟弱地層，此情況下相關(guān)人員需按照施工效率、安全等規(guī)定，適當(dāng)減小掘進(jìn)速度，但掘進(jìn)速度不可過小。

5.3 壁后注漿

盾構(gòu)作業(yè)中為提高開挖與管片組裝作業(yè)的便捷性，盾構(gòu)機刀盤直徑要略超隧道直徑。此種情況下一旦襯砌離開盾尾，將產(chǎn)生過大的空隙。圍巖尚未變形、坍塌之前，盾構(gòu)間隙要保持圍巖應(yīng)力的相對平衡狀態(tài)，穩(wěn)定地層條件，以應(yīng)對圍巖變形、地層沉降。并由專人根據(jù)襯砌情況，選擇高性能防水材料完成防水施工。

同步注漿時要保持盾構(gòu)機開挖與關(guān)鍵作業(yè)的時間同步性，以通過平行作業(yè)來提高施工效率及質(zhì)量。施工期間，有關(guān)人員需在箱體外側(cè)布設(shè)若干注漿孔或灌漿孔，注意控制相鄰孔洞的間距，規(guī)范施工步驟，以增強隧道結(jié)構(gòu)的防水能力。

通過施工區(qū)段后，進(jìn)入盾構(gòu)掘進(jìn)的下一工段。不同工段之間的可靠銜接能夠增強隧道結(jié)構(gòu)的完整性。如上一盾構(gòu)掘進(jìn)工段存在施工質(zhì)量或者安全問題，未通過驗收，不得進(jìn)入下一工段，需立即由專人根據(jù)在管片中布設(shè)的灌漿孔，進(jìn)行二次灌漿。同步注漿期間如施工人員未嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)流程及操作要求，將增大盾構(gòu)機沉降風(fēng)險，甚至在局部位置發(fā)生滲漏水現(xiàn)象。因此，針對盾構(gòu)施工中的二次注漿作業(yè)，除了需把握注漿時機外，相關(guān)人員還需要根據(jù)二次注漿的目的、作業(yè)要求等，合理配備漿液，并控制注漿壓力、注漿量。

5.4 盾構(gòu)接收階段

盾構(gòu)接收為最終環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)也相對重要。依據(jù)行業(yè)對盾構(gòu)施工的技術(shù)要求，貫通前最后50 m為到達(dá)階段。現(xiàn)場人員應(yīng)分析各方面因素，做好此環(huán)節(jié)工作。如有關(guān)人員需觀察在洞門處的探孔是否有滲水與漏水現(xiàn)象，有滲漏水問題時，需立即進(jìn)行排水或防水處理，并在原有基礎(chǔ)上加固土體。施工現(xiàn)場還需根據(jù)圖紙規(guī)定，設(shè)置控制點導(dǎo)線，使盾構(gòu)機以特定姿態(tài)穩(wěn)定進(jìn)入隧洞，預(yù)防此過程中盾構(gòu)機的偏位現(xiàn)象。如存在偏位現(xiàn)象，應(yīng)率先確定偏離程度。在誤差允許范圍內(nèi)時無需處理，但如偏位嚴(yán)重，則需要立即糾偏。掘進(jìn)到與洞口封門相距100 m的情況下，有關(guān)人員需立即測量軸線，適當(dāng)調(diào)整。切口與封門的距離為10 m，此過程中需嚴(yán)格控制土量[4]。

5.5 監(jiān)測監(jiān)控

盾構(gòu)作業(yè)中為減少現(xiàn)場的各種施工問題，施工企業(yè)必須從思想上重視監(jiān)測監(jiān)控，以通過全過程、全面化監(jiān)控、監(jiān)測來發(fā)現(xiàn)質(zhì)量、安全等問題，識別風(fēng)險并制定更有針對性的處理措施。為凸顯監(jiān)控監(jiān)測的作用，相關(guān)人員需結(jié)合軌道交通現(xiàn)場情況，圍繞本項目的盾構(gòu)施工方案，確定監(jiān)控監(jiān)測內(nèi)容，并設(shè)定測點。

5.6 盾構(gòu)機密封

通過盾構(gòu)機密封操作，能起到良好的封閉效果。應(yīng)在盾尾進(jìn)行相應(yīng)的密封處理，以免水體、土粒等進(jìn)入盾構(gòu)機內(nèi)部影響其運行狀態(tài)。盾尾密封時可采用多層密封技術(shù)，形成多個密封層，使油脂進(jìn)入到每一密封層。通過規(guī)范化盾尾密封施工后，可凸顯潤滑、防水作用，提高盾構(gòu)機可靠性。目前市場上大部分型號的盾構(gòu)機均能以自動方式將油脂注入到盾尾密封層，但注入時需控制用量，避免注入量過大[5]。一旦盾構(gòu)掘進(jìn)作業(yè)中發(fā)生滲漏水問題，有關(guān)人員需暫停掘進(jìn)施工，分析漏水部位及原因，由人工注入油脂并完成密封處理。

5.7 盾構(gòu)機油壓驅(qū)動裝置檢查

油壓驅(qū)動裝置為盾構(gòu)機的核心設(shè)備，在盾構(gòu)機頻繁使用或者長期閑置后，油壓驅(qū)動裝置往往會發(fā)生一定的故障。因此，為避免油壓驅(qū)動裝置影響盾構(gòu)機運行狀態(tài)，相關(guān)人員需定期、不定期檢查油壓驅(qū)動裝置。檢查液壓油質(zhì)量，如雜質(zhì)過多，應(yīng)及時更換油品，油量不足時需及時補充。對部分盾構(gòu)機可用過濾網(wǎng)處理主油箱進(jìn)出油口，以去除液壓油中的雜物。為避免濾網(wǎng)堵塞等，現(xiàn)場需布設(shè)壓力表、壓力傳感器等裝置，以便采集相應(yīng)數(shù)據(jù)，分析濾網(wǎng)工作是否正常。一旦壓力表采集到的數(shù)據(jù)達(dá)到相應(yīng)限值，有關(guān)人員需更換新過濾網(wǎng)，以提高油壓驅(qū)動裝置的運行效率。

6 結(jié)束語

盾構(gòu)施工時需注意很多方面，各城市軌道交通項目中有關(guān)人員需綜合實際情況優(yōu)化盾構(gòu)施工方案，強化技術(shù)、質(zhì)量及安全管理，以凸顯盾構(gòu)施工技術(shù)的優(yōu)勢。

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