復(fù)合地層隧道工程采用土壓平衡盾構(gòu)施工技術(shù)研究

摘要：簡(jiǎn)要介紹了隧道工程的工程地質(zhì)概況，從盾構(gòu)機(jī)優(yōu)化配置、盾構(gòu)初期掘進(jìn)施工、掘進(jìn)過(guò)程的軸向偏差控制等方面，闡述了復(fù)合地層隧道工程土壓平衡盾構(gòu)施工技術(shù)。通過(guò)對(duì)該隧道工程進(jìn)行有限元分析、土體沉降測(cè)試分析以及既有橋梁摩擦樁位移測(cè)試分析，驗(yàn)證應(yīng)用本文所述盾構(gòu)施工技術(shù)的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：復(fù)合地層；隧道工程；土壓平衡；盾構(gòu)技術(shù)

0" "引言

土壓平衡盾構(gòu)施工技術(shù)在復(fù)合地層中應(yīng)用廣泛，在隧道工程施工中發(fā)揮著重要作用。采用土壓平衡盾構(gòu)施工技術(shù)，通過(guò)合理選擇掘進(jìn)模式和掘進(jìn)參數(shù)，可有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面沉降的有效控制，保障施工安全與質(zhì)量[1]。在隧道掘進(jìn)施工中，由于地表變形不易控制，會(huì)引起隧道上方土體產(chǎn)生沉降，容易導(dǎo)致盾構(gòu)施工無(wú)法達(dá)到預(yù)期指標(biāo)[2]。為此如何確保復(fù)合地層盾構(gòu)施工的安全與質(zhì)量，已經(jīng)成為行業(yè)一個(gè)重要研究課題。

本文簡(jiǎn)要介紹了隧道工程的工程地質(zhì)概況，從盾構(gòu)機(jī)優(yōu)化配置、盾構(gòu)初期掘進(jìn)施工、掘進(jìn)過(guò)程的軸向偏差控制等方面，闡述了復(fù)合地層隧道工程土壓平衡盾構(gòu)施工技術(shù)。通過(guò)對(duì)該隧道工程進(jìn)行有限元分析、土體沉降測(cè)試分析以及既有橋梁摩擦樁位移測(cè)試分析，驗(yàn)證應(yīng)用本文所述盾構(gòu)施工技術(shù)的應(yīng)用效果。

1" "工程地質(zhì)概況

某城市隧道工程的斷面為單隧道結(jié)構(gòu)，隧道底部距地面約為15.36～20.24m。該隧道工程的施工區(qū)域大部分位于軟硬復(fù)合地層，經(jīng)地質(zhì)勘探得知其地層結(jié)構(gòu)自下而上分別由粉質(zhì)黏土、沙土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土以及人工填土等組成。此外，該隧道盾構(gòu)工程涉及其側(cè)下方穿越直徑為1.3m地面橋梁的摩擦樁基礎(chǔ)。該隧道地層物理參數(shù)如表1所示。

2" "隧道土壓平衡盾構(gòu)關(guān)鍵施工技術(shù)

2.1" "盾構(gòu)機(jī)優(yōu)化配置

2.1.1" "盾構(gòu)機(jī)選型

由于該隧道區(qū)域地層具有較高的壓縮性，根據(jù)該地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工需求，選用直徑為6.9m的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧道掘進(jìn)施工。

2.1.2" "刀盤刀具設(shè)置

考慮該隧道區(qū)域軟硬不均的地質(zhì)特點(diǎn)，選用輻條式刀盤，該種刀盤可在地層穩(wěn)定性較差的區(qū)域進(jìn)行盾構(gòu)施工，并可輔助穩(wěn)定掌子面。在刀盤上配置滾刀，以防止在盾構(gòu)過(guò)程中發(fā)生損壞刀具、刀盤中心結(jié)泥、滾刀偏磨等情況[3]。在刀盤上增設(shè)中心面板，以提升掌子面的穩(wěn)定性。降低刀盤中心開(kāi)口，以減少掘進(jìn)過(guò)程中刀盤扭矩、提升掘進(jìn)速度。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)穿越復(fù)合地層遇到殘積地層時(shí)，需要精確計(jì)算不同刀具的高差，并采取有效措施防止結(jié)出泥餅，以降低刀具的更換頻率。面對(duì)地層軟硬變化較大的復(fù)雜地層，施工前在同一軌跡線上設(shè)置5把周邊滾刀，以確保盾構(gòu)施工的順利進(jìn)行。通過(guò)對(duì)盾構(gòu)刀盤的上述優(yōu)化設(shè)計(jì)，可確保盾構(gòu)施工的高效和安全，最大限度地減少盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.3" "滾刀間距設(shè)置與調(diào)整

完成盾構(gòu)刀盤刀具設(shè)置后，需要根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行滾刀間距的合理調(diào)整。為消除滾刀破巖后累積的巖脊，需合理調(diào)整滾刀間距，其調(diào)整過(guò)程需滿足的條件見(jiàn)下列公式：

式中：s為滾刀合理間距，h為滾刀貫入巖石的深度，θ為滾刀與巖石之間的夾角。

依據(jù)式（1）中各參數(shù)之間的關(guān)系，設(shè)置滾刀的合理間距。為防止在設(shè)備掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生刀具脫落現(xiàn)象，施工人員在盾構(gòu)施工前檢查刀盤滾刀固定螺栓的緊固情況，確保其安裝牢固，以避免在沖擊硬巖時(shí)導(dǎo)致刀盤掘進(jìn)扭矩突增和滾刀脫落[4]。

如果在掘進(jìn)工程中遇到卡機(jī)問(wèn)題，為保證施工的安全性，需拆除滾刀，以減少其對(duì)地層擾動(dòng)的影響，有效解決卡機(jī)問(wèn)題，確保盾構(gòu)施工順利進(jìn)行。

2.2" "盾構(gòu)初期掘進(jìn)施工

2.2.1" "注漿加固隧道上部土體

依據(jù)該盾構(gòu)工程地質(zhì)情況，采用?350mm單管噴射注漿樁對(duì)盾構(gòu)隧道起始端和隧道上部的軟弱土體進(jìn)行加固，以有效保證盾構(gòu)施工的穩(wěn)定掘進(jìn)。

為保證土體加固的均勻性，采用鉆芯法進(jìn)行施工。其鉆孔作業(yè)在隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)進(jìn)行，并在注漿完畢后將鉆孔填平。為檢查注漿加固狀況，在隧道洞口的中部設(shè)置一定數(shù)量的觀察孔[5]。通過(guò)高壓注漿增加隧道上部土體的穩(wěn)定性，保證盾構(gòu)施工安全。

2.2.2" "盾構(gòu)初期施工要點(diǎn)

在隧道盾構(gòu)初期階段，由于刀盤尚未建立平衡土壓力，應(yīng)采用緩慢均勻的掘進(jìn)方法，盡量減少對(duì)土體的擾動(dòng)。為了盡快達(dá)到土壓平衡狀態(tài)，可暫?；蛘邷p少排渣操作。盾構(gòu)機(jī)在起始端掘進(jìn)時(shí)，反力架提供的支撐能力有限，因此初始掘進(jìn)速度應(yīng)緩慢，嚴(yán)格控制開(kāi)挖結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量不超過(guò)1200t。同時(shí)保證刀盤扭矩小于盾構(gòu)機(jī)底座提供的反作用扭矩。

在盾構(gòu)機(jī)處于掘進(jìn)狀態(tài)時(shí)，需要特別注意控制推力、扭矩等參數(shù)。在施工過(guò)程中需要盾構(gòu)機(jī)各運(yùn)轉(zhuǎn)部件保持良好的密封和潤(rùn)滑狀態(tài)，同時(shí)對(duì)隧道開(kāi)挖情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)偏差或異常情況應(yīng)立即采取適當(dāng)措施。

為避免盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)“磕頭”現(xiàn)象，需要適當(dāng)增加盾構(gòu)機(jī)下方液壓千斤頂?shù)耐屏?，提供更可靠的支撐，以確保正常掘進(jìn)。在掘進(jìn)過(guò)程中，操作人員應(yīng)使用氣體保壓的方式進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)。根據(jù)不同埋深及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)面氣體壓力，通過(guò)氣體壓力調(diào)節(jié)控制渣土排出，從而有效控制掘進(jìn)面土體沉降。

2.2.3" "動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)反力架

在盾構(gòu)施工過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)反力架變形的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)獲取反力架的異常情況，以保證施工過(guò)程中反力架強(qiáng)度的安全性。反力架動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法如下：一是在反力架上安裝合適的傳感器和監(jiān)測(cè)儀器，包括位移計(jì)、應(yīng)變計(jì)、壓力傳感器等監(jiān)測(cè)設(shè)備，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反力架的變形和受力情況；二是通過(guò)監(jiān)測(cè)儀器采集反力架的變形數(shù)據(jù)，并及時(shí)記錄下來(lái)；三是對(duì)采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以判斷反力架是否存在異常情況、其變形是否超過(guò)允許范圍；四是通過(guò)與設(shè)計(jì)的安全指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比和評(píng)估，確定反力架是否需要及時(shí)采取措施進(jìn)行調(diào)整或處理。

2.3" "掘進(jìn)過(guò)程軸向偏差控制

2.3.1" "計(jì)算掘進(jìn)推力

為控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程的軸向偏差，應(yīng)對(duì)其推力進(jìn)行計(jì)算，掘進(jìn)過(guò)程總推力計(jì)算公式如下：

式中：F為掘進(jìn)過(guò)程總推力，F(xiàn)1為盾殼與周圍土體之間的摩擦力，F(xiàn)2為掘進(jìn)時(shí)土體對(duì)刀盤水平阻力，F(xiàn)3 為貫入阻力。如式（2）可知，在堅(jiān)硬地層開(kāi)挖時(shí)應(yīng)增大液壓千斤頂?shù)耐屏Γ谲浫醯貙娱_(kāi)挖時(shí)應(yīng)減小液壓千斤頂?shù)耐屏Α?/p>

2.3.2" "調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)

由于該盾構(gòu)隧道所處地質(zhì)為復(fù)合地層，在初始盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)容易受復(fù)合地層的影響而發(fā)生設(shè)計(jì)軸線的偏差，必須及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)，以保證盾構(gòu)施工軸向偏差在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)。盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)允許偏差值如表2所示。

在盾構(gòu)施工中，可通過(guò)調(diào)節(jié)液壓千斤頂?shù)男谐塘考捌渖炜s速度來(lái)調(diào)節(jié)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)，從而將隧道的軸線偏差控制在規(guī)范要求的范圍之內(nèi)。當(dāng)滾轉(zhuǎn)角偏差超過(guò)極限時(shí)，可通過(guò)調(diào)整刀盤刀具來(lái)修正滾轉(zhuǎn)角偏差，其矯正量應(yīng)嚴(yán)格控制在2mm之內(nèi)，以避免因突然矯正或過(guò)度矯正損壞襯砌管片。

3" "實(shí)例分析

3.1" "有限元分析

充分考慮邊界效應(yīng)對(duì)模擬結(jié)果的影響，采用ABAQUS有限元軟件，構(gòu)建隧道盾構(gòu)工程的三維數(shù)值模型，以模擬盾構(gòu)施工過(guò)程中不同方向的位移約束情況。

該模型中的地面橋梁摩擦樁基礎(chǔ)，采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，并根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)條件設(shè)置了軟硬復(fù)合地層的物理力學(xué)參數(shù)，其具體參數(shù)如下：重度約為20kN/m3，剪切強(qiáng)度約為12kPa，壓縮模量約為20MPa。

通過(guò)模擬土體在掘進(jìn)過(guò)程中的應(yīng)力釋放，使得土體單元變形能夠生動(dòng)展現(xiàn)出盾構(gòu)隧道施工的真實(shí)情況。在模擬中，通過(guò)激活盾構(gòu)機(jī)部件模擬盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)過(guò)程，采用失效方法使得前一片土體單元失效。同時(shí)在相同位置施加支撐壓力并激活襯砌單元，在土體周圍施加注漿壓力，從而完成隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程。預(yù)計(jì)隨著隧道的持續(xù)掘進(jìn)，當(dāng)掘進(jìn)到與開(kāi)挖面的距離為100m時(shí)，土體豎向沉降值控制在-9mm以內(nèi)，以此為指標(biāo)開(kāi)展測(cè)試。

3.2" "土體沉降測(cè)試分析

為研究周邊土體的豎向位移隨盾構(gòu)掘進(jìn)的變化規(guī)律，在到隧道開(kāi)挖面100m之間設(shè)置了5個(gè)測(cè)試小組，進(jìn)行土體沉降值測(cè)試，記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)并整理出圖像。隧道掘進(jìn)過(guò)程土體沉降變化曲線如圖1所示。

由圖1可知，隨著隧道的不斷掘進(jìn)，5個(gè)測(cè)試小組到隧道開(kāi)挖面100m之間的豎向沉降值均在-9mm以內(nèi)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。由此說(shuō)明，運(yùn)用該技術(shù)進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)，隧道起始段和隧道上部實(shí)施注漿樁的軟弱土體產(chǎn)生的豎向位移較小。隨著盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)掘進(jìn)，地表會(huì)產(chǎn)生微小隆起。運(yùn)用本文所述施工技術(shù)，能夠消除盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)土體的擠壓，使得沉降量趨于緩和。

3.3" "橋梁摩擦樁位移測(cè)試分析

為驗(yàn)證本文所述施工技術(shù)的可行性，還需對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程中，橋梁摩擦樁側(cè)下方的位移變化情況進(jìn)行研究。該項(xiàng)研究的預(yù)期目標(biāo)為：當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)后，該摩擦樁的豎向位移值應(yīng)不超過(guò)±2mm，以保證盾構(gòu)施工和地面橋梁安全。為此，利用5個(gè)測(cè)試小組在樁長(zhǎng)的不同位置進(jìn)行豎向位移測(cè)試，得到該摩擦樁豎向位移變化曲線如圖2所示。

由圖2可知，該摩擦樁在盾構(gòu)掘進(jìn)施工過(guò)程中，其樁身豎向位移只發(fā)生了微小變化，5個(gè)測(cè)試小組受盾構(gòu)掘進(jìn)施工的影響均較小，摩擦樁的豎向位移值沒(méi)有超過(guò)±2mm，符合預(yù)期要求。由于該摩擦樁周圍土體實(shí)施了注漿樁施工，該土體承載力較大，產(chǎn)生了較大約束，使得該摩擦樁更加牢固，達(dá)到了良好的加固效果。

根據(jù)實(shí)例分析得知，運(yùn)用本文所述盾構(gòu)施工技術(shù)，在盾構(gòu)施工過(guò)程中，可將隧道周邊土體沉降值和橋梁摩擦樁豎向位移值控制在允許范圍之內(nèi)，提升隧道的抗壓變形能力，提高摩擦樁的承載力，有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件，確保盾構(gòu)施工的安全與質(zhì)量。

4" "結(jié)束語(yǔ)

為提高隧道盾構(gòu)施工質(zhì)量，本文以實(shí)際項(xiàng)目為例，對(duì)復(fù)合地層中進(jìn)行隧道土壓平衡盾構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)行分析和改進(jìn)。根據(jù)地層的結(jié)構(gòu)和特性，選擇合適的掘進(jìn)方式，控制了土體沉降值、保證了隧道掘進(jìn)施工安全。今后，將進(jìn)一步研究盾構(gòu)施工對(duì)周圍環(huán)境的影響，通過(guò)優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)的性能提高施工效率，使盾構(gòu)施工各項(xiàng)參數(shù)保持在可控范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)良好的盾構(gòu)施工效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 吉力此且，路軍富，王國(guó)義.大粒徑卵石地層土壓平衡盾構(gòu)施工的渣土改良[J].城市軌道交通研究，2022，25（8）：126-131.

[2] 秦元，余宏淦，陶建峰，等.基于PSO-SVR的土壓平衡盾構(gòu)施工進(jìn)度優(yōu)化[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2022，56（8）：1523-1532.

[3] 何洋，侯歡，許立建，等.地鐵工程大直徑土壓式平衡盾構(gòu)機(jī)力學(xué)計(jì)算及機(jī)械選型研究[J].建筑技術(shù)，2023，54（15）：1822-1826.

[4] 姜雷雷，胡尚衡，徐教煌.類矩形盾構(gòu)隧道施工測(cè)控技術(shù)研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2023（10）：177-181.

[5] 張明偉.土壓平衡盾構(gòu)下穿人防工程施工控制技術(shù)[J].建筑技術(shù)，2022，53（11）：1561-1564.

（山西交院試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，山西太原" "030000）