盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，地質(zhì)條件對(duì)地表及周邊環(huán)境的影響

王立同 高粉霞

【摘 ?要】隨著我國(guó)地鐵建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣泛，合理應(yīng)用盾構(gòu)施工技術(shù)，可以保證工程質(zhì)量與效率。但是，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，穿越不同地質(zhì)時(shí)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生的影響也存在差異，這便體現(xiàn)出工程測(cè)繪的重要性。基于此，文章對(duì)此問題展開研究，并且根據(jù)不同的工程地質(zhì)條件提出應(yīng)對(duì)措施，希望對(duì)相關(guān)從業(yè)人員提供參考與借鑒。

【關(guān)鍵詞】盾構(gòu);地質(zhì);環(huán)境影響;應(yīng)對(duì)措施

盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)為勞動(dòng)強(qiáng)度低、掘進(jìn)速度快、自動(dòng)化程度高等，同時(shí)不會(huì)妨礙到地面交通與設(shè)施，近些年被廣泛應(yīng)用到實(shí)際工程中。然而，盾構(gòu)隧道施工會(huì)直接與地下土壤接觸，導(dǎo)致地層變形與地面沉降等問題的產(chǎn)生，尤其是通過復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域時(shí)，地層沉降與土體擾動(dòng)還會(huì)引發(fā)連鎖的環(huán)境病害問題。因此，在開展盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)，一定要對(duì)不同種類的地質(zhì)條件進(jìn)行研究，著重分析施工過程中對(duì)地下與地面造成的環(huán)境影響，這樣才能明確不同地質(zhì)條件在盾構(gòu)施工中的變化效果。此外還要制定針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施，這樣才能保證盾構(gòu)施工的綜合質(zhì)量，將工程項(xiàng)目對(duì)周圍環(huán)境形成的影響降至最低。

1.盾構(gòu)掘進(jìn)造成的影響分析

在采用盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)前，要對(duì)工程項(xiàng)目施工線路的水文環(huán)境開展全面勘察與測(cè)繪，結(jié)合環(huán)境情況制定科學(xué)合理的執(zhí)行方案。由于盾構(gòu)施工會(huì)對(duì)原土層結(jié)構(gòu)形成破壞，因此會(huì)在地下與地表產(chǎn)生各類連鎖反應(yīng)，例如地層損失、建筑物沉降、管線沉降以及地下水位變化等，具體如下：（1）盾構(gòu)推進(jìn)引起的土體位移一般由多階段組成，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)通過后，盾構(gòu)孔隙的閉合情況會(huì)引起一定程度的地表位移，盾尾孔隙會(huì)隨著土體擾動(dòng)效果逐漸變化，通常情況下要很久才能得到回復(fù);（2）建筑物沉降指的是在盾構(gòu)正常掘進(jìn)過程中，建筑物的沉降與地表沉降相同，這也是由于地表與地下情況變化所導(dǎo)致的;（3）地下管線沉降，隧道周圍地下管線主要有煤氣管、給水管、排污管，與隧道正交的橫斷面沉降基本呈正態(tài)曲線分布，管線在盾構(gòu)掘進(jìn)主要影響區(qū)內(nèi)的管線沉降大，主影響區(qū)外沉降小。

2. 不同的地質(zhì)條件對(duì)周邊環(huán)境的影響

2.1 軟土地基對(duì)周邊環(huán)境的影響

盾構(gòu)掘進(jìn)穿越軟土地基時(shí)，例如淤泥質(zhì)土層，由于該類土質(zhì)承載能力較低、整體結(jié)構(gòu)松軟、含水量高，因此容易產(chǎn)生流變與觸變等現(xiàn)象。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，導(dǎo)致地基失穩(wěn)與變形，同時(shí)刀盤中心區(qū)域容易形成泥餅，對(duì)掘進(jìn)施工效率造成影響，在此過程中不僅掘進(jìn)速度降低，而且土倉內(nèi)溫度升高，影響主軸運(yùn)行壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成主軸老化。此外，由于上層淤泥土流變性強(qiáng)，容易產(chǎn)生下陷情況，這樣還會(huì)導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)，使工程項(xiàng)目埋下安全質(zhì)量隱患。

盾構(gòu)隧道的施工過程中，對(duì)周圍地層的擾動(dòng)主要表現(xiàn)為側(cè)向變形，在盾構(gòu)推進(jìn)過程中可將地表變形分為盾構(gòu)到達(dá)前的變形、盾構(gòu)達(dá)到后的變形以及盾構(gòu)掘進(jìn)完畢后的變形。此外，盾構(gòu)隧道的施工引起地面變形的因素主要有盾構(gòu)擠土、周圍土體之間摩擦產(chǎn)生變化所形成的土體損失。因此，在深埋程度的增加過程中，土體損失情況也會(huì)隨著地面沉降系數(shù)而產(chǎn)生變化，例如產(chǎn)生地面隆起現(xiàn)象時(shí)，土體變化范圍也會(huì)形成連鎖反應(yīng)。

在針對(duì)軟土地層開展盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，可以加大底部千斤頂推進(jìn)油缸的推力組合，并且對(duì)盾構(gòu)設(shè)備的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，保證土渣的排出效率。當(dāng)?shù)貙映两登闆r比較明顯時(shí)，還要立即進(jìn)行二次注漿，對(duì)地表進(jìn)行注漿加固。

2.2 濕陷性黃土對(duì)周邊環(huán)境的影響

濕陷性黃土層與黏性土層不同，該地層結(jié)構(gòu)具有大孔隙、均勻無層理、疏松等特點(diǎn)，盾構(gòu)施工中如果沒有準(zhǔn)確控制參數(shù)，將會(huì)引起較大的地層損失。該類型的地質(zhì)條件在盾構(gòu)開挖前的水平應(yīng)力分布較為平均，在隧道開挖后由于建筑空隙的形成，導(dǎo)致原有的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)與水平應(yīng)力都會(huì)產(chǎn)生改變。例如在黃土地層中開展盾構(gòu)施工時(shí)，當(dāng)盾構(gòu)臨時(shí)停機(jī)、千斤頂回縮以及盾構(gòu)超挖等因素的影響，都會(huì)導(dǎo)致土體向開挖面移動(dòng)，如果沒有及時(shí)控制，將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重破壞。此外，根據(jù)開挖面土顆粒移動(dòng)情況能夠分析出，黃土地層中的土體移動(dòng)會(huì)從地下至地表不斷發(fā)展，最終在開挖面前方形成類似拋物線的滑動(dòng)面。

因此，在濕陷性黃土地層進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，要對(duì)斷面與地層損失情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，必要時(shí)要采用同步灌漿的施工方案，并且對(duì)注漿率進(jìn)行精確控制，以此來保證工程項(xiàng)目整體質(zhì)量。

2.3 砂卵石地層對(duì)周邊環(huán)境的影響

砂卵石地層是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，其特點(diǎn)為無膠結(jié)、整體結(jié)構(gòu)松散以及卵石粒徑不一等，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)穿越砂卵石地層時(shí)，機(jī)械刀盤的接觸面地質(zhì)存在差異化，從而導(dǎo)致刀頭在前進(jìn)中產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，這時(shí)當(dāng)頂進(jìn)力受到影響時(shí)，會(huì)使原本的結(jié)構(gòu)平衡性產(chǎn)生變化，引發(fā)明顯的地形變化，使開挖面與洞壁失去約束，當(dāng)擾動(dòng)程度無法控制時(shí)，便會(huì)引發(fā)隧道頂部的大塊卵石脫落，最終引起地層沉陷。

由于卵石土體具有離散特點(diǎn)，開挖過程中無法保證開挖面上部區(qū)域的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，當(dāng)開挖面處于失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，開挖面周圍的土體會(huì)產(chǎn)生大量沉降現(xiàn)象，并且結(jié)構(gòu)破裂逐漸由土體發(fā)展至地表。因此在進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)，應(yīng)該根據(jù)情況對(duì)開挖面與土倉內(nèi)注入添加劑，例如高效發(fā)泡劑與膨潤(rùn)土等，以此來保證刀具通過后土體結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生大程度的變化。此外，還要及時(shí)充滿土倉與螺旋輸送機(jī)的作業(yè)空間，保證開挖面的水壓與土壓平衡。

2.4 上軟下硬地層對(duì)周邊環(huán)境的影響

盾構(gòu)掘進(jìn)施工有時(shí)候還會(huì)穿越上軟下硬地層，也就是以殘積土為主的復(fù)合型土層，多數(shù)上軟下硬地層的主要巖石組成為花崗巖殘積土。盾構(gòu)隧道在此類地層施工始終是盾構(gòu)施工難點(diǎn)工作，該類型土層中的盾構(gòu)掘進(jìn)作業(yè)不僅進(jìn)程緩慢，而且掘進(jìn)方向容易產(chǎn)生變化，刀具磨損比較嚴(yán)重，如果未能及時(shí)更換刀頭，還會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)設(shè)備損壞。此外，盾構(gòu)在上軟下硬地層中穿越時(shí)，可能遇到從硬巖進(jìn)入軟巖或者從軟巖進(jìn)入硬巖的情況，有時(shí)軟巖土層既有自身的不穩(wěn)定性，同時(shí)還具備硬巖的強(qiáng)度。因此，為保證掘進(jìn)工程效率，在對(duì)盾構(gòu)刀頭與刀具進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后，勢(shì)必會(huì)對(duì)周圍情況造成嚴(yán)重影響，并且產(chǎn)生不同程度的沉降現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致地層結(jié)構(gòu)破壞，無法控制盾構(gòu)機(jī)械的姿態(tài)。

因此，在施工中要根據(jù)土壓平衡原理設(shè)定土壓力值，以此來保證開挖面的穩(wěn)定程度，同時(shí)還要明確盾構(gòu)設(shè)備的換刀時(shí)間與頻率，隨時(shí)監(jiān)測(cè)土體位移情況，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)施工參數(shù)作出調(diào)整。

3. 結(jié)語

綜上所述，盾構(gòu)施工技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使隧道建設(shè)工程的質(zhì)量與效率得到有效保證，這也是現(xiàn)代化技術(shù)與傳統(tǒng)工程領(lǐng)域的完美結(jié)合。然而，由于隧道工程規(guī)模普遍較大，在盾構(gòu)掘進(jìn)中會(huì)穿越不同地質(zhì)，對(duì)周圍環(huán)境造成的影響也存在不同。因此，為保證盾構(gòu)隧道施工中的安全質(zhì)量，需要在開挖前做好工程的可行性研究調(diào)查，這樣才能促進(jìn)工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可靠程度。本文首先對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)引起的沉降問題作出闡述，其次分別對(duì)盾構(gòu)施工中軟土地基、濕陷性黃土、砂卵石地層、上軟下硬地層中形成的環(huán)境影響進(jìn)行介紹，并且制定相應(yīng)的施工措施，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)施工的順利開展提供保障。

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