地鐵復(fù)雜地質(zhì)條件的盾構(gòu)施工技術(shù)

周 翔

中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000

1 復(fù)雜地質(zhì)條件下施工技術(shù)的重要性

復(fù)雜地質(zhì)條件下，地鐵施工技術(shù)對(duì)地鐵的建設(shè)質(zhì)量有著直接影響，因此在開(kāi)展施工作業(yè)的過(guò)程中，需要有效落實(shí)復(fù)雜地質(zhì)的考察工作，只有在掌握地質(zhì)狀況的基礎(chǔ)之上，才能夠選擇最為合理的施工技術(shù)，以此達(dá)到提升施工質(zhì)量和施工效率的目的。同時(shí)，在開(kāi)展地鐵建設(shè)工作的過(guò)程中，還應(yīng)該加大對(duì)施工成本投入工作的重視力度，在不斷提升施工質(zhì)量的同時(shí)，控制企業(yè)成本，重視企業(yè)和市場(chǎng)的健康發(fā)展，只有這樣才能夠在發(fā)展過(guò)程中占得先機(jī)，并且提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。正是因?yàn)榈罔F建設(shè)過(guò)程包含多方面的內(nèi)容，所以該項(xiàng)工作的開(kāi)展需要將不同領(lǐng)域的知識(shí)相互交融起來(lái)，這就需要相關(guān)部門有效落實(shí)施工前期的交流以及方案的建設(shè)工作，為地鐵工程項(xiàng)目施工作業(yè)的順利開(kāi)展提供良好的條件。地鐵項(xiàng)目的建設(shè)不僅能夠在一定程度上緩解城市交通壓力，還能夠降低對(duì)城市帶來(lái)的污染，在優(yōu)化城市居民生活環(huán)境方面發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。

2 盾構(gòu)施工安全影響因素

2.1 土艙壓力的對(duì)比

為了能夠掌握不同的土艙壓力對(duì)地表位移產(chǎn)生的影響，文章通過(guò)模擬隧道的真實(shí)情況，將土艙壓力分別設(shè)定為0.3MPa、0.35MPa、0.4MPa 以及0.45MPa。

（1）不同土艙壓力下的地表位移變化。在不同的地表壓力下開(kāi)展試驗(yàn)工作，并且借助數(shù)值模擬變形曲線。如果隧道土艙壓力為0.3MPa，就會(huì)使地表產(chǎn)生小幅度的沉降位移現(xiàn)象，已經(jīng)開(kāi)挖的地表部分沉降的最大幅度將達(dá)到-2.29mm，而沒(méi)有開(kāi)挖部分的地表沉降位移為-1.99mm，位移沉降較小。對(duì)隧道給予不同的土艙壓力，隨著壓力不斷增加，整體地表會(huì)表現(xiàn)出小幅度的沉降。在具體開(kāi)展盾構(gòu)施工作業(yè)的過(guò)程中，如果需要對(duì)土艙壓力進(jìn)行調(diào)整，就需要嚴(yán)格按照?qǐng)龅氐膶?shí)際情況以及地表的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)開(kāi)展該項(xiàng)工作。

（2）不同土艙壓力下的應(yīng)力變化。對(duì)于盾構(gòu)機(jī)不同的土艙壓力，隧道沒(méi)有開(kāi)挖部分土地的應(yīng)力也不同。對(duì)于盾構(gòu)開(kāi)挖刀盤(pán)前方位置的土體，應(yīng)力對(duì)其產(chǎn)生的影響比較大，尤其是會(huì)表現(xiàn)出較大的主應(yīng)力，而土體上方位置的應(yīng)力則相對(duì)較弱，盾構(gòu)機(jī)周圍土體的應(yīng)力變化也比較明顯，同時(shí)隨著土艙壓力的不斷增加，掌子面的壓力也會(huì)隨之增加。

2.2 注漿量影響因素對(duì)比

隧道工程是地鐵盾構(gòu)施工主體，在開(kāi)挖地鐵隧道的過(guò)程中，需要設(shè)置管片，管片的設(shè)置應(yīng)該遵循每掘進(jìn)12m 增加一級(jí)管片的原則，對(duì)于管片和隧道土體之間的空隙，需要有效落實(shí)縫隙的注漿填充工作，以便能夠減少地表沉降，并且可以有效改善周圍的土體。在開(kāi)展模擬工作的過(guò)程中，需要根據(jù)管片的厚度來(lái)決定注漿的數(shù)量，原有的管片厚度為300mm，需要借助彈性模量改變有效厚度，等效厚度注漿為50mm、100mm、150mm 以及250mm。使用數(shù)值模擬能夠?qū)⒆{量差異性地表沉降變化曲線顯示出來(lái)，隨著等效厚度的不斷增加，地表沉降將會(huì)越來(lái)越小[1]。在開(kāi)展地鐵盾構(gòu)施工的實(shí)際注漿環(huán)節(jié)，科學(xué)合理地注漿會(huì)減小地表的沉降變化，但是如果注漿數(shù)量太多，就會(huì)導(dǎo)致地表隆起，從而破壞土地的穩(wěn)定性，加大地表沉降。由此可見(jiàn)，在具體開(kāi)展盾構(gòu)施工作業(yè)的過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際情況以及地表位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定合理的注漿量。

2.3 隧道穿越不同土層的影響

面對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)條件，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中使用盾構(gòu)施工技術(shù)，穿越土層的差異性非常大，在穿越上硬下軟土層時(shí)，借助模擬能夠掌握地表的變化狀況。隧道在0.35MPa 的土艙壓力下，在應(yīng)對(duì)全風(fēng)化軟土層時(shí)，上部位置呈現(xiàn)硬土層風(fēng)化土，而在對(duì)其實(shí)施全面挖掘之后，就會(huì)使地表位移發(fā)生變化，隨著開(kāi)挖工作的不斷推進(jìn)，會(huì)使得整體地表的位移逐漸減小，最大位移和最小位移之間的差距不大，同時(shí)地表的變化也不明顯。在上軟下硬的土層中開(kāi)展隧道施工作業(yè)，應(yīng)力變化并不明顯，掌子面上的應(yīng)力變化比較大，在這樣的地質(zhì)土層中，由于受到土艙壓力變化的影響，應(yīng)力應(yīng)變值產(chǎn)生影響的區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硬土層，但是對(duì)下部土體并不會(huì)產(chǎn)生太大的影響，主要是因?yàn)橄虏康耐临|(zhì)經(jīng)過(guò)硬化之后會(huì)成為硬土層風(fēng)化類型，其土體穩(wěn)定性相對(duì)較好[2]。

3 盾構(gòu)法在復(fù)雜地質(zhì)中的應(yīng)用

3.1 土壓平衡盾構(gòu)技術(shù)

（1）選擇合適的模式。半敞開(kāi)式模式、敞開(kāi)式模式以及土壓平衡模式是土壓式平衡盾構(gòu)機(jī)的三種模式。在掘進(jìn)模式的選擇方面，需要結(jié)合地層的表現(xiàn)特征以及實(shí)際條件選擇合適的掘進(jìn)模式。通常情況下，應(yīng)該將敞開(kāi)式模式作為全斷面巖層的掘進(jìn)方法，需要使用泡沫對(duì)渣土進(jìn)行改良。使用這種模式時(shí)無(wú)需頻繁調(diào)節(jié)土艙壓力，只要確保土艙壓力大于土壓力以及掌子面的水壓即可。對(duì)于比較復(fù)雜的砂卵石土層以及上軟下硬的土層，需要用到土壓平衡的掘進(jìn)方法。在這種復(fù)雜的土層掘進(jìn)工作中，對(duì)于土艙壓力的控制比較困難，要求施工人員做好各個(gè)細(xì)節(jié)位置處的處理工作。

（2）明確掘進(jìn)參數(shù)。在使用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)之前，要求施工方按照隧道的埋置深度以及施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件確定掘進(jìn)參數(shù)，包含掘進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、推力、扭矩以及盾構(gòu)姿態(tài)等。此外，還應(yīng)該有效落實(shí)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)工作，根據(jù)試驗(yàn)階段監(jiān)測(cè)反饋對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行隨時(shí)調(diào)整。由于施工過(guò)程中用到的是土壓平衡的方法，這就需要用到螺旋機(jī)旋轉(zhuǎn)以確保土層的動(dòng)態(tài)平衡。在施工過(guò)程中還需要對(duì)螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速以及壓力進(jìn)行合理控制，最大限度地確保生產(chǎn)作業(yè)的有序性。

（3）合理控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)。對(duì)于復(fù)雜地層的掘進(jìn)工作，應(yīng)有效落實(shí)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的控制工作，特別是對(duì)土層變化比較大的硬巖石層以及地段，難以對(duì)盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行糾正。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，使用千斤頂是最為有效的糾正姿態(tài)的方法，能夠取得很好的效果。但是千斤頂?shù)氖褂脮?huì)增加刀具的磨損程度，還有可能會(huì)引發(fā)盾構(gòu)機(jī)被卡以及管片錯(cuò)臺(tái)的故障，這就需要在開(kāi)展地層施工作業(yè)的過(guò)程中嚴(yán)格遵循長(zhǎng)距離、慢糾偏的原則，不可用力太大，不然就會(huì)增加施工作業(yè)難度。

3.2 泥水加壓平衡技術(shù)

（1）確定泥水性能。在確定泥水性能的過(guò)程中，需要確定泥水的密度。泥水是掘進(jìn)工作開(kāi)展過(guò)程中有效避免開(kāi)挖面變形現(xiàn)象出現(xiàn)的關(guān)鍵。通常情況，應(yīng)該盡可能提升泥水密度，使其與開(kāi)挖土體密度一致。但是，在具體實(shí)踐過(guò)程中，一旦泥水的密度太大，就很有可能對(duì)泥漿泵的處理能力產(chǎn)生影響，增加泥水處理工作難度，還會(huì)引起泵運(yùn)轉(zhuǎn)不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象。

（2）確定掘進(jìn)參數(shù)。在開(kāi)展復(fù)雜地層掘進(jìn)工作的過(guò)程中，需要確保切口壓力的穩(wěn)定性，同時(shí)應(yīng)該使推力和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速處于水平狀態(tài)。對(duì)于盾構(gòu)姿態(tài)的控制，需要用到調(diào)整導(dǎo)向油缸長(zhǎng)度以及推進(jìn)壓力的方法。如果在上軟下硬的土層中開(kāi)展各項(xiàng)工作，由于上層砂層自身的穩(wěn)定性不高，所需的切削扭轉(zhuǎn)相對(duì)較低，隨著下層土層硬度的不斷增大，對(duì)刀具的阻力也會(huì)比較大，會(huì)對(duì)刀具產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷，特別是在軟硬土層相接的位置。在開(kāi)展掘進(jìn)工作的過(guò)程中，為了能夠有效避免刀具受到較大荷載作用，需要提升刀具扭矩、放緩刀盤(pán)轉(zhuǎn)速。如果掘進(jìn)速度太快，就會(huì)加劇泥水輸送壓力以及處理壓力，在這一階段很有可能出現(xiàn)超挖現(xiàn)象。

4 盾構(gòu)施工過(guò)程中需要注意的問(wèn)題

4.1 開(kāi)挖前做好勘測(cè)工作

在開(kāi)展挖掘工作之前，需要全面落實(shí)掘進(jìn)路線的地質(zhì)勘測(cè)工作，以便掌握掘進(jìn)過(guò)程中可能遇到的各種復(fù)雜地質(zhì)，比如在土層以及斷層薄弱環(huán)節(jié)，需要根據(jù)測(cè)得的地質(zhì)情況制訂合理的預(yù)防措施，以此控制地質(zhì)問(wèn)題對(duì)盾構(gòu)施工帶來(lái)的影響[3]。此外，還應(yīng)該按照地質(zhì)情況構(gòu)件科學(xué)合理的盾構(gòu)機(jī)保養(yǎng)機(jī)制，并且針對(duì)特殊情況還需制訂應(yīng)急措施。盾構(gòu)施工作業(yè)的開(kāi)展還應(yīng)該嚴(yán)格按照地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果了解地質(zhì)變化情況，保障盾構(gòu)施工的高效性。

4.2 預(yù)防管片上浮問(wèn)題

管片上浮對(duì)于盾構(gòu)施工作業(yè)的正常開(kāi)展影響也相對(duì)較大，因此在施工前需要施工人員準(zhǔn)確勘測(cè)地質(zhì)情況，并且要按照盾構(gòu)施工參數(shù)對(duì)其給予相應(yīng)的指導(dǎo)，以便在出現(xiàn)管片上浮問(wèn)題之后能夠及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。此外，還應(yīng)該合理把控盾構(gòu)掘進(jìn)速度，結(jié)合施工工程項(xiàng)目的需要使用千斤頂，以免施工過(guò)程中出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象而引發(fā)坍塌故障。

4.3 避免地面沉降措施

在開(kāi)展盾構(gòu)施工作業(yè)的過(guò)程中，沉降問(wèn)題比較常見(jiàn)，因此在開(kāi)展盾構(gòu)施工作業(yè)前需要制訂合理的預(yù)防措施，并選擇相應(yīng)的盾構(gòu)機(jī)，以免出現(xiàn)地面沉降問(wèn)題。此外，注漿還會(huì)對(duì)地面沉降產(chǎn)生影響，這就需要根據(jù)土質(zhì)參數(shù)來(lái)調(diào)整注漿時(shí)間以及速度。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，在我國(guó)城市交通壓力不斷增大的時(shí)代背景下，地鐵工程逐漸成為城市交通系統(tǒng)的主要組成結(jié)構(gòu)，但是受復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境的影響，地鐵工程施工過(guò)程中會(huì)遇到各種類型的問(wèn)題，這就需要選擇合適的盾構(gòu)機(jī)，同時(shí)要應(yīng)用科學(xué)合理的施工技術(shù)，確保地鐵盾構(gòu)施工作業(yè)的順利開(kāi)展。