地鐵復雜地質條件的盾構施工技術

龍亮

中國水利水電第十四工程局有限公司 云南 昆明 650041

引言

隨著我國城市建設的不斷深入發展，地鐵在城市交通中的應用越來越多，且應用效果日益突顯出來，有效地緩解城市交通壓力。然而地鐵工程施工建設與其他普通工程項目施工相比，具有施工難度非常大，復雜性強，且投資大等特點。特別是面臨復雜地質條件時，一旦處理不當極可能引發嚴重的安全和質量問題，所以，有必要進一步加大對地鐵復雜地質條件下施工技術的研究。

1 地鐵復雜地質條件下的盾構施工組織管理分析

1.1 工藝和盾構機的選擇

對于地鐵工程來講，其主戰場為地下，因地下地質條件和環境較為復雜，所以在具體的地鐵工程施工中為了確保工程施工質量和安全，往往需要對盾構機的施工方法和工藝進行研判和提前籌劃。另外，當施工區段地層比較復雜和施工條件受限時，通常需要提前制定施工方案，提出應對措施，并進行方案論證和細化。對于復雜的程度來講，一旦在某個環節中發生錯誤必定會對工程的施工質量、效果何安全等造成影響。因此，在地鐵施工建設中對于施工工藝技術的要求也比較高，不僅要全面做好地面沉降反應的控制，而且還需對地面沉降量的問題加以控制，切實有效地將其控制在一定范圍內，以確保盾構施工的順利進行、地面的安全及管片成型的質量[1]。

1.2 施工準備

在地鐵工程建設中，復雜地質條件下的盾構施工往往會存在著很大的施工風險，為了降低風險對工程施工造成影響，通常提前進行籌劃，做好相關準備工作。如在施工前需對施工區域及線路環境、地層、建構筑及管線等風險源展開全面細致識別，根據識別結果采取不同的措施，通過技術方案進行細化。對于風險較大路段需作為重點勘測對象，還需在具體的施工作業前展開科學合理的方案設計和技術交底等工作，盡可能做到提前謀劃，技術先行，對施工問題提前制定應對措施。

1.3 對盾構機性能進行把握

一般來講，盾構施工算是流水作業，如果要確保盾構施工連續，不間斷，就需要施工人員要對盾構機的性能做全面地了解和掌握，通過各個環節的把握，對設備的了解、對施工流程的熟悉等，提前制定施工計劃，備足施工所需的耗材、主材及配件，以免因各種原因造成不必要的停機，從而產生各種風險。

1.4 嚴格落實施工設計方案

有研究表明，在復雜地質環境下，盾構施工過程中往往需要面對較為復雜的施工工藝，且各施工工藝技術與施工條件又有著十分緊密的聯系。在實際施工過程中，一旦某一環節出現質量問題，就會對整體工程施工質量造成影響。所以，在具體的盾構施工階段，需要嚴格按照施工方案開展施工作業，切實保證各項施工能夠與實際施工規范及要求相符合，全面有效地落實好工程質量管理與控制工作。如對于地鐵隧道注漿的施工需要采取科學合理且有效的控制措施，以免出現施工安全問題；在對管片拼裝和選型時需對其質量加以考慮，切實保證盾構機能夠實現正常、穩定作業[2]。

2 影響盾構施工安全的因素分析

2.1 土倉壓力的影響

在盾構推進過程中，土倉壓力的設置往往會根據不同地層、不同埋深和不同的水頭壓力而進行設定，為了更好地了解不同土倉壓力與地面沉降之間的聯系，本文通過對成都砂卵石地層埋深20m左右不同土倉壓力下地面沉降數據的不同進行分析。

2.1.1 不同土倉壓力條件下，地面的沉降變化情況。通過對不同土倉壓力掘進條件下的地面沉降數據分析、歸納并總結。當掘進時土倉壓力值2.1bar左右時，隧道正上方的沉降最大，數據約為4mm/d沉降速率也最快，隨著盾構往前推進，沉降速率逐漸降低，最終沉降基本控制在7mm范圍內。當土倉壓力降低至1.8bar左右時，隧道正上方的沉降最大，數據約為6mm/d沉降速率也最快，隨著盾構往前推進，沉降速率逐漸降低，最終沉降基本控制在11mm范圍內。

2.1.2 不同土倉壓力下條件，應力變化情況。盾構機土倉壓力的不同，隧道內未開挖部分的地層應力也各不相同。在具體的施工過程中，應力對盾構開挖刀盤前方位置的土體往往產生較大的影響，特別是會表現出極大的主動應力，但土體上方位置的應力往往比較小，盾構機開挖面周邊土體的應力通常會發生較大的變化，且隨著土倉壓力的不斷增大，掌子面壓力也會越來越大[3]。

2.2 注漿量的影響

在地鐵盾構施工中，隧道工程是其施工的主體，在具體的開挖過程中通常需要同步襯砌預制管片，而管片的設置通常需堅持一定的原則，同時，還需對于管片與隧道土體間存在的空隙使用注漿填充作業進行填充，盡可能降低地表沉降和管片滲漏水的發生，以使其周圍土體得到一定的改善。在具體施工作業期間，需要結合盾構機開挖直徑及管片的外徑計算出理論的注漿量。在實際施工過程中，注漿分為同步注漿，二次注漿及后續頂管注漿，同步注漿需要合理設置理論量，若注漿量多了容易竄入土倉內造成資源浪費、地面冒漿、土倉內結泥餅、地面隆起等問題，注漿量少了易造成管片失穩，上浮下掉等問題，因此在同步注漿后需要及時補充二次注漿，對因同步注漿未填充密實的壁后進行補充，以確保管片及地面的穩定，當二次注漿也無法滿足施工要求或地層中存在空洞時，可采取頂管注漿進行鞏固。所以，在實際的盾構施工階段，需要結合實際各項數據分析對注漿量及注漿方式進行合理確定。

2.3 隧道穿越不同地層的影響

在地鐵工程施工中面臨復雜地質條件的情況下，運用盾構施工技術時，穿越的地層有著較大的差異，如在穿越上軟下硬地層時，由于地層上下強度不同，盾構機掘進時容易造成漂移、姿態不容易往下走等問題，因而導致掘進速度變慢，姿態不可控，地面沉降增大等風險。因此在上軟下硬地層施工時，需要適時增加土倉壓力，使推進力增加從而加大上下油缸的壓力差，控制出土量、增加同步注漿量等措施，控制盾構掘進姿態及地面沉降情況。

3 地鐵復雜地質條件下盾構施工技術分析

3.1 土壓平衡模式盾構施工技術

3.1.1 土壓的選擇。對于土壓式平衡盾構機來講，是通過盾構開挖時開挖倉內建立相對正壓力。在對其掘進施工過程中，通常需要與地層的表現特征、實際條件等結合起來加以考慮。一般來講，土壓平衡盾構施工時需要使用泡沫劑及水來對渣土實施改良，以確保渣土的流動性能，使螺旋機能順利將土排出，并且能在螺旋機內形成有效土封效果。在這種模式下需要根據地層埋深等情況對土倉壓力進行設置，保證土倉壓力與掌子面水土壓相對平衡。土壓平衡掘進模式通常適用在復雜的泥巖、砂巖、砂卵石地層和上軟下硬的多種地層上，而在這種較為復雜的地層進行掘進作業時，往往難以控制土倉壓力，所以，這就需要施工人員切實做好各細節位置的處理，保證掘進施工[4]。

3.1.2 掘進參數的確定。在對土壓平衡盾構機進行使用前，需要施工方嚴格按照隧道的埋深、現場地質條件等為依據對掘進的參數進行確定，如掘進的速度、刀盤轉速、推力、扭矩和盾構注漿量等都需要做進一步的明確。另外，還需全面做好監測工作，切實以監測有關反饋及時有效地調整現場數據。在應用土壓平衡法進行施工時，需要使用螺旋機旋轉以實現土層的動態平衡，在實際施工過程中，還需要科學合理地控制好螺旋機的轉速和壓力，盡可能保證施工作業的有序開展。

3.1.3 盾構機姿態的控制。在地鐵復雜地質進行掘進作業時，需要對盾構機的姿態進行合理控制，尤其是在一些土層變化大的硬巖石層中想要對盾構機的姿態進行糾正是十分困難的。許多實踐表明，對于盾構機姿態的糾偏通常需要使用千斤頂壓力差及鉸接油缸以達到良好的效果，但在使用千斤頂進行糾偏時會使刀具的磨損增大，甚至還有可能會致使盾構機出現被卡、管片錯臺等故障問題，所以，在具體的施工作業時，需要嚴格遵循勤糾偏、緩糾偏的基礎原則來展開，切忌糾偏過大，以免使施工作業難度加大。

3.2 泥水平衡模式盾構施工技術

3.2.1 泥水性能的確定。想要對泥水的性能進行確定，就需要先確定其密度。在掘進過程中泥漿的存在可以很好地減少開挖面發生變形的情況。一般來講，可以通過提高泥漿的密度使其與開挖土體的密度保持一致，但在具體的實踐作業中，如果泥漿的密度過大，極可能使泥漿泵的處理能力受到嚴重的影響，而致使泥漿處理工作難度加大，甚至還有可能會引發泵運轉故障問題，若泥漿比重太低而使攜渣困難，容易造成沉倉結泥餅等風險。

3.2.2 掘進參數的確定。在對復雜地層進行掘進作業時，需要確保切口壓力具有較強的穩定性，且推力與刀盤轉速達到良好的水平狀態。在對盾構姿態進行控制時，需要通過導向油缸長度調整和推進壓力的方法來展開，如遇到上軟下硬的土層時，因上層砂層自身的穩定性比較差，只需要做少許的切削扭轉，而隨著下層土層硬度的不斷提高，刀具的阻力不斷增大而致使刀具造成較大的損傷，尤其是在軟硬土層相連的部位較為明顯。因此，在具體的掘進作業時，為了有效減少刀具荷載作用力，可以對刀具的扭矩做適當提升，減緩刀盤的轉速。如果掘進速度過快，會使泥水輸送壓力和處理壓力增大，進而可能引發超挖的情況[5]。

4 地鐵復雜地質條件下盾構施工需要注意的事項

4.1 重視開挖前的勘測

在具體的挖掘施工前，通常需要對掘進的路線做好全面地勘測作業，以實現對掘進路線中的地質情況進行有效把握。如對于土層和斷層薄弱的部分可以結合勘測數據制定與之相適應的措施加以防范，盡可能有效地對影響盾構施工因素進行控制。另外，還需結合地質情況建立科學合理的盾構機維保機制，并具有針對性地制定相關應急預案。在具體的盾構機作業過程中，需嚴格按照地質勘測結果對地質的變化情況進行全面了解，以保證盾構施工質量。

4.2 避免管片上浮

在實際的盾構施工過程中，一旦發生管片上浮，會對盾構施工的正常進行造成阻礙，所以，在具體的施工作業前，有關施工人員需對地質情況進行精準地勘測，并嚴格按照相關參數做相應的指導，一旦管片發生上浮問題時能夠及時對其做適當地調整。另外，還需結合工程施工的實際情況，使用千斤頂對盾構掘進的速度進行合理控制，以提高工程的整體施工質量，有效規避坍塌故障的發生。

4.3 規避地面沉降

在地鐵復雜地質條件下進行盾構施工過程中常常發生沉降問題，所以，在具體的盾構施工前，需事先結合工程的實際情況及勘測結果制定科學合理的預防措施，同時，選擇與之相符合的盾構機，盡可能規避地面沉降問題的出現。另外，因注漿也會影響地面沉降問題，所以，還需結合土質參數對注漿的時間、速度等做適當地調整，從而保證工程施工質量。

5 結束語

綜上所述，在現階段社會經濟日益發展的環境背景下，國內城市交通壓力逐漸增大，城市交通系統建設中，地鐵工程的建設成了一項十分重要的組成內容。在地鐵工程建設過程中，因受到復雜地質環境的影響而致使在實際施工過程中面臨著許多問題，通過科學合理地使用盾構施工技術，可以很好地解決復雜地質環境對施工造成的影響，從而確保工程能夠實現正常、穩定開展。