在復(fù)合地層進(jìn)行地鐵隧道盾構(gòu)施工的控制技術(shù)研究

張立宗

摘要：詳細(xì)闡述了在復(fù)合地層進(jìn)行地鐵隧道盾構(gòu)施工在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)控制措施、盾構(gòu)機(jī)卡盾和地表漏氣控制措施、注漿加固成環(huán)管片、盾構(gòu)機(jī)選型、觀測和監(jiān)測控制等方面的控制技術(shù)，通過工程實(shí)例驗(yàn)證了該控制技術(shù)滿足了施工控制需求，達(dá)到了課題研究目的。

關(guān)鍵詞：復(fù)合地層；地鐵隧道；盾構(gòu)施工；控制技術(shù)

0? ?引言

盾構(gòu)機(jī)在地鐵隧道掘進(jìn)過程中遇到復(fù)合地層時(shí)，容易引起地層擾動，造成出渣超方問題[1]。當(dāng)?shù)孛娉两颠^大時(shí)，會增加坍塌事故出現(xiàn)的頻率，很難保證盾構(gòu)機(jī)的安全順利掘進(jìn)。根據(jù)復(fù)合地層的特點(diǎn)，應(yīng)選擇型號適宜的盾構(gòu)機(jī)、配置功能適用的刀盤，并對盾構(gòu)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行控制，并選擇出最合理的掘進(jìn)參數(shù)[2]。

在復(fù)合地層中進(jìn)行盾構(gòu)施工，盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度與地層阻力、摩擦力等指標(biāo)有關(guān)[3]。由于地層摩擦阻力較大，刀盤刀具磨損增加，影響盾構(gòu)機(jī)的機(jī)械性能。在硬巖地層掘進(jìn)過程中，要實(shí)時(shí)監(jiān)測刀盤受力狀態(tài)與磨損情況，避免刀盤滿載運(yùn)行[4]。基于以上問題，本文研究了復(fù)合地層地鐵隧道盾構(gòu)施工控制技術(shù)這一課題。

1? ?復(fù)合地層盾構(gòu)施工控制技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1? ?盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)控制措施

1.1.1? ?正常與異常掘進(jìn)參數(shù)

復(fù)合地層是兩種及以上不同地層組成的地層。盾構(gòu)機(jī)穿越復(fù)合地層時(shí)，隧道內(nèi)部和地表建筑的風(fēng)險(xiǎn)不斷提高，控制盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)參數(shù)尤為重要。盾構(gòu)機(jī)在直徑為6～7m的隧道進(jìn)行掘進(jìn)施工時(shí)，其刀盤配置的滾刀數(shù)量一般為39～46把。

盾構(gòu)機(jī)的正常掘進(jìn)參數(shù)如下：刀盤轉(zhuǎn)速在1.8～2.2r/min之間緩慢變動，扭矩在2000～2500kN·m之間緩慢變動，推進(jìn)速度在8～15mm/min之間緩慢變動，出土量可控制在正常范圍之內(nèi)。然而盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層的掘進(jìn)參數(shù)會發(fā)生變化：刀盤轉(zhuǎn)速在1.8～2.2r/min之間大幅波動；扭矩在2500～3500kN·m之間大幅波動，但是推進(jìn)速度卻在3～10mm/min之間緩慢掘進(jìn)，容易造成地面沉降、塌陷等風(fēng)險(xiǎn)。

1.1.2? ?異常原因和控制措施

經(jīng)分析，盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)異常掘進(jìn)參數(shù)的原因：刀具的磨損量過大；土體改良效果不佳，造成刀盤上結(jié)出泥餅；隨著刀盤的長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致土倉內(nèi)壓力和溫度持續(xù)升高、泥餅出現(xiàn)燒結(jié)效應(yīng)，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)緩慢。其控制措施如下：

一是加強(qiáng)刀具檢查管理。每掘進(jìn)3～5m，對刀具進(jìn)行開倉檢查，發(fā)現(xiàn)磨損量大的刀具及時(shí)更換；選用耐磨性能好的刀具，增加其耐用性；適當(dāng)增加邊緣滾刀的刀刃寬度。二是注重渣土改良工作。刀盤上結(jié)出泥餅后，可采用分散性泡沫劑對渣土進(jìn)行改良，并根據(jù)渣土成分及時(shí)調(diào)整泡沫劑參數(shù)。通過旋轉(zhuǎn)的刀盤進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁_(dá)到渣土改良效果。

1.2? ?盾構(gòu)機(jī)卡盾和地表漏氣控制措施

1.2.1? ?盾構(gòu)機(jī)卡盾的原因和解決方法

盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合硬巖地層中掘進(jìn)過程中，會發(fā)生卡盾現(xiàn)象，此時(shí)盾構(gòu)機(jī)尾部的鉸接壓力增大。卡盾通常有2種情況，其原因和解決方法如下：

一是盾構(gòu)機(jī)在圓曲線小半徑掘進(jìn)時(shí)，邊緣滾刀磨損量過大且更換不及時(shí)，造成開挖直徑小于理論轉(zhuǎn)彎角度。解決方法：盾構(gòu)機(jī)邊緣滾刀的磨損量不能按照直線段掘進(jìn)時(shí)的磨損量來控制，此時(shí)邊緣滾刀的磨損量不能超過8mm。在特殊巖層掘進(jìn)時(shí)，宜采用加大邊緣滾刀尺寸的方法，以保證盾構(gòu)直徑尺寸。

二是盾構(gòu)機(jī)長時(shí)間停機(jī)注漿，不慎造成盾構(gòu)機(jī)外圍被包裹。解決方法：在注漿之前從分布在盾構(gòu)機(jī)圓周的6個(gè)鉸接徑向孔均勻注入黏稠的膨潤土（鈉基），注入時(shí)保證土倉的壓力穩(wěn)定，防止流入土倉內(nèi)。在刀盤內(nèi)加氣平衡，在盾尾后側(cè)第2環(huán)管片開孔泄壓，直至流出膨潤土。

1.2.2? ?地表漏氣的原因和解決方法

由于地層不穩(wěn)定，在帶壓換刀時(shí)容易造成地表漏氣，無法正常帶壓進(jìn)倉換刀，其解決方法如下：

一是注入泥膜。泥膜是膨潤土（鈉基）制作的，其制作質(zhì)量極為關(guān)鍵。膨潤土（鈉基）的注入量應(yīng)大于土倉內(nèi)理論注入量的1.2～1.4倍，直至上部鉸接徑向孔打開、放出黏稠的膨潤土為止，以此起到泥膜的潤滑作用，預(yù)防盾尾被漿液包裹。

二是注入雙液漿。在刀盤面板上方2～3m位置的地面，垂直注入雙液漿（水泥：水玻璃為1：0.8），以加固刀盤上方土體。注入過程中刀盤要不間斷轉(zhuǎn)動，鉸接徑向孔定時(shí)注入膨潤土，防止刀盤及盾體被漿液包裹，并及時(shí)填充周邊土體的縫隙。雙漿液注入后3～5h進(jìn)倉，從而保證帶壓進(jìn)倉作業(yè)的安全。該方法處理時(shí)間短，效果顯著。

1.3? ?注漿加固成環(huán)管片

在復(fù)合地層進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，注漿極為重要。將注漿加固分為同步注漿與二次注漿。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，在其尾翼形成縫隙時(shí)注入漿液。采用4根管路，同時(shí)均勻注入漿液，保證填充密實(shí)。在縫隙完全填滿尾翼之后，凝固時(shí)間控制在5～7h實(shí)現(xiàn)初凝，能夠防止地層變形、控制地層沉降。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)尾部離開成環(huán)管片6～8m后，及時(shí)對成環(huán)管片進(jìn)行二次注漿，即注入雙液漿，起到快速固結(jié)管片、有效防范管片錯(cuò)臺及漏水的作用。二次注漿時(shí)，要防止?jié){液串入土倉及盾體的周邊，防止?jié){液包裹盾體及刀盤。宜采用倉內(nèi)增加氣壓的方法予以輔助，用氣壓阻止盾構(gòu)機(jī)后方串漿，起到后方截水作用，預(yù)防掘進(jìn)噴涌現(xiàn)象，提高盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)功效。

1.4? ?盾構(gòu)機(jī)選型

根據(jù)復(fù)合地層的特點(diǎn)，選擇CTE6980型復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。該盾構(gòu)機(jī)的總質(zhì)量為580t，盾構(gòu)直徑為6.95m，主機(jī)長度為9.21m，盾尾間隙為75mm，水平轉(zhuǎn)彎半徑為250mm，刀盤開挖直徑為6980mm，盾體直徑為6950mm，刀盤轉(zhuǎn)速為1～3.7r/min，最大扭矩為6000kN·m，最大工作壓力為450kPa。

根據(jù)該型盾構(gòu)機(jī)性能參數(shù)，選擇合適的注漿材料。注漿材料起到加固成環(huán)管片和防止?jié)B漏的作用。為此，本文選擇流動性強(qiáng)的注漿材料，使?jié){液能夠填充到微小的孔隙中。理論注漿體積計(jì)算公式為：

（1）

式（1）中：P為理論注漿體積；l為盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)距離；F為盾構(gòu)機(jī)外徑；d為管片外徑。參照理論注漿體積P，控制實(shí)際注漿體積。盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)距離的計(jì)算公式為：

l=Vt? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式（2）中：V為盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度，t為盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)時(shí)間。根據(jù)不同地層的厚度、特性、隧道埋深、盾構(gòu)尺寸、注漿壓力分布形式等方面，將注漿壓力設(shè)定為1.1～1.5倍土層的水土壓力，以控制管片變形問題。

1.5? ?觀測和監(jiān)測控制

1.5.1? ?地表沉降觀測

該盾構(gòu)施工需按觀測控制要求，在施工現(xiàn)場地表布設(shè)觀測點(diǎn)，對地層沉降情況進(jìn)行觀測控制。地層沉降觀測標(biāo)志以鉆孔的形式埋設(shè)，穿透路面結(jié)構(gòu)層，在測點(diǎn)加設(shè)保護(hù)蓋板，做出清晰標(biāo)記，避免觀測點(diǎn)在施工時(shí)丟失。地表沉降觀測點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.5.2? ?深層土體觀測

觀測點(diǎn)的布設(shè)考慮到了地下管線與周邊建筑物相對應(yīng)的位置關(guān)系。管線觀測點(diǎn)以套筒式安裝，在待觀測的管線相鄰位置鉆Ф120mm的孔，孔內(nèi)放置長鋼筋做觀測桿。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)臨近風(fēng)險(xiǎn)較大的建筑物前，為了提高地表及地表下方土體觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，增加布置深層觀測點(diǎn)。其深度距離隧道拱頂6～8m，水平間距8～10m沿線路方向布置。其主要作用是可以第一時(shí)間觀測到地表下方土體的穩(wěn)定性，滿足盾構(gòu)施工下穿風(fēng)險(xiǎn)源觀測需求。若觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常可以及時(shí)有效的采取措施，保證周邊建筑物的安全穩(wěn)定。

1.5.3? ?隧道內(nèi)部監(jiān)測

地鐵隧道內(nèi)的監(jiān)測包括管片結(jié)構(gòu)豎向位移、管片結(jié)構(gòu)凈空收斂等方面，并選用Trimble DINI電子精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，再使用全站儀對施工高程進(jìn)行監(jiān)測。從各項(xiàng)監(jiān)測設(shè)備、各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)獲取盾構(gòu)施工過程中的沉降變形情況，并確定變形控制指標(biāo)。只有實(shí)際變形值或沉降值滿足控制指標(biāo)需求，才能保證本次施工質(zhì)量。

2? ?實(shí)例分析

2.1? ?工程概況

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的復(fù)合地層地鐵隧道盾構(gòu)施工控制技術(shù)是否滿足復(fù)合地層地鐵隧道盾構(gòu)施工需求，以東莞市城市軌道交通1號線一期第16區(qū)間地鐵隧道工程為例，對該技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行實(shí)例分析。

第16區(qū)間地鐵隧道工程位于松山湖站至大朗西站，其隧道右線起始施工里程為CK42+630.645，終點(diǎn)里程為CK45+347.873，總長度為2717.228m；其隧道左線里程比右線稍短，約為2715m。復(fù)合地層地鐵隧道線的間距為8～35m，隧道線間距不均勻。隧道基底標(biāo)高為-16.29m，基底埋深約為15～29m，根據(jù)地層實(shí)際情況，增加或減少埋深。采用CTE6980型復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行該地鐵隧道施工。

2.2? ?應(yīng)用結(jié)果

將本文設(shè)計(jì)的復(fù)合地層地鐵隧道盾構(gòu)施工控制技術(shù)，應(yīng)用于第16區(qū)間地鐵隧道工程盾構(gòu)施工過程中，從管片結(jié)構(gòu)、地層變化、現(xiàn)場巡查等方面進(jìn)行施工控制。變形控制值以變形累積絕對值、變化速率控制值為主。該地鐵隧道盾構(gòu)施工控制技術(shù)應(yīng)用結(jié)果如表1所示。

表1中：D為地鐵隧道開挖直徑，≤0.2%D表示管片結(jié)構(gòu)凈空的收斂值控制在0.2%的地鐵隧道開挖直徑以內(nèi)；L為兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的間距，0.002%L表示地層變化中地基傾斜變形累積絕對值控制在0.002%測點(diǎn)間距之內(nèi)。

本文從管片結(jié)構(gòu)、地層變化、現(xiàn)場巡查等方面，對地鐵盾構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)行控制。以變形控制為主要目的，設(shè)定變形控制指標(biāo)。若實(shí)際變形指標(biāo)在設(shè)計(jì)變形控制指標(biāo)范圍之內(nèi)，即可達(dá)到施工控制效果。

由表1可知，使用本文設(shè)計(jì)的控制方法之后，管片豎向位移、凈空收斂、地表沉降、地下管線、地基豎向位移、地基傾斜、管片變形等方面，實(shí)際變形均滿足了變形控制需求，管片結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯變形，無裂縫和斷裂，滿足了施工控制需求，達(dá)到了本文研究目的。

3? ?結(jié)束語

在地鐵施工建設(shè)過程中，大都采用盾構(gòu)施工方式。盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層中進(jìn)行地鐵隧道盾構(gòu)施工，其負(fù)荷大、風(fēng)險(xiǎn)高、進(jìn)度慢、成本高，且質(zhì)量無法保證。為此本文研究了復(fù)合地層地鐵盾構(gòu)施工控制技術(shù)這一課題，提出了控制措施，進(jìn)行了驗(yàn)證分析，取得了理想效果，為促進(jìn)在復(fù)合地層條件下進(jìn)行地鐵盾構(gòu)施工的安全和質(zhì)量提供了參考。

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