盾構隧道施工遇不穩定圍巖的輔助工法

(華南理工大學土木與交通學院 廣東 廣州 510640)

一、前言

近年來，隨著城市軌道交通的快速發展、地鐵建設規模的不斷擴大，盾構法獲得了蓬勃的發展。但是規模擴大的同時也遇到了許多難題，為了確保盾構在不穩定圍巖中，特別是在軟硬不均圍巖、不良地質環境中施工，如盾構施工的始發、到達、穿過不穩定巖層等作業，必須采取必要的輔助工法，以確保盾構隧道施工的安全進行。

圍巖不穩定時，會導致開挖面涌水以及開挖面土壓力的釋放，從而使圍巖出現松動或者坍塌等工程問題，由此還可能引起地表下沉，甚至會使地面結構物或隱蔽工程遭受到破壞。當隧道穿越河底或者海底時，可能因開挖面涌水而導致整個工程失敗。因此采用必要的輔助工法是保證施工順利進行的關鍵，輔助工法即盾構隧道修建過程中穩定地層的保護措施。

二、輔助工法

(一)壓氣法。壓氣法施工技術在城市地鐵建設中被廣泛采用，該施工技術通過超高壓空氣護壁，阻止地下水向隧道滲入，該技術對隧道周圍的地下水環境影響較小。

1.壓氣法的分類及工作原理。壓氣法的施工措施是在隧道內設置隔離帷幕，其作用是將高壓區與外界大氣壓隔離。通常壓氣法可以分為三種：(1)將隔離帷幕設置在臨近始發豎井處并將隧道全范圍加壓，即全隧道壓氣法；(2)將隔離帷幕設置在區間隧道中的部分區域，只對隔離帷幕至掌子面的隧道區域加壓，即部分隧道壓氣法；(3)局部壓氣法。

2.壓氣法注意事項及缺點。氣壓的維持是該輔助工法的難點以及核心，且目前氣壓的維持以經驗為主，缺少相關理論研究，且地層不同，氣壓參數的設定也不同。有研究表明在均質地層中，掌子面的漏氣量一般為常數，而襯砌結構上的漏氣量隨著隧道長度的增加而線性增加[1]。

該輔助工法的缺點也比較明顯：(1)為確保工作人員的安全，氣壓不能過高；(2)氣壓可能隨時發生變化，必要時應重新壓氣并采取應對措施，其工作效率較低；(3)工序繁瑣復雜、價格昂貴；(4)有時僅使用壓氣法維持穩定較困難，還應輔以其他工法以維持穩定。

(二)降水法。降水法是通過將地層中的地下水位降低，以保證掌子面安全穩定的工法，一般適用于滲透系數在10-1～10-4cm/s范圍內的粉土質砂到砂礫層。

1.降水法的分類。(1)從地表施工，可細分為淺井點和深井點降水法；(2)從隧道內施工，有時候由于地表不具備降水施工條件，而需要從隧道內設置井或其他方法降水降低地下水位。

2.降水法的注意事項。采用降水法降水施工時，應充分考慮地質條件等因素，以保證隧道掘進開挖時巖土體穩定。降水過程中，應根據現場的施工情況進行動態監測，適時調節降水井的降水量，通過動態監測和調整，既能保證安全施工，又能合理減少地下水開采、節約成本[2]。

(三)注漿法。注漿法通過在巖土體中注入漿體材料，以改善原巖土體的物理力學性質，增加強度和不透水性，從而保證隧道安全施工的一種工法。

1.注漿法的適用情況。(1)在盾構機從始發井開始掘進和到達接收井時，由于豎井擋土墻被切削使得掌子面前方的巖土體處于暴露狀態，故常采用注漿法來提高巖土體的力學性質[3]；(2)盾構機穿越河涌或從受保護的重要結構下方行進時，通常采用注漿法來保證施工安全；(3)填充盾構管片周圍的間隙，防止管片漏水，增加周圍巖土體強度，控制地面沉降[4]；(4)在不穩定巖土層中，更換盾尾刷時采用注漿法優點明顯。

2.注漿法的優點。注漿法是盾構法施工中最常運用的輔助工法，其優點如下：(1)施工設備規模小、工序簡單；(2)對場地的占用面積小，狹窄場地、空間均可施工，對交通影響小；(3)工期短，經濟性好，見效快；(4)噪聲污染和振動小；(5)加固深度可控。

(四)凍結法。凍結法是采用人工制冷的方法，降低盾構隧道周圍巖土體溫度，使含水土層形成凍結體，以增加巖土體強度并阻斷地下水的一種輔助工法[5]。

1.凍結法的適用情況。凍結法一般有以下幾種適用情況：(1)盾構機從始發井出發或到達接收井時可采用凍結法進行地層加固，該輔助工法可有效隔絕地下水[6]；(2)盾構機對接施工時，可采用凍結法進行地層加固；(3)盾構隧道掘進過程中可采用凍結法對臨近構筑物進行保護；(4)盾構機穿越不穩定巖土層時，可采用凍結法進行加固。

2.凍結法優缺點。凍結法具有以下優點：(1)其原理是對巖土層降溫，故對環境無污染，(2)能夠在各種復雜、不穩定巖土層中使用；(3)凍土形狀不受限制，可根據需要合理調整；(4)具有良好的隔水作用。

凍結法具有以下缺點：(1)采用凍結法對周圍巖土體進行降溫，在凍結時可導致巖土體膨脹，導致地基開裂、隆起，在解凍時又會使地基收縮、下沉，故應特別注意對周圍構筑物的保護；(2)周圍巖土體含水率較小時，凍結法對其強度的提升效果有限；(3)在施工過程中易受熱源的影響，應隔絕熱源；(4)持續時間長，對電能的消耗大，費用較高。

三、結語

圍巖不穩定時，會導致開挖面涌水以及開挖面土壓力的釋放，從而使圍巖出現松動或者坍塌等工程問題，由此還可能引起地表下沉，甚至會使地面結構物或隱蔽工程遭受到破壞。采用合適的輔助工法是保證施工安全、順利進行的關鍵。壓氣法的氣壓不宜過高，以保證工作人員的安全，但氣壓過低無法起到應有效果，故氣壓、漏氣量的計算極為重要；采用降水法應注意地層沉降的問題，以免對周圍建筑造成不可逆的破壞；注漿法規模小耗資少，見效快且對周圍環境的影響小，是一種高效的加固手段；采用凍結法能有效改善土體條件，但應注意土壤凍結和解凍時對環境的影響。采用盾構法穿越不穩定巖土層時應根據不同的地質條件選擇經濟、安全的輔助工法，可以是一種或者是幾種工法的結合，以保證開挖順利進行。