復雜地質條件地鐵盾構施工技術要點及安全影響因素

呂鵬程

摘要：隨著城市交通軌道技術的飛速發展，地鐵工程已經在各大城市蓬勃展開，成為城市經濟和建設的重要動力，也為人們的出行提供了更便利的條件。為了解決城市軌道交通工程在復雜地質條件下的施工難題，盾構掘進施工技術已經成為地鐵施工中最關鍵的手段。本文將從勘察地質、盾構選擇、盾構始發施工、掘進等技術環節進行分析，對復雜地質條件下盾構施工安全影響因素進行實驗研究。

Abstract： With the rapid development of urban transportation track technology， subway projects have flourished in major cities， becoming an important driving force for urban economy and construction， and providing more convenient conditions for people to travel. In order to solve the construction problems of urban rail transit projects under complex geological conditions， shield tunneling construction technology has become the most critical method in subway construction. This article will analyze the technical aspects of survey geology， shield selection， shield construction， and tunneling， and conduct experimental research on the influencing factors of shield construction safety under complex geological conditions.

關鍵詞：盾構施工;復雜地質;技術要點;安全影響

Key words： shield construction;complex geology;technical points;safety impact

中圖分類號：U455.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）08-0171-04

0 ?引言

隨著經濟技術高速發展，城市交通建設空間呈現擁擠的態勢，由此，城市交通規劃開始逐漸向地下空間擴展，不同工程穿越交叉的情況越來越普遍，這就需要盾構施工技術參與工程施工，但所穿越的地下底層地質條件極其復雜，盾構施工會經常發生地面變形和沉降的現象，嚴重影響了地表管線和周圍建構筑的安全，如果不加以解決，甚至能威脅到民眾的生命安全和城市的發展。由此，在復雜條件下，選擇先進、科學的盾構施工工藝顯得特別重要。同時，施工過程中安全事故也經常發生，由此可見，對盾構施工的安全影響因素進行分析也是至關重要的。本文將從以下幾個方面進行闡述。

1 ?地鐵隧道盾構結構的施工特點分析

1.1 較高的安全保障

隨著整體科技高速發展，地鐵施工中對盾構技術的應用的安全性也相應提升，但畢竟盾構施工是地下工程，受地質條件變化的影響極大，如盾構穿越溶洞、孤石、流砂等不良地質，有很大的不確定性。但同時盾構施工具備快速的特點，通過提前地質勘探、科學合理盾構選型等，化解了諸多的不利因素，降低了各種因素對施工的影響，提升了地鐵工程中盾構結構施工的安全系數。另外，在盾構的合理科學的結構施工中，對地面交通的影響幾乎為零，切實提升了地鐵施工的效率和質量。

1.2 施工的高效率

雖然我國地鐵工程中對盾構結構施工起步晚，研究課題不多，但在對盾構結構施工的投入上卻有后來居上的趨勢，該項目的規模躋身世界前列，而且在盾構施工技術方面也在大幅度提高，各種施工設備和技術層出不窮，例如，直徑15米以上的特大型盾構機、異形隧道盾構機、自帶冷凍刀盤盾構機等等一系列最前沿的開挖掘進和支護技術，促進我國的盾構結構施工的效率逐年提高。

1.3 對環境危害小

利用盾構施工技術進行地鐵隧道施工，因為非常小的工作面，加之是全過程是地下施工，對城市地面的環境影響不大。另外，盾構施工的所有設備都是在地下直接安裝的，對地上建筑物沒有影響，大大降低了施工對環境的影響。

2 ?地鐵盾構結構施工技術的構成

通常情況下，地鐵盾構施工項目都具備地質復雜的特性，在施工之前以至于施工過程中，要對所在地的地質環境進行全面的勘察，然后經過論證找出合適的施工技術，下面通過某佛山地鐵2號線某區間的實踐對地鐵盾構施工技術要點進行淺析。

2.1 盾構出洞準備施工技術

2.1.1 材料與設備比選

在出洞施工前務必要結合現場的地質條件，選擇好施工材料和施工設備，同時認真詳細檢查盾構施工的出洞條件，確保出洞施工的安全順暢。同時要用盾構的出洞條件與設備出洞前的土質進行認真比選。

2.1.2 基座設置

基座的設置是盾構出洞施工的基礎環節，其基座參數的選擇務必根據實際的盾構出洞施工條件相適合，如此才可以保證按照預定的軌跡進行掘進，確保施工的精準性。

2.1.3 檢查設備

在出洞施工前務必對盾構機及其配套設施進行嚴格檢查，檢查的指標是主體和配套的匹配性，由于地下施工過程中沒有辦法檢查周圍的環境，務必在對設備的組裝和施工前對設備的安全性和有效性進行確認。

2.2 盾構掘進階段施工技術要點

在盾構掘進施工開始前，必須要對盾構掘進設備實施試驗運行，確保機械的性能和施工的要求相匹配，對不符合施工要求的設備進行參數調整，保證掘進施工的有效開展。在掘進數據確定以后，施工人員還要做最后的參數調整，然后方可以開展掘進施工。在掘進的施工過程中，操作者要實時觀察盾構機的工作狀態，如果發生了方向傾斜等問題，要立即進行改進和調整，并且要對施工數據進行精準的計算，確保盾構機的掘進方向完全符合設計線路。

2.3 粉細砂層地段施工要點

在地鐵的盾構施工中，經常發生勘察的地層分部與實際存在較大偏差的現象，會嚴重影響盾構施工的效率。佛山最常見的地層是粉細砂層，這樣的地質條件對盾構施工的安全開展造成不利的影響，在盾構掘進過程中由于壓力過高，極易發生噴涌，從而造成地面塌陷等嚴重后果。因此，在施工方案中要對這種情況專門設定應急預案。對目前粉細砂層的問題的處理，主要方案是利用刀盤面板上的注漿孔向土艙內加泥的手段，以降低其幾乎液態的流動性，從而降低粉砂層對盾構施工的不良影響。

2.4 盾構機進出洞施工技術要點

在我國的地鐵工程中，盾構機進出洞的施工技術發展很快，對相應的盾構機結構施工也提出越來越高的要求，由此，在整個的地鐵盾構施工中，必須要施工前就做好充分的進出洞施工準備。主要表現在下面幾點。第一，基于工序非常復雜的地鐵盾構機的進出洞施工，為了保證盾構設備的精度不受復雜環境的影響，相關的技術人員必須在進出洞前進行準確的地質數據勘測，同時根據掌握的情況規劃詳細的盾構機的運行線路，以確保盾構機在地鐵隧道施工中的精準性。第二，在對施工路線進行準確的確定后，施工單位還要準確分析研究確定好的施工路線的地質情況，確保盾構機在掘進的過程中參數的科學性，保障掘進施工的正常運行。第三，針對盾構施工中無法規避的不良地質條件，解決的措施就是及時調整施工方案，根據現場的實際環境制定相適應的施工措施，確保進出洞施工的正常開展。

3 ?盾構施工過程中需要注意的問題分析

3.1 開挖前勘測工作的必要性

在地鐵盾構挖掘施工開展前，對施工總體路線的精準勘測是至關重要的環節，這樣就可以更全面更細致地掌握各種復雜地質，例如斷層和薄弱的土層分布狀況等，然后按照勘察的數據和實際情況制定預防的措施，最大限度地減輕施工過程中的意外地質影響。另外，還要根據施工的地質情況做好對盾構機的保養計劃，對于特殊狀況下可能出現的特殊情況要充分做好預案，并且對不同地段的不同地質條件下的掘進參數進行分析，制定下一步的掘進方案，確保盾構施工的安全穩定。

3.2 設置科學合理的盾構施工參數

在地鐵盾構施工的過程中，合理、科學的參數設置是盾構施工正常運行的保障，只有設置盾構掘進施工的合理參數，才可以參照地質的勘測數據對盾構機土倉參數進行最佳的選擇，才能根據實際情況對測量的參數進行及時的調整，保障盾構施工的順利開展。在盾構的掘進參數異常反應的時候，進行線路調整的依據是系統反饋回來的信息，同時要結合渣土改良、渣樣分析等輔助手段，對盾構姿態實時進行糾偏推進，以這種模式來科學掌控掘進的正確方向。對于曲線段的掘進施工，必須按照曲線半徑計算出來最佳的鉸接角度，對合適的輔助掘進曲線進行設置。目前最普遍安裝的盾構機油缸有兩種，即主推模式和低壓跟隨模式，如想對掘進的方向做出選擇，就需要對另外一側的主推油缸的數量進行設定，而在進行下坡段的掘進施工時候，就要適當增加盾構機上部分的壓力，對于掘進施工的左轉彎段落時，就要適當增加右側的壓力。

3.3 預防管片上浮問題

在地鐵盾構施工的中，管片上浮也會影響工程的順利實施，由此，技術人員在施工前對地質的精準勘測是非常重要的，可以根據勘測的實際狀況，通過適當降低掘進速度、調整同步注漿凝固時間、管片螺栓多次復緊等措施，使得管片上浮的情況得以改善（圖1）。

3.4 避免地面沉降措施

在地鐵盾構施工過程中，地面發生沉降也是常見的施工安全問題，所以，杜絕此類現象發生的有效措施就是在施工前制定科學合理的預防措施，嚴格控制出渣量。另外，工程注漿量不足也會引起地面沉降的發生，由此，要對注漿的時間和速度進行控制，按照施工的實際地質參數進行調整。

3.5 滲漏問題的控制措施

滲漏現象是在地鐵盾構施工中老大難問題，嚴重影響地鐵的施工質量，因此，及時分析滲漏原因、找出控制措施是保障地鐵盾構施工的必不可少的措施。

在盾構施工中發現，通過嚴格控制止水條粘貼質量、封頂快安裝時在止水條外部涂刷潤滑劑（如肥皂水等）、合理控制同步注漿量等措施可以有效減少滲漏水情況的發生。

4 ?盾構施工安全影響因素分析

本文將通過計算模型模擬盾構施工過程，對施工安全影響因素進行分析。

4.1 土艙壓力的對比分析

為了分析不同的土艙壓力下對地表的位移的影響程度，本文對隧道進行模擬，設定土艙壓力分別取0.3兆帕、0.345兆帕、0.4兆帕、0.45兆帕。

4.1.1 不同土艙壓力下的地表位移變化

在地表在不同壓力下進行試驗，變形曲線通過數值模擬顯現出來，如圖2所示。由此可見，對隧道實施0.3兆帕的土艙壓力的情況下，地表表現小幅度的沉降位移，已開挖地表部分沉降的最大幅度為-2.29毫米，沒有進行挖掘的地表沉降位移為-1.99毫米，都是顯現很小的位移沉降。對隧道實施不同土艙壓力，在逐漸增大的壓力下，地表顯現小幅度的整體沉降。在盾構的具體施工中，如果想調整土艙的壓力，必須參照地表沉降監測數據以及場地實際情況進行。

4.1.2 不同土艙壓力下的應力分析

在盾構機不同土艙壓力作用下隧道未開挖土體的應力表現，如圖3所示。不難看出，應力影響比較大的是盾構開挖刀盤前方的土體，特別是表現極大的主應力，土體上方的應力稍弱，應力變化很明顯的還有盾構機周圍土體，而且隨著逐漸增大的土艙壓力，掌子面上的應力也明顯在增大。

4.2 注漿量影響因素對比分析

地鐵盾構施工主體就是隧道工程，在地鐵隧道開挖過程中，需要有管片的設置，每向前掘進1.2米就施加一級管片，基于隧道土體與管片之間的空隙，需要對縫隙實施注漿填充，以達到改善周圍土體、減少地表土體沉降的作用。模擬的過程中，注漿的數量根據管片的厚度決定，原有管片厚度為300毫米，現在通過彈性模量改變對有效厚度模擬，等效厚度注漿為50毫米、100毫米、150毫米、250毫米。通過數值的模擬，可以顯示出注漿量的差異性地表沉降的變化狀況曲線，等效厚度與地表沉降成反比例，等效厚度增大的情況下，地表沉降變小。在地鐵盾構施工的具體注漿施環節里，注漿的科學合理性會減小地表的沉降，但注漿數量過多就會讓地表發生隆起，對土體的穩定性有一定的破壞，造成地表沉降加大，所以，在盾構的實際施工中，合理的注漿量要根據地表位移監測數據和實際情況來決定。

4.3 隧道穿越不同土層的影響因素分析

情況來在極其復雜的地質條件下，地鐵盾構在隧道開挖過程中，穿越土層的差異性是很大的，當對上硬下軟土層進行穿過時，通過模擬可以得出地表的變化情況。隧道在應對0.345兆帕的土艙壓力下，在經過全風化軟土層時，上面呈現硬土層中風化土，而進行全面挖掘以后，地表位移發生變化，隨著開挖的逐漸展開，就會逐漸減小地表的整體位移，而且最大位移和最小位移的差距不大，地表也沒有明顯的變化。隧道施工在上軟下硬的土層進行的時候，沒有明顯的應力變化。而變化較大的是掌子面上的應力。在這樣的地質土層中，基于土艙的壓力變化，顯現的應力應變值的影響區域遠比硬土層要大，但對下部土體沒有太大的影響，因為下部的土質為硬土層風化類型，比較有較好的土體穩定性。

5 ?結束語

綜上所述，極其復雜的地質條件是地鐵盾構施工面臨的最大挑戰，施工技術人員應該具備豐富的施工經驗和過硬的施工技術，在施工的過程中，必須對現場的狀況進行了解，根據具體的施工情況對盾構施工技術做出選擇，對盾構的掘進狀態和參數實施嚴格控制，把施工的管理水平提高到新水平，確保整體的工程質量。同時，本文也通過模型試驗對盾構施工安全關鍵影響因素進行了分析，以期對盾構的安全施工措施制定提供數據資料。

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