城市軌道交通隧道盾構(gòu)施工技術(shù)特點分析與應(yīng)用

鐘偉超

（山東華邦建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濰坊 262500）

在機(jī)電技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過不斷更迭，功能日益提高，越來越多型式盾構(gòu)設(shè)備出現(xiàn)并且應(yīng)用于不同地質(zhì)條件中，比如常見的有氣壓式盾構(gòu)機(jī)、機(jī)械式盾構(gòu)機(jī)和大扭矩盾構(gòu)機(jī)等。盾構(gòu)機(jī)類型和功能的增多從很大程度上促進(jìn)了工程項目質(zhì)量和建設(shè)效率的提升，促使地下隧道工程可以安全高效地完成施工。相關(guān)工作者在具體實踐中應(yīng)明確盾構(gòu)施工原理和設(shè)備功能，合理選用盾構(gòu)設(shè)備。

1 盾構(gòu)法施工概述

1.1 工作原理

所謂盾構(gòu)法施工就是利用盾構(gòu)機(jī)，在盾構(gòu)鋼殼支護(hù)下，完成隧道的挖掘等施工作業(yè)。這種方法有著較高的穩(wěn)定性和安全性，盾構(gòu)法施工原理圖如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)法施工三維演示圖

1.2 技術(shù)特點

在城市軌道交通隧道工程中應(yīng)用盾構(gòu)法施工技術(shù)有著諸多優(yōu)勢，該技術(shù)施工特點總結(jié)如下。

第一，干擾小。盾構(gòu)法施工不會產(chǎn)生過大的噪聲，對周邊環(huán)境和既有構(gòu)筑物影響小，無需占用過多的場地，對交通、人們的日常生活產(chǎn)生的干擾普遍偏小[1]。

第二，施工精度高。盾構(gòu)法施工技術(shù)采用先進(jìn)的盾構(gòu)設(shè)備，盾構(gòu)過程中監(jiān)測系統(tǒng)可以明確隧道盾構(gòu)的偏差情況，進(jìn)而對盾構(gòu)軸線進(jìn)行嚴(yán)格控制。在盾構(gòu)施工中，使用的襯砌管片按照不超過0.5 mm的誤差進(jìn)行控制，有著較高的精確度。

第三，設(shè)備專用線。交通隧道盾構(gòu)施工中根據(jù)隧道斷面參數(shù)控制盾構(gòu)機(jī)，施工匯總采用專用的盾構(gòu)機(jī)具，在完成后不會重復(fù)使用機(jī)械設(shè)備。

第四，存在一定的施工風(fēng)險。雖然盾構(gòu)施工作業(yè)相比于明挖作業(yè)節(jié)省了很多施工環(huán)節(jié)和設(shè)備，可以從一定程度上降低施工安全風(fēng)險，但是在盾構(gòu)過程中只能前進(jìn)無法后退，如果掘進(jìn)過程中出現(xiàn)問題那么會產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)、安全等方面的風(fēng)險，對工程順利推進(jìn)產(chǎn)生負(fù)面影響。為避免出現(xiàn)這一情況，應(yīng)提前檢查工程線路和盾構(gòu)設(shè)備等，確保準(zhǔn)備工作充分[2]。

1.3 盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展歷程

20世紀(jì)70年代美國最早提出盾構(gòu)施工技術(shù)，當(dāng)時美國采用初級盾構(gòu)機(jī)Brunel修建了南達(dá)科他州的水壩，顯著提高了施工效率和質(zhì)量，同時使用成本是傳統(tǒng)施工方法的70%左右。建設(shè)工程單位認(rèn)識到該技術(shù)的優(yōu)勢，開始加大對該技術(shù)的應(yīng)用和研究，尤其是隧道工程中，該技術(shù)備受青睞。當(dāng)前很多國家已經(jīng)紛紛采用這一技術(shù)建設(shè)地鐵隧道工程[3]。

近些年，信息技術(shù)的發(fā)展促使人們對盾構(gòu)技術(shù)有著更加深刻的了解，各種自動化、智能化技術(shù)開始逐漸應(yīng)用于盾構(gòu)設(shè)備中，加上該技術(shù)綠色環(huán)保等特點，促使隧道工程廣泛地推廣應(yīng)用盾構(gòu)技術(shù)。

地下隧道工程建設(shè)中首先要詳細(xì)勘測施工區(qū)域周圍地質(zhì)條件，巖土類型決定了盾構(gòu)機(jī)械設(shè)備的選型和施工工藝流程，技術(shù)人員可以根據(jù)實際需求搭配使用各種型號的設(shè)備。我國有著較多類型的地形地貌，各個地區(qū)地質(zhì)條件差異性較大，有的城市為砂卵、巖層地質(zhì)，有的城市為軟弱地質(zhì)，針對不同的地質(zhì)條件，可以選擇明挖法、礦山法、盾構(gòu)法等施工方式，如果條件允許，可以優(yōu)先選擇盾構(gòu)施工方式[4]。

2 盾構(gòu)隧道施工測量

施工測量是交通隧道盾構(gòu)施工前的必要工作，并且施工測量應(yīng)貫穿設(shè)計、施工和運營等多個環(huán)節(jié)，是一項持續(xù)性工作。經(jīng)過細(xì)致的測量后可以及時向技術(shù)人員反饋工程實際情況，進(jìn)而保證調(diào)整措施科學(xué)合理，確保隧道施工質(zhì)量[5]。

根據(jù)盾構(gòu)法施工特點在測量中對如下幾方面加強(qiáng)考慮分析：

第一，平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)的創(chuàng)建；

第二，做好地面坐標(biāo)、方向、高程的測量，保證有序地完成地下坐標(biāo)系統(tǒng)的構(gòu)建；

第三，測量并且控制開挖過程和襯砌施工過程，準(zhǔn)確地完成襯砌結(jié)構(gòu)的施工，嚴(yán)格控制開挖量。

測量部署中重點做好如下要點控制：

第一，測量得到地下建筑物控制中心線、高程等基準(zhǔn)線，為后續(xù)開挖、襯砌施工提供參照；

第二，掘進(jìn)施工中根據(jù)要求貫通中線，在設(shè)定要求內(nèi)進(jìn)行開挖；

第三，按照圖紙安裝設(shè)備；

第四，測量數(shù)據(jù)的采集、記錄和匯總分析，為設(shè)計部門、管理部門開展后續(xù)活動提供參考。

盾構(gòu)施工測量可以指導(dǎo)盾構(gòu)設(shè)備沿著設(shè)計軸線方向穩(wěn)定掘進(jìn)，技術(shù)人員根據(jù)測量結(jié)果完成盾構(gòu)機(jī)參數(shù)的調(diào)整，安裝隧道襯砌環(huán)。貫通測量是盾構(gòu)測量中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，施工單位可以使用激光指示方式將作業(yè)方向明確，有序推進(jìn)掘進(jìn)活動。在掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)機(jī)上配置的光電接收靶可指引挖掘方向，如果挖掘方向發(fā)生偏移那么會顯現(xiàn)出激光束，隨機(jī)接收靶接收到光電信號向盾構(gòu)機(jī)控制室傳遞，操作人員調(diào)整設(shè)備達(dá)到糾偏效果。

盾構(gòu)貫穿后主要測量3方面內(nèi)容：第一，水平面。將隧道中心線延長，接通隧道結(jié)合面位置后用全站儀對中心線間距進(jìn)行測量，得到的數(shù)值即為水平面隧道誤差情況。聯(lián)測隧道兩端導(dǎo)線將坐標(biāo)方位差和閉合差確定，將水平面測量精度關(guān)鍵依據(jù)反映出來。第二，豎直面偏差。用水準(zhǔn)儀對結(jié)合面兩端腰線高度差進(jìn)行測量，得到豎直面偏差結(jié)果。此外，可以利用其他測量方式將兩端隧道高程控制點距離確定，然后完成高程閉合差的計算。第三，調(diào)整中腰線。計算施工期間測量數(shù)據(jù)后明確隧道坡度情況，如果在6%以上需要進(jìn)行中腰線適當(dāng)調(diào)整，保證其恢復(fù)原狀[6]。

最后，貫通測量時應(yīng)對2個工作面位置關(guān)系加強(qiáng)重視，保證其間距在50 m以上。隧道貫穿工程落實到位后全面檢查各項要點，測量中線基柱、縱斷面，生成報告指導(dǎo)后續(xù)施工活動。

3 盾構(gòu)法在城市交通隧道施工項目中的應(yīng)用

某地鐵工程建設(shè)中共包括2個部分，盾構(gòu)始發(fā)里程為YDK35+284.255，終點里程為YDK34+664.889，最小曲線半徑R=1 000 m。

3.1 盾構(gòu)始發(fā)

地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)始發(fā)施工是整個工程的關(guān)鍵所在，根據(jù)該工程施工條件，在風(fēng)機(jī)房基坑周圍設(shè)置8口降水井，隧道盾構(gòu)始發(fā)加固里程為Y（Z）DK35+836.290～Y（Z）DK35+844.290，在加固處理后利用水平探孔觀察洞門位置的地下水位高度，然后破除洞門。在布置檢測孔后在洞圈外搭設(shè)腳手架，結(jié)合實際情況鑿除周圍雜質(zhì)。在破樁完成后結(jié)合施工經(jīng)驗將托架抬高2 cm，用175 H型鋼支撐始發(fā)架。按照如下流程安裝始發(fā)托架。

第一，按照兩縱兩橫的防護(hù)法在始發(fā)井?dāng)U大端將托架水平位置精確定位。

第二，用汽車吊配合組裝始發(fā)端頭托架。

第三，用汽車吊吊裝始發(fā)托架并在安裝位置擺放。

第四，用水準(zhǔn)儀對托架高程進(jìn)行復(fù)核并且調(diào)整。

第五，安裝始發(fā)托架。

3.2 盾構(gòu)掘進(jìn)施工

在盾構(gòu)掘進(jìn)施工中首先要進(jìn)行注漿作業(yè)。該工程綜合使用同步注漿和二次注漿結(jié)合方式，由技術(shù)人員利用公式計算注漿量，每環(huán)注漿量在5.3 m3以上，根據(jù)地面沉降情況略微調(diào)整注漿量。在注漿過程中如果發(fā)生墻面輕微滲水可以直接用環(huán)氧樹脂密封處理，如果存在較大滲水量可以二次注漿。該工程施工中先將管片清理干凈，用鋼絲刷將水槽混凝土斑點、泥點刷干凈，用毛刷將止水條中毛刷刷干凈，用黏合劑均勻地涂刷止水條和止水槽表面，將密封墊牢固地黏貼，用橡膠錘敲打進(jìn)一步提高其黏合度，經(jīng)過上述方式處理后，管片結(jié)構(gòu)防水性較高。施工現(xiàn)場為保證隧道內(nèi)安全地完成運輸工作，由專業(yè)人員操作機(jī)車在洞內(nèi)完成運輸工作。操作人員啟動機(jī)車前需要對各節(jié)連接穩(wěn)固性進(jìn)行檢查，確認(rèn)設(shè)備運行穩(wěn)定后統(tǒng)一運輸機(jī)車組。在機(jī)車達(dá)到卸料點時還要在車輛前后軌道上放置防溜器械，確保運輸安全[7]。

3.3 盾構(gòu)機(jī)到達(dá)與接收

盾構(gòu)達(dá)到端土體時加固處理該部位，該工程接收端加固里程為Y（Z）DK36+823.733～Y（Z）DK36+831.733，加固處理方法為三重旋噴樁，按照0.6 m間距呈梅花形布置旋噴樁，樁直徑為0.8 m。接收端盾構(gòu)施工流程如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)到達(dá)施工流程

盾構(gòu)到達(dá)施工中刀盤進(jìn)展后管片反推力消失，此時容易出現(xiàn)管片連接不牢固的情況，導(dǎo)致防水材料壓實度不夠，為保證盾構(gòu)到達(dá)施工順利完成，可以在到達(dá)端最后10環(huán)管片中利用槽鋼縱向連接3、6、9、12點位，用管片拼裝頭牢固地處理槽鋼兩端管片注漿孔位置，擰緊螺栓[8]。

4 盾構(gòu)施工技術(shù)應(yīng)用優(yōu)化建議

4.1 監(jiān)測監(jiān)控措施

為提高盾構(gòu)施工現(xiàn)場安全可以加大監(jiān)測力度，根據(jù)工程施工進(jìn)展情況完成施工測量方案的編制，并且向上級主管部門提交申請，在獲得批準(zhǔn)后根據(jù)規(guī)范和設(shè)計要求控制地表沉降值和地表構(gòu)筑物沉降值。該工程建設(shè)中，根據(jù)實際情況按照70%的預(yù)警值、85%的報警值設(shè)置具體參數(shù)，具體監(jiān)測監(jiān)控數(shù)值見表1。

表1 監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)值

4.2 盾構(gòu)機(jī)密封

盾尾密封處理主要是避免盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部流入水體、沙土等雜質(zhì)。通常采用多層密封方式密封處理盾尾部分，將油脂注入到各個密封層之間。通過盾尾密封不但可以達(dá)到潤滑的效果，還可以有效避免地下水入侵損害盾構(gòu)設(shè)備零部件。現(xiàn)代盾構(gòu)機(jī)通常采用自動方式進(jìn)行盾尾密封層油脂的注入，也就是按照設(shè)定的工作程序?qū)⒂椭詣幼⑷氲矫芊鈱又校绻诙軜?gòu)掘進(jìn)過程中遇到漏水的情況，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)及時暫停掘進(jìn)施工活動，可以采取人工方式將油脂注入其中，完成油脂注入檢查其密封性達(dá)標(biāo)后方可繼續(xù)盾構(gòu)。施工人員嚴(yán)禁在突發(fā)漏水情況下繼續(xù)施工，避免損壞盾構(gòu)機(jī)械。盾尾密封如圖3所示。

圖3 盾尾密封示意圖

4.3 盾構(gòu)機(jī)油壓驅(qū)動裝置檢查

按照1～2個月1次的頻率采集液壓油，由專業(yè)的檢測機(jī)構(gòu)檢測液壓油的質(zhì)量，及時進(jìn)行液壓油更換，避免損傷設(shè)備。有的盾構(gòu)機(jī)會用過濾網(wǎng)處理主油箱進(jìn)出油口，將液壓油中的雜質(zhì)篩除。為了監(jiān)測過濾網(wǎng)工作狀態(tài)，還可以設(shè)置壓力表、壓力傳感器，每個班組在正式施工前都要細(xì)致地檢查過濾網(wǎng)的工作情況，如果壓力值達(dá)到一定范圍應(yīng)及時將液壓系統(tǒng)中的過濾網(wǎng)更換。只有保證驅(qū)動裝置清潔度和額定壓力，才能保證在具體盾構(gòu)施工中設(shè)備處理安全可靠的運行狀態(tài)，進(jìn)而保證順利高效地完成盾構(gòu)施工任務(wù)。

4.4 嚴(yán)把施工材料質(zhì)量

施工材料關(guān)系著交通隧道工程最終施工效果，為此，可以重點從如下方面加大材料控制力度。

第一，水泥。地下交通隧道工程對防水防滲性能有著較高的要求，為此，應(yīng)選擇具有較高抗?jié)B性能的水泥材料，并且做好混凝土用水量的控制，選用抗壓能力、細(xì)度和安定性等參數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)的水泥材料，提高混凝土結(jié)構(gòu)的防水防滲能力。

第二，加強(qiáng)檢查材料質(zhì)量，尤其是管片，確認(rèn)其受力能力，避免施工階段發(fā)生管片裂縫問題。

第三，外加劑。為提高混凝土材料的整體性能，優(yōu)化交通隧道施工質(zhì)量安全，可以適當(dāng)添加混凝土早強(qiáng)劑、減水劑等提高混凝土結(jié)構(gòu)的性能，優(yōu)化工程建設(shè)質(zhì)量。

5 結(jié)束語

總而言之，盾構(gòu)施工技術(shù)在城市軌道交通隧道施工中發(fā)揮越來越重要的作用，該技術(shù)的應(yīng)用可以有效提升施工效率，優(yōu)化工程建設(shè)質(zhì)量。在未來發(fā)展中，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)不斷總結(jié)經(jīng)驗，不斷改進(jìn)創(chuàng)新，提高盾構(gòu)施工技術(shù)的應(yīng)用范圍和應(yīng)用水平。