復(fù)雜地質(zhì)條件下的市政地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)研究

袁偉嘉

摘要：敘述了廣佛環(huán)線GFHD-2標(biāo)三工區(qū)施工段的工程概況和工程地質(zhì)勘察情況，從盾構(gòu)機(jī)選擇、雙模式盾構(gòu)機(jī)性能、地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)、隧道初期支護(hù)與二次襯砌等方面詳細(xì)闡述了在復(fù)雜地質(zhì)條件下采用的地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)，通過(guò)測(cè)量和對(duì)比隧道工程土體位移量驗(yàn)證了該文所述地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)的良好質(zhì)量效果和可行性。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜地質(zhì)；市政地鐵；盾構(gòu)施工；技術(shù)研究

0? ?引言

隨著城市化發(fā)展的迅速推進(jìn)，市政地鐵成為現(xiàn)代城市交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。然而市政地鐵隧道在軟弱地層、巖溶地區(qū)、斷層帶等復(fù)雜地質(zhì)條件下施工，會(huì)增加盾構(gòu)施工的難度和風(fēng)險(xiǎn)，需要針對(duì)不同地層特點(diǎn)采取相應(yīng)的施工參數(shù)和支護(hù)措施[1]。盾構(gòu)施工在復(fù)雜地質(zhì)條件下通過(guò)改進(jìn)施工技術(shù)，可以減少地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、降低工程成本。研究復(fù)雜地質(zhì)條件下的市政地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)具有重要意義[2]。

當(dāng)前我國(guó)在市政地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)研究方面已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展。通過(guò)地質(zhì)調(diào)查與預(yù)警技術(shù)、盾構(gòu)機(jī)的改進(jìn)與智能化應(yīng)用、施工參數(shù)合理優(yōu)化等方面，已有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工難題。例如陳強(qiáng)研究小半徑曲線地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)[3]，謝鴻輝研究巖溶和土洞復(fù)合地層地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)[4]。基于上述研究成果，本文進(jìn)一步研究復(fù)雜地質(zhì)條件下市政地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)的可行性和質(zhì)量效果。

1? ?工程概況

地鐵廣佛環(huán)線GFHD-2標(biāo)三工區(qū)的大源站至太和站區(qū)間DSK35+771～DSK42+167段工程，全長(zhǎng)為6396m。其中DSK35+771～DSK41+915段為盾構(gòu)隧道，長(zhǎng)度為6144m；DSK41+915～DSK42+167段為明挖段，包括盾構(gòu)始發(fā)24#井，長(zhǎng)度為252m；大太區(qū)間的橫通道、無(wú)砟道床等。該工程的工期為50個(gè)月，其中：土建總工期為50個(gè)月，鋪軌為2個(gè)月，四電工程為4個(gè)月。

設(shè)計(jì)方案為盾構(gòu)機(jī)從大源站端頭井開(kāi)始盾構(gòu)掘進(jìn)施工，到太和站前部的24#工作井結(jié)束。其中上行線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)里程為6144m、下行線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)里程為6148m。

2? ?工程地質(zhì)勘查情況

在施工前進(jìn)行的地質(zhì)勘察表明，礦山法（用開(kāi)挖地下坑道的作業(yè)方式修建隧道的施工方法）接應(yīng)段（DSK35+771～DSK36+151）的洞身開(kāi)挖地層主要為W2中風(fēng)化片麻巖、花崗巖，區(qū)間下穿航油管線段主要為W2中風(fēng)化片麻巖、花崗巖。礦山法接應(yīng)段地質(zhì)如圖1所示。

地質(zhì)勘查結(jié)果表明，該工程在地質(zhì)條件復(fù)雜，其具體地質(zhì)特征及分布如下：人工堆積層（Q4ml），主要為雜填土和素填土。殘坡積土層（Q4el+dl），土層的厚度在0.60～17.50m之間變化，平均厚度約為5.25m。全風(fēng)化片麻巖帶，巖石層厚度在2.00～39.00m之間變化，平均厚度約為13.80m。強(qiáng)風(fēng)化片麻巖帶，其巖石芯部分表現(xiàn)出堅(jiān)硬的土柱形態(tài)，還包含有土夾碎塊或者碎塊。中風(fēng)化片麻巖帶，巖質(zhì)堅(jiān)硬不易碎裂，其飽和抗壓強(qiáng)度在23.1～155.6MPa之間變化。全風(fēng)化花崗巖，其巖石的芯部形態(tài)近似土柱狀。當(dāng)遇到水時(shí)，這種巖石會(huì)變得較為軟化，容易發(fā)生崩解；中風(fēng)化花崗巖，其巖石的核心部位則呈現(xiàn)短柱狀和柱狀形態(tài)。

3? ?復(fù)雜地質(zhì)地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)

3.1? ?盾構(gòu)機(jī)選擇

盾構(gòu)機(jī)是用于隧道開(kāi)挖和支護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備，要根據(jù)隧道設(shè)計(jì)要求和地質(zhì)條件選擇適當(dāng)類型的盾構(gòu)機(jī)[5]。現(xiàn)對(duì)常用的3種盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行技術(shù)性能和工程費(fèi)用對(duì)比，如表1所示。

根據(jù)該工程的復(fù)雜地質(zhì)條件和表1所示3種盾構(gòu)機(jī)的對(duì)比，結(jié)合此前盾構(gòu)隧道工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為保證順利完成該合同段的盾構(gòu)工程施工，決定采用2臺(tái)雙模式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行地鐵隧道盾構(gòu)施工。

3.2? ?雙模式盾構(gòu)機(jī)性能分析

雙模式盾構(gòu)機(jī)（TBM模式和EPB模式）配置了可轉(zhuǎn)換刀箱，可根據(jù)不同巖石的強(qiáng)度來(lái)選擇不同的刀具和設(shè)備、采用不同的盾構(gòu)模式，以適應(yīng)復(fù)雜的硬巖與軟巖結(jié)合的地層。

3.2.1? ?TBM模式

在遇到堅(jiān)硬的巖石地段時(shí)，選用TBM（Traditional Mechanical Excavation Boring，即傳統(tǒng)的機(jī)械挖掘鉆孔）模式進(jìn)行盾構(gòu)施工。利用盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)前部的重型滾刀以及刮刀，并將其旋轉(zhuǎn)起來(lái)[6]。通過(guò)滾刀的擠壓力和剪切力破碎巖石并將其分解成碎片，然后將這些碎片引導(dǎo)進(jìn)入土倉(cāng)內(nèi)部。利用刀盤(pán)上的刮板，將巖石碎片刮送到刀盤(pán)中央內(nèi)側(cè)的土料收集槽，并使用傳送機(jī)將其輸送出來(lái)。TBM模式盾構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2a所示。

3.2.2? ?EPB模式

在掘進(jìn)軟巖和復(fù)合地層時(shí)，選用EPB（Earth Pressure Balance，即土壓平衡）模式進(jìn)行盾構(gòu)施工。利用刀盤(pán)前部安裝的部分滾刀、撕裂刀或先行刀等刀具進(jìn)行旋轉(zhuǎn)推進(jìn)。這些刀具能夠剝離巖土物質(zhì)，并將其順著刀盤(pán)開(kāi)口送入土倉(cāng)。與此同時(shí)，土體的自然堆積和壓縮會(huì)產(chǎn)生一定的土壓力，用于平衡刀盤(pán)前部受到的土壓力，以確保刀盤(pán)前部土體的穩(wěn)定性、控制地表沉降在安全范圍之內(nèi)。EPB模式盾構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2b所示。

3.3? ?地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)

3.3.1? ?掘進(jìn)流程

大源站至太和站區(qū)間盾構(gòu)隧道上行線與下行線段施工均采用TBM和EPB兩種模式交替進(jìn)行地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)施工。大太區(qū)間隧道施工優(yōu)化方案如圖3所示。

TBM模式也稱為“硬巖模式”。TBM模式下的地鐵隧道盾構(gòu)流程如下：首先，機(jī)械鉆頭進(jìn)行巖石的鉆爆和破碎，同時(shí)噴水冷卻和抑制灰塵；其次，將破碎后的巖屑通過(guò)盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部的螺旋輸送器輸送到傳送帶上；最后，通過(guò)輸送帶等運(yùn)輸裝置將巖屑運(yùn)出隧道。

EPB模式下的地鐵隧道盾構(gòu)流程如下：首先，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中，掌子面和刀盤(pán)后面的土倉(cāng)之間充滿切削下來(lái)的土壤中形成一個(gè)壓力平衡的土環(huán)；其次，在保持土壓平衡的條件下，螺旋輸送器將多余的土壤輸送到盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部的傳送帶上；最后，通過(guò)傳送帶等運(yùn)輸裝置將土壤運(yùn)出隧道。

3.3.2? ?掘進(jìn)方法

采用礦山法進(jìn)行盾構(gòu)施工，從大源站端頭井開(kāi)始盾構(gòu)掘進(jìn)施工，向太和站方向施工。本區(qū)段有Ⅲ、Ⅳ、V、Ⅵ級(jí)圍巖，上行線從大源站端頭井開(kāi)始，圍巖級(jí)別依次分別是Ⅵ級(jí)60m、V級(jí)圍巖14m、Ⅳ級(jí)圍巖40m，Ⅲ級(jí)圍巖246m、Ⅳ級(jí)圍巖20m；下行線從大源站端頭井開(kāi)始，圍巖級(jí)別依次分別是Ⅵ級(jí)29m、V級(jí)圍巖45m、Ⅳ級(jí)圍巖30m，Ⅲ級(jí)圍巖96m。

3.4? ?隧道初期支護(hù)與二次襯砌

3.4.1? ?隧道初期支護(hù)

根據(jù)圍巖的不同等級(jí)、性質(zhì)和穩(wěn)定性要求，選擇最合適的初期支護(hù)方案，可以防止圍巖失穩(wěn)或塌方，減小隧道結(jié)構(gòu)的局部荷載，增強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，免除隧道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，確保隧道的施工安全和長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行。初期支護(hù)參數(shù)設(shè)定如表2所示。

根據(jù)表2中的初期支護(hù)參數(shù)，確定初期支護(hù)流程如下：一是清理施工區(qū)域，確保區(qū)域內(nèi)沒(méi)有浮石、雜物和障礙物，并在隧道圍巖上做出第一次混凝土噴射厚度標(biāo)記。二是根據(jù)隧道圍巖級(jí)別和第一次混凝土噴射厚度標(biāo)記，使用噴射機(jī)向隧道圍巖進(jìn)行第一次C25混凝土噴射，對(duì)圍巖發(fā)揮穩(wěn)定作用。三是根據(jù)隧道圍巖級(jí)別、混凝土厚度和設(shè)計(jì)要求，按照隧道的環(huán)向和縱向間距設(shè)置錨桿，并在圍巖上鉆孔和安裝錨桿，確保錨桿的支護(hù)作用有效。四是根據(jù)表2中規(guī)定的規(guī)格尺寸在圍巖上安裝Φ8鋼筋網(wǎng)，其作用是提供抗裂和增強(qiáng)初期支護(hù)的強(qiáng)度，防止圍巖松動(dòng)和坍塌。五是根據(jù)表2中的要求在隧道全環(huán)安裝鋼拱架，其作用是增加隧道的整體強(qiáng)度與穩(wěn)定性。六是再次噴射混凝土，混凝土的平均噴射厚度應(yīng)≥表2規(guī)定的厚度。

3.4.2? ?二次襯砌

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)一段距離且完成初期支護(hù)后，即可進(jìn)行隧道的二次襯砌施工。此時(shí)，隨著盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)，完成與初次支護(hù)、開(kāi)始進(jìn)行二次襯砌的隧道施工段分離。隧道的二次襯砌常用的模板有整體移動(dòng)式模板臺(tái)車、分體移動(dòng)式模板臺(tái)車和拼裝式拱架模板，應(yīng)結(jié)合。二次襯砌是隧道的最后一次襯砌，可抵御隧道外界的壓力，保證隧道結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定和地鐵車輛的安全運(yùn)行。

4? ?應(yīng)用效果

地鐵廣佛環(huán)線GFHD-2標(biāo)三工區(qū)的大源站至太和站區(qū)間，按照本文所述地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)完成了施工任務(wù)。為了驗(yàn)證該技術(shù)的應(yīng)用效果，選擇隧道土體位移數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

根據(jù)隧道施工建設(shè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，為了確保隧道完工后的運(yùn)行安全，其土體的位移量在豎直方向和水平方向都不得超過(guò)±5mm。基于該標(biāo)準(zhǔn)，在施工前隨機(jī)抽取了施工區(qū)域內(nèi)的5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，進(jìn)行了土體位置測(cè)量和記錄。在完成該隧道施工后，對(duì)這5個(gè)測(cè)量點(diǎn)的土體位移量再次進(jìn)行了測(cè)量和記錄，并將測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行了比較，其結(jié)果如表3所示。

從表3記錄的結(jié)果可以看出，按照本文提出的隧道施工技術(shù)進(jìn)行施工后，各個(gè)測(cè)點(diǎn)上的位移量均在±5mm范圍之內(nèi)，能夠保證隧道的質(zhì)量和安全，由此說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)在市政地鐵隧道盾構(gòu)施工中具有可行性。

5? ?結(jié)束語(yǔ)

本文研究了復(fù)雜地質(zhì)條件下市政地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)，并結(jié)合廣佛環(huán)線GFHD-2標(biāo)三工區(qū)項(xiàng)目為例，對(duì)其地質(zhì)勘察、盾構(gòu)機(jī)選擇和地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)等過(guò)程進(jìn)行了設(shè)計(jì)和探討，采用了TBM模式和EPB模式進(jìn)行盾構(gòu)施工，滿足了不同地質(zhì)條件下的施工需求，取得了在復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行市政地鐵施工高質(zhì)量的良好效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱建輝.復(fù)雜地質(zhì)條件下地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)方案研究

[J].市政技術(shù)，2021，39（5）：52-55.

[2] 黃超群.小凈距疊線地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)控制要點(diǎn)[J].中

文科技期刊數(shù)據(jù)庫(kù)（全文版）工程技術(shù)，2023（4）：120-124.

[3] 陳強(qiáng).小半徑曲線地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2009，

29（4）：446-450+474.

[4] 謝鴻輝.巖溶、土洞復(fù)合地層地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)分析

[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2011，18（2）：41-43.

[5] 王建亮.巖溶復(fù)合地層地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)[J].城市住

宅，2020，27（5）：220-221.

[6] 彭帥，宋南濤，吳道勇.填海區(qū)小曲線地鐵盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)施

工關(guān)鍵技術(shù)分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2023（3）：30-36.