巖層盾構(gòu)隧道安全施工關鍵技術(shù)及結(jié)構(gòu)響應規(guī)律研究

摘要：以長春地鐵7號線為研究對象，對盾構(gòu)隧道安全施工控制進行分析，其中包括掘進模式選擇與控制、掘進姿態(tài)質(zhì)量控制及管片拼裝質(zhì)量控制等。針對施工過程中地表變形、隧道豎向位移及水平位移進行現(xiàn)場監(jiān)測與分析，結(jié)果表明：左線盾構(gòu)隧道施工導致的地表縱向沉降大于右線。地表橫向沉降均呈現(xiàn)出不規(guī)則“W”形，左線隧道地表沉降槽要大于右線隧道，且符合Peck沉降曲線。左、右線盾構(gòu)隧道各位置處豎向位移均大于水平位移。

關鍵詞：巖性地層；盾構(gòu)隧道；現(xiàn)場監(jiān)測；安全施工

0" "引言

碎裂巖體中若存在大量的結(jié)構(gòu)性面，導致其在工程建設中極易發(fā)生失穩(wěn)、塌方、大變形及襯砌破損等病害[1-3]。為保證盾構(gòu)在碎裂巖中的施工安全與穩(wěn)定，需采取更安全的盾構(gòu)法。

開展碎裂巖地層下盾構(gòu)開挖面的安全研究是當前巖土工程領域的一項重要工作。王林等[4]針對盾構(gòu)法在臨近巖石-碎裂巖接觸面時的極限承載力進行研究，并對其進行理論分析，明確了掘進面的支護壓力對其穩(wěn)定性的影響。秦建設等[5]利用有限差分方法，對土壓平衡盾構(gòu)法進行數(shù)值仿真研究，驗證了土壓平衡盾構(gòu)法施工過程中，確保盾構(gòu)平穩(wěn)施工的關鍵因素是開挖面支承壓力的控制。徐前衛(wèi)等[6]通過理論計算，對盾構(gòu)施工中的極限承載力進行了分析，并將其與工程實際情況進行了比較，從而為盾構(gòu)施工提供了有力的指導。

為達到盾構(gòu)安全施工的目的，本文以長春地鐵7號線為依托，對盾構(gòu)隧道安全施工進行研究，通過對盾構(gòu)掘進模式選擇與控制、掘進姿態(tài)質(zhì)量控制、管片拼裝質(zhì)量控制等進行分析，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對隧道變形進行研究，為盾構(gòu)安全施工提供一定借鑒。

1" "工程概況

1.1" "工程基本情況

長春地鐵7號線工程某區(qū)間從會展大街站東側(cè)開始，沿東南湖大路向東敷設，后向北在東環(huán)城路與昆山路交接處轉(zhuǎn)到東環(huán)城路上，沿東環(huán)城路向北敷設，經(jīng)區(qū)間風井后，區(qū)間繼續(xù)向北敷設到達自由大路站南端。

區(qū)間沿線地面高程201.88～204.21m。從會展大街出來后，先以28‰、6‰的坡度下坡到達區(qū)間風井，最低設置于區(qū)間風井處，再以14‰、25‰的坡度上坡到達自由大路站。會展大街站和自由大路站均為明挖車站，區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間風井采用明挖法施工。

1.2" "地質(zhì)狀況

根據(jù)勘察資料、區(qū)域地質(zhì)資料以及土層物理力學性質(zhì)的基礎上，結(jié)合室內(nèi)土工試驗結(jié)果，按地層沉積年代，將本工程場地勘探范圍內(nèi)的土層劃分為人工堆積層（Q4ml）、第四紀中更新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）、白堊系泥巖層（K）、白堊系砂巖層（K）四大類。

該區(qū)間土質(zhì)分布由上到下分別為：雜填土層、粉質(zhì)粘土層、中粗砂層及巖層。隧道穿越地層主要為全風化泥巖、強風化泥巖、中風化泥巖、全風化砂巖、強風化砂巖、中風化砂巖。工程區(qū)間概況如圖1所示。

2" "盾構(gòu)施工安全控制

2.1" "掘進模式選擇與控制

復合式盾構(gòu)機具有敞開式、半敞開式和土壓平衡式，每種掘進模式具有不同的特點和適用條件。

2.1.1" "敞開式

TBM掘進方式相似，盾構(gòu)機切割出的渣土、泥土一進入土倉，立刻通過螺旋輸送機將其排出。由于土倉中的碴土很少，土倉基本上為空，因此在掘進時，刀盤與螺旋輸送機受到的反扭力較小。由于土槽中的氣壓為大氣壓，既不能支承開挖面上的巖層，又不能阻止地下水的滲入，為此這種模型適合在地下水較少且自穩(wěn)的情況下使用。

2.1.2" "半敞開式

在開挖過程中，土料倉中的碴土尚未填滿，留有空隙。為了增強開挖面的穩(wěn)定性并防止地下水滲透，通過將壓縮空氣注入到土槽中，使其與碴土一起支承開挖表面，形成一個臨時的支承結(jié)構(gòu)，從而阻止地下水的滲透。這種開挖方式適合于自穩(wěn)定性較好、地下水壓力較小的巖層，其防滲效果在很大程度上依賴于氣壓的維持與調(diào)控，以確保開挖作業(yè)的安全與順利進行。

2.1.3" "土壓平衡式

土壓平衡式是用刀盤切割出的渣土填滿土槽，通過推擠形成一個與土、水壓力相等的土槽壓力，從而達到穩(wěn)定開挖面土體、阻止地下水滲透的目的，這種開挖方式適合于軟弱、富水等不穩(wěn)定的地層。

2.2" "掘進姿態(tài)質(zhì)量控制

為了保證隧道軸線與設計軸線的偏差不超過容許偏差，盾構(gòu)機必須持續(xù)地進行糾偏。糾偏是通過選用各種千斤頂編組及其不同的液壓大小來實施的。本盾構(gòu)內(nèi)設有16組千斤頂，并分編為4部分，底部5組千斤頂，上部3組千斤頂，其余左、右各有4組千斤頂。在每個千斤頂前面都安裝一個電磁比例分流閥，用于調(diào)整各千斤頂?shù)墓ぷ鲏毫Γ瑥亩鴮ρ谧o裝置的推進方向及傾斜進行校正。在盾構(gòu)施工過程中，采用該方法兩個千斤頂?shù)膲毫Σ畈坏贸^5MPa，兩個千斤頂延伸距離不得超過15cm，同時要避免掩護式一次糾偏太大。

在前傾巖層發(fā)生改變時，應放慢前進與修正的速率，但應適時、適度地調(diào)節(jié)前向頂壓力，以確保上覆巖層的流動與止水，從而達到開挖后的穩(wěn)定與平衡。在施工過程中，要注意防止鉆斜，使之平穩(wěn)、平順。

2.3" "管片拼裝質(zhì)量控制

2.3.1" "施工準備

施工啟動之前，徹底清潔管片的環(huán)面與端面，并細致粘貼防水膠條，以保障防水效果。在管片拼裝前，全面清除盾尾拼裝區(qū)內(nèi)的所有廢料與雜物，這一步直接關聯(lián)到整環(huán)成型后的質(zhì)量以及管片與盾構(gòu)機之間的精確匹配關系。

2.3.2" "拼裝精度控制

在施工過程中，必須嚴格監(jiān)管并確保襯砌環(huán)面的平直度、超前度以及圓度均達到高標準，一旦形成完整的環(huán)結(jié)構(gòu)，需對環(huán)縫與縱縫精度實施嚴格控制。嚴格控制環(huán)面平面度，從負環(huán)開始逐環(huán)檢測，相鄰段間距誤差不超過4mm，各節(jié)段不能突出相鄰段的環(huán)面，防止接頭開裂。為預防在安裝進程中發(fā)生意外的姿態(tài)變動，安裝作業(yè)一旦完成，應立即且準確地調(diào)整千斤頂?shù)捻攭毫Γ_保施工過程的連續(xù)穩(wěn)定與最終結(jié)構(gòu)的安全可靠。對隧道橢圓度進行嚴格控制，每環(huán)組裝，對不符合要求的要立即改正，直至橢圓度在10mm以內(nèi)，才能進入下一環(huán)。

2.3.3" "螺栓緊固控制

成環(huán)段采用縱向和環(huán)形螺栓連接，其間的緊密程度將對整個隧道的工作性能及質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。為此每環(huán)襯砌安裝完畢后，應及時將所連接襯砌的縱向和環(huán)形螺栓緊固。在下一圈推進過程中，利用頂頭推力，將縱向螺栓重新緊固。將環(huán)形管片從框架中推出來后，應將縱向和環(huán)形螺栓重新緊固。

3" "安全管控分析

3.1" "安全風險源識別與控制

盾構(gòu)隧道施工過程中，地層擾動、設備運行異常和不均勻沉降是主要的安全風險源。這些風險不僅威脅施工過程，還可能引發(fā)地表沉降超標、隧道變形以及周邊建筑和基礎設施的損害。因此精準識別風險源并實施有效控制是確保施工安全的關鍵。

地層穩(wěn)定性是盾構(gòu)施工的基礎安全保障。盾構(gòu)掘進常穿越軟弱地層及巖層交界區(qū)域，此類地層在應力集中或擾動條件下易發(fā)生坍塌或過度沉降，進而引發(fā)隧道變形甚至施工中斷。針對這一問題，應通過優(yōu)化土倉壓力、加強開挖面支護等技術(shù)手段維持地層穩(wěn)定性。同時，施工中需實時監(jiān)測地質(zhì)變化，動態(tài)調(diào)整推進參數(shù)，以預防地層失穩(wěn)引發(fā)的次生風險。

3.2" 掘進過程中的安全管控

3.2.1" " 掘進姿態(tài)控制

為確保隧道軸線與設計一致，應通過液壓千斤頂?shù)木_控制，保持盾構(gòu)機平穩(wěn)推進，避免推力不均引起的偏移或掘進面失穩(wěn)。建議施工過程中設置合理的糾偏頻率，防止一次糾偏幅度過大影響隧道結(jié)構(gòu)安全。尤其在軟弱地層或復雜地質(zhì)條件下，推進速率應適當降低，以保證巖層的穩(wěn)定性。

3.2.2" "開挖面壓力管控

施工中需嚴格控制盾構(gòu)機土倉壓力，確保其與地層土壓力相匹配，以穩(wěn)定開挖面，防止地層坍塌和地下水滲入。對于軟弱富水地層，建議采用土壓平衡式掘進模式，同時增加注漿量，以提高地層承載能力并減少沉降風險。

3.2.3" "注漿回填質(zhì)量控制

在管片拼裝后，應及時進行注漿回填，確保隧道與圍巖間的空隙完全填充，從而提高襯砌的支撐力，并減少沉降風險。注漿材料的強度與流動性需符合設計要求，注漿完成后應進行檢測，避免回填不均勻或空洞遺留影響施工安全。

3.3" "綜合應急管控

隧道施工中突發(fā)事件（如地層坍塌、設備故障或超量沉降）可能對安全與進度造成嚴重威脅，為此需通過綜合應急預案進行快速有效處置。當?shù)貙犹l(fā)生時，應迅速提高開挖面支護壓力，并結(jié)合高強度注漿穩(wěn)固地層，以防止坍塌范圍擴大。設備故障時，必須立即停機檢修，避免因持續(xù)運行引發(fā)更大安全隱患。針對異常地質(zhì)狀況，可通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整推進速度、頂推力及土倉壓力，確保施工環(huán)境恢復穩(wěn)定。

4" "現(xiàn)場監(jiān)測分析

4.1" "現(xiàn)場監(jiān)測方案布置

為了研究盾構(gòu)隧道施工過程中隧道變形及地表沉降變化規(guī)律，對隧道豎向位移、水平位移、地表沉降進行監(jiān)測，監(jiān)測斷面布置如圖2所示。首次觀測結(jié)果是每個循環(huán)的初值，為了使其測量結(jié)果的準確性和可靠性高于每個循環(huán)的觀測結(jié)果，可以采用相應的方法，適當?shù)卦黾友h(huán)次數(shù)。

4.2" "地表變形分析

4.2.1" "地表縱向沉降

圖3為左右線盾構(gòu)隧道施工過程中地表縱向變形規(guī)律曲線。從圖3可以看出，隨著盾構(gòu)隧道的施工，地表縱向沉降逐漸增大。左線盾構(gòu)隧道施工所引發(fā)的地表縱向沉降相較于右線更為明顯，顯示出左線施工對地表的影響更為顯著。且當盾構(gòu)隧道的施工進行到一定階段后，地表縱向沉降的增長速度開始放緩，并最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。左右線盾構(gòu)隧道施工導致地表縱向變形趨于穩(wěn)定時，最大值分別為-56.47mm、-51.18mm，揭示了盾構(gòu)隧道施工對地表變形的影響程度，為后續(xù)的施工監(jiān)測與調(diào)整提供了重要的參考依據(jù)。

4.2.2" "地表橫向沉降

選取盾構(gòu)機分別離開開挖面5m、25m、50m時地表橫向沉降進行監(jiān)測，得到其變化曲線如圖4所示。觀察圖4可發(fā)現(xiàn)，地表橫向沉降普遍呈現(xiàn)出一種不規(guī)則的“W”形分布模式，左線隧道的地表沉降槽寬度要大于右線隧道，這表明左線隧道的施工對地表的影響更為顯著。

當左線盾構(gòu)機離開開挖面距離分別為5m、25m、50m時，左線盾構(gòu)隧道最大地表橫向沉降分別為-15.73mm、-28.90mm、-43.89mm；而右線地表橫向沉降最大值分別為：-16.06mm、-26.13mm、-36.20mm。監(jiān)測點5和監(jiān)測點11分別位于左右線盾構(gòu)隧道拱頂位置的正上方，因此這兩個位置的地表橫向沉降量達到最大值。

此監(jiān)測結(jié)果不僅揭示了地表橫向沉降隨盾構(gòu)機離開開挖面距離變化的規(guī)律，還為評估盾構(gòu)隧道施工對周邊環(huán)境的影響、優(yōu)化施工方案以及確保施工安全提供了重要的參考依據(jù)。

4.3" "隧道豎向位移分析

左線隧道各位置處豎向位移隨時間變化規(guī)律如圖5所示。其中A1、B1、C1、D1分別代表左線盾構(gòu)隧道拱頂、拱底、右拱腰、左拱腰；A2、B2、C2、D2分別代表右線盾構(gòu)隧道拱頂、拱底、左拱腰、右拱腰。

從圖5中可以看出，當左線盾構(gòu)隧道掘進時，各位置處豎向位移隨著施工的進行逐漸增大最后趨于穩(wěn)定，表明盾構(gòu)隧道的施工活動對隧道結(jié)構(gòu)各部位的豎向位移產(chǎn)生了顯著影響，并且在施工完成后，這些位移趨于一個相對穩(wěn)定的數(shù)值。

其中拱頂位置A1的豎向位移最大，達到了6.50mm，表明拱頂是盾構(gòu)隧道施工中受豎向位移影響最為顯著的部位。其次是右拱腰C1，其豎向位移最大值為7.34mm，略大于拱頂，這可能與隧道掘進過程中右側(cè)土體的受力情況有關。左拱腰D1的豎向位移最大值為3.38mm，相對較小。而拱底B1的豎向位移最小，最大值為4.26mm。豎向位移達到穩(wěn)定時大小關系為A1＞C1＞D1＞B1，反映了盾構(gòu)隧道施工中不同部位受力的差異性，揭示了隧道結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)掘進過程中的受力特點和變形規(guī)律。

4.4" "隧道水平位移分析

左線隧道各位置處豎向位移隨時間變化規(guī)律如圖6所示。從圖6中可以看出，隨著盾構(gòu)隧道的掘進進程，A1、C1、D1位置的水平位移均呈現(xiàn)出先增大后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢。此現(xiàn)象與盾構(gòu)機在推進過程中對周圍土體的擾動，以及土體內(nèi)部壓力的變化密切相關。盾構(gòu)機的掘進活動會打破原有的土體平衡狀態(tài)，導致土體發(fā)生位移。而隨著掘進活動的持續(xù)進行，土體逐漸適應新的應力狀態(tài)，位移也隨之趨于穩(wěn)定。

在B1位置，水平位移則表現(xiàn)出先增大并向相反方向變化，最終趨于穩(wěn)定的趨勢。這是由于B1位置地質(zhì)條件或周圍環(huán)境的特殊性，導致其出現(xiàn)了不同的位移變化模式，即位移方向在某一階段發(fā)生了反轉(zhuǎn)，說明在該區(qū)域可能存在較為復雜的地層或土體反應。

從各個測點的最終穩(wěn)定水平位移來看，C1位置的水平位移最大，達到了4.17mm，其次是A1位置為3.96mm，再為D1位置1.56mm，B1位置的水平位移最小，僅1.06mm。分析認為，C1位置的位移幅度最大，可能該位置處于隧道結(jié)構(gòu)較為敏感的區(qū)域，或該位置的土層性質(zhì)較為軟弱，導致在盾構(gòu)機掘進過程中產(chǎn)生了較大位移。

5" "結(jié)束語

復合式盾構(gòu)機具有敞開式、半敞開式和土壓平衡式，每種掘進模式具有不同的特點和適用條件。盾構(gòu)機在掘進過程中應避免突糾，保持平緩和順，盾構(gòu)掘進中要加強糾偏測量工作。

隨著盾構(gòu)隧道的施工，地表縱向沉降逐漸增大。左線盾構(gòu)隧道施工導致的地表縱向沉降大于右線。監(jiān)測點5和監(jiān)測點11分別為左右線盾構(gòu)隧道拱頂位置正上方，地表橫向沉降均呈現(xiàn)出不規(guī)則“W”形，左線隧道地表沉降槽要大于右線隧道。

當左線盾構(gòu)隧道掘進時，各位置處豎向位移隨著施工的進行逐漸增大最后趨于穩(wěn)定，其中豎向位移達到穩(wěn)定時大小關系為A1＞C1＞D1＞B1，A1、B1、C1、D1豎向位移最大值分別為6.50mm、4.26mm、7.34mm、3.38mm。右線盾構(gòu)隧道各位置豎向位移變化規(guī)律與左線相同。

隨著盾構(gòu)隧道的掘進，左線隧道各位置水平位移達到穩(wěn)定時大小關系為C1＞A1＞D1＞B1，A1、B1、C1、D1位移最大值分別為3.96mm、1.06mm、4.17mm、1.56mm。右線盾構(gòu)隧道達到穩(wěn)定時水平位移大小關系為C2＞A2＞B2＞D2，A1、B1、C1、D1位移最大值分別為-5.61mm、-3.97mm、-6.38mm、-3.29mm。通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，左、右線盾構(gòu)隧道各位置處豎向位移均大于水平位移。

參考文獻

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