復(fù)雜地質(zhì)條件下城市軌道交通工程盾構(gòu)施工技術(shù)研究

摘" 要：隨著城市化步伐的加快，城市軌道交通系統(tǒng)成為減輕城市交通負(fù)擔(dān)、增強(qiáng)城市通行能力的關(guān)鍵途徑。但在地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域?qū)嵤┏鞘熊壍澜煌ńㄔO(shè)項(xiàng)目時(shí)，采用盾構(gòu)施工法往往會(huì)遇到許多難題。基于此，從盾構(gòu)施工技術(shù)的基礎(chǔ)理論出發(fā)，分析復(fù)雜地質(zhì)條件對(duì)盾構(gòu)施工的具體影響，進(jìn)而探討復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工的關(guān)鍵技術(shù)，希望為復(fù)雜地質(zhì)條件下的城市軌道交通工程盾構(gòu)施工提供了理論支撐和技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜地質(zhì)條件" 城市軌道交通"" 盾構(gòu)機(jī)[wl1]"" 盾構(gòu)施工技術(shù)

中圖分類號(hào)：U239.5

Research on Shield Tunneling Construction Technology of Urban Rail Transit Engineering Under Complex Geological Conditions

LIN Gan

Fujian Chuanzheng CommunicationsShipbuilding and Transportation Vocational College， Fuzhou， Fujian Province， 350007 China

Abstract： With the acceleration of urbanization， urban rail transit system has become a key way to reduce the burden of urban transportationtraffic and enhance the capacity of urban traffic. However， when implementing the urban rail transit construction project in the area with complex geological conditions， the use of shield tunneling construction method often meets many problems. Based on this， this paper starts from the basic theory of shield tunneling construction technology， analyzes the specific impact of complex geological conditions on shield tunneling construction， and then discusses the key technologies of shield tunneling construction under complex geological conditions， hoping to provide theoretical support and technical guidance for shield tunneling construction of urban rail transit engineering under complex geological conditions.

Key Wwords： Complex geological conditions; Urban rail transit; Shield machine; Shield construction technology

鑒于城市化進(jìn)程的不斷加快，城市軌道交通工程已成為現(xiàn)代城市發(fā)展的重要組成部分，對(duì)于提升城市交通容量、改善居民出行環(huán)境具有不可替代的作用。但在復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行軌道交通建設(shè)，盾構(gòu)施工技術(shù)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造、多變的地下水位以及潛在的不良地質(zhì)現(xiàn)象，如斷層、巖溶、軟土等，都可能對(duì)盾構(gòu)施工造成嚴(yán)重影響，甚至引發(fā)安全事故。因此，深入研究復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工的關(guān)鍵技術(shù)，提升施工的安全性和效率，已成為當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

1" 盾構(gòu)施工技術(shù)基礎(chǔ)理論

盾構(gòu)施工技術(shù)是在地面下暗挖隧洞的一種施工方法，它使用地鐵盾構(gòu)機(jī)在地下掘進(jìn)，同時(shí)在機(jī)內(nèi)安全地進(jìn)行隧洞的開(kāi)挖和襯砌作業(yè)。盾構(gòu)機(jī)是一種隧道掘進(jìn)的專用工程機(jī)械，集光、機(jī)、電、液、傳感、信息技術(shù)于一體，具有開(kāi)挖切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測(cè)量導(dǎo)向糾偏等功能^[1]。它涉及地質(zhì)、土木、機(jī)械、力學(xué)、液壓、電氣、控制、測(cè)量等多門(mén)學(xué)科技術(shù)，并且需要根據(jù)不同地質(zhì)條件進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)制造，可靠性要求極高。盾構(gòu)機(jī)的基本工作原理可以概括為：一個(gè)圓柱體的鋼組件沿隧洞軸線，邊向前推進(jìn)，邊對(duì)土壤進(jìn)行挖掘。該圓柱體組件的殼體即護(hù)盾，它對(duì)挖掘出的還未襯砌的隧洞段起著臨時(shí)支撐的作用，承受周圍土層的壓力，有時(shí)還承受地下水壓以及將地下水擋在外面。挖掘、排土、襯砌等作業(yè)在護(hù)盾的掩護(hù)下進(jìn)行^[1]。

2" 盾構(gòu)機(jī)的類型與選擇依據(jù)

在復(fù)雜多變的地質(zhì)環(huán)境中進(jìn)行城市軌道交通工程建設(shè)，盾構(gòu)施工技術(shù)的運(yùn)用顯得尤為重要，而盾構(gòu)機(jī)的類型選擇與配置則是技術(shù)實(shí)施的核心環(huán)節(jié)。盾構(gòu)機(jī)作為隧道掘進(jìn)的主力軍，其類型主要?dú)w納為兩大類：土壓平衡盾構(gòu)與泥水平衡盾構(gòu)，兩者各具特色，適用于不同的地質(zhì)條件。

2.1" 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)[wl2]"，設(shè)計(jì)精巧，以其精密的土壓控制系統(tǒng)，維持開(kāi)挖面與土倉(cāng)內(nèi)的壓力平衡，有效應(yīng)對(duì)黏性土、粉質(zhì)土等地質(zhì)狀況。該系統(tǒng)能夠靈活調(diào)整土倉(cāng)內(nèi)的土壓力，以抵消開(kāi)挖面前方的水土壓力，確保隧道掘進(jìn)過(guò)程中的穩(wěn)定性。此外，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)[wl3]"在掘進(jìn)過(guò)程中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)挖掘土體的即時(shí)處理與利用，減少了廢土排放，提升了施工效率與環(huán)保性。

2.2" 泥水平衡盾構(gòu)機(jī)

泥水平衡盾構(gòu)機(jī)則更擅長(zhǎng)于處理高水壓、高滲透性地層，如砂層、卵石層及富含地下水的地層。它利用泥漿循環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)泥漿的壓力與流量，形成一道穩(wěn)定的泥漿護(hù)壁，有效隔絕地下水，保持開(kāi)挖面的穩(wěn)定。泥水平衡盾構(gòu)的顯著優(yōu)勢(shì)在于其對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件的強(qiáng)適應(yīng)性，尤其是在穿越江河、湖泊等水域下方時(shí)，能夠確保施工安全，減少地層擾動(dòng)，保護(hù)周邊環(huán)境。

在選擇盾構(gòu)機(jī)類型時(shí)，需要綜合考慮工程地質(zhì)勘察報(bào)告，分析地層結(jié)構(gòu)、土質(zhì)特性、地下水位、隧道埋深、周邊環(huán)境敏感性、工期成本等因素。既要確保盾構(gòu)機(jī)能夠高效、穩(wěn)定地完成隧道掘進(jìn)任務(wù)，又要兼顧施工安全性與經(jīng)濟(jì)合理性，力求在技術(shù)先進(jìn)性與實(shí)際可行性之間找到最佳平衡點(diǎn)^[2]。

3" 復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工的關(guān)鍵技術(shù)

3.1" 盾構(gòu)始發(fā)與接收技術(shù)

在復(fù)雜地質(zhì)條件下，盾構(gòu)始發(fā)與接收技術(shù)是盾構(gòu)施工中的兩大核心挑戰(zhàn)，它們不僅關(guān)乎整個(gè)施工過(guò)程的順利進(jìn)行，更是確保工程安全與質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。盾構(gòu)始發(fā)，即盾構(gòu)機(jī)從起始工作井（通常稱為始發(fā)井）開(kāi)始進(jìn)入地下掘進(jìn)的狀態(tài)，而盾構(gòu)接收則是盾構(gòu)機(jī)在完成隧道掘進(jìn)后，安全、準(zhǔn)確地進(jìn)入接收工作井（接收井）的過(guò)程。該兩項(xiàng)技術(shù)均需要在充分考慮地質(zhì)條件復(fù)雜性的基礎(chǔ)上進(jìn)行精細(xì)化的設(shè)計(jì)與施工控制。

3.1.1" 盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)[wl4]

盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)是對(duì)始發(fā)井周圍地層進(jìn)行有效的加固處理。復(fù)雜地質(zhì)條件下，地層可能涵蓋軟弱土層、砂層、卵石層、巖層等多種類型，并且往往伴隨著地下水的影響。因此，必須根據(jù)具體的地質(zhì)勘察結(jié)果，采用注漿、旋噴樁、SMW工法（水泥土攪拌墻）等手段對(duì)地層進(jìn)行預(yù)加固，以提高地層的承載力和穩(wěn)定性，確保盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時(shí)不會(huì)因地層失穩(wěn)而導(dǎo)致塌方或沉降。同時(shí)，在洞門(mén)破除與盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制中，洞門(mén)破除須精確控制破除范圍與深度，避免對(duì)周圍地層造成不必要的擾動(dòng)。盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)初期，其姿態(tài)控制尤為重要，需要運(yùn)用精密的測(cè)量與導(dǎo)向系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)機(jī)的位置、姿態(tài)與掘進(jìn)方向，確保盾構(gòu)機(jī)能夠按照設(shè)計(jì)線路平穩(wěn)推進(jìn)；操作人員應(yīng)具備豐富的經(jīng)驗(yàn)與高超的技能，也需要盾構(gòu)機(jī)具備良好的操控性與穩(wěn)定性。

3.1.2" 盾構(gòu)接收

在接收井附近，地層加固以確保接收過(guò)程中地層不會(huì)發(fā)生坍塌或過(guò)大變形。接收前，須對(duì)接收井進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)量與定位，確保盾構(gòu)機(jī)能夠準(zhǔn)確對(duì)位。接收過(guò)程中，須嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度與推力，避免對(duì)接收井結(jié)構(gòu)造成沖擊或破壞^[3]。與此同時(shí)，還需密切關(guān)注地下水的動(dòng)態(tài)變化，采取有效措施防止地下水涌入接收井，確保施工安全。

此外，盾構(gòu)始發(fā)與接收過(guò)程中，還需要考慮盾構(gòu)機(jī)的密封性與防水性。復(fù)雜地質(zhì)條件下，地下水往往成為施工中的一大難題。盾構(gòu)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，就須充分考慮其密封性能，確保在掘進(jìn)過(guò)程中能夠有效阻擋地下水。在施工過(guò)程中，也須定期對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行密封性檢查與維護(hù)，確保其始終處于良好的工作狀態(tài)。

3.2" 盾構(gòu)掘進(jìn)控制技術(shù)[wl5]

在復(fù)雜地質(zhì)條件下，盾構(gòu)掘進(jìn)控制技術(shù)是確保隧道施工安全、高效進(jìn)行的核心技術(shù)之一。盾構(gòu)掘進(jìn)控制不僅關(guān)乎掘進(jìn)效率，更直接關(guān)系到隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和周邊環(huán)境的保護(hù)。因此，在復(fù)雜多變的地質(zhì)環(huán)境中，精準(zhǔn)而靈活的掘進(jìn)控制技術(shù)顯得尤為重要。

盾構(gòu)掘進(jìn)控制技術(shù)的核心在于對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的科學(xué)設(shè)定與實(shí)時(shí)調(diào)整，此參數(shù)涵蓋掘進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、推力、扭矩、土倉(cāng)壓力等。在復(fù)雜地質(zhì)條件下，如遇到軟硬不均的地層、斷層帶、巖溶發(fā)育區(qū)或高水壓地層，掘進(jìn)參數(shù)的選擇須尤為謹(jǐn)慎。過(guò)高的掘進(jìn)速度或推力可能導(dǎo)致地層擾動(dòng)過(guò)大，引發(fā)地表沉降或隧道結(jié)構(gòu)受損；而過(guò)低的參數(shù)設(shè)置則會(huì)降低施工效率，增加工程成本。

為了實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)過(guò)程的精準(zhǔn)控制，現(xiàn)代盾構(gòu)機(jī)普遍配備了先進(jìn)的自動(dòng)化與智能化系統(tǒng)。這些系統(tǒng)通過(guò)集成傳感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)掘進(jìn)過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)，并根據(jù)地質(zhì)條件的變化自動(dòng)調(diào)整掘進(jìn)策略。例如：運(yùn)用激光導(dǎo)向系統(tǒng)，可以精確測(cè)量盾構(gòu)機(jī)的位置和姿態(tài)，確保隧道沿設(shè)計(jì)線路掘進(jìn)；而土壓平衡控制系統(tǒng)則能夠根據(jù)土倉(cāng)內(nèi)的壓力變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)掘進(jìn)速度和排土量，維持開(kāi)挖面的穩(wěn)定。

此外，盾構(gòu)掘進(jìn)控制技術(shù)還涉及對(duì)掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的渣土的有效管理。在復(fù)雜地質(zhì)條件下，渣土的性狀（如粒度分布、含水量、黏性等）可能隨地層變化而大幅度波動(dòng)，這對(duì)渣土的輸送、處理和排放都提出了更高要求。因此，需要采用先進(jìn)的渣土處理技術(shù)和設(shè)備，如渣土改良系統(tǒng)、高效螺旋輸送機(jī)等，以確保渣土的順暢排放和隧道的連續(xù)掘進(jìn)。

盾構(gòu)掘進(jìn)控制技術(shù)還與施工人員的專業(yè)技能和經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)。盡管現(xiàn)代盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化和智能化，但施工人員的判斷力和應(yīng)急處理能力仍然是不可或缺的。在面對(duì)突發(fā)情況時(shí)，如地層塌方、地下水突涌等，施工人員需要迅速做出反應(yīng)，調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)或采取緊急措施，以確保施工安全。

3.3" 盾構(gòu)襯砌與注漿技術(shù)

在復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行盾構(gòu)施工時(shí)，盾構(gòu)襯砌與注漿技術(shù)是確保隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，此技術(shù)不僅關(guān)乎隧道本身的安全，還直接影響到周邊環(huán)境的保護(hù)和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)效果。

3.3.1" 盾構(gòu)襯砌技術(shù)

盾構(gòu)襯砌技術(shù)[wl6]"是在盾構(gòu)掘進(jìn)后，及時(shí)在隧道內(nèi)壁安裝預(yù)制管片，形成連續(xù)的襯砌結(jié)構(gòu)。在復(fù)雜地質(zhì)條件下，如遇到軟弱地層、高水壓或不良地質(zhì)現(xiàn)象，襯砌結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性尤為重要。因此，襯砌管片的設(shè)計(jì)須充分考慮地質(zhì)條件、隧道直徑、埋深、外部荷載等因素，確保管片具有足夠的承載力、抗?jié)B性和耐久性^[4]。為了實(shí)現(xiàn)襯砌管片的有效安裝，盾構(gòu)機(jī)通常配備有精確的管片拼裝系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠確保管片在拼裝過(guò)程中保持正確的位置和姿態(tài)，避免出現(xiàn)錯(cuò)位、偏斜或破損等問(wèn)題。同時(shí)，襯砌管片之間的接縫處理也至關(guān)重要，須采用高質(zhì)量的防水材料，并進(jìn)行嚴(yán)格的密封處理，以防止地下水滲漏和地層沉降。

3.3.2" 注漿技術(shù)

注漿技術(shù)主要是在襯砌管片安裝完成后，運(yùn)用管片背后的注漿孔，向隧道周圍地層注入特定的注漿材料，以填充地層空隙、加固地層結(jié)構(gòu)，并減少地層沉降。在復(fù)雜地質(zhì)條件下，注漿材料的選擇和注漿工藝的設(shè)計(jì)都應(yīng)特別謹(jǐn)慎。例如：對(duì)于軟弱地層，須選擇具有較好流動(dòng)性和固化性能的注漿材料，以確保注漿效果；而對(duì)于高水壓地層，則應(yīng)考慮注漿材料的抗?jié)B性和穩(wěn)定性，避免注漿過(guò)程中出現(xiàn)漿液流失或地層擾動(dòng)。注漿技術(shù)的實(shí)施還要注意注漿壓力和注漿量的控制。過(guò)高的注漿壓力可能導(dǎo)致地層劈裂或管片上浮，而過(guò)低的注漿壓力則無(wú)法有效填充地層空隙。同樣，注漿量的不足會(huì)導(dǎo)致地層加固效果不佳，而過(guò)量的注漿則可能造成資源浪費(fèi)和地層隆起。因此，在施工過(guò)程中，需要運(yùn)用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，不斷調(diào)整注漿參數(shù)，確保注漿效果達(dá)到最佳。

3.4" 盾構(gòu)施工中的監(jiān)測(cè)與信息化技術(shù)[wl7]

在復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行盾構(gòu)施工，監(jiān)測(cè)與信息化技術(shù)不僅為施工過(guò)程提供了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，還極大地提升了施工的安全性、效率和質(zhì)量。盾構(gòu)施工中的監(jiān)測(cè)與信息化技術(shù)，是一個(gè)融合了傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)、可視化展示技術(shù)的綜合體系。

在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中，盾構(gòu)施工面臨著諸多未知和不確定因素。地層的變化、地下水的流動(dòng)、盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)與位置、周邊環(huán)境的響應(yīng)等，都是施工過(guò)程中需要密切關(guān)注的關(guān)鍵信息。為了獲取這些信息，監(jiān)測(cè)技術(shù)在盾構(gòu)機(jī)、隧道結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境、地層中布置各類傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到施工過(guò)程中的各種物理量，如位移、應(yīng)力、壓力、溫度、濕度等，為施工人員提供了第一手的資料，幫助他們及時(shí)了解施工狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，并做出相應(yīng)的調(diào)整。

但僅僅獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并不足以完全應(yīng)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的盾構(gòu)施工挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)的傳輸、分析與處理同樣重要。現(xiàn)代信息化技術(shù)運(yùn)用構(gòu)建高效的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析中心。強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析與處理軟件能夠?qū)Ａ繑?shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，提取出有價(jià)值的信息，并運(yùn)用可視化技術(shù)呈現(xiàn)出來(lái)。此外，監(jiān)測(cè)與信息化技術(shù)還為盾構(gòu)施工的安全管理提供了有力支持。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工中的安全隱患，如地層沉降、隧道結(jié)構(gòu)變形、盾構(gòu)機(jī)故障等。一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)可以立即發(fā)出警報(bào)，提醒施工人員采取相應(yīng)措施進(jìn)行處理^[5]。

4" 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，復(fù)雜地質(zhì)條件下的盾構(gòu)施工技術(shù)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工程任務(wù)。通過(guò)深入研究盾構(gòu)始發(fā)與接收、掘進(jìn)控制、襯砌與注漿、監(jiān)測(cè)與信息化等關(guān)鍵技術(shù)，不僅能夠提升施工的安全性和效率，還能夠確保隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和周邊環(huán)境的保護(hù)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和經(jīng)驗(yàn)的積累，能夠克服更多地質(zhì)難題，推動(dòng)城市軌道交通事業(yè)的持續(xù)發(fā)展，為城市化進(jìn)程提供更加堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1]劉翌晨.復(fù)雜地質(zhì)條件下城市軌道交通工程盾構(gòu)施工技術(shù)研究[J].產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究，2024（16）：139-141.

[2]陳艷艷，王彩虹，楊茜茜.城市軌道交通工程電子文件歸檔研究[J].中國(guó)檔案，2024（6）：62-63.

[3]吳自強(qiáng).城市軌道交通工程施工技術(shù)及管理要點(diǎn)研究[J].中國(guó)儲(chǔ)運(yùn)，2024（10）：140-141.

[4]譚曉偉，楊興，馬壯林，等.不同類型的城市軌道交通車站客流時(shí)空分布特征[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，44（1）：129-140.

[5]劉暢，張超超.城市軌道交通工程施工技術(shù)和管理措施探討[J].建材發(fā)展導(dǎo)向，2024，22（7）：108-111.