城市轨道交通盾构法隧道施工技术分析

2022-05-25张金涛

大科技 2022年20期

张金涛

（中铁十一局集团有限公司，湖北武汉 430061）

1 盾构法施工概述

利用盾构法进行地铁项目的隧道施工，具体内容包括稳定开挖面、开挖与排土、衬砌3 个部分。与其他类型的施工方法相比，盾构法具有自动化程度高、成本低、施工速度快、不会受到气候影响等特点；同时，还可以有效控制地面塌陷问题，极大地降低对地面建筑物的干扰性[1]。基于此，特别是对于一些埋深大、隧洞长的地铁项目的隧道施工，运用盾构法能获得较理想的经济效益。

运用盾构法进行地铁项目隧道施工，不仅可以保证施工过程的安全性，还可以对管片支护起到保护作用。盾构机基础构造包括盾构壳体、刀盘系统、螺旋输送机等不同类型的装置。在实际施工过程中，盾构法涉及的施工工序通常包括盾构机安装与拆卸、土体挖掘、衬砌、拼装和防水等。

选择盾构法进行实际施工，现场工作人员需要先在某一个路段使用明挖法开挖基坑后，在其内部装置盾构机，待盾构机准备就绪后，先向开挖面掘进一段等同于装配式衬砌宽度的土体，并在装置盾构反力设备基础上形成外力支撑[2]。

2 盾构法施工技术

2.1 盾构机进出洞口

施工在地铁项目隧道施工期间，现场工作人员在实际使用盾构机过程中，需注意以下施工要点。

（1）重点控制盾构机进洞问题及出洞操作，因为这两个环节会对整体隧道施工质量产生直接影响。

（2）为保证盾构机顺利进洞，需在施工前确定好线路，以防止发生与设计轴线偏差过大的问题。

（3）鉴于盾构机出洞难度高、工作繁杂的特点，必须选择科学合理的施工方法来进行系列操作，如预先加固处理洞口段地层，保证安全性。

（4）在施工准备完成后，为避免土体暴露时长过长，要根据盾构机实际情况让切口切入土层[3]。

2.2 风井施工

以风井处地质的实际情况为基础，加固该区域与盾构机进洞有关的地基，长度控制在6m 以内，其中5.4m 要采用钻孔灌注施工。因为风井关键点通常都设置在城镇居民区附近，容易受到其他因素干扰，所以，必须要对其进行基坑围护操作，同时，还要加固钻孔灌注桩施工，而此过程要保证隧道直径为7m、水泥掺量为20%（由于进洞口洞圈上3m 以外的地区主要是弱加固区，弱加固区的水泥掺量为7%）。

值得注意的是，要在水泥搅拌桩与钻孔灌注桩间进行加固，该环节重点在于需应用旋喷桩来实施关联性加固。

2.3 盾构机挖掘施工

在使用盾构法对地铁项目隧道进行整体施工过程中，由于盾构机进出洞口环节十分关键，因此，工作人员要严格遵循操作准则来控制施工全程，从而避免对四周环境（尤其是土体）造成干扰。必须保证盾构机姿态控制与盾构施工轴线控制均在《盾构机操作、使用规范》（T/CCMA 0063—2018）（以下称“规范”）所规定标准的误差范围内。

2.4 盾构机穿越粉砂土层施工

与其施工设备相比，盾构机的环境适应能力较强，可在淤泥质土等软土施工中获得理想效果，但不适合在粉砂土层中施工，这其中主要有两个难度：①土体液化；②土体流动性。

为避免上述状况，可采用提升正面土体流动性与止水性方式。具体操作方法：①在规范所规定限度内提升土仓压力，以保证不发生土体液化状况。②利用盾构机加泥系统给土仓注入膨润土浆液并混合到土仓里，从而在改变土仓内土体性质的同时，起到润滑作用，以最终避免土体液化，改善土体流动性。

2.5 盾构机冷冻刀盘技术

盾构机在砂层、淤泥层、断层等繁杂地质环境行进中，若开挖至建筑物下方，在刀盘驱动系统掘进时，需使用特别加固方法，因为一旦忽略此问题势必会引发地面塌陷。一般来说，在地质环境不符合盾构机常压换刀情况时，仅采用通常技术方法无法保证常压换刀的安全性，这尤其体现在对该区域沉降的把控上。

针对此，2017 年，我国中铁华隧联合重型装备有限公司创新研制出了世界第一台具备冷冻刀盘和复合注浆系统的双模式盾构机，其将冷冻法施工与盾构机相结合，在常压换刀流程中可保证刀盘四周被冷冻与稳固，从而冻结圆盘；与此同时，该设备还能提升土层强度与稳固性，并隔绝地下水，以进一步高效降低盾构机穿越特殊区域时发生地面沉降的概率。

2.6 联络通道机械化施工技术

联络通道是关联地下空间与地上空间的重要纽带。通常情况下，联络通道一般在主空间施工完毕后才实施，所以极易被忽略。但是，现有联络通道施工重点是在经地层加固后采用矿山法来挖掘，而加固方法通常采用冻结法。冻结法在实践中已被广泛应用，但其存在一定的潜在安全风险，且施工时间长、成本高、施工效果一般。联络通道微加固机械法T 接施工技术成功应用于宁波轨道交通3 号线联络通道工程实践中。其十分符合城市地下空间研发标准，可降低联络通道施工干扰。此外，其还能缩减施工投入费用与减少施工周期，助力将联络通道达成机械化。

2.7 应用克泥效工法实现对盾构法施工沉降控制

盾构机在地下掘进过程中往往会扰动地层而引发变形。对此，可同步应用注浆技术将浆液注入盾尾后方，以补充盾体外壳与管片间的环形空隙，从而有效解决地面沉降问题。然而，由于盾构机刀盘外径通常大于盾体外壳，因此，在盾构机盾体范围内会在开挖轮廓与盾体间形成一个环形空隙，导致对盾尾进行同步注浆也无法抑制盾体四周土体发生变形。

当地铁项目隧道施工需穿过既有线或重大危险源时，针对地面沉降所对应的标准要求十分严格，故而一定要采取针对性策略来确保施工安全，以防止地层变形程度加深。对此，可采用克泥效工法。

克泥效工法基本原理：将黏土和强塑剂根据相应比例融合之后，二者可迅速变成高黏度、不硬化、变化性、抗稀释性与挡水性强、抗沉陷性高的可塑性黏土，即黏度经过二者配合比方法发生变动。

在使用盾构法过程中，克泥效工法适用范围较广、普及度高，因为其不仅具备土压平衡盾构的效果，还能满足空隙填充和盾构机姿态控制问题，能够给地铁项目隧道施工带来积极影响。

3 地铁盾构区间隧道施工风险因素

3.1 地质因素

地铁盾构机掘进部位地层地质条件高度复杂，土层沉积环境中透镜体形式较多，且局部存在受压缩气体，在盾构掘进期间，因气体突然释放极易形成地下水通道，造成盾构后方承压水沿通道涌向洞口。特别是在微承压水层局部夹杂高富水、大渗透性粉砂薄层或者地道旋喷桩加固地层时，会导致掘进困难，提高设备故障出现概率，进而招致工艺操作隐患。

3.2 设备选择

盾构机等设备是地铁盾构区间隧道工艺操作主要用设备，也是隧道工艺操作风险主要来源之一。比如，盾构机测量自动导向系统VMT 系统输入盾构推进计划线数据文件错误时，会导致盾构机沿着错误的计划线推进，引发盾构隧道轴线偏差。

3.3 人员操作

人员的操作是地铁盾构区间隧道工程工艺操作过程的主要风险因素，表现为人员缺乏自我防范意识、安全意识淡薄、现场安全操作漏洞。比如，操作人员违反《盾构机操作说明书》中的规定操作，擅自安排现场工作者打开螺旋机观察孔，会导致地下水喷涌事故，进而促使螺旋机被水泥土混合物固结块卡堵无法运转。

4 地铁盾构区间隧道施工风险控制对策

4.1 完善风险预警机制

在地铁盾构区间隧道工程工艺操作过程中，风险因子较多，为避免风险因子持续作用，应利用盾构工艺操作区间地质情况探测手段，以进出洞加固区域探测为重点，收集风险数据，完善风险预先警报机制。同时，根据图纸审核中的地质柱状图，判定沿线地质是否存在特殊变化，及时加密补充勘察点，保证风险预先警报精准度。

在加强地质情况探测的基础上，依据预警系统理论，可以设定预先警报指标值及阈值，进行工程工艺操作风险量的控制，达到提前预防、减少损失的目的。以盾构进出洞工艺操作风险预警为例，可以依据工程工艺操作顺序，从安全（人员伤害、地层沉降、周边结构破坏）、经济（经济损失）、质量（轴线偏差、衬砌变形、隧道渗水）、工期（工期损失）几个维度入手建立风险评估模型。进而结合盾构区间隧道掘进过程，将盾构进出洞工艺操作划分为地基处理、盾构基座、止水装置、洞门拆除、盾构推进、负环拼装、后靠体系、洞门封堵等几个工序。依据工序，对地层稳定性、基座稳定性、盾构姿态、测量误差等风险现象、原因、后果进行逐一辨识，构建风险层次分析模型。

4.2 加强突沉现象的控制

突然沉降事故是地铁盾构区间隧道工艺操作常见事故，为避免该事故出现，可以盾构穿越建筑、盾构穿越河流、盾构穿越道路、盾构穿越地下管线几个方面入手，进行控制。

在盾构穿越建筑时，为避免既有建筑物因盾构发生扰动而出现沉降，可以实现调查盾构基础情况、建筑物基础所在地地质情况。结合调查结果，进行掘进参数的恰当选择。在掘进参数确定后，对基础、地层进行同步的注浆加固或二次注浆加固处理。在注浆加固后，从盾构掘进过程姿态控制入，时刻关注，避免盾构掘进过程姿态变化对土体造成过度扰动。同时，加强建筑物沉降监测，及时发现沉降问题，及时调整盾构掘进方案，避免相关问题的进一步恶化。

在盾构穿越河流时，为避免河流防汛墙因盾构掘进出现突然沉降，应进行合理推进速度、注浆量、出土量、注浆压力的合理选择，并对防汛墙沉降进行监测。另外，在机械作业姿态控制的同时，利用油脂在盾构机尾部进行润滑辅助。

在盾构穿越道路时，为避免既有道路路面因盾构掘进发生不均匀沉降甚至塌陷，应以盾构机工作压力控制为重点，严格限定盾构机工作压力在恰当范围内。同时，进行注浆参数的恰当选择，合理划定注浆位置，保障浆液注入过程连续不间断、合理、有效，规避开挖面过大扰动。同时，加大监测频率、质量，保证盾构掘进期间监测频率在2 次/d 或以上。

在盾构穿越地下管线时，为避免既有管线因盾构掘进出现沉降，应注意根据土层扰动监测结果，进行机械正面压力的平衡处理。同时，严格控制盾构掘进速度，并责令专门人员负责盾构掘进偏差纠正作业。比如，在管片出现较大偏差时，应第一时间进行管片贴片处理，进行强制纠偏。即根据测量计算获知的管片偏差，将厚度在5.00mm 以内的石棉垫片贴在相应位置，以便轴线为竖曲线段时可将坡度调整至水平。

4.3 加强相关设备管理

在盾构设备选择时，因盾构机刀盘是盾构机掘进期间机械故障主要来源，在工序操作前，应综合考虑工期、设计、经济、安全、环境要求，选择与工程地质相匹配、满足工程掘进长度及线形、与后续设备相匹配、与始发基地相匹配、可辅以辅助工法、对周边环境干扰小的刀盘。

在盾构机安装调试时，应以第一块盾构壳体吊装到位为入手点，每天召开工地例会，进行项目节点计划的详细划分，保证偏差问题的及时发现、处理。在工地总装完毕后，开始盾构机的试掘进操作，要求各方全天候跟班监测、调试，保证设备在短时间内得到完善。同时，由专业人员根据试掘进期间总结经验，对管片拼装、同步注浆、车架纠偏、起重、泥水接管等工序设备现场管理规程进行详细规划。并根据盾构机系统划分，制定详细的周、日、月、年保养记录表，全面反映月度盾构设备运行情况，降低系统故障发生概率。因盾构设备运行工况较为恶劣，需长时间连续工作，备品备件消耗量较大。因此，在设备保养时，应以拼装机密封条等耗材为重点，建立专业维护保养方案，避免维护保养不及时导致的设备损坏、工期延滞情况。

4.4 加强人员防范措施

加强人员管理是降低地铁盾构区间隧道工程工艺操作风险的有效手段。管理者应全面贯彻落实安全生产一岗双责、党政同责、岗岗有责方针，促使安全质量责任制覆盖每一个作业层，涉及每一个职能岗位，遏制盾构区间不规范操作问题。比如，盾构人员应在保证无心脏疾病、听力与视力正常的情况下，对自身操作高度负责，配合上级下达的参数要求，具有基本防火、安全意识，且对地质表达含义、涂鸦计算、盾构机工作原理及参数、管片选择与使用具有一定了解。