劉建國

(深圳市市政設(shè)計研究院有限公司，廣東深圳 518026)

0 引言

深圳地鐵建設(shè)10多年來，從零開始進行著盾構(gòu)施工的實踐，由于深圳特區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，在施工中遇到了許多困難和問題，甚至發(fā)生過慘痛的事故。深圳地鐵盾構(gòu)工程具有地質(zhì)條件復(fù)雜、周邊建(構(gòu))筑物密集、地下水位高等特點，各單位組織開展了一系列技術(shù)研究，取得了一些成果，這些技術(shù)成果研究的成功應(yīng)用，為實現(xiàn)深圳地鐵5號線盾構(gòu)工程安全施工發(fā)揮了非常重要的作用［1］。深圳復(fù)合地層盾構(gòu)施工技術(shù)，拓寬了土壓平衡盾構(gòu)的適應(yīng)范圍，為國內(nèi)外類似盾構(gòu)隧道工程的設(shè)計與施工提供了非常有價值的經(jīng)驗［2］。作者一直從事深圳地鐵的技術(shù)研究工作，希望通過本文能把具有深圳特色的盾構(gòu)隧道施工技術(shù)和經(jīng)驗介紹給同行。

1 深圳地質(zhì)特點和盾構(gòu)適應(yīng)性

1.1 深圳地質(zhì)特點

深圳地鐵的地質(zhì)及周邊環(huán)境的特點特別突出，尤其是非均質(zhì)差異性大、軟硬不均的地層在其他城市地鐵建設(shè)中很少遇到。該復(fù)合地層對于盾構(gòu)施工來講是極其困難的，且因沒有太多類似工程經(jīng)驗，施工風(fēng)險和施工難度相當(dāng)大。深圳地鐵盾構(gòu)隧道穿越淤泥、黏土、砂卵、孤石、硬巖和軟硬不均等多種復(fù)雜地層，該區(qū)域地下水豐富，施工難度極大。主要不良工程地質(zhì)情況有:

1)淤泥質(zhì)地層。填海片區(qū)淤泥層，結(jié)構(gòu)松軟，承載力低，含水量高，容易產(chǎn)生觸變、流變。盾構(gòu)主要在淤泥層下黏性土層中通過，其掘進時會對地層產(chǎn)生較大擾動，引起地基變形和失穩(wěn)，刀盤中心區(qū)域容易結(jié)泥餅，降低掘進速度，增大切削扭矩，同時造成土倉內(nèi)溫度升高，影響主軸承密封的壽命，嚴(yán)重時會造成主軸承密封老化破壞。螺旋輸送機由于排土不暢而無法形成土塞，排土口易產(chǎn)生噴涌，且上層淤泥土流變性強，易下陷，可能會造成開挖面失穩(wěn)，引發(fā)地層坍塌。

2)軟硬不均地層。深圳地質(zhì)起伏較大，軟硬不均現(xiàn)象明顯，地鐵施工時常遇到巖性變化較大的地層，其中以上軟下硬現(xiàn)象居多，致使盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制困難，易使盾構(gòu)向上偏移，同時工況轉(zhuǎn)換頻繁也會對地層產(chǎn)生擾動，易造成較大地表變形。5302標(biāo)洪浪—興東區(qū)間盾構(gòu)隧道所穿越地層同一斷面軟硬不均現(xiàn)象尤為突出，且變化頻次多，硬巖單軸強度高達154 MPa，施工難度大、技術(shù)要求高。

3)硬巖地層。在5302標(biāo)翻身—靈芝區(qū)間部分地段以及長龍—百鴿籠區(qū)間大部分地段，隧道所穿越的地層是硬巖。巖質(zhì)堅硬，最大單軸抗壓強度達到295 MPa。盾構(gòu)在硬巖中掘進，刀具磨損嚴(yán)重，換刀頻率加大，甚至有可能損壞刀盤，從而導(dǎo)致工期延誤。

4)孤石地段。5302標(biāo)寶安—翻身區(qū)間、翻身—靈芝區(qū)間和5304標(biāo)民治—五和區(qū)間盾構(gòu)線路均遇到孤石。根據(jù)以往盾構(gòu)掘進施工經(jīng)驗，孤石處理非常困難，如果處理不當(dāng)，可能造成長時間停機、損壞刀盤以及盾構(gòu)轉(zhuǎn)向偏離隧道軸線等嚴(yán)重問題。

5)斷裂帶。5307標(biāo)怡景—黃貝嶺區(qū)間盾構(gòu)隧道穿過3條斷裂帶，其中F7斷裂帶在右線投影長度為4.8m，F(xiàn)8斷裂帶在右線投影長度為10.5m，F(xiàn)9斷裂帶在左右線投影長度分別為31.5 m和14.6 m。

1.2 深圳地鐵盾構(gòu)選型及適應(yīng)性

深圳地鐵根據(jù)深圳地區(qū)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)狀況、盾構(gòu)特性、工程經(jīng)濟性和環(huán)境等條件，結(jié)合施工經(jīng)驗，綜合考慮全部采用土壓平衡盾構(gòu)［3］。如地鐵5號線，根據(jù)其穿越淤泥、黏土、軟硬不均、孤石和微風(fēng)化花崗巖等各種情況，對盾構(gòu)性能提出了更高的要求。經(jīng)過綜合比較，最終確定全部選用改進后的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)(德國海瑞克)，該機針對深圳特殊地質(zhì)具有良好的適應(yīng)性。

2 深圳盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)和經(jīng)驗

2.1 特定地層條件下盾構(gòu)掘進合理刀具配置技術(shù)

盾構(gòu)刀具的布置方式應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)情況進行針對性設(shè)計，不同的工程地質(zhì)特點采用不同的刀具配置方式，以獲得良好的切削效果和掘進速度。

2.1.1 黏土地層條件下合理刀具配置技術(shù)

在黏土地層盾構(gòu)掘進時，應(yīng)該在復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)刀盤的中心區(qū)和正面區(qū)配置盡可能多的齒刀。此地層由于土體強度不高，很難給滾刀提供足夠的滾刀力矩，同時由于土體黏性較高，滾刀刀箱內(nèi)堆滿了渣土，不易塌落，在盾構(gòu)推進過程中產(chǎn)生的大量熱量會使刀箱內(nèi)土體的水分越來越少而逐漸變硬，最終形成泥餅。滾刀極易因結(jié)泥餅無法轉(zhuǎn)動而造成偏磨現(xiàn)象。在刀盤中心較易結(jié)泥餅的位置(刀盤中心區(qū)直徑2.0 m范圍內(nèi))宜少設(shè)或不設(shè)滾刀，應(yīng)將滾刀換為齒刀和魚尾形中心刀，既能確保刀具切削黏土的有效性，又能增加刀盤的開口率，大大降低刀具結(jié)泥餅的可能性;同時，刀具的布置要層次清楚，其中滾刀和齒刀的高差宜大于35 mm，既可增加滾刀和齒刀的切削效率，又能減少刀具磨損。

2.1.2 硬巖地層條件下合理刀具配置技術(shù)

在純硬巖地層(如混合花崗巖2種巖石)中掘進，刀具應(yīng)全部選用滾刀，不用齒刀，且滾刀為重型刀具，耐磨性更強。有時，在刀盤面板周邊開口處配備刮渣刮刀板。在城市地鐵盾構(gòu)隧道施工中，遇到長距離的硬巖地段，則應(yīng)該將正面區(qū)的一部分切刀更換為滾刀，既能提高盾構(gòu)的破巖能力，又能避免切刀和刀盤的磨損。

在深圳地鐵的硬巖盾構(gòu)施工中，布設(shè)的刀具種類有滾刀(包括單刃滾刀和雙刃滾刀)、齒刀、刮刀，其中滾刀和齒刀的刀座形式相同。用于制造刀盤鋼結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為16Mn，其剛度和強度均滿足掘進要求。刀具具體布置為:雙刃滾刀4把，單刃滾刀32把(其中周邊滾刀12把)，周邊刮刀16把，正面切刀64把。滾刀高出齒刀35 mm，以便在硬巖地段掘進時保護齒刀和刮刀;滾刀與齒刀層次間距為40mm，以利于硬巖的破碎。

2.1.3 軟硬不均地層條件下合理刀具配置技術(shù)

盾構(gòu)在軟硬不均地層中掘進，需要同時配置破碎硬巖的滾刀和適應(yīng)于軟土地層的切削刀具。首先通過滾刀進行破巖，然后切刀將初步破碎的巖土刮削下來以達到配合破巖的效果。滾刀的超前量應(yīng)大于切刀的超前量，在滾刀磨損后仍能避免切刀進行破巖，確保切刀的使用壽命。在小半徑曲線隧道掘進時，為保證盾構(gòu)的調(diào)向和避免盾殼被卡死，需要有較大的開挖直徑，刀盤上需配置滾刀型的超挖刀。為提高刀盤的壽命，刀盤面板及周邊焊有耐磨條。

5號線工程中滾刀刀刃距刀盤面板的高度為175 mm，齒刀和刮刀刀刃距刀盤面板的高度為140 mm。滾刀高出齒刀35mm，以便在硬巖地段掘進時保護齒刀和刮刀;滾刀與齒刀層次間距為40 mm，以利于硬巖的破碎。滾刀的刀間距過大或過小都不利于破巖，間距過大，滾刀間會出現(xiàn)“巖脊”現(xiàn)象;間距過小，滾刀間會出現(xiàn)小碎塊現(xiàn)象，降低破巖功效。在復(fù)合地層中周邊滾刀的間距一般應(yīng)小于90 mm，正面滾刀的間距為100～120 mm;當(dāng)巖石強度高時，滾刀的間距控制在70～90 mm比較合理。

2.2 盾構(gòu)始發(fā)施工關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 始發(fā)階段掘進參數(shù)的選擇

盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)中，尤以始發(fā)階段掘進參數(shù)的選擇最為關(guān)鍵。以翻身站始發(fā)端頭為例，根據(jù)該處的地質(zhì)條件選擇半敞開式平衡模式推進，即保持土倉內(nèi)一半的渣土來平衡掌子面土體的穩(wěn)定。在初始掘進段內(nèi)，由于反力架的剛度和強度的要求以及要考慮洞門密封所能承受的最大水壓，總推力不宜過大，對盾構(gòu)的推進速度、土倉壓力、注漿壓力均應(yīng)作相應(yīng)的降低。盾構(gòu)總推力保持在7 000～9 000 kN，推進速度控制在20～30 mm/min，刀盤扭矩保持在0.8 ～1.1 MN·m，刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.3～1.4 r/min。建議土倉壓力為0.9 MPa，同步注漿壓力設(shè)定為0.2～0.3MPa，管片二次注漿的注漿壓力為0.2 ～0.4MPa，每環(huán)注漿量為 6 m3左右［4］。實際盾構(gòu)始發(fā)各掘進參數(shù)值隨施工變化如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)始發(fā)掘進參數(shù)隨施工變化曲線Fig.1 Curvesofvariationsofshield boring parameters during launching

始發(fā)時優(yōu)先選用下部千斤頂，推力增加要遵守循序漸進原則。負環(huán)管片脫出盾構(gòu)后周圍無約束，在推力作用下易變形，應(yīng)在管片兩側(cè)用型鋼支撐加固，并用鋼絲繩將管片和始發(fā)托架箍緊。當(dāng)盾構(gòu)外殼脫離洞門密封圈后及時進行同步注漿，盾構(gòu)穿過洞口土體加固段時，土層由硬至軟，要加強盾構(gòu)的方向控制，并根據(jù)地層情況和地面建筑物的情況綜合確定始發(fā)試掘進的參數(shù)。始發(fā)階段宜采用小推力、低速度、微調(diào)向、低壓力的掘進模式。

2.2.2 盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制

由于刀盤切削開挖面土體產(chǎn)生的扭矩大于盾構(gòu)殼體與隧道洞壁之間的摩擦力矩，盾構(gòu)會產(chǎn)生滾動偏差;由于受土層界面起伏大、強度不均等原因，盾構(gòu)也會產(chǎn)生方向偏差;過大的滾動旋轉(zhuǎn)和方向偏差會影響管片的拼裝，也會引起隧道軸線的偏斜。因此，需要對盾構(gòu)的姿態(tài)進行實時監(jiān)測。

2.3 盾構(gòu)平移施工技術(shù)

在盾構(gòu)掘進完某區(qū)間隧道后到達接收井，往往需要將盾構(gòu)平移調(diào)出、轉(zhuǎn)場進行下一個區(qū)間的掘進或者是將盾構(gòu)平移、通過地鐵車站、進入下一掘進區(qū)間?，F(xiàn)以洪浪—興東區(qū)間盾構(gòu)下落平移工程為例對盾構(gòu)平移進行闡述。盾構(gòu)在洪浪站出站后，由于洪浪站左線盾構(gòu)井正上方交通疏解的軍用貝雷梁影響，盾構(gòu)不能從左線盾構(gòu)井吊出，只能在車站底板上平移至右線盾構(gòu)井再吊出。盾構(gòu)下落平移施工技術(shù)措施如下:

1)盾構(gòu)接收及下落平移準(zhǔn)備。首先對盾構(gòu)到達時的實際隧道中線及實際洞門中線進行測量，得出盾構(gòu)姿態(tài)與設(shè)計隧道中線及設(shè)計洞門位置的偏差值;然后結(jié)合實測車站底板高程，計算出鋼板及接收托架的安裝高程。

2)盾構(gòu)下落。盾構(gòu)主體到達托架預(yù)定位置后，先分離主機與臺車，然后用4根鋼絲繩將盾構(gòu)與托架牢固固定，防止盾構(gòu)下落和平移時在托架上移動甚至側(cè)翻。

盾構(gòu)下落采用4臺200 t液壓千斤頂，計劃將接收托架下縱向和橫向30 cm×20 cm H型鋼全部抽掉，然后鋪上平移鋼軌，將盾構(gòu)下落40 cm，這樣就能滿足盾構(gòu)橫移要求。液壓千斤頂高度為700 mm，行程為350 mm，需進行2次頂升才能將接收托架與盾構(gòu)下落到位。頂升結(jié)束后，盾構(gòu)下落及其平移示意圖如圖2和圖3所示。

圖2 頂升結(jié)束后盾構(gòu)下落Fig.2 Lowering of shield machine after lifting

圖3 盾構(gòu)平移示意圖Fig.3 Sketch of transverse moving of shield machine

3)盾構(gòu)平移施工措施。盾構(gòu)平移主要采用6套10 t手拉葫蘆橫向拉動，車站底板澆注混凝土?xí)r，在底板右側(cè)預(yù)埋6個φ20 mm鋼筋拉環(huán)，用于掛設(shè)手拉葫蘆。采用2臺100 t液壓千斤頂作為輔助平移措施，千斤頂高度為80 cm，其前部頂在接收架下部H30型鋼上，后部頂在牛腿上，該牛腿用連接鋼板和螺栓固定在行走鋼軌上，以此來形成推動盾構(gòu)平移的反力［5］。盾構(gòu)下落及平移施工如圖4和圖5所示。

2.4 復(fù)合地層盾構(gòu)施工地表沉降分析及控沉技術(shù)

盾構(gòu)法施工引起周圍地層變形的內(nèi)在原因是土體的初始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化，使得原狀土經(jīng)歷了擠壓、剪切、扭曲等應(yīng)力路徑。地層擾動的影響范圍和程度取決于多種因素，包括盾構(gòu)型式、隧道幾何尺寸、施工參數(shù)(土倉壓力、刀盤扭矩、推進力、出土量、注漿量、注漿壓力、盾尾間隙等)、土體的性質(zhì)及隧道所處的環(huán)境、上部荷載的影響等。在實際盾構(gòu)隧道開挖過程中，對地面沉降起關(guān)鍵作用的是盾尾注漿量的多少以及注漿量強度的大小。由于盾構(gòu)殼具有一定的厚度，為便于管片的拼裝和盾構(gòu)的糾偏而在盾構(gòu)殼與襯砌之間留有一定的空隙。千斤頂推動盾構(gòu)前行時，在盾尾襯砌管片外圍形成了盾尾空隙，使得周圍土體由于填充盾尾空隙而發(fā)生趨向隧道的位移從而引起地面沉降，工程中普遍采用同步注漿或二次注漿的方法來減小由盾尾空隙引起的地層損失，從而減小地面沉降。當(dāng)注漿量較小時，可以抵消上部土體的部分沉降，當(dāng)注漿量很大時也可能會引起地表隆起［6］。

2.4.1 注漿壓力對地表沉降的影響分析

為了反映盾尾注漿壓力對地表沉降的影響，分別取注漿壓力為0.15，0.2，0.25，0.3MPa 進行有限差分模擬計算。不同注漿壓力對地表沉降的影響見圖6和圖7。

圖6 盾尾注漿壓力對地表沉降影響圖Fig.6 Influence of shield tail grouting pressure on ground surface settlement

從圖6可以得出:隧道上方的土體在重力作用下向隧道方向運動，從而引起地表沉降;隧道底部的土體由于隧道的開挖出現(xiàn)有卸荷的過程，隧道底部土體向上隆起。

圖7 不同注漿壓力隧道軸線上方地表沉降圖Fig.7 Ground surface settlement above the tunnel axis under different grouting pressures

從圖7可以看出:地表沉降值與注漿壓力成反比，注漿壓力越大，地表沉降越小。注漿壓力從0.15 MPa升到0.2 MPa時，地表最大沉降值降低了1.11 mm;注漿壓力從0.20 MPa升到0.25 MPa時，地表最大沉降值降低了0.88 mm;注漿壓力從0.25 MPa升到0.3 MPa時，地表最大沉降值降低了1.13 mm。其原因是在土體壓力一定時，注漿壓力越大，注漿體的變形越小，所以提高注漿壓力可以有效降低地表沉降。同步注漿要求注漿是填充土體間隙而不是劈裂土體，在壓入口的壓力稍大于該點的靜止水壓力與土壓力之和。注漿壓力過大，管片外的土層被劈裂擾動而造成較大的后期沉降以及跑漿;反之，注漿壓力過小，漿液充填速度過慢，間隙充填不密實，地表變形也會增大。

2.4.2 土倉壓力對地表沉降的影響分析

土壓平衡盾構(gòu)施工是盾構(gòu)推進過程中靠土倉內(nèi)的泥土壓力，即倉壓與盾構(gòu)前方土體壓力相平衡來保持開挖面的土體穩(wěn)定。實際施工過程中設(shè)定的盾構(gòu)土倉壓力難以和開挖面土體原來的土壓力達到完全平衡，總會存在一定的差值，從而引起開挖面土體的位移。開挖面處土體的位移又會進一步影響地面沉降。為反映開挖面土倉壓力變化對地面沉降的影響，分別取開挖面土倉壓力為0.05，0.1，0.15，0.2MPa 進行有限差分計算。不同土倉壓力對地面沉降的影響見圖8和圖9。

從圖8可以看出，隨著土倉壓力的增大，開挖面前方的土體向開挖面移動的位移減小。

從圖9可以看出:土倉壓力與土體的原始側(cè)向壓力接近時的地表沉降量最小，當(dāng)土倉壓力設(shè)置過大或過小時，地表的最大沉降值都會增大。其原因為:當(dāng)土倉壓力小于地層原始應(yīng)力時，土體會向土倉坍塌，導(dǎo)致地層損失;當(dāng)土倉壓力大于土體原始應(yīng)力時，會對開挖面前方土體產(chǎn)生擾動，使開挖面的土體向遠離開挖面的方向擠出，開挖面處土體的位移又會進一步引起沉降。

2.4.3 實測地表沉降與掘進參數(shù)的關(guān)系

見圖10—15。從圖10中可以看出，在施工過程中土壓得到了比較好的控制，地表沉降都控制在10 mm內(nèi)。圖11為洪浪—興東區(qū)間右線DK7+185～+110范圍內(nèi)的土倉壓力統(tǒng)計值，其大小隨盾構(gòu)推進過程不斷變化，基本穩(wěn)定在 0.08 ～0.11 MPa。

當(dāng)盾構(gòu)隧道掘進到65環(huán)時土倉壓力較大，為0.12 MPa，注漿量控制較好，為6.5 m3;而此處的地表微微隆起，隆起值為0.13 mm。當(dāng)盾構(gòu)隧道掘進到103環(huán)時土倉壓力較小，為0.07 MPa，注漿量控制較好，為6.5m3;而此處的地表沉降值較小，為8.3mm。由此可知當(dāng)注漿量一定時(比理論注漿量稍大)，地面沉降隨土倉壓力的增加而減小，所以通過改變土倉壓力對控制地表沉降有一定的效果。

圖12 左線225～280環(huán)地表沉降統(tǒng)計圖Fig.12 Ground surface settlement from No.225 ring to No.280 ring of left tunnel tube

盾尾注漿量及注漿壓力將直接影響最終沉降量，注漿量越多，注漿壓力適當(dāng)增大，則注入的漿液將被壓縮產(chǎn)生一定的壓力抵抗外周土體的移動，使沉降量減小。從圖12—15可以看出:左線265～273環(huán)附近注漿量為7 m3，注漿壓力為0.29 MPa，地表產(chǎn)生了1 mm左右的隆起。由此可以說明:地表沉降隨注漿量及注漿壓力的增大而減小，改變盾尾注漿量及注漿壓力是控制地表沉降的有效途徑;但注漿量及注漿壓力過大時，可能會引起地表隆起和增大管片變形。

掘進過程中的各種掘進參數(shù)取值是否合理，應(yīng)控制在什么范圍內(nèi)，需要地面沉降的結(jié)果來驗證。只有將理論計算、實際應(yīng)用和監(jiān)測結(jié)果三者有機地結(jié)合起來，實施信息化施工和管理才能真正地控制好土壓，保持開挖面穩(wěn)定，保證盾構(gòu)掘進的安全、順利。

2.5 長距離礦山法段盾構(gòu)空推技術(shù)

目前國內(nèi)使用的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)對于長度超過100 m巖石單軸抗壓強度超過100 MPa的地層，直接采用盾構(gòu)法施工存在較大難度。

2.5.1 過礦山法段盾構(gòu)設(shè)計技術(shù)

2.5.1.1 盾構(gòu)空推反力計算

為保證盾構(gòu)過空推段時的管片拼裝質(zhì)量，盾構(gòu)前方必須提供足夠的合力以將管片環(huán)縫隙擠壓密實。翻身—靈芝靈盾構(gòu)區(qū)間采用在刀盤前方堆放豆礫石來提供反力，其堆積方式為隧道半斷面堆積，共長6 m。若礦山法隧道內(nèi)漏水和積水不多，也可以堆土。盾構(gòu)空推時的反力F由混凝土導(dǎo)臺與盾構(gòu)的摩擦阻力F1、推動刀盤前所堆豆礫石受到的摩擦阻力F2、刀盤支撐豆礫石所受側(cè)向阻力F3、盾尾刷與管片間的摩擦阻力F4和臺車所需牽引力F5構(gòu)成。F要大于止水條最小防水?dāng)D壓力(2 500 kN)的要求。

2.5.1.2 刀盤前方堆土(豆礫石)計算

當(dāng)?shù)V山法隧道初期支護施作質(zhì)量較高，隧道內(nèi)幾乎不滲漏水時，刀盤前方可以堆土;若隧道內(nèi)滲漏水嚴(yán)重時，所堆渣土與水結(jié)合變?yōu)橄∧?，在盾?gòu)空推時不能對刀盤形成有效的反力。因此，在初期支護效果不是很理想的情況下，需要在刀盤前方堆積豆礫石。根據(jù)盾構(gòu)空推反力計算結(jié)果，采用半斷面堆積豆礫石，堆積長度為6 m，堆土總方量為102.64 m3。堆積豆礫石可以采用人工配合機械施工或者可以在隧道正上方的地表鉆孔，從地表將豆礫石卸入礦山法隧道段指定位置。

2.5.1.3 端頭墻設(shè)計

端頭墻的周邊密排3排鋼格柵，玻璃纖維筋格柵水平設(shè)置，每個格柵橫排有4排玻璃纖維筋，外側(cè)為2排密排的φ28 mm的玻璃纖維筋，中間和內(nèi)側(cè)為2排φ22 mm的玻璃纖維筋，豎向排3排玻璃纖維筋，格柵要錨固入隧道初期支護30 cm。全斷面設(shè)置單層玻璃纖維筋網(wǎng)，初噴40 mm混凝土后掛φ6 mm玻璃纖維筋網(wǎng)。端頭處玻璃纖維筋格柵間距300 mm，噴800 mm厚的C20混凝土，保護層厚度為40 mm;然后在玻璃纖維筋格柵噴射完的混凝土后面設(shè)置一道混凝土環(huán)梁，環(huán)梁鋼筋與礦山法隧道初期支護鋼格柵焊接。

2.5.2 過礦山法段盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

2.5.2.1 端頭加固

由于礦山法施工和盾構(gòu)推進相隔時間較長，隧道開挖掌子面暴露時間較長會導(dǎo)致地質(zhì)變差;同時，為保證盾構(gòu)到達時其推進力不至于將礦山法隧道掌子面推擠坍塌，在礦山法隧道與盾構(gòu)隧道連接處設(shè)置端頭墻。礦山法在施工到與盾構(gòu)隧道連接處時密排3排鋼格柵，水平放置的玻璃纖維筋格柵隨隧道端頭最后3排格柵鋼架同步架設(shè)，全斷面設(shè)置單層玻璃纖維筋網(wǎng)，初噴40 mm混凝土后掛φ6 mm玻璃纖維筋網(wǎng)。翻身—靈芝區(qū)間2#豎井端頭墻小里程方向50 m處上覆有碧海花園小區(qū)建筑物，為避免由于盾構(gòu)刀盤對端頭墻的擠壓而造成端頭墻的瞬間垮塌，進而導(dǎo)致建筑物隨上覆地層產(chǎn)生較大沉降，從而危及建筑物安全，在盾構(gòu)掘進至端頭墻之前對端頭墻進行注漿加固。注漿漿液為水泥－水玻璃雙液漿，注漿有效長度為15 m，橫向及豎向加固范圍為隧道拱腰以上及拱頂周圍2 m土體。

2.5.2.2 導(dǎo)臺施工

為保證盾構(gòu)安全、高效、優(yōu)質(zhì)通過礦山段，在礦山開挖段設(shè)置鋼筋混凝土導(dǎo)臺為盾構(gòu)提供精確導(dǎo)向，確保盾構(gòu)保持良好的推進姿態(tài)，確保管片拼裝質(zhì)量，從而達到預(yù)期的防水效果。

2.5.2.3 盾構(gòu)進入空推段施工措施

1)調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)。盾構(gòu)進入礦山空推前50 m測定管片姿態(tài)，人工測量檢查盾構(gòu)姿態(tài)，校正VMT測量導(dǎo)向系統(tǒng)，測定盾構(gòu)推進姿態(tài)偏差(水平偏差為0，垂直偏差為+50 mm)，開始糾偏。在此段進行二次注漿，保證二次注漿效果，穩(wěn)定管片姿態(tài)，確保VMT導(dǎo)向系統(tǒng)能精確、高效工作;同時，復(fù)測礦山段斷面情況，監(jiān)測礦山段拱頂沉降量，檢查端頭墻洞門尺寸，確保凈空，保證盾構(gòu)能準(zhǔn)確安全進入礦山空推段隧道。

2)盾構(gòu)步進。盾構(gòu)直接掘削破除玻璃纖維筋格柵和水泥－水玻璃注漿加固過的C20混凝土墻之后，步上提前施工完畢的混凝土導(dǎo)臺。啟動盾構(gòu)向前掘進，根據(jù)刀盤與導(dǎo)向平臺之間的關(guān)系調(diào)整各組推進油缸的行程，使盾構(gòu)姿態(tài)沿線路方向進行推進。盾構(gòu)推動刀盤前方的豆礫石在刀盤前逐漸形成較為密實的礫石堆，管片與已開挖成型隧道間靠噴射豆礫石充填，同時進行同步注漿。盾構(gòu)在礦山法隧道中步進情況如圖16所示。

圖16 盾構(gòu)過礦山法隧道施工示意圖Fig.16 Shield machine advancing through tunnel section constructed by mining method

盾構(gòu)掘進模式采用不建壓模式，掘進推力控制在6 000 kN以內(nèi)(主要以掘進速度控制在10～25 mm/min來控制推力大小)，當(dāng)掘進推力＞6 000 kN以后，可啟動螺旋輸送機出土，但要控制出土量。掘進過程中，土倉內(nèi)不加氣壓和泡沫。

盾構(gòu)在掘進至橫通道前15m，前方土體以半斷面封堵了橫通道，此時應(yīng)開始減少掘進推力和速度，掘進推力控制在5 000kN以內(nèi)，掘進速度控制在10mm/min左右;在橫通道位置加大噴射豆礫石和同步注漿量，在保證隧道內(nèi)豆礫石和管片背后漿液不外流的前提下，充分填實管片與橫通道之間的空隙;在靠近豎井段安裝型鋼作為帷幕的支撐，確保帷幕的穩(wěn)定。盾構(gòu)空推掘進施工如圖17所示。

圖17 盾構(gòu)空推掘進施工圖Fig.17 Shield machine advancing without load

當(dāng)盾構(gòu)刀盤掘進至距另一側(cè)端頭墻12 m處，在保證推力≥4 500 kN前提下啟動螺旋輸送機，將刀盤前方豆礫石往外運輸。控制掘進速度及出渣量，當(dāng)?shù)侗P頂住封堵墻掌子面時，確保土倉內(nèi)為滿倉土。繼續(xù)轉(zhuǎn)動刀盤，掘削封堵墻掌子面噴射混凝土，土倉不出土，以建立土壓。當(dāng)倉內(nèi)土壓達到設(shè)定值(0.22 MPa)時，開啟螺旋輸送機出土，盾構(gòu)進入正常掘進施工。

3)管片拼裝。管片安裝是盾構(gòu)法施工的重要環(huán)節(jié)，其安裝質(zhì)量不僅直接關(guān)系到成洞的質(zhì)量和隧道防水的效果，而且對盾構(gòu)能否繼續(xù)順利推進有直接的影響。管片在安裝前仍要進行一次檢查，再確認管片種類正確、質(zhì)量完好無缺和密封墊粘結(jié)無脫落，才允許安裝。安裝每一片管片時，先人工將管片連接螺栓進行初步緊固;待安裝完一環(huán)后，用風(fēng)動扳手對螺栓進行進一步緊固;每塊管片安裝時須擰緊螺栓一次，在每環(huán)管片安裝結(jié)束后要再次及時擰緊各個方向的螺栓，且在該環(huán)脫出盾尾后再次擰緊。

4)管片背襯回填。包括噴射豆礫石、同步注漿和二次補注漿3部分:①噴射豆礫石。管片外徑為6 000 mm，礦山隧道初期支護內(nèi)徑為6 600 mm，管片與礦山隧道之間空隙達到300 mm，首先采用5～10 mm連續(xù)級配的花崗巖豆礫石來填充空隙，在管片拼裝時即可進行噴射豆礫石回填。每延米填充量為5.9 m3，即每環(huán)至少需要填充豆礫石8.89 m3。由于隧道開挖不規(guī)整，每環(huán)豆礫石量不完全相等。每隔4.5～6 m在盾構(gòu)的切口四周60～300°的范圍用袋裝砂石料圍成一個圍堰，防止管片背后的豆礫石、砂漿前竄，利用混凝土噴射機從刀盤前方向盾構(gòu)后方吹填豆礫石(見圖18)，噴射壓力為0.25 ～0.3 MPa。②同步注漿。利用盾構(gòu)自身的同步注漿系統(tǒng)壓注水泥砂漿，其漿液與正常掘進時同步注漿漿液相同。該漿液采用水泥砂漿，水泥、膨潤土、粉煤灰、砂、水的質(zhì)量配合比為179∶65∶253∶1 165∶338。漿液可填充豆礫石之間的間隙，將豆礫石固結(jié)為一體，使管片與礦山隧道初期支護緊密接觸，以提高支護效果?？刂谱{壓力既要保證達到對環(huán)形空隙的有效填充，又要確保管片結(jié)構(gòu)不因注漿產(chǎn)生位移、變形和損壞，同時還要防止砂漿前竄至盾構(gòu)刀盤前方。保證同步注漿質(zhì)量，漿液將會在圍巖和管片間形成一層致密的防水層，對盾構(gòu)隧道防水起到第一層保護作用;因此，同步注漿質(zhì)量的好壞是隧道防水的關(guān)鍵。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)可以采用注漿量控制，當(dāng)注漿量達到小碎石理論孔隙率的80%以上時即可暫停注漿。小碎石理論孔隙率為37%，則每環(huán)同步注漿量≥V漿=8.89 ×0.37 ×0.8=2.6 m3。③二次補注漿。盾構(gòu)空推段施工時，由于管片與礦山隧道空隙已經(jīng)填有一層密實的豆礫石，有可能導(dǎo)致同步注漿不充分，同步注漿壓力將控制在一定范圍內(nèi);因此，同步注漿很難完全填充所有的間隙。管片安裝10環(huán)后，間隔6 m在管片吊裝處開口檢查注漿效果。若注漿效果不好，則進行回填注漿。

圖18 吹填豆礫石的混凝土噴射機Fig.18 Shotcreting machine used to backfill pea gravel

2.6 端頭墻玻璃纖維筋格柵加固技術(shù)

盾構(gòu)進出洞為盾構(gòu)隧道施工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，盾構(gòu)進出洞前處理端頭井圍護結(jié)構(gòu)中鋼筋的傳統(tǒng)方法是:采用注漿或臨時圍護樁等措施對井壁背后的土體進行加固后，在降水條件下進行人工鑿除。由于結(jié)構(gòu)被開鑿破壞、結(jié)構(gòu)背后土體暴露、地下水較難控制等原因，盾構(gòu)進出洞時易出現(xiàn)地層土體坍塌而導(dǎo)致地表下沉并危及地下管線和附近的建(構(gòu))筑物。近幾年來，隨著大深度、大斷面的盾構(gòu)需求迅速增加，盾構(gòu)直接掘削纖維筋混凝土工法問世，即把盾構(gòu)要穿過的擋土墻上的相應(yīng)部位用纖維筋混凝土制作，可用一般盾構(gòu)的切削刀具直接切削，達到盾構(gòu)的直接進洞、出洞［7］。

2.6.1 玻璃纖維筋的特性

玻璃纖維筋是以玻璃纖維為增強材料，以合成樹脂及輔助劑等為基本材料，在光電熱一體的高速聚合裝置內(nèi)受熱固化，經(jīng)拉擠牽引成型的一種新型復(fù)合材料(其英文名稱為glass fiber reinforced polymer rebar，簡稱GFRP筋)。它是一種具有較好的抗拉、耐腐蝕和抗電、磁等性能的纖維復(fù)合材料，在特殊環(huán)境下可以用來代替普通鋼筋。其外形根據(jù)需要可以加工成光圓、螺紋、矩形及工字形等。玻璃纖維筋見圖19。

圖19 玻璃纖維筋Fig.19 Fiber glass

玻璃纖維筋作為新型的筋材，與傳統(tǒng)鋼筋相比，具有抗拉強度高、質(zhì)量輕、彈性模量小、易脆斷、耐腐蝕、易切割、防爆防靜電和抗剪強度低等特性。

2.6.2 玻璃纖維筋在地鐵端頭墻加固中的應(yīng)用

盾構(gòu)法或盾構(gòu)過硬巖礦山法施工進出洞，若采用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土端頭墻，則在盾構(gòu)推進前先要人工破除該端頭墻，存在一定的施工風(fēng)險，而且也將影響施工進度。采用剪切強度低、易脆斷的玻璃纖維筋代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋施作端頭墻優(yōu)勢明顯，在深圳地鐵施工中得到了推廣應(yīng)用。若采用玻璃纖維筋端頭墻，盾構(gòu)推進至端頭墻時，只需降低速度，直接推進，不需人工破除，加快了施工的連續(xù)性，保證了盾構(gòu)施工的安全性。

2.6.2.1 端頭墻施工措施

盾構(gòu)端頭墻周邊采用3排鋼格柵，墻體使用玻璃纖維筋，主筋之間及主筋和箍筋之間均采用綁扎連接，搭接長度是普通鋼筋搭接長度的1.3倍。全斷面設(shè)置單層玻璃纖維筋網(wǎng)，初噴40 mm混凝土后掛φ6 mm玻璃纖維筋網(wǎng)。端頭處玻璃纖維筋格柵間距300 mm，噴800 mm厚的C20混凝土，保護層厚度為40 mm;然后在玻璃纖維筋格柵噴射完的混凝土后面設(shè)置一道混凝土環(huán)梁，環(huán)梁鋼筋與礦山法隧道初期支護鋼格柵焊接［8］。盾構(gòu)切削端頭墻時玻璃纖維格柵力學(xué)行為如圖20所示。

2.6.2.2 應(yīng)用效果

從玻璃纖維筋的斷裂情況可以發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維筋多數(shù)都是在周邊的位置發(fā)生斷裂，這是由于隨著盾構(gòu)的擠壓，玻璃纖維筋中間部位有較大的空間使其產(chǎn)生自身能夠承受的形變來釋放所受到的擠壓力;但是端頭墻周邊位置的玻璃纖維格柵隨著盾構(gòu)的擠壓，則沒有足夠的空間去產(chǎn)生變形來釋放擠壓造成的拉力，從而在與盾構(gòu)的刀盤接觸后的擠壓中產(chǎn)生了脆斷。首先被拉斷的并不是主筋，而是直徑較小的玻璃纖維箍筋。盾構(gòu)從盾構(gòu)隧道進入礦山法施工段的整個施工過程中，盾構(gòu)段與礦山法段連接處并未出現(xiàn)垮塌，端頭墻體也未出現(xiàn)瞬間坍塌，這證明了采用玻璃纖維格柵施作端頭墻完全是可行的，不僅節(jié)省了施工的時間和成本，而且安全、高效。

圖20 盾構(gòu)切削端頭墻時玻璃纖維筋格柵力學(xué)行為Fig.20 Mechanical behavior of fiber glass grating when shield machine cutting the end wall

3 深圳地鐵盾構(gòu)施工典型實例

3.1 黏土地層盾構(gòu)掘進實例

3.1.1 工程概況

5301標(biāo)前海灣—臨海灣區(qū)間通過填海片區(qū)淤泥層，結(jié)構(gòu)松軟，承載力低，含水量高，容易產(chǎn)生觸變、流變。盾構(gòu)主要在淤泥層下黏性土層中通過，如圖21所示。盾構(gòu)掘進時會對地層產(chǎn)生較大擾動，引起地基變形和失穩(wěn);刀盤中心區(qū)域容易結(jié)泥餅，降低掘進速度，增大切削扭矩;同時造成土倉內(nèi)溫度升高，影響主軸承密封的壽命，嚴(yán)重時會造成主軸承密封老化破壞。螺旋輸送機由于排土不暢而無法形成土塞，排土口易產(chǎn)生噴涌，且上層淤泥土流變性強，易下陷，可能會造成開挖面失穩(wěn)，引發(fā)地層坍塌。

3.1.2 盾構(gòu)掘進技術(shù)措施

在盾構(gòu)掘進過程中，刀盤結(jié)泥餅及刀箱被糊容易造成刀具偏磨;盾構(gòu)推力大、速度低、扭矩變化不靈敏;渣土呈塊狀，基本不具有流動性，渣土溫度偏高，嚴(yán)重時出現(xiàn)出渣口冒白氣甚至阻塞螺旋機等癥狀。為解決這些問題，施工時應(yīng)該按照如下措施進行操作。

圖21 前臨區(qū)間地質(zhì)斷面圖Fig.21 Geological profile of tunnel section from Qianhaiwan station to Linhaiwan station

1)在淺埋隧道施工、刀盤開口率小于40%并且地層標(biāo)貫值大于20的情況下，即地層相對自穩(wěn)時，設(shè)定的出土壓力不宜超過主動土壓力，并且最好控制在0.1 MPa以下，即宜采用欠土壓平衡模式掘進。

2)在保證地面安全的情況下，掘進過程中可以適當(dāng)降低土倉壓力。若地層穩(wěn)定性較差，但隔氣性較好時，宜采用輔助氣壓作業(yè)，掘進也宜采用欠土壓平衡模式。

3)控制掘進速度＜60 mm/min，關(guān)注連續(xù)幾環(huán)的參數(shù)變化，尤其注意推力和扭矩的變化，黏土地層掘進參數(shù)如圖22所示。

4)應(yīng)特別注重渣土改良并及時關(guān)注渣土溫度變化情況，避免掘進過程中不出渣，向土倉擠土，保證足夠的加水量及添加劑注入量。

5)長時間掘進或是發(fā)現(xiàn)有糊刀盤或結(jié)泥餅的征兆時應(yīng)停機加水并向刀盤前方注入分散劑空轉(zhuǎn)刀盤，采用冷卻措施，避免土倉高溫高熱。

3.1.3 形成泥餅的原因及防止措施

探究泥餅的成因，應(yīng)該從地質(zhì)、盾構(gòu)選型及施工3個方面著手，其中地質(zhì)是客觀自然因素，是形成泥餅的基礎(chǔ)。預(yù)防結(jié)泥餅的相應(yīng)對策如下:

1)認真研究地質(zhì)資料，施工全過程現(xiàn)場跟蹤地質(zhì)條件的變化，并根據(jù)地質(zhì)條件調(diào)整施工措施。

2)當(dāng)隧道洞身為黏土層、黏土質(zhì)砂土層、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、殘積花崗巖、全風(fēng)化花崗巖等軟巖類(單軸抗壓強度＜30 MPa)地層，并且黏土礦物含量超過25%時，盾構(gòu)選型需考慮預(yù)防結(jié)泥餅的(措施)設(shè)施、如刀具的布置要層次清楚，其中滾刀和刮刀的高差宜大于35mm;刀盤中心區(qū)直徑2.0m范圍內(nèi)宜少設(shè)或不設(shè)滾刀，可盡可能增大開口率，也可設(shè)置獨立驅(qū)動的中心子刀盤或高出面板40 cm以上的中心刀群，刀盤的扭矩也應(yīng)相應(yīng)增大;宜設(shè)置攪拌棒，尤其是能進行注泥漿、注泡沫、注水的固定攪拌棒必須設(shè)置，位置宜設(shè)計在軸承密封圈內(nèi)側(cè)。

3)裝備有泡沫生產(chǎn)機、輔助氣壓作業(yè)和盾構(gòu)冷卻設(shè)備等。

圖22 盾構(gòu)在黏土地層中的掘進參數(shù)Fig.22 Parameters of shield boring in clay strata

3.2 上軟下硬地層盾構(gòu)掘進實例

由于軟硬不均地層巖性變化較大，局部存在不均勻風(fēng)化夾層，致使盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制困難，易發(fā)生盾構(gòu)向上偏移事故且易造成刀口折斷，同時工況轉(zhuǎn)換頻繁也對地層產(chǎn)生擾動，易造成較大地表變形。

3.2.1 工程概況

5302標(biāo)工程西起翻身站(DK4+196.04)，終點到興東南明挖段(DK7+534.91)，全標(biāo)段長3 339 m。區(qū)間盾構(gòu)隧道主要穿越礫質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、強風(fēng)化花崗巖，部分穿越中、微風(fēng)化巖層(地質(zhì)縱斷面見圖23)，盾構(gòu)隧道穿越地層同一斷面軟硬不均現(xiàn)象突出，而且存在不均勻現(xiàn)象，且變化頻次多，硬巖單軸抗壓強度高達154 MPa。

圖23 洪浪—興東盾構(gòu)區(qū)間隧道地質(zhì)縱斷面圖Fig.23 Geological profile of tunnel section from Honglang to Xingdong

3.2.2 穿越軟硬不均地層盾構(gòu)施工措施

1)探明工程地質(zhì)情況。設(shè)計選線時應(yīng)盡量避開軟硬不均地層，使隧道位于均質(zhì)地層中，以減少盾構(gòu)施工的風(fēng)險。施工前必須掌握工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況，為科學(xué)選擇掘進參數(shù)提供依據(jù)。

2)掘進模式選擇。由于軟硬不均地層是一種特殊的地質(zhì)，既有軟巖地層的不穩(wěn)定性，又具有硬巖的強度。為確保地表及地面建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定，必須采用土壓平衡掘進模式。

3)掘進參數(shù)選擇。在軟硬不均地層中掘進，局部巖石硬度較高，硬巖處刀盤的滾刀受力較大，而軟巖部分只需對掌子面進行切削即可破壞土層，但局部硬巖對刀具即刀盤的損傷較大，應(yīng)適當(dāng)降低刀盤轉(zhuǎn)速，刀盤的轉(zhuǎn)速要控制在1.0 r/min左右;土壓力的設(shè)定需要考慮多方面的因素，以靜止土壓力為計算依據(jù)，結(jié)合0.01～0.02 MPa的預(yù)備壓力設(shè)置;為了防止盾構(gòu)抬頭，掘進過程中適當(dāng)加大頂部千斤頂?shù)捻斖屏?要保證掌子面的穩(wěn)定性，需要保持較高的土壓;要求螺旋輸送機的出渣量小，轉(zhuǎn)速一般保持在3～8 r/min。

4)刀具布置。增加邊緣滾刀的數(shù)量，減小刀間距，增強邊緣的破巖能力;同時，利用安裝在刀盤上的超挖刀，便于掘進方向發(fā)生偏差時能夠?qū)τ矌r進行超挖，及時糾正偏差，確保盾構(gòu)前進方向與隧道設(shè)計軸線一致。

5)盾構(gòu)掘進方向控制。由于地層軟硬不均、隧道曲線和坡度變化以及操作等因素的影響，盾構(gòu)推進不可能完全按照設(shè)計的隧道軸線前進，而會產(chǎn)生一定的偏差。當(dāng)這種偏差超過一定界限時就會使隧道襯砌侵限、盾尾間隙變小使管片局部受力惡化，并造成地層損失增大而使地表沉降加大。因此，盾構(gòu)施工中應(yīng)采取有效技術(shù)措施控制掘進方向，及時有效糾正掘進偏差。

6)科學(xué)更換刀具。盾構(gòu)在軟硬不均地層中施工，為了保護盾構(gòu)刀盤和確保刀具磨損達到極限值時能夠及時換刀，應(yīng)注意總結(jié)刀具在類似地層中的磨損規(guī)律，超前制定刀具配件計劃，并結(jié)合工程地質(zhì)及地面環(huán)境等因素，提前確定開倉檢查刀具的位置，做到開倉的計劃性、可控性。在軟硬不均及硬巖地層施工時，當(dāng)邊緣滾刀磨損量為15 mm、正面區(qū)滾刀磨損量為20 mm、中心區(qū)滾刀磨損量為20～25 mm時需要進行更換;當(dāng)刮刀合金齒缺損達到1/2以上或耐磨層磨損量達2/3以上時需要進行更換。

3.3 花崗巖球狀風(fēng)化體和基巖突起處理實例

3.3.1 工程概況

5號線工程在寶安—翻身區(qū)間、翻身—靈芝區(qū)間和民治—五和區(qū)間盾構(gòu)線路均遇到孤石。寶安—翻身區(qū)間盾構(gòu)隧道開挖范圍以砂質(zhì)黏性土和砂層為主，拱頂以上地層以雜填土、淤泥、粉質(zhì)黏性土為主。根據(jù)勘察報告，本區(qū)間左線發(fā)現(xiàn)5塊孤石，其中2塊位于隧道范圍內(nèi);右線發(fā)現(xiàn)6塊孤石，其中3塊位于隧道范圍內(nèi)。翻身—靈芝區(qū)間隧道主要穿越的巖層為礫質(zhì)黏性土和全風(fēng)化花崗巖，含水量豐富并且與海水存在動力聯(lián)系，同時隧道下穿諸多構(gòu)建筑物，如碧?；▓@、創(chuàng)業(yè)立交橋、107國道等。

3.3.2 孤石的物理性質(zhì)及主要特征

孤石屬于花崗巖殘積土的不均勻風(fēng)化，包括囊狀風(fēng)化巖和球狀風(fēng)化巖。本工程盾構(gòu)隧道工程中孤石主要為球狀風(fēng)化巖，即殘積土中存在球狀中等風(fēng)化、微風(fēng)化巖體。一般于地形平緩、風(fēng)化帶厚度較大的地區(qū)較發(fā)育。孤石形狀各異，大小從幾十cm到幾m，單軸抗壓強度大部分為80～200 MPa，相對周邊的風(fēng)化土體，孤石的強度要大得多，主要賦存在花崗巖的全風(fēng)化、強風(fēng)化巖體中，其空間分布具有較大的隨機性，很難找到規(guī)律。從土倉取出的孤石見圖24。

圖24 從土倉中取出的孤石Fig.24 Boulders taken from excavation chamber

3.3.3 孤石爆破處理方法

孤石處理方法應(yīng)根據(jù)孤石的大小、位置、形狀、周邊環(huán)境等因素確定。當(dāng)隧道上方地面具備沖孔、挖孔條件時，采取地面處理方式;當(dāng)?shù)孛娌痪邆錄_孔、挖孔條件時，采用洞內(nèi)處理。深圳地鐵采取深孔爆破法處理較為成功，效果好、速度快。具體處理方法為:地質(zhì)勘探過程中遇到孤石時，首先查明孤石的產(chǎn)狀、大小、形狀，并依此來制定爆破孔的數(shù)量、分布和裝藥量，利用小口徑鉆頭從地面下鉆，在孤石上鉆出爆破眼;然后在小孔內(nèi)安放適量的靜爆炸藥對孤石進行爆破，達到分裂、瓦解孤石的目的。考慮盾構(gòu)的出渣能力，通過螺旋輸送機的石塊尺寸不能超過40cm，爆破后石塊的單邊長度應(yīng)控制在30 cm以下，以利于螺旋輸送機順利出渣。爆破后石塊大小通過調(diào)整爆破孔間距和用藥量來進行控制［9］。具體鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖25所示。

圖25 孤石爆破鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.25 Boulder removing by drilling and blasting

3.3.4 孤石破碎后盾構(gòu)推進參數(shù)控制

大的孤石雖然已經(jīng)爆破成為體積較小的碎石，但由于爆破位置處于地下14～22m，鉆孔質(zhì)量、裝藥位置和爆破效果都不能完全保證;因此，孤石最終不一定都能破碎成單邊長度小于30 cm的碎石，體積較大石塊的存在仍會對盾構(gòu)施工帶來較大的困難。盾構(gòu)進入孤石爆破區(qū)段后要密切注意推進油缸的推力變化、盾構(gòu)姿態(tài)的突變及土倉壓力和出渣量的變化，采取優(yōu)化掘進參數(shù)、降低螺旋輸送機轉(zhuǎn)速、加大泡沫注入量等措施，采用“高轉(zhuǎn)速、低扭矩、小推力”的原則謹慎掘進穿越孤石爆破群;同時，盾構(gòu)司機應(yīng)根據(jù)渣樣特征、掘進時刀盤發(fā)出的聲音、盾構(gòu)震動等情況判斷刀盤前方碎石的情況、盾構(gòu)的工作狀態(tài)以及刀具磨損的情況。翻身—靈芝區(qū)間盾構(gòu)掘進參數(shù)隨施工變化曲線見圖26。

從圖26可以得出，在孤石爆破后地層中(在30環(huán)開始進入孤石爆破地段)盾構(gòu)掘進參數(shù)(推力、扭矩、推進速度和轉(zhuǎn)速)控制如下:1)盾構(gòu)總推力比平常掘進時小，控制在9 000～11 000 kN;2)保持較低的推進速度，控制在5～20 mm/min;3)刀盤扭矩要相應(yīng)降低，保持在0.5～1.2 MN·m;4)加快刀盤轉(zhuǎn)速，使其從1.4 ～1.5 r/min增加到1.6 r/min左右。

圖26 掘進參數(shù)隨施工變化曲線Fig.26 Shield boring parameters

3.4 盾構(gòu)下穿廣深鐵路施工關(guān)鍵技術(shù)

3.4.1 工程概述

長龍站—布吉站區(qū)間，線路出長龍站后沿吉華路下穿金鵬路，之后下穿布吉公園、廣深鐵路，到達布吉站(如圖27所示)。區(qū)間隧道在左DK31+317.569～+392.037(16～66環(huán))范圍內(nèi)平面斜交穿越廣深鐵路，隧道中心線與鐵路平交角為77°，左線斜交的鐵路里程為DK138+282，共計8股道，穿越長度約58 m。區(qū)間和鐵路的豎向凈距為13.7 m，土層從上到下分別為素填土、礫砂、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化角巖、強風(fēng)化角巖和中風(fēng)化角巖。隧道在DK31+350處覆土最淺，約為 13.3 m。

3.4.2 盾構(gòu)下穿鐵路關(guān)鍵技術(shù)

廣深鐵路作為國家準(zhǔn)高速鐵路，對地表沉降的要求極高。由于其運行著動車組，在下穿時對其監(jiān)測極其重要，為重點監(jiān)測區(qū)域。

圖27 下穿廣深鐵路平、縱斷面圖Fig.27 Shield boring crossing underneath Guangzhou-Shenzhen railway

3.4.2.1 推進前預(yù)加固

盾構(gòu)推進前，鐵路線路應(yīng)進行預(yù)加固。下穿區(qū)域鐵路線路兩側(cè)設(shè)4排旋噴樁，樁間范圍內(nèi)路基分層注漿加固。加固剖面圖如圖28所示。

圖28 鐵路線路加固剖面圖Fig.28 Profile of railway line reinforcement

首先進行廣深鐵路路兩側(cè)(B區(qū))的旋噴樁施工，起加固、隔斷及控制變形的作用。加固過程應(yīng)控制施工速度，以減小施工對廣深鐵路的影響;旋噴樁施工期間必須對廣深鐵路進行監(jiān)護和監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)整施工參數(shù)，并通知鐵路部門對線路進行及時養(yǎng)護。旋噴樁單樁直徑為0.8 m，樁與樁相互咬合量為0.2 m，加固土體無側(cè)限抗壓強度＞0.8 MPa，滲透系數(shù)≤10－8cm/s。采用普通硅酸鹽R32.5水泥。

3.4.2.2 合理選擇掘進參數(shù)

在掘進過程中盾構(gòu)掘進參數(shù)的正確選擇，直接關(guān)系到盾構(gòu)的正常掘進。由于參數(shù)選擇不當(dāng)或者操作失誤而導(dǎo)致參數(shù)設(shè)定錯誤，在實際工程中將會釀成巨大災(zāi)難。

1)土倉壓力。由于該區(qū)域地層絕大部分為軟土，局部夾雜強風(fēng)化角巖，渣土黏性大，含水量小，極易形成泥餅;自穩(wěn)性較差，不具備開倉條件。一旦形成泥餅，推進將變得非常艱難。推進過程中必須全程加水以調(diào)整土倉渣土稠度，以出土為流塑狀為宜。另外，通過調(diào)整盾構(gòu)的排土量來實現(xiàn)土壓平衡，控制地層壓力與土倉壓力的差值在一定范圍，將土倉壓力波動控制在最小幅度，以控制地面沉降。盾構(gòu)在穿越廣深鐵路推進過程中頂部土倉壓力不宜過大，土倉壓力平均值控制在0.11 MPa左右，否則場內(nèi)過多的積土難以與水均勻攪拌，將導(dǎo)致出土不暢，形成泥餅。

2)轉(zhuǎn)速和扭矩。下穿鐵路時應(yīng)適當(dāng)提高刀盤轉(zhuǎn)速，以充分混合渣土與水，但同時需要保持一個比較穩(wěn)定的值，防止土體擾動過大。盾構(gòu)穿越廣深鐵路推進過程中平均轉(zhuǎn)速為1.8 r/min，由于易結(jié)泥餅，扭矩一般比較大，平均扭矩為2.0 MN·m。

3)推力和掘進速度。推進速度受到推力大小的控制，盾構(gòu)穿越廣深鐵路推進過程中平均掘進速度為37 mm/min，平均推力為10 440 kN。掘進過程中不能因為提高速度而加大推力，推力增大將會導(dǎo)致前方土體隆起。如需要適當(dāng)加大推力，應(yīng)該緩慢加大，切忌猛推。

4)出土量大小。推進過程中要嚴(yán)格控制出土量，保證掘進進尺與出土量匹配。一般來說，每掘進100 m，所出松散土方量為4.3 m3，每環(huán)控制在6 m3以內(nèi)。廣深鐵路掘進過程中要杜絕開倉，保證土倉壓力足夠平衡掌子面的反力，使前方土體穩(wěn)定。如果在推進過程中發(fā)現(xiàn)進尺與出土量不匹配，有超挖趨勢或判斷因刀盤位置土體塌方導(dǎo)致土倉壓力突然大幅度增加，應(yīng)立即停止出土，加力、保壓繼續(xù)推進至土倉壓力穩(wěn)定后停機。推進過程中加入的水量和出土含水量都不能作為出土超量的合理原因。

5)盾構(gòu)姿態(tài)控制。盾構(gòu)掘進中不可避免地會有糾偏，下穿廣深鐵路時應(yīng)該做到糾偏量少和高精度控制軸線。盾構(gòu)姿態(tài)一旦發(fā)生偏差，需要及時糾正。糾偏關(guān)鍵在于“逐步糾正，不得猛糾硬調(diào)”，具體應(yīng)做到如下幾點:①盾構(gòu)下坡推進時，要防止盾構(gòu)“磕頭”;盾構(gòu)上坡推進時，要防止“抬頭”，每次糾偏幅度不得過大，調(diào)整切口水壓設(shè)定值，確保切口土體不下沉、不隆起或少隆起。②控制盾構(gòu)軸線，利用控制盾構(gòu)縱坡來控制盾構(gòu)高程位置;利用2個對稱千斤頂伸出的差值控制盾構(gòu)平面位置。③選擇合理的壓漿位置，利用壓漿的壓力調(diào)整管片和盾構(gòu)的相對位置，改善盾構(gòu)的糾偏條件。

6)監(jiān)控量測。在整個下穿過程中，將通過各項監(jiān)測數(shù)據(jù)不斷調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)，從而保證盾構(gòu)正常進行。

根據(jù)鐵路沉降相關(guān)規(guī)范，監(jiān)測設(shè)計基準(zhǔn)值如表1所示。

表1 監(jiān)測設(shè)計基準(zhǔn)值Table 1 Thresholds of deformation

觀測時間從2009年5月15日至22日，以DKZ31+317～+356中隧道中心線測點D－3為研究對象，建立各斷面隧道中線測點縱剖面變化曲線(見圖29)。

圖29 各斷面D－3隧道中心測點隨時間變化曲線圖(2009年)Fig.29 Settlement curves in 2009

從圖29可以看出:各斷面中心點沉降點在21號后開始收斂，隧道中心里程各點最大累計沉降量為DK31+353中的D－3點，累計沉降量為3.79 mm;最大隆起點為DK31+334中的D－3點，在5月19日時隆起值達到3.83 mm，隨后開始下沉，并保持穩(wěn)定。由此可以說明，通過實時監(jiān)測不斷調(diào)整掘進參數(shù)，地表沉降沒有較大變化，能夠保證廣深準(zhǔn)高速鐵路和施工的正常進行。

3.5 盾構(gòu)下穿河流施工關(guān)鍵技術(shù)

3.5.1 工程概況

布吉—百鴿籠區(qū)間于DK31+649～+683處下穿布吉河，河底控制高程為18.32 m，軌面高程為8.0～8.8 m，拱頂最小覆土約5 m。布吉河在里程DK31+639.533地質(zhì)自上而下依次為粉質(zhì)黏土(層厚2.864 m)、全風(fēng)化角巖(層厚 1.498 m)、強風(fēng)化角巖(層厚7.114 m)、中等風(fēng)化角巖(層厚1.524 m)、微風(fēng)化角巖(布吉河河床頂面13 m往下均為微風(fēng)化角巖)。布吉河段工程地質(zhì)情況如圖30和圖31所示。

3.5.2 盾構(gòu)掘進施工技術(shù)措施

3.5.2.1 掘進模式的選擇

由于下穿布吉河為強風(fēng)化地層，地層中巖石整體性差，結(jié)構(gòu)松軟，抗壓強度低，掌子面自穩(wěn)性較弱，為避免掌子面涌水、涌泥等情況發(fā)生采用土壓平衡掘進模式。采用這種掘進模式，盾構(gòu)切削下來的渣土直接進入土倉內(nèi)，并未即刻被螺旋輸送機排出，而是充滿整個土倉，形成土塞效應(yīng)，達到土倉壓力始終與掌子面壓力平衡的效果，從而保證盾構(gòu)前方土體不坍塌，也不會出現(xiàn)切口冒頂?shù)默F(xiàn)象，使盾構(gòu)安全順利地通過。

3.5.2.2 盾構(gòu)姿態(tài)的控制

下穿布吉河時盾構(gòu)姿態(tài)的控制非常重要，姿態(tài)控制得好，可以減少超挖及糾偏，從而減少對圍巖的擾動，避免河床開裂滲水。由于下穿地層為強風(fēng)化角礫巖層，巖層較軟，在此巖段進行開挖，容易造成盾構(gòu)抬頭、低頭以及偏移軸線等問題。如果盾構(gòu)偏離了設(shè)定掘進線路，糾偏難度較大。調(diào)整千斤頂推力太大，稍不留意，會引起糾偏過猛從而導(dǎo)致盾構(gòu)蛇形前進;因此，要控制好各組推進油缸的行程，保持盾構(gòu)的正確姿態(tài)，使盾構(gòu)安全快速地通過布吉河段。

3.5.2.3 掘進參數(shù)的設(shè)定

在盾構(gòu)掘進過程中應(yīng)設(shè)置合理的掘進參數(shù)。根據(jù)水深及上覆土層的厚度設(shè)定土倉壓力，其波動值控制在±0.02 MPa以內(nèi)，穿越河道中段推進速度應(yīng)適當(dāng)提高，一方面可快速通過河中段，另一方面可降低渣土中水的比例，改善出土狀況，保證盾構(gòu)掘進的安全。

盾構(gòu)進入布吉河下方時，隧道上層覆土厚度有一個突變，掌子面水土壓力變化較大，此時應(yīng)按照以下掘進參數(shù)來控制盾構(gòu)掘進:盾構(gòu)推進速度控制在2 cm/min以內(nèi);土倉壓力設(shè)置在根據(jù)實際計算的參數(shù)上增加0.01～0.02MPa;嚴(yán)格出渣管理，每環(huán)出土量控制在55 m3以內(nèi)，減少土體擾動;總推力控制在8 000～10 000 kN;刀盤扭矩控制在2 000～3 000 kN·m;刀盤轉(zhuǎn)速控制在 1.6 ～2 r/min［10］。

盾構(gòu)軸線控制偏離設(shè)計軸線不大于±20 mm，河床沉降量控制在+5～－10 mm，并及時糾偏，盡量避免在過河時超量糾偏、蛇形擺動;施工過程中對管片及河床加強監(jiān)測，控制盾構(gòu)姿態(tài)，防止盾構(gòu)抬頭，出現(xiàn)上浮現(xiàn)象立即進行壓重處理。

3.6 盾構(gòu)下穿淺基建筑物施工關(guān)鍵技術(shù)

深圳地鐵5號線盾構(gòu)隧道正穿或是斜穿多棟建筑物。如翻身—靈芝區(qū)間的碧海花園、寶安汽車站、白金酒店;西麗—大學(xué)城區(qū)間盾構(gòu)隧道于DK11+040～+070位置側(cè)穿人才公寓;民治—五和區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越民興工業(yè)區(qū)廠房、萬科四季花城茉莉苑;布吉—百鴿籠區(qū)間盾構(gòu)隧道穿過龍翔花園、牡丹苑等;怡景—黃貝嶺區(qū)間盾構(gòu)在DK38+320處下穿黃貝嶺小區(qū)5棟房屋。

3.6.1 工程概況

翻身至靈芝盾構(gòu)區(qū)間右線下穿碧海花園小區(qū)，穿越長度為99.75m，穿越部分為2層和8層的混凝土框架樓房。碧?；▓@樁基采用柱下獨立基礎(chǔ)，承臺下樁基采用φ480 mm沉管灌注樁，單樁設(shè)計承載力600 kN/根，貫入度≤3.5mm，有效樁長為17m。按17m有效樁長計算，該建筑物樁基與隧道拱頂最近距離為1.14 m，掘進風(fēng)險大，盾構(gòu)姿態(tài)必須嚴(yán)格控制。該斷面埋深20.5 m，地下水位埋深3.2 m，隧道位于礫質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖及強風(fēng)化花崗巖3種不同硬度的地層中，局部有硬巖突起，突起硬巖裂隙發(fā)育，地質(zhì)條件復(fù)雜。區(qū)間隧道下穿碧海花園樁基立面關(guān)系見圖32。

圖32 隧道與碧?；▓@樁基位置關(guān)系圖(單位:m)Fig.32 Relationship between tunnel and pile foundations of Bihaihuayuan building(m)

3.6.2 下穿建筑前的準(zhǔn)備工作

為防止地面下沉而引起地面及建筑物沉降、開裂等安全問題，在盾構(gòu)通過前對小區(qū)內(nèi)地質(zhì)進行補勘，以進一步了解建筑物下方地質(zhì)情況，同時在受影響的房子外側(cè)布置好監(jiān)測點，嚴(yán)密監(jiān)測房子沉降變形情況及地表沉降情況。

1)地質(zhì)補勘。在詳勘的基礎(chǔ)上對勘探點進行加密，以進一步了解地層情況。因隧道從小區(qū)樓房下穿過，難以全部對隧道范圍進行地質(zhì)加密補勘，一部分在隧道外側(cè)進行加密補勘。

2)地面注漿措施。盾構(gòu)通過過程及通過前后對地面及樓房進行監(jiān)測，當(dāng)?shù)孛娉两党^30 mm時或房屋傾斜超過2‰時進行補強注漿加固。注漿方式可采用水泥－水玻璃雙液漿、袖閥管注漿等。注漿孔位布置于沉降較大位置，間距按1.5～2 m布置，注漿深度為地面下3～5 m。對于樓房發(fā)生傾斜超限時，直接在沉降較大處從房子外側(cè)打斜孔進行注漿，注漿量及注漿壓力以監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)進行調(diào)整，確保房子在原沉降基礎(chǔ)上盡量回復(fù)到初始值。

3)設(shè)備檢修換刀。在盾構(gòu)通過前進行全面檢修，對其存在的一些問題徹底解決，為盾構(gòu)過建筑物做好準(zhǔn)備。在盾構(gòu)掘進進入碧海花園樓房之前15 m處(DK4+466)對刀具進行檢查更換。

3.6.3 掘進參數(shù)控制

盾構(gòu)通過樓房時嚴(yán)格控制掘進參數(shù)以及管片拼裝、注漿質(zhì)量，保證盾構(gòu)平穩(wěn)、快速通過，并將地表及建筑物沉降控制在設(shè)計值之內(nèi)。

1)控制掘進速度。保證盾構(gòu)正常掘進，在盾構(gòu)通過樓房過程中將掘進速度控制為30～50 mm/min，以便保證出土量、正面土壓力及注漿均勻、及時。

2)嚴(yán)格控制正面土壓力、注漿量和注漿壓力。一般情況下，正面土壓力、注漿量和注漿壓力過大將可能導(dǎo)致地面隆起，反之將可能導(dǎo)致地面沉降;因此，盾構(gòu)掘進時必須加強施工監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果嚴(yán)格按照地面下沉及隆起量控制正面土壓力、注漿量和注漿壓力。根據(jù)類似工程施工經(jīng)驗，注漿壓力等于土壓力加上0.1～0.2 MPa。盾構(gòu)過樓房時注漿壓力暫取2.0～4.0 MPa，注漿量≥6 m3/環(huán)。根據(jù)始發(fā)段掘進情況及實際監(jiān)測情況，在理論計算的土壓力、注漿量、注漿壓力值基礎(chǔ)上進行調(diào)整。

3)二次注漿。當(dāng)管片與巖壁間的空隙充填密實性差，致使地表沉降得不到有效控制或管片襯砌出現(xiàn)較嚴(yán)重滲漏時，采取二次注漿措施。施工時每隔10 m進行二次注漿，通過二次補強注漿有效控制地表沉降。

二次注漿采用雙液漿作為注漿材料，能對同步注漿起到進一步補充和加強作用，同時也對管片周圍的地層起到充填和加固作用。二次補強注漿根據(jù)地質(zhì)情況及注漿記錄情況分析注漿效果，結(jié)合監(jiān)測情況由注漿壓力控制。注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa。

4)出土量控制。每掘進一環(huán)對應(yīng)理論開挖土體體積≥60 m3，掘進過程中時刻注意控制掘進速度和螺旋輸送機出土速度，使掘削土量等于出土量，做到不多出土，從而保證掌子面及拱頂土體穩(wěn)定。

4 結(jié)論與建議

深圳地鐵盾構(gòu)施工從一期工程開始就遇到許多預(yù)想不到的技術(shù)難題，尤其是在5號線的設(shè)計施工中碰到了軟弱地層、上軟下硬、球狀風(fēng)化體、穿越建(構(gòu))筑物、托換等盾構(gòu)施工技術(shù)難題，但諸多盾構(gòu)隧道施工技術(shù)難關(guān)都被攻克，使施工順利進行，并確保了施工及建(構(gòu))筑物安全。

4.1 結(jié)論

1)土壓平衡盾構(gòu)在黏土地層中掘進，主要經(jīng)驗是盡量采用欠土壓平衡模式，控制土倉壓力，在保證地面安全的情況下，掘進過程中可以適當(dāng)降低土倉壓力。若刀盤結(jié)泥餅，要采取增加泡沫量、正反轉(zhuǎn)刀盤，嚴(yán)重情況下要停機進行人工處理。

2)盾構(gòu)長距離穿越硬巖地段采用敞開式掘進模式，設(shè)定合理的掘進參數(shù)和同步注漿參數(shù)、配置適應(yīng)于硬巖掘進的刀具和使用泡沫劑改良渣土等措施，輔助采用“壓重車”的方法減少管片上浮;在軟硬不均地層盾構(gòu)施工時，要重點控制盾構(gòu)的姿態(tài)，避免盾構(gòu)在軟硬不均地層中發(fā)生抬頭或低頭、盾構(gòu)軸線與設(shè)計軸線偏離過大等現(xiàn)象的發(fā)生。

3)始發(fā)和到達是盾構(gòu)工法建造隧道的關(guān)鍵工序，始發(fā)施工直接影響隧道軸線的質(zhì)量和工程施工的成敗。端頭加固、洞門破除施工、洞門密封及止水裝置的安裝是始發(fā)施工的關(guān)鍵工序。

4)孤石對盾構(gòu)施工影響較大，施工中有地層注漿加固、鉆孔爆破、人工挖孔樁破碎和沖擊破碎等地面處理方法。處理孤石或基巖隆起采用深孔爆破法是有效、快速、安全的方法，值得推廣。

5)對盾構(gòu)下穿鐵路、河流和建筑物，適當(dāng)加大注漿壓力能有效控制地表沉降;但注漿壓力過大，管片外的土層被劈裂擾動會造成較大的后期沉降，土倉壓力與土體原始側(cè)向壓力接近時地表沉降量最少。

6)盾構(gòu)空推施工，端頭墻以及接收井圍護墻采用玻璃纖維筋代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋，盾構(gòu)可以直接推進，避免了人工破除端頭墻的繁雜工序，經(jīng)驗表明該工法不僅能節(jié)省時間和成本，而且能夠保證盾構(gòu)進出洞安全。

4.2 建議

本文所介紹的盾構(gòu)施工技術(shù)和經(jīng)驗是根據(jù)深圳地區(qū)特點創(chuàng)立的一整套適合深圳復(fù)合地層，不同于上海軟土均質(zhì)地層的盾構(gòu)施工技術(shù)。雖然取得了很大成功，但仍存在一些新問題有待進一步研究解決。建議一方面對盾構(gòu)的管片配筋率、防裂防水、防腐蝕及耐久性等問題進行進一步研究;另一方面對盾構(gòu)施工新問題(如深圳地鐵11號線將采用時速120 km/h的快線標(biāo)準(zhǔn)，其盾構(gòu)內(nèi)徑為6 m)，建議進行專題研究。

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