張金濤

（中鐵十一局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430061）

1 盾構(gòu)法施工概述

利用盾構(gòu)法進(jìn)行地鐵項(xiàng)目的隧道施工，具體內(nèi)容包括穩(wěn)定開挖面、開挖與排土、襯砌3 個(gè)部分。與其他類型的施工方法相比，盾構(gòu)法具有自動(dòng)化程度高、成本低、施工速度快、不會(huì)受到氣候影響等特點(diǎn)；同時(shí)，還可以有效控制地面塌陷問(wèn)題，極大地降低對(duì)地面建筑物的干擾性[1]?；诖?，特別是對(duì)于一些埋深大、隧洞長(zhǎng)的地鐵項(xiàng)目的隧道施工，運(yùn)用盾構(gòu)法能獲得較理想的經(jīng)濟(jì)效益。

運(yùn)用盾構(gòu)法進(jìn)行地鐵項(xiàng)目隧道施工，不僅可以保證施工過(guò)程的安全性，還可以對(duì)管片支護(hù)起到保護(hù)作用。盾構(gòu)機(jī)基礎(chǔ)構(gòu)造包括盾構(gòu)殼體、刀盤系統(tǒng)、螺旋輸送機(jī)等不同類型的裝置。在實(shí)際施工過(guò)程中，盾構(gòu)法涉及的施工工序通常包括盾構(gòu)機(jī)安裝與拆卸、土體挖掘、襯砌、拼裝和防水等。

選擇盾構(gòu)法進(jìn)行實(shí)際施工，現(xiàn)場(chǎng)工作人員需要先在某一個(gè)路段使用明挖法開挖基坑后，在其內(nèi)部裝置盾構(gòu)機(jī)，待盾構(gòu)機(jī)準(zhǔn)備就緒后，先向開挖面掘進(jìn)一段等同于裝配式襯砌寬度的土體，并在裝置盾構(gòu)反力設(shè)備基礎(chǔ)上形成外力支撐[2]。

2 盾構(gòu)法施工技術(shù)

2.1 盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞口

施工在地鐵項(xiàng)目隧道施工期間，現(xiàn)場(chǎng)工作人員在實(shí)際使用盾構(gòu)機(jī)過(guò)程中，需注意以下施工要點(diǎn)。

（1）重點(diǎn)控制盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞問(wèn)題及出洞操作，因?yàn)檫@兩個(gè)環(huán)節(jié)會(huì)對(duì)整體隧道施工質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。

（2）為保證盾構(gòu)機(jī)順利進(jìn)洞，需在施工前確定好線路，以防止發(fā)生與設(shè)計(jì)軸線偏差過(guò)大的問(wèn)題。

（3）鑒于盾構(gòu)機(jī)出洞難度高、工作繁雜的特點(diǎn)，必須選擇科學(xué)合理的施工方法來(lái)進(jìn)行系列操作，如預(yù)先加固處理洞口段地層，保證安全性。

（4）在施工準(zhǔn)備完成后，為避免土體暴露時(shí)長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，要根據(jù)盾構(gòu)機(jī)實(shí)際情況讓切口切入土層[3]。

2.2 風(fēng)井施工

以風(fēng)井處地質(zhì)的實(shí)際情況為基礎(chǔ)，加固該區(qū)域與盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞有關(guān)的地基，長(zhǎng)度控制在6m 以內(nèi)，其中5.4m 要采用鉆孔灌注施工。因?yàn)轱L(fēng)井關(guān)鍵點(diǎn)通常都設(shè)置在城鎮(zhèn)居民區(qū)附近，容易受到其他因素干擾，所以，必須要對(duì)其進(jìn)行基坑圍護(hù)操作，同時(shí)，還要加固鉆孔灌注樁施工，而此過(guò)程要保證隧道直徑為7m、水泥摻量為20%（由于進(jìn)洞口洞圈上3m 以外的地區(qū)主要是弱加固區(qū)，弱加固區(qū)的水泥摻量為7%）。

值得注意的是，要在水泥攪拌樁與鉆孔灌注樁間進(jìn)行加固，該環(huán)節(jié)重點(diǎn)在于需應(yīng)用旋噴樁來(lái)實(shí)施關(guān)聯(lián)性加固。

2.3 盾構(gòu)機(jī)挖掘施工

在使用盾構(gòu)法對(duì)地鐵項(xiàng)目隧道進(jìn)行整體施工過(guò)程中，由于盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞口環(huán)節(jié)十分關(guān)鍵，因此，工作人員要嚴(yán)格遵循操作準(zhǔn)則來(lái)控制施工全程，從而避免對(duì)四周環(huán)境（尤其是土體）造成干擾。必須保證盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制與盾構(gòu)施工軸線控制均在《盾構(gòu)機(jī)操作、使用規(guī)范》（T/CCMA 0063—2018）（以下稱“規(guī)范”）所規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的誤差范圍內(nèi)。

2.4 盾構(gòu)機(jī)穿越粉砂土層施工

與其施工設(shè)備相比，盾構(gòu)機(jī)的環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)，可在淤泥質(zhì)土等軟土施工中獲得理想效果，但不適合在粉砂土層中施工，這其中主要有兩個(gè)難度：①土體液化；②土體流動(dòng)性。

為避免上述狀況，可采用提升正面土體流動(dòng)性與止水性方式。具體操作方法：①在規(guī)范所規(guī)定限度內(nèi)提升土倉(cāng)壓力，以保證不發(fā)生土體液化狀況。②利用盾構(gòu)機(jī)加泥系統(tǒng)給土倉(cāng)注入膨潤(rùn)土漿液并混合到土倉(cāng)里，從而在改變土倉(cāng)內(nèi)土體性質(zhì)的同時(shí)，起到潤(rùn)滑作用，以最終避免土體液化，改善土體流動(dòng)性。

2.5 盾構(gòu)機(jī)冷凍刀盤技術(shù)

盾構(gòu)機(jī)在砂層、淤泥層、斷層等繁雜地質(zhì)環(huán)境行進(jìn)中，若開挖至建筑物下方，在刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)掘進(jìn)時(shí)，需使用特別加固方法，因?yàn)橐坏┖雎源藛?wèn)題勢(shì)必會(huì)引發(fā)地面塌陷。一般來(lái)說(shuō)，在地質(zhì)環(huán)境不符合盾構(gòu)機(jī)常壓換刀情況時(shí)，僅采用通常技術(shù)方法無(wú)法保證常壓換刀的安全性，這尤其體現(xiàn)在對(duì)該區(qū)域沉降的把控上。

針對(duì)此，2017 年，我國(guó)中鐵華隧聯(lián)合重型裝備有限公司創(chuàng)新研制出了世界第一臺(tái)具備冷凍刀盤和復(fù)合注漿系統(tǒng)的雙模式盾構(gòu)機(jī)，其將冷凍法施工與盾構(gòu)機(jī)相結(jié)合，在常壓換刀流程中可保證刀盤四周被冷凍與穩(wěn)固，從而凍結(jié)圓盤；與此同時(shí)，該設(shè)備還能提升土層強(qiáng)度與穩(wěn)固性，并隔絕地下水，以進(jìn)一步高效降低盾構(gòu)機(jī)穿越特殊區(qū)域時(shí)發(fā)生地面沉降的概率。

2.6 聯(lián)絡(luò)通道機(jī)械化施工技術(shù)

聯(lián)絡(luò)通道是關(guān)聯(lián)地下空間與地上空間的重要紐帶。通常情況下，聯(lián)絡(luò)通道一般在主空間施工完畢后才實(shí)施，所以極易被忽略。但是，現(xiàn)有聯(lián)絡(luò)通道施工重點(diǎn)是在經(jīng)地層加固后采用礦山法來(lái)挖掘，而加固方法通常采用凍結(jié)法。凍結(jié)法在實(shí)踐中已被廣泛應(yīng)用，但其存在一定的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)，且施工時(shí)間長(zhǎng)、成本高、施工效果一般。聯(lián)絡(luò)通道微加固機(jī)械法T 接施工技術(shù)成功應(yīng)用于寧波軌道交通3 號(hào)線聯(lián)絡(luò)通道工程實(shí)踐中。其十分符合城市地下空間研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，可降低聯(lián)絡(luò)通道施工干擾。此外，其還能縮減施工投入費(fèi)用與減少施工周期，助力將聯(lián)絡(luò)通道達(dá)成機(jī)械化。

2.7 應(yīng)用克泥效工法實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)法施工沉降控制

盾構(gòu)機(jī)在地下掘進(jìn)過(guò)程中往往會(huì)擾動(dòng)地層而引發(fā)變形。對(duì)此，可同步應(yīng)用注漿技術(shù)將漿液注入盾尾后方，以補(bǔ)充盾體外殼與管片間的環(huán)形空隙，從而有效解決地面沉降問(wèn)題。然而，由于盾構(gòu)機(jī)刀盤外徑通常大于盾體外殼，因此，在盾構(gòu)機(jī)盾體范圍內(nèi)會(huì)在開挖輪廓與盾體間形成一個(gè)環(huán)形空隙，導(dǎo)致對(duì)盾尾進(jìn)行同步注漿也無(wú)法抑制盾體四周土體發(fā)生變形。

當(dāng)?shù)罔F項(xiàng)目隧道施工需穿過(guò)既有線或重大危險(xiǎn)源時(shí)，針對(duì)地面沉降所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求十分嚴(yán)格，故而一定要采取針對(duì)性策略來(lái)確保施工安全，以防止地層變形程度加深。對(duì)此，可采用克泥效工法。

克泥效工法基本原理：將黏土和強(qiáng)塑劑根據(jù)相應(yīng)比例融合之后，二者可迅速變成高黏度、不硬化、變化性、抗稀釋性與擋水性強(qiáng)、抗沉陷性高的可塑性黏土，即黏度經(jīng)過(guò)二者配合比方法發(fā)生變動(dòng)。

在使用盾構(gòu)法過(guò)程中，克泥效工法適用范圍較廣、普及度高，因?yàn)槠洳粌H具備土壓平衡盾構(gòu)的效果，還能滿足空隙填充和盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制問(wèn)題，能夠給地鐵項(xiàng)目隧道施工帶來(lái)積極影響。

3 地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道施工風(fēng)險(xiǎn)因素

3.1 地質(zhì)因素

地鐵盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)部位地層地質(zhì)條件高度復(fù)雜，土層沉積環(huán)境中透鏡體形式較多，且局部存在受壓縮氣體，在盾構(gòu)掘進(jìn)期間，因氣體突然釋放極易形成地下水通道，造成盾構(gòu)后方承壓水沿通道涌向洞口。特別是在微承壓水層局部夾雜高富水、大滲透性粉砂薄層或者地道旋噴樁加固地層時(shí)，會(huì)導(dǎo)致掘進(jìn)困難，提高設(shè)備故障出現(xiàn)概率，進(jìn)而招致工藝操作隱患。

3.2 設(shè)備選擇

盾構(gòu)機(jī)等設(shè)備是地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道工藝操作主要用設(shè)備，也是隧道工藝操作風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)源之一。比如，盾構(gòu)機(jī)測(cè)量自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)VMT 系統(tǒng)輸入盾構(gòu)推進(jìn)計(jì)劃線數(shù)據(jù)文件錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)沿著錯(cuò)誤的計(jì)劃線推進(jìn)，引發(fā)盾構(gòu)隧道軸線偏差。

3.3 人員操作

人員的操作是地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道工程工藝操作過(guò)程的主要風(fēng)險(xiǎn)因素，表現(xiàn)為人員缺乏自我防范意識(shí)、安全意識(shí)淡薄、現(xiàn)場(chǎng)安全操作漏洞。比如，操作人員違反《盾構(gòu)機(jī)操作說(shuō)明書》中的規(guī)定操作，擅自安排現(xiàn)場(chǎng)工作者打開螺旋機(jī)觀察孔，會(huì)導(dǎo)致地下水噴涌事故，進(jìn)而促使螺旋機(jī)被水泥土混合物固結(jié)塊卡堵無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道施工風(fēng)險(xiǎn)控制對(duì)策

4.1 完善風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制

在地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道工程工藝操作過(guò)程中，風(fēng)險(xiǎn)因子較多，為避免風(fēng)險(xiǎn)因子持續(xù)作用，應(yīng)利用盾構(gòu)工藝操作區(qū)間地質(zhì)情況探測(cè)手段，以進(jìn)出洞加固區(qū)域探測(cè)為重點(diǎn)，收集風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)，完善風(fēng)險(xiǎn)預(yù)先警報(bào)機(jī)制。同時(shí)，根據(jù)圖紙審核中的地質(zhì)柱狀圖，判定沿線地質(zhì)是否存在特殊變化，及時(shí)加密補(bǔ)充勘察點(diǎn)，保證風(fēng)險(xiǎn)預(yù)先警報(bào)精準(zhǔn)度。

在加強(qiáng)地質(zhì)情況探測(cè)的基礎(chǔ)上，依據(jù)預(yù)警系統(tǒng)理論，可以設(shè)定預(yù)先警報(bào)指標(biāo)值及閾值，進(jìn)行工程工藝操作風(fēng)險(xiǎn)量的控制，達(dá)到提前預(yù)防、減少損失的目的。以盾構(gòu)進(jìn)出洞工藝操作風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警為例，可以依據(jù)工程工藝操作順序，從安全（人員傷害、地層沉降、周邊結(jié)構(gòu)破壞）、經(jīng)濟(jì)（經(jīng)濟(jì)損失）、質(zhì)量（軸線偏差、襯砌變形、隧道滲水）、工期（工期損失）幾個(gè)維度入手建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。進(jìn)而結(jié)合盾構(gòu)區(qū)間隧道掘進(jìn)過(guò)程，將盾構(gòu)進(jìn)出洞工藝操作劃分為地基處理、盾構(gòu)基座、止水裝置、洞門拆除、盾構(gòu)推進(jìn)、負(fù)環(huán)拼裝、后靠體系、洞門封堵等幾個(gè)工序。依據(jù)工序，對(duì)地層穩(wěn)定性、基座穩(wěn)定性、盾構(gòu)姿態(tài)、測(cè)量誤差等風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)象、原因、后果進(jìn)行逐一辨識(shí)，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)層次分析模型。

4.2 加強(qiáng)突沉現(xiàn)象的控制

突然沉降事故是地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道工藝操作常見事故，為避免該事故出現(xiàn)，可以盾構(gòu)穿越建筑、盾構(gòu)穿越河流、盾構(gòu)穿越道路、盾構(gòu)穿越地下管線幾個(gè)方面入手，進(jìn)行控制。

在盾構(gòu)穿越建筑時(shí)，為避免既有建筑物因盾構(gòu)發(fā)生擾動(dòng)而出現(xiàn)沉降，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)查盾構(gòu)基礎(chǔ)情況、建筑物基礎(chǔ)所在地地質(zhì)情況。結(jié)合調(diào)查結(jié)果，進(jìn)行掘進(jìn)參數(shù)的恰當(dāng)選擇。在掘進(jìn)參數(shù)確定后，對(duì)基礎(chǔ)、地層進(jìn)行同步的注漿加固或二次注漿加固處理。在注漿加固后，從盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程姿態(tài)控制入，時(shí)刻關(guān)注，避免盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程姿態(tài)變化對(duì)土體造成過(guò)度擾動(dòng)。同時(shí)，加強(qiáng)建筑物沉降監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)沉降問(wèn)題，及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)方案，避免相關(guān)問(wèn)題的進(jìn)一步惡化。

在盾構(gòu)穿越河流時(shí)，為避免河流防汛墻因盾構(gòu)掘進(jìn)出現(xiàn)突然沉降，應(yīng)進(jìn)行合理推進(jìn)速度、注漿量、出土量、注漿壓力的合理選擇，并對(duì)防汛墻沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。另外，在機(jī)械作業(yè)姿態(tài)控制的同時(shí)，利用油脂在盾構(gòu)機(jī)尾部進(jìn)行潤(rùn)滑輔助。

在盾構(gòu)穿越道路時(shí)，為避免既有道路路面因盾構(gòu)掘進(jìn)發(fā)生不均勻沉降甚至塌陷，應(yīng)以盾構(gòu)機(jī)工作壓力控制為重點(diǎn)，嚴(yán)格限定盾構(gòu)機(jī)工作壓力在恰當(dāng)范圍內(nèi)。同時(shí)，進(jìn)行注漿參數(shù)的恰當(dāng)選擇，合理劃定注漿位置，保障漿液注入過(guò)程連續(xù)不間斷、合理、有效，規(guī)避開挖面過(guò)大擾動(dòng)。同時(shí)，加大監(jiān)測(cè)頻率、質(zhì)量，保證盾構(gòu)掘進(jìn)期間監(jiān)測(cè)頻率在2 次/d 或以上。

在盾構(gòu)穿越地下管線時(shí)，為避免既有管線因盾構(gòu)掘進(jìn)出現(xiàn)沉降，應(yīng)注意根據(jù)土層擾動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行機(jī)械正面壓力的平衡處理。同時(shí)，嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)速度，并責(zé)令專門人員負(fù)責(zé)盾構(gòu)掘進(jìn)偏差糾正作業(yè)。比如，在管片出現(xiàn)較大偏差時(shí)，應(yīng)第一時(shí)間進(jìn)行管片貼片處理，進(jìn)行強(qiáng)制糾偏。即根據(jù)測(cè)量計(jì)算獲知的管片偏差，將厚度在5.00mm 以內(nèi)的石棉墊片貼在相應(yīng)位置，以便軸線為豎曲線段時(shí)可將坡度調(diào)整至水平。

4.3 加強(qiáng)相關(guān)設(shè)備管理

在盾構(gòu)設(shè)備選擇時(shí)，因盾構(gòu)機(jī)刀盤是盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)期間機(jī)械故障主要來(lái)源，在工序操作前，應(yīng)綜合考慮工期、設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)境要求，選擇與工程地質(zhì)相匹配、滿足工程掘進(jìn)長(zhǎng)度及線形、與后續(xù)設(shè)備相匹配、與始發(fā)基地相匹配、可輔以輔助工法、對(duì)周邊環(huán)境干擾小的刀盤。

在盾構(gòu)機(jī)安裝調(diào)試時(shí)，應(yīng)以第一塊盾構(gòu)殼體吊裝到位為入手點(diǎn)，每天召開工地例會(huì)，進(jìn)行項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)計(jì)劃的詳細(xì)劃分，保證偏差問(wèn)題的及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理。在工地總裝完畢后，開始盾構(gòu)機(jī)的試掘進(jìn)操作，要求各方全天候跟班監(jiān)測(cè)、調(diào)試，保證設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)得到完善。同時(shí)，由專業(yè)人員根據(jù)試掘進(jìn)期間總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)管片拼裝、同步注漿、車架糾偏、起重、泥水接管等工序設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)管理規(guī)程進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃。并根據(jù)盾構(gòu)機(jī)系統(tǒng)劃分，制定詳細(xì)的周、日、月、年保養(yǎng)記錄表，全面反映月度盾構(gòu)設(shè)備運(yùn)行情況，降低系統(tǒng)故障發(fā)生概率。因盾構(gòu)設(shè)備運(yùn)行工況較為惡劣，需長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，備品備件消耗量較大。因此，在設(shè)備保養(yǎng)時(shí)，應(yīng)以拼裝機(jī)密封條等耗材為重點(diǎn)，建立專業(yè)維護(hù)保養(yǎng)方案，避免維護(hù)保養(yǎng)不及時(shí)導(dǎo)致的設(shè)備損壞、工期延滯情況。

4.4 加強(qiáng)人員防范措施

加強(qiáng)人員管理是降低地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道工程工藝操作風(fēng)險(xiǎn)的有效手段。管理者應(yīng)全面貫徹落實(shí)安全生產(chǎn)一崗雙責(zé)、黨政同責(zé)、崗崗有責(zé)方針，促使安全質(zhì)量責(zé)任制覆蓋每一個(gè)作業(yè)層，涉及每一個(gè)職能崗位，遏制盾構(gòu)區(qū)間不規(guī)范操作問(wèn)題。比如，盾構(gòu)人員應(yīng)在保證無(wú)心臟疾病、聽力與視力正常的情況下，對(duì)自身操作高度負(fù)責(zé)，配合上級(jí)下達(dá)的參數(shù)要求，具有基本防火、安全意識(shí)，且對(duì)地質(zhì)表達(dá)含義、涂鴉計(jì)算、盾構(gòu)機(jī)工作原理及參數(shù)、管片選擇與使用具有一定了解。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采用盾構(gòu)法對(duì)地鐵項(xiàng)目隧道施工可發(fā)揮積極作用，與傳統(tǒng)的施工方式相比，盾構(gòu)法雖工序復(fù)雜，但施工精度及技術(shù)含量都很高，具有自動(dòng)化程度高、對(duì)環(huán)境干擾較少等優(yōu)勢(shì)，且呈現(xiàn)出作業(yè)時(shí)間短、施工效率高等經(jīng)濟(jì)效益。