張建設(shè)，毋遙 （河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

1 引言

社會(huì)的快速發(fā)展迫切需要配置便捷可達(dá)的交通工具來(lái)支撐。城市軌道交通作為現(xiàn)代城市交通的核心部分，在世界各地廣泛建設(shè)。地鐵施工是一項(xiàng)非常復(fù)雜的施工技術(shù)，投資成本高、管理難度大且工期長(zhǎng)，施工過(guò)程中的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)會(huì)誘發(fā)風(fēng)險(xiǎn)事故[1]。此外，地下段存在建筑基礎(chǔ)和大量地下管線設(shè)備，沿線地質(zhì)的不確定性和復(fù)雜性使施工充滿困難與潛在風(fēng)險(xiǎn)[2]。有關(guān)專家、學(xué)者對(duì)地鐵施工安全開(kāi)展了大量研究工作。先前有研究者介紹了復(fù)雜地質(zhì)條件下地鐵盾構(gòu)施工技術(shù)的適用條件[3]，也有研究者將存在于山地城市中的不良地質(zhì)作為研究方向，探究了在不良地質(zhì)條件下地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理和影響因素[4]。通過(guò)對(duì)軟土層、第四系砂土層富水、砂卵石地質(zhì)對(duì)盾構(gòu)法在不良地質(zhì)中的地鐵施工進(jìn)行安全管理分析，不僅有助于對(duì)地鐵盾構(gòu)施工技術(shù)的了解，還可以充分對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，為同行業(yè)提供參考。

2 地鐵盾構(gòu)施工的相關(guān)理論

2.1 地鐵盾構(gòu)施工的原理

地鐵盾構(gòu)施工是一種自動(dòng)化程度極高的施工方法，其特點(diǎn)表現(xiàn)為節(jié)省人力且施工速度快，能夠一次成隧道，不受氣候影響，不僅在開(kāi)挖時(shí)可控制地面沉降，減少對(duì)地面建筑物的影響，而且水下開(kāi)挖時(shí)不影響水上交通[5]。基本工作原理是通過(guò)一個(gè)圓柱形鋼組件沿著隧道軸線向前推動(dòng)，對(duì)土壤進(jìn)行開(kāi)鑿[6]。國(guó)內(nèi)主要的不良地質(zhì)有黃土、黑土、軟土地基、膨脹土地層、第四系砂土富水層等。這些地質(zhì)會(huì)引起塌陷、裂縫、滑坡等，不僅會(huì)對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，也對(duì)工程的安全、經(jīng)濟(jì)和正常使用帶來(lái)問(wèn)題。

2.2 地鐵盾構(gòu)施工的影響因素

①對(duì)地鐵隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)的重視程度還不夠高。由于應(yīng)在實(shí)施準(zhǔn)備階段進(jìn)行地鐵隧道項(xiàng)目規(guī)劃和設(shè)計(jì)，其安全風(fēng)險(xiǎn)只能在施工或運(yùn)營(yíng)階段才能，因此，安全風(fēng)險(xiǎn)容易在規(guī)劃或設(shè)計(jì)階段被忽視。另外，項(xiàng)目建設(shè)某些階段帶有固有的風(fēng)險(xiǎn)，但多數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的。如果前階段施工的風(fēng)險(xiǎn)在沒(méi)有得到有效規(guī)避的情況下即進(jìn)行下一階段施工，則會(huì)形成難以處理的風(fēng)險(xiǎn)事故。因此，在充分意識(shí)到項(xiàng)目建設(shè)各個(gè)階段風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)性的同時(shí)，也要通過(guò)有效的方法辨識(shí)影響安全管理的因素，并在相應(yīng)的階段進(jìn)行有效規(guī)避。大量的地鐵隧道施工安全事故表明，人們對(duì)地鐵隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)的重視程度不高，安全意識(shí)有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

②不良地質(zhì)對(duì)地鐵盾構(gòu)施工的安全影響分析還不夠充分。在地鐵盾構(gòu)施工中，通常面臨著不同的地質(zhì)，對(duì)地質(zhì)的分析是必不可少的，但地質(zhì)因素也是最容易被忽略的。

3 不良地質(zhì)對(duì)地鐵盾構(gòu)施工的影響及安全管理分析

3.1 軟土層對(duì)地鐵盾構(gòu)施工的影響

軟土層具有天然含水量高、壓縮性高、天然孔隙比大、透水性差、抗剪強(qiáng)度低、固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、擾動(dòng)性大的特征，軟土層各層之間物理力學(xué)性質(zhì)相差相對(duì)較大[7]。這些特征對(duì)地鐵盾構(gòu)施工產(chǎn)生一定的影響，因此將其作為一種不良地質(zhì)來(lái)進(jìn)行分析。在軟土層中，使用地鐵盾構(gòu)機(jī)挖掘時(shí)會(huì)產(chǎn)生土體應(yīng)變且地表發(fā)生沉降。地表沉降可表現(xiàn)為五個(gè)不同階段。

①盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入前，超孔隙水壓力的產(chǎn)生和有效壓力的降低導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入前，土體應(yīng)力狀態(tài)變化，地表會(huì)有略微抬升。

②盾構(gòu)機(jī)到達(dá)時(shí)，開(kāi)挖面的平衡土壓力發(fā)生改變。

③盾構(gòu)機(jī)通過(guò)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)與土層之間的摩擦剪切力發(fā)生改變。

④盾構(gòu)機(jī)通過(guò)后離開(kāi)盾尾時(shí)，會(huì)有一定的建設(shè)差距，建設(shè)差距所造成的高度差和壓力的釋放可能會(huì)造成地表沉降。

⑤盾構(gòu)通過(guò)后長(zhǎng)期固結(jié)，盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖會(huì)引起地表擾動(dòng)，土體發(fā)生固結(jié)。盾構(gòu)機(jī)施工時(shí)，對(duì)土體的擾動(dòng)越大其長(zhǎng)期固結(jié)沉降越大。一旦發(fā)生沉降或倒塌的情況，必然給地鐵盾構(gòu)的組織造成無(wú)法彌補(bǔ)的損失。

在我國(guó)諸多城市中，存在許多在軟土層中修建地鐵的案例。寧波市作為我國(guó)典型的軟土地區(qū)，其軟土層分布廣泛，且層厚約為10m～32m，具有液限小于天然含數(shù)量，天然孔隙不小于1.0，壓縮性高、強(qiáng)度低、透水性低的特點(diǎn)。寧波軌道交通1號(hào)線一期工程地下隧道主要采用盾構(gòu)法施工。施工中穿越粉土、粉砂、粉質(zhì)粘土混粉砂等土層，屬于典型的軟土地層，地質(zhì)條件較差，給地基處理的設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)很大困難。需要非常規(guī)的施工設(shè)備和方法，結(jié)合特殊設(shè)計(jì)，以確保地基穩(wěn)固。由于地質(zhì)的特殊性，通常需要采用加固的方法來(lái)保證安全施工。加固通常分為地表面加固和隧道內(nèi)加固，地表面加固多采用高壓噴射灌漿。隧道內(nèi)加固包括注漿加固、水平攪拌加固等。通過(guò)對(duì)寧波軌道交通1號(hào)線一期工程的了解，參考地質(zhì)條件相似的地鐵隧道施工實(shí)例，地鐵隧道開(kāi)鑿的路線穿越繁華鬧市時(shí)不應(yīng)采用地表面加固，因此考慮采用凍結(jié)法進(jìn)行隧道內(nèi)加固。凍結(jié)法施工成本很高且工期長(zhǎng)，但該方案不需要進(jìn)行交通管制，加固效果明顯，足以實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖施工要求，因此凍結(jié)法仍是最優(yōu)的選擇。通過(guò)對(duì)寧波市軌道交通1號(hào)線一期工程的分析，能夠更好地了解地鐵盾構(gòu)技術(shù)在軟土層中的施工方法。

3.2 第四系砂土層富水對(duì)地鐵盾構(gòu)施工的影響

第四系疏松砂巖在潛伏水頭、富水的條件下，具有裂隙發(fā)育，孔隙率大，地下含水體易貫通，容易產(chǎn)生涌水涌砂的特點(diǎn)。

孔隙水壓力的地下水通常會(huì)影響巖體的力學(xué)性能，大多數(shù)情況下第四系砂土層存在于富水的環(huán)境中，地下水位較高且第四系出水地層涌砂原因復(fù)雜多樣。在地鐵工程進(jìn)行開(kāi)挖建設(shè)前，地層內(nèi)部應(yīng)力系統(tǒng)是平衡的狀態(tài)。而工程開(kāi)挖通常會(huì)將應(yīng)力平衡狀態(tài)破壞，通常在工程初期并不發(fā)生涌砂，但在出水時(shí)，毛管力的消失，使得砂粒在地層內(nèi)開(kāi)始流動(dòng)，破碎砂粒的運(yùn)移會(huì)發(fā)生流體，從而出現(xiàn)大面積的涌砂。因此，在工程初支條件下，能夠?qū)⒊鏊闆r有效控制，便可減小工程災(zāi)害。另外，在工程接近斷層時(shí)，斷層構(gòu)造類型也會(huì)對(duì)其導(dǎo)水性及致災(zāi)性產(chǎn)生影響。斷層破碎帶集中涌水段水溫普遍較高，屬高溫涌水。水壓高，初始揭露水壓為5MPa～8MPa，后穩(wěn)定在3.7MPa左右[8]。

由于臨海，青島地區(qū)地質(zhì)特殊，毗連青島與黃島的地鐵主線路M2號(hào)線全線共設(shè)車站22座，站間距11613m，最大站間距2254.4m，最小站間距758.2m，途經(jīng)第四系砂土涌水地質(zhì)。由于第四系砂土層滲水出現(xiàn)潰砂的現(xiàn)象，在洞身開(kāi)挖過(guò)程中涌水涌砂極為嚴(yán)重。再加上該區(qū)段車流量大，交通繁忙，為防止在地面車輛荷載的影響下地面塌陷或裂縫等災(zāi)害的發(fā)生，故對(duì)此區(qū)段采取了預(yù)注漿治理。而且由于涌水段流量大，在注漿過(guò)程中跑漿現(xiàn)象嚴(yán)重，一旦發(fā)生涌水封堵，水壓升高易引起巷道頂板出現(xiàn)涌水的轉(zhuǎn)移。

3.3 砂卵石地質(zhì)對(duì)地鐵盾構(gòu)施工的影響

卵石土在廣義上是土石混合體。當(dāng)?shù)罔F盾構(gòu)施工在卵石含量高的情況下進(jìn)行施工時(shí)，砂卵石含量較高的區(qū)域使得隧道地下環(huán)境較差，不均勻，易發(fā)生地面沉降、超挖導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)偏離線路原本方向[9]。當(dāng)砂卵石地層完整性良好時(shí)，開(kāi)挖后土體易形成空洞而形成地表沉降。而當(dāng)工程中砂卵石地層較為破碎、松散時(shí)，孔隙率自身很大，再加上土體因開(kāi)挖而被擾動(dòng)，孔隙率會(huì)更加大，易破壞土壓平衡力，導(dǎo)致土倉(cāng)壓力不易控制。

以北京地鐵9號(hào)線為例，論述砂卵石地質(zhì)對(duì)地鐵盾構(gòu)的影響。北京地鐵9號(hào)線周圍為砂卵石地質(zhì)，盾構(gòu)機(jī)穿越水位低的區(qū)域以及無(wú)水的砂卵石地層時(shí)，通過(guò)加泥手段調(diào)整切削土體流動(dòng)性的效果并不理想。另外，此種地質(zhì)會(huì)使盾構(gòu)經(jīng)常出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，導(dǎo)致掘進(jìn)效率低下，所產(chǎn)生的施工費(fèi)用過(guò)高。

3.4 安全管理分析

①通過(guò)對(duì)寧波市軌道交通一號(hào)線的認(rèn)識(shí)，了解到在實(shí)際施工過(guò)程中可以采用凍結(jié)法來(lái)加固地基。此施工工藝能滿足開(kāi)挖施工要求，且技術(shù)相對(duì)成熟，施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。在地鐵盾構(gòu)技術(shù)施工前，對(duì)地質(zhì)進(jìn)行充分的分析，相應(yīng)地制定處理軟土地基的方案，做好準(zhǔn)備工作。對(duì)相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，組織專業(yè)技術(shù)人員對(duì)特殊地質(zhì)上的地下施工進(jìn)行分析論證和指導(dǎo)，通過(guò)控制施工參數(shù)來(lái)降低對(duì)地層的擾動(dòng)，例如對(duì)出土量、注漿壓力和土倉(cāng)壓力的控制。在施工過(guò)程中要完善相應(yīng)的監(jiān)管管理工作，要對(duì)施工日志作業(yè)監(jiān)督管理的工作負(fù)責(zé)，將施工做到盡可能保質(zhì)保量。嚴(yán)格按照計(jì)劃圖紙施工，聽(tīng)從指揮安排。最后必須注重文明施工，在施工過(guò)程結(jié)束時(shí)，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的清理，確保不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成影響。

注漿工藝流程

②根據(jù)青島地鐵M2號(hào)線以及上述分析，可以得出注漿工藝將會(huì)對(duì)地鐵盾構(gòu)在第四系砂土層富水中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行改善。首先需要調(diào)查圍巖特性，將注漿目的、注漿的具體部位等情況明確，如上圖所示；其次在完成施工的基礎(chǔ)上必須要提倡文明施工，保護(hù)環(huán)境，設(shè)置施工護(hù)欄，避免沉降造成二次傷害；另外要嚴(yán)格把控盾構(gòu)機(jī)的管片，保證管片材料的質(zhì)量，確保其受力性能良好，以免后期管片損壞，不僅影響工期而且可能造成不可挽回的后果。

③通過(guò)對(duì)北京市地鐵9號(hào)線的了解，認(rèn)識(shí)到施工前首先應(yīng)進(jìn)行充分的地質(zhì)檢測(cè)，盡量避免地質(zhì)中出現(xiàn)的卵石層區(qū)域。如果在避免不了的情況下，要根據(jù)所屬區(qū)域的砂石層的具體情況來(lái)提前進(jìn)行工程的規(guī)劃，做好應(yīng)對(duì)措施。應(yīng)將做好的地質(zhì)測(cè)評(píng)資料與施工人員進(jìn)行交底，使施工人員充分地了解施工的環(huán)境，更好地應(yīng)對(duì)施工過(guò)程可能出現(xiàn)的安全問(wèn)題，減少其對(duì)工程帶來(lái)的不利影響。

4 結(jié)論

隨著地鐵盾構(gòu)施工技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行安全管理也逐漸成為必不可少的環(huán)節(jié)，在日常應(yīng)用中要以預(yù)防為主，堅(jiān)決規(guī)范使用和維護(hù)各項(xiàng)設(shè)備，加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)在施工過(guò)程中的各項(xiàng)工作，盡量做到信息化施工。盾構(gòu)機(jī)在安全的條件下施工，才能確保隧道開(kāi)鑿高效有序地進(jìn)行。

本文在了解地鐵盾構(gòu)施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)地鐵案例分析、論證，進(jìn)一步提出當(dāng)?shù)罔F盾構(gòu)施工遇到不良地質(zhì)時(shí)所出現(xiàn)的問(wèn)題及安全管理措施，得出在不良地質(zhì)中應(yīng)采用凍結(jié)法、注漿法等措施，解決在不良地質(zhì)中進(jìn)行盾構(gòu)施工所造成的問(wèn)題，強(qiáng)調(diào)了針對(duì)施工過(guò)程中出現(xiàn)的危險(xiǎn)問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)處理的重要性。

作者僅對(duì)地鐵盾構(gòu)法施工在軟土層地質(zhì)中可能帶來(lái)的影響和改善方法進(jìn)行分析，在不斷進(jìn)步的科技水平下，望能有更合理的改進(jìn)措施以及方案，能夠更好地解決地鐵盾構(gòu)施工過(guò)程在不良地質(zhì)的安全管理問(wèn)題，更加全面地對(duì)可能出現(xiàn)的各種不良地質(zhì)進(jìn)行考慮，提高地鐵盾構(gòu)施工的施工質(zhì)量。