張碉堡

隨著中國(guó)城市化的快速發(fā)展，城市建設(shè)者不斷開(kāi)發(fā)地下空間，許多城市進(jìn)行地鐵工程施工，全國(guó)各地出現(xiàn)了大量隧道群[1]。近年來(lái)，隧道施工中發(fā)生了許多安全事故。由于地下管線復(fù)雜，在隧道施工時(shí)對(duì)圍巖產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，常出現(xiàn)地裂縫、管片裂縫以及滲漏水情況，存在一定程度上的安全隱患，可能引發(fā)安全事故，對(duì)人們的出行安全造成了潛在威脅。為保證隧道施工的質(zhì)量，減少經(jīng)濟(jì)損失，避免人員傷亡，需要研究地下隧道的施工技術(shù)[2]。

地鐵隧道施工中常用盾構(gòu)法推進(jìn)和穿越土體，可不受地面交通、季節(jié)以及氣候等客觀因素的影響。在利用盾構(gòu)法進(jìn)行推進(jìn)和襯砌的過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制，有力保障了隧道施工的效率。同時(shí)，由于盾構(gòu)法在施工過(guò)程對(duì)圍巖擾動(dòng)的影響較小，因此適用于松軟地層的施工，具有一定的安全性。為了解決當(dāng)前隧道施工中容易出現(xiàn)的問(wèn)題，本文對(duì)盾構(gòu)法穿越地裂縫區(qū)域的技術(shù)進(jìn)行研究，為地下隧道穿越地裂縫技術(shù)施工提供了依據(jù)，對(duì)施工區(qū)域地面結(jié)構(gòu)物和地下管線的安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 盾構(gòu)法概述

盾構(gòu)法起源于19 世紀(jì)30 年代，用于修建地下隧道，在歐洲及日本等地具有較大的發(fā)展，技術(shù)水平較為先進(jìn)。我國(guó)在盾構(gòu)法的研究上起步較晚，從20 世紀(jì)60 年代開(kāi)始使用盾構(gòu)法進(jìn)行施工，建成了第一座盾構(gòu)法隧道。盾構(gòu)隧道施工是利用盾構(gòu)機(jī)暗挖隧道，在控制開(kāi)挖面及圍巖穩(wěn)定的情況下挖掘隧道，滾鉤機(jī)內(nèi)拼裝盾構(gòu)管片，形成襯砌。完成隧道壁施工后，執(zhí)行注漿操作，避免出現(xiàn)圍巖坍塌的情況[3]。為了盡可能避免施工對(duì)地面建筑物和地基埋設(shè)物的影響，盾構(gòu)施工的關(guān)鍵在于控制圍巖的擾動(dòng)情況。因此，盾構(gòu)機(jī)與相應(yīng)設(shè)備的技術(shù)工藝煩瑣，盾構(gòu)機(jī)的刀盤及鋼殼可以通過(guò)支護(hù)作用以及壁后注漿的方式，對(duì)開(kāi)挖面縫隙進(jìn)行填充。盾構(gòu)機(jī)在盾體的支護(hù)下進(jìn)行開(kāi)挖與襯砌施工，并使用千斤頂快速推進(jìn)完成隧道出渣以及管片拼裝等工作，具有施工速度快、機(jī)械化程度高的特點(diǎn)，管片質(zhì)量可靠，為典型單層襯砌，在施工過(guò)程中對(duì)地層的改良和預(yù)支護(hù)的涉及較少，只有在盾構(gòu)進(jìn)出井外的施工中才進(jìn)行相應(yīng)施工處理。

2 盾構(gòu)施工技術(shù)

2.1 施工難點(diǎn)及原因分析

地下隧道施工存在部分管片損壞情況嚴(yán)重和周邊水土壓力不均的情況，致使部分管片出現(xiàn)裂縫，最深處達(dá)242 mm。管片裂縫集中在隧道拱頂位置，管片滲漏水情況嚴(yán)重，最大錯(cuò)臺(tái)量已經(jīng)高于1/2的襯砌管片厚度，達(dá)172 mm，這對(duì)后續(xù)的修復(fù)施工提出了更為嚴(yán)格的要求。修復(fù)過(guò)程中需要保證管片結(jié)構(gòu)不受過(guò)多擾動(dòng)，保障結(jié)構(gòu)安全，避免管片變形[4]。

施工過(guò)程中盾構(gòu)受到不同相互作用力，使管片前端和后端的受力與實(shí)際情況存在一定偏差，造成管片開(kāi)裂的情況。監(jiān)測(cè)到誤差后，糾偏管片時(shí)沒(méi)有將管片貼鋪平整也容易出現(xiàn)裂縫。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中的曲線段是施工的難點(diǎn)路段，對(duì)線路角度的控制具有嚴(yán)格要求。若千斤頂在推進(jìn)時(shí)出現(xiàn)偏位現(xiàn)象，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)與管片軸線未完全重合，容易造成管片裂縫，使管片的滲漏水情況更加嚴(yán)重。

2.2 盾構(gòu)施工方法

2.2.1 盾構(gòu)施工測(cè)量

盾構(gòu)施工測(cè)量是進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)方向控制和盾構(gòu)姿態(tài)控制的重要前提，盾構(gòu)在進(jìn)入緩和曲線與急曲線的前期和中期都需要進(jìn)行隧道貫通測(cè)量。通過(guò)連續(xù)測(cè)量、隧道內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量復(fù)核盾構(gòu)掘進(jìn)方向，并基于地面控制網(wǎng)復(fù)測(cè)結(jié)果，在后續(xù)曲線段施工時(shí)為盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)控制提供參考。為了保證急曲線的盾構(gòu)施工效果，需要在急曲線情況下增加測(cè)量，進(jìn)而及時(shí)了解盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)，調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，保證盾構(gòu)在急曲線情況下能夠合理控制盾構(gòu)姿態(tài)。由于急曲線具有較小的半徑，并且可視距離短，測(cè)量數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)偏差，因此需要及時(shí)調(diào)整數(shù)據(jù)參數(shù)。在掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)的速度不宜過(guò)快，避免軸線間的夾角過(guò)大或盾尾間隙不均勻。同時(shí)，在砂層掘進(jìn)時(shí)加注泡沫劑，緩解推力過(guò)大情況；采用雙注漿的方式封堵漏點(diǎn)，利用烘干機(jī)保持管片表面干燥；通過(guò)彈性膠泥，在清理管片嵌縫槽后進(jìn)行注漿，使嵌縫填充完整[5]。

2.2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)方向控制方法

采用隧道自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)和人工測(cè)量輔助進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測(cè)，采用分區(qū)操作盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸控制盾構(gòu)掘進(jìn)方向。根據(jù)線路條件所做的分段軸線擬合控制計(jì)劃、導(dǎo)向系統(tǒng)反映的盾構(gòu)姿態(tài)的信息，結(jié)合隧道地層情況，通過(guò)分區(qū)操作盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)油缸來(lái)控制掘進(jìn)方向。在上坡段掘進(jìn)時(shí)，適當(dāng)增大盾構(gòu)機(jī)下部油缸的推力和速度；在下坡段掘進(jìn)時(shí)，適當(dāng)增大盾構(gòu)機(jī)上部油缸的推力和速度；在左轉(zhuǎn)彎曲線段掘進(jìn)時(shí)，適當(dāng)增大盾構(gòu)機(jī)右部油缸的推力和速度；在右轉(zhuǎn)彎曲線段掘進(jìn)時(shí)，適當(dāng)增大盾構(gòu)機(jī)左部油缸的推力和速度；在直線段掘進(jìn)時(shí)，盡量使所有的推力和速度保持一致。

在均勻的地質(zhì)條件下，保持所有油缸推力和速度一致；在軟硬不均的地層掘進(jìn)時(shí)，根據(jù)不同地層在斷面的具體分布情況，遵循硬地層一側(cè)推進(jìn)油缸的推力和速度適當(dāng)加大，軟地層一側(cè)推進(jìn)油缸的推力和速度適當(dāng)減小的原則來(lái)操作。采用使盾構(gòu)刀盤反轉(zhuǎn)的方法，糾正滾動(dòng)偏差。允許滾動(dòng)偏差不超過(guò)3°，當(dāng)超過(guò)3°時(shí)，盾構(gòu)機(jī)報(bào)警，提示操縱者必須切換刀盤旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)行反轉(zhuǎn)糾偏。

2.2.3 盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制方法

實(shí)際施工中，由于地質(zhì)突變等原因，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)方向可能會(huì)偏離設(shè)計(jì)軸線并超過(guò)管理警戒值。在穩(wěn)定地層中掘進(jìn)，因地層提供的滾動(dòng)阻力小，可能會(huì)產(chǎn)生盾體滾動(dòng)偏差；在線路變坡段掘進(jìn)，有可能產(chǎn)生較大的偏差。因此，地裂縫區(qū)域施工時(shí)，必須在預(yù)先掌握盾構(gòu)姿態(tài)的前提下控制盾構(gòu)單次糾偏的幅度，姿態(tài)調(diào)整應(yīng)控制糾偏頻率和糾偏方位，將姿態(tài)調(diào)整控制在每環(huán)±5 mm 范圍內(nèi)，保持糾偏量均勻穩(wěn)定，避免因過(guò)度過(guò)量糾偏而影響周圍土體，實(shí)現(xiàn)及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)、糾正偏差。

采用分區(qū)操作盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，糾正偏差，將盾構(gòu)機(jī)的方向控制調(diào)整到符合要求的范圍。在急彎和變坡段，必要時(shí)可利用盾構(gòu)機(jī)的超挖刀進(jìn)行局部超挖來(lái)糾偏。對(duì)于渣土改良的控制是保證盾構(gòu)持續(xù)掘進(jìn)的關(guān)鍵。通過(guò)土體改良改善刀盤扭矩，可達(dá)到穩(wěn)定土倉(cāng)壓力的目的。根據(jù)本文研究區(qū)域的地裂縫特點(diǎn)，采用分散性泡沫改進(jìn)施工方法，在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中適量增加泡沫劑及水的用量，并根據(jù)掘進(jìn)情況實(shí)時(shí)調(diào)整，避免生成泥餅和土倉(cāng)堵塞現(xiàn)象。

3 實(shí)例分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)工況

本文探討的施工區(qū)間為某市新建地鐵車站B 站至A 站的盾構(gòu)施工段，施工的地質(zhì)條件為粉質(zhì)黏土層、粉細(xì)砂層，地下水為地下淺層水。淤泥質(zhì)黏土層的總推力為7 000 ～11 000 kN，細(xì)砂土層總推力為11 000 ～14 000 kN。隧道直徑為6.2 m，襯砌環(huán)結(jié)構(gòu)，環(huán)寬1.5 m，由西向東掘進(jìn)，上方覆土12.15 m，拱頂至車站基底為8.796 m。隧道道床下為結(jié)構(gòu)筏板基礎(chǔ)，埋深2.2 m，車站為地下兩層的島式車站，長(zhǎng)331 m，寬20 m，為兩層雙向框架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)沿縱向有兩道變形裂縫，地裂縫處理段共150 m，新建地鐵線路的左右線盾構(gòu)隧道均從下方穿越，雖然為新建車站，但每個(gè)墊塊接縫部位均存在裂縫現(xiàn)象。過(guò)軌段隧底標(biāo)高為24 m，實(shí)地勘察與監(jiān)測(cè)盾構(gòu)基坑，結(jié)合已有地質(zhì)資料，判定施工段未涉及層間潛水，且表層滯水不影響盾構(gòu)施工。本文工程主要受潛水影響，在施工中土壓的設(shè)定需要充分考慮水壓。通過(guò)錯(cuò)縫方式拼裝襯砌管片，3 塊標(biāo)準(zhǔn)管片，兩塊鄰接管片以及1塊封頂片，使用弧形螺栓，安裝拼接管片，并通過(guò)人工方式加固。

3.2 施工過(guò)程

本文施工可能造成地裂縫產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形和沉降等情況，因此需要監(jiān)測(cè)隧道裂縫擴(kuò)展、錯(cuò)動(dòng)情況及地面沉降。B 站至A站間左右線以22 ‰的坡度下坡270 m 到達(dá)最低點(diǎn)，以28 ‰的坡度上坡300 m 為大縱坡段，在此施工段布設(shè)12 個(gè)測(cè)縫計(jì)，監(jiān)測(cè)裂縫的變位情況。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)滲漏水情況，在始發(fā)端設(shè)置降水井，并在端墻上設(shè)置水位觀測(cè)孔，使水位降至底板下1 m。管片受地下水浮力較大，掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)降低盾構(gòu)機(jī)垂直姿態(tài)，避免成型后的管片因上浮導(dǎo)致垂直姿態(tài)過(guò)高。

根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)趨勢(shì)、盾尾間隙、成型管片拼裝質(zhì)量，選擇左右彎環(huán)拼裝點(diǎn)位，選擇±18°或者±54°的管片進(jìn)行管片拼接。盾構(gòu)出洞段的掘進(jìn)要略抬頭向上，保證盾構(gòu)能順利到達(dá)接收端導(dǎo)臺(tái)。盾構(gòu)在暗挖段前復(fù)測(cè)洞內(nèi)所有測(cè)量點(diǎn)，并及時(shí)針對(duì)復(fù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行糾偏，根據(jù)洞門鋼環(huán)實(shí)際位置調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，保證盾構(gòu)機(jī)線路與隧道導(dǎo)軌線路重合。隧道貫通后，清除洞口渣土，在導(dǎo)軌端割出斜坡，角度約為30°。

空推段施工時(shí)，速度不易過(guò)快，前期速度為15 mm/min，待推進(jìn)逐步穩(wěn)定后，適當(dāng)提高速度到35 mm/min。管片出盾尾后，以人工方式緊固和拼裝管片。反力架運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后，將其放置于導(dǎo)臺(tái)預(yù)留槽中，并調(diào)整位置確保測(cè)量無(wú)誤后，加焊加固，安裝兩側(cè)反力架，并且與底部焊接牢固。

施工前，在施工區(qū)域的周邊環(huán)境與周圍巖土體埋設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)備，施工過(guò)程中，埋設(shè)工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)設(shè)備。與此同時(shí)，采用精密水準(zhǔn)測(cè)量的方法，布設(shè)高程控制網(wǎng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)地表沉降規(guī)律、盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)地表的影響程度。同時(shí)，還需對(duì)地下水位和地表及相關(guān)建筑物沉降狀況實(shí)施監(jiān)測(cè)。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到或超過(guò)管理基準(zhǔn)值時(shí)，應(yīng)停止施工，修正參數(shù)后方能繼續(xù)施工，以保證施工過(guò)程的安全。

3.3 結(jié)果分析

監(jiān)測(cè)盾構(gòu)穿越地裂縫時(shí)的沉降變形情況，得到監(jiān)測(cè)縱向變形數(shù)據(jù)，分析縱向地表沉降的情況，從而分析出土體的影響范圍與沉降變化。若縱向地表沉降速率過(guò)大，會(huì)在盾構(gòu)機(jī)穿越土體時(shí)引起結(jié)構(gòu)物的傾斜，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物向推進(jìn)方向彎曲變形，對(duì)周圍土體擾動(dòng)較大。因此，本文設(shè)定縱向沉降的警戒值為20 mm，通過(guò)監(jiān)測(cè)裂縫橫斷面軸線處的3 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的地表沉降量，得到結(jié)果如圖1所示。

圖1 斷面軸線處地表沉降與開(kāi)挖面距離（來(lái)源：作者自繪）

由圖1 可知，盾構(gòu)法推進(jìn)對(duì)前方土體影響的范圍為-20 ～0 m，沉降量均在5 mm 以內(nèi)，隨著距開(kāi)挖面距離的增加，土體存在持續(xù)沉降的情況，并且沉降過(guò)程較為緩慢，沒(méi)有發(fā)生地表隆起的現(xiàn)象。盾構(gòu)機(jī)在離開(kāi)監(jiān)測(cè)斷面0 ～10 m 時(shí)，沉降量仍較大，沉降量達(dá)到了15 mm，但是距開(kāi)挖面距離10 m 以后，沉降速率明顯減緩，沉降量較小，認(rèn)定此時(shí)為盾尾脫出階段。同時(shí)，在注漿后，沉降量明顯減小，且地面有所回升。綜合分析可知，縱向沉降量均在警戒值范圍內(nèi)，表明本文施工方法有效控制了土體沉降速率，降低了沉降量，減少了施工對(duì)隧道周圍土體的擾動(dòng)，具有一定可行性。為進(jìn)一步驗(yàn)證本文盾構(gòu)法穿越地裂縫的施工效果，觀測(cè)研究區(qū)域內(nèi)的路基，得到的總沉降量，經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理得到結(jié)果如表1。

表1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總表

由表1 可知，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，2 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量最大，15 號(hào)測(cè)隆起量最大，測(cè)點(diǎn)的波動(dòng)范圍為-1.21 ～1.30 mm，所有測(cè)點(diǎn)的沉降量值均在允許沉降值范圍，因此盾構(gòu)施工未影響該研究區(qū)域內(nèi)的路基。有效控制了路基的形變量，降低了施工的影響范圍。

4 結(jié)語(yǔ)

本文深入闡述了盾構(gòu)法，分析了項(xiàng)目的施工難點(diǎn)及原因，提出盾構(gòu)穿越地裂縫施工方法。介紹現(xiàn)場(chǎng)工況并說(shuō)明施工過(guò)程，分析施工效果，驗(yàn)證本文方法的有效性和可行性。驗(yàn)證分析得出，本文施工方法有效控制了施工對(duì)土體的影響，降低了沉降量。由于時(shí)間和條件的限制，本文的研究存在著諸多不足，有待于在今后的研究中不斷完善。同時(shí)，該項(xiàng)目未全部竣工，需在項(xiàng)目全部竣工后統(tǒng)計(jì)整個(gè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，不斷完善本文方法，提高盾構(gòu)法的施工效果，保證施工的安全性和可靠性。