摘要：采用盾構(gòu)法進行城市地下軌道交通施工時，受地層移動與地表變形的影響易發(fā)生隧道結(jié)構(gòu)破壞等事故。為此需要針對城市地下軌道交通盾構(gòu)掘進施工技術(shù)展開進一步研究。根據(jù)地層特性確定盾構(gòu)機的型號和刀盤、刀具的類型，根據(jù)掘進參數(shù)后控制盾構(gòu)機掘進，并在掘進過程中，合理向管片壁后同步注漿進行護壁。實例結(jié)果表明，盾構(gòu)掘進區(qū)間地表最終累積沉降量為19.81mm，在控制范圍內(nèi)，證實了該施工技術(shù)的合理性。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)掘進；刀盤；注漿；沉降量

0" "引言

隨著我國建筑領(lǐng)域相關(guān)制度與法規(guī)的不斷完善，人們對城市地下軌道交通施工技術(shù)的要求逐漸嚴格。地下軌道交通工程作為一項需要耗費大量時間與精力的復(fù)雜工程，不僅施工難度較大，而且對施工質(zhì)量的要求較高，盾構(gòu)法因其施工速度快、安全環(huán)保等優(yōu)點，而被廣泛應(yīng)用于地下掘進工程中。

在軌道交通區(qū)間盾構(gòu)掘進施工過程中，復(fù)雜的地下環(huán)境勢必會對盾構(gòu)掘進的各項參數(shù)造成一定影響，不同地質(zhì)條件下的城市軌道交通工程，盾構(gòu)施工參數(shù)各不相同。盾構(gòu)法施工對地質(zhì)參數(shù)變化較為敏感，為此我國城市地下軌道交通工程不能簡單地借鑒國外已建盾構(gòu)工程的研究成果和經(jīng)驗。在此背景下，如何對盾構(gòu)掘進施工技術(shù)進行科學(xué)設(shè)計，滿足城市地下軌道交通工程實際需求，成為我國工程領(lǐng)域迫切需要解決的一個難題。本文針對城市地下軌道交通盾構(gòu)掘進施工技術(shù)進行研究，詳細闡述了盾構(gòu)機選型、盾構(gòu)機掘進及注漿護壁這幾個關(guān)鍵工序內(nèi)容，并依托實際工程對所設(shè)計盾構(gòu)掘進施工技術(shù)的有效性進行驗證。

1" "盾構(gòu)掘進施工技術(shù)設(shè)計

1.1" "盾構(gòu)機及其刀盤、刀具選型

1.1.1" "盾構(gòu)機選型

一般來說，盾構(gòu)機在不同地質(zhì)類型下城市軌道交通工程的適用范圍各不相同，所以在進行盾構(gòu)掘進施工時，首先需要結(jié)合工程實際地質(zhì)特點，選擇工況適應(yīng)性較好的盾構(gòu)機機型，從而確保城市地下軌道交通工程的順利施工[1]。當(dāng)下，我國建筑領(lǐng)域中常用的盾構(gòu)機主要有土壓和泥水這兩種類型。其中土壓盾構(gòu)機具有出土效率高、工程造價低等優(yōu)點，但因在掘進過程中，土壓盾構(gòu)機需要對土層施加一定的壓力以保持穩(wěn)定，導(dǎo)致其切削力和扭矩較大，容易引起上層地表的變形。而泥水盾構(gòu)機則與之相反。泥水盾構(gòu)機在掘進過程中，盾殼擺動較小，不易造成地表變形，但其有采購成本較高、排土效率低的缺陷。所以實際施工中，需要根據(jù)地下軌道交通施工現(xiàn)場的地質(zhì)特點進行盾構(gòu)機的選型。

如果城市地下軌道交通施工現(xiàn)場地層滲透系數(shù)較大，宜采用泥水盾構(gòu)機。如果施工現(xiàn)場地層滲透系數(shù)較小宜，采用土壓盾構(gòu)機。如果現(xiàn)場地層滲透系數(shù)在10-7～10-4m/s之間，選用兩類盾構(gòu)機都可以，但需根據(jù)施工成本、施工現(xiàn)場的環(huán)境保護等因素進行綜合考量，以便選出最合理的選型[2]。

1.1.2" "刀盤選型

在選定盾構(gòu)機的類型后，需要確定盾構(gòu)機刀盤類型。其中，刀盤上配有刀座，用以安裝滾刀。刀盤用于支撐開挖面和承受掘進中的推力和扭矩為此需要其具有足夠的剛度、強度，并可安裝足夠的數(shù)量的刀具。

1.1.3" "刀具選型

刀具須具有較好的耐磨性，從而保證其使用壽命。盾構(gòu)機刀盤與刀具的合理選型，不僅有利于提升盾構(gòu)掘進的效率，而且有利于減少盾構(gòu)部件的磨損，提升工程效益。常用盾構(gòu)刀具類型如圖1所示。

在城市地下軌道交通盾構(gòu)掘進施工中，需要根據(jù)施工現(xiàn)場地質(zhì)條件和巖石強度來選擇合理的刀具。如果遇到軟硬復(fù)合地層，可以采用雙刃滾刀。如果遇到含水量較高且軟硬不均的地層，可以采用單刃滾刀。

1.2" "盾構(gòu)機掘進控制

在做好盾構(gòu)機的選型工作后，控制盾構(gòu)機進場，即可開始盾構(gòu)掘進施工。

1.2.1" "推力和刀盤扭矩計算

在盾構(gòu)機掘進之前，需要對城市地下軌道交通盾構(gòu)施工的掘進參數(shù)進行確定[3]。盾構(gòu)的推力計算公式如下所示：

?=?1+?2+?3+?4+?5" " " " " " " （1）

式中：?表示城市地下軌道交通盾構(gòu)掘進施工中盾構(gòu)機的推力；?1表示盾構(gòu)機和地下土體之間的摩擦力；?2表示盾構(gòu)機后方臺車前進過程中遇到的阻力；?3表示盾構(gòu)機在水平方向上的推力；?4表示盾構(gòu)機切削時推力；?5表示盾構(gòu)機和管片之間在掘進過程中產(chǎn)生的摩擦力。

刀盤扭矩計算公式如下所示：

N=N1+N2+N3+N4+N5" " " " " " （2）

式中：N表示城市地下軌道交通盾構(gòu)掘進施工中盾構(gòu)機刀盤的總扭矩；N1表示盾構(gòu)機刀盤產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩；N2表示盾構(gòu)機刀具的切削扭矩；N3表示盾構(gòu)機刀盤與密封裝置產(chǎn)生的摩擦力矩；N4表示盾構(gòu)機刀盤的剪切力矩；N5表示盾構(gòu)機刀盤的攪動力矩。

1.2.2" "掘進控制方法

先進行150m的試掘進作業(yè)，其目的在于科學(xué)調(diào)整盾構(gòu)機的掘進速度等參數(shù)。此過程中需做好施工監(jiān)測工作，以確保在盾構(gòu)機順利掘進前提下控制地表沉降量[4]。

當(dāng)盾構(gòu)機試推150m后，開始進入正常掘進階段，需要對始發(fā)設(shè)施進行一定調(diào)整。此時需將始發(fā)基座與反力架拆除，并在盾構(gòu)前端將各種軌道與管線連接鋪設(shè)好，讓盾構(gòu)機按照設(shè)定的參數(shù)進行自動掘進，并在顯示器上實時顯示掘進參數(shù)。

在盾構(gòu)機的掘進過程中，需要確保盾構(gòu)機的掌斷面始終處于平衡狀態(tài)，嚴格按照設(shè)定路線掘進。如果發(fā)生偏差，需要及時糾正，糾正線路偏差時需要采用多次少量的方式進行，否則一次糾正偏差過大，可能會造成地層擾動，從而引發(fā)工程事故。

1.2.3" "常見問題處理

在整個城市地下軌道交通盾構(gòu)掘進過程中，由于施工強度較大，再加上地下條件復(fù)雜多變，非常容易發(fā)生盾構(gòu)設(shè)備故障。如果出現(xiàn)螺旋輸送機被卡住的問題，可以采用多次伸縮螺旋的方式擺脫此困境。如果出現(xiàn)刀盤被卡住的問題，可以通過調(diào)整扭矩、掘進速度以及注漿參數(shù)來嘗試恢復(fù)刀盤的正常工作。在遇到復(fù)雜地質(zhì)條件時，可以采用注漿、爆破等適宜的處理措施，來改善地層條件，減少刀盤被卡住的可能性。

1.3" " 注漿護壁

在城市地下軌道交通盾構(gòu)掘進過程中，為防止地層發(fā)生坍塌現(xiàn)象，需要進行同步的注漿施工，加固地層，起到護壁作用[5]。

1.3.1" "注漿系統(tǒng)選配

在注漿施工時，本文主要采用由注漿泵、注漿管、注漿頭組件等設(shè)備構(gòu)成的注漿系統(tǒng)。先根據(jù)盾構(gòu)機的實際位置，將注漿泵設(shè)置在地下軌道交通施工現(xiàn)場，確保順利注漿的同時不影響盾構(gòu)機的掘進施工。然后將注漿管與注漿頭組件與注漿泵相連接。通常注漿頭組件具有壓力測量功能，可有效控制漿液注入，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3.2" " 注漿操作要點

本文以水、水泥、水玻璃為主要原材料，配制注漿施工的漿液，具體配合比需根據(jù)現(xiàn)場實際地質(zhì)條件進行調(diào)整[6]。根據(jù)城市地下軌道交通需要，確定注漿孔位置，并在此處打孔安裝注漿頭，然后以一定的壓力將漿液注入注漿孔。

在開啟注漿系統(tǒng)后，漿液從注漿頭的接頭側(cè)流入管路，經(jīng)過管路中的閥門等控制裝置后，注入待注漿處。在注漿壓力達到設(shè)計值時停止注漿，拔出注漿頭，按同樣的方法繼續(xù)下個點位的注漿施工，直至全部點位注漿完成后，對各個點位的注漿質(zhì)量進行檢查。

一般來說加入水玻璃的漿液會在短時間內(nèi)凝固，從而達到加固軌道土體的目的。如果存在漿液量不足等問題，需要進行二次補漿，避免影響加固效果。

2" "實例分析

2.1" "工程概況

某城市地下軌道交通工程區(qū)間位于城市主干道正下方，由西向東貫穿城市，線路區(qū)間全長約2136m。該地鐵隧道全線均敷設(shè)于地下，為此采用文中設(shè)計的盾構(gòu)掘進施工技術(shù)展開施工。據(jù)施工現(xiàn)場的地質(zhì)勘察報告顯示，盾構(gòu)掘進區(qū)間地勢相對平坦，具體地層特性如表1所示。

2.2" " 預(yù)期目標(biāo)

在本次施工過程中，合理選取盾構(gòu)機并確定盾構(gòu)掘進參數(shù)后，按照文中內(nèi)容展開掘進施工。本次施工的預(yù)期目標(biāo)是隧道地表沉降穩(wěn)定后，最終累計沉降在24mm之內(nèi)。如果地表沉降超過24mm的限值，說明本次施工質(zhì)量較差，需要及時采取措施進行補救，反之則說明施工質(zhì)量良好。

2.3" "監(jiān)測結(jié)果分析

2.3.1" " 測點布設(shè)

為掌握本次城市地下軌道交通工程中盾構(gòu)掘進施工技術(shù)的應(yīng)用效果，在盾構(gòu)施工現(xiàn)場采取實時觀測的方式，收集隧道地表沉降數(shù)據(jù)。隧道地表監(jiān)測點布置如圖3所示。

2.3.2" "沉降值統(tǒng)計與分析

在本次地下軌道交通盾構(gòu)掘進施工中，沿線路均勻布置觀測點，每日通過精密的水準儀進行一次地表沉降觀測，并對觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計整理。隧道地表沉降監(jiān)測值統(tǒng)計如表2所示。

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，隨著地下軌道交通盾構(gòu)施工的不斷展開，隧道地表沉降值呈先增長后穩(wěn)定的狀態(tài)，且增長速率越來越小。與此同時，在城市地下軌道交通盾構(gòu)掘進過程中，隧道中心位置處的地表沉降量較隧道兩側(cè)地表沉降量明顯增大，但最終累計的最大沉降量僅為19.81mm，未超過城市地下軌道交通施工的限值。由此可以說明，本次盾構(gòu)掘進施工質(zhì)量較好，可將盾構(gòu)對周圍環(huán)境的影響控制一定范圍內(nèi)。

3" "結(jié)束語

盾構(gòu)掘進施工不僅有利于降低城市地下軌道交通工程中的施工風(fēng)險，而且有利于保護周圍環(huán)境與建筑物的安全穩(wěn)定，對推動我國城市化建設(shè)步伐具有重要的現(xiàn)實意義。

本文針對城市地下軌道交通盾構(gòu)掘進施工技術(shù)進行研究，詳細闡述了盾構(gòu)機選型、盾構(gòu)機掘進及注漿護壁這幾個關(guān)鍵工序內(nèi)容，并依托實際工程對所設(shè)計盾構(gòu)掘進施工技術(shù)的有效性進行驗證。

監(jiān)測結(jié)果顯示，隧道中心位置處、隧道兩側(cè)地表沉降量最大沉降量僅為19.81mm，未超過城市地下軌道交通施工的限值。由此可以說明，本次盾構(gòu)掘進施工質(zhì)量較好，可將周圍環(huán)境的影響控制一定范圍內(nèi)。

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