地鐵隧道區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)信息化施工分析與控制

肖銘釗 蔡兵華

摘要：目前在地鐵建設(shè)過程中，區(qū)間隧道采用盾構(gòu)設(shè)備施工已較為普遍，因此盾構(gòu)施工技術(shù)控制至關(guān)重要，文章以武漢某區(qū)間為依托，重點的介紹了盾構(gòu)在始發(fā)過程中發(fā)生“磕頭”情況后所采取的各項技術(shù)保障措施。在此基礎(chǔ)上，從盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)參數(shù)、工程地質(zhì)及施工過程中的各項監(jiān)控數(shù)據(jù)等方面討論了地鐵區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)控制。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道施工；始發(fā)“磕頭”；盾構(gòu)參數(shù)；震動液化

隨著城市的建設(shè)，地鐵建設(shè)行業(yè)也隨之蓬勃發(fā)展，而盾構(gòu)施工即高效又安全，越來越受到隧道施工單位的青睞。由于在城市地鐵建設(shè)過程中周邊環(huán)境與地質(zhì)條件復(fù)雜，因此施工過程中施工風(fēng)險較高，盾構(gòu)參數(shù)的控制及對地質(zhì)特性的研判就顯得特別重要。盾構(gòu)在始發(fā)階段，各項參數(shù)都處于試掘進(jìn)狀態(tài)，各項的參數(shù)還不是很穩(wěn)定，因此這個階段就顯得特別重要，因為前期的試掘進(jìn)參數(shù)不僅對后期隧道掘進(jìn)有指導(dǎo)性的意義，更重要的是在盾構(gòu)剛開始掘進(jìn)時會由于地質(zhì)情況及掘進(jìn)參數(shù)的原因而導(dǎo)致發(fā)生工程事故。

鑒于此，本文以武漢地鐵某隧道實際工程為例，系統(tǒng)介紹了盾構(gòu)在始發(fā)階段由于地質(zhì)及掘進(jìn)操作原因?qū)е露軜?gòu)始發(fā)“磕頭”的情況及相關(guān)處理技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，為了有效地降低和控制工程風(fēng)險，從技術(shù)及管理兩方面探討了盾構(gòu)發(fā)生“磕頭”情況后的施工安全控制過程，為類似工程提供有益參考。

1工程概況

1.1區(qū)間水文地質(zhì)概況

武漢地鐵某區(qū)間設(shè)計全長1018.757m，區(qū)間間距9~16米，線路平面最小曲線半徑為300m，線路最大縱坡為28.3‰。區(qū)間采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間處于長江Ⅰ級階地前緣，表層分布人工填土層，其下呈現(xiàn)典型的二元結(jié)構(gòu)，上部為粘性土，局部夾淤泥質(zhì)土，中、下部為稍密——中密粉細(xì)砂、密實中粗砂，底部局部分布礫卵石，下伏基巖除局部分布白堊系——下第三系東湖群（K-Edh）礫巖、砂巖外，主要為志留系中統(tǒng)墳頭組（S2f）泥巖和粉砂巖。區(qū)間直接影響的地表水系主要為長江水系，平均水位約18m。區(qū)間地下水按埋藏條件主要為上層滯水和層間承壓水兩種類型。上層滯水主要賦存于人工填土層中，地下水位不連續(xù)，埋深為1.9~2.3m。承壓水主要賦存于第四系全新統(tǒng)沖積粉細(xì)砂、中粗砂礫石層中，含水層頂板埋深為5.7~9.2m，厚度為一般35~42m。承壓水頭與長江水位漲落密切相關(guān)，大氣降水的入滲補給對其影響較小。

1.2盾構(gòu)機“磕頭”位置周圍環(huán)境概況

該區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)端頭采用“旋噴＋隔離樁＋袖閥管注漿”的措施進(jìn)行了加固，加固長為端頭以外10m；其中旋噴樁加固長度為6.8m，袖閥管注漿長度3.4m。左線泥水盾構(gòu)于3月19日始發(fā)，在掘進(jìn)通過了端頭加固區(qū)期間掘進(jìn)參數(shù)正常。但在3月23日夜班，+6環(huán)掘進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)突然變化，盾構(gòu)下沉趨勢明顯。此時盾構(gòu)刀盤已脫出加固體，進(jìn)入（3-5）粉質(zhì)粘土、粉砂互層原狀地層中掘進(jìn)，盾尾仍然在加固體之內(nèi)。+6環(huán)掘進(jìn)時盾構(gòu)機位置見圖-1。

2工程事件經(jīng)過

2.1盾構(gòu)“磕頭”事件處理經(jīng)過

在發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)突變以后，現(xiàn)場采取盡量加大底部油缸推力、減小上部油缸推力，進(jìn)行調(diào)向，盾構(gòu)下沉趨勢減小。但在后續(xù)掘進(jìn)中，又發(fā)生盾構(gòu)下沉突變現(xiàn)象，在繼續(xù)加大下部油缸推力的基礎(chǔ)上，同時加大同步注漿量、逐步增大泥水壓力等措施后，發(fā)現(xiàn)下沉趨勢好轉(zhuǎn)，但在掘進(jìn)完成+14環(huán)后，盾構(gòu)機又發(fā)生更大的突變（刀盤垂直姿態(tài)下跌到-640mm），盾構(gòu)機與水平面的俯仰角突變?yōu)?44mm/m，此時這些措施已不能有效地控制盾構(gòu)機姿態(tài)，因此現(xiàn)場立即決定停機，研究下一步措施。

圖-1+6環(huán)盾構(gòu)機平面位置

3月31日，在對左線盾構(gòu) “侵限”的原因及下一步采取的措施進(jìn)行論證后，制訂了在盾構(gòu)機底部增加了輔助推進(jìn)油缸，以提高底部頂推力的處理方案。為此，施工單位在盾構(gòu)底部增加了1臺300t、2臺100t的輔助推進(jìn)油缸，并于4月5日開始試掘進(jìn)調(diào)向，至4月6日11：00，＋16環(huán)推進(jìn)油缸行程達(dá)到1300mm時，盾構(gòu)機與水平面的俯仰角由-44mm/m逐步“抬頭”，并逐漸調(diào)整到-23mm/m。試掘進(jìn)的結(jié)果證明，采用底部增加輔推油缸的措施可有效控制盾構(gòu)的“侵限”趨勢，再向前方掘進(jìn)一段距離后，盾構(gòu)可以實現(xiàn)“抬頭”掘進(jìn)。

2.2盾構(gòu)“磕頭”技術(shù)處理

為了確保后期盾構(gòu)糾偏施工的順利進(jìn)行，督導(dǎo)現(xiàn)場施工風(fēng)險控制措施的落實，還從技術(shù)、管理等方面采取了相應(yīng)的措施，具體如下：

2.2.1 技術(shù)措施

（1）調(diào)高盾構(gòu)液壓推進(jìn)系統(tǒng)油壓，由原350bar調(diào)高到380bar，以增加盾構(gòu)機的調(diào)向推力；（2）在盾尾底部增加輔助推進(jìn)油缸，進(jìn)一步增加底部的推力，底部增加1臺300t、2臺100t的輔助油缸進(jìn)行調(diào)向。（3）在調(diào)向階段，管片安裝時預(yù)留一定的自由度，同時將同步注漿材料調(diào)整為惰性漿液，并采取從下部同步注漿的方式（待達(dá)到預(yù)期上浮量后，再采用雙液漿對此段管片進(jìn)行固定）等措施，使管片在脫出盾尾后能有最大限度的上浮量；盾構(gòu)調(diào)向過程中正常建立泥水倉壓力，保證正面提供足夠的反力及力矩（抵消因主機重心與浮力不同心而產(chǎn)生栽頭力矩）；盾構(gòu)掘進(jìn)正常后避免非正常停機，確保盾構(gòu)機連續(xù)快速掘進(jìn)。（4）結(jié)合PPS自動導(dǎo)向系統(tǒng)，加大人工復(fù)核頻率，為盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整提供可靠依據(jù)；加強調(diào)向控制管理，將每環(huán)調(diào)整量進(jìn)一步細(xì)化、分解到階段性目標(biāo)，確保隨后每一環(huán)的盾構(gòu)掘進(jìn)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。（5）加大同步注漿量和其它輔助措施，使侵限地段管片在脫出盾尾后及時進(jìn)行一定量的上浮量。（6）認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，不斷優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)。根據(jù)不同地質(zhì)情況選擇合適的掘進(jìn)參數(shù)，在掘進(jìn)過程中對土壓力、推力、扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)速度等掘進(jìn)參數(shù)不斷進(jìn)行分析總結(jié)，并不斷優(yōu)化，保證盾構(gòu)以最佳狀態(tài)進(jìn)行盾構(gòu)的掘進(jìn)。（7）考慮到盾構(gòu)隧道水平方向的偏差影響，最終在盾構(gòu)掘進(jìn)通過后根據(jù)實際隧道線形，設(shè)計單位對線路坡度進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

2.2.2管理措施

（1）全面真實的反映左線既成隧道的平面和縱斷面位置，根據(jù)目前盾構(gòu)機姿態(tài)調(diào)整的實際能力，并積極與設(shè)計院作好溝通、協(xié)調(diào)，確定下一步線路調(diào)坡方案。（2）加強施工過程管理，實行早、晚“交班會”制度，每天7：30、19：00由項目經(jīng)理主持召開兩次交班會，將上個班施工情況、下個班施工安排以及施工過程中需要解決的問題在會上予以明確，分析工序影響時間，保證施工的連續(xù)快速。（3）加強施工紀(jì)律管理力度，強調(diào)施工紀(jì)律的嚴(yán)肅性。在施工過程中按照施工紀(jì)律進(jìn)行管理，制訂獎罰措施，每天在交班會上嚴(yán)格兌現(xiàn)。

3工程事件原因分析

在此次左線盾構(gòu)出現(xiàn)“磕頭”事故中，我認(rèn)為造成左線盾構(gòu)“磕頭”主要原因有以下幾點：

3.1地質(zhì)原因

盾構(gòu)穿越端頭加固區(qū)域后，開始進(jìn)入全斷面（3-5）粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂互層地層，該地層是上部粘土與下部砂土之間的過渡層，強度較低，標(biāo)貫擊數(shù)一般3.0~20.0擊，平均8.6擊，含水率為23~32%，承載力特征值為120kPa；其中粉質(zhì)粘土含水率為32.1%，孔隙比0.930，軟~可塑狀，壓縮模量為4.7MPa，具高壓縮性；粉土含水率28.3%，天然重度19.3kN/m3，孔隙比0.792，壓縮模量為5.7MPa，具中等壓縮性，抗剪強度指標(biāo)C值為15kPa，φ值為21°；粉砂含水率23.5%，天然重度19.9kN/m3，孔隙比0.677，壓縮模量為11.5MPa，具低壓縮性，抗剪強度指標(biāo)C值為0kPa，φ值28°。該層總體具砂性土特征，具各向異性，水平方向滲透性遠(yuǎn)大于垂直方向滲透性。而該區(qū)間采用的是泥水平衡盾構(gòu)，盾構(gòu)機重量大，其主機重量為338噸，盾構(gòu)機在該地層中掘進(jìn)時容易產(chǎn)生“栽頭”的趨勢。

在盾構(gòu)機主機一出加固區(qū)后，在正常推進(jìn)的情況下，盾構(gòu)機垂直方向趨勢即發(fā)生突變（垂直趨勢由+12mm/m突變?yōu)?25mm/m），隨后在采取減小上部油缸推力、增大下部油缸推力等措施的前提下，仍出現(xiàn)跳躍式變化，使盾構(gòu)機垂直姿態(tài)進(jìn)一步惡化。

在現(xiàn)場碴土外運過程中，現(xiàn)場分離出的碴土存在較明顯的振動液化現(xiàn)象，結(jié)合盾構(gòu)掘進(jìn)施工實際情況，初步推測在有壓泥水的作用下，使該原狀地層含水率出現(xiàn)超飽和等劣化現(xiàn)象，在盾構(gòu)掘進(jìn)時長時間擾動的情況下，可能使（3-5）粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂互層地層發(fā)生振動液化現(xiàn)象，承載力大大降低，進(jìn)而造成盾構(gòu)機姿態(tài)發(fā)生突變。

3.2管理方面原因

施工單位對盾構(gòu)穿越加固區(qū)域、進(jìn)入松軟的全斷面（3-5）粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂互層中掘進(jìn)時，盾構(gòu)可能出現(xiàn) “栽頭”趨勢主觀上認(rèn)識不足，且出現(xiàn)“栽頭”情況時并未及時通知參建各方，而是私自進(jìn)行調(diào)整。

4結(jié)論

4.1該區(qū)間盾構(gòu)在采取以上施工措施后，盾構(gòu)姿態(tài)已逐步調(diào)整到正常范圍，這說明采用底部增加輔推油缸的措施可有效控制盾構(gòu)的“栽頭”趨勢。

4.2泥水盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中，要注意所掘進(jìn)的土層變化情況，特別是要注意易發(fā)生液化的地層。

參考文獻(xiàn)

[1] 宮志群.地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道施工風(fēng)險分析及評價[D].天津:天津大學(xué),2006.

[2] 董明鋼.盾構(gòu)隧道施工安全的若干問題研究[D].上海:同濟大學(xué), 2005.

[3] 周誠.地鐵工程建設(shè)安全控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2007.

[4] 李發(fā)勇.粉細(xì)砂地層盾構(gòu)施工風(fēng)險分析與應(yīng)對措施[J].隧道建設(shè), 2009(6).

[5] 李章林,戴仕敏,黃德中.上中路隧道工程盾構(gòu)出洞施工技術(shù)[J].上海建設(shè)科技,2006(4).