地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)面的穩(wěn)定性研究

許 飛

(太原市市政公用工程質(zhì)量監(jiān)督站，山西 太原 030012)

1 概述

高鐵、航運(yùn)以及市政交通等涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生活水平的提高而飛速發(fā)展，對(duì)于城市發(fā)展空間越來(lái)越受到限制，城市存在的交通堵塞、城市防災(zāi)減災(zāi)能力弱化、城市人口數(shù)量增加、城市建筑密度大以及環(huán)境污染等亟待解決問題也逐漸增多[1]。交通疏導(dǎo)是城市建設(shè)發(fā)展的基礎(chǔ)，然而在城市中出現(xiàn)的交通擁堵現(xiàn)象已成為制約城市發(fā)展的重要問題。為了減小城市地上交通擁堵問題，隨著我國(guó)重型建筑機(jī)械的研發(fā)和發(fā)展，科學(xué)規(guī)劃、合理利用和高度整合地下空間已成為解決城市地上交通擁堵的重要方法[2]。地鐵具有環(huán)保、不占用地上空間、運(yùn)輸量大、運(yùn)營(yíng)效率高等綜合優(yōu)勢(shì)。為了避免隧道開挖對(duì)城市的不良影響，施工過程中的安全問題成為一項(xiàng)特別重要的問題，地鐵施工的主要方法包括盾構(gòu)施工法、礦山施工法和明挖施工法。盾構(gòu)施工法是指盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中進(jìn)行管片拼裝并在壁后注漿保持隧道穩(wěn)定性的施工方法。盾構(gòu)施工法是一種綜合的地下施工法，它涉及到機(jī)械制造、土木工程、電力通信等領(lǐng)域的問題，如圖1所示。盾構(gòu)施工法相對(duì)其他施工方法具有速度快、對(duì)周圍環(huán)境影響小、對(duì)地層的適應(yīng)性強(qiáng)、土方量較少、安全系數(shù)高、施工效率高、施工不受氣候因素影響以及經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)越來(lái)越多的在我國(guó)城市地鐵建設(shè)中應(yīng)用[3]。

盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)面對(duì)圍巖的擾動(dòng)會(huì)破壞圍巖和隧道之間的受力平衡，容易產(chǎn)生沉降變形，施工過程會(huì)根據(jù)地質(zhì)條件和施工工藝的不同對(duì)圍巖產(chǎn)生剪切變形，若在施工過程中發(fā)生事故，將會(huì)對(duì)人員及財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。在隧道工程中，確保構(gòu)筑物不產(chǎn)生破壞以及盾構(gòu)機(jī)的順利推進(jìn)，是盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)與施工中的非常關(guān)鍵問題。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)面的支護(hù)壓力的控制和確定是影響工程質(zhì)量的重要因素。隨著盾構(gòu)施工技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，關(guān)于地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)面的穩(wěn)定性的研究飛速發(fā)展，相關(guān)分析方法和理論模型也逐漸完善，并取得很多重要的研究結(jié)論[4-7]。而我國(guó)在盾構(gòu)施工技術(shù)方面還處于起步階段，許多關(guān)于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程存在的問題還處于摸索階段，這極大制約了我國(guó)地鐵盾構(gòu)施工法的使用和推廣。盾構(gòu)推進(jìn)產(chǎn)生的造成地層損失及地表沉降的原因主要包含兩個(gè)方面：一方面，盾構(gòu)掘進(jìn)面處的支護(hù)壓力過大或過??；另一方面，在盾構(gòu)機(jī)尾部的噴漿過多或過少。如果在盾構(gòu)掘進(jìn)面處的支護(hù)壓力沒有得到控制，那么施工過程中的地層損失以及地表沉降的現(xiàn)象非常顯著，這種控制如果產(chǎn)生劇烈擾動(dòng)很容易產(chǎn)生非常嚴(yán)重的破壞性。

2 盾構(gòu)施工技術(shù)

2.1 盾構(gòu)施工的施工方法

盾構(gòu)機(jī)根據(jù)工作原理一般分為手掘式盾構(gòu)，擠壓式盾構(gòu)，半機(jī)械式盾構(gòu)，機(jī)械式盾構(gòu)。盾構(gòu)機(jī)主要由盾體(盾殼、盾頭)、切削刀具、切削刀具驅(qū)動(dòng)設(shè)備、液壓頂護(hù)設(shè)備、管片連接設(shè)備、渣土運(yùn)送設(shè)備、電氣輔助設(shè)備等七大部分構(gòu)成。盾構(gòu)機(jī)的工作原理為：盾構(gòu)機(jī)設(shè)備開啟，切削刀具在驅(qū)動(dòng)設(shè)備作用下高速旋轉(zhuǎn)切削渣土，被切下的渣土通過渣土運(yùn)送設(shè)備運(yùn)輸至渣土車中，再通過豎井運(yùn)至地面。盾構(gòu)機(jī)在液壓缸的推力作用下向前推進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)每向前推進(jìn)一個(gè)管片長(zhǎng)度，管片連接設(shè)備將預(yù)制管片安裝到盾構(gòu)機(jī)尾部，防止圍巖塌陷造成事故。盾體對(duì)挖掘出的還未襯砌的隧道起到臨時(shí)支護(hù)的作用[8]。

盾構(gòu)施工法是使用盾構(gòu)機(jī)在地下掘進(jìn)過程中，可實(shí)現(xiàn)防止掘進(jìn)面圍巖塌陷。盾構(gòu)施工法是由掘進(jìn)面確定、隧道掘進(jìn)和混凝土襯砌3大部分組成。盾構(gòu)施工法一般分為4個(gè)步驟：1)在隧道一端建造豎井來(lái)安裝盾構(gòu)機(jī)；2)盾構(gòu)掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)從豎井的避免開孔處出發(fā)，按照施工要求向隧道另一端推進(jìn)，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，渣土通過渣土運(yùn)送設(shè)備從掘進(jìn)面排至地面；3)在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，安裝隧道襯砌結(jié)構(gòu)，防止隧道塌方；4)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到隧道另一端，掘進(jìn)結(jié)束[9]，圖2為盾構(gòu)機(jī)的施工過程的示意圖。

2.2 盾構(gòu)施工的支護(hù)壓力

盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中，對(duì)圍巖的切削擾動(dòng)造成圍巖內(nèi)部的應(yīng)力釋放、體積膨脹、圍巖含水量增加以及孔隙水壓力的增大。在原始地層中，圍巖處于原始地應(yīng)力平衡狀態(tài)。由于地質(zhì)條件和施工工藝的限制，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中，原始地應(yīng)力平衡狀態(tài)發(fā)生變化，盾構(gòu)機(jī)對(duì)圍巖產(chǎn)生加載及卸載等一系列力學(xué)行為，對(duì)周圍圍巖的擾動(dòng)會(huì)破壞圍巖和隧道之間的受力平衡，容易產(chǎn)生沉降變形，施工過程容易產(chǎn)生土體的剪切變形，如果支護(hù)壓力控制對(duì)掘進(jìn)面處的圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響。如果支護(hù)壓力控制不足會(huì)導(dǎo)致掘進(jìn)面處的圍巖壓力減小，且掘進(jìn)面處的圍巖對(duì)盾構(gòu)機(jī)的壓力艙產(chǎn)生擠壓，最終導(dǎo)致地表沉降甚至坍塌。如果支護(hù)壓力過大則會(huì)導(dǎo)致掘進(jìn)面處的圍巖壓力增大，且盾構(gòu)機(jī)的壓力艙對(duì)掘進(jìn)面處的圍巖產(chǎn)生擠壓，最終導(dǎo)致地表起皺。因此，在盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)掘進(jìn)面上的支護(hù)壓力需要滿足使施工圍巖上方的地表面既不塌陷又不起皺，這就意味著盾構(gòu)掘進(jìn)面的支護(hù)壓力控制非常重要。

圍巖在開挖后，原始地應(yīng)力平衡狀態(tài)發(fā)生變化，為了保證掘進(jìn)面穩(wěn)定，需要盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，既要保證盾構(gòu)機(jī)在克服外界摩擦力和靜水壓力下保持基本的掘進(jìn)速度，還要保證掘進(jìn)面的支護(hù)力控制在地表不塌陷和不起皺的數(shù)值范圍內(nèi)。假設(shè)盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)面上的壓力為P，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)支護(hù)力過大時(shí)，掘進(jìn)面圍巖處于被動(dòng)圍巖壓力狀態(tài)，假設(shè)被動(dòng)圍巖壓力為Pb；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)支護(hù)力過小時(shí)，掘進(jìn)面圍巖處于主動(dòng)圍巖壓力狀態(tài)，假設(shè)被動(dòng)圍巖壓力為Ps；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)處于動(dòng)態(tài)平衡位置時(shí)，掘進(jìn)面圍巖處于平衡圍巖壓力狀態(tài)。為了保證地表不塌陷和不起皺，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)面上的壓力為P必須滿足條件：PsPb，此時(shí)圍巖支護(hù)力過大，則掘進(jìn)面上方地層產(chǎn)生起皺現(xiàn)象；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)面上的壓力小于主動(dòng)圍巖壓力，即P

因此需要確定支護(hù)壓力值，支護(hù)壓力值與隧道掘進(jìn)面與地表的距離、圍巖物理參數(shù)以及地下水壓力Pw有關(guān)。盾構(gòu)掘進(jìn)面上的支護(hù)壓力滿足使施工圍巖上方的地表面既不塌陷又不起皺情況，需要注意支護(hù)壓力需介于壓力上限Pu和壓力下限Pd。靜態(tài)圍巖壓力P1可表示為:

P1=ρλH

(1)

其中,ρ為圍巖側(cè)向壓力系數(shù)；λ為圍巖的重度，N/m3；H為計(jì)算壓力點(diǎn)處的深度，m。圍巖側(cè)向壓力系數(shù)ρ表達(dá)式為:

(2)

將式(2)代入式(1)可得到靜態(tài)圍巖壓力P1為:

(3)

其中,μ為圍巖的泊松比。假設(shè)在盾構(gòu)掘進(jìn)面施加的支護(hù)壓力P2的表達(dá)式為:

(4)

其中,σ為圍巖的支護(hù)應(yīng)力比。當(dāng)σ=1時(shí)，靜態(tài)圍巖壓力P1等于盾構(gòu)掘進(jìn)面施加的支護(hù)壓力P2，即P1=P2，此時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)面處于平衡狀態(tài)；當(dāng)σ>1時(shí)，靜態(tài)圍巖壓力P1大于盾構(gòu)掘進(jìn)面施加的支護(hù)壓力P2，即P1

盾構(gòu)掘進(jìn)面的壓力上限Pu為被動(dòng)圍巖壓力Pb、地下水壓力Pw和盾構(gòu)掘進(jìn)面施加的支護(hù)壓力之和，根據(jù)式(4)可得到盾構(gòu)掘進(jìn)面的壓力上限Pu為:

(5)

盾構(gòu)掘進(jìn)面的壓力下限Pd為主動(dòng)圍巖壓力Ps和地下水壓力Pw之和，盾構(gòu)掘進(jìn)面的壓力下限Pd為:

Pd=Ps+Pw

(6)

終上所述，為了避免掘進(jìn)面上方地層產(chǎn)生起皺現(xiàn)象，應(yīng)該減小圍巖支護(hù)力，即盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)面上的壓力小于壓力上限Pu，即PPd。

3 結(jié)語(yǔ)

地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)是一種綜合的地下施工法，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中容易產(chǎn)生沉降變形，因此對(duì)于盾構(gòu)施工的穩(wěn)定性研究就顯得尤為重要。總結(jié)了盾構(gòu)施工的施工方法和工作原理以及盾構(gòu)掘進(jìn)面支護(hù)力產(chǎn)生原因和控制方法，闡述了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，圍巖的三種壓力狀態(tài)：主動(dòng)圍巖壓力狀態(tài)、被動(dòng)圍巖壓力狀態(tài)和平衡圍巖壓力狀態(tài)，得到了支護(hù)壓力與三種圍巖壓力狀態(tài)的關(guān)系所對(duì)應(yīng)的地表形貌。該研究可以對(duì)盾構(gòu)施工技術(shù)具有一定的理論指導(dǎo)意義。

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