城市軌道交通盾構(gòu)掘進施工技術(shù)的研究

曹亞莉 侯夏杰 吳艷麗 王 丹 王帥鵬

（黃河交通學(xué)院，河南 武陟 454950）

0 引言

城市軌道交通的隧道工程采用明挖法或淺埋暗挖法施工，不僅需要處理大量的土石方，增加工程造價，還會對地面的城市交通、居民工作與生活產(chǎn)生影響。因此，盾構(gòu)機在軌道工程隧道施工作業(yè)中的使用越來越廣泛，且由于我國具有自主研發(fā)能力后，使用盾構(gòu)機施工掘進隧道的成本大幅降低[1]。但將盾構(gòu)機應(yīng)用于復(fù)雜的城市軌道建設(shè)項目的相關(guān)施工技術(shù)成果較少。在復(fù)雜的地下環(huán)境中使用盾構(gòu)施工時，需要嚴(yán)格控制機械的作業(yè)參數(shù)，以控制機械穩(wěn)定作業(yè)，保障掘進作業(yè)效率[2]。因此，本文以實際的軌道項目為對象，研究城市軌道交通盾構(gòu)掘進施工技術(shù)，力求最大程度上減少軌道施工對于城市正常運行的干擾，以期為相似的工程施工提供參照。

1 項目概況

城市軌道交通項目L全線長度約為40km，地下軌道長度約為36.8km，地下軌道運行隧道的最小埋深為11.5m，隧道的最大埋深為34.6m。地下軌道運行坡度區(qū)間為3‰~27‰，地下軌道線路曲線部分的設(shè)計值分別為400m、460m、1800m。城市地下水位距離施工作業(yè)區(qū)域地表4.9~7.8m。

1.1 項目地形條件

該城市軌道項目在隧道施工區(qū)段地形上為東南方向地勢高于西北方向，主要需要穿越平原和少部分丘陵地帶。丘陵地帶高度約為35~78m，平原地區(qū)的高程范圍約為0~23m，地下水系較為豐富。整體軌道項目的施工區(qū)域有南北走向的褶皺和3條規(guī)模相對較小的斷裂。地表含有不同時期形成的砂頁巖、花崗巖、碎屑巖以及砂層沉積等，基層巖石發(fā)育有一定規(guī)模的裂隙。施工區(qū)域內(nèi)巖石承載力均通過前期的地質(zhì)勘探得到詳細的數(shù)據(jù)。

1.2 項目水文地質(zhì)條件

規(guī)劃設(shè)計地下施工區(qū)域的地質(zhì)圍巖類型主要為花崗巖、砂礫巖等，巖石之間含有塑性不同的黏土層。施工區(qū)域圍巖穩(wěn)定性、軟硬不同，斷層破碎區(qū)域的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。

軌道施工區(qū)域含有非常豐富的地下水，淺水位的變化幅度為2~3.4m，正常的平均水位4.2m。地下水富藏于砂土層的孔隙中，經(jīng)過測量滲透系數(shù)約為18~25m/d，土層的滲透性較強。

2 盾構(gòu)掘進施工技術(shù)研究

2.1 盾構(gòu)滾刀受力計算

盾構(gòu)機進行掘進作業(yè)時，其刀盤上的每一個滾刀以中心軸為公轉(zhuǎn)中心同時進行自轉(zhuǎn)，配合刀盤對掘進線路的控制，實現(xiàn)螺旋運動下的隧道空間施工。因此，當(dāng)盾構(gòu)機掘進過程中接觸到地質(zhì)圍巖時，滾刀會侵入巖體施加應(yīng)力，使得巖體破碎從而形成新的作業(yè)面。

盾構(gòu)機的滾刀在破巖過程中，受到垂直、左右側(cè)向三個方向的巖體應(yīng)力。在盾構(gòu)機掘進操作推進力的作用下，滾刀的不同方向上的受力可以按照下式計算[3]：

式中：Fc——滾刀掘進作業(yè)時受到的垂直方向的力；

ξ——盾構(gòu)掘進時刀盤受到的推力系數(shù)；

r——滾刀刀尖轉(zhuǎn)動半徑；

e1——滾刀材質(zhì)的彈性模量；

e2——破碎巖石的彈性模量；

ps——巖石對應(yīng)種類的抗壓強度；

d——滾刀侵入巖石的侵入量；

R——滾刀刀盤半徑。

式中：Fb——側(cè)向?qū)L刀產(chǎn)生的力，左右側(cè)向力的方向與滾刀受力成相同的夾角；

γ——巖石的抗剪系數(shù)。

此外，盾構(gòu)滾刀在滾動前進時，還會受到滾動平面的方向力，其大小可以按照下式計算：

式中：φ——滾刀轉(zhuǎn)動時，刀刃接觸點與巖石表面弧度之間的夾角。

根據(jù)以上的盾構(gòu)機滾刀受力分析，結(jié)合施工區(qū)域的地質(zhì)水文信息，配置盾構(gòu)掘進施工參數(shù)。

2.2 盾構(gòu)掘進施工參數(shù)配置

不同的巖體、土層給予掘進作業(yè)盾構(gòu)機刀盤的外力存在差異。為達到良好的掘進效果，保護機械和作業(yè)面安全，需要計算并控制其在不同施工區(qū)間的掘進推力、扭矩等主要施工作業(yè)參數(shù)。

盾構(gòu)機掘進作業(yè)時，遠離作業(yè)面的盾尾會與掘進管片之間存在間隙。為避免盾尾間隙過小，影響施工速度和安全，設(shè)定盾尾間隙應(yīng)大于40mm。盾尾間隙由管片相對盾尾端部的距離決定，計算公式如下[4]：

式中：S——管片相對盾尾端部的距離；

L——城市軌道的管片內(nèi)側(cè)曲率半徑，其數(shù)值上由對應(yīng)區(qū)段隧道的設(shè)計半徑和管片外徑之差確定。

為保證施工作業(yè)安全，盾構(gòu)機的作業(yè)面，即盾構(gòu)機的直徑應(yīng)大于管片外徑和間隙。

盾構(gòu)機靈敏度決定其操作穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)彎掘進量，結(jié)合城市軌道工程項目的地質(zhì)勘測結(jié)果，盾構(gòu)靈敏度設(shè)定為0.75。以靈敏度數(shù)值計算盾構(gòu)機的長度，公式如下：

式中：LC——盾構(gòu)作業(yè)面與鉸接中心之間的長度；

RD——盾構(gòu)機的最大外徑。

盾構(gòu)機掘進的推力可以由2個經(jīng)驗公式確定其取值范圍。推力經(jīng)驗公式如下：

式中：F1、F2——分別為盾構(gòu)推力經(jīng)驗計算值；

α——[500,1200]取值區(qū)間上的經(jīng)驗值；

Pq——盾構(gòu)掘進工作面單位面積掘進時的推力值。

盾構(gòu)推力應(yīng)小于經(jīng)驗值F1并且大于經(jīng)驗值F2，從而保證推力充足。初步配置盾構(gòu)參數(shù)后，還需根據(jù)實際的工程地質(zhì)條件以及掘進情況動態(tài)調(diào)整。

2.3 地層掘進施工控制

盾構(gòu)機掘進作業(yè)的擾動會引發(fā)作業(yè)面土體發(fā)生位移，從而地面沉降范圍擴大。不同類型地層掘進控制策略存在差異。若前期勘測黏土層礦物比例大于25%，并且黏土層附近地層富集砂巖、花崗巖多等，要在盾構(gòu)軸承附近安裝攪拌棒，并定時停機冷卻盾構(gòu)。盾構(gòu)出土壓力應(yīng)小于主動壓力，并且將掘進速度設(shè)置為硬巖推進速度的55%~60%。黏土層掘進距離較長時，通過注水、加入分散劑等方式，避免在刀盤處形成泥餅。

硬巖地層掘進對刀片磨損較為嚴(yán)重，盾構(gòu)機體受到的反作用力較大[5]。應(yīng)采用安裝撐靴、反轉(zhuǎn)刀盤的方式，減少機體轉(zhuǎn)動并糾正偏差。減小刀盤扭矩并增大刀盤轉(zhuǎn)速，將刀具侵入巖體的貫入度控制為低于3mm/min。硬巖掘進對土層的擾動較大，控制盾構(gòu)的掘進角度以避免土層沉降。

軟硬不均土層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，受掘進擾動更大。掘進路線應(yīng)盡可能處于均質(zhì)地層。控制掘進速度減小出渣量，采用土壓平衡的模式掘進并及時更換磨損刀具。

2.4 盾構(gòu)掘進模式轉(zhuǎn)換

城市軌道施工區(qū)域地層條件的復(fù)雜性，要求盾構(gòu)掘進施工時需要及時調(diào)整盾構(gòu)掘進模式，以免對設(shè)備造成嚴(yán)重的損壞。對盾構(gòu)端頭土體進行加固，避免掘進作業(yè)面出現(xiàn)涌水涌砂問題。

配置1∶1比例的加固泥漿后，在加固作業(yè)位置上方鉆孔灌漿至標(biāo)高。檢測加固效果達標(biāo)后安裝盾構(gòu)基座，計算始發(fā)盾構(gòu)的阻力矩：

式中：f1——盾構(gòu)機主體與基座之間的摩擦系數(shù)；

G——盾構(gòu)機主體自重壓力。

始發(fā)掘進時，盾構(gòu)機的掘進力矩應(yīng)大于等于始發(fā)阻力矩。配置盾構(gòu)的掘進參數(shù)后，在盾構(gòu)殼體間以及基座上方托墊處進行防扭處理。將基座長度延伸并與起始掘進洞口處的預(yù)埋鋼板連接，形成穩(wěn)定的平衡土壓狀態(tài)，保證掘進過程的盾構(gòu)姿態(tài)。

盾構(gòu)機根據(jù)掘進土層的類型，采用土壓平衡式、半敞開式以及敞開式施工。若掘進土層主要為硬巖層采用土壓平衡模式施工；對于黏性較大或者軟硬結(jié)合的土層掘進使用半敞開式模式施工；對于土層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的斷裂地層選用敞開式模式施工。城市軌道施工線路具有一定的坡度，在掘進過程中根據(jù)地質(zhì)情況轉(zhuǎn)換掘進模式。當(dāng)掌子面氣密性良好的情況下，降低土艙輸送機的轉(zhuǎn)速，減少出渣量同時在密封面注入空氣，形成土壓平衡。若掌子面氣密性不佳，停止空氣注入，降低土渣輸送速率并將土渣填實，保持土艙壓力平衡。盾構(gòu)穿過城市地下管線時，控制掘進速度保持在30~50mm/min之間。利用地面預(yù)留孔，向環(huán)間灌漿。掘進模式轉(zhuǎn)換的過渡長度為10mm，加強對地面的監(jiān)測避免事故。掘進同步灌注泥漿填充環(huán)間間隙，安裝管片形成牢固的支撐面。盾構(gòu)到達指定位置后，注漿加固豎井后拆除擋土墻完成區(qū)段施工。

3 盾構(gòu)施工技術(shù)應(yīng)用效果驗證

為對上述城市軌道交通盾構(gòu)掘進施工技術(shù)實際應(yīng)用效果進行驗證，在城市軌道項目200m長的區(qū)段M中應(yīng)用該技術(shù)進行施工。以施工前后M區(qū)段的縱向沉降量以及施工時的土倉壓力變化進行對比，以反映施工技術(shù)的性能優(yōu)劣。

相同外界施工條件下，M區(qū)段施工結(jié)束后10d測量縱向沉降值，各沉降測量點位的測量數(shù)值如圖1所示。

圖1 M區(qū)段縱向沉降量對比

由圖1分析可知，在曲線中心測量點位的沉降值最大，但是使用本文提出的施工技術(shù)的區(qū)段縱向沉降量小于未應(yīng)用本文技術(shù)的區(qū)段。在中心點處，采用本文闡述的技術(shù)施工，沉降值降低了約24.29%，改進效果顯著。

施工時，應(yīng)用不同施工技術(shù)同一盾構(gòu)機土艙壓力變化對比如圖2所示。

圖2 土艙壓力變化

分析圖2曲線可知，盾構(gòu)掘進距離增加，土艙壓力出現(xiàn)波動。但是應(yīng)用本文技術(shù)的盾構(gòu)土艙壓力波動較為穩(wěn)定，波動幅度小。由于M區(qū)段為軟硬結(jié)合土層，土艙壓力波動小，說明掘進參數(shù)控制穩(wěn)定，施工效果更佳。

4 結(jié)束語

總之，在城市高速建設(shè)的情況下，地下空間中管道線路分布雜亂，導(dǎo)致城市軌道施工周期長、施工環(huán)境復(fù)雜，需要使用大量的大型專業(yè)機械進行輔助。為此，本文研究了一種城市軌道交通盾構(gòu)掘進施工技術(shù)，中心縱向沉降量下降約24.29%，保持盾構(gòu)土艙壓力穩(wěn)定，提升軌道施工的效率，在最大程度上減少軌道施工對于城市正常運行的干擾，為相同軌道施工提供了技術(shù)參考。