地質(zhì)條件對(duì)地鐵隧道盾構(gòu)法施工工藝的影響及風(fēng)險(xiǎn)控制探討

王云仙

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730021）

在我國(guó)快速發(fā)展的城市軌道交通中，盾構(gòu)施工技術(shù)在地鐵區(qū)間施工中得到了廣泛的應(yīng)用。本文從施工的出發(fā)、到達(dá)、穿越建筑物、特殊地層、穿越河流等幾個(gè)方面進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)的分析，并歸納了各種危險(xiǎn)狀況下的防范措施，并提出了今后盾構(gòu)施工的主要風(fēng)險(xiǎn)分析和控制方向，為盾構(gòu)施工及后期的風(fēng)險(xiǎn)管理提供參考。

1 地鐵隧道盾構(gòu)施工的相關(guān)概述

地鐵的安全運(yùn)營(yíng)需要對(duì)整個(gè)隧道的環(huán)境有很高的要求，同時(shí)還會(huì)受到城市的地形和市政基礎(chǔ)設(shè)施的影響，所以地鐵隧道的建設(shè)非常困難，整個(gè)工程的建設(shè)周期也很長(zhǎng)，需要根據(jù)不同的城市情況，進(jìn)行相應(yīng)的施工。盾構(gòu)是一種常用的施工技術(shù)，必須采用科學(xué)的方法和監(jiān)控方法，以保證工程的安全。盾構(gòu)法是指在掘進(jìn)過(guò)程中，施工人員能夠靈活地運(yùn)用具有保護(hù)作用的機(jī)械，并根據(jù)這些裝置合理地切割巖石和巖石，并對(duì)其進(jìn)行快速的分類(lèi)。目前，盾構(gòu)施工已廣泛應(yīng)用于地鐵隧道施工，使隧道整體質(zhì)量得以改善。但由于盾構(gòu)法自身的局限性，在施工過(guò)程中極易發(fā)生土體坍塌、沉降等問(wèn)題。因此，有關(guān)部門(mén)要充分運(yùn)用適當(dāng)?shù)膬x器進(jìn)行全面的監(jiān)控，強(qiáng)化施工管理，并對(duì)各種危險(xiǎn)問(wèn)題進(jìn)行調(diào)查研究，防止發(fā)生塌方。

2 地鐵隧道盾構(gòu)施工特點(diǎn)

2.1 盾構(gòu)施工的優(yōu)點(diǎn)

在工程施工中，由于工程場(chǎng)地及周?chē)Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多樣性，盾構(gòu)法的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。其優(yōu)勢(shì)在于，能有效地降低建筑工程對(duì)周?chē)ㄖ挠绊?，并能有效地減少對(duì)周?chē)ㄖ挠绊憽C(jī)械化程度較高的盾構(gòu)工程，在作業(yè)過(guò)程中都要遵循一定的程序，從而能夠?qū)こ踢^(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行有效的管理和控制，既能降低對(duì)基層的影響，又能有效地計(jì)算出有關(guān)的資料。這種方式有很多好處，比如，不會(huì)受到天氣的影響，不會(huì)對(duì)航行造成不良影響。

2.2 盾構(gòu)施工的缺點(diǎn)

施工過(guò)程中會(huì)受到許多因素的影響，比如，周?chē)恼系K物，如果地下存在甲烷等有毒氣體，或者遇到不明地質(zhì)情況，都會(huì)對(duì)工程的進(jìn)度和安全造成一定的影響。在彎道半徑很小，覆蓋層較淺的情況下，采用此方法，施工難度和相應(yīng)的控制系統(tǒng)都會(huì)增加操作難度。因此，施工機(jī)械費(fèi)用較高，對(duì)工人的素質(zhì)要求也較高。

3 地質(zhì)條件對(duì)地鐵隧道盾構(gòu)法施工的影響

在我國(guó)城市地鐵建設(shè)中，不可避免地遭遇各類(lèi)復(fù)雜多變的地質(zhì)條件。其中，盾構(gòu)法施工所面臨的主要地質(zhì)災(zāi)害，可歸納為以下幾類(lèi)具有代表性的不良地質(zhì)條件。

3.1 復(fù)合地層

復(fù)雜地層是我國(guó)地鐵工程的一個(gè)主要難題，造成工程進(jìn)度延遲，甚至出現(xiàn)坍塌等問(wèn)題。隧道剖面的最大特征是其不均勻性、多變性和突變性。復(fù)合地層的組合形式多種多樣，但總體上可以劃分為三大類(lèi)型：（1）在開(kāi)挖剖面上各層的組合；（2）沿掘進(jìn)軸線方向的不同地層組合；（3）以上兩種。復(fù)雜巖層存在的主要問(wèn)題有刀盤(pán)刀具嚴(yán)重磨損、掘進(jìn)效率低下、掘進(jìn)工藝參數(shù)選取等。

3.2 沼氣地層

城市地下空間的地質(zhì)結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的，在幾千年的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)中，巖石土壤中的有機(jī)物在厭氧生物物質(zhì)的生化作用下，生成了大量的甲烷氣體，這些甲烷氣體通過(guò)運(yùn)動(dòng)、遷移、聚集、儲(chǔ)存在特定的巖石地層中，從而形成了大量的巖土氣田。天然氣的產(chǎn)生對(duì)地鐵隧道建設(shè)和以后的地鐵運(yùn)行安全構(gòu)成了極大的威脅。地鐵隧道施工中，在靠近或挖掘含甲烷氣體的巖土地層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的甲烷氣體，并迅速向地下通道內(nèi)蔓延，如果引起瓦斯燃燒或爆炸，后果不堪設(shè)想。

3.3 富水砂層

在含豐富地下水的砂巖地層中，由于地下水的含水量、水壓、土的塑性、滲水等因素，建議采用泥水盾構(gòu)。但是，由于工程地質(zhì)條件的復(fù)雜，在相同地段，有一些部位可以采用土壓平衡式盾構(gòu)，而另一些部位，則適用于泥水盾構(gòu)，所以在地鐵施工現(xiàn)場(chǎng)條件下，泥水盾構(gòu)機(jī)數(shù)量逐漸減少。土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)在穿越沙層時(shí)，存在一定的危險(xiǎn)性，但只要采取適當(dāng)?shù)姆椒?，也能獲得良好的效果。在穿越砂巖的隧道中，采用盾構(gòu)法進(jìn)行了較長(zhǎng)的施工。由于砂土內(nèi)部存在較大的摩擦角，在盾構(gòu)機(jī)面板、刀盤(pán)、出土區(qū)長(zhǎng)時(shí)間的接觸和擠壓作用下，刀盤(pán)、刀片、螺旋輸送機(jī)等盾構(gòu)機(jī)械會(huì)發(fā)生磨損，如果對(duì)其進(jìn)行改造，處置不當(dāng)，極易形成鐵板砂。

3.4 高強(qiáng)度砂卵石、圓礫地層

成都、北京、蘭州等城市的地鐵施工，遇到此類(lèi)地層是比較普遍的現(xiàn)象。在大型浮石、高滲透水和高滲透水的大范圍地層中，采用了盾構(gòu)技術(shù)，導(dǎo)致局部地層的自穩(wěn)性較差；大漂石具有顆粒大、單體強(qiáng)度大、摩擦阻力大、含水量大、沿掘進(jìn)段及掘進(jìn)斷面不均勻、刀具短時(shí)多度磨損、刀具位置偏移、刀具更換困難、刀盤(pán)強(qiáng)度、剛度下降、刀盤(pán)變形、主軸承密封損壞、盾構(gòu)掘進(jìn)受阻或偏離設(shè)計(jì)線路、開(kāi)挖面超挖、擾動(dòng)量大、成型隧道周邊填充不佳甚至地層塌陷等問(wèn)題，施工風(fēng)險(xiǎn)較大、經(jīng)濟(jì)成本較高。

3.5 含孤石地層

在有孤石的情況下，刀盤(pán)往往會(huì)發(fā)生非正常的磨損和刀盤(pán)的磨損，在某些惡劣的情況下，刀盤(pán)本體會(huì)發(fā)生整體的變形，甚至由于工作面的巖石坍塌，導(dǎo)致刀具的損傷；在掘進(jìn)時(shí)，遇到了一種球狀的花崗巖（最大直徑為1.0 ～3.0m)，對(duì)鉆頭的損害較大，若操作不當(dāng)，極易發(fā)生卡頓，影響工程進(jìn)度。

3.6 溶洞、暗河

與孤石巖層相似，勘探的問(wèn)題也很多。由于地質(zhì)調(diào)查無(wú)法完全反映整個(gè)溶洞的分布情況，且洞穴自身的分布、自身尺寸和形狀無(wú)規(guī)則性，無(wú)法預(yù)測(cè)。盾構(gòu)在穿越喀斯特地層時(shí)，會(huì)出現(xiàn)盾構(gòu)埋頭、陷落的情況；由于地下水和地下水壓較高，或采場(chǎng)失水，易導(dǎo)致注漿困難，螺旋輸送機(jī)噴涌；刀片在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于突然碰到表面凹凸不平的洞穴，會(huì)因瞬間加載而使刀具受損；因隧道塌陷造成的嚴(yán)重事故。如果由此引起的溶洞充填加固工作不到位，在施工過(guò)程中會(huì)引起地表塌陷和突水，同時(shí)，也會(huì)引起盾構(gòu)在開(kāi)挖過(guò)程中的栽頭、塌陷和偏移。

4 改善盾構(gòu)法施工受地質(zhì)影響的措施

4.1 上軟下硬預(yù)防措施

（1）采用盾構(gòu)推進(jìn)管理系統(tǒng)對(duì)反饋信息進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)推進(jìn)參數(shù)進(jìn)行10 ～15m 的微調(diào)，并逐漸減小刀片的推力。（2）在這一層的施工中，要嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，不要有過(guò)大的推力，不要有過(guò)大的刀片，不要有過(guò)多的旋轉(zhuǎn)，不要有過(guò)多的刀片，也不要有過(guò)深的鉆頭。在掘進(jìn)過(guò)程中，經(jīng)常對(duì)刀具和刀盤(pán)進(jìn)行系統(tǒng)的檢查。（3）在刀具上裝有一套自動(dòng)測(cè)量?jī)x，對(duì)刀具的損傷進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)刀具的損傷程度進(jìn)行評(píng)估，如有需要，進(jìn)行施工方案；使用加壓進(jìn)料，對(duì)刀具的磨損進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)部分磨損的刀具進(jìn)行替換。（4）在盾構(gòu)機(jī)所處的上軟下硬環(huán)境中，當(dāng)土倉(cāng)上部地質(zhì)狀況較差時(shí)，應(yīng)盡可能避免更換。如果要頻繁更換這些零件，就要根據(jù)目前地層的刀具磨損狀況和線路前方的地質(zhì)條件，預(yù)先確定替換工具的位置，并進(jìn)行加固，以保證在盾構(gòu)機(jī)抵達(dá)指定地點(diǎn)后，可以順利、安全地更換工具。（5）在軟硬不均勻地層中，選取合適的盾構(gòu)千斤頂和千斤頂?shù)奈恢茫M(jìn)行試車(chē)，并計(jì)算出其相對(duì)的偏移量，從而調(diào)節(jié)在重量上的壓力差，直至達(dá)到理想的效果。（6）在保證土壤壓力的前提下，避免地層突然涌水。（7）控制挖方的數(shù)量，避免因地層土流失而導(dǎo)致開(kāi)挖面失穩(wěn)。

應(yīng)急預(yù)案：（1）在盾構(gòu)施工過(guò)程中，由于地質(zhì)原因造成了工具的損傷，且沒(méi)有對(duì)地面進(jìn)行加固，則采用空氣換刀的方式來(lái)替換刀具。具體內(nèi)容參見(jiàn)《壓力換刃專(zhuān)用計(jì)劃》。（2）在盾構(gòu)施工中，由于地質(zhì)條件惡劣，工具受損，盾構(gòu)土倉(cāng)不能保持壓力，采用盾構(gòu)機(jī)前盾的超前注漿孔洞，將刀盤(pán)前方和頂部的土體進(jìn)行固結(jié)。打開(kāi)倉(cāng)庫(kù)，換上新的刀片。（3）在遇到上軟下硬的情況下，盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)發(fā)生了很大的改變，應(yīng)立即停止施工，通過(guò)在盾構(gòu)前面的灌漿孔或在地表注漿，以加強(qiáng)盾構(gòu)前方掌子面的薄弱層，再以小推力、低速度推進(jìn)，慢慢糾正盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)，直到姿態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)。

4.2 孤石地層中的施工風(fēng)險(xiǎn)

（1）預(yù)防措施。①?gòu)?qiáng)化地質(zhì)調(diào)查與數(shù)據(jù)分析，提前了解孤石的分布和規(guī)模，在有條件時(shí)進(jìn)行注漿加固，以保證施工質(zhì)量。②盾構(gòu)在進(jìn)入混合巖區(qū)后，要密切監(jiān)測(cè)推進(jìn)油缸、刀片伸縮油缸推力的變化、盾構(gòu)機(jī)的突然姿態(tài)變化、土倉(cāng)壓力和出碴量的變化，發(fā)現(xiàn)不正常的情況，必須對(duì)土倉(cāng)進(jìn)行檢查，以確定是否存在球狀風(fēng)化、球狀風(fēng)化物與刀片的位置關(guān)系。③在施工期間，要時(shí)刻監(jiān)控刀片和刀片的受力狀況，保證刀片不會(huì)超負(fù)荷，觀察刀片的受力情況，防止刀片發(fā)生變形。

（2）應(yīng)急預(yù)案。①在發(fā)現(xiàn)一塊孤石后，應(yīng)先進(jìn)入土庫(kù)進(jìn)行檢驗(yàn)，以確定其尺寸和與刀片之間的關(guān)系。②若工作面土壤狀況良好，且孤石數(shù)量少，則由施工人員進(jìn)入土倉(cāng)，利用小型破石機(jī)將其粉碎取出，或?qū)⑵浯蛩椋驅(qū)⑵浯蛩?，并利用螺旋式清除。③如果孤石很大，不適合使用小型機(jī)械，在掘進(jìn)過(guò)程中隨著刀片一起滾動(dòng)，可以使用盾構(gòu)機(jī)護(hù)罩上的注漿孔或在地面上用袖閥管灌漿加固孤石周?chē)耐寥?，將其與周?chē)耐寥澜Y(jié)合起來(lái)。然后采用緩慢的掘進(jìn)方式，磨碎并排出。

4.3 穿越河流或建筑物風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施

合理選用合適的盾構(gòu)裝備，并推薦采用泥漿平衡式盾構(gòu)。這種盾構(gòu)具有較好的密封性能，具有探孔、灌漿裝置和聚合物和膨潤(rùn)土注射裝置。根據(jù)工程地質(zhì)情況，對(duì)盾構(gòu)施工的速度和總推力進(jìn)行了強(qiáng)化。掘進(jìn)速度較慢，推力缸的總推力控制在一定程度上，減小了地層的干擾，避免了對(duì)河床的破壞，從而保證了盾構(gòu)機(jī)的正常施工。在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入河床后，作業(yè)人員要根據(jù)測(cè)得的誤差，適時(shí)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的施工方向，以減小誤差，減小對(duì)土質(zhì)的影響，保證盾構(gòu)機(jī)能順利通過(guò)河床。由于盾構(gòu)機(jī)頭和河床之間的土壤厚度比較小，注漿壓力過(guò)大，很容易導(dǎo)致基坑下部的防水層出現(xiàn)流動(dòng)，所以，注漿壓力宜控制在0.2 ～0.3MPa，注漿量為理論空隙的130%～180%。在進(jìn)行隧道穿越河道時(shí)，會(huì)面臨古樹(shù)、孤石等情況。在這樣的情況下，如果不采取更好的措施，將會(huì)導(dǎo)致工程的進(jìn)度受到極大的影響，從而導(dǎo)致工程的延誤。對(duì)此，施工人員要在盾構(gòu)機(jī)上安裝超聲波探測(cè)器，在進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，要事先對(duì)前方的地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并采取相應(yīng)的措施，防止由于開(kāi)挖造成的阻礙而影響工程的進(jìn)展。在穿越建筑物之前，要對(duì)其周邊土體的影響進(jìn)行細(xì)致的分析，并對(duì)其沉降范圍、沉降特征及干擾范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)工程范圍內(nèi)的建筑物和管道進(jìn)行全面的勘察，了解其規(guī)模、形式、材料、基本結(jié)構(gòu)、使用狀況等。為了有效地控制結(jié)構(gòu)的非均勻沉降，一般采用注漿法對(duì)建筑物的邊坡進(jìn)行加固。在施工過(guò)程中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，如有需要，應(yīng)重新進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng)。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的迅速發(fā)展，人民的生活水平不斷提高，經(jīng)濟(jì)和城市化進(jìn)程的顯著加快，對(duì)交通的需求、適用性、便利性的要求也在不斷地增加。根據(jù)工程地質(zhì)情況對(duì)施工的影響，提出了改進(jìn)盾構(gòu)法在地鐵隧道施工中的應(yīng)用。這種方法不僅可以推廣使用，還可以有效地降低工程施工中的安全隱患，避免出現(xiàn)安全事故，保證施工人員在施工中的安全和質(zhì)量，同時(shí)滿(mǎn)足了運(yùn)輸和安全的需要。