吕鹏程

摘要：随着城市交通轨道技术的飞速发展，地铁工程已经在各大城市蓬勃展开，成为城市经济和建设的重要动力，也为人们的出行提供了更便利的条件。为了解决城市轨道交通工程在复杂地质条件下的施工难题，盾构掘进施工技术已经成为地铁施工中最关键的手段。本文将从勘察地质、盾构选择、盾构始发施工、掘进等技术环节进行分析，对复杂地质条件下盾构施工安全影响因素进行实验研究。

Abstract： With the rapid development of urban transportation track technology， subway projects have flourished in major cities， becoming an important driving force for urban economy and construction， and providing more convenient conditions for people to travel. In order to solve the construction problems of urban rail transit projects under complex geological conditions， shield tunneling construction technology has become the most critical method in subway construction. This article will analyze the technical aspects of survey geology， shield selection， shield construction， and tunneling， and conduct experimental research on the influencing factors of shield construction safety under complex geological conditions.

關键词：盾构施工;复杂地质;技术要点;安全影响

Key words： shield construction;complex geology;technical points;safety impact

中图分类号：U455.43                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）08-0171-04

0  引言

随着经济技术高速发展，城市交通建设空间呈现拥挤的态势，由此，城市交通规划开始逐渐向地下空间扩展，不同工程穿越交叉的情况越来越普遍，这就需要盾构施工技术参与工程施工，但所穿越的地下底层地质条件极其复杂，盾构施工会经常发生地面变形和沉降的现象，严重影响了地表管线和周围建构筑的安全，如果不加以解决，甚至能威胁到民众的生命安全和城市的发展。由此，在复杂条件下，选择先进、科学的盾构施工工艺显得特别重要。同时，施工过程中安全事故也经常发生，由此可见，对盾构施工的安全影响因素进行分析也是至关重要的。本文将从以下几个方面进行阐述。

1  地铁隧道盾构结构的施工特点分析

1.1 较高的安全保障

随着整体科技高速发展，地铁施工中对盾构技术的应用的安全性也相应提升，但毕竟盾构施工是地下工程，受地质条件变化的影响极大，如盾构穿越溶洞、孤石、流砂等不良地质，有很大的不确定性。但同时盾构施工具备快速的特点，通过提前地质勘探、科学合理盾构选型等，化解了诸多的不利因素，降低了各种因素对施工的影响，提升了地铁工程中盾构结构施工的安全系数。另外，在盾构的合理科学的结构施工中，对地面交通的影响几乎为零，切实提升了地铁施工的效率和质量。

1.2 施工的高效率

虽然我国地铁工程中对盾构结构施工起步晚，研究课题不多，但在对盾构结构施工的投入上却有后来居上的趋势，该项目的规模跻身世界前列，而且在盾构施工技术方面也在大幅度提高，各种施工设备和技术层出不穷，例如，直径15米以上的特大型盾构机、异形隧道盾构机、自带冷冻刀盘盾构机等等一系列最前沿的开挖掘进和支护技术，促进我国的盾构结构施工的效率逐年提高。

1.3 对环境危害小

利用盾构施工技术进行地铁隧道施工，因为非常小的工作面，加之是全过程是地下施工，对城市地面的环境影响不大。另外，盾构施工的所有设备都是在地下直接安装的，对地上建筑物没有影响，大大降低了施工对环境的影响。

2  地铁盾构结构施工技术的构成

通常情况下，地铁盾构施工项目都具备地质复杂的特性，在施工之前以至于施工过程中，要对所在地的地质环境进行全面的勘察，然后经过论证找出合适的施工技术，下面通过某佛山地铁2号线某区间的实践对地铁盾构施工技术要点进行浅析。

2.1 盾构出洞准备施工技术

2.1.1 材料与设备比选

在出洞施工前务必要结合现场的地质条件，选择好施工材料和施工设备，同时认真详细检查盾构施工的出洞条件，确保出洞施工的安全顺畅。同时要用盾构的出洞条件与设备出洞前的土质进行认真比选。

2.1.2 基座设置

基座的设置是盾构出洞施工的基础环节，其基座参数的选择务必根据实际的盾构出洞施工条件相适合，如此才可以保证按照预定的轨迹进行掘进，确保施工的精准性。

2.1.3 检查设备

在出洞施工前务必对盾构机及其配套设施进行严格检查，检查的指标是主体和配套的匹配性，由于地下施工过程中没有办法检查周围的环境，务必在对设备的组装和施工前对设备的安全性和有效性进行确认。

2.2 盾构掘进阶段施工技术要点

在盾构掘进施工开始前，必须要对盾构掘进设备实施试验运行，确保机械的性能和施工的要求相匹配，对不符合施工要求的设备进行参数调整，保证掘进施工的有效开展。在掘进数据确定以后，施工人员还要做最后的参数调整，然后方可以开展掘进施工。在掘进的施工过程中，操作者要实时观察盾构机的工作状态，如果发生了方向倾斜等问题，要立即进行改进和调整，并且要对施工数据进行精准的计算，确保盾构机的掘进方向完全符合设计线路。

2.3 粉细砂层地段施工要点

在地铁的盾构施工中，经常发生勘察的地层分部与实际存在较大偏差的现象，会严重影响盾构施工的效率。佛山最常见的地层是粉细砂层，这样的地质条件对盾构施工的安全开展造成不利的影响，在盾构掘进过程中由于压力过高，极易发生喷涌，从而造成地面塌陷等严重后果。因此，在施工方案中要对这种情况专门设定应急预案。对目前粉细砂层的问题的处理，主要方案是利用刀盘面板上的注浆孔向土舱内加泥的手段，以降低其几乎液态的流动性，从而降低粉砂层对盾构施工的不良影响。

2.4 盾构机进出洞施工技术要点

在我国的地铁工程中，盾构机进出洞的施工技术发展很快，对相应的盾构机结构施工也提出越来越高的要求，由此，在整个的地铁盾构施工中，必须要施工前就做好充分的进出洞施工准备。主要表现在下面几点。第一，基于工序非常复杂的地铁盾构机的进出洞施工，为了保证盾构设备的精度不受复杂环境的影响，相关的技术人员必须在进出洞前进行准确的地质数据勘测，同时根据掌握的情况规划详细的盾构机的运行线路，以确保盾构机在地铁隧道施工中的精准性。第二，在对施工路线进行准确的确定后，施工单位还要准确分析研究确定好的施工路线的地质情况，确保盾构机在掘进的过程中参数的科学性，保障掘进施工的正常运行。第三，针对盾构施工中无法规避的不良地质条件，解决的措施就是及时调整施工方案，根據现场的实际环境制定相适应的施工措施，确保进出洞施工的正常开展。

3  盾构施工过程中需要注意的问题分析

3.1 开挖前勘测工作的必要性

在地铁盾构挖掘施工开展前，对施工总体路线的精准勘测是至关重要的环节，这样就可以更全面更细致地掌握各种复杂地质，例如断层和薄弱的土层分布状况等，然后按照勘察的数据和实际情况制定预防的措施，最大限度地减轻施工过程中的意外地质影响。另外，还要根据施工的地质情况做好对盾构机的保养计划，对于特殊状况下可能出现的特殊情况要充分做好预案，并且对不同地段的不同地质条件下的掘进参数进行分析，制定下一步的掘进方案，确保盾构施工的安全稳定。

3.2 设置科学合理的盾构施工参数

在地铁盾构施工的过程中，合理、科学的参数设置是盾构施工正常运行的保障，只有设置盾构掘进施工的合理参数，才可以参照地质的勘测数据对盾构机土仓参数进行最佳的选择，才能根据实际情况对测量的参数进行及时的调整，保障盾构施工的顺利开展。在盾构的掘进参数异常反应的时候，进行线路调整的依据是系统反馈回来的信息，同时要结合渣土改良、渣样分析等辅助手段，对盾构姿态实时进行纠偏推进，以这种模式来科学掌控掘进的正确方向。对于曲线段的掘进施工，必须按照曲线半径计算出来最佳的铰接角度，对合适的辅助掘进曲线进行设置。目前最普遍安装的盾构机油缸有两种，即主推模式和低压跟随模式，如想对掘进的方向做出选择，就需要对另外一侧的主推油缸的数量进行设定，而在进行下坡段的掘进施工时候，就要适当增加盾构机上部分的压力，对于掘进施工的左转弯段落时，就要适当增加右侧的压力。

3.3 预防管片上浮问题

在地铁盾构施工的中，管片上浮也会影响工程的顺利实施，由此，技术人员在施工前对地质的精准勘测是非常重要的，可以根据勘测的实际状况，通过适当降低掘进速度、调整同步注浆凝固时间、管片螺栓多次复紧等措施，使得管片上浮的情况得以改善（图1）。

3.4 避免地面沉降措施

在地铁盾构施工过程中，地面发生沉降也是常见的施工安全问题，所以，杜绝此类现象发生的有效措施就是在施工前制定科学合理的预防措施，严格控制出渣量。另外，工程注浆量不足也会引起地面沉降的发生，由此，要对注浆的时间和速度进行控制，按照施工的实际地质参数进行调整。

3.5 渗漏问题的控制措施

渗漏现象是在地铁盾构施工中老大难问题，严重影响地铁的施工质量，因此，及时分析渗漏原因、找出控制措施是保障地铁盾构施工的必不可少的措施。

在盾构施工中发现，通过严格控制止水条粘贴质量、封顶快安装时在止水条外部涂刷润滑剂（如肥皂水等）、合理控制同步注浆量等措施可以有效减少渗漏水情况的发生。

4  盾构施工安全影响因素分析

本文将通过计算模型模拟盾构施工过程，对施工安全影响因素进行分析。

4.1 土舱压力的对比分析

为了分析不同的土舱压力下对地表的位移的影响程度，本文对隧道进行模拟，设定土舱压力分别取0.3兆帕、0.345兆帕、0.4兆帕、0.45兆帕。

4.1.1 不同土舱压力下的地表位移变化

在地表在不同压力下进行试验，变形曲线通过数值模拟显现出来，如图2所示。由此可见，对隧道实施0.3兆帕的土舱压力的情况下，地表表现小幅度的沉降位移，已开挖地表部分沉降的最大幅度为-2.29毫米，没有进行挖掘的地表沉降位移为-1.99毫米，都是显现很小的位移沉降。对隧道实施不同土舱压力，在逐渐增大的压力下，地表显现小幅度的整体沉降。在盾构的具体施工中，如果想调整土舱的压力，必须参照地表沉降监测数据以及场地实际情况进行。

4.1.2 不同土舱压力下的应力分析

在盾构机不同土舱压力作用下隧道未开挖土体的应力表现，如图3所示。不难看出，应力影响比较大的是盾构开挖刀盘前方的土体，特别是表现极大的主应力，土体上方的应力稍弱，应力变化很明显的还有盾构机周围土体，而且随着逐渐增大的土舱压力，掌子面上的应力也明显在增大。

4.2 注浆量影响因素对比分析

地铁盾构施工主体就是隧道工程，在地铁隧道开挖过程中，需要有管片的设置，每向前掘进1.2米就施加一级管片，基于隧道土体与管片之间的空隙，需要对缝隙实施注浆填充，以达到改善周围土体、减少地表土体沉降的作用。模拟的过程中，注浆的数量根据管片的厚度决定，原有管片厚度为300毫米，现在通过弹性模量改变对有效厚度模拟，等效厚度注浆为50毫米、100毫米、150毫米、250毫米。通过数值的模拟，可以显示出注浆量的差异性地表沉降的变化状况曲线，等效厚度与地表沉降成反比例，等效厚度增大的情况下，地表沉降变小。在地铁盾构施工的具体注浆施环节里，注浆的科学合理性会减小地表的沉降，但注浆数量过多就会让地表发生隆起，对土体的稳定性有一定的破坏，造成地表沉降加大，所以，在盾构的实际施工中，合理的注漿量要根据地表位移监测数据和实际情况来决定。

4.3 隧道穿越不同土层的影响因素分析

情况来在极其复杂的地质条件下，地铁盾构在隧道开挖过程中，穿越土层的差异性是很大的，当对上硬下软土层进行穿过时，通过模拟可以得出地表的变化情况。隧道在应对0.345兆帕的土舱压力下，在经过全风化软土层时，上面呈现硬土层中风化土，而进行全面挖掘以后，地表位移发生变化，随着开挖的逐渐展开，就会逐渐减小地表的整体位移，而且最大位移和最小位移的差距不大，地表也没有明显的变化。隧道施工在上软下硬的土层进行的时候，没有明显的应力变化。而变化较大的是掌子面上的应力。在这样的地质土层中，基于土舱的压力变化，显现的应力应变值的影响区域远比硬土层要大，但对下部土体没有太大的影响，因为下部的土质为硬土层风化类型，比较有较好的土体稳定性。

5  结束语

综上所述，极其复杂的地质条件是地铁盾构施工面临的最大挑战，施工技术人员应该具备丰富的施工经验和过硬的施工技术，在施工的过程中，必须对现场的状况进行了解，根据具体的施工情况对盾构施工技术做出选择，对盾构的掘进状态和参数实施严格控制，把施工的管理水平提高到新水平，确保整体的工程质量。同时，本文也通过模型试验对盾构施工安全关键影响因素进行了分析，以期对盾构的安全施工措施制定提供数据资料。

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