城市軌道交通盾構掘進施工技術的研究

曹亞莉 侯夏杰 吳艷麗 王 丹 王帥鵬

（黃河交通學院，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、居民工作與生活產生影響。因此，盾構機在軌道工程隧道施工作業中的使用越來越廣泛，且由于我國具有自主研發能力后，使用盾構機施工掘進隧道的成本大幅降低[1]。但將盾構機應用于復雜的城市軌道建設項目的相關施工技術成果較少。在復雜的地下環境中使用盾構施工時，需要嚴格控制機械的作業參數，以控制機械穩定作業，保障掘進作業效率[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掘進施工技術，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間為3‰~27‰，地下軌道線路曲線部分的設計值分別為400m、460m、1800m。城市地下水位距離施工作業區域地表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域有南北走向的褶皺和3條規模相對較小的斷裂。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，基層巖石發育有一定規模的裂隙。施工區域內巖石承載力均通過前期的地質勘探得到詳細的數據。

1.2 項目水文地質條件

規劃設計地下施工區域的地質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。施工區域圍巖穩定性、軟硬不同，斷層破碎區域的結構穩定性較差。

軌道施工區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，經過測量滲透系數約為18~25m/d，土層的滲透性較強。

2 盾構掘進施工技術研究

2.1 盾構滾刀受力計算

盾構機進行掘進作業時，其刀盤上的每一個滾刀以中心軸為公轉中心同時進行自轉，配合刀盤對掘進線路的控制，實現螺旋運動下的隧道空間施工。因此，當盾構機掘進過程中接觸到地質圍巖時，滾刀會侵入巖體施加應力，使得巖體破碎從而形成新的作業面。

盾構機的滾刀在破巖過程中，受到垂直、左右側向三個方向的巖體應力。在盾構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——滾刀掘進作業時受到的垂直方向的力；

ξ——盾構掘進時刀盤受到的推力系數；

r——滾刀刀尖轉動半徑；

e1——滾刀材質的彈性模量；

e2——破碎巖石的彈性模量；

ps——巖石對應種類的抗壓強度；

d——滾刀侵入巖石的侵入量；

R——滾刀刀盤半徑。

式中：Fb——側向對滾刀產生的力，左右側向力的方向與滾刀受力成相同的夾角；

γ——巖石的抗剪系數。

此外，盾構滾刀在滾動前進時，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——滾刀轉動時，刀刃接觸點與巖石表面弧度之間的夾角。

根據以上的盾構機滾刀受力分析，結合施工區域的地質水文信息，配置盾構掘進施工參數。

2.2 盾構掘進施工參數配置

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

盾構機掘進作業時，遠離作業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，設定盾尾間隙應大于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——城市軌道的管片內側曲率半徑，其數值上由對應區段隧道的設計半徑和管片外徑之差確定。

為保證施工作業安全，盾構機的作業面，即盾構機的直徑應大于管片外徑和間隙。

盾構機靈敏度決定其操作穩定性和轉彎掘進量，結合城市軌道工程項目的地質勘測結果，盾構靈敏度設定為0.75。以靈敏度數值計算盾構機的長度，公式如下：

式中：LC——盾構作業面與鉸接中心之間的長度；

RD——盾構機的最大外徑。

盾構機掘進的推力可以由2個經驗公式確定其取值范圍。推力經驗公式如下：

式中：F1、F2——分別為盾構推力經驗計算值；

α——[500,1200]取值區間上的經驗值；

Pq——盾構掘進工作面單位面積掘進時的推力值。

盾構推力應小于經驗值F1并且大于經驗值F2，從而保證推力充足。初步配置盾構參數后，還需根據實際的工程地質條件以及掘進情況動態調整。

2.3 地層掘進施工控制

盾構機掘進作業的擾動會引發作業面土體發生位移，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，要在盾構軸承附近安裝攪拌棒，并定時停機冷卻盾構。盾構出土壓力應小于主動壓力，并且將掘進速度設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重，盾構機體受到的反作用力較大[5]。應采用安裝撐靴、反轉刀盤的方式，減少機體轉動并糾正偏差。減小刀盤扭矩并增大刀盤轉速，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，控制盾構的掘進角度以避免土層沉降。

軟硬不均土層結構穩定性差，受掘進擾動更大。掘進路線應盡可能處于均質地層?？刂凭蜻M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 盾構掘進模式轉換

城市軌道施工區域地層條件的復雜性，要求盾構掘進施工時需要及時調整盾構掘進模式，以免對設備造成嚴重的損壞。對盾構端頭土體進行加固，避免掘進作業面出現涌水涌砂問題。

配置1∶1比例的加固泥漿后，在加固作業位置上方鉆孔灌漿至標高。檢測加固效果達標后安裝盾構基座，計算始發盾構的阻力矩：

式中：f1——盾構機主體與基座之間的摩擦系數；

G——盾構機主體自重壓力。

始發掘進時，盾構機的掘進力矩應大于等于始發阻力矩。配置盾構的掘進參數后，在盾構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埋鋼板連接，形成穩定的平衡土壓狀態，保證掘進過程的盾構姿態。

盾構機根據掘進土層的類型，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合的土層掘進使用半敞開式模式施工；對于土層結構穩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，在掘進過程中根據地質情況轉換掘進模式。當掌子面氣密性良好的情況下，降低土艙輸送機的轉速，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。利用地面預留孔，向環間灌漿。掘進模式轉換的過渡長度為10mm，加強對地面的監測避免事故。掘進同步灌注泥漿填充環間間隙，安裝管片形成牢固的支撐面。盾構到達指定位置后，注漿加固豎井后拆除擋土墻完成區段施工。

3 盾構施工技術應用效果驗證

為對上述城市軌道交通盾構掘進施工技術實際應用效果進行驗證，在城市軌道項目200m長的區段M中應用該技術進行施工。以施工前后M區段的縱向沉降量以及施工時的土倉壓力變化進行對比，以反映施工技術的性能優劣。

相同外界施工條件下，M區段施工結束后10d測量縱向沉降值，各沉降測量點位的測量數值如圖1所示。

圖1 M區段縱向沉降量對比

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的區段縱向沉降量小于未應用本文技術的區段。在中心點處，采用本文闡述的技術施工，沉降值降低了約24.29%，改進效果顯著。

施工時，應用不同施工技術同一盾構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，盾構掘進距離增加，土艙壓力出現波動。但是應用本文技術的盾構土艙壓力波動較為穩定，波動幅度小。由于M區段為軟硬結合土層，土艙壓力波動小，說明掘進參數控制穩定，施工效果更佳。

4 結束語

總之，在城市高速建設的情況下，地下空間中管道線路分布雜亂，導致城市軌道施工周期長、施工環境復雜，需要使用大量的大型專業機械進行輔助。為此，本文研究了一種城市軌道交通盾構掘進施工技術，中心縱向沉降量下降約24.29%，保持盾構土艙壓力穩定，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參考。