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摘要:
在隧道工程施工過程中，盾構施工是一種特殊地基下常用的施工措施，具有受環境制約大、施工周期長等特點。本文以實際工程為例，首先對隧道盾構施工的優缺點進行了分析，然后對盾構施工風險進行了探討，并提出了相應風險控制策略。
關鍵詞:
隧道工程;盾構施工風險;控制測策略
1工程概況
某隧道工程施工過程中采用盾構技術進行施工，主要地層結構為花崗巖風化地層。在施工過程中遇到了比較多的難題。特別是上軟下硬地層、含孤石底層、易結泥餅地層進行施工的過程中，會造成管線破壞、地面塌方、建筑倒塌等事故。隧道工程參建人員在對國內外施工經驗進行總結、吸收的基礎上，結合隧道工程的具體情況，摸索出了盾構施工風險的控制策略，并取得了良好的應用效果。
2地層類型
在采用盾構施工時對工程周圍的地層造成的擾動比較小，出土量也比較小，不需要改移或者切斷地下管線設施，適用于距離長、深度大、高水頭等惡劣條件下的隧道工程施工，盾構隧道應用范圍比較廣，可以適用于硬巖層、軟巖層、砂卵石層、軟土層等地層。在花崗巖地層施工過程中，產生施工風險的主要有以下幾類地層:(1)斷面為夾雜有花崗巖球狀風化體(孤石)，為全風化巖和含有英砂礫黏土。(2)斷面為硬塑狀、可塑的全風化巖、花崗巖殘積土和強全風化巖，這類地層容易結成泥餅。(3)斷面頂部和上部為殘積層、砂層和全風化巖，下部為中微風化巖、墻風化巖，中風化巖和強風化巖大部分都存在良好的水力通道和水空隙，此類地層為上軟、下硬的地層。(4)全斷面巖體比較完整，并且巖面強度大于100MPa的未風化巖、微風化巖，此類地層為全面面硬巖地層。(5)全斷面節理發育的中風化巖，這類地層地下水相對來說比較豐富。
3盾構施工風險
3.1孤石地層
孤石地層施工過程中，由于花崗巖球狀風化體體量相對來說比較小，通常為1.0～3.0m，在進行施工時當荷載突然變大時，會導致刀具磨損和刀盤變形等情況，容易出現刀具偏磨、崩刀、卡刀等情況，會對施工成本和施工進度造成比較大的影響。
3.2易結泥餅地層
一般情況下泥餅的形成和特殊的地質條件相關以外，和施工中選擇的施工方法、盾構機類型等有一定的關系。例如，在施工過程中誤判地質情況、未針對地層類型選擇相應的碴良劑、沒有設定合理出土壓力、冷卻措施不合理等致使盾構機作業過程中發熱量過大、密封土艙體飽滿的情況下長時間停機。泥餅產生的危害主要包括下述幾個方面的內容:地表隆起、刀盤固結、地表塌陷、噴涌、盾構機主軸承損壞等。
3.3盾構過硬巖地層
盾構在硬巖花崗巖層進行施工時，主要會出現功率消耗大、挖掘速度慢、刀頭更換頻繁、刀具磨損嚴重、盾殼、刀盤容易被卡主、刀盤易變形、功率消耗過大等問題。掘進過程中容易因盾構機殼體轉動和振動對盾構機姿態造成影響。此外，盾構全斷面花崗硬巖在進行施工時，如果施工工藝和注漿配合比不合理，容易出現隧道損傷、隧道橢變、隧道上浮等問題。
3.4上軟下硬地層
盾構在上軟下硬地層中進行施工時，刀具容易磨損，盾構機容易出現抬頭的情況，盾構姿態控制難度增加。機體容易出現被卡的情況。施工過程中容易出現噴涌、不可控地面沉降等問題。
4盾構施工風險控制措施
4.1孤石地層
4.1.1處理思路
(1)在設計線路時，使用調線、調坡的措施，盡可能防止孤石進入到隧道開挖斷面。(2)根據勘察得到的地形地貌資料，制定相應的勘探方案，并找出孤石群和孤石的位置、大小和形態。(3)當勘探到孤石處在隧道洞身時，優先使用地面預處理措施進行處理。常用的預處理措施主要包括沖孔樁法、人工挖孔樁法、鉆孔微差爆破法等措施，其中微差爆破法是一種常用的處理措施。(4)盾構機掘進施工過程中，在遇到“孤石”時，如果分析有風險存在，可以先對洞內或地面進行處理后再掘進通過。如果可以直接通過，則安排盾構機直接通過，通過過程中勤檢測、勤更換刀具。(6)洞內處理措施主要包括機械破巖法、靜態爆破法等，這類人工破巖操作方法在進行操作時，首先要保證開挖面的穩定性，如果無法保證地面的穩定性，則需要加固地層。
4.1.2人工挖孔樁
首先根據設計要求將人工挖孔樁做好，然后挖除孤石周圍的巖層或土層，對于影響盾構正常施工的“孤石”使用靜力破碎機進行破碎后取出，然后使用C1混凝土進行回填，消除施工風險。
4.1.3地面鉆孔微差爆破法
首先對隧道范圍內的孤石進行勘探，然后將地面垂直鉆孔布置好，對隧道范圍內的孤石進行爆破處理，爆破后碎石的直徑要低于30cm，然后安排盾構掘進通過。通常使用地質鉆機鉆孔施工，鉆進過程中先利用泥漿進行護孔，爆破之前遮蓋住孔口，避免有雜物掉入到孔中對炮孔造成堵塞?？變仁褂煤撩雽П评坠苓M行爆破，選擇乳化炸藥，并使用導爆管進行起爆，采用梅花樁形和矩形布孔方式進行布孔。
4.1.4盾構機直接通過
做好地質勘察工作，充分了解孤石分布的具體情況，并分析盾構機是否可以直接進行掘進作業，如果可以就直接安排盾構機掘進通過。注意觀察盾構機掘進過程中掘進參數的變化情況，分析是否遇到球狀風化巖體，根據施工過程中遇到的各種情況采用帶壓開艙或常壓開艙，勤檢查、勤更換刀具。
4.2泥餅地層
(1)盾構設計時為了可以充分攪動泥餅和破碎泥餅，需要在土艙壁上設置固定攪拌棒，在刀盤上布置主動攪拌棒。為了可以施工過程中及時向碴土中注入泡沫和水，在攪拌棒、艙壁處、刀盤等位置要設置多個噴頭。(2)施工時，要盡可能擴大中心區的開口率。施工過程中，要使用粘性差的砂土或泥漿取代一部分土體填入到土艙中，防止土艙飽滿時出現長時間停機的情況。(3)對于圍巖比較穩定的地層可以使用半艙土掘進的方法進行施工。當需要采用土壓平衡法進行掘進施工時，為了滿足壓力要求，可以向土艙中加氣。(4)對碴土溫度進行監測，當發現有異常情況出現時，需要適當增加泡沫劑的使用量。(5)當有泥餅產生時，空轉刀盤，在離心力作用下泥餅會脫落。條件允許的情況下，也可以使用分散劑對艙內泥餅進行溶解。
4.3硬巖地層
施工過程中遇到“硬巖”地層時，如果可以在地面布置豎井，那么可以使用礦山法對隧道進行開挖，然后使用盾構拼裝管片通過，并將注漿填充工作做好。如果只可以使用盾構進行掘進作業，需要先將對應的刀具、刀盤以及組合設置好，施工過程中勤對刀具、刀盤進檢查和更換。盾構掘進通過硬巖時的風險控制思路:(1)掘進施工過程中，要結合地質情況合理的對刀具進行組合，并做好滾刀配置。滾刀主要選擇單刃重型滾刀，并在滾刀表面鑲嵌超硬合金，刀具差控制在3.5cm，滾刀距之間的距離控制在6～8cm。(2)組裝滾刀之前，采用堆焊耐磨條的方法對螺旋機腔內、刀盤內外、螺旋葉片進行處理，降低滾刀磨損量。(3)設計刀片時，要保證刀片的剛度，開口率要均勻布置，保證滾刀切割土體可以順利進入到土艙中。(4)對于Ⅳ類斷面基巖裂隙水發育的風險，要結合實際情況使用盾構機在隧道內預留超前注漿孔進行注漿的方法來實現地層涌水封堵。也可以使用土艙回填技術進行堵水施工，開艙后對刀具進行檢查和更換。(5)對于V類斷面基巖和管片之間的空隙容易形成水力通道的風險，需要保證盾尾同步注漿及時、足量。此外，要在盾尾后使用三環管片或兩環管片吊裝孔徑將雙液漿注入，形成結構完整的止水環，防止后方來水進入到土艙中。如此一來不僅可以防止出現噴涌的情況，同時可以避免管片上浮。
4.4上軟下硬地層
(1)在施工過程中，遇到上軟下硬地層時，如果條件允許，要先調坡調線，使隧道盡量避開上軟下硬的地層。(2)隧道上部為砂土時，要首選泥水平衡盾構。(3)實際施工過程中，要勤檢查、勤更換刀具，特別是周邊刀具。(4)根據地面環境選擇掘進作業措施。當地面環境比較復雜時使用土壓平衡的方式進行掘進作業，當地面環境簡單時使用欠土壓模式進行掘進作業。盾構進入到上軟下硬的地層之前，要避免盾構向上飄。(5)對碴土進行改良，避免出現噴涌和結泥餅的情況。盾構在上軟下硬地層中施工時，需要重點做好刀具檢查工作，常用的檢查方法主要有泥膜護壁帶壓開艙換刀法、土艙回填常壓開艙換刀和地面注漿、降水或凍結加固地層常壓開艙換刀3種。例如本隧道工程在對某斷面進行施工時，斷面為全風化花崗巖、強風化花崗巖以及微風化花崗巖地層，在推進作業時推力加大，每分鐘的推進速度為4mm，使用壓氣作業進行檢查后發現刀具嚴重磨損，刀盤前方和拱部土體出現了塌陷、剝落，裂隙水發育。綜合分析后，使用地面注漿加固常壓開艙換到技術對刀具進行更換。
5結論
綜上所述，在隧道工程施工過程中，花崗巖結構受風化影響，會使用花崗巖的整體性受到破壞，巖層強度也會顯著下降。在盾構施工過程中，盾構機施工風險主要出現在含孤石地層、易結泥餅地層、上軟下硬地層、硬巖地層，本位結合工程的具體情況，對黃崗巖風化地層施工風險進行了探討，并提出了控制措施，為類似工程提供了借鑒和參考。
作者：陳杰 渠建偉 冉麗利 單位：四川電力職業技術學院 中鐵西南科學研究院有限公司 中國電建成都勘測設計研究院有限公司
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