復雜地質條件下的市政地鐵隧道盾構施工技術研究

袁偉嘉

摘要：敘述了廣佛環線GFHD-2標三工區施工段的工程概況和工程地質勘察情況，從盾構機選擇、雙模式盾構機性能、地鐵隧道盾構掘進、隧道初期支護與二次襯砌等方面詳細闡述了在復雜地質條件下采用的地鐵隧道盾構施工技術，通過測量和對比隧道工程土體位移量驗證了該文所述地鐵隧道盾構施工技術的良好質量效果和可行性。

關鍵詞：復雜地質；市政地鐵；盾構施工；技術研究

0? ?引言

隨著城市化發展的迅速推進，市政地鐵成為現代城市交通網絡的重要組成部分。然而市政地鐵隧道在軟弱地層、巖溶地區、斷層帶等復雜地質條件下施工，會增加盾構施工的難度和風險，需要針對不同地層特點采取相應的施工參數和支護措施[1]。盾構施工在復雜地質條件下通過改進施工技術，可以減少地質災害風險、降低工程成本。研究復雜地質條件下的市政地鐵隧道盾構施工技術具有重要意義[2]。

當前我國在市政地鐵隧道盾構施工技術研究方面已經取得了顯著的進展。通過地質調查與預警技術、盾構機的改進與智能化應用、施工參數合理優化等方面，已有效應對復雜地質條件下的施工難題。例如陳強研究小半徑曲線地鐵隧道盾構施工技術[3]，謝鴻輝研究巖溶和土洞復合地層地鐵隧道盾構施工技術[4]?；谏鲜鲅芯砍晒?，本文進一步研究復雜地質條件下市政地鐵隧道盾構施工技術的可行性和質量效果。

1? ?工程概況

地鐵廣佛環線GFHD-2標三工區的大源站至太和站區間DSK35+771～DSK42+167段工程，全長為6396m。其中DSK35+771～DSK41+915段為盾構隧道，長度為6144m；DSK41+915～DSK42+167段為明挖段，包括盾構始發24#井，長度為252m；大太區間的橫通道、無砟道床等。該工程的工期為50個月，其中：土建總工期為50個月，鋪軌為2個月，四電工程為4個月。

設計方案為盾構機從大源站端頭井開始盾構掘進施工，到太和站前部的24#工作井結束。其中上行線盾構隧道掘進里程為6144m、下行線盾構隧道掘進里程為6148m。

2? ?工程地質勘查情況

在施工前進行的地質勘察表明，礦山法（用開挖地下坑道的作業方式修建隧道的施工方法）接應段（DSK35+771～DSK36+151）的洞身開挖地層主要為W2中風化片麻巖、花崗巖，區間下穿航油管線段主要為W2中風化片麻巖、花崗巖。礦山法接應段地質如圖1所示。

地質勘查結果表明，該工程在地質條件復雜，其具體地質特征及分布如下：人工堆積層（Q4ml），主要為雜填土和素填土。殘坡積土層（Q4el+dl），土層的厚度在0.60～17.50m之間變化，平均厚度約為5.25m。全風化片麻巖帶，巖石層厚度在2.00～39.00m之間變化，平均厚度約為13.80m。強風化片麻巖帶，其巖石芯部分表現出堅硬的土柱形態，還包含有土夾碎塊或者碎塊。中風化片麻巖帶，巖質堅硬不易碎裂，其飽和抗壓強度在23.1～155.6MPa之間變化。全風化花崗巖，其巖石的芯部形態近似土柱狀。當遇到水時，這種巖石會變得較為軟化，容易發生崩解；中風化花崗巖，其巖石的核心部位則呈現短柱狀和柱狀形態。

3? ?復雜地質地鐵隧道盾構施工技術

3.1? ?盾構機選擇

盾構機是用于隧道開挖和支護的關鍵設備，要根據隧道設計要求和地質條件選擇適當類型的盾構機[5]?，F對常用的3種盾構機進行技術性能和工程費用對比，如表1所示。

根據該工程的復雜地質條件和表1所示3種盾構機的對比，結合此前盾構隧道工程的實踐經驗，為保證順利完成該合同段的盾構工程施工，決定采用2臺雙模式土壓平衡盾構機進行地鐵隧道盾構施工。

3.2? ?雙模式盾構機性能分析

雙模式盾構機（TBM模式和EPB模式）配置了可轉換刀箱，可根據不同巖石的強度來選擇不同的刀具和設備、采用不同的盾構模式，以適應復雜的硬巖與軟巖結合的地層。

3.2.1? ?TBM模式

在遇到堅硬的巖石地段時，選用TBM（Traditional Mechanical Excavation Boring，即傳統的機械挖掘鉆孔）模式進行盾構施工。利用盾構機的刀盤前部的重型滾刀以及刮刀，并將其旋轉起來[6]。通過滾刀的擠壓力和剪切力破碎巖石并將其分解成碎片，然后將這些碎片引導進入土倉內部。利用刀盤上的刮板，將巖石碎片刮送到刀盤中央內側的土料收集槽，并使用傳送機將其輸送出來。TBM模式盾構結構如圖2a所示。

3.2.2? ?EPB模式

在掘進軟巖和復合地層時，選用EPB（Earth Pressure Balance，即土壓平衡）模式進行盾構施工。利用刀盤前部安裝的部分滾刀、撕裂刀或先行刀等刀具進行旋轉推進。這些刀具能夠剝離巖土物質，并將其順著刀盤開口送入土倉。與此同時，土體的自然堆積和壓縮會產生一定的土壓力，用于平衡刀盤前部受到的土壓力，以確保刀盤前部土體的穩定性、控制地表沉降在安全范圍之內。EPB模式盾構結構如圖2b所示。

3.3? ?地鐵隧道盾構掘進

3.3.1? ?掘進流程

大源站至太和站區間盾構隧道上行線與下行線段施工均采用TBM和EPB兩種模式交替進行地鐵隧道盾構掘進施工。大太區間隧道施工優化方案如圖3所示。

TBM模式也稱為“硬巖模式”。TBM模式下的地鐵隧道盾構流程如下：首先，機械鉆頭進行巖石的鉆爆和破碎，同時噴水冷卻和抑制灰塵；其次，將破碎后的巖屑通過盾構機內部的螺旋輸送器輸送到傳送帶上；最后，通過輸送帶等運輸裝置將巖屑運出隧道。

EPB模式下的地鐵隧道盾構流程如下：首先，盾構機在掘進過程中，掌子面和刀盤后面的土倉之間充滿切削下來的土壤中形成一個壓力平衡的土環；其次，在保持土壓平衡的條件下，螺旋輸送器將多余的土壤輸送到盾構機內部的傳送帶上；最后，通過傳送帶等運輸裝置將土壤運出隧道。

3.3.2? ?掘進方法

采用礦山法進行盾構施工，從大源站端頭井開始盾構掘進施工，向太和站方向施工。本區段有Ⅲ、Ⅳ、V、Ⅵ級圍巖，上行線從大源站端頭井開始，圍巖級別依次分別是Ⅵ級60m、V級圍巖14m、Ⅳ級圍巖40m，Ⅲ級圍巖246m、Ⅳ級圍巖20m；下行線從大源站端頭井開始，圍巖級別依次分別是Ⅵ級29m、V級圍巖45m、Ⅳ級圍巖30m，Ⅲ級圍巖96m。

3.4? ?隧道初期支護與二次襯砌

3.4.1? ?隧道初期支護

根據圍巖的不同等級、性質和穩定性要求，選擇最合適的初期支護方案，可以防止圍巖失穩或塌方，減小隧道結構的局部荷載，增強隧道結構的穩定性，免除隧道地質災害風險，確保隧道的施工安全和長期、穩定運行。初期支護參數設定如表2所示。

根據表2中的初期支護參數，確定初期支護流程如下：一是清理施工區域，確保區域內沒有浮石、雜物和障礙物，并在隧道圍巖上做出第一次混凝土噴射厚度標記。二是根據隧道圍巖級別和第一次混凝土噴射厚度標記，使用噴射機向隧道圍巖進行第一次C25混凝土噴射，對圍巖發揮穩定作用。三是根據隧道圍巖級別、混凝土厚度和設計要求，按照隧道的環向和縱向間距設置錨桿，并在圍巖上鉆孔和安裝錨桿，確保錨桿的支護作用有效。四是根據表2中規定的規格尺寸在圍巖上安裝Φ8鋼筋網，其作用是提供抗裂和增強初期支護的強度，防止圍巖松動和坍塌。五是根據表2中的要求在隧道全環安裝鋼拱架，其作用是增加隧道的整體強度與穩定性。六是再次噴射混凝土，混凝土的平均噴射厚度應≥表2規定的厚度。

3.4.2? ?二次襯砌

當盾構機掘進一段距離且完成初期支護后，即可進行隧道的二次襯砌施工。此時，隨著盾構機的掘進，完成與初次支護、開始進行二次襯砌的隧道施工段分離。隧道的二次襯砌常用的模板有整體移動式模板臺車、分體移動式模板臺車和拼裝式拱架模板，應結合。二次襯砌是隧道的最后一次襯砌，可抵御隧道外界的壓力，保證隧道結構的安全、穩定和地鐵車輛的安全運行。

4? ?應用效果

地鐵廣佛環線GFHD-2標三工區的大源站至太和站區間，按照本文所述地鐵隧道盾構施工技術完成了施工任務。為了驗證該技術的應用效果，選擇隧道土體位移數據作為評價指標。

根據隧道施工建設有關標準規定，為了確保隧道完工后的運行安全，其土體的位移量在豎直方向和水平方向都不得超過±5mm?；谠摌藴?，在施工前隨機抽取了施工區域內的5個測量點，進行了土體位置測量和記錄。在完成該隧道施工后，對這5個測量點的土體位移量再次進行了測量和記錄，并將測量結果與標準規定進行了比較，其結果如表3所示。

從表3記錄的結果可以看出，按照本文提出的隧道施工技術進行施工后，各個測點上的位移量均在±5mm范圍之內，能夠保證隧道的質量和安全，由此說明本文設計的地鐵隧道盾構施工技術在市政地鐵隧道盾構施工中具有可行性。

5? ?結束語

本文研究了復雜地質條件下市政地鐵隧道盾構施工技術，并結合廣佛環線GFHD-2標三工區項目為例，對其地質勘察、盾構機選擇和地鐵隧道盾構掘進等過程進行了設計和探討，采用了TBM模式和EPB模式進行盾構施工，滿足了不同地質條件下的施工需求，取得了在復雜地質條件下進行市政地鐵施工高質量的良好效果。

參考文獻

[1] 朱建輝.復雜地質條件下地鐵隧道盾構施工技術方案研究

[J].市政技術，2021，39（5）：52-55.

[2] 黃超群.小凈距疊線地鐵隧道盾構施工技術控制要點[J].中

文科技期刊數據庫（全文版）工程技術，2023（4）：120-124.

[3] 陳強.小半徑曲線地鐵隧道盾構施工技術[J].隧道建設，2009，

29（4）：446-450+474.

[4] 謝鴻輝.巖溶、土洞復合地層地鐵隧道盾構施工技術分析

[J].技術與市場，2011，18（2）：41-43.

[5] 王建亮.巖溶復合地層地鐵隧道盾構施工技術[J].城市住

宅，2020，27（5）：220-221.

[6] 彭帥，宋南濤，吳道勇.填海區小曲線地鐵盾構隧道設計施

工關鍵技術分析[J].現代城市軌道交通，2023（3）：30-36.