张建平
（中铁十七局集团市政建设有限公司，江苏无锡214142）
摘要：在复杂地层，尤其是含水量高、地质条件复杂的区域，传统盾构开仓技术面临诸多挑战，如地面沉降、开仓失稳等问题。本研究旨在探讨复杂地层中盾构带压开仓施工技术的应用与优化。
1前言
伴随着城市化进程不断加快，我们城市的地下空间开发利用成为解决城市空间紧张的非常重要的途径。而盾构隧道作为链接城市交通网络的关键，它的安全、高效建设是非常重要的。但在复杂地层的条件下，比如说多变且复杂的地质构造、高地下水位和狭窄的城市空间，这样的条件使得传统的盾构施工变得异常艰难。特别是在盾构机开仓的阶段，我们该如何有效地控制地面的沉降，保障施工的安全和进度的持续推进，成为这个领域亟待解决的关键问题。本文深入研究了在复杂地层中的盾构带亚开仓施工技术，旨在通过技术创新和工程实践，提高盾构开仓的安全性和效率。
2盾构带压开仓技术的理论基础
2.1盾构开仓技术概述
盾构开仓技术是现代隧道施工中的一项关键技术，主要用于隧道起始段的开挖作业。在传统的盾构开仓方法中，是通过临时围护结构和人工开挖相结合的方式进行土体开挖。然而，这种方法在复杂地质条件下存在安全风险和施工效率低下的问题。盾构机的引入极大地提高了隧道施工的自动化水平和安全性，尤其是在城市密集地区或复杂地层中展现出其优越性。盾构机的工作原理是在机头部分形成一个封闭空间，在此空间内通过刀盘旋转切割土体。随后，切割下来的土石方通过输送系统送至隧道外部[1]。这种方法不仅提高了施工效率，还大大降低了地面沉降和对周围环境的影响。盾构带压开仓如图1所示。
2.2盾构带压开仓的原理与特点
盾构带压开仓技术是在传统盾构开仓技术的基础上发展起来的一种先进技术。其核心原理是在盾构机开仓过程中，通过控制盾构机前仓内的压力，使其与土体的压力达到平衡。这样可以有效地防止土体塌陷和地面沉降，特别适用于地下水位高、土体松散和地质条件复杂的区域。盾构带压开仓技术的一个重要特点是能够在保持地层稳定的同时进行开挖作业。这主要得益于盾构机前仓内加压的施工方式，它可以有效抵抗土体的压力，减少对周围环境的影响。此外，该技术还具有施工速度快、安全性高、对城市交通干扰小等优点，逐渐成为隧道工程中的首选技术。
2.3复杂地层条件下的施工难点分析
在复杂地层条件下，盾构带压开仓面临诸多挑战。首先，地层的不均匀性可能导致盾构机的刀盘受力不均，影响切割效率和施工安全。同时，不同地质条件下的土体特性差异大，如砂土、黏土或含砂砾石的复合地层，都对盾构机的工作模式和参数设置提出了更高的要求。高地下水位和敏感地层的存在增加了施工中的难度。例如，在高地下水位的情况下，需要严格控制盾构机前仓的压力，以防止水土流失和地面沉降[2]。此外，敏感地层，如软土、淤泥等，对盾构机的稳定性和安全性提出了更高的要求。城市地区密集的地下管线和建筑物也给盾构带压开仓带来了额外的挑战。施工过程中需要精确的定位和监测，以避免对这些设施造成损害。同时，城市环境中的噪声、振动和尘埃等问题也需要得到有效控制。盾构带压结构如图2所示。
3复杂地层中的地质特征及其对盾构施工的影响
3.1复杂地层的分类与特征
复杂地层的概念常常涉及地质条件的多样性和变异性，这些复杂地层的特性涵盖了广泛的物理和化学属性，具有不同程度的多样性和不确定性。根据实地观测和地质调查，可以将复杂地层细分为几个主要类别，其中包括砂质地层、黏性地层、含砂砾石地层和软弱地层等。砂质地层的主要特征在于其颗粒较大、孔隙率较高，因而具有较高的水渗透性，这一特性可通过渗透率测定等数据得以量化。黏性地层以其主要成分为黏土，具有较强的塑性和黏着性，这些特性可通过黏度测试等实验数据进行验证。含砂砾石地层通常由砂石混合构成，呈现出不均匀性和松散性，这些特征可通过颗粒分布分析和密实度测试等手段予以确定。软弱地层的特征主要表现为其较低的承载力和较高的压缩性，这些性质可通过土壤力学试验和应力-应变曲线等数据来详细描述。在盾构施工等工程实践中，对这些不同地质特性的准确认识和分析至关重要，因为它们将直接影响到施工过程中的稳定性、效率和安全性。
3.2地层条件对盾构开仓技术的影响
地层条件对盾构开仓技术的影响主要表现在对盾构机性能的苛刻要求上，在复杂地层条件下，盾构机需具备更高的适应性和灵活性，以应对不同地质条件所带来的多方挑战。例如对于高渗透性的砂质地层，盾构机需具有优异的密封性能和高效的排水系统，其性能要求可通过相关密封性能测试数据加以验证。在面对黏性地层时，盾构机的刀盘设计需考虑到清理黏土的能力。对于含砂砾石地层，盾构机需要更强的切削能力和耐磨性能，这可通过相关切削能力测试和耐磨性试验数据予以确认。而在软弱地层施工中，盾构机的稳定性和对地面沉降的控制能力成为关键因素，这些性能指标可通过土壤力学试验和实地监测数据来评估。除此之外，地层条件还直接影响到盾构开仓技术的施工参数设定，如刀盘转速、推进速度和仓内压力的调整，这些参数的确定需基于地层特性的详细分析和数据支撑。此外，地层条件还对盾构开仓过程中的风险管理和应对策略产生重要影响，如对地面沉降、盾构机偏离轨道等问题的预防和处理策略的制定需要充分考虑地层条件的特点和实测数据的支持。
3.3地下水、土体性质及其他因素分析
地下水是影响盾构施工的另一重要因素。地下水的存在不仅增加了施工中水土流失和地面沉降的风险，而且还可能导致盾构机仓内压力失控。因此，在进行盾构施工时，需要对地下水位进行精确监测，并采取有效的排水和压力控制措施。土体性质，如土体的粒度分布、密度、湿度和黏聚力等，也对盾构施工有着重要的影响。不同的土体性质要求盾构机具有不同的适应能力，如对软弱土层的支撑能力、对硬质土层的切削能力等。同时，土体性质的变化也给施工过程中的参数调整和风险管理带来了挑战。此外，其他因素如地质构造、地震活动性、环境保护要求等也需在盾构施工中予以考虑。复杂地层中盾构带压开仓施工技术如图3所示。
4盾构带压开仓技术的应用与案例分析
4.1国内外盾构带压开仓技术应用概况
盾构带压开仓技术作为一种先进的隧道施工方法，在全球范围内得到了广泛的应用和认可。在欧洲，这项技术已经成为隧道施工的标准做法，尤其在地下水位高或地质条件复杂的城市地区。例如，在荷兰阿姆斯特丹的地铁项目中，盾构带压开仓技术成功应对了城市密集地区的地下水问题和松散地层条件。在亚洲，特别是在中国，随着城市地下空间的快速开发，盾构带压开仓技术在许多大型基础设施项目中发挥了重要作用[3]。例如，在北京地铁的建设中，针对复杂的地质环境和高密度的城市布局，广泛采用了盾构带压开仓技术，确保了施工的安全和效率。盾构带压开仓技术的推广应用，不仅体现在大型城市基础设施项目上，也在小型项目和特殊地质条件下的应用中体现出其灵活性和高效性。
4.2典型工程案例分析
一个典型的案例是上海地铁15号线的施工。在这个项目中，施工团队面临着复杂的地质条件，包括软土层、混合地层以及高地下水位等。通过采用盾构带压开仓技术，工程团队成功控制了地面沉降，避免了对周边建筑物和地下管线的影响。另一个案例是香港的海底隧道项目。该项目在海底软弱地层的条件下施工，施工团队采用了盾构带压开仓技术，有效地解决了海底施工的多种挑战，如高水压、松散土层和复杂的水文地质条件。
4.3施工中的问题与解决方案
尽管盾构带压开仓技术具有许多优点，但在实际应用中仍然会遇到一些问题。例如，盾构机在复杂地层中可能遇到刀盘磨损过快、开仓过程中的土体坍塌或盾构机卡死等问题。对此，需要采取针对性的解决方案，如优化刀盘设计、加强地质预测和监测，以及改进施工方案。在处理盾构带压开仓过程中的地面沉降问题时，重要的是要实施精确的地面监测和及时的调整施工参数。通过对盾构机前仓压力的精细控制和对盾构推进速度的调整，可以有效减少对周边环境的影响[4]。另外，针对地下水位高和软弱地层的特殊情况，施工团队需要采用更为复杂的技术手段，如设置临时排水系统，增强盾构机的密封性能，以及采用特殊的土体改性技术。
5盾构带压开仓施工的风险管理与控制
5.1施工风险识别与评估
盾构带压开仓施工作为一种高技术、高风险的地下工程方法，其安全性至关重要。在实际工程实践中，有许多案例支持这一观点。以深圳地铁4号线为例，该项目采用盾构带压开仓技术施工，但在施工初期未充分评估地层地质条件，导致盾构机遭遇了不稳定的地层情况，造成了严重的施工事故，这突显了风险评估的重要性。因此，在施工前必须进行全面的风险识别与评估。首先，通过地质勘查获取详尽的地质数据，识别可能存在的地质隐患，例如广州地铁8号线工程中，经过对地质勘查数据的分析，工程团队发现地下水位较高，从而及时采取了相应的地下水处理措施，保障了施工的顺利进行。其次，评估盾构机及相关设备的适应性，包括刀盘类型、压力控制系统等。在北京地铁10号线工程中，盾构机的设计和选型考虑了地质条件的复杂性，选择了适用于软土层的刀盘类型，并且配置了高效的压力控制系统，有效地减小了地质风险。
5.2风险管理策略
盾构带压开仓施工的风险管理策略应围绕风险预防、控制和应对三个方面展开。在风险预防方面，需要通过优化施工设计、加强设备维护和提高施工团队的专业技能来减少风险发生的可能性。在风险控制方面，重点是实时监控施工过程，如通过地面沉降监测、盾构机状态监测等手段，及时发现问题并采取相应措施。在应对风险方面，需要制定详细的应急预案，包括施工中断、盾构机故障处理、紧急撤离等情况的应对措施[5]。风险管理还应包括定期的安全培训和演练，确保施工人员对各种可能出现的紧急情况有清晰的认识和应对能力。
5.3安全监控与应急预案
安全监控是盾构带压开仓施工风险管理的关键部分。通过安装先进的监控设备和系统，如地面沉降监测仪、盾构机状态监测系统等，可以实时监控施工过程中的关键参数，及时发现异常情况。此外，还应建立完善的信息反馈机制，确保监控数据能够快速准确地传达给施工管理人员，以便及时采取措施。应急预案的制定应基于对可能出现的各种紧急情况的全面评估。预案中应明确各种紧急情况下的应对措施、责任分配、撤离路线、救援资源等。在施工过程中，应定期组织应急演练，提高施工人员的应急响应能力和协调性。在实际施工中，还需要考虑到与周边环境的互动，如对邻近建筑物和地下设施的保护，以及对公众的沟通和信息公开。通过与周边社区的有效沟通，可以提高公众对工程的理解和支持，减少因工程施工带来的社会影响。
6结语
综上所述，盾构带压开仓技术在复杂地层中的应用具有重要的研究价值和广阔的应用前景。本研究不仅为相关领域的专业人员提供了理论和实践的参考，也为未来的研究和工程实践指明了方向。
转载文献来源：中国知网-流体测量与控制
