地鐵盾構法隧道施工質量監(jiān)控重點及對策

內(nèi)容摘要】盾構法隧道施工在上海地鐵建設中應用最為廣泛。在實施盾構法隧道施工監(jiān)理工作
                  中監(jiān)理人員應熟悉和掌握施工質量監(jiān)控重點及相應對策，從而為業(yè)主提供優(yōu)質的監(jiān)
                  理服務
【關鍵詞】 盾構法隧道  監(jiān)理  監(jiān)控重點  對策
 
㈠引言
      近年來，為適應城市發(fā)展需要和滿足城市居民日益增長的出行需求，上海市地鐵建設不斷加快了建設步伐。根據(jù)上海地區(qū)軟土地質的特點，地鐵區(qū)間隧道建設一般都采用盾構法施工，盾構法施工是以盾構機為隧道掘進設備，以盾構機的盾殼作支護，用前端刀盤切削土體，由千斤頂頂推盾構機前進，以開挖面上拼裝預制好的管片作襯砌，從而形成隧道的施工方法。盾構機的類型有多種，目前在上海地鐵區(qū)間隧道建設中以土壓平衡式盾構應用最為廣泛。土壓平衡盾構工藝原理是利用安裝在盾構最前面的全斷面切削刀盤，將正面土體切削下來的土進入刀盤后面的密封艙內(nèi)，井使艙內(nèi)具有適當壓力與開挖面水土壓力平衡，以減少盾構推進對地層土體的擾動，從而控制地表沉降或隆起，在出土時由安裝在密封艙下部的螺旋運輸機向排土口連續(xù)的將土渣排出。由于地鐵盾構法隧道施工技術難度大、施工風險高、質量要求高、不可預測因素多。因此，監(jiān)理人員應熟悉和掌握盾構法隧道施工監(jiān)理監(jiān)控重點及相應對策，在監(jiān)理工作中才能真正做到有效地對施工質量進行監(jiān)控，從而為業(yè)主提供優(yōu)質的監(jiān)理服務。 本人有幸參加了地鐵二號線西延伸工程的施工監(jiān)理工作，在區(qū)間隧道掘進施工監(jiān)理過程中，通過不斷摸索與總結，也積累了一些菲薄的工作經(jīng)驗， 以下就以土壓平衡式盾構為例，對隧道掘進施工中監(jiān)理應監(jiān)控的重點及采取的對策，談幾點體會，以為拋磚引玉。
 
㈡正文
1.盾構始發(fā)（出洞）階段
      盾構始發(fā)（出洞）階段是控制盾構掘進施工的首要環(huán)節(jié)。在盾構始發(fā)（出洞）前、后各項準備工作中監(jiān)理需監(jiān)督承包單位做好充分的技術、人員、材料、設備準備，并對盾構是否具備出洞條件予以審查，確保盾構在安全可靠的前提下能順利出洞。
1.1盾構出洞土體加固
      為了確保盾構出洞施工的安全和更好地保護附近的地下管線和建（構）筑物，盾構出洞前需對出洞區(qū)域洞口土體進行加固。土體加固的方法較多（如水泥攪拌樁加固、旋噴樁加固等），但無論采用何種加固方法，對土體加固的效果檢驗始終應作為監(jiān)理重點控制的內(nèi)容。在確保加固效果滿足設計要求前提下，才能同意盾構出洞，否則應督促承包方及時采取補救措施。針對土體加固監(jiān)理人員應重點關注以下三方面：
      ⑴加固土體與地墻間隙封閉
      由于加固土體與地墻之間存在間隙，監(jiān)理在審查土體加固專項方案時應審查承包方是否在方案中有相應的措施，一般可采用注漿、旋噴等方法封閉該間隙，并監(jiān)督承包方予以落實。
      ⑵加固土體的強度
      加固土體的強度是否滿足設計要求是衡量加固效果的首要指標，可通過對進出洞加固范圍內(nèi)不同深度土體采用鉆芯取樣檢測的方式加以驗證，監(jiān)理人員應對承包方鉆芯取樣過程進行見證，確保取樣工作的真實性。
      ⑶加固土體的均勻性
      檢驗加固土體的均勻性目前尚無相應的工具、手段，可通過打探孔方式進行觀察。監(jiān)理人員應監(jiān)督承包方在洞口割除圍護結構背土面鋼筋及鑿除砼后，合理布置探孔（選擇有代表性部位、數(shù)量一般不少于5個），現(xiàn)場觀察探孔有無滲漏或流砂等異常情況，作為判斷土體加固效果的輔助手段。
1.2盾構始發(fā)基座設置
      盾構始發(fā)前需將盾構機準確的擱置在符合設計軸線的始發(fā)基座上，待所有準備工作就緒后，沿設計軸線向地層內(nèi)掘進施工。因此，盾構出洞前盾構始發(fā)基座定位的準確與否，直接影響到盾構機始發(fā)姿態(tài)好壞。監(jiān)理在檢查盾構始發(fā)基座時，應重點復核以下內(nèi)容：
      ⑴洞門位置及尺寸
      在基座設置前，監(jiān)理人員應采用測量工具對洞口實際的凈尺寸、直徑、洞門中心的平面位置及高程進行復核。
      ⑵盾構始發(fā)基座位置
      盾構始發(fā)基座的設置依據(jù)不僅包括洞門中心的位置、還包括設計坡度與平面方向。在始發(fā)基座設置完畢，為確保盾構機能以最佳的姿態(tài)出洞。監(jiān)理人員應復核基座頂部導向軌的位置（平面位置及高程），確保盾構擱置位置和方向滿足設計軸線的要求。
1.3盾構機及后配套設備井下驗收
      盾構法隧道施工主要依靠盾構掘進機及配套設備完成掘進任務，由于受工作井內(nèi)空間限制，需將盾構機及后配套臺車分節(jié)吊裝運至井下，并在井下安裝、調試和試運轉。土壓平衡式盾構機及后配套設備構成主要由盾構殼體（包括刀盤及切口環(huán)、支撐環(huán)、盾尾）、推進系統(tǒng)、拼裝系統(tǒng)、油脂潤滑系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等組成。監(jiān)理在井下驗收工作中的重點是對盾構機及后配套設備主要部件和系統(tǒng)檢查和核對，并對試運轉情況進行見證，在驗收合格前提下可批準盾構機及配套設備投入使用。以下為本工程日本小松φ6340土壓平衡式盾構機為例，對盾構機井下調試、驗收項目作一介紹。

1.4 后盾支撐系統(tǒng)安裝
      盾構前進的動力是通過千斤頂來提供，而盾構始發(fā)時千斤頂頂力是作用在后盾支撐系統(tǒng)之上。一般后盾支撐體系是由鋼反力架、鋼支撐、臨時襯砌（負環(huán)管片）等組成，監(jiān)理在監(jiān)督過程中應重點關注后盾支撐系統(tǒng)是否滿足其技術要求，即后盾支撐系統(tǒng)必須有足夠的剛度和強度，確保在頂力作用下不發(fā)生變形。
1.5洞門圍護結構鑿除（出洞側）
      地鐵盾構法隧道施工一般以車站主體結構兩端端頭井作為盾構始發(fā)井和接收井。盾構在始發(fā)前需對始發(fā)井出洞側洞口圍護結構進行分次鑿除(一般分為兩次，第一次先割除背水面鋼筋及鑿除圍護結構砼至迎水面鋼筋，第二次出洞前再清除剩余部分)，一方面清除盾構出洞前障礙，另一方面第一次鑿除圍護結構后通過打探孔可進一步直觀的觀察盾構出洞土體加固的效果。監(jiān)理在洞門圍護結構鑿除后應對其后土體自立性、滲漏等情況進行觀察，判斷出洞區(qū)域土體的實際加固效果是否滿足盾構安全出洞的要求。
1.6盾構出洞裝置安裝
      由于隧道洞口與盾構之間存在建筑間隙，易造成泥水流失，從而引起地面沉降及周圍建筑物、管線位移，因此需安裝出洞裝置。一般包括簾布橡膠板、圓環(huán)板、扇形板及相應的連接螺栓和墊圈等。監(jiān)理應重點對簾布橡膠板上所開螺孔位置、尺寸進行復核，對出洞裝置安裝的牢固情況進行檢查，確保簾布橡膠板能緊貼洞門，防止盾構出洞后同步注漿漿液泄漏。
1.7盾構始發(fā)出洞
      盾構出洞準備工作就續(xù)后，為減少正面土體暴露時間，盾構從始發(fā)基座導軌上應及時向前推進，使盾構切口切入土層直至盾構殼體進入洞口的過程稱為“盾構始發(fā)出洞”。該關鍵環(huán)節(jié)監(jiān)理應進行旁站監(jiān)督，并重點做好以下工作：
      ⑴觀察割除圍護結構迎水面鋼筋后盾構機應迅速靠上洞口正面土體。
      ⑵觀察盾構出洞期間洞口有無滲漏的狀況，發(fā)現(xiàn)洞口滲漏督促承包單位及時封堵。
      ⑶檢查前倉土壓力設置是否合適，觀察土倉有無砼塊，發(fā)現(xiàn)后督促承包單位及時清除。
      ⑷第一環(huán)正環(huán)拼裝前檢查最后一環(huán)負環(huán)管片的拼裝位置。
      ⑸檢查千斤頂使用狀況，防止盾構出洞后出現(xiàn)姿態(tài)“上飄”現(xiàn)象。
2.盾構試掘進和正式掘進階段
      根據(jù)盾構法施工工藝的特點，盾構安全出洞后需通過前100環(huán)試推進尋求最佳施工參數(shù)，為全線的正常推進提供符合實際土層特點的技術參數(shù)。不論在試掘進還是正式掘進階段，監(jiān)理可以通過觀察盾構機控制室內(nèi)儀器儀表顯示的數(shù)據(jù)、審查承包單位上報的盾構掘進施工報表、通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析隧道及地面沉降情況等手段進行動態(tài)監(jiān)控，及時掌握和分析施工技術參數(shù)變化，檢查盾構掘進中的姿態(tài)、管片拼裝的質量、注漿作業(yè)的效果等，督促承包單位采取相應的措施確保盾構掘進施工質量和周邊環(huán)境的安全。
2.1盾構機施工參數(shù)管理
      由于土壓平衡式盾構采用電子計算機控制系統(tǒng)，能自動控制刀盤轉速、盾構推進速度及前進方向，并及時反映掘進中的施工參數(shù)。這些施工參數(shù)的確定是根據(jù)地質條件情況、環(huán)境監(jiān)測情況，進行反復量測、調整和優(yōu)化的過程，若發(fā)現(xiàn)異常需及時調整。因此，對盾構施工參數(shù)的管理應貫穿于盾構掘進過程的始終。監(jiān)理在監(jiān)督過程中可通過審查承包方施工報表，觀察盾構機控制室內(nèi)監(jiān)控設備等手段，及時收集和分析有關施工參數(shù)的信息，通過信息反饋，動態(tài)掌握施工參數(shù)的變化。盾構機監(jiān)控系統(tǒng)能反映的施工參數(shù)很多（如土壓力、刀盤油壓和轉速、盾構掘進速度等），對于這些施工參數(shù)的管理監(jiān)理在工作中應重點關注以下幾項：
2.1.1土壓力
      土壓平衡式盾構機掘進的原理是建立開挖面前后水土壓力平衡。在盾構掘進不同階段，盾構機工況是從非土壓平衡通過在初始出洞階段逐步過渡到土壓平衡，再到進洞階段由土壓平衡逐步過度到非土壓平衡，即土壓力設定是變化的（在理論數(shù)值上它與土體容重、覆土深度、側向土壓力系數(shù)有關），施工中需要不斷通過不同的土質、覆土厚度、結合環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行調整。因此，平衡土壓值的設定是土壓平衡式盾構施工關鍵，監(jiān)理應予以重點關注，并通過計算理論土壓力與實際設定土壓力進行比較，判斷實際設定土壓力是否滿足施工的需要，督促承包方合理的設定土壓力。
2.1.2出土量
      土壓平衡式盾構是以切口環(huán)作為密閉土倉，盾構推進中切削后土體進入密閉土倉，隨著進土量增加建立一定的土壓力，再通過螺旋輸送機完成排土，而土倉壓力值是通過出土量來控制的。因此，出土量的多少、快慢與設定的土壓力值密切相關，監(jiān)理人員可通過計算每環(huán)理論出土量與實際每環(huán)出土量相比較，判斷出土量是否正常。
2.1.3掘進速度
      盾構掘進的速度主要受盾構設備進、出土速度的限制，若進出土速度不協(xié)調，極易出現(xiàn)正面土體失穩(wěn)和地表沉降等不良現(xiàn)象。因此，監(jiān)理應重點督促承包方均衡連續(xù)組織掘進作業(yè)，當出現(xiàn)異常情況時（如遇到阻礙、遇到不良地質、盾構姿態(tài)偏離較大等），應及時停止掘進，封閉正面土體，查明原因后采取相應的措施處理。
2.1.4千斤頂推力
      盾構是依靠安裝在支撐環(huán)周圍的千斤頂推力向前推進的，推力的大小與盾構掘進所遇到的阻力有關，正確的使用千斤頂是盾構是否能沿設計軸線（標高）方向準確前進的關鍵。因此，在每環(huán)推進前，監(jiān)理應根據(jù)前面幾環(huán)承包方申報的盾構推進的現(xiàn)狀報表，分析盾構趨勢，督促承包方正確的選擇千斤頂?shù)木幗M，合理地進行糾偏。
2.2盾構掘進姿態(tài)控制
      所謂盾構姿態(tài)具體是指盾構掘進中現(xiàn)狀空間位置（包括高程和平面位置）。盾構姿態(tài)控制就是將盾構軸線控制在與設計允許偏差范圍內(nèi)。盾構姿態(tài)控制的好壞，不僅關系到盾構軸線是否能在已定的空間內(nèi)在設計軸線允許偏差內(nèi)推進，而且還影響到后續(xù)工序管片拼裝的質量（只有盾構掘進姿態(tài)控制在允許誤差之內(nèi)，才能確保管片拼裝能在理想的位置）。因此，在盾構掘進階段對盾構姿態(tài)的控制始終應做為監(jiān)理人員監(jiān)督的重中之重。根據(jù)《地下鐵道工程施工及驗收規(guī)范》（GB50299-1999）8.4.4條（2003版）規(guī)定“盾構掘進中應嚴格控制中線平面位置和高程，其允許偏差均為±50mm，發(fā)現(xiàn)偏離應逐步糾正，不得猛糾硬調”。監(jiān)理在實施對盾構姿態(tài)控制時，應嚴格以規(guī)范要求為控制準則。監(jiān)理在工作中針對盾構姿態(tài)的控制，首先應熟悉和掌握設計線型要求，即隧道平面曲線和豎曲線的線型情況（包括里程、長度、坡度、半徑等），其次還應重點監(jiān)控以下內(nèi)容：
2.2.1盾構姿態(tài)測量數(shù)據(jù)
      盾構姿態(tài)測量數(shù)據(jù)包括自動測量數(shù)據(jù)（盾構機裝有自動測量系統(tǒng)，能反映盾構運行的軌跡和瞬時姿態(tài)，動態(tài)監(jiān)測盾構姿態(tài)數(shù)據(jù)）和人工測量復核數(shù)據(jù)（對自動測量數(shù)據(jù)正確性進行檢測和校正），監(jiān)理人員可對兩類數(shù)據(jù)綜合分析、比較，動態(tài)掌握數(shù)據(jù)變化情況，正確指導盾構正確、安全地推進。
2.2.2盾構糾偏量
      盾構在推進過程中不可能一直處于理想狀況（尤其是在曲線段），會產(chǎn)生不同程度的偏向。影響盾構的偏向的因素很多，也很復雜（如地質條件的因素、機械設備的因素、施工操作的因素等等），施工中一般可通過調整千斤頂編組或糾偏材料（粘貼在管片上）進行糾偏。監(jiān)理工程師不僅應做到及時根據(jù)盾構姿態(tài)測量數(shù)據(jù)，分析盾構姿態(tài)，督促承包商控制好掘進方向，平穩(wěn)地控制盾構推進的軸線。而且在每環(huán)管片拼裝前對盾構姿態(tài)進行復查，發(fā)現(xiàn)偏差，督促承包方合理的制定糾偏方案和糾偏量，及時采取糾偏措施，避免誤差累積。
2.3管片拼裝控制
      根據(jù)盾構法施工工藝管片成環(huán)的特點：管片是盾殼的保護下在盾尾拼裝成環(huán)形成隧道的。
      它是盾構法施工的關鍵工序，管片拼裝的質量好壞直接影響到隧道結構的安全和使用功能。因此，為確保管片拼裝的質量滿足設計和規(guī)范的要求，監(jiān)理應重點抓好以下環(huán)節(jié)：
2.3.1管片制作監(jiān)控
      管片制作質量好壞是確保管片拼裝質量的首要環(huán)節(jié)，一般管片制作均由預制構件廠提前生產(chǎn)，以滿足現(xiàn)場盾構掘進施工的需要?！兜叵妈F道工程施工及驗收規(guī)范》（GB50299-1999）8.11條對管片制作質量提出明確的要求。監(jiān)理對管片制作監(jiān)理人員在監(jiān)督管片制作過程中應嚴把質量關，在滿足以下條件的前提下才能允許管片出廠。
      ⑴制作管片模具的精度符合規(guī)范要求。
      ⑵制作管片類型、管片脫模后成品外觀質量及尺寸偏差滿足設計和規(guī)范要求。
      ⑶管片的砼抗壓強度及抗?jié)B指標滿足設計要求。
      ⑷管片的檢漏檢測和三環(huán)試拼裝檢驗符合規(guī)范要求。
2.3.2管片進場檢查
      管片制作合格后需根據(jù)現(xiàn)場施工需要分批由預制廠運輸至現(xiàn)場。監(jiān)理對進場管片的檢查是對管片制作質量的第二次復查。檢查的重點包括：
      ⑴根據(jù)管片排序圖核對進場管片規(guī)格是否滿足施工需要。
      ⑵審查進場管片出廠質量合格證明文件。
      ⑶復查進場管片外觀質量，若發(fā)現(xiàn)缺陷應及時督促承包單位進行修補。
2.3.3管片拼裝前檢查
      根據(jù)管片接縫防水設計要求一般需粘貼防水密封墊，監(jiān)理工程師應在管片拼裝前對密封墊粘貼位置和粘貼質量逐塊檢查。
2.3.4管片成環(huán)后檢查
      管片成環(huán)后的質量是衡量和判斷盾構法隧道質量合格與否的主要依據(jù)。（《地下鐵道工程施工及驗收規(guī)范》（GB50299-1999）8.6.5條對管片拼裝質量提出了具體的要求（本工程以20環(huán)為一個檢驗批進行驗收）。監(jiān)理在進行檢查中應重點檢查以下內(nèi)容：
      ⑴高程和平面偏差。
      ⑵縱、環(huán)向相鄰管片高差和縱、環(huán)向縫隙寬度。
      ⑶縱、環(huán)向相鄰管片螺栓連接。
2.3注漿作業(yè)監(jiān)控
      盾構法工藝施工隧道，由于盾構殼體與拼裝管片之間存在“建筑空隙”，如不及時填充，勢必產(chǎn)生土層擾動變形，造成地面變形（嚴重的危及到地面建筑和地下管線的安全使用）或隧道結構變形。注漿作業(yè)是盾構法隧道施工控制地面和隧道結構變形主要技術措施之一，通過壓漿填充“建筑空隙”控制變形量。施工中的注漿工藝分為同步注漿、襯砌后補注漿，無論采用哪種工藝，監(jiān)理在監(jiān)督過程中應通過分析監(jiān)測資料（以控制地面和隧道結構變形為原則）、審查拌制和注漿施工記錄、對每作業(yè)班拌制注漿液試塊制作見證送檢等手段來綜合分析注漿作業(yè)的效果，判斷注漿作業(yè)是否達到控制變形的成效，并重點監(jiān)督漿液配合比、注漿量、注漿壓力等主要技術指標。
3盾構接收（進洞）階段
      盾構接收（進洞）階段掘進是盾構法隧道施工最后一個關鍵環(huán)節(jié)。盾構能否順利進洞關系到整個隧道掘進施工的成敗。在盾構進洞前后監(jiān)理需監(jiān)督承包單位做好充分的盾構接收的準備工作，確保盾構以良好的姿態(tài)進洞，就位在盾構接收基座上。
3.1盾構進洞土體加固
      盾構進洞區(qū)域土體加固一般與出洞區(qū)域土體加固是同時進行，對盾構進洞土體加固效果的檢驗可參照對盾構出洞土體加固。
3.2盾構接收基座設置
      盾構接收基座用于接收進洞后的盾構機，由于盾構進洞姿態(tài)是未知的。在盾構接收（進洞）前監(jiān)理仍需復核接收井洞門中心位置和接收基座平面、高程位置（一般以低于洞圈面為原則），確保盾構機進洞后能平穩(wěn)、安全推上基座。
3.3進洞前盾構姿態(tài)監(jiān)控
      在盾構進洞前100環(huán)監(jiān)理對已貫通隧道內(nèi)布置的平面導線控制點及高程水準基點做貫通前復核測量，是準確評估盾構進洞前的姿態(tài)和擬定進洞段掘進軸線的重要依據(jù)。監(jiān)理復核數(shù)據(jù)應通過與承包方復核數(shù)據(jù)的比較，分析誤差是否在允許偏差之內(nèi)，從而正確的指導進洞段盾構推進的方向。
3.4洞門圍護結構鑿除（進洞側）
      盾構進洞前需對接收井內(nèi)圍護結構背水面鋼筋進行割除及砼鑿除，通過打探孔實際驗證盾構進洞區(qū)域土體加固的效果。監(jiān)理在洞門圍護結構鑿除后同樣需對其后土體自立性、滲漏等情況進行觀察，判斷進洞區(qū)域土體的實際加固效果是否滿足盾構安全進洞的要求，否則應督促承包方采取補救措施。
3.5盾構接收進洞
      盾構接收（進洞）準備工作就續(xù)后，盾構機向前推進，在前端刀盤露出土體直至盾構殼體順利推上接收基座的過程稱為“盾構接收進洞”。該關鍵環(huán)節(jié)監(jiān)理應進行旁站監(jiān)督，并重點做好以下工作：
⑴觀察進洞洞口有無滲漏的狀況，發(fā)現(xiàn)洞口滲漏督促承包單位及時封堵。
⑵督促承包方及時安裝洞口拉緊裝置，并檢查其牢固性。
 
㈢結束語
      盾構法隧道工程是一項綜合性施工技術（如包括盾構機械技術、隧道測量技術、地下防水技術、盾構施工安全技術等），通過多年來前人的不斷摸索和實踐已經(jīng)形成了一套比較成熟的施工技術，尤其是近年來在上海地鐵建設中得到了廣泛的應用，盾構法施工技術也在原有的基礎上不斷的發(fā)展（單元、小直徑逐步向多元、大直徑），而且國產(chǎn)盾構的制造及施工技術也取得了可喜的成績。這些都對監(jiān)理人員的素質提出了更高的要求，更需監(jiān)理人員通過不斷學習和實踐，熟悉這些相關的施工技術，掌握盾構法隧道施工質量監(jiān)控重點及相應的對策，才能為今后盾構法隧道施工質量、施工安全提供有力的監(jiān)督管理。