馬潤(rùn)韜，李永森

（1、廣州地鐵集團(tuán)有限公司 廣州 510330；2、中交一公局廈門(mén)工程有限公司 福建廈門(mén) 361021）

0 引言

廣州地區(qū)主要包括以粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖為主的紅層以及花崗巖地層、灰?guī)r地層三大類(lèi)地層，地層種類(lèi)復(fù)雜，在國(guó)內(nèi)一直有“地質(zhì)博物館”的稱(chēng)號(hào)。廣州地鐵某區(qū)間涵蓋了廣州地區(qū)三大類(lèi)地層，部分地段因地面原因無(wú)法進(jìn)行詳細(xì)勘探，該區(qū)間在廣深地區(qū)盾構(gòu)施工中具有一定代表性，在施工時(shí)合理選擇盾構(gòu)機(jī)配置，及時(shí)預(yù)判風(fēng)險(xiǎn)尤為重要。

針對(duì)該區(qū)間自有的特殊性及周邊環(huán)境的復(fù)雜性，結(jié)合以往設(shè)備選型、開(kāi)倉(cāng)換刀、盾構(gòu)機(jī)常見(jiàn)故障及裝備制造技術(shù)的提高，該區(qū)間盾構(gòu)機(jī)成功運(yùn)用了土倉(cāng)可視化系統(tǒng)，確保了盾構(gòu)施工的順利，大大提高了盾構(gòu)機(jī)在廣州地區(qū)的適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性、安全性［1］。

1 工程概況

1.1 線路情況

該區(qū)間從1 號(hào)車(chē)站主要經(jīng)廣州中醫(yī)藥大學(xué)校區(qū)、下穿飛鵝西路、桂花崗小學(xué)、廣州市雕塑公園，在下塘西路東側(cè)設(shè)置中間風(fēng)井，最后下穿廣州某高爾夫練習(xí)場(chǎng)到達(dá)2號(hào)車(chē)站。左線長(zhǎng)約2 147 m，右線長(zhǎng)約2 166 m，隧頂埋深13.0～65.4 m，最小曲線半徑R=545 m，最大縱坡2.8%，隧道襯砌采用左右轉(zhuǎn)彎+直線環(huán)錯(cuò)縫拼裝，管片內(nèi)徑?5 800 mm，外徑為?6 400 mm，厚度為300 mm，環(huán)寬為1 500 mm。

1.2 區(qū)間重難點(diǎn)

⑴地質(zhì)情況復(fù)雜：主要以灰?guī)r、花崗巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，灰?guī)r段地層溶（土）洞發(fā)育，見(jiàn)洞率約50%，微風(fēng)化混合花崗巖將近1 km，最大巖石強(qiáng)度167 MPa，地層變化大，施工風(fēng)險(xiǎn)高。

⑵穿越兩條斷裂帶：區(qū)間穿越麓湖斷裂帶與廣從斷裂帶，斷裂帶含水量較大，地層破碎，地面分布既有建構(gòu)筑物，施工過(guò)程控制難度大。

⑶穿越既有線及穿越建構(gòu)筑物：上跨地鐵11 號(hào)線，2 次下穿既有鐵路，穿越建構(gòu)筑物64 棟，沉降控制要求高。

2 原因分析

結(jié)合復(fù)雜地質(zhì)條件，盾構(gòu)施工需先后穿越泥質(zhì)粉砂巖（紅層）、斷裂帶、全斷面硬巖段、粉細(xì)砂層以及巖溶發(fā)育地層，部分區(qū)域地下水頭落差大，水壓高。盾構(gòu)機(jī)在復(fù)雜地層掘進(jìn)過(guò)程中，如何做到實(shí)時(shí)掌握土倉(cāng)內(nèi)渣土改良及刀盤(pán)前方掌子面穩(wěn)定情況顯得尤為重要。在盾構(gòu)選型期間，通過(guò)多次組織專(zhuān)家會(huì)議進(jìn)行研討與論證，為確保能實(shí)時(shí)掌握土倉(cāng)及刀盤(pán)情況，最終確定在盾構(gòu)土倉(cāng)隔板頂部錐板安裝攝像頭［2］，并與盾構(gòu)機(jī)操作系統(tǒng)連接，形成一套土倉(cāng)可視化系統(tǒng)，當(dāng)盾構(gòu)以“氣壓輔助模式”［3］掘進(jìn)時(shí)，土倉(cāng)可視化系統(tǒng)可對(duì)盾構(gòu)機(jī)的部分掌子面和刀盤(pán)進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。

3 設(shè)計(jì)思路

3.1 總體思路

本設(shè)計(jì)創(chuàng)新思路是通過(guò)在土倉(cāng)隔板頂部錐板處安裝視頻監(jiān)控?cái)z像頭，對(duì)攝像頭位置增加可沖洗功能，當(dāng)盾構(gòu)以“氣壓輔助模式”掘進(jìn)時(shí)，可通過(guò)監(jiān)控視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控刀盤(pán)和土倉(cāng)的工作狀況，包括刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)、刀具的磨損狀況、開(kāi)挖地層的圖像信息和渣土的流動(dòng)特性等，同時(shí)可將監(jiān)控信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳遞給地面［4］。本設(shè)計(jì)主要從操作便捷性、盾構(gòu)施工安全性、功能的適用性等角度進(jìn)行考慮，節(jié)省刀盤(pán)前段故障率的排除時(shí)間，可大大提高施工效率、施工質(zhì)量和安全性，及時(shí)掌握施工情況，降低施工風(fēng)險(xiǎn)［5］。

3.2 創(chuàng)新內(nèi)容

⑴該系統(tǒng)主要由上位機(jī)、前端設(shè)備、PLC、水氣閥及其管路等組成，其中前端設(shè)備主要由控制單元、攝像機(jī)、補(bǔ)光燈、冷卻裝置和殼體等組成，與盾構(gòu)系統(tǒng)集成融合，通過(guò)盾構(gòu)操控界面由盾構(gòu)司機(jī)控制，方便快捷，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)上位機(jī)控制界面Fig.1 Upper Computer Control Interface of the System

⑵可適應(yīng)惡劣的土倉(cāng)環(huán)境，環(huán)境工作溫度：0～80 ℃；環(huán)境工作濕度：≤70%RH；工作環(huán)境大氣壓力≤3 MPa；環(huán)境因素：黑暗、高溫、高壓、高濕。

⑶可通過(guò)土倉(cāng)可視化系統(tǒng)判斷倉(cāng)內(nèi)渣土流塑性的改良情況，并實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，有效避免司機(jī)通過(guò)參數(shù)界面判斷的盲目和滯后性，大大降低了施工風(fēng)險(xiǎn)［6］。

⑷在攝像頭總成件上組裝水/氣管路及補(bǔ)光燈電源及攝像頭線路，涂抹密封膠及安裝O 型圈，利用內(nèi)置沖水裝置沖洗攝像頭鏡面，避免因土倉(cāng)惡劣環(huán)境造成攝像頭被渣土糊住，系統(tǒng)總成安裝效果如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總成安裝效果Fig.2 System Assembly Installation Effect

4 應(yīng)用效果

4.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

操作便捷，安全性、時(shí)效性高的優(yōu)點(diǎn)突出。實(shí)時(shí)掌握土倉(cāng)情況及刀盤(pán)工作狀況，出現(xiàn)異常時(shí)，可以最便捷地找到原因，使用過(guò)程效果如圖3所示。具體如下：

圖3 使用過(guò)程效果Fig.3 The Process Uses Renderings

⑴穿越紅層時(shí)，盾構(gòu)施工參數(shù)（扭矩、推力等）開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)，通過(guò)可視化系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)刀盤(pán)出現(xiàn)結(jié)泥餅的現(xiàn)象，立即調(diào)整參數(shù)并采用分散劑“泡倉(cāng)”的措施，情況得到明顯改善。

⑵穿越斷裂帶時(shí)，掌子面出水量增大，掌子面出現(xiàn)了坍塌的前兆，盾構(gòu)施工管理人員第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并及時(shí)調(diào)整了盾構(gòu)施工參數(shù)及土倉(cāng)壓力，多次避免了該問(wèn)題的擴(kuò)大［7］。

⑶穿越硬巖地層時(shí)，通過(guò)可視化系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握刀具磨損情況，提前選擇換刀地點(diǎn)，大大減少了開(kāi)倉(cāng)次數(shù)與開(kāi)倉(cāng)風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)踐證明，該可視化系統(tǒng)的應(yīng)用，可使盾構(gòu)施工過(guò)程的問(wèn)題及風(fēng)險(xiǎn)提前得到預(yù)警，將問(wèn)題結(jié)束在萌芽狀態(tài)，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)也能夠通過(guò)可視化系統(tǒng)觀察到同步注漿液是否流入土倉(cāng)，確保掘進(jìn)同步注漿的質(zhì)量以及避免材料的損失浪費(fèi)［8］。

4.2 應(yīng)用效益分析

盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)可視化系統(tǒng)的運(yùn)用，有效克服了盾構(gòu)操作者對(duì)地層突變判斷的滯后性，提高了應(yīng)對(duì)措施的時(shí)效性，有效減少掘進(jìn)過(guò)程的不可控因素，最大限度地降低了盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，提高了成型隧道的整體線型質(zhì)量，成型隧道質(zhì)量如圖4所示，具體分析對(duì)比如表1所示。

圖4 成型隧道效果Fig.4 Forming Tunnel Effect

5 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)適用性強(qiáng)，具有較好的技術(shù)、安全、經(jīng)濟(jì)效益。尤其在復(fù)雜地質(zhì)條件下的盾構(gòu)施工中，通過(guò)土倉(cāng)可視化系統(tǒng)的運(yùn)用，能夠更加直觀地監(jiān)控地層變化、土倉(cāng)內(nèi)的渣土改良效果及刀具的磨損情況，從而及時(shí)采取針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施，有效降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，提高了施工效率；同時(shí)通過(guò)可視化系統(tǒng)觀察發(fā)現(xiàn)成型隧道管片壁后同步注漿液是否因流入土倉(cāng)內(nèi)造成損失而影響隧道防水和造成地面沉降［9］，降低施工風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，提升了隧道的質(zhì)量并可直接節(jié)省施工成本。接下來(lái)將根據(jù)“土倉(cāng)可視化系統(tǒng)”的運(yùn)用情況，優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)件設(shè)計(jì)，提升安裝簡(jiǎn)便性并盡量擴(kuò)大土倉(cāng)可視化范圍，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)用性［10］。