意大利NODO DI BOLOGNA土壓平衡盾構(gòu)沉降控制與管理 意大利正在雄心勃勃從事于發(fā)展綜合高速鐵路計(jì)劃。本文作者西班牙承包商N(yùn)ECSO ENTRECANALES COBIERTAS SA 的MINGUEZ，意大利承包商GHELLA SpA的ANTONIO GREGORI，意大利咨詢(xún)商GEODATA SpA 的VITTRIO GUGLIEMETTI描述： 意大利米蘭到那不勒斯重要連線中間的城市BOLOGNA郊區(qū)地下的兩臺(tái)直徑9.4m 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)需要細(xì)致管理。 “NODO DI BOLOGNA”（波窿尼亞結(jié)點(diǎn)）5號(hào)路段是米蘭～那不勒斯高速鐵路的地下連接，雙管單軌隧道長(zhǎng)6112m，合同造價(jià)2.42億美元。由兩臺(tái)TBM從南部SAN RAFFILO推進(jìn)，穿越BOLOGNA到達(dá)位于城北的新建中央車(chē)站（6號(hào)路段）（參見(jiàn)圖1）。走線伴隨著現(xiàn)有地面BOLOGNA 到弗羅倫薩鐵路。 兩條隧道內(nèi)徑8.3m，相隔5.6m, 一般是粒狀地層，覆蓋層厚薄從7m～20m不等。城市定勢(shì)和地面鐵路線對(duì)建設(shè)造成挑戰(zhàn)。雙隧道緊密度明顯地影響了TBM的運(yùn)轉(zhuǎn)和性能。 BOLOGNA地層有軟性海相粘土和砂（上新世粘土和更新世砂）,位于0+960鏈尺（公里）和7+072之間地下水位以下的區(qū)段；以及礫石和砂（較高百分比的粘土和粉土）沖積層（SAVENA河）在地下水位以上或之下（在鏈尺公里2+150和7+072之間）都遇到；根據(jù)預(yù)期的隧道走線，地層主要分成9個(gè)“均質(zhì)”區(qū)，但是地層條件比原來(lái)認(rèn)為的更為異質(zhì)。因?yàn)檫@種條件會(huì)在短距離內(nèi)快速改變，就此證明，這就是土壓平衡盾構(gòu)機(jī)成功操作的關(guān)鍵。
初期階段 承包商SAN RUFFILLO合資根據(jù)兩家各自領(lǐng)先的地下工程公司選擇了兩臺(tái)LOVAT土壓平衡盾構(gòu)機(jī)（表1）。2003年7月和11月從隧道南洞口，沿著走線北部推進(jìn)開(kāi)始。但是不幸，2004年10月，當(dāng)?shù)谝慌_(tái)盾構(gòu)已經(jīng)前進(jìn)了2090m，而第2臺(tái)盾構(gòu)掘進(jìn)1480m時(shí)，因?yàn)榈貙訌?fù)雜性和合同約束導(dǎo)致工作停頓。
圖例說(shuō)明：-原文第21頁(yè)圖1 “NODO DI BOLOGNA ”走線表明雙管隧道從SAN RUFFILLO進(jìn)入中央車(chē)站。RING ROAD=環(huán)路CENTRAL STATION=中央車(chē)站
表1 LOVAT 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主要性能| 大刀盤(pán)直徑 | 9402mm |
| 前部盾構(gòu)直徑 | 9.377m |
| 盾尾直徑 | 9.364m |
| 盾構(gòu)長(zhǎng)度 | 10.7m |
| 頂進(jìn)油缸 | 36個(gè) |
| 頂進(jìn)行程 | 2250mm |
| 頂推面積 | 730cm2 |
| 最大操作壓力 | 350巴 |
| 最大貫穿率 | 100mm/min |
| 最大總推力 | 100，000kN |
| 大刀盤(pán)最大扭矩 | 20，000Kn/m |
| 壓力傳感器數(shù)目 | 8個(gè) |
| 盾尾空隙壓漿管線 | 6個(gè) |
| 泡沫管線 | 8個(gè) |
表2 控制位于地下水位以上地層內(nèi)TBM挖掘面壓力的警戒值和報(bào)警值 | 警戒值（巴） | 報(bào)警值 |
| 下限值 | 上限值 | 下限值 | 上限值 |
| TBM1 | 1.2 | 1.6 | 1.0 | 1.8 |
| TBM2 | 1.4 | 1.9 | 1.2 | 2.1 |
在洞口 裝配其中一臺(tái)EPB TBM圖2 長(zhǎng)期停車(chē)時(shí)注射膨潤(rùn)土進(jìn)入空檔的效果
隨著不同合同的爭(zhēng)論，通過(guò) “技術(shù)協(xié)商委員會(huì)”、由各方組成的委員會(huì)解決爭(zhēng)論之后， 隧道掘進(jìn)工作2005年5月22日再度開(kāi)始。該委員會(huì)主席PIERRE GENTON，包含雙方選出的GIANNI ARRIGONI和IGOR LETO組成的委員。 當(dāng)施工恢復(fù)時(shí)，一項(xiàng)嚴(yán)格監(jiān)控系統(tǒng)建立，由負(fù)責(zé)TBM挖掘作業(yè)控制的咨詢(xún)商總協(xié)調(diào)。建立一個(gè)“TAVOLA TECHNICO”（羅浮特盾構(gòu)技術(shù)）小組，接受和審查T(mén)BM日常報(bào)告和周報(bào)，其中運(yùn)轉(zhuǎn)條件、記錄的參數(shù)和任何重大事件都有總結(jié)。承包商、工程師和咨詢(xún)商的周會(huì)審視了每周業(yè)績(jī)，完成控制步驟。當(dāng)隧道300m掘進(jìn)工作完成時(shí)，TBM主要參數(shù)和巖土測(cè)定經(jīng)過(guò)了后分析來(lái)決定所使用的數(shù)值的適當(dāng)性，并推薦下一個(gè)300m推進(jìn)的數(shù)值。報(bào)告被稱(chēng)為“TBM推進(jìn)計(jì)劃”（或者 ‘PAT’來(lái)自葡萄牙文“PLANI DE AVAN?O DA TUNELADORA”）， GEODATA確定為了建設(shè)PORTO地鐵而為每一臺(tái)TBM準(zhǔn)備的。
參數(shù)TBM需要經(jīng)常緊密控制的最重要的參數(shù)是：● 工作面支持● 出土‘顯性密度’● 輸出排土重量● 盾尾壓漿的體積和壓力 使用現(xiàn)有巖土工程數(shù)據(jù)和其他設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，挖掘面支持的參考?jí)毫梢源_定，并在上、下限警戒值之間規(guī)定一個(gè)操作范圍，也確定一個(gè)報(bào)警值，決不可以超越它。如果測(cè)量值等于報(bào)警值，TBM操作人員必須停下盾構(gòu)工作，并向監(jiān)理員匯報(bào)（表2） TBM操作人員保持著工作面實(shí)際壓力、盾構(gòu)推進(jìn)速度和螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度。在長(zhǎng)時(shí)間（維護(hù)）或短時(shí)間（拼裝襯砌環(huán)）停機(jī)時(shí)膨潤(rùn)土添加入空檔或挖土艙。土壓指示立即對(duì)反復(fù)注射作出反應(yīng)，而這些定時(shí)注射是根據(jù)維持工作面壓力在規(guī)定數(shù)值之上而采取的（圖2）。 工作面壓力對(duì)控制掘進(jìn)產(chǎn)生的總沉降是至關(guān)重要的。圖3a表明停機(jī)前后，TBM 1經(jīng)過(guò)所造成的沉降，那時(shí)要對(duì)它采取嚴(yán)格控制，可以立即看到的就是沉降明顯減小。但是仔細(xì)審查，表明發(fā)生在工作面前面的沉降也影響所經(jīng)受過(guò)的總沉降。因此，全程必須要受控。圖3a表明由于TBM 2經(jīng)過(guò)（停車(chē)以后）的額外沉降不可避免地比TBM 1沉降要大一些，并且因此需要較大的工作面壓力（表2）。圖4表示測(cè)得的土體流失（從地面沉降推導(dǎo)）和位于監(jiān)控段下面的TBM工作面所施加的平均壓力之間關(guān)系曲線，也就是說(shuō)，該曲線圖表示發(fā)生在工作面前方的沉降部分的工作面壓力效應(yīng)。 因?yàn)榘踩蚪缍藚⒈鹊闹螇毫Γ⒃谖挥赥BM艙壁以?xún)?nèi)最高的傳感器所測(cè)得的。在本例中這些盾構(gòu)處于隧道頂部下面1.5m，因此最高傳感器總是測(cè)得最小讀數(shù)。使用了“顯性密度”的概念（這是GEODATA公司[1]開(kāi)發(fā)的），便可以估算空擋有多大，通過(guò)測(cè)量不同高度工作面壓力并除以它們之間不同高度差，就可以計(jì)算排土“顯性密度”，得出的參數(shù)是可以連續(xù)檢測(cè)的。空擋內(nèi)任何氣相物積聚可以通過(guò)垂直壓力梯度，而且也可以由一種“顯性密度”小于平均數(shù)來(lái)標(biāo)定，隔艙壁上部閥門(mén)可以泄放氣相物。 輸出的排土重量是監(jiān)控工作面穩(wěn)定性和控制沉降的重要參數(shù)，因此兩個(gè)稱(chēng)量器和一個(gè)體積掃描器安裝在每臺(tái)TBM上。從排土重量可以測(cè)定輸出排土的體積，這永遠(yuǎn)應(yīng)該等于所挖掘的土層。 拿一個(gè)稱(chēng)量器的數(shù)據(jù)用來(lái)參比（第2個(gè)備用），可以用實(shí)時(shí)比較理論挖掘體積（每次前進(jìn)速度挖掘直徑的橫截面乘上土方現(xiàn)場(chǎng)密度的乘積，< 圖5>），同樣的實(shí)行掃描測(cè)量控制。盾構(gòu)操作人員那時(shí)應(yīng)采取控制螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速（與排土輸出量成比例），而且假如有必要，控制TBM前進(jìn)速度（與總的挖掘量成比例），核實(shí)工作面壓力保持在警戒值范圍內(nèi)。
為了保證襯砌確實(shí)的性能和控制隧道中孔沉降，必須對(duì)中孔壓漿。 需要足夠的注射壓漿壓力，借以確保盾尾空隙填滿(mǎn)。盾尾理論數(shù)值計(jì)算簡(jiǎn)便，雖然最恰當(dāng)?shù)淖⑸鋲毫Ω鼮橹饔^，但取決于工作面壓力、地層特性、灌漿混合物設(shè)計(jì)和性能監(jiān)控。初步地建立了防范值，等于高于隧道頂部測(cè)得的工作面壓力1巴，相繼的校核使得該數(shù)值降低到0.5巴。
巖土監(jiān)測(cè) 沿著隧道走線，每50m段設(shè)置一系列橫向監(jiān)測(cè)，每段包括8個(gè)等距相隔的地表沉降標(biāo)記。此外，沿著鐵路護(hù)堤，每隔25m設(shè)置地表沉降中間標(biāo)記。地表沉降的后分析證明是最可靠了解TBM掘進(jìn)地層性能的方法（圖4），以及TBM緊接的干擾效應(yīng)。跟在第2臺(tái)TBM經(jīng)過(guò)以后所測(cè)得的沉降是受到與第一條隧道的近距離的影響，測(cè)得的沉降真實(shí)的改善可以實(shí)現(xiàn)對(duì)停機(jī)后TBM更為嚴(yán)格控制。可是，隨著這些更為嚴(yán)格的控制，TBM 2還是不可能取得像TBM1那樣的沉降，這是由于第一條隧道建成以后地層應(yīng)力的變化（圖3b）。 緊密檢查T(mén)BM性能，揭示了由于沖積地層非均勻性造成的特異點(diǎn)，導(dǎo)致礫石不規(guī)則挖掘和超挖掘，產(chǎn)生較大的土體流失。工作面存在有細(xì)顆粒和更為凝聚性地層，造成短時(shí)期穩(wěn)定和沉降減少。此外，存在有凝聚性較差的土囊，如果在隧道頂部或者在工作面較下部，會(huì)造成不同后果。為了這些原因，當(dāng)評(píng)價(jià)合適的TBM運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，要選擇下行線（最壞情況）參數(shù)才可確保工作面壓力受到嚴(yán)格管理，并且連續(xù)調(diào)整盾尾壓漿壓力和體積。
通過(guò)EMILIA 大橋 兩條隧道縱向經(jīng)過(guò)跨越兩節(jié)鐵路護(hù)堤的磚砌水槽。兩個(gè)鄰近墩柱的不同沉降要采取嚴(yán)格控制。因此，結(jié)合TBM挖掘采用補(bǔ)償灌漿，確保沉降要求。TREVI SpA和KELLER FONDAZIONI Srl 合資聯(lián)合體。他們從地面通過(guò)定向鉆掘，安裝了陣列雙栓塞灌漿裝置，并在橋墩基腳下面和隧道頂部（位于它們之下6～9m）建造了“半剛性灌漿墊”，等待TBM到來(lái)。通過(guò)仔細(xì)控制灌漿體積和壓力，可以控制橋墩沉降。灌漿通過(guò)雙栓塞灌漿裝置適用的閥門(mén)注射，進(jìn)行嚴(yán)格控制TBM工作面壓力。 連續(xù)監(jiān)測(cè)和觀察大橋動(dòng)靜，TBM參數(shù)表明有必要把大橋橋墩提高1～2mm（當(dāng)TBM 經(jīng)過(guò)時(shí)，采用補(bǔ)償灌漿）。此外，由于測(cè)得第一條隧道對(duì)第二條的干擾，有必要增加TBM2的工作面壓力0.3巴，并且降低它的操作范圍。 結(jié)合嚴(yán)厲控制TBM運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，使用補(bǔ)償灌漿，精美地控制靈敏性構(gòu)筑物的沉降，不同沉降確實(shí)保持在規(guī)定設(shè)計(jì)限值2.7mm以下。
當(dāng)前情況 按照TBM運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，所取得的結(jié)果和觀察到的粒狀地層沉降是令人滿(mǎn)意的。2005年9月的統(tǒng)計(jì)數(shù)字（表3），從本項(xiàng)目迄今得到的最佳統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明--能夠改良和增強(qiáng)了未來(lái)的性能。
兩條緊密相隔的、淺覆蓋層多半是非凝聚性和高度可變的軟土，大直徑城市隧道建設(shè)成功可以說(shuō)是一樁重要成就，歸功于所有參加這個(gè)項(xiàng)目的人們。 致謝--為他們提供撰寫(xiě)本文而做出的幫助，作者向GIANLUCA GULINO和DARREN PAGE致謝。
參考論文：-本刊2003年12月期 第15頁(yè)《PORTO的經(jīng)驗(yàn)—EPB盾構(gòu)緊跟而來(lái)》
作者：-F GAJ， V GUGLIELMETTI， P GRASSO ， G GIACOMIN 葉飛譯自《國(guó)際隧道與隧道工程》2005年第11期
