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）5號路段是米蘭～那不勒斯高速鐵路的地下連接，雙管單軌隧道長6112m，合同造價2.42億美元。由兩臺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站（6號路段）（參見圖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。城市定勢和地面鐵路線對建設(shè)造成挑戰(zhàn)。雙隧道緊密度明顯地影響了TBM的運轉(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“均質(zhì)”區(qū)，但是地層條件比原來認(rèn)為的更為異質(zhì)。因為這種條件會在短距離內(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)開始。但是不幸，2004年10月，當(dāng)?shù)谝慌_盾構(gòu)已經(jīng)前進(jìn)了2090m，而第2臺盾構(gòu)掘進(jìn)1480m時，因為地層復(fù)雜性和合同約束導(dǎo)致工作停頓。
圖例說明：-原文第21頁圖1 “NODO DI BOLOGNA ”走線表明雙管隧道從SAN RUFFILLO進(jìn)入中央車站。RING ROAD=環(huán)路CENTRAL STATION=中央車站
表1 LOVAT 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主要性能| 大刀盤直徑 | 9402mm |
| 前部盾構(gòu)直徑 | 9.377m |
| 盾尾直徑 | 9.364m |
| 盾構(gòu)長度 | 10.7m |
| 頂進(jìn)油缸 | 36個 |
| 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 |
| 大刀盤最大扭矩 | 20，000Kn/m |
| 壓力傳感器數(shù)目 | 8個 |
| 盾尾空隙壓漿管線 | 6個 |
| 泡沫管線 | 8個 |
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警值 | 警戒值（巴） | 報警值 |
| 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EPB TBM圖2 長期停車時注射膨潤土進(jìn)入空檔的效果
隨著不同合同的爭論，通過 “技術(shù)協(xié)商委員會”、由各方組成的委員會解決爭論之后， 隧道掘進(jìn)工作2005年5月22日再度開始。該委員會主席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，一項嚴(yán)格監(jiān)控系統(tǒng)建立，由負(fù)責(zé)TBM挖掘作業(yè)控制的咨詢商總協(xié)調(diào)。建立一個“TAVOLA TECHNICO”（羅浮特盾構(gòu)技術(shù)）小組，接受和審查TBM日常報告和周報，其中運轉(zhuǎn)條件、記錄的參數(shù)和任何重大事件都有總結(jié)。承包商、工程師和咨詢商的周會審視了每周業(yè)績，完成控制步驟。當(dāng)隧道300m掘進(jìn)工作完成時，TBM主要參數(shù)和巖土測定經(jīng)過了后分析來決定所使用的數(shù)值的適當(dāng)性，并推薦下一個300m推進(jìn)的數(shù)值。報告被稱為“TBM推進(jìn)計劃”（或者 ‘PAT’來自葡萄牙文“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)計數(shù)據(jù)，挖掘面支持的參考壓力可以確定，并在上、下限警戒值之間規(guī)定一個操作范圍，也確定一個報警值，決不可以超越它。如果測量值等于報警值，TBM操作人員必須停下盾構(gòu)工作，并向監(jiān)理員匯報（表2） TBM操作人員保持著工作面實際壓力、盾構(gòu)推進(jìn)速度和螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)動速度。在長時間（維護(hù)）或短時間（拼裝襯砌環(huán)）停機(jī)時膨潤土添加入空檔或挖土艙。土壓指示立即對反復(fù)注射作出反應(yīng)，而這些定時注射是根據(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)過所造成的沉降，那時要對它采取嚴(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)受過的總沉降。因此，全程必須要受控。圖3a表明由于TBM 2經(jīng)過（停車以后）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，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)。 因為安全原因界定了參比的支撐壓力，并在位于TBM艙壁以內(nèi)最高的傳感器所測得的。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得最小讀數(shù)。使用了“顯性密度”的概念（這是GEODATA公司[1]開發(fā)的），便可以估算空擋有多大，通過測量不同高度工作面壓力并除以它們之間不同高度差，就可以計算排土“顯性密度”，得出的參數(shù)是可以連續(xù)檢測的。空擋內(nèi)任何氣相物積聚可以通過垂直壓力梯度，而且也可以由一種“顯性密度”小于平均數(shù)來標(biāo)定，隔艙壁上部閥門可以泄放氣相物。 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)，因此兩個稱量器和一個體積掃描器安裝在每臺TBM上。從排土重量可以測定輸出排土的體積，這永遠(yuǎn)應(yīng)該等于所挖掘的土層。 拿一個稱量器的數(shù)據(jù)用來參比（第2個備用），可以用實時比較理論挖掘體積（每次前進(jìn)速度挖掘直徑的橫截面乘上土方現(xiàn)場密度的乘積，< 圖5>），同樣的實行掃描測量控制。盾構(gòu)操作人員那時應(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），核實工作面壓力保持在警戒值范圍內(nèi)。
為了保證襯砌確實的性能和控制隧道中孔沉降，必須對中孔壓漿。 需要足夠的注射壓漿壓力，借以確保盾尾空隙填滿。盾尾理論數(shù)值計算簡便，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)計和性能監(jiān)控。初步地建立了防范值，等于高于隧道頂部測得的工作面壓力1巴，相繼的校核使得該數(shù)值降低到0.5巴。
巖土監(jiān)測 沿著隧道走線，每50m段設(shè)置一系列橫向監(jiān)測，每段包括8個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TBM經(jīng)過以后所測得的沉降是受到與第一條隧道的近距離的影響，測得的沉降真實的改善可以實現(xiàn)對停機(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TBM性能，揭示了由于沖積地層非均勻性造成的特異點，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，會造成不同后果。為了這些原因，當(dāng)評價合適的TBM運轉(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EMILIA 大橋 兩條隧道縱向經(jīng)過跨越兩節(jié)鐵路護(hù)堤的磚砌水槽。兩個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。通過仔細(xì)控制灌漿體積和壓力，可以控制橋墩沉降。灌漿通過雙栓塞灌漿裝置適用的閥門注射，進(jìn)行嚴(yán)格控制TBM工作面壓力。 連續(xù)監(jiān)測和觀察大橋動靜，TBM參數(shù)表明有必要把大橋橋墩提高1～2mm（當(dāng)TBM 經(jīng)過時，采用補(bǔ)償灌漿）。此外，由于測得第一條隧道對第二條的干擾，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，不同沉降確實保持在規(guī)定設(shè)計限值2.7mm以下。
當(dāng)前情況 按照TBM運轉(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意的。2005年9月的統(tǒng)計數(shù)字（表3），從本項目迄今得到的最佳統(tǒng)計數(shù)字表明--能夠改良和增強(qiáng)了未來的性能。
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)成功可以說是一樁重要成就，歸功于所有參加這個項目的人們。 致謝--為他們提供撰寫本文而做出的幫助，作者向GIANLUCA GULINO和DARREN PAGE致謝。
參考論文：-本刊2003年12月期 第15頁《PORTO的經(jīng)驗—EPB盾構(gòu)緊跟而來》
作者：-F GAJ， V GUGLIELMETTI， P GRASSO ， G GIACOMIN 葉飛譯自《國際隧道與隧道工程》2005年第11期
