隧道盾構施工技術發(fā)展趨勢和應用研究

張德君

（中鐵十一局集團第五工程有限公司，重慶400037）

1 引言

隨著科學技術的不斷發(fā)展，我國的隧道建設項目工程大力開展，既存在于南水北調、西氣東輸、西電東送、青藏鐵路這樣的大工程，也包含在地鐵橋梁隧道等城市開發(fā)拓建項目之中。隧道施工與地面施工有著很大的差別，因而要因地制宜，采取不同的施工措施。盾構施工技術比較符合隧道建設施工環(huán)境，目前廣泛應用于隧道施工中，是一種有很大發(fā)展空間的隧道施工技術。

2 盾構技術概述

2.1 盾構技術發(fā)展階段

盾構技術的發(fā)展大致可以分為4 個階段，分別為以Brunel 為代表的初期盾構；以機械式、氣壓式、TBN 為代表的第二代盾構；以閉胸式（泥水式、土壓式）為代表的第三代盾構和以安全、高速、大深度及多樣化為特點的第四代盾構。我國的盾構施工技術起步較晚，1950 年，遼寧阜新煤礦第一次應用了（手掘式）盾構技術施工[1～3]。

2.2 盾構施工技術的工作原理

盾構施工技術在施工過程中，通過旋轉推動刀盤，擊碎障礙物，使隧道一次成型，這種施工手段，就是盾構施工法。目前，這種施工技術具有簡潔高效，并且安全可靠的優(yōu)點，但是在刀具的使用、工程預測和施工技術方面也會經常出現錯誤。隧道工程的建設往往涉及大量資金的投入，較長的建設周期及諸多相關工作，因此，選擇一條或多條備選方案尤為重要。

2.3 盾構施工技術的工作條件

盾構法施工技術，通常應用于隧道和地下線路的建設。一般處于在深處的松軟含水地層工作?？碧浇ㄔO的目標地點，需要有足夠的縱深，覆土深度要大于6m，并且大于盾構直徑。從經濟角度出發(fā)，施工長度一般會有所規(guī)定，一次連續(xù)的施工作業(yè)不會小于300m[4]。

基于土力學原理，當達到土壓平衡時，有：

式中，PC為土倉內壓力；P0為土壓力；PW為水壓力。

2.4 土壓力的計算

土壓力主要分為靜止土壓力和主動土壓力。

由于土體沒有側向移動，所以按照半無限體水平向自重應力的計算，靜止土壓力：

式中，K0為側壓力系數或靜止土壓力系數；酌為土的重度，kN/m3，水土分離時后按浮重度計算；z為計算深度，m。

當地面有超載的時候：

式中，q為地面超載。

2.5 水壓力的計算：

水壓力的計算一般采用的公式如下：式中，酌W 為水的重度，kN/m3。

2.6 盾構頂推力的計算

頂推力提夠盾構向前掘進的動力，是盾構機的重要參數之一。支撐在支承環(huán)片上的盾構機千斤頂需克服盾構機向前推進的各種阻力，主要包括正面推進阻、側壁摩阻力、切口環(huán)的貫入阻力、盾殼和管片之間的摩阻力、后方臺車的牽阻力及盾構姿態(tài)變化（曲線轉向、抬頭和叩頭推進）等產生的變向阻力等。計算公式如下：

式中，F1為正面推進阻力，kN；F2為盾構側壁與周圍地層的摩阻力，kN；F3為盾殼與管片間的摩阻力，kN；F4為盾構機切口環(huán)的貫入阻力，kN；F5為變向阻力，kN；F6為后接臺車的牽引阻力，kN。

3 盾構技術施工形式

3.1 土壓平衡式盾構

采用土壓平衡式盾構進行作業(yè)因為地質的原因存在著一些局限性。在沙土、礫石地質中，由于摩擦面積較大，土質疏松，只通過密封土倉和螺旋輸送機不能有效地使土壓達到平衡，機組作業(yè)的穩(wěn)定性不能保障。另外，沙土、礫石的地質中，地下水水路相對密集，不易施工。

3.2 盾構法隧道

盾構法歸類于暗挖施工，作業(yè)時，一方面保持土質穩(wěn)定，不發(fā)生塌方塌陷，另一方面，同時進行壁后作業(yè)。盾構的盾籠統(tǒng)的指刀盤、密封倉和維持穩(wěn)定周圍地質的“殼”。“構”是指構成隧道襯砌的管片和壁后注漿體。盾構法常見于巖石地質的隧道工程，由于地質和巖體的性質不同，結構不穩(wěn)定，盾構法的作業(yè)對地質周圍的干擾較小，可以有效減少地質變型，施工效率更穩(wěn)定。

3.2.1 盾構法施工的主要步驟

盾構法作業(yè)，在施工前要做好準備工作。隧道的起點和終端都要建設一個工作井，一個作為始發(fā)工作井，一個用做到達工作井。首先，建造起點工作井中的盾構設施，然后在拼裝好管片環(huán)，安置在始發(fā)井后壁，妥善利用千斤頂產生的頂推力，使盾構設施從起點端開始工作向終端推進。

3.2.2 盾構法施工的優(yōu)點

盾構法進行施工時，對外界的影響較小，可以有效地保障地面及周圍的建筑不受傷害，受到外界的干擾（河流、季節(jié)、天氣）也不會耽誤工作效率，同時安全性更高。通過自動化的覆蓋，盾構施工時切削、運土、砌拼管片時更方便，施工過程更簡練，避免了多余的人工勞動，提升了施工作業(yè)效率。

4 隧道建設中盾構法存在的問題

4.1 地表沉降問題

盾構設施在隧道施工中，引起地面沉降的主要因素是盾構隧道與新地表不斷接近，所以經?？吹綑M向沉降槽。此外，側向槽受地層次固結和縱向沉降位移曲線的疊加影響，與Peck曲線有相似的發(fā)展趨勢。地鐵隧道的施工過程受到地表沉降的變化有較大的影響，如頂荷載的增加、隧道凈距和埋深的減小、圍巖條件的惡化等，同時隧道周圍的地下管線也會對地表沉降產生較大的影響。比如，地下管線主要是污水管線、煤氣管線和自來水管線。另外，這些地下管線還造成了隧道施工環(huán)境水平面的分布屏蔽，隧道橫截面沉降曲線分布呈正態(tài)分布。

4.2 地層損失問題

盾構施工帶來的地表位移主要由盾構前方的地表位移、盾構施工穿越時的地表位移和盾構離場后土壤壓實產生的位移3 部分組成。與之相比，盾構機前方地表位移的可能性較小，而盾構機挖掘結束后的土體固結持續(xù)數月才能確定，因此，盾構機施工時，會導致地表產生較大的位移，因而造成地層損失，同時影響到施工進度。

4.3 土體位移問題

引起土體位移的原因主要有3 個：（1）盾構前方土體的位移，但這種位移的可能性相對較小，主要是盾構機施工前方的土體壓力與靜止土壓力基本相同；（2）盾構過程中土體的位移，因為盾構機通過地面時，其盾構、機尾間存在一定的間隙，通常會導致地面產生較大的位移；（3）盾構后的土體固結[5]。

5 隧道盾構施工技術發(fā)展趨勢展望

5.1 優(yōu)化開挖技術

為了提高地下盾構施工的效率，有必要完善開挖技術體系。保證測量結果的準確性，提高測量精度。在隧道工程施工中，隧道始終處于連續(xù)開挖的施工狀態(tài)。通過采用人工檢測、測量等方法不具備的技術優(yōu)勢的自動監(jiān)測系統(tǒng)，可以對隧道施工過程中的隧道結構變形進行動態(tài)了解。在一些地質條件較差的地區(qū)，土壓力平衡將導致隧道結構發(fā)生變化。通過改善和挖掘策略變化，在壓力下保護工作面，以防止地面減少坍塌。

5.2 優(yōu)化支護技術

在開挖的同時，第一個支架采用人工操作，采用復合涂層法，與噴射混凝土、鋼弧形支架等結合部位，形成盾構支護結構，在此期間，初期支護應為柔性支護體的支護，應考慮潛在的不確定隱患，其位移幅度必須在允許值內。利用臺車、現澆混凝土和第一支架共同起到承載地下隧道永久荷載的盾構作用，其下方可在保護層的保護下進行開挖和填蓋，有效地保證了混凝土的密實度，提高支架的機械化覆蓋和可操作性。

5.3 優(yōu)化防水技術

在隧道施工中，利用盾構機對工作面施加壓力，達到水壓和土壓力的平衡，可以有效地控制土層中的水分，避免水分滲入隧道。鋼刷式盾構具有良好的抗?jié)B性能，使用這種盾構機進行隧道施工可以避免地下水的滲入。對管片本身進行浸漬，然后通過管片外部防水涂料、管片接縫浸漬、接縫、二次進料等浸漬措施保證后續(xù)的施工作業(yè)。采用注漿技術，可以滿足水密封的要求。

5.4 優(yōu)化地下管線保護技術

地表沉降的有效控制可以保護地表建筑物和地下管線，包括更新盾構支架、改進盾構支架系統(tǒng)。根據技術實踐靈活地進行地表壓力的控制、和工作面的選擇，做好地層荷載監(jiān)測工作，實現地表沉降值的有效控制，優(yōu)化壁后土塊處理方案，有效解決注漿壓力問題，提高掘進性能和工程進度，實現對地下管線和地表建筑物的有效防護。

6 結語

盾構法以其諸多優(yōu)點在隧道施工工程中得到越來越多的應用。盾構法隧道施工具有安全，自動化程度高，施工速度快等優(yōu)點，但盾構法在隧道施工時不可避免地會對周圍環(huán)境（地表土質、地面建筑、地下水道、周圍土質）造成影響。相信未來通過優(yōu)化地下管線保護技術、防水技術、支護技術、開挖技術后，盾構施工在隧道工程中會更加可靠。