城市軌道交通盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)研究

段耀偉

（太原軌道交通集團(tuán)有限公司，山西太原 030031）

0 前言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的加強(qiáng)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，盾構(gòu)法除了在西氣東輸、南水北調(diào)和西電東送等國家級(jí)重大工程中得到廣泛應(yīng)用外，也在城市建設(shè)中大展宏圖，如城市綜合管廊、城際軌道及城市軌道交通等項(xiàng)目中。傳統(tǒng)人工挖掘、明挖和暗挖等施工方法很難適應(yīng)隧道的復(fù)雜施工環(huán)境及高速發(fā)展的城市規(guī)劃需求，因此盾構(gòu)法在隧道施工得到廣泛的應(yīng)用，且有較大的發(fā)展空間。

1 盾構(gòu)法技術(shù)簡述

1.1 盾構(gòu)發(fā)展史

盾構(gòu)技術(shù)由來已久，自1818 年始至今可大致分為四個(gè)時(shí)代。初期盾構(gòu)時(shí)代是指法國人布魯諾爾（Brunel）發(fā)明并使用盾構(gòu)開挖倫敦泰晤士河水下隧道的盾構(gòu)使用時(shí)代。二代盾構(gòu)時(shí)代是指英國、日本和德國發(fā)明并率先使用的以機(jī)械、氣壓和TBM 為代表的盾構(gòu)使用時(shí)代。三代盾構(gòu)時(shí)代是指以泥水式盾構(gòu)和土壓式盾構(gòu)為代表的閉胸式盾構(gòu)使用時(shí)代?，F(xiàn)在是四代盾構(gòu)時(shí)代，是以安全、高效和信息化集成式為代表的盾構(gòu)使用時(shí)代[1]。

1.2 盾構(gòu)法施工的技術(shù)原理和工作條件

1.2.1 技術(shù)原理

盾構(gòu)法施工的優(yōu)點(diǎn)明顯，如施工技術(shù)安全、高效等。但其缺點(diǎn)也不容忽視，在工程前期勘探和測(cè)量、施工方案和技術(shù)選擇、刀具的選擇和使用以及資金投入方面等方面都需要特別注意并慎重比較選擇。

1.2.2 工作條件

盾構(gòu)法施工在原則上適用于松散含水、并相對(duì)均勻的地質(zhì)條件。因此在施工前的勘探和測(cè)量階段，需要有足夠的勘察深度做技術(shù)支撐，其覆土深度至少達(dá)到6m，且必須能夠覆蓋盾構(gòu)的直徑。為了合理有效地控制預(yù)算，一般規(guī)定盾構(gòu)法施工的單次施工連續(xù)作業(yè)長度長于300m。

2 盾構(gòu)法技術(shù)施工形式

2.1 盾構(gòu)法隧道

盾構(gòu)法是暗挖施工法的一種，其“盾”是指刀盤、密封艙和穩(wěn)定周圍地址的殼體；“構(gòu)”是指隧道成型后架設(shè)的襯砌管片和壁后注漿體。盾構(gòu)法隧道施工優(yōu)點(diǎn)明顯，對(duì)隧道周圍地址的干擾較小，地質(zhì)變形較少，因此盾構(gòu)法隧道施工多用于復(fù)雜或多種地質(zhì)和巖體條件的隧道工程中，且其施工效率有較好的保障。

2.2 土壓平衡式盾構(gòu)

土壓平衡盾構(gòu)是盾構(gòu)施工方式之一，其因占用地面場(chǎng)地較小、推進(jìn)模式多樣、地層適應(yīng)能力較強(qiáng)、安全系數(shù)較高的優(yōu)點(diǎn)也成為當(dāng)今盾構(gòu)施工的主流。土壓平衡盾構(gòu)即其前端刀盤旋轉(zhuǎn)掘削地層土體，切削下來的土體進(jìn)入土艙。當(dāng)土體充滿土艙時(shí)，其被動(dòng)土壓與掘削面上的土壓、水壓基本平衡，使得掘削面與盾構(gòu)面處于平衡狀態(tài)即穩(wěn)定狀態(tài)?；谕亮W(xué)原理，當(dāng)達(dá)到土壓力平衡時(shí)，可計(jì)算得出土倉內(nèi)壓力，其計(jì)算公式如式（1）所示。

除了土倉壓力外，也要精確計(jì)算作為盾構(gòu)機(jī)重要參數(shù)之一的頂推力，頂推力可以看做是克服所有掘進(jìn)阻力的總和力?？梢詫㈨斖屏喴斫獬烧嫱七M(jìn)阻、側(cè)壁與周圍地層的摩阻力、盾殼和管片之間的摩阻力、切口環(huán)的貫入阻力、后方臺(tái)車的牽阻力及盾構(gòu)姿態(tài)變化如曲線轉(zhuǎn)向、抬頭和叩頭推進(jìn)等產(chǎn)生的變向阻力的數(shù)量總和。計(jì)算公式如式（2）所示。

2.3 盾構(gòu)法施工的優(yōu)點(diǎn)

盾構(gòu)法施工的優(yōu)點(diǎn)明顯，分別為：①安全性較高，盾構(gòu)法施工節(jié)省人力、工作環(huán)節(jié)少，因此有較高的安全性。②對(duì)外界擾動(dòng)較小，能有效保證地面建構(gòu)筑物穩(wěn)定。③自動(dòng)化程度較高，工作時(shí)切削、運(yùn)土、砌拼管片等工作環(huán)節(jié)方便、高效。④由于自動(dòng)化程度高，節(jié)省人力和資金，且盾構(gòu)法施工很難受限于天氣環(huán)境，其工期比較穩(wěn)定，工作效率較高。

3 盾構(gòu)法施工技術(shù)難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

3.1 在軟土地層施工時(shí)刀盤泥餅形成

盾構(gòu)機(jī)在軟土地層中施工，極易形成刀盤泥餅，刀盤泥餅極易堵塞刀盤開口，造成土倉壓力不穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致掘進(jìn)速度受到很大影響，施工速度減緩，影響工作效率和工期。防止結(jié)泥餅主要從盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)、合理的施工方法和添加劑的使用等方面進(jìn)行綜合考慮。完好刀盤，如圖1 所示。

圖1 完好刀盤

（1）在盾構(gòu)機(jī)選型方面，如遇到粘性土層等易結(jié)泥餅地質(zhì)則可選用開口率較大的刀盤，可在刀盤背面適當(dāng)增加主動(dòng)攪拌棒，設(shè)置高壓水槍。

（2）在施工過程中，操作人員要實(shí)時(shí)、嚴(yán)密地對(duì)工作數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、記錄和分析，適當(dāng)控制掘機(jī)速度，適當(dāng)加大盾構(gòu)機(jī)的推力和扭矩并加大螺線輸送機(jī)扭矩。

（3）合理使用添加劑如泡沫劑，保證渣土改良效果，并根據(jù)地層水量合理地添加水。

3.2 在硬巖段地層施工時(shí)刀具損壞

盾構(gòu)施工過程中，如遇花崗巖、片麻巖等硬巖質(zhì)或中、微風(fēng)化的巖石等高強(qiáng)度巖石，會(huì)對(duì)刀具有較大影響或破壞。一般堅(jiān)硬巖等硬巖質(zhì)Fr＞60MPa，挖掘時(shí)會(huì)導(dǎo)致在盾構(gòu)施工的前進(jìn)方向掘進(jìn)難度很大且掘進(jìn)速度較慢，側(cè)面受到阻力較大，加之掘進(jìn)方向的正面阻力共同影響，極大的增加了盾構(gòu)刀具的損耗[2]。

（1）根據(jù)不同的施工作業(yè)環(huán)境靈活調(diào)整工作參數(shù)。例如施工進(jìn)程中由軟土施工地層掘進(jìn)至硬巖段地層的施工地層時(shí)，對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行全面檢修，設(shè)置合理的推進(jìn)參數(shù)，充分利用圍巖穩(wěn)定性，采用半敞開式或敞開式掘進(jìn)?？刂频侗P扭矩，避免刀具異常損壞。

（2）在不同的施工區(qū)域配備不同的適配刀具。在即將進(jìn)入硬巖地層時(shí)要及時(shí)更換已受損的刀具，增加滾刀數(shù)量，配置耐磨性、抗沖擊力強(qiáng)的刀具，提高破巖能力。

（3）在推進(jìn)過程中設(shè)置合理的碴土改良參數(shù)，充分潤滑刀具，降低刀具磨損率。

（4）合理糾偏盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)，禁止急糾姿態(tài)，勤開倉檢查，控制周邊刀磨損量，避免盾體卡死。

（5）根據(jù)施工區(qū)段合理規(guī)劃換刀位置，根據(jù)地質(zhì)勘結(jié)果測(cè)提前選擇換刀位置并籌劃換刀方案。

3.3 孤石地層對(duì)盾構(gòu)法施工的影響

盾構(gòu)法施工時(shí)如遇孤石地層，容易產(chǎn)生的影響如下：①容易磨損刀具，增加工作危險(xiǎn)性，影響作業(yè)進(jìn)度。②刀盤受阻力較大會(huì)發(fā)生變形，如遇變形則很難開展后續(xù)換刀作業(yè)。③刀盤受阻力影響會(huì)連帶主軸承增大負(fù)荷量，易發(fā)生變形。④孤石地層中的漂石增大施工作業(yè)偏離既定路線的風(fēng)險(xiǎn)，影響施工安全、質(zhì)量和工期。⑤如果較小的孤石進(jìn)入土倉，螺旋輸送機(jī)無法排除就會(huì)導(dǎo)致輕則會(huì)卡死活卡斷螺旋輸送機(jī)、重則會(huì)使土層壓力急劇上升，擾動(dòng)地層造成地層失穩(wěn)。

盾構(gòu)掘進(jìn)前對(duì)沿線孤石分布情況進(jìn)行補(bǔ)詳細(xì)勘察，對(duì)發(fā)現(xiàn)孤石的孔位，進(jìn)行加密補(bǔ)鉆，探明孤石的分布及大小情況。如果地面不具備處理?xiàng)l件，則采用洞內(nèi)處理法，以快速鉆孔埋藥爆破為主要處理方法，若地層穩(wěn)定性不理想，也可輔以注漿加固或帶壓作業(yè)等方法先將地層穩(wěn)定后，再用爆破將孤石破碎。

3.4 上軟下硬地層對(duì)盾構(gòu)法施工的影響

在實(shí)際施工環(huán)境中，地層和地質(zhì)條件幾乎不可能單一。其中上軟下硬地層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)要相對(duì)復(fù)雜，其上部地層多為淤泥層或砂層，而下部地層又多為硬質(zhì)巖層，兩種地層的地質(zhì)差別巨大。含水量大、穩(wěn)定性差且其自穩(wěn)性極差的地質(zhì)，屬于復(fù)雜的施工環(huán)境。在盾構(gòu)法施工挖掘時(shí)極易發(fā)生坍塌、涌水、涌砂等不良情況且地面沉降明顯。在上軟下硬地層中施工，盾構(gòu)刀盤在旋轉(zhuǎn)切削動(dòng)作時(shí)會(huì)對(duì)周圍地層產(chǎn)生影響，導(dǎo)致周圍地層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性難以保證，進(jìn)而更容易發(fā)生坍塌。

該種地段全部采用土壓平衡式進(jìn)行掘進(jìn)，采用合理的推進(jìn)參數(shù)，嚴(yán)格控制推進(jìn)速度，保證土倉的平衡壓力的控制，在推進(jìn)中和停機(jī)時(shí)保持土壓的基本平衡，不要出現(xiàn)過大的波動(dòng)。在該地層掘進(jìn)中時(shí)，要及時(shí)檢查和更換刀具。刀具的磨損程度可以通過施工參數(shù)的變化作出初步的判斷。在施工中如果出現(xiàn)速度小、扭矩也偏小，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)糾正很難時(shí)，就要考慮刀具是否磨損嚴(yán)重，安排開艙檢查刀具；如果連續(xù)出現(xiàn)刀盤或螺旋機(jī)被卡住，驅(qū)動(dòng)電機(jī)熄火時(shí)，就立即停機(jī)檢查；如果從渣土中出現(xiàn)有不是均勻的碎片石，而是大塊的石頭時(shí)，可能是滾刀損壞，應(yīng)立即停機(jī)檢查。有條件時(shí)，在不超過20 環(huán)就對(duì)刀具進(jìn)行一次大檢查。總之在軟硬不均的地層中掘進(jìn)時(shí)，在掘進(jìn)過程中要隨時(shí)監(jiān)測(cè)刀具和刀盤的受力狀態(tài)，確保其不超載并觀測(cè)刀盤是否處于受力不均，以防止刀盤產(chǎn)生變形。如刀盤卡住，可回縮刀盤預(yù)以調(diào)整，然后重新掘進(jìn)。必要時(shí)，在檢查前方掌子面地質(zhì)條件穩(wěn)定時(shí)，對(duì)于磨損或偏磨嚴(yán)重的刀具開艙進(jìn)行更換

3.5 盾構(gòu)區(qū)間施工噴涌風(fēng)險(xiǎn)

盾構(gòu)區(qū)間施工噴涌風(fēng)險(xiǎn)在盾構(gòu)區(qū)間穿越砂層時(shí)，尤其是盾構(gòu)機(jī)通過砂層地段時(shí)極容易發(fā)生噴涌。造成噴涌的原因大體可分成3 類：①透水性好的圍巖中，棄土的和易性不好，水和土處于分離的狀態(tài)。②圍巖穩(wěn)定性好的地層中施工，注漿效果不好，隧道外側(cè)形成了水的通道，這部分地下水聚集至密封艙中造成螺旋輸送機(jī)噴涌。③噴涌與結(jié)泥餅共生。一類狀態(tài)下的噴涌可通過添加劑改善棄土和易性來解決，二類可通過二次注漿控制隧道外地下水來解決。

（1）必須嚴(yán)格采取土壓平衡模式掘進(jìn)，保持土倉壓力平衡于工作面的水土壓力，以防止工作面的塌坍涌水，土倉壓力保證在理論計(jì)算的水土壓力以上，并隨時(shí)根據(jù)地面監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正。

（2）在工作面保壓掘進(jìn)的情況下，在土倉內(nèi)輔以壓縮空氣，以保證平衡工作面的土壓。

（3）在砂層中掘進(jìn)時(shí)添加泡沫以減少滲漏，加強(qiáng)工作面的密封性，同時(shí)提供土壤的良好黏聚力。

（4）當(dāng)砂土進(jìn)入土倉時(shí)，則加注一定溶度的水密性聚合物，改善渣土的和易性，防止因盾尾密封不好而發(fā)生涌水、涌砂的現(xiàn)象。

（5）盾構(gòu)機(jī)在穿越砂層時(shí)，嚴(yán)密監(jiān)視和分析渣土成分的變化。

（6）嚴(yán)格進(jìn)行同步注漿，保證注漿效果，及時(shí)對(duì)盾尾密封刷填充足夠的油脂以保盾尾的密封性。

（7）提高監(jiān)測(cè)頻率，及進(jìn)反饋信息，并根據(jù)反饋的信息對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)及同步注漿量進(jìn)行必要的調(diào)整。

（8）在砂層段進(jìn)行補(bǔ)充勘察，進(jìn)一步查實(shí)地質(zhì)情況。

3.6 地面建（構(gòu)）筑物的影響

盾構(gòu)法施工在掘進(jìn)過程中對(duì)周圍土體的擾動(dòng)易導(dǎo)致地層失水，進(jìn)而造成沉降。周圍建構(gòu)筑物因土體沉降易下沉或開裂。應(yīng)對(duì)措施是對(duì)影響范圍內(nèi)的建構(gòu)筑物做分級(jí)保護(hù)，相應(yīng)采取不同的保護(hù)措施。首先是保護(hù)盾構(gòu)法施工隧道結(jié)構(gòu)邊線外擴(kuò)10m 范圍內(nèi)三層以上的重要建筑物，應(yīng)在施工前做好鑒定工作并預(yù)埋注漿管，施工中嚴(yán)密檢測(cè)影響情況并及時(shí)補(bǔ)償注漿。同時(shí)嚴(yán)格控制掘進(jìn)速度、土壓力和開挖面的穩(wěn)定以減少土層損失和對(duì)周圍土體的擾動(dòng)。其次是保護(hù)盾構(gòu)法施工隧道結(jié)構(gòu)邊線外擴(kuò)20m 范圍內(nèi)三層以上和線路中心線外擴(kuò)50m 范圍內(nèi)六層以上的一般建筑，在施工時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)和盾構(gòu)姿態(tài)，保證速度均勻和掘進(jìn)狀態(tài)穩(wěn)定。同時(shí)也要根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的情況調(diào)整注漿量和壓力，適時(shí)完成注漿作業(yè)，確保建構(gòu)筑物的沉降范圍能夠控制在10~30mm 的可控變形限值以內(nèi)。

4 盾構(gòu)法在隧道施工中存在的問題

4.1 地表沉降問題

在盾構(gòu)法施工中容易造成沉降問題的原因有兩個(gè)：①隨著盾構(gòu)掘進(jìn)逐漸接近地表而產(chǎn)生橫向沉降槽。②橫向槽受到地層次固結(jié)和縱向沉降位移曲線的疊加影響，其發(fā)展趨勢(shì)與Peck 曲線類似。此外，在實(shí)際施工中，特別是城市軌道交通的地鐵施工中，頂荷載的變化、隧道的凈距和埋深的變化以及周圍土體、巖體地質(zhì)條件的變化加之城市中地下管線如污水管線、燃?xì)夤芫€等交雜，都會(huì)加大盾構(gòu)法施工的難度，影響施工環(huán)境水平面作業(yè)[3]。

4.2 地層損失問題

盾構(gòu)法施工容易導(dǎo)致地表發(fā)生位移，進(jìn)而造成地層損失，從而影響施工難度和進(jìn)度，其造成的地層損失問題有3 個(gè)：①盾構(gòu)法施工前進(jìn)方向的地表位移。②盾構(gòu)法施工掘進(jìn)中地表位移。③盾構(gòu)機(jī)離場(chǎng)以后，土體壓實(shí)后產(chǎn)生的位移。三個(gè)方向位移量相比而言，盾構(gòu)法施工前進(jìn)方向的地表位移量和發(fā)生的可能性是最小的。盾構(gòu)機(jī)離場(chǎng)后，土體壓實(shí)以后產(chǎn)生的位移需要數(shù)月時(shí)間才能最終確定。

4.3 土體位移問題

土體位移和地層損失的原因類似，其主要原因有3 個(gè)：①盾構(gòu)法施工前進(jìn)方向的土體位移，但因盾構(gòu)機(jī)施工前進(jìn)方向的土壓力與靜止土壓力基本相同，故而此種位移的位移量和可能性都不大。②在盾構(gòu)施工中造成的土體位移，由于盾構(gòu)機(jī)通過地面時(shí)存在盾構(gòu)和機(jī)尾見的夾角間隙導(dǎo)致的較大土體位移量。③盾構(gòu)法施工結(jié)束后盾構(gòu)離場(chǎng)造成土體沉降的位移。

5 盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

5.1 優(yōu)化開挖技術(shù)

優(yōu)化開挖技術(shù)能夠有效提高盾構(gòu)法施工的工作效率。先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和測(cè)量數(shù)據(jù)，并可以整合人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和施工中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、行進(jìn)簡要分析，為選擇最優(yōu)施工方法提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)。尤其是在地質(zhì)條件差的施工區(qū)域，通過動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)隧道結(jié)構(gòu)變形情況和數(shù)據(jù)分析報(bào)告，選擇最優(yōu)開挖技術(shù)以保護(hù)工作壓力下的工作面，最大程度地減少坍塌發(fā)生的可能性。

5.2 優(yōu)化輔助技術(shù)

盾構(gòu)隧道施工并不是單一的技術(shù)工法，隨著日漸成熟的工法及項(xiàng)目的多變性，衍生出了很多輔助技術(shù)。例如土壓平衡盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)、盾構(gòu)分體始發(fā)、凍結(jié)法加固換刀技術(shù)、豆粒石加固換刀技術(shù)、WSS 注漿加固開倉技術(shù)等等一系列輔助技術(shù)。新的輔助技術(shù)不但能彌補(bǔ)盾構(gòu)本身的缺陷也使盾構(gòu)法能在如今高速發(fā)展的市場(chǎng)需求中與時(shí)俱進(jìn)，能更高效、更安全、更便捷的為高速發(fā)展的基礎(chǔ)建設(shè)添磚加瓦。

5.3 優(yōu)化防水技術(shù)

為盡量避免水分滲入影響盾構(gòu)法施工的安全，需利用盾構(gòu)機(jī)對(duì)工作面施壓，達(dá)到水壓力和土壓力的平衡。目前的實(shí)際施工中廣泛使用的是抗?jié)B性能較好的鋼刷式盾構(gòu)。鋼刷式盾構(gòu)一方面對(duì)管片本身做浸漬處理，另一方面對(duì)管片外部防水涂料、管片接縫浸漬、接縫和二次進(jìn)料等浸漬措施。兩方面共同作用，有效地保證施工中的防水保護(hù)能力。此外，在實(shí)際施工中也常采用注漿技術(shù)達(dá)到水密封的目的。隧道滲水如圖2 所示。

圖2 隧道滲水

5.4 優(yōu)化地下管線保護(hù)技術(shù)

通過有效地控制地表的沉降量，可以防止地表建構(gòu)筑物的沉降；可以保護(hù)地下管線的完好性?？刹捎酶露軜?gòu)支架或改進(jìn)盾構(gòu)支架系統(tǒng)等方法保護(hù)地下管線。在實(shí)際施工中，要結(jié)合工況和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)靈活控制地表壓力。同時(shí)優(yōu)化壁后土塊處理，控制注漿壓力確保掘進(jìn)速度，通過控制土層沉降保護(hù)地下管線的完好性。

6 結(jié)語

盾構(gòu)法在隧道施工中的優(yōu)點(diǎn)明顯，施工高效、安全且自動(dòng)化程度高，有效保證施工質(zhì)量和進(jìn)度，但其對(duì)周圍土體、建構(gòu)筑物、地下管線等造成的影響也是不可忽視的弊端。如能進(jìn)一步有效控制對(duì)周圍土體位移量、沉降量、地下管線的影響將成為今后盾構(gòu)法施工的技術(shù)突破點(diǎn)。