浅谈地铁隧道盾构法的施工

浅谈地铁隧道盾构法的施工

摘要：本文介绍了地铁隧道盾构法的施工的原理，主要技术环节以及特殊地段的盾构施工，并分析了地铁隧道盾构法施工地面沉降的原因，以供参考。

关键词：地铁隧道；盾构法；地面沉降

一、地铁隧道盾构法施工原理

盾构法自法国工程师布鲁诺尔(Brunel)1818年发明以来，至今已有一百多年的历史，其发展迅速，已广泛应用于德国、美国、日本、法国和中国等。

地铁隧道盾构法施工就是在盾构的掩护下连续安全地进行地层开挖与管片衬砌支护工作，其基本构造包括盾构壳体、刀盘、人闸系统、螺旋输送机与保压泵喳装置、铰接装置、盾尾密封装置、管片拼装机和管片整圆器、刀盘驱动系统、盾构推进系统、同步注浆系统、泡沫发生系统、膨润土设备、数据采集系统、SLS-T隧道导向系统、后配套设备等部分，其主要施工工序包括盾构的安设与拆卸、土体开挖与推进、衬砌拼装与防水等部分。

盾构法施工时，首先根据地铁规划设计，在隧道某段的一端用明挖法建造基坑，然后再其内安装盾构机，当盾构就位后，先向开挖面掘进相当于装配式衬砌宽度的土体(一般为1.5m)，安装盾构反力架等设备，形成外部支撑，然后在盾壳的掩护下利用千斤顶将切口环向前项入土层进行地层开挖、装配衬砌，随后盾构靠顶在已拼装好的衬砌环上的千斤顶向前的推力来克服盾构掘进中所遇到的地层阻力，保持盾构能均匀连续前进。

二、地铁隧道盾构法的主要技术环节

1）开挖土体和开挖面支护

在盾构施工中，被切削下来的前方土体储存在刀盘后方的土舱中，刀盘的切口部分与刀盘的切削面相互作用是通过刀盘的切口部分。由于要对开挖面的水土压力进行平衡，土压平衡盾构是通过土舱内的土体压力来实现的，因此，为了使排土量和挖土量保持动态平衡和土舱压力产生较小波动，要经常调节千斤顶的推进速度和螺旋输送机的转速。根据螺旋输送机的转速来调节排土量的多少、刀盘的转速、切削扭矩以及千斤顶的推力来决定挖下来的土量体积。要由刀盘面前的水土压力之和来确定土舱压力的大小，由式（1）计算：

(1)

式中，为土舱压力（Mpa）；为侧压力系数；为土的容量（KN/m3）；刀盘中心点的埋深（m）。根据相应的地质以及盾构机的掘进位置，可选取相应的参数代入上式。

2）盾构推进和衬彻管片拼接

依靠来自盾构千斤顶的推力，使得其不断向前推进。盾构推进过程中需要克服开挖面的土体压力、内部机械设备阻力和盾体周围的摩擦阻力，需要根据每一种阻力之和以及一定的富裕量来确定总推力的大小。过大的推力会使挤压正面土体前移和隆起，如果推力过小的话会使盾构推进的速度和进度受到影响。盾构被千斤顶不断推动前进，盾构由推进模式转为管片安装模式是在形成每块衬彻管片的安装准备后，在盾构内部拼装管片的同时也依次收缩千斤顶。管片被拼装完后，真圆保持器被移动并顶紧，操作模式被改回推进模式，从而使下一环节继续地推进。此外，在推进的过程中，须多次复紧脱出盾尾的衬彻管片上的螺栓。

3）盾尾脱空和衬彻壁后注浆

盾构机被千斤顶推动着不断向前推进时，使得原本处于盾壳内测的衬彻管片脱离盾壳的保护，以致在衬彻外围产生建筑空隙，产生较大的地层损失，如图1所示。倘若不采取一定的措施将产生很大的地面沉降，所以在推进的过程中，应同时向盾尾空隙的地方不断注浆。

图1 盾尾注浆示意图

注浆的目的有三个方面：一是控制地表沉降，降低土层损失；二是提高结构稳定性，限制了衬彻管片的位移；三是为隧道起到防水的作用。在盾尾内侧设有四条注浆管，沿着四条注浆管向管片外侧的上、下共四个注浆孔同时注入浆液。各注浆孔的静止水土压力之和应略小于其注入浆体时的压力值，并使盾构机土舱中不能渗入浆液。采用理论的静止水土压力之和来确定起初的注浆压力，但是在实际情况过程中需要不断的被调整。注浆压力过大会使地面隆起和管片变形较大，而注浆压力过小会造成注浆液来不及填充盾尾建筑空隙，又将产生地面沉降。因此，取1.1-1.2倍的静止水土压力值作为注浆压力的大小，最大不超过3-4kg/m2。

三、特殊地段的盾构施工

1)盾构穿过含水砂层时的注意事项

含水砂层由于其结构较松散，且颗粒较细，在盾构掘进通过此段时，容易发生掌子面砂层坍塌，引起地表沉降。为保证盾构机能顺利的穿过，应对此类地段进行详细探测，可采取以下处理措施：（1）减慢掘进速度，降低盾构机推力和刀盘转速，防止由于掘进过快，

造成掌子面失稳，一般控制在20mm/min之内。（2）通过地质资料的分析，盾构机在通过不良地质前，必须做好刀具和盾尾密封的检查工作。（3）掘进时加强渣土、泥水管理、渣土改良和泥水浓度控制。（4）盾构机背填注浆。

2)盾构在砂砾层中的掘进施工技术

砂砾层卵石直径较大，地下水位基本在隧道顶部以上。施工时，受卵石层的影响，刀盘、刀具由于不均匀的受力或外力的冲击，容易产生异常损坏。盾构在该类地层掘进时，刀盘、刀具的磨损严重，盾构姿态调整与控制难度较大，对此，采取如下措施:（1）进行合理的盾构选型；（2）有计划的刀具检查、维修与更换。

3)盾构在曲线地段的推进

盾构在小曲线段进行掘进施工时，盾构机轴线拟合难度较大，容易发生管片错台、开裂、偏移以及开挖超挖等情况。施工中主要采用如下措施:（1）进入曲线段施工前，调整好盾构的姿态。尽量减小盾构机中心轴线与隧道中心轴线的夹角和偏移量。（2）精确计算每一推进循环的偏离量与偏转角的大小，合理调整推进油缸的推力、分区与组合方法。（3）根据SLS-T导向系统的测量结果，确定下次推进的纠偏量与推进油缸的组合运用方式。经常对盾构机的姿态进行人工测量。（4）为防止管片移动错位，要求分组油缸的推力差尽量减小，并尽量缩短同步注浆浆液的凝胶时间。

四、地铁隧道盾构法施工地面沉降的原因分析

地面沉降是隧道周围土体的松动和沉陷，是因为盾构隧道施工而引起的，地表沉降是它的直观表现。它将使隧道附近区域基础建筑物产生变位、变形和沉降，并会破坏建筑物

机能。形成地面沉降的另外一个主要因素是由盾构法施工产生的底层损失和土颗粒经扰动后的再固结。

1）地层损失

由于盾构与衬彻间的间隙和超挖等原因隧道的挖掘土量常常要比按照隧道断面积计算出来的土量大得多，这样就使隧道和衬彻片间产生间隙。在软粘土中，周围土壤会及时填充该间隙，使地层产生运动，导致施工沉降(瞬时沉降)。由于土的应力产生变化，随之而形成应变-变形-位移-地面沉降。

地层损失分为三个；第一类为正常地层损失。导致底层损失地所有原因来自施工现场的客观条件，与主观因素无关；第二类为非正常地层损失。该地层损失是因为施工中的操作失误而导致的；第三类灾害性地层损失。引起该地层损失的原因是由地层中水压大的贮水和透水性强的颗粒状土的透镜体等不良地质条件引起的。

2）固结沉降

在盾构推进过程中，由于超挖、挤压，和盾尾压浆作用，使正负超空隙水压力产生于周围地层中，扰动地层，从而产生的地层沉降称之为固结沉降。固结沉降有主固结沉降和次固结沉降之分，超空隙水压力消散引起的土层压密为主固结沉降；由土层骨架蠕动引起的剪切变形沉降称之为次固结沉降。

结束语

地铁交通能够很好地解决目前城市面临的交通拥挤的问题，盾构法是地铁隧道施工的

重要办法，本文对地铁隧道盾构法的施工进行了详细介绍，希望对同行业的同仁有所帮助。

参考文献

周顺华. 我国城市轨道交通地下工程的施工技术现状与发展[J]. 城市轨道交通研究, 2005.

顾国明, 陆运. 我国城市地下铁道施工技术综述[J]. 现代隧道技术, 2005.

张俊伟. 浅谈人工挖孔桩施工过程控制研究[J]. 安防科技, 2006.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。