初谈敞口式盾构

王树栋

（中铁三局集团四公司，北京，102300）

在地铁市场迅猛发展的今天，利用机械施工的场面越来越大，特别是地铁区间盾构法的施工，受其安全、高效的特点得到各施工单位的青睐。但盾构的适用性又受地质条件的限制，因此盾构的选型非常必要。以下就敞口式盾构机的适用性、工作原理等阐述一些看法。

1 基本情况分析

①北京西部地区是以砂砾石/卵石与粉土互层为主，砾石的粒径在40～60 cm,最大超过1.0 m，地层的最大含砂率约25%～40%。②北京地铁目前已过渡到以盾构法为主，浅埋暗挖法为辅，个别地段采用明挖法的新阶段。③北京地铁已进入新一轮建设高峰，地质更为复杂，盾构过卵砾石层存在技术障碍（刀具磨损和进仓换刀频繁、高成本和安全风险问题），在北京乃至国内仍没有得到解决。

2 工法特点及研究敞口式盾构的必要性

2.1 浅埋暗挖法

时效性强，工艺衔接要求高，需要大量专业熟练工种；安全质量控制点多，要依赖于经验丰富的专业队伍并实行严格的过程控制来保证安全。

2.2 盾构法

适应于均质地层、单一断面，特点是速度快、质量可靠、不需降水。

在以砂、卵石层为主的混合地层，采用的各类土压平衡盾构施工实践表明：①难以建立、保持土压平衡、地面沉降失控；②需加入大量膨润土泥浆，外弃碴土难以处理，污染环境；③扭矩、推力均增大，易造成超负荷停机；④刀具、刀盘磨损十分严重；⑤大粒径卵石无法处理；⑥施工成本增大。

盾构无法正常掘进，不得已采用欠压推进，从而失去土压平衡的优势。

2.3 结论

根据施工实践与上述分析，土压平衡盾构难以适应砂砾石/砂卵石地层，会带来安全、工期、成本的诸多问题。但砂砾石/砂卵石地层特性又表明：具有一定超前支护性能的敞口式盾构在有较好的自稳能力地层，无水或降水后采用，即有必要又具有一定条件。

3 敞口式盾构的适用范围

主要适用于开挖面有一定自稳能力、含水率低或无水的各种围岩，适用土质以洪积层的砂、砂砾、固结粉砂、黏土和卵砾为主。

4 敞口式盾构机的特点

4.1 节能与良好的经济性

敞口式盾构国产化能力强、制造较简单、周期短，与土压平衡盾构相比，有较好的经济性。主要经济性对比，如表1所示。

表1 主要经济指标对比表

①制造费：因没有相应的动力系统，敞口式盾构制造成本约为土压平衡盾构的50%。②进出场及吊装费：敞口式盾构比土压平衡盾构重量约轻30%，进出场及吊装费可减少约20%。③端头加固：敞口式盾构不需要对区间隧道端头（始发和到达）地层进行加固，只需对洞门拱部进行加固即可，一般费用可节约50%。④施工用电费：敞口式盾构的总功率一般为520～550 kW，需要配备800 kVA变压器，一般可节约用电量50%以上，同时可节约城市临电设施配套的费用。⑤辅料、易损件及维修保养费：敞口式盾构不需要刀具更换费、主轴承保养维修费、渣土改良费等，费用节约每延米1 200元左右。⑥碴土处理费：敞口式盾构渣土为原土，仅需要计虚方，土压平衡盾构渣土为流塑状土，出渣量约比敞口式盾构渣土增多10%，且有处理难度。⑦土压式盾构新机单价约为4 000~4 500万元，每延米摊销约0.6万~1.0万元。敞口式盾构新机单价约为土压平衡盾构的50%，每延米摊销约0.4万～0.6万元。同时敞口式盾构在运输、洞门端头加固、施工用电及辅料、易损件等方面比土压平衡盾构都有一定的节约，其每延米施工造价比土压平衡盾构节约3 000~5 000元，即8%~10%。⑧在有水地层施工，敞口式盾构需要采取降水辅助措施，每延米降水费用约3 000元，接近土压平衡式盾构造价。⑨暗挖法在无水地层造价约单延米2.8万~3.0万元；有水地层增加降水费用约3 000元，每延米造价增至3.1万~3.3万元。

4.2 较快的进度指标

敞口式盾构在适应性地层中有较好的进度指标，理论进度能够达到每月300 m。敞口式盾构和土压平衡盾构掘进进度对比，如表2所示。

敞口式盾构和土压平衡盾构机相比较，其优势是处理大卵石的能力，开挖时两个作业面可以同时进行；敞口式盾构拼装管片和掌子面开挖可以并行作业。掘进循环内所用时间可控，而且时间少。

表2 掘进时间对比表

4.3 灵活的风险应对能力

①能直接观察开挖面情况，对异常情况可以直接采取针对性应急措施，可人工凿碎障碍物并取出，如遇到大型障碍物，则用暗挖的办法通过障碍物后再继续掘进；②因大型政治活动或其他原因需要停工，只需把挡板打开顶紧开挖面，并在下半断面与螺旋输送机隔板之间堆码沙袋封闭即可；③可方便的转换为矿山法的有效支护和开挖手段。

4.4 敞口式盾构法、浅埋暗挖法、土压平衡盾构法特点对比

见表3。

表3 敞口式盾构法、浅埋暗挖法、土压平衡盾构法特点对比

5 敞口式盾构施工工艺

5.1 施工流程图

如图1所示。

图1 施工流程图

5.2 掘进施工时的注意事项

帽檐和面板抵挡油缸推出时:①帽檐油缸推出时要防止土体的塌方 (缓缓推出)；②面板抵挡油缸推出时应防止临时挡板脱落；③掌子面挖成阶梯形式，由上部开始依次进行挖掘。

第一次挖掘600 mm时:①从上部开始挖掘，完成后使用帽檐对上部土体进行支护；②利用挖掘臂对外周部分彻底挖掘，不要留有挖掘死角；③在挖掘过程中，左右机械臂合理分配挖掘区域，防止干涉。

第二次挖掘600 mm时:①利用机械臂把土体扒到刮板机上输送出去；②挖掘同时进行同步注浆；③注浆可以使用同步注浆，但因推进时间较短，推荐使用管片中心注浆的方式；④随时关注推进力是否有明显的大幅上升。

防止塌方:①第二次挖掘完成后，挖掘面必须进行彻底的防塌方处理；②遇到容易塌方的地层，必须在挖掘前对前方土体进行加固；③可以通过机械臂来防止塌方。

管片拼装时:①为防止管片拼装机回转中发生干涉，必须把刮板输送机提升；②为迅速拼装，管片在主机后方按拼装顺序摆放；③拼装过程中注意防止管片损伤；④管片连接螺栓要预紧到足够的扭矩。

总之，敞口式盾构适应比较特殊的地质，在以后的施工过程中我们将继续探讨和总结各种经验，为城市轨道交通土建施工提供更好的借鉴。