地铁工程复合式土压平衡盾构施工技术应用建议

赵宏伟

【摘要】地质条件的复杂性，对地铁工程盾构施工提出较高的要求，文章以某地铁工程为例，在大致了解该工程地质水文条件的基础上，分析工程盾构施工客观存在的技术难点，进而深入研讨该工程复合式土压平衡盾构施工技术的应用方法。

【关键词】地铁工程，复合式，土压平衡，盾构施工

1.某地铁工程盾构施工背景概况及技术难点

某地铁工程选用复合式土压平衡盾构施工方法，该施工之前，为全方位了解施工现场的情况，进行了地质水文条件的全面勘察。经勘察，发现工程地层分为4层，首层为第四系全新统人工堆积层，该层由粘性土、砂砾、碎石、块石、混凝土块、红砖组成；第二层为第四系全新统冲洪积层，该层由淤泥、粉质粘土、细砂、砾石、砂砾组成；第三层为残积层，以可塑性粉质粘土为主，但土质比较均匀；第四层为侏罗纪中统角岩，由全风化角岩、强风化角岩、中等风化角岩、微风化角岩组成。地铁沿线的地下水，由大气降水补给，其中孔隙水集中在第四系砂层当中，水位埋深和高层分别在1-3.58m、20.93-35.6m之间，水位平均变化幅度为1.25m，主要与季节变化有关，同时可确定施工区域内的地下水总矿化度为282mg/L，对钢筋混凝土结构不会造成腐蚀影响。在明确工程地质水文条件的基础上，在此对施工区域内应用复合式土压平衡盾构施工技术难点进行分析，一是地层上软下硬特征明显，岩层较硬时，切削困难，推进速度容易被削弱，而岩层较软时，容易出现超挖现象，并诱发地表沉陷和开挖面失稳事故；二是存在长距离的硬岩段，对盾构机刀具磨损程度大，需要频繁开仓更换刀具，对工程成本、进度和安全管理均有明显负面影响；三是沿线存在孤石区，且孤石分布位置无规律，很难准确预测其位置，一旦盾构推进时遭遇孤石，将骤然出现较大荷载，不仅会损坏刀盘，而且会导致刀盘变形。以上的施工技术难点，需要在工程施工时加以克服。

2.案例地铁工程复合式土压平衡盾构施工技术应用方法

基于案例地铁工程的施工条件，本工程的复合式土压平衡盾构施工，需要明确相关的施工步骤，结合工程施工要求，灵活应用各种新型的盾构施工技术，具体施工方法如下：

2.1施工流程

本地铁工程借助不同土压平衡盾构技术进行复合施工，其施工流程如下：

（1）施工步骤。从车站场地开始准备端头竖井的施工，其中基座和反力架的安装，在井下进行。做好施工准备工作后，加固处理前端头，然后根据端头的地质、地下埋设物等情况，检查竖井开挖时的围岩扰动允许范围值，必要时加固端头地层，以避免盾构时出现地表隆陷和波及地下埋设物等问题。与此同时，盾构机在掘进至一定深度后，如果地层稳定性较好，则可在到达竖井后，停止推进，然后将挡土墙拆除，再继续盾构施工；如果地层稳定性不佳，尤其是断面比较大的盾构施工区域，必须在盾构机达到竖井之前，将竖井的挡土墙拆除，直至盾构机完成所有盾构施工任务。

（2）施工要点。按照以上的施工步骤施工，考虑到复合式土压平衡盾构自动化程序比较高，包括掘进、管片拼装、回填注浆、方向控制等，都能够以自动化的方式作业，因此在施工时，应以自动化装置所提供的信息，由指定操作者进行针对性操作，譬如本工程密封舱水土压力平衡控制时，水压力和土压力的实时监测数据，会直接反馈到操作者的電脑屏幕上，操作者只需要根据水压力和土压力的数据，计算出两者维持的平衡点，即可利用电脑直接控制密封舱水土压力的平衡。再如盾构机姿态位置的调整控制，在设定盾构机运行轨道后，盾构机在轨道中的运行态势，会以动态图像反映出来，而操作者只需要根据动态图像，就可以判断盾构机是否在轨道内运行，并灵活调整控制盾构机的姿态位置。

（3）施工难点。尽管本工程的复合式土压平衡盾构自动化程度很高，但在施工过程中，仍然不可避免地存在诸多施工难点，譬如盾构机的工况转换，从土压平衡转换到非土压平衡的工况，土压参数设定不正确时，掘进方向会出现偏离，进而引起地层沉陷，针对该施工难点，在转换工况时，应设置10m的过渡段，在该过渡段完成工况转换，同时逐渐降低土仓压力，直至过渡到非土压平衡工况，另外还要密切观察岩渣情况，以此分析判断掌子面岩石的稳定性，作为土仓压力调整的依据，将其反馈用于指导施工。

2.2施工问题处理

本工程在施工期间，针对不同的施工问题，要采用合适的土压平衡盾构施工技术进行处理：

（1）特殊断面盾构处理。本工程的地铁隧道断面形态有多种类型，其中特殊断面的盾构施工，譬如地铁盾构的共同沟等，可使用双圆形盾构，而车站的修建，可使用三圆盾构。在施工时还需要考虑断面的形状，以便控制分隔的次数、组装的顺序、组装的精度、盾构的姿势等，一旦发现盾构偏移迹象，要第一时间修正超挖机构和千斤顶，同时兼顾洞口止水性。

（2）围岩强度控制处理。本工程原有盾构隧道的部分区间，为安装设备所需，进行直径扩展，期间就需要借助扩径盾构技术，在施工时，将原隧道的部分衬砌和围岩撤除，腾出供以扩径盾构机施工的空间，但在衬砌撤除后，隧道结构承载力会随着降低，要求加固开孔位置和盾构周边，在确保撤除衬底和围岩位置能够承受扩径盾构机运行荷载后，方可开始盾构推进，此时产生的盾构推力，将均匀作用于盾构机正后方的围岩上，因此需要在盾构机尾部安装反力支承装置，同时加固围岩的强度。

（3）混凝土密合效果控制。本工程在素混凝土结构施工过程中，可使用ECL技术，该技术强调盾构施工的一体化，具有良好的防水性。施工时，在盾构内部绑扎钢筋，然后同步进行盾构空隙填充和混凝土加压，随着盾构机的不断推进，混凝土加压千斤顶产生的加压压力，将新浇筑的混凝土，配合盾构挤压到围岩的空隙当中。

（4）盾构施工时间的控制。为保持盾构机的连续施工，在较为狭窄的施工区域内，采用了球体盾构施工技术。这种施工技术，亦称之为连续掘进施工技术，可同时进行纵向和横向连续掘进，但需配置两台盾构机，沿着直角方向分别开挖竖井和掘进隧道，期间盾构的自重、反力平衡是施工控制的重点，尤其是在反力开挖过程中，当掘进方向偏移，必须将次盾构球体旋转角度，控制在9r之内，否则可能诱发涌水和涌砂的施工事故。与此同时，为避免土、砂、水流入隧道内部，还保证球体部结构的防水性能。

2.3施工总结

通过以上的施工控制，可以看出复合式土压平衡盾构施工适应岩层范围广，在软硬相夹的地层中，只需要一种类型的盾构机即可完成操作，在技术经济性方面，优势颇多；遇到硬岩地层时，不需要利用钻爆施工方法，能有效避免爆破振动对地表建筑物的影响，而遇到软弱地层时，能够有效控制地表沉降和减少塌方，技术适应面广，安全性能极高；在功能方面，复合式土压平衡盾构施工性能完善，具备非常高的自动化水平，不需要投入太多的施工人员，即可完成整个施工。

3.结束语

文章通过研究，基本明确了案例地铁工程复合式土压平衡盾构施工技术应用方法，但考虑到不同地铁工程盾构施工要求和条件的差异性，以上施工技术在其他地铁工程盾构施工中应用时，还需要根据具体工程的盾构施工情况，予以因地制宜地灵活应用，同时结合施工实践中不断提炼出来的技术应用经验，进行补充和完善。

参考文献

[1]路耀平，李磊，马建军.白云-昆明北站地铁区间土压平衡盾构始发技术[J].山西建筑，2012，（30）：207-208.

[2]刘训华，李博，季昌.越江地铁隧道土压平衡盾构施工土压力分区研究[J].城市轨道交通研究，2012，（9）：72-75.