盾构施工问题统计与分析

秦海洋　刘厚全　程飞

随着交通行业的迅速发展，地铁已经成为衡量城市交通是否便利的一个重要指标，许多一、二线的城市都相继开发出各自的地铁线路。地铁施工地处城市，故施工过程中对周围环境影响的控制较为严格。传统明挖法占地较大，对交通的影响较为严重。因此，采用盾构法施工将成为首选。

运用盾构法进行地铁施工时，会出现各种各样的问题。例如：北京地铁四号线采用盾构法施工时经过砂卵石地区，滚刀磨损严重；上海地铁施工时土壤敏感度较高，盾构施工过程中土压力不平衡问题常常出现等。近年来，随着地铁盾构施工的广泛应用，更多问题暴露了出来。例如，地铁盾构施工过程中控制室的热平衡问题，施工所引起的地表沉降问题，施工完成后所产生的盾构管片上浮问题等。

各个城市地铁发展现状不同，东部地区城市地铁线路较为成熟，西部地区城市地铁线路较为稀疏。因此，未来地铁盾构施工在我国的发展相当可观，但施工过程中所出现的一系列问题，制约着其在地铁施工中进一步发展。因此，盾构施工问题的解决迫在眉睫。

近年来，随着交通行业的快速发展，城市地下空间的开发愈发重要。盾构机作为城市地铁隧道开挖利器，将承担不可替代的作用。据统计，采用盾构法施工的掘进量占北京地铁施工量的48%。因具有效率高、不阻隔交通、受季节气候影响较小等优势，盾构法未来将有更大的发展空间。因此，盾构机的改进、盾构方法的提高至关重要。

盾构机在地铁项目中被广泛应用的同时，显现出来的问题也越来越多，例如地表变形沉降、刀具断裂、施工完成后盾构管片缓慢上浮、盾构区间内的热平衡等问题。为了寻求这些问题的解决方法，国内许多学者采用理论分析、试验模拟等方法对盾构施工过程中出现的问题进行了研究：魏刚、周洋等在《盾构隧道施工引起的工后地面沉降研究》中采用软件计算，分析了盾构开挖过程中地面变形的规律，并将该计算结果和实测值进行了对比分析，总结出了该过程中地面变形的机理；蒋建敏、贺定勇、赵学彬等在《盾构机刀具制造用耐磨耐冲击堆焊药芯焊丝研究》中针对刀具断裂问题进行了深入研究，开发出新型的DG7焊丝，并采用该焊丝对断裂刀具进行焊接，强度显著增强，且刀具寿命不受断裂缝的影响；何川、汪洋等在《土压平衡式盾构掘进过程的相似模型试验》中针对盾构施工时的土压平衡问题进行了长时间的研究，对传统的土压平衡提出了一些建议；肖明清、孙文昊、韩向阳在《盾构隧道管片上浮问题研究》中采用理论分析和试验探究的方法，对施工完成后盾构管片的缓慢上浮问题进行了研究，将上浮机理分为软岩和硬岩上浮2个方面。这些科研成果对我国盾构技术的发展产生了巨大的推动作用。到目前为止，有关地铁盾构的文献大多为讨论施工方法，对于盾构施工过程中出现的问题尚无系统的统计分析，鉴于此，为了使盾构机在地铁隧道的建设中更好地发展，有必要对其存在的问题进行整理分析，以期丰富相应的理论，为施工提供经验。

盾构机的分类

按照断面类型，盾构机可以分为三类，即圆形盾构、多圆盾构以及异圆盾构。其相互关系如图1所示。

圆形盾构为一个主轴带动刀盘进行转动；多圆盾构为多个圆形盾构的刀盘交错重合而成；异圆盾构刀盘形式较为复杂，具体如图2所示。

异圆盾构的刀盘可以简化为机架（盾构机头）、主轴I、主轴II、曲柄轴（固连刀盘）4个部分组成的四连杆运动机构，主轴I与主轴II按设定的转速转动时，曲柄轴划过的面积则为非圆断面盾构机的开挖面形状。只需要调节主轴I与主轴II的长度和转速，就可以控制开挖截面的形状。因此，实际工程中可根据要求将截面形状设计成矩形、马蹄形和椭圆形等。

工程应用中的问题统计

盾构机在施工过程中出现的问题多种多样，实际工程中的部分统计结果，如表1所示。

将盾构施工过程中出现问题的37个工程实例进行整理，结果如图3所示。

问题分析

图3统计结果显示，盾构法施工时常见的问题有地表变形过大、刀具断裂磨损、土压仓压力不适、施工完成后二衬管片上浮、盾构区间内的热平衡问题等，具体如图4所示。

沉降问题

沉降是盾构施工过程中最直观的问题，包括前期下沉和后期下沉。前期下沉主要是由于开挖面不稳导致的；后期下沉主要是由于管片管线下沉导致的，根本原因是裂隙闭合、注浆流动、应力重分布等导致的土体移动。相比而言，后期沉降较为明显。

地铁盾构施工过程中，沉降问题普遍存在，新疆某地下商场在采用矩形盾构法进行盾构施工时，曾出现了较大的地面沉降。造成此处地面沉降的原因主要是后期沉降，即由于注浆在施工裂隙中的移動以及施工裂隙的闭合使该处土体的应力分布发生了变化。

采用盾构法进行地铁开挖出现的沉降与多个因素有关，包括地质条件、埋深、断面、注浆材料、开挖速度等。在现有技术水平下，为减小施工后期盾构对地表的影响，常综合注浆、预埋桩、打锚的方法进行地表和内部土体的加固处理，尽量避免对土体较大的扰动。对于地表要求较为严格的区域，也可采用冻结法施工，但这种方法价格昂贵且技术要求高，一般不常使用。

刀具断裂磨损

地铁开挖设备包括2类：掘进机（TBM）和盾构机。其中，掘进机主要用于硬岩开挖，盾构机主要用于软岩开挖。但在现实工程中，岩土并非软硬分明，这种情况下，软岩盾构机面临严重的刀具断裂磨损，是盾构施工过程中急需解决的问题。刀具断裂磨损程度与刀具材料、刀盘结构设计等因素息息相关。

北京地铁5号线穿过含砂率为1/3的砂土区，相当一部分开挖土体含大量碎石、卵石。盾构施工过程中刀具磨损严重，有刀具断裂现象出现，如图5所示。

宋云、蒋建敏等在刀具材料的开发方面进行了大量的试验研究，研发出了新型焊丝（DG7）。采用该焊丝对刀具断裂处施焊，强度显著增强。北京地铁5号线施工过程中曾采用了该方法，效果明显。采用该焊丝施焊后的刀片如图6所示。

土压力平衡问题

土压平衡原理如图7所示，即在刀盘附近的输送器侧安装隔板，在刀盘与隔板间形成一个密封良好的土压仓，待渣土进入仓后，通过改变隔板受到千斤顶推力的大小控制土压仓的压力，以维持开挖面土体的稳定。

单轴式盾构机刀盘主要围绕轴心转动，偏心多轴式盾构机在围绕其轴心转动的同时，所固连的曲柄轴也在围绕主轴转动，承受着较多来自刀盘边缘的挤压，剪力影响较大，受力复杂。因此，在进行盾构开挖时，建立适当的土体压力较为困难，面临着较多危险。

日本国铁羽越线折渡隧道盾构施工过程中，曾采用土压平衡的矩形盾构法。由于该区间土体稳定性差，在施工过程中泥土室建立的压力过小，导致开挖面流沙，被迫停工，最后采用挖掘机进行该段的施工。

盾构机在施工过程中受力复杂，土压力建立的关键问题是自适应性，即随着围岩等级、受力性质、曲轴运动的变化，压力仓的土压力应能够自我调节，以进行连续的开挖工作。何川、胡国良等人通过试验模拟等手段对自适应性进行了分析，如图8所示。研究发现，当围岩等级等外界因素改变时，可以通过改变螺旋输送机的转速和压力室土体的含水量来控制压力室土体的压力，以解决盾构机土压力平衡的自适应问题。

管片的上浮问题

管片上浮是盾构施工过程中不可忽视的问题，严重影响着施工质量。特别是近年来越江隧道的施工中，由于土体土质多接近黏性，导致管片的上浮问题越发突出。根据统计，管片上浮幅度在已施工的隧道中表现为40～90 mm。

管片上浮多发生在盾构衬砌施工完成后较长的一段时间内，引起管片上浮的原因多种多样，大致可以分为2方面：一方面，开挖施工对原状土层进行了大范围的扰动，衬砌施工完成后土层应力重分布，导致土体下移，管片上浮；另一方面，管片拼装完毕后，管片背后残留有空洞，需要注浆予以填充，流动注浆体对盾构衬砌有向上的浮力作用，引起管片上浮。结合上述管片上浮的原因，可以得出管片上浮具有以下特征：受围岩等级、土体性质、注浆材料、注浆方法等的影响；上浮速率先快后慢，前期在注浆浮力作用下，上浮相对较快，后期管片上浮是由土体的应力重分布引起的，因此管片上浮速率较慢。

针对管片上浮的原因，工程施工中，可在注浆材料的选择方面采取以下方法予以预防：针对软土地层，选用早强低、流动性大的注浆材料；针对岩性地层，选用瞬凝性浆液。

热平衡问题

热力平衡问题即由于冷却水和通风机状态不适，导致的盾构机机头温度高于其他部分、液压油温度过高、通风不足等现象。在地铁隧道的施工中，热平衡问题严重影响盾构机的正常运行和操作人员的工作效率。

广州地铁2号线曾采用盾构法进行隧道开挖，开挖过程中盾构机曾发生过多次停机事件，调查结果表明是由于夏季施工时冷却水温度过高，以致于油液温度没有降低，最终迫使盾构机停机。针对此次热力平衡问题，中铁隧道在广州地铁2号线的施工过程中从以下3个方面入手解决，并取得了良好的效果。

（1）适当加大土压仓的水分。盾构掘进时，适当加大土压仓的含水量，在润滑渣土的同时加快了刀盘的冷却，效果明显。

（2）严格控制进口冷却水的温度。限制冷却水的温度在一定的范围内。

（3）因地制宜地对原有盾构机的通风系统进行适当调节。广州地铁2号线采用海瑞克公司生产的机内抽风式盾构机，由于广州潮湿多雨等原因，导致机内抽风不足，操作室内闷热异常。经改装后，原机内抽风变为机内压风，效果明显。

发展展望

盾构机在未来的发展需要解决许多问题，除了上述各类基本问题外，还包括施工智能化、检测智能化等问题。施工智能化具体表现在高效节能、精确控制、施工VR模擬、智能导向等方面。检测智能化具体表现在系统敏感性、自动检测、自动修复等功能的提高。

随着交通事业的快速发展，以及电子技术、定位技术、遥控技术、成像技术的成熟，盾构机在未来将有更广泛的应用，逐步推广到地铁、地下人行通道、海底隧道和地下综合管沟的建设中。

采用盾构法进行地铁隧道施工具有众多优点，包括：受季节气候影响较小；不影响交通航线；开挖、出土、管片拼接过程自动化、智能化；掘进速度快；对土体扰动较小等。因此，采用盾构法进行地铁施工将是大势所趋。

在采用盾构法进行大范围施工的时候，其存在的问题也逐渐表现了出来，包括土压平衡和压力仓密封问题、地表变形沉降问题、刀具断裂磨损问题、盾构区间内的热平衡问题以及施工完成后二衬管片的上浮问题等，这些问题需要我们不断采用新技术、新方法去解决。

在地铁开挖过程中，我们要积极处理好各方面关系，包括理论研究与工程经验的关系、效率与质量的关系、投资与收益的关系、实现便捷与保护自然的关系等。