盾构法和矿山法在地铁隧道施工中的研究

杨 陈

盾构法和矿山法在地铁隧道施工中的研究

杨 陈

（重庆交通大学 重庆 400074）

地铁隧道施工的对象一般是情况复杂多变、高层建筑下难以完全预知的浅地层，其施工方案和施工方法的选择可能是多种形式的。而盾构法和矿山法是现代地铁隧道施工方法中最常使用的。

地铁隧道施工；盾构法；矿山法

1 引言

伴随着科技的的进步，更多国外地铁隧道方面先进技术的引入，地铁隧道及地下工程建设呈现出一片欣欣向荣的景象。近来，大多数城市在运用地铁隧道、建造与设计和施工方法上取得了巨大的突破。因为地铁隧道的施工方法、技术设备、工程材料不断创新与运用，因此，那些以前人们想都不敢想的工程，被认为是空中楼阁似的底线工程现在大多数都可以实现，甚至在以前修建的工程上可以改良创新使之规模更加壮观。而如今城市空间的利用又达到了吹毛求疵的地步，空中、地面、地下的资源必须合理且有计划的利用起来。进入21世纪以来，世界上更加强调对地下空间资源的利用，所以，特别是地铁隧道技术的运用上面的可选择性更加的多样化，但是由于城市地下岩层情况的复杂多变、高层建筑物下难以完全预知的浅地层、还有多如星云的国家保护建筑和自然保护区，则隧道施工技术的选择上不得不三思而后行，如果运用不当，可能轻则耽误工期影响地面建筑物的稳定性，重则造成自然环境的破坏、甚至危及人们的生命财产安全。对于不同的工程应该结合工程的世纪情况对工程进行分析，选择合适的施工方法是有必要的。因此，大多数城市采用了对地下岩层影响很小的盾构施工方法，虽然我国在盾构隧道施工方面存在一定的技术问题，但是正在随着时间的发展不断的改进。目前，因为地铁隧道的施工要求太多，既要考虑施工的安全，也要考虑到方法的先进性和地面各种建筑物和环境的保护。所以，我国隧道地铁的施工大多数情况下采用以盾构法和矿山法为主的施工方法。

2 盾构法与矿山法

2.1 盾构法

盾构法(Shield Method)是现在城市地铁隧道施工中的一种主要的施工方法，它是利用盾构机械的高质量的刀片以及高速的旋转如穿山甲一般的在地中推进，并且由于盾构机从发明开始到现在经过了无数代人的实验已经具有了坚硬的外壳和内部高质量的管片，可以在掘进的同时支持住四周的围岩有效的防止了坍塌的发生，同时在掘进的后方运用出土机械把掘进产生的岩土运出洞外，然后靠千斤顶在掘进机械后部加压顶进，并运用机械拼装早已预制好的混凝土管片，形成地铁隧道结构的一种机械化施工方法。

2.2 矿山法

凡是采用一般开挖地下坑道方法修建隧道的都称为矿山法。其立足点是强有力的初期支护，不需要围岩的“帮助”，单独承受外界的压力，是传统的隧道施工方法。

基本的施工方法有:漏斗棚架法、反台阶法、正台阶法、全断面开挖法、上下道坑先拱后墙法、下导坑先拱后墙法、品字形导坑先拱后墙法、侧壁导坑法等。

3 盾构法与矿山法适用条件研究

在如今的城市地铁隧道中一般采用盾构法或矿山法。

盾构法是从国际上引进的一种先进地铁隧道施工法。盾构法的优点有：

( 1) 可在盾构设备掩护下安全地进行土层开挖与衬砌支护作业;

( 2) 对于资源紧缺的城市来讲，盾构在城市下方进行，可充分的避免对地面城市交通及河道航运的影响;

( 3) 在如今追求品质生活城市里，如果有影响公民生活质量的事情发生时，那就绝对的不允许，而盾构法施工时充分的考虑了这方面的因素，它噪音小和展动小，从而引起的公害小;

( 4) 盾构所需的施工费用不受埋深深度的影响，而且其机械化与自动化的程度高。操作其设备的工人都是需要有专门的知识储备的人，所以需要的工人少;

但是，盾构法施工也有其缺陷 :

( 1) 当地铁隧道所处围岩是软硬相互掺杂、在掘进过程中可能随时脱落的巨大石头、岩体严重风化风化时，即使运用土压平衡敞—闭胸盾构，但不得不花大量的时间来处理，极其容易损坏盾构机的刀片等；

( 2) 盾构法只适合于简单的直线形，不能适用于如Z线、摆动线等复杂断面段施工；

( 3) 对于两隧道间间距较小的地段，利用双圆盾构法可以对其进行施工，但是由于这种盾构机在我国几乎没有使用经验，而且价格太贵，不经济。而且要请专门的技术人员来现场指导盾构工作更加的不经济；

( 4) 由于地铁隧道一般修建在城市中，具有大量的建筑物群，对于高层建筑物的深桩基础侵入地铁隧道地段，盾构机通过时必须进行对建筑物的桩基托换，或者其他行之有效的处理，其过程复杂且需要停工完成，所花费的时间太多，而且不得不考虑对高层建筑物整体的影响。当需要处理的桩基础较多时，矿山法施工更为简洁方便；

( 5) 盾构法还需要一定的地面工作场地进行竖井的施工。对于已经极度紧缺的城市资源来说，有一定的困难，而且可能会影响城市的正常交通等；

( 6) 新型盾构购置费昂贵，对施工区段短的工程不太经济；

(7) 工人的工作环境较差。而且工人在工作期间工人健康会受到严重的影响；

(8）需要专业的工作人员来操作盾构机，需要高昂的费用；

矿山法是为适应城市浅埋隧道（即地铁隧道）开挖而发展起来的一种施工方法，在大多数的文章里被称为浅埋暗挖法，但是也有一部分人还是以矿山法称呼。浅埋暗挖法沿用新奥法 (New Austrian Tunneling Method)基本原理，即建立强有力的初期支护，不需要围岩的“帮助”，二模衬砌作为隧道的安全储备，保证隧道的稳定和进一步的控制围岩的变形，并共同承受荷载。

矿山法的缺点是地表沉降难以严格的控制，当地表沉降难以控制时，在地表上的建筑物就会受到严重的影响，如果当地铁隧道不得不穿越国家保护建筑物时也许会危及保护建筑的安全，防水效果较盾构隧道差，并且当施工遇到软弱土层、砂层、断层破碎带时难以施工。但如果当周围环境条件允许，在地面和洞内共同加以辅助措施的情况下，矿山法可用于各种复杂地层的施工。

4 盾构法与矿山法结合施工的研究

在复杂的地层环境中，地铁隧道经常会遇到极硬岩、孤石群或上软下硬等不均匀地层以及建(构)筑物桩基基础等地下障碍物，若直接盾构通过，需进行盾构机刀盘改造浪费时间和工人的精力并在掘进过程中进行多次开舱换刀致使工程时间加长，施工风险及施工难度较大。若直接采用矿山法施工，在下部为硬岩，上部地质较差和较多建筑物群地段的超前地层加固费用大，同时水土流失和施工风险很大。

因此，在国内城市轨道建设实践中，将矿山法与盾构法进行结合设计得到了应用，该方法主要原理是初期开挖采用矿山法形式完成隧道开挖和初期支护，后期采用盾构空推通过。

5 结论

经过了以上的论述可以看出盾构法和矿山法各自的优势，但如果把两者结合起来，不仅在工期上得到了大大的提升，更是在经济效益上得到了显著的提高。

“盾构法+ 矿山法”结合施工法具有以下优点:

(1) 当遇到硬岩层时，对如果继续施工会对盾构机产生巨大损耗，所以采用矿山法中的钻爆施工法法开挖并及时喷浆施作第一次衬砌、首先预制好的管片和二次衬砌，充分的利用了矿山法和盾构法在不同的地层中的工作范围，并尽可能的考虑到了地面建筑物的安全和交通的畅通，发挥其优越性。

(2) 避免了盾构机在硬岩层、长距离的地层中施工对设备、刀具的磨损和意外破坏，复合型盾构和TBM 隧道掘进机造价昂贵，施工短距离隧道经济效益低。

(3) 城市地铁隧道前后都是通过盾构机掘进后拼装预制管片形成二次衬砌，所以整条隧道呈直线无其他线性，由此更可以使隧道内通风流畅有利于施工的高速有效进行。

(4) 由于盾构法结合矿山法施工中可避免很多之前单一施工法所遇到的问题所以更加快了施工速度、缩短了工期和显著的提高了经济效益。

针对城市里各种复杂的地层条件和各方面的要求，选用盾构法和矿山法结合施工，可以扬长避短，可达到良好的经济、社会和环境效益。

[1] 鞠海峰,徐志胜,张炎.地铁隧道孤石区段施工工法必选.[J].铁道建筑,2012（3）:65-67.

[2]习仲伟.对地铁区间矿山法设计施工的认识和建议.[J].地铁工程.2005:140-146.

[3]李茜.贺少辉.盾构法和矿山法联合建造地铁车站的可行性研究.[J].现代隧道技术.2004:123-128.

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1007-6344（2017）03-0047-01