盾构技术的工程应用

郑爱武　陕娟

【摘 要】使用盾构技术进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，中铁某公司在西安地铁施工中，用盾构技术施工，不仅保证了工期，而且对周边建筑物和周围交通影响小，且有良好的经济效益。

【关键词】盾构技术；掘进；土压平衡；泥饼

【Abstract】Shield technology can be used in tunnel construction which has a lot of advantages： such as the high degree of automation， the saving manpower， the fast construction speed， making a hole for one time， not affected by climate， the controllable ground subsidence in excavation， the less impact on the buildings above ground， no influence on the traffic when digging under the water，etc. A China Railway Company not only ensures the construction schedule， has less impact on the surrounding buildings and traffics， but also receives good economic benefits by applying shield technology in Xi'an metro construction.

【Key words】Shield technology；Tunneling；EPB （earth pressure balance）；Mud cake

1. 工程概況

西安市地铁五号线一期工程（和平村～纺织城火车站）土建施工项目D5TJSG-2标段包含一站两区间，即一期工程起点～和平村站区间、和平村站、和平村站～阿房宫站区间。其中平村站～阿房宫站区间位于西安市昆明路与经二十五路十字路口处及昆明路与富源二路丁字路口之间，整个区间隧道沿昆明路下方偏南布设。区间隧道起讫里程为YDK21+851.921～YDK22+513.142，全长661.221m；主要采用盾构法施工。施工平面图图见图1

2. 工程地质及水文地质

（1）和平村站～阿房宫站区间场地地貌单元属皂河一级阶地。地形总体东高西低，地面高程约397.58～399.81m，最大高差2.23m。在深度50.0m范围内的地层主要为第四系堆积物，即由全新统人工填土（Q4ml），冲洪积（Q4al+pl）黄土状土、中砂、粉质粘土，上更新统冲积（Q3al）粉质黏土、粗砂及中更新统冲积（Q2al）粉质黏土和中砂等组成。地下水水位埋深13.9～17.1m，水位高程382.2～383.88m。覆盖层为第四系松散层，含水层主要为弱透水的黏性土夹砂层透镜体，潜水含水层厚度大于50m。

（2）区间地下水对混凝土结构具微腐蚀性，在干湿交替环境下对钢筋混凝土结构中的钢筋具微弱腐蚀性，场地水位以上土质对混凝土结构和钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。根据地质勘测报告，本标段无地裂缝通过。

3. 技术措施、技术参数的选取

拟建工程场地地震动峰值加速度为0.20g，按一般中硬场地考虑时，其特征周期为0.35s。

黏性土的渗透系数采用3～8m/d，砂类土的渗透系数采用20～25m/d，里程右CK22+135以西砂层较薄段综合渗透系数选用8m/d，里程右CK22+135以东砂层较厚段综合渗透系数选用12m/d。和平村站和阿房宫站的抗浮水位均为为394.0m，和平村站至阿房宫站区间的抗浮水位可按纵断面及地下水位变化趋势内插。根据盾构机和后方台车的长度以及管片与土体之间的摩擦力足以支持盾构机的正常掘进的推力要求，本标段初期掘进长度设定为100m。

4. 总体施工方案

（1）综合考虑地层情况，周边环境、施工场地、造价、进度等因素，拟采用土压平衡盾构技术。采用一台盾构机沿右线盾构，先由和平村站东端头始发，在阿芳宫站西侧接收吊出运至和平村站东端头组装再次始发，施工左线至阿房宫站西端头接收后吊出。

（2）盾构区间施工工序：后配套轨道铺设→吊装后配套→始发托架安装→盾构主机吊装→反力架安装→盾构组装、调试→破除洞门→始发掘进→拼装管片→同步注浆→二次注浆→成型隧道验收。

5. 盾构施工

5.1 盾构机始发与初期掘进。

盾构始发严格按照流程进行。初期掘进为盾构施工过程中严格控制推进速度20～30mm/min，土仓压力：0.06～0.11Mpa，注浆压力：0.15～0.2Mpa。

5.2 盾构掘进操作工序流程和控制程序。

通过初始掘进和初期掘进段的地基变形监测的结果确定在不同地质地层中盾构推进的各项参数的调节控制方法。测定和统计不同地层条件下推力、扭矩的大小；盾构机姿态的控制特点；同步注浆的参数和浆液配合比；同步注浆中容易出现的问题及解决方法；各种刀具的适应性等。选定相应的施工管理指标。

5.3 掘进工况模式的分类和特点。

盾构机对隧道工程的适应性除了表现在刀盘与刀具的适应性、碴土的流动性和止水性之外，掘进模式的适应性也是非常关键的。为了获得理想的掘进效果、保证开挖面稳定、有效控制地表沉降及确保地面建筑物安全，必须根据不同的地质条件选择不同的掘进工况。本标段全线采用土压平衡模式。

5.3.1 土压平衡工况的实现。

土压平衡工况掘进，是让切削下来的土体充满土仓形成土压，利用这种土压与作业面的水土压平衡。同时利用螺旋输送机进行与盾构推进速度相匹配的排土作业，掘进过程中始终维持开挖量与排土量的平衡，以保持正面土体稳定。

5.3.2 土压平衡模式技术措施。

（1）采用以齿刀、刮刀、鱼尾刀为主切削土层，以低转速、大扭矩推进。土仓内土压力值略大于静水压力和土压力之和，并在掘进中不断调整优化。

（2）土仓压力通过采取“设定掘进速度、调整排土量”或“设定排土量、调整掘进速度”两种方法来建立，维持开挖量与排土量的平衡，以使土仓内的压力平衡。掘进速度主要通过调整盾构推进力、刀盘转速来控制；排土量则主要通过调整螺旋输送机的转速来调节。在实际掘进施工中，根据地质条件、排出的碴土状态，以及盾构机的各项工作状态参数等动态地调整优化。

5.3.3 土压平衡模式下土压力控制。

土压力控制采取以下两种操作模式：控制排土量的“排土控制”模式。即通过土压传感器反馈，改变螺旋输送机的转速控制排土量，以维持开挖面土压稳定的控制模式。此时盾构的推进速度人工事先给定。控制进土量的“推进控制”模式。即通过土压传感器反馈，控制盾构千斤顶的推进速度，以维持开挖面土压稳定的控制模式。此时螺旋输送机的转速人工事先给定。

5.3.4 塑流化控制。

当切削土为粘结性泥土时，碴土仅通过刀盘切削搅拌和螺旋输送机传输，具有较好的塑流性，能满足土压平衡盾构的工作要求。而当切削土为含砂量超过一定限度的砂和砂粘土时，单靠刀盘搅拌和螺旋输送机传输，很难达到应有的塑流化状态，这时，一方面会造成出土困难，另一方面土仓内压力波动加剧，这将直接影响开挖面土体的稳定。可通过设在刀盘上的喷口向前方土体注入泡沫剂或膨润土浆的办法改良碴土。泡沫剂不仅具有改良碴土的效果，还具备减小刀具与土体间摩擦力的作用，能有效提高掘进效率。推进时，刀盘扭矩是随泥土塑流化状态以及盾构推力的变化而变化，所以盾构掘进时，通过泥土塑流化控制，把刀盘扭矩和盾构推力始终控制在设定的基准值以下进行正常的操作控制。

5.3.5 土压平衡模式下保持掘进面稳定的措施。

（1）通过压力传感器来控制压力。掘进过程中要始终关注土仓压力传感器，当其显示比设定值大时，调高螺旋输送机出土速度，降低土仓内压力，相反则调低出土速度。

（2）土压力的判定与控制是一个多因素综合兼顾的过程，不仅是出土速度，还要对泡沫剂（膨润土）的使用、维持稳定土压所需要的推力、刀盘扭矩的变化情况等因素进行综合考虑。盾构的推力在最大设计推力的40%左右为正常。

5.3.6 盾构掘进方向控制和调整。

由于地层软硬不均、隧道曲线和坡度变化以及操作等因素的影响，盾构机推进不可能完全按照设计的隧道轴线前进，而会产生一定的偏差。当这种偏差不能及时纠正，持续增加到超过一定限界时就会使隧道衬砌侵限。表现为管片拼装困难，盾尾间隙不均匀，单侧盾尾间隙变小乃至消失，管片局部受力恶化，常会造成管片裂缝或挤压崩碎等问题。因此，盾构施工中采取有效技术措施控制掘进方向，及时有效纠正掘进偏差。

5.3.6.1 盾构掘进方向控制。

（1）根据线路条件所做的分段轴线拟合控制计划、导向系统反映的盾构姿态的信息，结合隧道地层情况，通过分区操作盾构机的推进油缸来控制掘进方向。

（2）在上坡段掘进时，适当增大盾构机下部油缸的推力和速度；在下坡段掘进时，适当增大盾构机上部油缸的推力和速度；在左转弯曲线段掘进时，适当增大盾构机右部油缸的推力和速度；在右转弯曲线段掘进时，适当增大盾构机左部油缸的推力和速度；在直线段掘进时，尽量使所有的推力和速度保持一致。

（3）在均匀的地质条件时，保持所有油缸推力和速度一致，在软硬不均的地层掘进时，根据不同地层在断面的具体分布情况，遵循硬地层一侧推进油缸的推力适当加大，软地层一侧推进油缸的推力适当减小的原则。

5.3.6.2 盾构掘进姿态调整与纠偏。

在实际施工中，由于地质突变等原因盾构机推进方向可能会偏离设计轴线并超过管理警戒值；在稳定地层中掘进，因地层提供的滚动阻力小，可能会产生盾体滚动偏差；在线路变坡段掘进，有可能产生较大的偏差。所以施工过程中采用分区操作盾构机推进油缸调整盾构机姿态，及时纠正偏差，将盾构机的方向控制调整到符合要求的范围。变坡段施工时，可利用盾构机的超挖刀进行局部超挖来纠偏。必要时可利用盾构机的中盾和尾盾的鉸接油缸进行盾构机的姿态调整，纠正偏差。

5.3.7 掘进中的碴土改良与防泥饼措施。

在粘性大及复杂地层的盾构施工中，根据地层条件适当注入添加剂，确保碴土的流动性和止水性，同时要慎重进行土仓压力和排土量管理。

（1）碴土改良的主要技术措施。

根据本标段的地质条件和盾构施工的经验，在含水地层采用土压平衡模式掘进时，拟采取向刀盘面、土仓内和螺旋输送机内注入泡沫或膨润土，并增加对螺旋输送机内注入的泡沫量，以利于螺旋输送机形成土塞效应，防止喷涌。在砂性土地层中掘进时，拟采取向刀盘面和土仓内注入泡沫来改良碴土。泡沫注入量根据具体情况确定。在块状结构地层中掘进时，由于掘进对地层的扰动，不易形成连续的土压，为此采取向刀盘面、土仓和螺旋输送机内注入泡沫和浓度高的膨润土泥浆来改良碴土，维持土仓内土压平衡。

（2）防泥饼措施。

盾构主要穿越的地层有黄土、砂层、古土壤和粉质粘土等，而由于盾构机刀盘自身的制约，盾构掘进时可能会在刀盘尤其是中心区部位产生泥饼，当产生泥饼后，掘进速度急剧下降，刀盘扭矩也会上升，大大降低开挖效率，甚至无法掘进。所以施工中应加强盾构掘进时的地质预测和泥土管理，特别是在粘性土中掘进时，更加密切注意开挖面的地质情况和刀盘的工作状态。必要时增加刀盘前部中心部位泡沫注入量和选择比较大的泡沫注入比例，减少碴土的粘附性，降低泥饼产生的几率。必要时螺旋输送机内也要加入泡沫，以增加碴土的流动性，利于碴土的排出。必要时采用人工进仓处理的方式清除泥饼。

（3）防涌水、涌砂和坍塌措施。

在砂层及粉质粘土层掘进时，刀盘所受扭矩及推力大大增加，此时盾构掌子面土体很不稳定，易发生涌水、涌砂，坍塌等情况。在砂层中施工时，由于砂层中空隙较大，同步注浆压注量比一般土层要多，注浆效果以注浆压力为管控手段。砂层土体含水量大，盾构掘进时碴土和易性较差，掌子面土压平衡模式难以控制，一般采用刀盘正面和土仓内加注泡沫或膨润土改善土体的塑流性，同时泡沫剂或膨润土的加入有助于降低刀具与开挖面之间的摩擦。在穿越砂层时，为使泡沫达到理想效果，泡沫注入压力设定为比土压力稍大一些。同时保证盾构连续施工，快速通过。对于盾构推进过程中的防涌水、涌砂控制，主要采取压注膨润土浆液、及时同步注浆以及加强预测预报等方法，快速均匀地穿过富水砂层。

5.4 盾构隧道注浆施工方法及技术措施。

（1）由于开挖直径与管片外径的差异，当管片脱离盾尾后，在土体与管片之间有一道环型空隙。同步注浆的目的是为了尽快填充环形间隙，使管片尽早支撑地层，防止地面变形过大而危及周围环境安全，同时加强管片外防水并使隧道整体受力。在同步注浆结束，隧道成形后若发现地面沉降仍有加大的趋势，或局部地层较软、同步注浆量不足时，可通过管片中部的注浆孔进行二次注浆，二次注浆还可起到加强堵水的作用。

（2）根据盾构施工经验选择同步注浆砂浆的配比。结合地层条件、地下水情况及周边条件等，通过现场试验对配比进行优化确定。

5.4.1 注浆时间和速度。

在不同的地层中根据不同凝结时间的浆液及掘进速度来具体控制注浆时间的长短。做到“掘进、注浆始终同步，不注浆、不掘进”，通过控制同步注浆压力和注浆量双重标准来确定注浆时间。同步注浆速度与掘进速度匹配，按盾构完成一环掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度。

5.4.2 注浆压力、注浆量。

（1）注浆压力。

注浆压力略大于该地层位置的静止水土压力，同时避免浆液进入盾构机的土仓中。

最初的注浆压力是根据理论的静止水土压力确定的，在实际掘进中将不断优化。一般而言，注浆压力取1.1～1.2倍的静止水土压力，最大不超过3.0～4.0bar。

由于从盾尾圆周上的四个点同时注浆，考虑到水土压力的差别和防止管片大幅度下沉和浮起的需要，各点的注浆压力将不同，并保持合适的压差，以达到最佳效果。在最初的压力设定时，下部每孔的压力比上部每孔的压力略大0.5～1.0bar。

（2）注浆量。

建筑空隙填充体积理论上控制在135%～170%之间，即每环管片注浆量约在5.5～6.9m3之间。施工过程中，还需根据实际注浆情况积累数据，随时对注浆量加以调整。

5.4.3 二次注浆。

考虑到环境保护和隧道稳定因素，盾构机穿越后一段时间内，仍需对地面沉降及隧道变形情况进行持续监测，如沉降和变形接近控制预警值，则说明同步注浆有不足的地方。应通过管片中部的注浆孔进行二次补充注浆，补充同步注浆未填充部分和体积减少部分，从而减少盾构机通过后土体的后期沉降，减轻隧道的防水压力。同时对盾构推力导致的浆液与管片、围岩之间产生的剥离状态进行填充并使其一体化，提高止水效果。

5.5 盾构隧道防水施工方案及技术措施。

本标段盾构法区间隧道防水等级为二级，结构不允许漏水，结构表面可有少量的湿渍。

盾构区间防水工作以采用高精度管片为前提，混凝土自身防水为根本，管片接缝防水，区间隧道与工作井、联络通道接头防水为重点，确保区间隧道整体防水性能。

5.5.1 管片结构自防水。

为达到管片混凝土的自防水，管片混凝土采用高抗渗高强度C50等级的混凝土，抗渗等级为P10，同时严格控制混凝土的密实度、抗裂性和制作精度。严格控制施工过程中的各种变形。

图2 管片接缝防水示意图

5.5.2 管片接缝防水。

为防止管片的接縫部位漏水，在管片外侧设置弹性密封垫，采用多孔型三元乙丙弹性橡胶止水条并在表面采用复合遇水膨胀橡胶，在千斤顶推力和螺栓拧紧力的作用下，管片间的三元乙丙弹性橡胶止水条的缝隙被压缩，起到防水的作用。

施工过程中加强施工监测，提高盾构掘进质量，减少隧道轴线的偏差和纠偏力度，给管片安装创造良好的前提。加强管片拼装施工管理，提高拼装质量，进一步提高对接缝部位的防水效果。注意提高背后压浆质量，减少管片沉降，有利于长远防水。图2为管片接缝防水示意图。

参考文献

[1] 《建筑基坑工程技术规范》（JGJ94-2008）.

[2] 《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）.

[3] 《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T23-2011）.

[4] 《湿陷性黄土地区建筑基坑工程安全技术规程》（JGJ167-2009）.

[5] 《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）.

[基金项目]陕西省教育厅基金资助项目（17JK0370）

[文章编号]1619-2737（2018）01-18-636

[作者简介] 郑爱武（1968-），女，籍贯：陕西西安人，职称：副教授，主要从事土木工程的研究和应用。