隧道盾构施工技术发展趋势和应用研究

张德君

（中铁十一局集团第五工程有限公司，重庆400037）

1 引言

随着科学技术的不断发展，我国的隧道建设项目工程大力开展，既存在于南水北调、西气东输、西电东送、青藏铁路这样的大工程，也包含在地铁桥梁隧道等城市开发拓建项目之中。隧道施工与地面施工有着很大的差别，因而要因地制宜，采取不同的施工措施。盾构施工技术比较符合隧道建设施工环境，目前广泛应用于隧道施工中，是一种有很大发展空间的隧道施工技术。

2 盾构技术概述

2.1 盾构技术发展阶段

盾构技术的发展大致可以分为4 个阶段，分别为以Brunel 为代表的初期盾构；以机械式、气压式、TBN 为代表的第二代盾构；以闭胸式（泥水式、土压式）为代表的第三代盾构和以安全、高速、大深度及多样化为特点的第四代盾构。我国的盾构施工技术起步较晚，1950 年，辽宁阜新煤矿第一次应用了（手掘式）盾构技术施工[1～3]。

2.2 盾构施工技术的工作原理

盾构施工技术在施工过程中，通过旋转推动刀盘，击碎障碍物，使隧道一次成型，这种施工手段，就是盾构施工法。目前，这种施工技术具有简洁高效，并且安全可靠的优点，但是在刀具的使用、工程预测和施工技术方面也会经常出现错误。隧道工程的建设往往涉及大量资金的投入，较长的建设周期及诸多相关工作，因此，选择一条或多条备选方案尤为重要。

2.3 盾构施工技术的工作条件

盾构法施工技术，通常应用于隧道和地下线路的建设。一般处于在深处的松软含水地层工作。勘探建设的目标地点，需要有足够的纵深，覆土深度要大于6m，并且大于盾构直径。从经济角度出发，施工长度一般会有所规定，一次连续的施工作业不会小于300m[4]。

基于土力学原理，当达到土压平衡时，有：

式中，PC为土仓内压力；P0为土压力；PW为水压力。

2.4 土压力的计算

土压力主要分为静止土压力和主动土压力。

由于土体没有侧向移动，所以按照半无限体水平向自重应力的计算，静止土压力：

式中，K0为侧压力系数或静止土压力系数；酌为土的重度，kN/m3，水土分离时后按浮重度计算；z为计算深度，m。

当地面有超载的时候：

式中，q为地面超载。

2.5 水压力的计算：

水压力的计算一般采用的公式如下：式中，酌W 为水的重度，kN/m3。

2.6 盾构顶推力的计算

顶推力提够盾构向前掘进的动力，是盾构机的重要参数之一。支撑在支承环片上的盾构机千斤顶需克服盾构机向前推进的各种阻力，主要包括正面推进阻、侧壁摩阻力、切口环的贯入阻力、盾壳和管片之间的摩阻力、后方台车的牵阻力及盾构姿态变化（曲线转向、抬头和叩头推进）等产生的变向阻力等。计算公式如下：

式中，F1为正面推进阻力，kN；F2为盾构侧壁与周围地层的摩阻力，kN；F3为盾壳与管片间的摩阻力，kN；F4为盾构机切口环的贯入阻力，kN；F5为变向阻力，kN；F6为后接台车的牵引阻力，kN。

3 盾构技术施工形式

3.1 土压平衡式盾构

采用土压平衡式盾构进行作业因为地质的原因存在着一些局限性。在沙土、砾石地质中，由于摩擦面积较大，土质疏松，只通过密封土仓和螺旋输送机不能有效地使土压达到平衡，机组作业的稳定性不能保障。另外，沙土、砾石的地质中，地下水水路相对密集，不易施工。

3.2 盾构法隧道

盾构法归类于暗挖施工，作业时，一方面保持土质稳定，不发生塌方塌陷，另一方面，同时进行壁后作业。盾构的盾笼统的指刀盘、密封仓和维持稳定周围地质的“壳”。“构”是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体。盾构法常见于岩石地质的隧道工程，由于地质和岩体的性质不同，结构不稳定，盾构法的作业对地质周围的干扰较小，可以有效减少地质变型，施工效率更稳定。

3.2.1 盾构法施工的主要步骤

盾构法作业，在施工前要做好准备工作。隧道的起点和终端都要建设一个工作井，一个作为始发工作井，一个用做到达工作井。首先，建造起点工作井中的盾构设施，然后在拼装好管片环，安置在始发井后壁，妥善利用千斤顶产生的顶推力，使盾构设施从起点端开始工作向终端推进。

3.2.2 盾构法施工的优点

盾构法进行施工时，对外界的影响较小，可以有效地保障地面及周围的建筑不受伤害，受到外界的干扰（河流、季节、天气）也不会耽误工作效率，同时安全性更高。通过自动化的覆盖，盾构施工时切削、运土、砌拼管片时更方便，施工过程更简练，避免了多余的人工劳动，提升了施工作业效率。

4 隧道建设中盾构法存在的问题

4.1 地表沉降问题

盾构设施在隧道施工中，引起地面沉降的主要因素是盾构隧道与新地表不断接近，所以经常看到横向沉降槽。此外，侧向槽受地层次固结和纵向沉降位移曲线的叠加影响，与Peck曲线有相似的发展趋势。地铁隧道的施工过程受到地表沉降的变化有较大的影响，如顶荷载的增加、隧道净距和埋深的减小、围岩条件的恶化等，同时隧道周围的地下管线也会对地表沉降产生较大的影响。比如，地下管线主要是污水管线、煤气管线和自来水管线。另外，这些地下管线还造成了隧道施工环境水平面的分布屏蔽，隧道横截面沉降曲线分布呈正态分布。

4.2 地层损失问题

盾构施工带来的地表位移主要由盾构前方的地表位移、盾构施工穿越时的地表位移和盾构离场后土壤压实产生的位移3 部分组成。与之相比，盾构机前方地表位移的可能性较小，而盾构机挖掘结束后的土体固结持续数月才能确定，因此，盾构机施工时，会导致地表产生较大的位移，因而造成地层损失，同时影响到施工进度。

4.3 土体位移问题

引起土体位移的原因主要有3 个：（1）盾构前方土体的位移，但这种位移的可能性相对较小，主要是盾构机施工前方的土体压力与静止土压力基本相同；（2）盾构过程中土体的位移，因为盾构机通过地面时，其盾构、机尾间存在一定的间隙，通常会导致地面产生较大的位移；（3）盾构后的土体固结[5]。

5 隧道盾构施工技术发展趋势展望

5.1 优化开挖技术

为了提高地下盾构施工的效率，有必要完善开挖技术体系。保证测量结果的准确性，提高测量精度。在隧道工程施工中，隧道始终处于连续开挖的施工状态。通过采用人工检测、测量等方法不具备的技术优势的自动监测系统，可以对隧道施工过程中的隧道结构变形进行动态了解。在一些地质条件较差的地区，土压力平衡将导致隧道结构发生变化。通过改善和挖掘策略变化，在压力下保护工作面，以防止地面减少坍塌。

5.2 优化支护技术

在开挖的同时，第一个支架采用人工操作，采用复合涂层法，与喷射混凝土、钢弧形支架等结合部位，形成盾构支护结构，在此期间，初期支护应为柔性支护体的支护，应考虑潜在的不确定隐患，其位移幅度必须在允许值内。利用台车、现浇混凝土和第一支架共同起到承载地下隧道永久荷载的盾构作用，其下方可在保护层的保护下进行开挖和填盖，有效地保证了混凝土的密实度，提高支架的机械化覆盖和可操作性。

5.3 优化防水技术

在隧道施工中，利用盾构机对工作面施加压力，达到水压和土压力的平衡，可以有效地控制土层中的水分，避免水分渗入隧道。钢刷式盾构具有良好的抗渗性能，使用这种盾构机进行隧道施工可以避免地下水的渗入。对管片本身进行浸渍，然后通过管片外部防水涂料、管片接缝浸渍、接缝、二次进料等浸渍措施保证后续的施工作业。采用注浆技术，可以满足水密封的要求。

5.4 优化地下管线保护技术

地表沉降的有效控制可以保护地表建筑物和地下管线，包括更新盾构支架、改进盾构支架系统。根据技术实践灵活地进行地表压力的控制、和工作面的选择，做好地层荷载监测工作，实现地表沉降值的有效控制，优化壁后土块处理方案，有效解决注浆压力问题，提高掘进性能和工程进度，实现对地下管线和地表建筑物的有效防护。

6 结语

盾构法以其诸多优点在隧道施工工程中得到越来越多的应用。盾构法隧道施工具有安全，自动化程度高，施工速度快等优点，但盾构法在隧道施工时不可避免地会对周围环境（地表土质、地面建筑、地下水道、周围土质）造成影响。相信未来通过优化地下管线保护技术、防水技术、支护技术、开挖技术后，盾构施工在隧道工程中会更加可靠。