城市轨道交通盾构法隧道施工工艺

曹吕兵

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙 410000）

1 城市轨道交通盾构法施工概述

盾构是一种具有保护罩的隧道掘进设备，其借助盾构衬砌的支撑点，在将设备支撑前进的同时，利用刀盘切割岩土并清理排出碎屑，同时拼装衬砌管片。盾构技术是指采用盾构机的护盾对隧道进行支撑，避免施工中出现涌水、渗泥、塌方等问题，切割土体后安装管片，最后注浆的一系列作业方式。

盾构法施工是城市轨道交通隧道建设中最常用的施工方式。要在全面了解城市轨道交通规划设计的基础上，利用明挖法在隧道一端建造基坑，在基坑中安装盾构机，之后再继续向开挖面进行掘进，但需保证挖掘宽度与装配式衬砌相同，该项工作完成后安装盾构反力架等设备，形成外部支撑，然后采用千斤顶将切口环向前方入土层推进，同步配合进行衬砌装配和地层开挖，最后在装配好的衬砌环上借助千斤顶推动盾构克服阻力进行连续掘进[1]。

2 工程概况

某市轨道交通4 号线起讫里程YDKl6+110～YDKl8+936.5，线路全长2826.5m，最小竖曲线半径3000m，最大坡度42.65%。区间线路间距12.7～15.7m，拱顶覆土7～50m。盾构法施工时，隧道中使用厚300mm、环宽1.5m 管片，管片采用错缝拼装，块与块、环与环间分别以12 根M24 环向螺栓和10 根M24 纵向螺栓连接。

3 盾构法对地铁施工的影响

3.1 正面影响

盾构法具有安全性高、隐蔽性好的优点，在整个施工过程中能最大限度保证隧道施工的安全。使用盾构法施工时，使用的设备不仅操作简单便捷，也能很好地提高施工效率。盾构机在工作时产生的振动和噪音较小，不会周边的居住条件造成较大影响。盾构技术具有较高的经济实用性，可在不同的地质条件中使用，若工程需要还可分阶段建设多车道隧道。

3.2 负面影响

施工时土体易发生变形，这主要是由于盾构遇到粘性土层时，土体极易发生变形或移位问题；在盾构向前推进的过程中，也会在一定程度上造成土体的水平位移，从而改变土体水平产生变形；某种情况下，盾构设备与土体间产生的摩擦也会引发土体水平位移。一旦发生水平位移，若得不到及时控制会引发安全问题，因此必须重视[2]。

4 盾构法掘进施工工艺

4.1 盾构机简况

本工程采用德国海瑞克生产的16280 土压平衡盾构机，此盾构机规格为：长11655mm，外径dp6260mm，盾尾内径+6060mm，盾尾间隙30mm。该盾构机主机部分由刀盘、推进系统、螺旋输送机、管片安装机等组成，配套辅助系统由控制、供电、注浆、水、通风、管片运输等系统组成。

4.2 盾构机掘进

4.2.1 盾构始发

本工程的始发台采用加固的钢结构形式，具有足够的强度和刚度，能承受盾构机320t 自重和推进时与土体间产生的摩擦力。此外，为增强始发台的稳定性，还要在始发台两侧以每隔2m 的距离加设20a 工字钢，保证横向支撑。本工程实际施工区段的洞门下方属于微风化泥质粉砂岩，为保证盾构机在重心脱出始发台后且掘进到达掌子面时不出现下降、倾斜等问题，盾构中心要比设计的轴线高20mm，反力架下倾1.2%，同时保证反力架平面与盾构机推进轴线间适中处于垂直状态。为保证盾构机在始发时保持良好的姿态，在安装反力架和始发台时，分别要将反力架的左右偏差、高程偏差、上下偏差控制在±10mm、±5mm、±10mm。同时，始发台水平轴线垂直方向与反力架的夹角不超过±2%，盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差应不超过2%，水平偏差应不超过±3%，具体见表1。

4.2.2 盾构机吊装

该盾构机具有尺寸大、质量大的特点，需分件吊装。使用250t 履带吊机完成设备吊装下井；若有翻身等其他工作或环节，还需一台90t 汽车吊机配合完成。

表1 右线始发台架定位检查数据

表2 三种掘进模式的主要工作参数

4.2.3掘进模式的选择及操作控制

通常情况下，盾构机的掘进模式被分为敞开、半敞开、土压平衡三种，不同的掘进模式具有不同的特点和特定的适用条件，具体如表2 所示。

（1）敞开式掘进。对于此类型的掘进模式，通常开挖室是不被加压的，这时刀盘挖出的物料会直接落在开挖室底部，再通过螺旋输送机排出，但此种模式只能在岩层自稳能力较好且能在刀盘上安装滚刀时使用。使用此掘进模式后，刀盘和螺旋输送机会高速运转，在提高破岩率和输送率的同时降低零部件损耗和动力消耗[3]。

（2）半敞开式掘进。此类型的掘进模式会为盾构机创造一个相对平衡的运行环境，这种模式下工作的盾构机和螺旋输送机均以平稳速度运转。但要注意将开挖室中渣土的高度和螺旋输送机入口保持平齐，以保证开挖室内部的空气压力。该模式介于土压平衡与敞开掘进模式之间，其能向刀盘前方和土仓内注入添加剂，加快排土速度，减少刀盘磨损，减少掘进动力的消耗。

（3）土压平衡掘进。土压盾构属于封闭式掘进方式，其比较适用于地层硬、含砂率高、含有砾石、液性指数大的土质，使用此种掘进模式后盾构机在推进过程中前端刀盘会旋转掘削地层和土体，使掘削下来的土体进入土舱。但此种方法使用时，要保证泥土压和掘削面上地层的土压、水压平衡，若出现不平衡的状态时可利用调节排土量的方式适当调整。

4.2.4 开挖监控

（1）限定压力。压力限定后可实现地下水压的平衡，防止因地下水大量涌入土仓而破坏刀盘稳定性；同时可平衡水平向的土压力，避免刀盘前方出现坍塌；最后可分担洞顶压力，防止沉降，减少对地面的危害。

（2）控制土压。在施工开始前，工人会在盾构机承压隔板的不同部位提前安装好土压传感器，其可将压力传输到控制室的监控屏上，操作人员以此数据为基础选择限定压力。

（3）控制挖方量。施工过程中要安排专人实时检查盾构机的开挖路径及排泥量，确保排出泥土未超量。

4.2.5 盾构机掘进控制

盾构机掘进作业开始前安排专业技术人员计算初设正面土压力值和压力值，计算时可参考隧道埋深、土层性质、地面超载等综合因素，一般情况下设定值是计算值的1.05～1.1 倍。在得到施工启动条件后依次开启皮带输送机、螺旋输送机和大刀盘，待三种机器运转稳定后再将千斤顶缓慢推进，待所有设备均按照计划推进时，盾构机会按照设计的正面土压力自动控制掘进速度和出土速度。盾构机运转正常后，显示屏会显示其行程、不同区域千斤顶压力、螺旋输送机转速、盾构扭转和俯仰等参数，操作人员要及时记录，结合仪表显示、测量资料、施工经验调整盾构机姿态和参数，确保盾构机按设计轴线进行掘进。

5 盾构机掘进过程中应注意的问题

（1）进洞时盾构施工参数计算。在进行盾构隧道开挖之前，要提前计算好各项参数，并尽快建立土压力平衡。开挖之前设置试验段，要认真分析、控制试验段收集到的数据。后期正式施工开始后及时总结和优化施工技术参数。

（2）推进速度。为确保盾构机推进效率和土体稳定性，在加强切割孔后方土体的同时保护刀盘中的刀具，并将初始速度控制在10mm/min。

（3）管片拼装。在拼装洞段管片时，既要确保间隙，还要保证装配质量，尤其要注意圆度、组装时间、管片连接螺钉及其拧紧度等。

（4）控制出土量。严格控制开挖初期的出土量。在土体加固范围内以控制开挖量为基础，结合各项参数严格记录出土量，一旦发现出土量超过设计值或标准值应立即上报并采取有效措施。

（5）注浆量。通常情况下，盾构机的尾部进入到土体的第一环到第三环时，注浆材料会被换成交强型并增加注浆量，避免洞口地面出现塌方和沉降。当盾构到达终端工作区后可逐步拆除设备，但也可结合施工现状选择穿越施工区继续向前。

6 结束语

总而言之，在跨入21 世纪之后，我国轨道交通行业正在大踏步前进和发展，盾构法是轨道交通建设中一项应用极为广泛的技术，如何高效运用此项施工工艺是技术人员需要认真探索的问题。作为现代社会的建设者要不断学习、实践、积累经验，不断完善和创新盾构法隧道施工工艺和施工技术，只有这样才能为盾构法隧道施工质量的提升和施工的顺利安全进行提供更有利的保证，为我国轨道交通事业的发展贡献更多力量。