地铁工程土压平衡式盾构施工技术分析

陆 云

上海建科工程咨询有限公司，上海 200032

1 土压平衡式盾构的原理和特点

1.1 原理

在土压平衡式盾构施工环节，经过刀盘切削处理之后所形成的渣土材料会经过刀盘的进口直接传输到土仓结构内部，然后经仓内的部件通过搅拌等方式处理后成为流塑状，盾构设备中油缸所造成的推力经过隔板、土仓中渣土与单盘传输到设备前部的掌子面中，保证该位置上的土压与地下水压力处于平衡的条件下，掌子面会时刻保持稳定性，然后经过螺旋机深入土仓中就能够转动进行排土处理。具体的结构原理见图1。

1.2 技术特点

土压平衡盾构是应用设备将切削下的渣土进行改进处理，形成流塑的形式，可以保证土仓的压力达到要求并进行开挖结构的支撑处理。该环节处于时刻的动态条件下，一方面能够应用刀盘实施切削处理，另一方面螺旋机能不断出渣，螺旋机在出渣和保压动态阶段通过叶片结构能够确保保压的压力在规定范围内，尤其是在施工中如果存在较高的水压状态，渣土会在短时间内被稀释，导致压力快速下降，而且在土压压力升高的情况下，刀盘的搅拌阻力也会相应地升高，一旦超出主体驱动结构的扭矩就会导致其产生堵仓的问题。因此，虽然土压盾构的优势明显，但是尽量不要应用到江河湖海等条件下的隧道施工项目，否则将产生不利的效果。

2 工程概况

某地铁隧道施工项目中，盾构施工方式的总体长度为3399单线延米，盾构施工的区域范围内经过2台盾构设备同时开始掘进施工作业，某个路段的部分采用的是从东北一侧出发进行，在经过该部位的贯通处理之后就可以利用矿山法的方式进行掘进吊出施工。该项目里程：左线单线长度为1963.88m，右线单线长度为1435.48m。

3 土压平衡式盾构施工的技术要点

3.1 选择符合工程要求的盾构机械设备形式

在实际的设备选型中，应该遵循以下要点：（1）使盾构机的开挖尺寸满足工程中的断面设计尺寸的要求；（2）保证盾构机开挖施工范围内的地质条件满足使用的需要，有效减少可能产生的沉陷等问题，保证开挖施工作业达到安全性、稳定性的标准；（3）结合盾构机的技术参数在制造前进行全面的计算，并紧密结合盾构区间的地质条件进行深入分析；（4）保证盾构机使用寿命符合要求，各个部件及施工的里程都要达到工程的标准要求，还要满足预算的要求，最好是采用寿命较长的设备进行施工。

3.2 灵活运用合适的端头及盾构加固技术

从实际情况分析，盾构开端到末端周围地层稳定性不足，通常来说该位置上分布着透水性较强的松散砂土、含水黏土等，如不采取有效的措施进行处理，在凿除洞门维护结构后将可能出现土体或地下水的下陷问题，无法保障建筑物的安全性。因此，在端头加固的过程中，需要使加固之后端头的自立性、防水性与强度性能满足规范要求，从而为整个盾构施工的安全性、可靠性提供良好的基础。

在地铁施工项目的地质条件比较差的情况下，可以进行必要的洞口加固处理，有效预防施工中的沉降或塌陷等严重问题，如可以在施工中利用深层搅拌法、注浆法、加固法等作业方式开展全面的地铁工程的盾构加固施工。在施工中，要根据不同的加固施工要求、目标，土体结构性质与类型、土体深度尺寸等选择最佳的处理方式，但要确保土体强度达到适中的要求，保证各结构部分都有一定的自立性与防水性，同时还应该根据技术方案的要求做好土体强度加固施工的计算、验证和分析，做好端头部位的加固施工和土体取样处理，保证各结构部分的性能合格。

3.3 运用科学合理的盾构掘进技术

盾构掘进施工环节，应根据工程的需要采取科学合理的盾构初始掘进作业方式，具体包含如下两种：（1）科学合理地应用化学注浆、高压喷射注浆等作业方式实施地层部分的开挖与加固施工，保证其开挖部位的地下水压力时刻保持平衡的状态，使盾构机可以直接插入稳定地层结构中；（2）在开挖面的位置进行挡土墙结构的施工，且需要及时进行开挖作业施工，从而避免在施工中产生土体结构崩溃等严重问题。

利用以上两种施工作业方式可以使竖井挡土墙形成双层的稳定结构，还可以直接开挖形成另外一个竖井的结构，避免在开挖施工之后产生土体结构崩溃的问题。此外，水泥加固土墙的施工方式也较为常见，应用效果较好。一般来说，盾构掘进施工方式比较多，但是要选择符合工程实际需要的方式，以提升加固施工的效果。但是在地铁工程施工环节，由于岩石具备不稳定性特征，在工作面上经常会出现大量涌水。考虑涌水问题带来的不利影响，可以通过旋转土压平衡模式进行施工，控制作业面的土压及水压，使其处于平衡状态。需要注意的是，在盾构掘进模式的选择上，需要按照项目的变化情况进行选择，使地铁工程的土压得到有效控制，从而保证项目作业的安全与质量。

4 特殊地质条件下的施工要点

4.1 砂质、淤泥地质条件下的施工要点

一般情况下，地铁项目在实施环节都会遇到冲击砂层或者淤泥质地层的结构条件，这些地质条件的主要特点是稳定性不足、承载力比较差。因此，这种地质条件下的盾构作业施工应该注意以下四个方面的问题：（1）应根据需要通过土压平衡式盾构技术做好土量的管理和控制，保证土仓内的压力符合标准的要求，有效预防出现地表沉降等严重的问题；（2）在具体的推进施工环节，要合理地增加必要的施工材料，有效改善渣土材料的性能，避免出现涌水流砂、喷涌等事故问题；（3）要做好盾构路线的研究和确定工作，防止发生盾构抬升的问题；（4）不断进行技术改革与创新，提高盾构施工的技术水平和工程质量。

4.2 球状风化地层条件下的施工要点

从盾构施工的实际情况来看，球状风化层地质条件下的施工质量难以得到保障，并易造成施工设备损坏，因此在该地质条件下应做好以下工作：（1）做好施工前的地质勘探工作，及时了解风化岩的具体情况，结合具体的状态选择最佳的实施方案，以保证深孔爆破的施工方式可以顺利进行；（2）及时检查地铁盾构施工的具体情况，一旦发现异常情况，应立即检查设备和施工环境，然后进行必要的整改和处理，以提升施工质量；（3）进行必要的风化岩周边软土层的加固处理，保证结构的稳定性合格，确保掘进作业施工速度科学合理。

4.3 不均匀地质条件下的施工要点

在施工中难免会遇到不均匀的地质条件，主要是土层硬度相对较差，具有一定的复杂性，这种情况下对设备的要求是很高的，具体施工时需注意如下施工要点：（1）要深入现场进行地质勘察与分析，充分了解地质条件和实际情况，分析受力特点等因素；（2）要进行土压平衡模式的使用情况分析和研究，如有必要，可加入必要的材料以提高渣土材料的综合性能；（3）综合分析和了解软硬地层的分布状态，然后灵活使用超挖刀与千斤顶并做好技术参数控制，消除不均匀地层条件下的不利影响因素。

4.4 断裂带地层条件下的施工要点

断裂带地层条件下盾构作业施工最为明显的劣势就是涌水事故频发，并且会产生比较多的岩块，极易使螺旋输送机产生堵塞的情况。同时，因为这种地质条件下岩土硬度较高，所以盾构机需要选择具备较高破岩能力的设备。该类地质条件下的施工应注意以下问题：（1）选择使用具备较高破岩能力的单刃滚刀设备进行开挖作业施工；（2）充分利用泥水与泡沫等材料，将其直接注入土仓结构，可以有效地减少堵塞、涌水等问题。

5 结束语

综上所述，在地铁工程中应用土压平衡式盾构施工技术时，可利用设备进行盘旋切削的作业方式将开挖之后的土砂直接传输到土仓的空间中，然后运输到设备的后部空间。这种方式可以加速施工，保障施工达到安全性、稳定性的标准，从而确保隧道工程的质量合格，不会产生严重的安全事故，具有较高的经济及社会效益。