城市轨道交通盾构法隧道施工技术研究

段耀伟

（太原轨道交通集团有限公司，山西太原 030031）

0 前言

随着我国基础建设的加强和科学技术的进步，盾构法除了在西气东输、南水北调和西电东送等国家级重大工程中得到广泛应用外，也在城市建设中大展宏图，如城市综合管廊、城际轨道及城市轨道交通等项目中。传统人工挖掘、明挖和暗挖等施工方法很难适应隧道的复杂施工环境及高速发展的城市规划需求，因此盾构法在隧道施工得到广泛的应用，且有较大的发展空间。

1 盾构法技术简述

1.1 盾构发展史

盾构技术由来已久，自1818 年始至今可大致分为四个时代。初期盾构时代是指法国人布鲁诺尔（Brunel）发明并使用盾构开挖伦敦泰晤士河水下隧道的盾构使用时代。二代盾构时代是指英国、日本和德国发明并率先使用的以机械、气压和TBM 为代表的盾构使用时代。三代盾构时代是指以泥水式盾构和土压式盾构为代表的闭胸式盾构使用时代。现在是四代盾构时代，是以安全、高效和信息化集成式为代表的盾构使用时代[1]。

1.2 盾构法施工的技术原理和工作条件

1.2.1 技术原理

盾构法施工的优点明显，如施工技术安全、高效等。但其缺点也不容忽视，在工程前期勘探和测量、施工方案和技术选择、刀具的选择和使用以及资金投入方面等方面都需要特别注意并慎重比较选择。

1.2.2 工作条件

盾构法施工在原则上适用于松散含水、并相对均匀的地质条件。因此在施工前的勘探和测量阶段，需要有足够的勘察深度做技术支撑，其覆土深度至少达到6m，且必须能够覆盖盾构的直径。为了合理有效地控制预算，一般规定盾构法施工的单次施工连续作业长度长于300m。

2 盾构法技术施工形式

2.1 盾构法隧道

盾构法是暗挖施工法的一种，其“盾”是指刀盘、密封舱和稳定周围地址的壳体；“构”是指隧道成型后架设的衬砌管片和壁后注浆体。盾构法隧道施工优点明显，对隧道周围地址的干扰较小，地质变形较少，因此盾构法隧道施工多用于复杂或多种地质和岩体条件的隧道工程中，且其施工效率有较好的保障。

2.2 土压平衡式盾构

土压平衡盾构是盾构施工方式之一，其因占用地面场地较小、推进模式多样、地层适应能力较强、安全系数较高的优点也成为当今盾构施工的主流。土压平衡盾构即其前端刀盘旋转掘削地层土体，切削下来的土体进入土舱。当土体充满土舱时，其被动土压与掘削面上的土压、水压基本平衡，使得掘削面与盾构面处于平衡状态即稳定状态。基于土力学原理，当达到土压力平衡时，可计算得出土仓内压力，其计算公式如式（1）所示。

除了土仓压力外，也要精确计算作为盾构机重要参数之一的顶推力，顶推力可以看做是克服所有掘进阻力的总和力。可以将顶推力简要理解成正面推进阻、侧壁与周围地层的摩阻力、盾壳和管片之间的摩阻力、切口环的贯入阻力、后方台车的牵阻力及盾构姿态变化如曲线转向、抬头和叩头推进等产生的变向阻力的数量总和。计算公式如式（2）所示。

2.3 盾构法施工的优点

盾构法施工的优点明显，分别为：①安全性较高，盾构法施工节省人力、工作环节少，因此有较高的安全性。②对外界扰动较小，能有效保证地面建构筑物稳定。③自动化程度较高，工作时切削、运土、砌拼管片等工作环节方便、高效。④由于自动化程度高，节省人力和资金，且盾构法施工很难受限于天气环境，其工期比较稳定，工作效率较高。

3 盾构法施工技术难点及应对措施

3.1 在软土地层施工时刀盘泥饼形成

盾构机在软土地层中施工，极易形成刀盘泥饼，刀盘泥饼极易堵塞刀盘开口，造成土仓压力不稳，进而导致掘进速度受到很大影响，施工速度减缓，影响工作效率和工期。防止结泥饼主要从盾构机的设计、合理的施工方法和添加剂的使用等方面进行综合考虑。完好刀盘，如图1 所示。

图1 完好刀盘

（1）在盾构机选型方面，如遇到粘性土层等易结泥饼地质则可选用开口率较大的刀盘，可在刀盘背面适当增加主动搅拌棒，设置高压水枪。

（2）在施工过程中，操作人员要实时、严密地对工作数据进行监测、记录和分析，适当控制掘机速度，适当加大盾构机的推力和扭矩并加大螺线输送机扭矩。

（3）合理使用添加剂如泡沫剂，保证渣土改良效果，并根据地层水量合理地添加水。

3.2 在硬岩段地层施工时刀具损坏

盾构施工过程中，如遇花岗岩、片麻岩等硬岩质或中、微风化的岩石等高强度岩石，会对刀具有较大影响或破坏。一般坚硬岩等硬岩质Fr＞60MPa，挖掘时会导致在盾构施工的前进方向掘进难度很大且掘进速度较慢，侧面受到阻力较大，加之掘进方向的正面阻力共同影响，极大的增加了盾构刀具的损耗[2]。

（1）根据不同的施工作业环境灵活调整工作参数。例如施工进程中由软土施工地层掘进至硬岩段地层的施工地层时，对盾构机进行全面检修，设置合理的推进参数，充分利用围岩稳定性，采用半敞开式或敞开式掘进。控制刀盘扭矩，避免刀具异常损坏。

（2）在不同的施工区域配备不同的适配刀具。在即将进入硬岩地层时要及时更换已受损的刀具，增加滚刀数量，配置耐磨性、抗冲击力强的刀具，提高破岩能力。

（3）在推进过程中设置合理的碴土改良参数，充分润滑刀具，降低刀具磨损率。

（4）合理纠偏盾构机掘进姿态，禁止急纠姿态，勤开仓检查，控制周边刀磨损量，避免盾体卡死。

（5）根据施工区段合理规划换刀位置，根据地质勘结果测提前选择换刀位置并筹划换刀方案。

3.3 孤石地层对盾构法施工的影响

盾构法施工时如遇孤石地层，容易产生的影响如下：①容易磨损刀具，增加工作危险性，影响作业进度。②刀盘受阻力较大会发生变形，如遇变形则很难开展后续换刀作业。③刀盘受阻力影响会连带主轴承增大负荷量，易发生变形。④孤石地层中的漂石增大施工作业偏离既定路线的风险，影响施工安全、质量和工期。⑤如果较小的孤石进入土仓，螺旋输送机无法排除就会导致轻则会卡死活卡断螺旋输送机、重则会使土层压力急剧上升，扰动地层造成地层失稳。

盾构掘进前对沿线孤石分布情况进行补详细勘察，对发现孤石的孔位，进行加密补钻，探明孤石的分布及大小情况。如果地面不具备处理条件，则采用洞内处理法，以快速钻孔埋药爆破为主要处理方法，若地层稳定性不理想，也可辅以注浆加固或带压作业等方法先将地层稳定后，再用爆破将孤石破碎。

3.4 上软下硬地层对盾构法施工的影响

在实际施工环境中，地层和地质条件几乎不可能单一。其中上软下硬地层的地质结构要相对复杂，其上部地层多为淤泥层或砂层，而下部地层又多为硬质岩层，两种地层的地质差别巨大。含水量大、稳定性差且其自稳性极差的地质，属于复杂的施工环境。在盾构法施工挖掘时极易发生坍塌、涌水、涌砂等不良情况且地面沉降明显。在上软下硬地层中施工，盾构刀盘在旋转切削动作时会对周围地层产生影响，导致周围地层结构稳定性难以保证，进而更容易发生坍塌。

该种地段全部采用土压平衡式进行掘进，采用合理的推进参数，严格控制推进速度，保证土仓的平衡压力的控制，在推进中和停机时保持土压的基本平衡，不要出现过大的波动。在该地层掘进中时，要及时检查和更换刀具。刀具的磨损程度可以通过施工参数的变化作出初步的判断。在施工中如果出现速度小、扭矩也偏小，盾构机姿态纠正很难时，就要考虑刀具是否磨损严重，安排开舱检查刀具；如果连续出现刀盘或螺旋机被卡住，驱动电机熄火时，就立即停机检查；如果从渣土中出现有不是均匀的碎片石，而是大块的石头时，可能是滚刀损坏，应立即停机检查。有条件时，在不超过20 环就对刀具进行一次大检查。总之在软硬不均的地层中掘进时，在掘进过程中要随时监测刀具和刀盘的受力状态，确保其不超载并观测刀盘是否处于受力不均，以防止刀盘产生变形。如刀盘卡住，可回缩刀盘预以调整，然后重新掘进。必要时，在检查前方掌子面地质条件稳定时，对于磨损或偏磨严重的刀具开舱进行更换

3.5 盾构区间施工喷涌风险

盾构区间施工喷涌风险在盾构区间穿越砂层时，尤其是盾构机通过砂层地段时极容易发生喷涌。造成喷涌的原因大体可分成3 类：①透水性好的围岩中，弃土的和易性不好，水和土处于分离的状态。②围岩稳定性好的地层中施工，注浆效果不好，隧道外侧形成了水的通道，这部分地下水聚集至密封舱中造成螺旋输送机喷涌。③喷涌与结泥饼共生。一类状态下的喷涌可通过添加剂改善弃土和易性来解决，二类可通过二次注浆控制隧道外地下水来解决。

（1）必须严格采取土压平衡模式掘进，保持土仓压力平衡于工作面的水土压力，以防止工作面的塌坍涌水，土仓压力保证在理论计算的水土压力以上，并随时根据地面监测结果进行修正。

（2）在工作面保压掘进的情况下，在土仓内辅以压缩空气，以保证平衡工作面的土压。

（3）在砂层中掘进时添加泡沫以减少渗漏，加强工作面的密封性，同时提供土壤的良好黏聚力。

（4）当砂土进入土仓时，则加注一定溶度的水密性聚合物，改善渣土的和易性，防止因盾尾密封不好而发生涌水、涌砂的现象。

（5）盾构机在穿越砂层时，严密监视和分析渣土成分的变化。

（6）严格进行同步注浆，保证注浆效果，及时对盾尾密封刷填充足够的油脂以保盾尾的密封性。

（7）提高监测频率，及进反馈信息，并根据反馈的信息对盾构机掘进参数及同步注浆量进行必要的调整。

（8）在砂层段进行补充勘察，进一步查实地质情况。

3.6 地面建（构）筑物的影响

盾构法施工在掘进过程中对周围土体的扰动易导致地层失水，进而造成沉降。周围建构筑物因土体沉降易下沉或开裂。应对措施是对影响范围内的建构筑物做分级保护，相应采取不同的保护措施。首先是保护盾构法施工隧道结构边线外扩10m 范围内三层以上的重要建筑物，应在施工前做好鉴定工作并预埋注浆管，施工中严密检测影响情况并及时补偿注浆。同时严格控制掘进速度、土压力和开挖面的稳定以减少土层损失和对周围土体的扰动。其次是保护盾构法施工隧道结构边线外扩20m 范围内三层以上和线路中心线外扩50m 范围内六层以上的一般建筑，在施工时根据监测数据情况及时调整施工参数和盾构姿态，保证速度均匀和掘进状态稳定。同时也要根据监控数据的情况调整注浆量和压力，适时完成注浆作业，确保建构筑物的沉降范围能够控制在10~30mm 的可控变形限值以内。

4 盾构法在隧道施工中存在的问题

4.1 地表沉降问题

在盾构法施工中容易造成沉降问题的原因有两个：①随着盾构掘进逐渐接近地表而产生横向沉降槽。②横向槽受到地层次固结和纵向沉降位移曲线的叠加影响，其发展趋势与Peck 曲线类似。此外，在实际施工中，特别是城市轨道交通的地铁施工中，顶荷载的变化、隧道的净距和埋深的变化以及周围土体、岩体地质条件的变化加之城市中地下管线如污水管线、燃气管线等交杂，都会加大盾构法施工的难度，影响施工环境水平面作业[3]。

4.2 地层损失问题

盾构法施工容易导致地表发生位移，进而造成地层损失，从而影响施工难度和进度，其造成的地层损失问题有3 个：①盾构法施工前进方向的地表位移。②盾构法施工掘进中地表位移。③盾构机离场以后，土体压实后产生的位移。三个方向位移量相比而言，盾构法施工前进方向的地表位移量和发生的可能性是最小的。盾构机离场后，土体压实以后产生的位移需要数月时间才能最终确定。

4.3 土体位移问题

土体位移和地层损失的原因类似，其主要原因有3 个：①盾构法施工前进方向的土体位移，但因盾构机施工前进方向的土压力与静止土压力基本相同，故而此种位移的位移量和可能性都不大。②在盾构施工中造成的土体位移，由于盾构机通过地面时存在盾构和机尾见的夹角间隙导致的较大土体位移量。③盾构法施工结束后盾构离场造成土体沉降的位移。

5 盾构法隧道施工技术发展趋势

5.1 优化开挖技术

优化开挖技术能够有效提高盾构法施工的工作效率。先进的监测技术和自动监测系统能够保证数据的准确性和测量数据，并可以整合人工监测数据和施工中的动态监测数据、行进简要分析，为选择最优施工方法提供现实依据。尤其是在地质条件差的施工区域，通过动态监测隧道结构变形情况和数据分析报告，选择最优开挖技术以保护工作压力下的工作面，最大程度地减少坍塌发生的可能性。

5.2 优化辅助技术

盾构隧道施工并不是单一的技术工法，随着日渐成熟的工法及项目的多变性，衍生出了很多辅助技术。例如土压平衡盾构钢套筒始发、盾构分体始发、冻结法加固换刀技术、豆粒石加固换刀技术、WSS 注浆加固开仓技术等等一系列辅助技术。新的辅助技术不但能弥补盾构本身的缺陷也使盾构法能在如今高速发展的市场需求中与时俱进，能更高效、更安全、更便捷的为高速发展的基础建设添砖加瓦。

5.3 优化防水技术

为尽量避免水分渗入影响盾构法施工的安全，需利用盾构机对工作面施压，达到水压力和土压力的平衡。目前的实际施工中广泛使用的是抗渗性能较好的钢刷式盾构。钢刷式盾构一方面对管片本身做浸渍处理，另一方面对管片外部防水涂料、管片接缝浸渍、接缝和二次进料等浸渍措施。两方面共同作用，有效地保证施工中的防水保护能力。此外，在实际施工中也常采用注浆技术达到水密封的目的。隧道渗水如图2 所示。

图2 隧道渗水

5.4 优化地下管线保护技术

通过有效地控制地表的沉降量，可以防止地表建构筑物的沉降；可以保护地下管线的完好性。可采用更新盾构支架或改进盾构支架系统等方法保护地下管线。在实际施工中，要结合工况和监控数据灵活控制地表压力。同时优化壁后土块处理，控制注浆压力确保掘进速度，通过控制土层沉降保护地下管线的完好性。

6 结语

盾构法在隧道施工中的优点明显，施工高效、安全且自动化程度高，有效保证施工质量和进度，但其对周围土体、建构筑物、地下管线等造成的影响也是不可忽视的弊端。如能进一步有效控制对周围土体位移量、沉降量、地下管线的影响将成为今后盾构法施工的技术突破点。