盾构掘进关键技术及其工程应用

王海成

（中铁十八局集团市政工程有限公司 天津 300350）

随着我国基础设施建设的飞速发展，隧道及地下通道施工越来越频繁，盾构机也因此应运而生。盾构法由于施工效率快，安全可靠且对邻近构筑物影响小，已被广泛应用于铁路、公路、地下通道施工[1-4]。

王梓晗以沈阳地铁4号线为例，通过现场试验对土压平衡和泥水平衡两种掘进模式进行了研究，并对盾构掘进参数和掘进效率进行了探讨。李守巨、霍军周、曹丽娟[6]建立了土仓压力平衡系统的ARMA模型，提出了基于优化算法的参数估计方法，结果表明新模型具有较高的预测精度。王俊，何川，胡瑞青等[7]通过室内试验研究了土压盾构掘进对地层的扰动行为，并通过离散元软件进行了定性分析。宋曙光[8]基于理论分析、数值模拟、模型试验等方法，研究了渗流作用下开挖面稳定性机理，并构建了盾构隧道开挖面失稳破坏模型。

针对盾构掘进对邻近构筑物影响的研究，袁海平、王斌、朱大勇等[9]以合肥地铁1号线近接城市高架桥为背景，基于有限差分方法分析了盾构掘进过程中桥桩的变化规律。朱叶艇、张桓、张子新等[10]以上海地铁11号线为工程背景，采用模型试验及理论分析方法，研究了盾构隧道掘进对邻近地下管线的影响，结果表明盾构产生的管线竖向变形符合高斯曲线特征。

本文基于对盾构机工作原理及组成的简单介绍，总结了不同盾构机的选型及适用范围，并以工程案例为背景，阐述了泥水平衡盾构掘进过程中关键施工工艺。

1 盾构机工作原理及组成

1.1 盾构机工作原理

盾构法作为一种全机械化的施工方法，主要用于地下隧道开挖，由于其自动化程度高、适用性强，可以大幅度提高施工效率。盾构机可以将土体开挖、土渣传送、衬砌支护、管片拼装等多种功能融为一体，可实现连续作业，具有显著优点。

以泥水平衡盾构机为例，在刀盘作用下切削土体，通过向密封舱内注入泥浆来平衡开挖面的水、土压力，从而保持掌子面稳定，达到开挖土体和控制地面沉降，泥水平衡系统示意见图1。

图1 泥水平衡系统示意图

1.2 盾构机组成及工序

盾构机掘进时，主要依靠刀盘切削开挖面前方土体，依据掘进机理的不同，可分为土压平衡和泥水平衡两种机型。以泥水平衡盾构为例，盾构机的主要组成部分如图2所示。

图2 泥水平衡盾构机组成

盾构机施工前，需要在隧道上方地面部分开挖竖井，通过起重机将盾构机吊装至井底，并在井下安装调试，然后进行土体掘进作业。清除安装部位的垃圾后，在盾壳内错缝拼装管片。初始掘进时应注意姿态纠偏，防止盾构机出现“抬头、扎尾”或轴线偏位现象，盾构机施工工序见图3。

图3 盾构机施工工序示意图

2 盾构机选型及适用范围

2.1 盾构机选型

土压平衡盾构一般较适用于黏性土地层，且工程造价相对较低；当地层中富含砂砾土时，由于砂砾土输送连续性差，使用土压平衡盾构，掌子面不宜稳定，因此当地层渗透系数较大时，宜选择泥水平衡盾构。另一方面，根据以往施工经验，当地层中富含高压水时，土压平衡盾构效果较差，易产生出渣喷涌现象，依据地质条件，常见的盾构机选型见表1。

表1 盾构机选型及优点

2.2 刀盘配置选择

由于地质条件的复杂性，盾构往往需要穿越不同地层。盾构掘进需要克服的难题有：（1）针对软弱地层往往出现刀盘夹泥现象；（2）当盾构穿越泥质砂岩等强度较高地层时刀盘磨损问题；（3）富含高压水地层还需要解决管片上浮问题。

为克服刀盘磨损问题，采取的主要措施有：（1）刀盘四周增设保护刀具，并定期更换刀具；（1）刀盘面板和四周镶嵌合金板，以增大其整体刚度；（3）增加刀盘边缘区域刀具数量，增设保护刀座，提高其边缘耐磨性能。

为防止刀盘夹泥，保证盾构顺利掘进，可采取的措施有：（1）刀盘配置高压喷射装置，可在掘进时对土体进行冲刷；（2）增加刀盘开口率。实践证明，以上措施简单有效，且易于控制。

2.3 盾构机适用范围

为适应不同的地质条件，实现不同的功能，盾构机演化出多种断面形式，但其工作原理是相同的，现将各种盾构机的特点及其适用范围总结于表2。

表2 盾构机特点及适用范围

3 应用实例

3.1 工程背景

本工程为某城市区间地铁隧道，隧道全长1 822 m，隧道埋深为25～42 m，路线曲率最大半径为350 m，区间起屹里程为K6+945～K8+767，为单洞单线圆形盾构隧道。

主要地层分布为素填土、粉质粘土、细砂，且场地富含承压水，盾构机直径为6.2 m，拟采用泥水平衡盾构施工。

3.2 排泥流量计算

排泥流量可以根据切削土方量来计算，按式（1）进行。

式中：V—切削土方量（ m3/h）；

排泥流量也可以根据排泥临界流速来确定，按照式（2）计算。

式中：F—计算常数，排泥侧可取1.5，进泥侧可取0.7；d—管径；0ρ—盾构土体密度（3kg/m）；

ρ—排泥密度（3kg/m）。

3.3 主要施工工艺

3.3.1 竖井开挖

施工前先进行场地平面布置，开挖工作井，并安装起重量为45 t的龙门吊。竖井开挖前先进行基坑支护，车站主体结构完工后，准备盾构机吊装工作。在盾构推进前，进行水、电、照明、通风等设施安装工作。

3.3.2 井下准备工作

盾构机各部件依次吊入井下后重新组装，在基座上安装就位后进行调试。盾构始发井纵向长度为14.5 m，在确定好0环位置后，进行反力架支撑安装。

盾构之前，应对泥水输送系统计算，主要包括隧道掘进速度、排泥流量确定、主循环泵选型及数量等，盾构机主要参数指标见表3。

表3 盾构机主要参数指标

3.3.3 盾构始发

盾构始发时，为保证盾构出洞及邻近构筑物安全，需要对盾构土体进行加固，使得洞口土体具有自立性。盾构调试完成后，在刀头上涂抹减阻剂，避免损坏洞口密封装置。在确保盾构机运转良好的情况下开始凿除洞口围护结构。

为使土体充分切削，盾构推进时，需要控制油缸压力及刀盘推进速度，同时根据监测结果及时调整掘进参数。由于管片和盾壳之间有10 cm的间隙，盾构推荐后须及时进行注浆加固。

4 结语

盾构法施工可以极大提高施工效率，我国的盾构技术尚处于发展阶段，盾构机的选型、参数指标、适用范围尚没有规范化的标准，同时缺乏标准化的理论体系。

本文通过对盾构机原理、组成、工序的简要介绍，基于实际工程经验对盾构机的选型及适用范围进行了总结，结合某一工程案例，简要阐述了盾构施工过程中的关键工艺和主要参数指标。并针对地质条件的复杂性及盾构掘进过程中出现的难题提出了相应的解决方案。有效解决了现场实际问题，为盾构施工提供了技术指导，具有较高的参考意义。