土压平衡盾构机在地铁施工中的应用探究

胡纪宁

摘要：盾构机是地铁隧道施工的常见工程机械设备，其在施工过程中具有掘进效率高、安全可靠性强、对周围建筑影响作用小等特征，被广泛的应用在不同复杂地质的地铁项目施工建设中。以土压平衡盾构机为研究对象，分析其在实际地铁项目施工的应用特点，对盾构机和刀盘进行选型，阐述盾构机隧道作业区装配、盾构起运、盾构掘进、盾构接收等关键施工工序实施要点，为相关地铁工程盾构掘进作业质量提高提供借鉴。

关键词：土压平衡盾构机；地铁项目；选型；装配；盾构掘进

0   引言

在地铁隧道施工中，盾构机以其掘进效率高、稳定可靠、影响范围小等特点，被地铁隧道施工项目所应用。对于应对复杂条件下的硬巖地质，土压平衡盾构机的优势明显[1]，本文围绕土压平衡盾构机在地铁施工中的应用展开探讨，结合土压平衡盾构机技术特点及某地铁项目工程实际，针对其风化硬质岩土地层特征，对盾构机及其部件进行选型，提出一套完整的地铁隧道施工应用策略。

1   工程概况

某地铁施工项目区间盾构工程，线路分为左右双向隧道。左区间隧道长713.6m，区间包含1条曲线隧道路段。右区间隧道长713.73m，区间包含2条曲线隧道路段。区间具备风化硬质岩土地层特征，工程采用2台土压平衡盾构机同时盾构掘进的方式施工作业。

隧道区间呈“V”型坡度，第一区间坡度为-6.7‰，中间区间点位变坡后坡度为10.3‰，变坡位置设置联络通道。双向隧道之间距离由初始掘进位置16.1m渐变至15.3m，隧道进出口买成11.7m，隧道中段埋深为13.8m。

2   土压平衡盾构机选型

2.1   盾构机选型影响因素

盾构机型号确定应依据地质状况（包括砂石含量、砂石级配、岩土硬度等）、地下水分布、地铁工程盾构隧洞距离、隧洞曲度、盾构机防护壳支撑情况、隧洞施工环境、载荷厚度等，盾构机械进行作业时，既要满足盾构挖掘操作面稳固的要求，还应保证隧洞的功能性和实施施工质量，与隧洞支撑系统形成良好配合[2]。盾构机选型影响因素如图1所示。

2.2   盾构机选型要点

为了让盾构机械满足地铁工程隧道区间综合地质状况需要，提升掘进效率，使盾构机既可在软质或硬质岩土层顺利掘进，还可在隧道小曲线半径区间进行施工作业，项目部施工前应对盾构机进行科学选型。

2.2.1   型号初选

在满足隧道功能设计、安全质量、施工工期等条件的前提下，应做好前期的水文、地质勘测，形成数据分析，完成土压型、封闭型、泥水型等型号的初选，并参照施工设计和施工断面等条件确定盾构机种类，确定衬砌层数及拼装方式。

2.2.2   综合比选

依据布诺姆氏法确定开挖掘进面稳固性，依据盾构施工设计涉及的注浆、冻结、气压、喷水等附加施工措施，以及地铁隧道工程施工场地环境、费用成本、工期、动力供给等影响因素，建立盾构机技术、经济等方面的综合比选，以最终完成盾构机型号确定。

2.2.3   选型确定

依据本地铁区间隧道工程施工实际情况，选定复合式土压平衡盾构机实现盾构掘进。选取的土压平衡盾构机具备9组液压驱动，最大推进载荷为4325t，主轴直径3105mm，额定扭矩6700kN·m，额定脱困扭矩8000kN·m，最大掘进速度为90mm/min。为保证地铁隧道作业中不同强度风化岩及不同黏度土质削切，刀盘切刀及刮刀均使用钛合金银钎焊材质，采用错刃技术装设，保证全隧道断面覆盖。

3   土压平衡盾构机隧道作业区装配

土压平衡盾构机的装配、出土及初始掘进方式，同盾构井室作业空间、出土工艺等息息相关。通常，地铁隧道初始井室可分为设置出土口和未设置出土口两种。设置出土口可实现盾构机一次成型装配，采用正常工序掘进即可；未设置出土口需通过管线挖掘，二次转接装配，不利于提升掘进效率。盾构装配工序复杂，为了加快施工进度，要对出土口进行科学设置[3]。

3.1   盾构初始点位井室装设布控

本地铁隧道区间项目土压平衡盾构机首次安装的井室，未设置出土口，考虑到利用管线挖掘，二次转接装配效率较低，因此在井室站安装由电葫芦等机械构成的水平出土装置。在后续盾构试运行过程中，通过水平出土装置运至初始井室口位置，再利用门式起重机吊离，以实现土压平衡盾构掘进出土作业。

3.2   盾构机装配前准备

应预先装配好站内轨道，轨道建成标准应确保台车能够到达指定初始井室及相应反力架位置。鉴于洞口门钢环实际位置与设计轴线位置存在一定偏差，所以应依据洞口门钢环中心线方位装配初始架[4]。

土压平衡盾构机进洞后，按设计轴线调整盾构机方位，并配套装设同轨道匹配连接的轨道排架，以为后续构件装设所用。应确保初始架装设稳定牢靠，满足支撑盾构机自身装配质量及初始运行的动载荷。初始架位置距离洞口门应＞1.5m，以为土压平衡盾构机破除地连墙留出充足的作业空间。

3.3   盾构机正式装配

土压盾构机的装配次序应依据出土模式确定，本地铁隧道区间项目为后部出土模式，因此盾构机装配应在盾构初始井，按先机尾后机头的次序装配。在装配盾构机盾体时，应同时完成管线连接和机械调试。装配过程中，反力架的装设工序应在盾体和后配套之间完成，以免影响反力架的正常装设。

盾体安装前，应先将盾体螺旋机装置、砂浆车、电瓶车及负环管片装运车吊装，经钢轨拖至站内完成装配。随后按相同次序依次，将盾构机后配套台车、牵引梁、管片吊梁及螺旋装运机吊装进站，并将构件同牵引梁装配连接。将初始托架台车轨道拆卸后，装配土压平衡盾构机主机。

4   土压平衡盾构机盾构起运

4.1   隧道口门密封设置

因为土压平衡盾构机外径同隧洞口钢环存在缝隙，为避免盾构机械出洞导致缝隙处损失地下水和岩土，应将洞口做密封处理。通过扇形钢制压板及橡胶盖布构件形成遮挡，以避免缝隙的水土流失。

4.2   装设反力架和负环管片

土压平衡盾构机的初始后部支撑通过负环管片及反力架实现，应保证反力架构造可实现盾构机挖掘的正常额定推力，通常该值应超过15000kN。装设负环管片及反力架过程中，应确保其始终垂直于盾构机轴线，且具备牢靠的支撑效果。通过通缝装拼工艺完成负环管片的拼接，以方便后续的拆卸。

4.3   加固处理隧道口门

土压平衡盾构机正式装配前，应固结处置初始井室及接受井室端头，具体可参考实际地质状况，选择三轴搅拌桩加固技术或地面垂直旋喷桩加固技术完成。依据桩径尺寸，合理选择无缝搭接工艺。通过隧道口门的加固处理，实现止水固土的效果，以确保土压平衡盾构机初始处于标准形态，并有效避免隧洞口塌陷变形。

4.4   土压测算与设定

盾构土压值的测算主要参考土质状况、隧道深度及地表载荷等条件[5]。其实现原理如下：通过盾构机靠拢洞口门土体，由机械刀盘切入土体形成旋转削切，使土充至土仓内形成土压，利用土压平衡盾构机土仓的土压传感装置检测采集土压数据。开挖初始时期的土压，主要参考反力架载荷状况及加固装置检测值进行判定，在确保推力充沛的条件下，将加固装置上部土压值提高至100kPa。利用掘进进尺调控出土数量，避免因出土量多、土压小导致地表塌陷。

5   土压平衡盾构机隧道盾构掘进

5.1   盾构机掘进试运行

待土压平衡盾构机全部行进洞口门后，利用上端的灌浆装置同步匀称的向管片外侧压注浆液，使其填充满缝隙。待土压平衡盾构机尾部行进至加固区3m左右，利用注浆泵通过第三环管片注浆孔灌注浆液。做好洞口门封闭环板的加固处理，避免外翻形成浆液外流浪费。

待土压平衡盾构机盾构掘进完成加固区，实时监测土压数据及地表沉降数据，参考沉降状况及时调整土压平衡盾构机的行进速度、推进力、注浆数量及土压力。对比分析土压平衡盾构机掘进试运行情况，科学确定后续盾构开挖参数设置，以为正式盾构掘进提供数据参考。

试运行完成后，土压平衡盾构机全面掘进至洞口门，停止盾构开挖，并拆除初始井室内的负环管片、反力架支撑、初始托架，同时在初始井室内安设轨道作业台，延长连接相应管线，并通过门机初始井室完成出土作业。

5.2   盾构机掘进开挖

完成土压平衡盾构机试运行作业及相应辅助工作后，再次整体检测调试盾构机，保证平稳恒定运行符合施工要求。参考试运行阶段确定的盾构开挖参数数据，实施土压平衡盾构机的正式掘进开挖。其具体操作工序如下：先开启螺旋传送装置出土闸门，同时启动传送装置、旋转刀盘、螺旋输送装置；启动液压千斤顶装置，并设定全部千斤顶运行油压数值，在刀盘削切岩土同时实现机械盾构开挖。随着土压平衡盾构机盾构不断掘进，及时完成盾构管片拼接施工及管片注浆施工。

5.3   注浆施工

错缝管片拼接完成后，及时实施管片注浆作业。为有效填充盾构机尾部缝隙及开挖的地层缺失，调整地基错位，利用盾尾同步注浆及管片加固实施二次注浆工艺。将搅拌好的灌注浆液，运至土压平衡盾构机同步注浆装置附近，连接进浆管。

通过土压平衡盾构机设置的同步注浆装置，使浆液经过管路灌注到管片缝隙中，使盾构开挖同预设注浆作业同步完成，以提升衬砌稳定性，并对地基塌陷进行控制。二次注浆作业主要是补充土压平衡盾构机同步注浆欠缺，以有效辅助控制地表沉降[6]。

5.4   开挖量检测与控制

土压平衡盾构机配置专业的自动导向测量装置，主要通过激光靶、全站仪、测算控制器等构件，完成盾构挖掘的方向精准测量控制。激光全站仪首次定位通过人为测设，之后即可利用导向测量系统自动定位。为确保系统定位的科学准确，应通过人为检测的方式，降低自动导向测量装置的测量偏差，从而确保隧洞盾构贯通的精准性。

6   土压平衡盾构机的盾构接收施工

6.1   准备工作

土压平衡盾构机掘进至地铁隧道区间约最后100m时，应提前做好盾构机到站前的准备。预先加固端头土质、装设接收架体，并将洞口门拆除。为保证洞口牢固性，应确保端头土体凝结时长超过1个月。背衬注浆使用1：2的纯水泥双浆液注浆，以便建立起加固体止水环，避免地下水流入初始井室。

6.2   盾构机接收要点

对盾构掘进控制点实施全面复核测量，保证盾构姿态及方位对比预设洞轴线方向的一致性。将偏差应控制在10mm以内，刀盘切口点可稍高于轴线。接收架应稍低于土压平衡盾构机设计高程15mm，并将其加固连接至盾构接收井室，同时配置相应的堵漏、排水、二次注浆等设备及材料。

洞口门拆除过程中，应实时观测土体形变情况，严格控制盾构土压数值，避免土压过大。刀盘靠近封门时，降低盾构速度。利用清除仓中泥土降低土压平衡盾构机正面土压值，以保证封门拆除的安全性。封门拆除完成后，应及时完成盾构推进和管片拼装，以缩短出洞时长。通过水硬性浆液灌注洞圈与管片间缝隙，以降低水土的损失。

7   结束语

土压平衡盾构机在兼具掘进盾构效率高、稳定可靠性强、对周边建筑影响范围小等特点，可实现掘进岩土的稳压效果，被广泛的应用于各类复杂地质的地铁隧道施工项目中。

本文围绕土压平衡盾构机在地铁隧道施工中的应用展开研究，结合工程实际合理选定盾构机和相应构件类型，并从地铁隧道作业区装配、盾构起运、盾构掘进、盾构接收等关键工序方面论述土压平衡盾构机施工要点，为类似地铁工程盾构掘进作业顺利实施提供参考。

参考文献

[1] 马云新.砂卵石地层盾构辐板式刀盘的特点及掘进技术[J].建筑技术，2017，48（6）：591–595.

[2] 杨书江.厦门地铁复杂地质条件下盾构法施工技术探讨[J].隧道建设，2014，34（8）：765-770.

[3] 周智辉.复合式土压平衡盾构机在高强度硬岩中的掘进技术分析与研究[J].现代隧道技术，2018，55（6）：210-215.

[4] 蒙国往，周佳媚，高波，等.地铁盾构掘进引起的软弱地层沉降分析[J].现代隧道技术，2017（06）： 117-125.

[5] 陳佩珊.土压平衡盾构穿越断裂带施工控制技术[J].城市建筑，2016（17）：85，90.

[6] 史海波.土压平衡盾构穿越软硬交界地层时的施工技术[J].建筑施工，2017（2）：208-211.