基于盾构施工技术的地铁隧道设计与施工优化

彭朝阳

（中交二航局（成都）建设工程有限公司，成都610218）

1 引言

地铁作为现代城市的交通脉络，其重要性不言而喻。 为满足不断增长的交通需求，更高效、安全、可靠的隧道施工技术成为研究和探讨的焦点。 其中，盾构施工技术因其高效率、低扰动和良好的安全记录在隧道工程中受到广泛应用。 然而，随着施工条件的多样性和项目需求的复杂性， 单一的施工方法往往难以满足所有需求，因此，如何根据实际情况优化盾构施工技术，确保其在不同条件下均能发挥最大效能，成为业内关注的重点。

2 盾构施工流程及盾构隧道结构

2.1 盾构机的分类与特点

盾构技术因其独特的施工特性而逐渐成为地下工程领域的重要施工方法。 盾构机根据其结构和适用的地质条件，可大致划分为4 类：（1）土压平衡盾构机适用于流变性土体、高水压和其他复杂地质条件下的隧道施工， 通过维持接近地面压力的土仓压力，确保掘进过程的稳定性，避免地面沉降；（2）硬岩盾构机主要用于在坚硬的地层中掘进，如花岗岩、石英砂岩等，前端装配有旋转切削盘，可将岩石切割并碎成小块，通过输送系统将其输送至地面[1]；（3）双盾盾构机结合了硬岩盾构与土压平衡盾构的特点，能在坚硬的岩层中掘进，也能应对柔软、高水压的地层；（4）泥水盾构机则通过注入特定的泥浆，维持掘进面的稳定性，适用于细颗粒沙、黏土等地质条件。

2.2 盾构施工流程概述

1）盾构施工的前期勘察需要明确地质、水文和环境条件，为后续的盾构机选择、施工参数设定，以及预见可能的风险提供依据。

2）根据地质条件和隧道设计需求，选择合适的盾构机类型，将其运输至施工现场，并进行组装和调试，确保其正常运行。

3）盾构起始井的施工开始。 起始井作为盾构机起始掘进的位置，其结构稳定性、尺寸以及与预计的隧道轴线的对齐至关重要。

4）盾构机就绪后进行隧道掘进，盾构机的切削部分对地层进行掘进。 节段架设机器将预制的隧道节段逐一安装，确保新形成的隧道段的稳定性。 土质松散、水分含量较高的地段，需要注入特定的泥浆或其他材料以维持掘进面的稳定性。 随着盾构机的掘进， 大量土方通过输送系统输送至地面并进行合适的处理。

5）隧道掘进完成后，特定工程可能还需要进行二衬施工，即在原有的隧道内墙上再施工一层结构，以进行更好的防水、结构支撑，或者满足其他的功能需求[2]。

3 地铁隧道设计的关键因素

3.1 地质条件和预测

土壤类型、地下水位、地层厚度及其分布特点等都是决定盾构机选择、施工方法和隧道结构设计的关键参数。 隧道施工中，采用先进的勘探技术，如地质雷达、地震反射和钻探等，是获取准确地质信息的关键。 地质条件还与隧道的长期稳定性紧密相关[3]，需要设计者根据地质条件采用适当的隧道加固、防水措施，确保隧道的长期安全和稳定。 准确的地质预测可以为决策者提供关键的经济评估信息， 帮助其进行合理的资源配置和成本控制。

3.2 隧道的深度和位置

隧道的深度直接决定了施工复杂程度和安全性及工程成本。 较浅的隧道需要面对更多的地下工程和设施， 如地下管线、建筑基础等，这往往会增加施工中的障碍和风险。 而深层隧道，却面临更高的岩土压力，需要更加复杂的支护结构和施工技术，深度增加会导致施工及运营过程中的通风、排水和救援等问题更为复杂。 隧道位置需要综合考虑交通需求、土地利用、环境保护以及社区影响等多个方面，隧道的深度和位置也关系到其防灾和应急响应能力。

3.3 隧道的尺寸和形状选择

隧道的尺寸需与其预定的运输容量相匹配，隧道的宽度、高度和长度决定了地铁列车的规模、 站台的布局以及乘客的流动情况。 隧道的形状关系到其结构性能和施工技术的选择，圆形或近似圆形的断面通常具有较好的结构稳定性， 能有效分散地下的土压力，适用于多种地质条件，但特定场合，如交会站或特大跨径区域，需要选择椭圆形、马蹄形或其他特定形状的断面，以满足实际需求。

4 地铁隧道应用盾构施工技术的常见问题

4.1 地质突变引起的问题

地铁隧道盾构施工的地质突变指的是在短距离内地质条件出现的剧烈变化，如岩层硬度、土层组成或地下水条件的迅速变更，当盾构机从柔软的土层进入硬岩层时，其刀具受到的冲击和磨损会显著增加，可能导致刀具损坏或盾构机的推进速度降低[4]。 地下水的突然涌出是地质突变中的另一大问题。 在某些情况下，盾构机可能突然进入含有大量地下水的层面，导致隧道内部积水或盾构机前部的土体流失， 由于不同地质层的推进阻力不同， 盾构机在遭遇地质突变时可能发生方向偏移，影响隧道的定位准确性。 此外，由于盾构机在推进过程中对土体会产生扰动， 特定的地质突变条件下可能会导致地面的显著沉降或隆起，对周围的建筑和基础设施造成潜在威胁。

4.2 隧道渗水或坍塌

隧道渗水主要是由地下水压力、 不完善的防水设计或施工缺陷导致的。 在盾构施工中，若盾构机的密封性不佳可能会造成地下水渗入隧道，长期的渗水会降低隧道的结构稳定性，还可能导致设备腐蚀、电气系统故障等一系列问题，同时，还可能引发二次污染，对隧道内的空气质量产生负面影响。 隧道坍塌则通常与地质条件、施工方法及施工质量紧密相关。 不稳定的地质层、 存在的空洞或过度的土体扰动可能导致局部或整体的坍塌；土压平衡不当或切削参数设置不恰，也可能导致土体不稳定。 坍塌对施工人员的生命安全构成直接威胁，而且对施工进度和整体项目成本都有重大影响。

4.3 邻近建筑物和基础设施的影响

盾构施工会扰动周围的土体， 导致局部甚至是大范围的土体位移，引发地面沉降，对邻近建筑物的结构稳定性构成威胁。 盾构机在推进过程中的振动传导到周围的建筑物和结构，会导致其产生振动，对于某些敏感设施，可能造成其工作失常或损坏。 再者，盾构施工可能会改变地下水流动方向和速度，以及地下水位改变，进而对邻近建筑物基础造成冲刷，引发局部区域的地面泡水，进一步影响地面交通和基础设施。

5 基于盾构技术的地铁隧道施工优化策略

5.1 先进地质预测技术的应用

在盾构隧道施工中， 先进的地质预测技术已成为确保施工安全、高效、并最小化对周边环境影响的关键因素。

1）地震反射法是常用的地质预测技术，通过向地下发送和接收地震波，能在较大的深度范围内获得关于地质结构、岩层连续性和其他关键参数的信息，对于预测地下水、空腔、断层以及其他可能对盾构施工造成困难的地质现象尤为有效。

2）地电阻率勘测为施工团队提供了有关地下材料导电性的信息，从而推断其地质信息，在预测含水层、盐渍层和某些矿化带方面具有优势。 结合其他预测技术，地电阻率勘测可以为盾构施工提供更全面的地质画像。

3）钻孔探测是获取地质样本和进行详细地质分析的主要方法，通过将钻孔数据与其他地质预测技术的数据结合，施工团队可获得对即将进入的地质条件的深入了解和精准数据分析。

5.2 施工参数的实时监测和调整

实时监测能够为施工团队提供关于盾构机状态的信息，如刀盘扭矩、进给压力、土压平衡压力等关键参数，反映盾构机与地层之间的相互作用， 对于预防盾构机过度磨损或损坏至关重要[5]。 通过监测这些数据，工程师可以及时识别并解决施工过程中可能出现的问题，如刀盘卡滞、土体坍塌等。 对于城市中的盾构施工，特别是在密集建筑区域，这种监测对于保护周边建筑和基础设施至关重要。 当监测到超出预期的变化时，施工团队可以立即采取措施。

5.3 施工材料的创新和应用

基于盾构技术的地铁隧道施工， 施工材料的性能与选择直接影响盾构施工的进度、成本和工程质量。 盾构机的刀具材料是盾构施工中最为关键的部分，针对不同的地质条件，刀具的材料、硬度、耐磨性和抗冲击性等都需要进行针对性的设计和选择。 新型合金材料、碳化物和陶瓷复合材料的引入使刀具在复杂地质中展现出更长的使用寿命和更好的切削效果，提高了施工效率。 传统的钢支护已逐渐被新型的复合材料所替代。 复合材料具有更佳的强度与韧性，同时自重更轻，有利于加快施工速度并降低工程成本。 为了应对地下水和各种化学物质的侵蚀，现代支护材料还需具备更好的耐腐蚀性。 除此之外， 隧道施工中使用的现代灌浆材料加入了多种高性能添加剂和纳米材料，不仅有良好的流动性和凝固性，还具备较高的抗压强度和抗折性能，以确保隧道的稳定性和防止渗漏。

6 数字化和信息技术在盾构施工中的应用

6.1 BIM 技术在隧道设计与施工中的价值

BIM 技术所涵盖的三维建模， 整合了各工程学科的数据并提供真实的建筑项目模拟，为项目从设计到施工，再到后期运维的各个阶段提供了决策支持，从设计角度看，BIM 能够实现对隧道的三维可视化模拟及分析；BIM 模型中的信息实时更新能够及时反映施工现场的实际状况， 为决策者提供实时的数据支持。 BIM 技术还为隧道的后期运维和管理提供了有力支持， 记录隧道的设计和施工信息， 并整合隧道的运维数据，为隧道的长期安全运行提供了精准的数据支撑。

6.2 虚拟现实和增强现实技术的潜力

在盾构施工领域，虚拟现实（VR）与增强现实（AR）技术能使工程师进入完全模拟的隧道环境中， 更加直观地评估设计方案的合理性和可行性，预见潜在的施工难题，并针对性地进行优化。 VR 为利益相关者提供了更为生动、真实的设计展示平台，增强了项目参与者之间的沟通与协同。 AR 技术将计算机生成的信息叠加到真实环境中， 工程师可以使用AR 眼镜直观地查看地下设施的布局、管线走向等，减少施工过程中的误差和风险；AR 还能实时提供施工指导和反馈， 使施工人员在面对复杂情境时，能够做出快速且准确的判断。

7 结语

综上所述，盾构施工技术通过结合先进的地质预测技术、实时监测系统、创新施工材料和综合安全管理，可以大大提高隧道施工的效率，同时确保施工过程的安全可靠。 盾构施工技术在地铁隧道设计与施工中拥有广阔的应用前景， 仍需要持续进行技术创新和不断积累经验， 来面对未来更为复杂的施工环境和更高的工程要求。