复合地层隧道工程采用土压平衡盾构施工技术研究

摘要：简要介绍了隧道工程的工程地质概况，从盾构机优化配置、盾构初期掘进施工、掘进过程的轴向偏差控制等方面，阐述了复合地层隧道工程土压平衡盾构施工技术。通过对该隧道工程进行有限元分析、土体沉降测试分析以及既有桥梁摩擦桩位移测试分析，验证应用本文所述盾构施工技术的应用效果。

关键词：复合地层；隧道工程；土压平衡；盾构技术

0" "引言

土压平衡盾构施工技术在复合地层中应用广泛，在隧道工程施工中发挥着重要作用。采用土压平衡盾构施工技术，通过合理选择掘进模式和掘进参数，可有效应对复杂地质条件，实现对地面沉降的有效控制，保障施工安全与质量[1]。在隧道掘进施工中，由于地表变形不易控制，会引起隧道上方土体产生沉降，容易导致盾构施工无法达到预期指标[2]。为此如何确保复合地层盾构施工的安全与质量，已经成为行业一个重要研究课题。

本文简要介绍了隧道工程的工程地质概况，从盾构机优化配置、盾构初期掘进施工、掘进过程的轴向偏差控制等方面，阐述了复合地层隧道工程土压平衡盾构施工技术。通过对该隧道工程进行有限元分析、土体沉降测试分析以及既有桥梁摩擦桩位移测试分析，验证应用本文所述盾构施工技术的应用效果。

1" "工程地质概况

某城市隧道工程的断面为单隧道结构，隧道底部距地面约为15.36～20.24m。该隧道工程的施工区域大部分位于软硬复合地层，经地质勘探得知其地层结构自下而上分别由粉质黏土、沙土、粉质黏土、细砂、粉质黏土以及人工填土等组成。此外，该隧道盾构工程涉及其侧下方穿越直径为1.3m地面桥梁的摩擦桩基础。该隧道地层物理参数如表1所示。

2" "隧道土压平衡盾构关键施工技术

2.1" "盾构机优化配置

2.1.1" "盾构机选型

由于该隧道区域地层具有较高的压缩性，根据该地层结构特点和施工需求，选用直径为6.9m的复合式土压平衡盾构机进行隧道掘进施工。

2.1.2" "刀盘刀具设置

考虑该隧道区域软硬不均的地质特点，选用辐条式刀盘，该种刀盘可在地层稳定性较差的区域进行盾构施工，并可辅助稳定掌子面。在刀盘上配置滚刀，以防止在盾构过程中发生损坏刀具、刀盘中心结泥、滚刀偏磨等情况[3]。在刀盘上增设中心面板，以提升掌子面的稳定性。降低刀盘中心开口，以减少掘进过程中刀盘扭矩、提升掘进速度。

当盾构机穿越复合地层遇到残积地层时，需要精确计算不同刀具的高差，并采取有效措施防止结出泥饼，以降低刀具的更换频率。面对地层软硬变化较大的复杂地层，施工前在同一轨迹线上设置5把周边滚刀，以确保盾构施工的顺利进行。通过对盾构刀盘的上述优化设计，可确保盾构施工的高效和安全，最大限度地减少盾构施工风险。

2.1.3" "滚刀间距设置与调整

完成盾构刀盘刀具设置后，需要根据盾构机的技术参数进行滚刀间距的合理调整。为消除滚刀破岩后累积的岩脊，需合理调整滚刀间距，其调整过程需满足的条件见下列公式：

式中：s为滚刀合理间距，h为滚刀贯入岩石的深度，θ为滚刀与岩石之间的夹角。

依据式（1）中各参数之间的关系，设置滚刀的合理间距。为防止在设备掘进过程中发生刀具脱落现象，施工人员在盾构施工前检查刀盘滚刀固定螺栓的紧固情况，确保其安装牢固，以避免在冲击硬岩时导致刀盘掘进扭矩突增和滚刀脱落[4]。

如果在掘进工程中遇到卡机问题，为保证施工的安全性，需拆除滚刀，以减少其对地层扰动的影响，有效解决卡机问题，确保盾构施工顺利进行。

2.2" "盾构初期掘进施工

2.2.1" "注浆加固隧道上部土体

依据该盾构工程地质情况，采用Ø350mm单管喷射注浆桩对盾构隧道起始端和隧道上部的软弱土体进行加固，以有效保证盾构施工的稳定掘进。

为保证土体加固的均匀性，采用钻芯法进行施工。其钻孔作业在隧道结构外侧进行，并在注浆完毕后将钻孔填平。为检查注浆加固状况，在隧道洞口的中部设置一定数量的观察孔[5]。通过高压注浆增加隧道上部土体的稳定性，保证盾构施工安全。

2.2.2" "盾构初期施工要点

在隧道盾构初期阶段，由于刀盘尚未建立平衡土压力，应采用缓慢均匀的掘进方法，尽量减少对土体的扰动。为了尽快达到土压平衡状态，可暂停或者减少排渣操作。盾构机在起始端掘进时，反力架提供的支撑能力有限，因此初始掘进速度应缓慢，严格控制开挖结构的总质量不超过1200t。同时保证刀盘扭矩小于盾构机底座提供的反作用扭矩。

在盾构机处于掘进状态时，需要特别注意控制推力、扭矩等参数。在施工过程中需要盾构机各运转部件保持良好的密封和润滑状态，同时对隧道开挖情况进行实时监测，一旦发现偏差或异常情况应立即采取适当措施。

为避免盾构机在推进过程中出现“磕头”现象，需要适当增加盾构机下方液压千斤顶的推力，提供更可靠的支撑，以确保正常掘进。在掘进过程中，操作人员应使用气体保压的方式进行盾构掘进。根据不同埋深及时调整掘进面气体压力，通过气体压力调节控制渣土排出，从而有效控制掘进面土体沉降。

2.2.3" "动态监测反力架

在盾构施工过程中，应加强反力架变形的实时动态监测，及时获取反力架的异常情况，以保证施工过程中反力架强度的安全性。反力架动态监测方法如下：一是在反力架上安装合适的传感器和监测仪器，包括位移计、应变计、压力传感器等监测设备，用于实时监测反力架的变形和受力情况；二是通过监测仪器采集反力架的变形数据，并及时记录下来；三是对采集到的监测数据进行分析，以判断反力架是否存在异常情况、其变形是否超过允许范围；四是通过与设计的安全指标进行对比和评估，确定反力架是否需要及时采取措施进行调整或处理。

2.3" "掘进过程轴向偏差控制

2.3.1" "计算掘进推力

为控制盾构机掘进过程的轴向偏差，应对其推力进行计算，掘进过程总推力计算公式如下：

式中：F为掘进过程总推力，F1为盾壳与周围土体之间的摩擦力，F2为掘进时土体对刀盘水平阻力，F3 为贯入阻力。如式（2）可知，在坚硬地层开挖时应增大液压千斤顶的推力，在软弱地层开挖时应减小液压千斤顶的推力。

2.3.2" "调整盾构掘进姿态

由于该盾构隧道所处地质为复合地层，在初始盾构掘进过程中，盾构机容易受复合地层的影响而发生设计轴线的偏差，必须及时调整盾构机的掘进姿态，以保证盾构施工轴向偏差在设计允许范围之内。盾构掘进姿态允许偏差值如表2所示。

在盾构施工中，可通过调节液压千斤顶的行程量及其伸缩速度来调节盾构机的掘进姿态，从而将隧道的轴线偏差控制在规范要求的范围之内。当滚转角偏差超过极限时，可通过调整刀盘刀具来修正滚转角偏差，其矫正量应严格控制在2mm之内，以避免因突然矫正或过度矫正损坏衬砌管片。

3" "实例分析

3.1" "有限元分析

充分考虑边界效应对模拟结果的影响，采用ABAQUS有限元软件，构建隧道盾构工程的三维数值模型，以模拟盾构施工过程中不同方向的位移约束情况。

该模型中的地面桥梁摩擦桩基础，采用实体单元进行模拟，并根据实际工程地质条件设置了软硬复合地层的物理力学参数，其具体参数如下：重度约为20kN/m3，剪切强度约为12kPa，压缩模量约为20MPa。

通过模拟土体在掘进过程中的应力释放，使得土体单元变形能够生动展现出盾构隧道施工的真实情况。在模拟中，通过激活盾构机部件模拟盾构机前进过程，采用失效方法使得前一片土体单元失效。同时在相同位置施加支撑压力并激活衬砌单元，在土体周围施加注浆压力，从而完成隧道盾构掘进过程。预计随着隧道的持续掘进，当掘进到与开挖面的距离为100m时，土体竖向沉降值控制在-9mm以内，以此为指标开展测试。

3.2" "土体沉降测试分析

为研究周边土体的竖向位移随盾构掘进的变化规律，在到隧道开挖面100m之间设置了5个测试小组，进行土体沉降值测试，记录相应的数据并整理出图像。隧道掘进过程土体沉降变化曲线如图1所示。

由图1可知，随着隧道的不断掘进，5个测试小组到隧道开挖面100m之间的竖向沉降值均在-9mm以内，达到了设计要求。由此说明，运用该技术进行盾构掘进施工时，隧道起始段和隧道上部实施注浆桩的软弱土体产生的竖向位移较小。随着盾构机继续掘进，地表会产生微小隆起。运用本文所述施工技术，能够消除盾构掘进过程中对土体的挤压，使得沉降量趋于缓和。

3.3" "桥梁摩擦桩位移测试分析

为验证本文所述施工技术的可行性，还需对盾构施工过程中，桥梁摩擦桩侧下方的位移变化情况进行研究。该项研究的预期目标为：当盾构掘进后，该摩擦桩的竖向位移值应不超过±2mm，以保证盾构施工和地面桥梁安全。为此，利用5个测试小组在桩长的不同位置进行竖向位移测试，得到该摩擦桩竖向位移变化曲线如图2所示。

由图2可知，该摩擦桩在盾构掘进施工过程中，其桩身竖向位移只发生了微小变化，5个测试小组受盾构掘进施工的影响均较小，摩擦桩的竖向位移值没有超过±2mm，符合预期要求。由于该摩擦桩周围土体实施了注浆桩施工，该土体承载力较大，产生了较大约束，使得该摩擦桩更加牢固，达到了良好的加固效果。

根据实例分析得知，运用本文所述盾构施工技术，在盾构施工过程中，可将隧道周边土体沉降值和桥梁摩擦桩竖向位移值控制在允许范围之内，提升隧道的抗压变形能力，提高摩擦桩的承载力，有效应对复杂地质条件，确保盾构施工的安全与质量。

4" "结束语

为提高隧道盾构施工质量，本文以实际项目为例，对复合地层中进行隧道土压平衡盾构施工技术进行分析和改进。根据地层的结构和特性，选择合适的掘进方式，控制了土体沉降值、保证了隧道掘进施工安全。今后，将进一步研究盾构施工对周围环境的影响，通过优化盾构机的性能提高施工效率，使盾构施工各项参数保持在可控范围之内，实现良好的盾构施工效果。

参考文献

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[2] 秦元，余宏淦，陶建峰，等.基于PSO-SVR的土压平衡盾构施工进度优化[J].浙江大学学报（工学版），2022，56（8）：1523-1532.

[3] 何洋，侯欢，许立建，等.地铁工程大直径土压式平衡盾构机力学计算及机械选型研究[J].建筑技术，2023，54（15）：1822-1826.

[4] 姜雷雷，胡尚衡，徐教煌.类矩形盾构隧道施工测控技术研究[J].测绘通报，2023（10）：177-181.

[5] 张明伟.土压平衡盾构下穿人防工程施工控制技术[J].建筑技术，2022，53（11）：1561-1564.

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