城市地铁隧道盾构法施工技术研究

赵强李永波

摘要：随着城市化发展步伐的不断加剧，交通问题逐渐涌现出来，城市地铁工程项目的建设，为改善城市交通出行带来了很大的便利，并且城市地铁工程项目的建设，不断推动了施工技术的发展，因此，城市地铁的建设变得更加高效，并且在安全方面也得到了有效的保障。鉴于此,本文就城市地铁隧道盾构法施工技术展开探讨,并以福州地铁二号线金祥站~祥坂站区间为例，以期为相关工作起到参考作用。

关键词：城市地铁;盾构法：施工技术

1.盾构法施工技术工作原理

早在150年之前，英国工程师在修建泰晤士河的水下渠道的工程中，最先创造了盾构法的概念。其最初的理念是建造一个钢制保护盾壳，下沉到隧道竖井中。在施工人员挖掘隧道的过程中，盾壳的支撑起了人员头顶及两侧的软土进而保护人员的安全。并且随着挖掘的推进，盾壳也随之前进，同时盾壳后方及时进行衬砌施工。形成了一套完善的工法。

在日新月异的科技发展之下，盾构法施工也取得了长足的进步。从早期的敞开（指开挖面）式人工或机械挖掘，逐步发展成为全封闭式刀盘旋转切削挖掘。预制拼装取代了现浇方式，自动化程度和掘进控制精度也大大提高。并根据地层水土情况形成了两类比较常见的现代化盾构模式：一种是土压平衡盾构，一种是泥水平衡盾构。

土压平衡盾构以控制螺旋输送机转速调节盾构掘进挖土量（进入土压仓）和螺旋机出土量（离开土压仓），以保持土压仓内的土压动态平衡，而同时土压仓和外部开挖面联通最终保证了开挖面土压的平衡。

泥水盾构的出土原理类似于地下连续墙工法中的泥浆置换。通过气压仓调控内部泥水压力并在开挖面造成渗透泥膜以确保开挖面的水土压力平衡。相比较而言，泥水盾构更加适宜富水地层的掘进（如穿越江河、遭遇承压水地层等）。

2.盾构法施工流程

2.1盾构始发工作井施工与洞门加固

2.1.1盾构始发工作井施工

盾构竖井的施工需要注意始发及接收端的防水施工,一般常见做法是采用水泥搅拌法或者高压旋喷法对洞门前方自然土体进行改良加固，具体加固的方式和加固范围根据土质和水文情况进行调整，必要时候可以辅助降水。盾构始发井宽度一般需大于盾构直径1.6m-2.0m,保留足够的距离保障人员安全。起重设备取决于施工运输的要求,一般采用履带式吊车、大型汽车吊或者门式起重机。

2.1.2金祥站~祥坂站区间始发段地层主要为含粗纱的粉质粘土。由于临近河道地层中富含微承压水，因此选用水泥土搅拌法对洞门后10米，盾构机左右各三米，上下各三米范围进行加固。并且在加固区与基坑围护结构接缝处施做一排高压旋喷桩进行防水加固。由于区间穿越闽江，为了防止江底冲刷槽覆土薄弱处发生渗透造成降水倒灌，因此选用泥水盾构进行施工。由于泥水盾构重量较大，因此特别对盾构吊装设备行动区域进行路面加固，防止发生倾覆。

2.2盾构掘进

预先在始发端设置盾构反力装置和盾构引轨，并将盾构后配套台车等设备预先下放到始发井中，并通过电力机车倒推入始发井后方。在后配套设备连接完成后。将盾构机分解件分别吊到盾构引轨上面。在盾构吊装前必须确保引轨线性符合设计线路。盾构机连接后需进行各组件调试，当设备满足要求后可以始发作业。

大多数情况下，在始发前还需要增加洞门止水设施。一般洞门防水可以采取钢板、橡胶帘布以及盾尾刷注油脂等方式，也可以采取目前较为常见的钢套筒内始发。金祥站~祥坂站区间根据现场需要，采取了钢套筒始发的变种方案——短套筒始发工艺。

盾构始发后，操作下半区液压千斤顶顶靠在反力装置上,利用油缸进行推进,当油缸推行一个行程后收回,并在反力装置与推进油缸间放置支撑传力件继续推进，一般工程经常采用废弃的下半环盾构环片作为传力件，也称作负环环片。在盾构机主体进入隧道后就可以进行管片整环拼装。

2.3衬砌

盾构隧道衬砌主要可以分为装配式衬砌和现浇混凝土衬砌。从衬砌的结构来看可分为单层衬砌和双层衬砌。衬砌断面形式根据盾构设备与具体需求，通常采用圆形、箱形和多圆结合形。由于考虑到自动化需要，盾构机一般采取单层装配式衬砌。环片宽度根据盾构隧道设计需要一般为1200~1500mm，环片直径和环片的分块根据区间隧道的不同进行设计。管片强度必须满足设计要求,衬砌环的接缝形式通常分为错缝和通缝两种。

金祥站~祥坂站区间设计盾构管片外径为6.2m，内径为5.5m。每环管片分为六块，由三个标准块、两个连接块和一个封顶块构成。环片厚度为350mm，宽度为1.2米，接缝形式采用错缝拼装。

盾构管片的防水主要依靠结构自防水，因此预制管片混凝土的抗渗能力和制作精度必须达到较高的要求。一般采取工厂预制，极少进行现场预制。管片的接缝防水主要依靠粘贴密封胶条和遇水膨胀胶条，同时对螺栓孔等细部构造也进行补充防水措施。管片衬砌的拼装在盾构机掘进一个节距后即可进行,管片由电力机车送到台车尾部，再有单（双）轨梁起重设备转运到拼装机台位,最终由旋转拼装机组装到适宜的位置。一轮管片安装结束后,即可进行后续掘进。隧道工程就在这不断循环工作中建成。

2.4注浆

由于盾构机外壳与衬砌环片之间存在一定的空隙。如本工程采取的盾构机直径为6.34m，衬砌环片的直径为6.2m，环片与土体之间存在着7cm的间隙。为了保证外部土体不发生坍塌，必须对这个间隙进行注浆填充。

其中盾构注浆方式主要分为三种：一是同步注浆，即掘进的同时进行注浆；二是及时注浆，在完成一环或数环的掘进后进行注浆；三是二次补浆，即已经完成的隧道由于出现浆液渗透流失、浆液质量差发生离析而出现整体下沉或上浮，或出现地表沉降等情况时，通过管片上的预留注浆孔进行注浆。

同步注浆的材料分为单液型和双液型,单液型因其早期强度高和能较好的填充盾尾空隙,得到了广泛的应用。

2.5盾构接收

盾构接收端土体加固和防水措施可以参考盾构始发阶段的措施进行，也可以根据情况进行一定的调整，一般始发端的加固效果不得低于接收端。盾构机到达进入接收井前要对洞口土体取样,检查土体是否满足要求。主要检查土体加固和渗水情况。在土体稳定性和渗水量符合要求时,方可凿掉洞门混凝土。

一般盾构接收前，也需要做好接收准备工作，其具体内容与盾构始发工作类似。包括接收架安装（不需要反力架）和洞门防水等工作。一般情况下接收架放置在略低于盾构机的位置,这样便于盾构机顺利滑行上架。

3.盾构法对地铁施工的影响

3.1正面影响

盾构法无疑是在软土富水地层中进行暗挖施工的首选工法。其正面影响体现在如下几个方面：

一、隐蔽性较好。作为暗挖施工，盾构机掘进对外部环境影响较小。不会产生很大的噪声和振动,不会给周围环境造成严重的影响。同时也很少受到外部环境的影响，适用于城市施工。

二、安全性高。在软土地层中暗挖，由于周围围岩的自承能力极差，因此给施工作业带来了很大的风险。而盾构法的出现，正是弥补了这一缺陷。其盾壳作为临时支撑体系，有效的给软围岩提供了支撑，有效确保隧道施工过程的安全性和稳定性。

三、施工效率有所提高,盾构设备是一种现代化先进的机械设备,其不仅施工效率高,而且施工操作也相对比较简单。

3.2负面影响

由于盾构机往往是在城市中的既有道路、构建筑物、各种地下建筑、管线以及桩基等下方或侧方进行穿越。一旦土压或泥水压控制失衡、注浆量过大或过小以及浆液质量差、盾构频繁调整线型和姿态、衬砌或机体内部发生大规模渗水甚至涌水涌沙等等情况都会造成非常严重的后果。主要体现在以下几个方面：

一、土体移动，土压或泥水压失衡或者发生其他问题其最直接的表现就是造成周围软土地层的横向或纵向位移。并因此产生连锁反应，造成上方道路沉降、构建筑物不均匀沉降裂损、管线破坏等。

二、内部涌水倒灌，由于操作不当引起土压盾构螺旋机喷涌、衬砌破坏造成大规模渗漏或者由于开仓作业操作不当引发坍塌喷涌，都有可能导致外部地下水甚至是江水倒灌入区间隧道内，造成非常可怕的事故。

4.地铁隧道盾构法质量优化措施

4.1盾构选型

盾构法施工的一个关键点就是选择合适盾构机设备，这其中又包括根据不同的水文地质情况选择盾构机类型，选择刀具的组合，选择后配套设备等等。

例如福州地铁二号线金祥站~祥坂站区间，综合本区间对影响盾构机选型各项因素的分析，既穿越透砂层，又从淤泥质土中通过，尤其需要承受高水压和长距离施工，综合考虑风险、经济、技术和工期等多种因素，盾构机刀盘直径6500mm，同时增加了耐磨装置及保护刀具的数量，配置了破碎机，盾构机总推力41600KN，刀盘开口率为27.8%，额定扭矩达到5631KNM，根据工程需承受高水压和长距离施工的特点，盾尾设置四道密封。

4.2确定土压平衡值或泥水压平衡值

上文已经详细说明了土压及泥水压控制对于盾构施工的重要性，那么相应的在掘进前确定平衡初始值，并且随着线路埋深不同、穿越河流以及下穿特殊地形时候应对土压变化确定的土压及泥水压变化值就非常重要。

下面就以福州地铁二号线金祥站~祥坂站区间为例，简述压力计算公式。

其一般计算公式为：

切口水压=土压力＋水压力＋预留压力（20Kpa）

切口水压的控制根据水土压力能够计算出来。同时需要根据地下水位变化实时调整分析。

4.4.1切口水压上限值：P上=P1＋P2＋P3=γwh＋K0[（γ-γw）h+γ（H-h）]＋20

式中：P上——切口水压上限值（kPa）；

P1——地下水压力（kPa）；

P2——静止土压力（kPa）；

P3——变动土压力，一般取20kPa；

γw——水的容重（kN/m3）；

h——地下水位以下的隧道埋深（算至隧道中心）（m）；

K0——静止土压力系数；

γ——土的容重（kN/m3）；

H——隧道埋深（算至隧道中心）（m）。

4.1.2切口水压下限值：P下=P1+P'2+P3=γwh+Ka[（γ-γw）h+γ（H-h）]-2CusqrKa+20

式中：P下——切口水压下限值（kPa）；

P'2——主动土压力（kPa）；

Ka——主动土压力系数；

Cu——土的凝聚力（kPa）。

4.3壁后注浆浆液的配比及注浆量确定

壁后注浆作为衬砌环片与外部土体间隙的填充材料，其质量和注浆量的控制极其重要。根据不同水文地质条件，需要配置与地层渗透性、地下水分布等情况相适应的浆液，并相应的确定注浆量倍率。

由于金祥站~祥坂站区间掘进地层主要是粘土、淤泥质土。因此参考上海地铁相关经验，选择“厚浆”（即一种不可硬性浆液），作为基础浆液，并根据实际使用效果，由试验室改良浆液配比。具体如下：

表4.2同步注浆材料计划配比表

根据地层情况，实际注浆量一般为理论注浆量的150~200%。

结语：

城市地铁是改善城市交通系统的重要方式。越来越多的地铁线在各大城市里开通,盾构法施工技术也运用到这些城市地铁的建设中来。盾构法施工技术以其施工速度快、安全、高效等优势逐渐成为隧道施工的主流技术。这一技术的不断发展将推动城市发展进入新阶段。

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