淺談盾構法在隧道施工中的應用

【摘 要】 隨著科技的進步，交通運輸事業也隨之不斷發展，各城市除了大量的公路建設之外，地鐵等隧道建設也逐步興起。盾構法是隧道工程中的重要施工方法，本文就北京某地鐵線路工程為例，來探討盾構法在隧道施工中的應用。

【關鍵詞】 地鐵隧道 地鐵 盾構法 方法應用

一、工程概述

北京某地鐵線路中的某一標段，該標段包括一站三區間。在區間的施工過程中，采用了兩臺由德國海瑞克公司所研發生產的鉸接式土壓平衡盾構機。其中第一區間的左線全長為1469.778m，含短鏈2.369m，右線全長為1472.867m。區間的走向由南至北，地處北京繁華區域。該地鐵隧道埋深14～23m，線路平面存在部分曲線段，其中最小曲線半徑為335m，最大坡度為5.4%。

地質條件：該地鐵隧道的第一區間范圍內經過了人工填土工作，其土質大多為卵石層、粉細砂層、中粗砂層以及粉質黏上層等。隧道的頂部大多都是飽和的砂土，穩定性較差，容易引發大面積的坍塌現象與流沙現象。該地鐵隧道位于潛水水位以下，并同時揭露了承壓水的含水層，受地下水的影響很大，因此，圍巖土體自身的穩定能力較差，其砂土與粉土層發生坍塌的概率極高，并很容易產生局部潛蝕、流沙以及涌沙等。

二、 砂卵石地層盾構掘進的力學特征

（一）砂卵石地層開挖的力學特征：在一系列力學不穩定的地層中，砂卵石地層可謂是其中最為典型的，其基本特征主要是結構松散、卵石粒徑的大小不均勻以及無膠結等，同時卵石的空隙大多都被中、粗砂填充，在無水的情況下，顆粒之間相互傳力，地層的反應非常靈敏，當刀盤旋轉切削的時候，刀盤會與卵石層接觸，而接觸壓力不均勻，由此導致刀頭不斷振動。在頂進力的作用下極容易破壞原有的平衡和穩定狀態，最終發生坍塌。當坍塌發生，會引起很大的圍巖擾動，會使開挖面與洞壁同時失去約束和穩定性，從而造成更大的地層變形，圍巖中的卵石的塊頭、粒徑越大，這種擾動的程度便會越大。

（二）砂卵石地層盾構開挖面的失穩特征：通常情況下，砂卵石若沒有收到擾動，其土層顆粒會倚靠直角的摩擦咬合作用來使區域的土體保持穩定狀態。盾構在對砂卵石地層進行挖掘時，如果開挖面的壓力不足，或者是大塊的卵石并排排出，那么在刀盤的前上方便會產生較大的空洞區域。這一空洞區域的出現會是卵石與礫石不斷松動，隨之快速的塌落，從而加大上覆砂性與粘性土層的松動范圍。如果隧道的上方土層比較薄，那么很容易出現局部地表下沉。

三、 砂卵石地層盾構施工的重點和難點

盾構在隧道地層進行掘進時，必須注意以下幾個方面：

（一）控制開挖面的穩定性：有很多城市中的地鐵隧道地層都屬于砂卵石地層，這種地層本身不具備較高的穩定性，若沒有進行正確的施工，那么很容易出現坍塌。因此，為了保證工程的質量與人們的生命財產安全，必須控制好開挖面的穩定性。

（二）切削土體與刀盤的摩擦問題：刀盤與切削土體的顆粒之間摩擦較大，刀盤與螺旋輸送設備與密封艙內壁的磨損都很嚴重，要改善這一狀況，必須認真的對盾構機在砂卵石地層中的掘金工作進行研究，分析其帶來的刀盤扭矩增大以及各刀具之間的摩擦問題。

（三）盾構機難以建立土壓平衡：要在盾構機的密封艙內部建立起土壓平衡是一項難度很高的工作，甚至可以說根本無法實現其土壓平衡的功能。

（四）控制材料：當盾構機在砂卵石地層中掘進時，必須要加入相應的添加材料，在加入材料時必須綜合全面的考慮，應該添加符合實際并能夠有效解決切削土體塑流化問題的材料。

四、 土壓平衡盾構機的工作原理及其流程

（一）施工設備：所謂盾構隧道法，主要是指采用盾構機對隧道地層進行挖掘。在這里我們主要介紹該工程中所用的土壓平衡盾構機。該工程中所用的土壓平衡盾構機S-206與S-294都是由德國海瑞克公司所生產的，這兩太盾構機內部的控制系統均為西門子公司的S7-PLC控制系統。該盾構機中還配置了同步注漿設備與機電一體化的液壓驅動設備以及泡沫設備等。該盾構機的配套設備主要包括了：電瓶機車、注漿泵、龍門吊、攪拌站等。

（二）施工工藝流程：大部分的地鐵隧道工程的施工工藝都是首先將泥土從盾構車架上的輸送機卸到機尾轉載輸送機當中，經過轉載輸送機完成輸送，再沿著漏斗卸到同步延伸帶式輸送機機尾上。然后，再經同步延伸帶式輸送機沿著隧道輸送，將其卸到下行線輸送機上，最后，卸至停在隧道軌道上的蓄電池機車牽引的土箱中，土箱被吊至地面卸到集土坑中。

五、 施工中采用的關鍵技術以及創新點

（一）改進盾構刀具：本文所研究的北京地鐵隧道的地層中含有很多的砂卵石，這會對盾構刀具帶來極大的磨損，因此，對刀具的改革是盾構系統發展的首要任務。

目前，全世界在盾構法施工過程中所用的刀具主要有，氣壓法開倉換刀、敞開式的開倉換刀以及豎井法換刀這三種。這三種刀具系統都有一定的缺陷，就拿氣壓法開倉換刀來說，它工作的整個過程，都是在密閉性的加壓環境當中，對氣壓的控制有非常高的要求。如果在換刀的過程當中，氣壓遭受變化，那么久極有可能使砂土迅速涌入到刀盤中，從而導致掌子面塌方，地層也隨之塌陷，在不能保證工程質量的同時還威脅到了工作人員的生命財產安全。因此，要改善這些問題，必須從刀具的改革入手：

1、從刀具的材料和結構形式上突破：在砂卵石地層當中，刀具主要是由于與石英砂和卵石相撞擊而造成磨損的，因此必須加強刀具的硬性以及耐磨性。

2、改進刀具在刀盤上的分布形式：在考慮對刀具本身進行改進時，也應該對其切削土體的方式進行改革，創新設計出一種高性能的先行刀。

（二）泡沫的在盾構推進中的應用

盾構在對地層掘進時，注入泡沫能夠在很大程度上改善土體的透水與流動性能，從而幫助掌子面達到穩定狀態，另外，將細密的泡沫注入到刀盤的周圍以及刀盤與土體的中間，能夠降低扭矩，并能有效地對刀具進行維護。應用泡沫技術，能夠推進盾構機的掘進工作，而刀具磨損以及地面沉降等問題也都能得到較大的改善。

（三）欠壓推進技術的應用：在隧道工程中應用欠壓推進技術不僅能夠有效地維護刀具的質量，減少刀具的磨損，還能加快施工的進度，欠壓推進技術的主要原理是：

通常情況下，土倉外面的土體的穩定性都是通過推力、出土速度以及推進速度這三個參數來進行控制的，而刀盤與刀具的磨損大多都是由于在推進過程中與土體發生磨損而造成的。實踐證明，推力越大，對刀具和刀盤的磨損就越大。

采用欠壓推進技術，能夠在加快出土速度的同時又減少其總推力，當刀盤進行土體切削時，其摩擦力也小于以往，從而大大的減少了對刀盤和刀具的損害，延長了其使用壽命。

通過不斷的反復試驗，并根據施工現場的數據反饋表示，要加強地鐵隧道的施工質量，必須不斷的優化現有的施工工藝，完善盾構法，應用創新的欠壓推進技術，從而加強工程的質量，保證日后使用不會威脅到人民的人生財產安全。

總結：

北京某地鐵線的某一標段是同期施工中率先完成的施工目標之一。本文通過對該工程施工中的盾構法的仔細分析得出，要順利的完成地鐵隧道工程必須對工程中的每一個環節進行嚴格的控制，在盾構區間的施工中，必須對其地質條件進行仔細的研究，找出最科學、合理且符合實際情況的施工方案，只有這樣，才能建設更多高質量的隧道工程。

參考文獻

[1] 蒙潔.隧道盾構法施工問題及對策分析[J].城市建設理論研究（電子版），2012，（15）.

[2] 李娟.盾構刀具的三維動態仿真研究[D].天津大學，2008.

[3] 董勝憲，尤雪娣.大直徑盾構法施工在三門核電廠取水工程中的應用[J].電力建設，2011，32（5）：111-113.DOI：10.3969/j.issn.1000-7229.2011.05.02

[4] 羅賽楠.基于層次分析法的盾構法隧道施工風險辨識和評估方法研究與應用[D].上海大學，2009.

[5] 戴仕民，史志，朱立平等.同步延伸渣土連續運輸系統在隧道施工中的應用[C].//中國煤炭學會煤礦運輸專業委員會2009年學術年會論文集.2009：16-19.