土壓平衡盾構在天津地鐵2號線的應用

摘要：文章通過對天津地鐵2號線隧道盾構工程的施工介紹，系統地闡述了土壓平衡盾構施工方法，大大地加快了施工進度、提高了工作效率。采用土壓平衡盾構施工方法后，解決了在城市中心施工難度大、風險大、工期長等弊端，施工質量容易控制，具有較好的社會經濟效益，值得在地鐵、市政、能源等工程中進行推廣。

關鍵詞：土壓平衡盾構；地鐵施工；隧道施工；工程技術；附屬設備

中圖分類號：U231 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）30-0051-03

1 概述

1.1 工程概況

天津地鐵2號線為西南角站—鼓樓站—東南角站（兩個區間一個車站），鼓樓站為地鐵2號線的中間站，車站主體位于南馬路與南門外大街以及城廂中路交叉路口沿南馬路方向的路面下。鼓樓站車站采用12m站臺雙層雙跨單柱島式車站。車站總長度為281.8m，標準段寬度為20.5m，高度為13.71m。車站主體基坑圍護結構采用地下連續墻，厚度800mm，標準段、盾構井段地連墻深度均為32m。

西南角站—鼓樓站區間線路西起位于西馬路、南開三馬路與南馬路交叉口的西南角站，沿南馬路東行，至南門外大街、城廂中路與南馬路的交叉口。西南角站—鼓樓站左線區間長604.48m，右線區間長604.572m。區間平面布置于南馬路下，左線設兩條半徑為3000m的曲線，右線設三條半徑為3000m的曲線，線間距由出西南角站時的15.6m過渡到鼓樓站的15m。區間縱斷面由西南角站向鼓樓站為“V”字坡，出西南角站坡度為9″，在DK9+300變坡，后變坡度為12.776″（左、右線為12.77″）進入鼓樓站。區間頂部覆土約為9～13m。

鼓樓站—東南角站區間西起位于南馬路與南門外大街、城廂中路交叉口的鼓樓站，沿南馬路東行，穿越城廂東路與榮業大街，最終到達位于南馬路、通南路與東馬路、和平路交叉口的東南角站。鼓樓站—東南角站左線區間長575.624m，右線區間長528.685m。區間平面布置于南馬路下，左線設兩條半徑為3000m的曲線，右線設一條半徑為3000m的曲線，線間距由出鼓樓站的15m過渡到東南角站端的17m。區間縱斷面由鼓樓站向東南角站為一單向坡，出鼓樓站坡度為2″，在區間中部先變為24.104″（左線24.746″），后變坡為5″，最后以2″進入東南角站。區間頂部覆土約為10～16m。

1.2 水文、地質條件

西鼓區間、鼓東區間地表層地下水類型主要為第四系孔隙潛水，賦存于Ⅱ、Ⅲ陸相層及其以下的粉土、粉細砂層的地下水具微承壓性，為微承壓水。

西鼓區間所處地段屬沖積平原，地形平坦，地面高程2.92～3.92m。本區地層為第四系全新統人工填土層（人工堆積Qml）、第Ⅰ陸相層（第四系全新統上組河床～河漫灘相沉積Q43al）、第Ⅰ海相層（第四系全新統中組淺海相沉積Q42m）、第Ⅱ陸相層（第四系全新統下組沼澤相沉積層Q41h、河床～河漫灘相沉積Q41al）、第Ⅲ陸相層（第四系上更新統五組河床～河漫灘相沉積Q3eal）、第Ⅱ海相層（第四系上更新統四組濱海～潮汐帶相沉積Q3dmc）、第Ⅳ陸相層（第四系上更新統三組河床～河漫灘相沉積Q3cal）。

鼓東區間所處地段屬沖積平原，地形較平坦，地面高程為3.28～3.9m。工程涉及地層主要為第四系全新統人工填土層（人工堆積Qml）、新近沉積層（故河道、洼淀沖積Q43Nal）、第Ⅰ海相層（第四系全新統中組淺海相沉積Q42m）、第Ⅱ陸相層（第四系全新統下組河床～河漫灘相沉積Q41al）、第Ⅲ陸相層（第四系上更新統五組河床～河漫灘相沉積Q3eal）、第Ⅱ海相層（第四系上更新統四組濱海～潮汐帶相沉積Q3dmc）、第Ⅳ陸相層（第四系上更新統三組河床～河漫灘相沉積Q3cal）。

2 土壓平衡式盾構施工

2.1 機具設備

盾構隧道工程的機具設備包括兩大部分：一是盾構機械本身及其附屬設備，二是隧道施工常用設備。

2.1.1 土壓平衡式盾構機械及附屬設備見表1和

2.2 工藝原理

EPBS是在局部氣壓式盾構和泥水加壓式盾構基礎上發展起來的一種適用于飽和含水軟弱地層中施工的新型盾構，其施工方法是為了保持開挖面的穩定，在切削刀盤后的密封腔內充填開挖下來的土砂，并保持一定壓力的一種方法。土壓平衡式盾構可以分為兩類：一類是在粘性土地層中將開挖下來的土體直接充填在切削腔內，用螺旋輸送機調整土壓，使土艙內土體與開挖面水土壓平衡；另一類是在砂性土地層中向開挖下來的土砂中加入適量的水或泥漿、添加劑等，通過攪拌以勻質、具有流動性的土體充填土艙和螺旋機，達到工作面的穩定。

土壓平衡盾構是利用安裝在盾構最前面的全斷面切削刀盤，將正面土體切削下來的土進入刀盤后面的貯留密封艙內，并使艙內具有適當壓力與開挖面水土壓力平衡，以減少盾構推進對地層土體的擾動，從而控制地表沉降，在出土時由安裝在密封艙下部的螺旋運輸機向排土口連續的將土渣排出。

2.3 施工工藝流程

2.3.2 施工順序說明：在始發井主體結構回填場地上進行地面硬化并根據施工需要建地面配套設施（如45t龍門吊、16t龍門吊、碴土坑、配電房、循環冷卻水池、倉庫、電瓶機車充電池等）。盾構機進場后，經拼裝、調試后從始發井出發，西鼓區間、鼓東區間左右線兩臺盾構機始發時間需相差1個月，且前后錯開距離不小于100m，聯絡通道施工在盾構掘進施工后期，洞門施工在盾構機進洞后進行。

盾構法施工主要包括三個施工環節：盾構機出洞、區間段的施工、盾構機進洞。

西鼓區間原設計掘進方向為鼓樓站右線始發→右線掘進→西南角站調頭→左線掘進→鼓樓站結束。

鼓東區間原設計掘進方向為鼓樓站右線始發→右線掘進→東南角站調頭→左線掘進→鼓樓站結束。endprint

其中西南角站為天津地鐵1號線和2號線換乘站，東南角站為天津地鐵2號線和4號線換乘站。

為滿足天津地鐵2號線2010年底試通車的總工期要求及第8施工合同段各節點工期目標要求，經地鐵集團公司與設計院及施工單位多次研究，將西鼓盾構區間掘進方向調整為西鼓盾構區間左線按原設計方向掘進，右線調整為西南角站右線始發→右線掘進→鼓樓站結束；鼓東盾構區間掘進方向調整為鼓東區間右線按原設計方向掘進，左線調整為鼓樓站左線始發→左線掘進→東南角站結束。

2.4 主要項目的施工方法

2.4.1 區間隧道盾構法施工。盾構施工隧道內運輸采用電瓶機車牽引出土碴車、管片運輸平板車及漿罐車，以有軌運輸方式出碴、運送管片、漿液及其他材料。盾構工作井口設龍門吊，進行豎井垂直運輸和襯砌管片的場內運輸。地面設存土坑、管片存放場及

20m3/h漿液拌和站，同步注漿漿液通過管道輸送到井下的砂漿車中。盾構隧道通風采用壓入式通風，隧道斷面風速≥0.5m/s。通風機安裝在盾構井井口處。西鼓區間施工受西南角站內場地條件限制，西鼓區間左線前100m施工時，需借助右線盾構井進行出土、管片運輸及材料吊運；右線盾構機安裝時在主機與后配套臺車之間延長100m管線，開始掘進至掘進完成均利用右線盾構井作為出渣進料通道。在西南角車站內距盾構井70m位置設置10t電動葫蘆，配置6個3m3小渣斗出土。

2.4.2 聯絡通道施工。盾構隧道聯絡通道相應位置預設特殊管片，在盾構隧道內采用暗挖法施工。

聯絡通道施工時先在聯絡通道開口環不開口的部位設支撐，然后在聯絡通道位置的管片上開口。人工開挖，邊開挖邊施做初期支護，然后鋪設防水板并澆筑二次襯砌混凝土，最后施作框架梁。

聯絡通道施工用水、用電從盾構機隧道施工管線上預留的接口接入；洞內設小型電動空壓機提供施工用風；出土和材料運輸利用盾構施工軌道運輸車進行。

2.4.3 洞門施工。盾構隧道左右兩線共有4個洞門，待盾構隧道貫通后盾構機解體吊出后進行施工。拆除洞門處管片，預埋管片螺栓、綁扎鋼筋，按設計圖立模、澆筑洞門混凝土。

2.5 操作要點

施工時，應不斷對日常操作等活動進行管理，隨時注意開挖面的狀態、隧道中心線偏移量、一次襯砌環狀況、注漿狀況以及對地表變形的影響等。

2.5.1 初始推進段施工。盾構從豎井出發后一般需有一段距離作為推進試驗階段，在這期間施工人員的任務：（1）熱練掌握EPBS的性能和運行狀況；（2）確定適合于本工程和盾構的施工管理的要素；（3）摸索出此盾構施工中地表變形的一般規律。

在試驗段推進中，結合地表變形量測情況和工程質量、盾構設備的要求，對施工參數反復量測、分析、調整，進一步優化。對于土壓平衡式盾構而言，一般選定以下幾個施工參數進行優化：上艙土壓力、推進速度（千斤頂行程速度）、總推力、刀盤扭矩、出土量、注漿狀況（數量、壓力）等。

2.5.2 地表變形控制。EPBS在初始段推進中摸索出變形一般規律及有效的防治措施后，根據沿途環境情況設置要求不同的量測段，做更深入具體的地表沉降值、土壓力、孔隙水壓力及添加劑量、注漿狀況等方面的量測和管理工作。

2.5.3 土壓力管理。土壓力一般通過裝置在密封土艙內的土壓計檢測讀出，通常較為合適的土壓力P0范圍是：（水壓力+主動土壓力）

土壓力P0設定與管理方法為：（1）理論估算，經驗判斷，確定一個較理想的P0值；（2）精心操作，認真量測，及時反饋信息，根據出土量與地表沉降數據對P0相應調整；（3）對已定P0進行動態管理，以適應連續推進情況。

2.5.7 其他操作要點：（1）對隧道施工所需的主要材料及制品應進行必要的試驗和檢查，確認其質量、形狀、尺寸、強度等與說明書或質保書相符合之后再使用；（2）盾構推進中千斤頂及其所產生的推力的選擇，這樣既不會使工作面受到損害，又不會使襯砌等后方結構受到損傷，并使盾構在設計軸線上準確推進；（3）推進測量是為了使隧道誤差在容許范圍內，在推進時使拼裝好的襯砌和盾構在設計位置上，及早掌握其偏差，并及時嚴格糾正。原則上每環盾構姿態、襯砌位置各測一次，并將結果在下一環推進之前反饋給施工管理人員和盾構司機；（4）對管片運輸、儲存要加強管理，在運輸過程中防止管片受到損傷，在現場的臨時堆放應能適應盾構施工進度且有一定的富余量；（5）本工法采用干式出土，因此隧道運輸的合理安排和調度是保證盾構推進進度的重要因素。

3 結語

土壓平衡盾構施工工法在天津地鐵2號線第8合同段得到了較好的應用，能很好地控制地表沉降，施工速度快，易于環境保護，易于質量控制。采用盾構方法施工，解決了在城市中心施工難度大、風險大、工期長等弊端。在確保質量的情況下，可以大大地縮短工期，并且可節約投資費用。適宜在市區和建筑物密集區施工，具有一定的社會經濟意義，值得推廣應用。盾構法施工具有較好的應用前景及社會效益。

作者簡介：楊明偉（1957-），男，云南人，中國水利水電第十四工程局有限公司工程師，研究方向：施工機械設備運營管理。

其中西南角站為天津地鐵1號線和2號線換乘站，東南角站為天津地鐵2號線和4號線換乘站。

為滿足天津地鐵2號線2010年底試通車的總工期要求及第8施工合同段各節點工期目標要求，經地鐵集團公司與設計院及施工單位多次研究，將西鼓盾構區間掘進方向調整為西鼓盾構區間左線按原設計方向掘進，右線調整為西南角站右線始發→右線掘進→鼓樓站結束；鼓東盾構區間掘進方向調整為鼓東區間右線按原設計方向掘進，左線調整為鼓樓站左線始發→左線掘進→東南角站結束。

2.4 主要項目的施工方法

2.4.1 區間隧道盾構法施工。盾構施工隧道內運輸采用電瓶機車牽引出土碴車、管片運輸平板車及漿罐車，以有軌運輸方式出碴、運送管片、漿液及其他材料。盾構工作井口設龍門吊，進行豎井垂直運輸和襯砌管片的場內運輸。地面設存土坑、管片存放場及

20m3/h漿液拌和站，同步注漿漿液通過管道輸送到井下的砂漿車中。盾構隧道通風采用壓入式通風，隧道斷面風速≥0.5m/s。通風機安裝在盾構井井口處。西鼓區間施工受西南角站內場地條件限制，西鼓區間左線前100m施工時，需借助右線盾構井進行出土、管片運輸及材料吊運；右線盾構機安裝時在主機與后配套臺車之間延長100m管線，開始掘進至掘進完成均利用右線盾構井作為出渣進料通道。在西南角車站內距盾構井70m位置設置10t電動葫蘆，配置6個3m3小渣斗出土。

2.4.2 聯絡通道施工。盾構隧道聯絡通道相應位置預設特殊管片，在盾構隧道內采用暗挖法施工。

聯絡通道施工時先在聯絡通道開口環不開口的部位設支撐，然后在聯絡通道位置的管片上開口。人工開挖，邊開挖邊施做初期支護，然后鋪設防水板并澆筑二次襯砌混凝土，最后施作框架梁。

聯絡通道施工用水、用電從盾構機隧道施工管線上預留的接口接入；洞內設小型電動空壓機提供施工用風；出土和材料運輸利用盾構施工軌道運輸車進行。

2.4.3 洞門施工。盾構隧道左右兩線共有4個洞門，待盾構隧道貫通后盾構機解體吊出后進行施工。拆除洞門處管片，預埋管片螺栓、綁扎鋼筋，按設計圖立模、澆筑洞門混凝土。

2.5 操作要點

施工時，應不斷對日常操作等活動進行管理，隨時注意開挖面的狀態、隧道中心線偏移量、一次襯砌環狀況、注漿狀況以及對地表變形的影響等。

2.5.1 初始推進段施工。盾構從豎井出發后一般需有一段距離作為推進試驗階段，在這期間施工人員的任務：（1）熱練掌握EPBS的性能和運行狀況；（2）確定適合于本工程和盾構的施工管理的要素；（3）摸索出此盾構施工中地表變形的一般規律。

在試驗段推進中，結合地表變形量測情況和工程質量、盾構設備的要求，對施工參數反復量測、分析、調整，進一步優化。對于土壓平衡式盾構而言，一般選定以下幾個施工參數進行優化：上艙土壓力、推進速度（千斤頂行程速度）、總推力、刀盤扭矩、出土量、注漿狀況（數量、壓力）等。

2.5.2 地表變形控制。EPBS在初始段推進中摸索出變形一般規律及有效的防治措施后，根據沿途環境情況設置要求不同的量測段，做更深入具體的地表沉降值、土壓力、孔隙水壓力及添加劑量、注漿狀況等方面的量測和管理工作。

2.5.3 土壓力管理。土壓力一般通過裝置在密封土艙內的土壓計檢測讀出，通常較為合適的土壓力P0范圍是：（水壓力+主動土壓力）

土壓力P0設定與管理方法為：（1）理論估算，經驗判斷，確定一個較理想的P0值；（2）精心操作，認真量測，及時反饋信息，根據出土量與地表沉降數據對P0相應調整；（3）對已定P0進行動態管理，以適應連續推進情況。

2.5.7 其他操作要點：（1）對隧道施工所需的主要材料及制品應進行必要的試驗和檢查，確認其質量、形狀、尺寸、強度等與說明書或質保書相符合之后再使用；（2）盾構推進中千斤頂及其所產生的推力的選擇，這樣既不會使工作面受到損害，又不會使襯砌等后方結構受到損傷，并使盾構在設計軸線上準確推進；（3）推進測量是為了使隧道誤差在容許范圍內，在推進時使拼裝好的襯砌和盾構在設計位置上，及早掌握其偏差，并及時嚴格糾正。原則上每環盾構姿態、襯砌位置各測一次，并將結果在下一環推進之前反饋給施工管理人員和盾構司機；（4）對管片運輸、儲存要加強管理，在運輸過程中防止管片受到損傷，在現場的臨時堆放應能適應盾構施工進度且有一定的富余量；（5）本工法采用干式出土，因此隧道運輸的合理安排和調度是保證盾構推進進度的重要因素。

3 結語

土壓平衡盾構施工工法在天津地鐵2號線第8合同段得到了較好的應用，能很好地控制地表沉降，施工速度快，易于環境保護，易于質量控制。采用盾構方法施工，解決了在城市中心施工難度大、風險大、工期長等弊端。在確保質量的情況下，可以大大地縮短工期，并且可節約投資費用。適宜在市區和建筑物密集區施工，具有一定的社會經濟意義，值得推廣應用。盾構法施工具有較好的應用前景及社會效益。

作者簡介：楊明偉（1957-），男，云南人，中國水利水電第十四工程局有限公司工程師，研究方向：施工機械設備運營管理。

其中西南角站為天津地鐵1號線和2號線換乘站，東南角站為天津地鐵2號線和4號線換乘站。

為滿足天津地鐵2號線2010年底試通車的總工期要求及第8施工合同段各節點工期目標要求，經地鐵集團公司與設計院及施工單位多次研究，將西鼓盾構區間掘進方向調整為西鼓盾構區間左線按原設計方向掘進，右線調整為西南角站右線始發→右線掘進→鼓樓站結束；鼓東盾構區間掘進方向調整為鼓東區間右線按原設計方向掘進，左線調整為鼓樓站左線始發→左線掘進→東南角站結束。

2.4 主要項目的施工方法

2.4.1 區間隧道盾構法施工。盾構施工隧道內運輸采用電瓶機車牽引出土碴車、管片運輸平板車及漿罐車，以有軌運輸方式出碴、運送管片、漿液及其他材料。盾構工作井口設龍門吊，進行豎井垂直運輸和襯砌管片的場內運輸。地面設存土坑、管片存放場及

20m3/h漿液拌和站，同步注漿漿液通過管道輸送到井下的砂漿車中。盾構隧道通風采用壓入式通風，隧道斷面風速≥0.5m/s。通風機安裝在盾構井井口處。西鼓區間施工受西南角站內場地條件限制，西鼓區間左線前100m施工時，需借助右線盾構井進行出土、管片運輸及材料吊運；右線盾構機安裝時在主機與后配套臺車之間延長100m管線，開始掘進至掘進完成均利用右線盾構井作為出渣進料通道。在西南角車站內距盾構井70m位置設置10t電動葫蘆，配置6個3m3小渣斗出土。

2.4.2 聯絡通道施工。盾構隧道聯絡通道相應位置預設特殊管片，在盾構隧道內采用暗挖法施工。

聯絡通道施工時先在聯絡通道開口環不開口的部位設支撐，然后在聯絡通道位置的管片上開口。人工開挖，邊開挖邊施做初期支護，然后鋪設防水板并澆筑二次襯砌混凝土，最后施作框架梁。

聯絡通道施工用水、用電從盾構機隧道施工管線上預留的接口接入；洞內設小型電動空壓機提供施工用風；出土和材料運輸利用盾構施工軌道運輸車進行。

2.4.3 洞門施工。盾構隧道左右兩線共有4個洞門，待盾構隧道貫通后盾構機解體吊出后進行施工。拆除洞門處管片，預埋管片螺栓、綁扎鋼筋，按設計圖立模、澆筑洞門混凝土。

2.5 操作要點

施工時，應不斷對日常操作等活動進行管理，隨時注意開挖面的狀態、隧道中心線偏移量、一次襯砌環狀況、注漿狀況以及對地表變形的影響等。

2.5.1 初始推進段施工。盾構從豎井出發后一般需有一段距離作為推進試驗階段，在這期間施工人員的任務：（1）熱練掌握EPBS的性能和運行狀況；（2）確定適合于本工程和盾構的施工管理的要素；（3）摸索出此盾構施工中地表變形的一般規律。

在試驗段推進中，結合地表變形量測情況和工程質量、盾構設備的要求，對施工參數反復量測、分析、調整，進一步優化。對于土壓平衡式盾構而言，一般選定以下幾個施工參數進行優化：上艙土壓力、推進速度（千斤頂行程速度）、總推力、刀盤扭矩、出土量、注漿狀況（數量、壓力）等。

2.5.2 地表變形控制。EPBS在初始段推進中摸索出變形一般規律及有效的防治措施后，根據沿途環境情況設置要求不同的量測段，做更深入具體的地表沉降值、土壓力、孔隙水壓力及添加劑量、注漿狀況等方面的量測和管理工作。

2.5.3 土壓力管理。土壓力一般通過裝置在密封土艙內的土壓計檢測讀出，通常較為合適的土壓力P0范圍是：（水壓力+主動土壓力）

土壓力P0設定與管理方法為：（1）理論估算，經驗判斷，確定一個較理想的P0值；（2）精心操作，認真量測，及時反饋信息，根據出土量與地表沉降數據對P0相應調整；（3）對已定P0進行動態管理，以適應連續推進情況。

2.5.7 其他操作要點：（1）對隧道施工所需的主要材料及制品應進行必要的試驗和檢查，確認其質量、形狀、尺寸、強度等與說明書或質保書相符合之后再使用；（2）盾構推進中千斤頂及其所產生的推力的選擇，這樣既不會使工作面受到損害，又不會使襯砌等后方結構受到損傷，并使盾構在設計軸線上準確推進；（3）推進測量是為了使隧道誤差在容許范圍內，在推進時使拼裝好的襯砌和盾構在設計位置上，及早掌握其偏差，并及時嚴格糾正。原則上每環盾構姿態、襯砌位置各測一次，并將結果在下一環推進之前反饋給施工管理人員和盾構司機；（4）對管片運輸、儲存要加強管理，在運輸過程中防止管片受到損傷，在現場的臨時堆放應能適應盾構施工進度且有一定的富余量；（5）本工法采用干式出土，因此隧道運輸的合理安排和調度是保證盾構推進進度的重要因素。

3 結語

土壓平衡盾構施工工法在天津地鐵2號線第8合同段得到了較好的應用，能很好地控制地表沉降，施工速度快，易于環境保護，易于質量控制。采用盾構方法施工，解決了在城市中心施工難度大、風險大、工期長等弊端。在確保質量的情況下，可以大大地縮短工期，并且可節約投資費用。適宜在市區和建筑物密集區施工，具有一定的社會經濟意義，值得推廣應用。盾構法施工具有較好的應用前景及社會效益。

作者簡介：楊明偉（1957-），男，云南人，中國水利水電第十四工程局有限公司工程師，研究方向：施工機械設備運營管理。