地鐵施工中盾構法施工技術探討

杭州市地鐵集團有限責任公司

摘要：隨著城市化進程的不斷加快，交通壓力與日俱增，在此背景下，城市軌道迎來了良好的發(fā)展機遇。在地鐵施工中，盾構法施工技術以其諸多優(yōu)勢獲得了廣泛應用，并發(fā)揮出了相當重要的作用。本文基于地鐵施工中盾構法施工技術進行相關探討，希望能夠促進該項技術的不斷完善，使其在地鐵施工中發(fā)揮出更大的作用。

關鍵詞：地鐵施工；盾構法施工技術；應用

盾構法施工技術具有諸多優(yōu)勢，不僅環(huán)境影響小，而且安全快速，同時還具有適用范圍廣的特點，因而在我國城市地鐵施工中得以廣泛應用。

1.地鐵施工盾構法概述

1.1盾構法工作原理

盾構法施工技術的工作原理是：借助盾構機殼體強有力的支護功能，圍巖不在暴露，大幅度提高了施工的安全系數(shù)；盾構機前端有刀盤開挖系統(tǒng)，在盾構推進時邊開挖邊前進；盾構機內(nèi)部有管片拼裝系統(tǒng)，在掘進過程中完成管片拼裝，隧道襯砌完成；另外，還可以通過盾構機尾部系統(tǒng)進行注漿施工，有效地保證了圍巖穩(wěn)定性。

1.2盾構法施工特點

盾構法施工技術屬于一種新興的、高效的現(xiàn)代施工方法，其施工特點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1）對地面建筑以及周邊環(huán)境影響小。施工過程中，噪聲和振動及其負面影響得到了有效控制，不會妨礙地面交通[1]。2）盾構法施工技術在管片制作時就表現(xiàn)出了良好的精度，即采用盾構法施工能夠保證隧道精度符合設計和使用要求，一般不會造成浪費。3）在盾構施工過程中，盾構機僅支持單向前進施工，不支持后退，一旦施工完成將不可逆轉。所以，在施工每一環(huán)上，都應做好充分準備，規(guī)避不當操作，才能保證施工的正常開展。4）盾構機屬于一種專用設備，每一條隧道有不同的地質(zhì)狀況，不同城市的地鐵襯砌斷面也不盡相同，則需要對盾構機進行必要的調(diào)整和改造，才能更好地服務于地鐵建設。

2.地鐵盾構法施工技術的應用

以杭州地鐵1號線某區(qū)間施工為例。該盾構區(qū)間采用單圓隧道，隧道內(nèi)徑5.5m外徑6.2m，襯砌管片環(huán)寬1.2m，厚35cm，每環(huán)6塊，采用錯縫拼裝。左右線間距6～12m。區(qū)間盾構采用加泥式土壓平衡盾構機（日本小松株式會社制造，型號為TM634PMX）掘進施工。地質(zhì)狀況：盾構穿越地層有⑥1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉砂層、③5粉砂層、③6粉砂土層，含水量都在40%～60%之間，屬極易發(fā)生觸變、不穩(wěn)定的軟弱圍巖。

2.1盾構始發(fā)

2.1.1始發(fā)豎井及盾構組裝

為便于盾構機安裝，在車站端頭需設置盾構始發(fā)豎井，井寬一般超過盾構直徑1.6～2.0m[2]，確定盾構井長度時應考慮兩大因素，一是便于安裝，二是便于始發(fā)作業(yè)，一般大于盾構殼體長度2～3m。對于始發(fā)豎井而言，其井壁通常采用鋼筋砼結構，借助龍門式起重機以完成相應的起重作業(yè)，將盾構機分解件陸續(xù)搬入始發(fā)井就位、組裝、調(diào)試。尤其要保證的一是反力裝置的穩(wěn)固性，二是盾構始發(fā)導口的密閉性。盾構機后配套設備根據(jù)站內(nèi)條件一般都可全部組裝完成。

2.1.2盾構始發(fā)端加固區(qū)

為保證盾構始發(fā)安全，透水性較好的軟弱圍巖和地下水豐富的地層，都需要在始發(fā)點前端，設置加固區(qū)。主要目的就是要防止泥、水進入還沒有完全封閉能力的盾構機尾部。其作用如下：1）使開挖面具有足夠的穩(wěn)定性，避免土體坍塌。2）阻斷透水通道，避免地下水滲入。一般采用高壓旋噴和三軸攪拌設備，向土體內(nèi)加入一定比例的水泥。加固區(qū)長度一般大于盾構機殼體長度3～4m，寬度為盾體機直徑2倍以上。

2.1.3洞口止水

由于洞口外徑大于盾構管片外徑，兩者之間有一個環(huán)形空隙。為避免地下水通過該空隙涌出，在盾構靠上洞門體前，須在洞門處設置一條環(huán)形橡膠止水帶和一道環(huán)形鋼板以實現(xiàn)對空隙的有效封堵。盾構機殼體進入洞體，管片拼裝到洞口后，將橡膠止水帶用環(huán)形鋼板與預埋在洞口上的預埋件進行有效的焊接固定，從而實現(xiàn)洞口與管片空隙徹底密閉的目的。如有滲漏可采用注漿止水等措施進一步封堵。

2.1.4盾構始發(fā)

盾構始發(fā)與推進是依靠自身的液壓推進系統(tǒng)進行，將推進油缸頂在反力架上（或負環(huán)管片上），啟動刀盤，推進油缸便可開始挖掘推進。

2.2盾構掘進

2.2.1盾構姿態(tài)控制

盾構偏向是指，盾構機平面或高程偏離既定軸線，且大于允許范圍。盾構推進的過程中，受以地質(zhì)條件為代表的諸多條件的影響，盾構有可能出現(xiàn)偏向問題。可采用導向儀、陀螺儀或高精度經(jīng)緯儀等高精度儀器以實現(xiàn)對盾構方向的有效監(jiān)控。盾構姿態(tài)控制主要依靠推進千斤頂、配重、注漿等方式實現(xiàn)。

2.2.2土倉壓力控制

為實現(xiàn)對地面沉陷以及隆起的有效控制，必須保證開挖面水土壓力處于平衡狀態(tài)。對于土壓艙內(nèi)計劃土壓力而言，其設定值可通過如下公式進行計算[3]：

P=P1+P2+P3+0.02MPa

式中：P1指的是孔隙水壓力；P2指的是地下水位以上土層對應的側向土壓力；P3指的是地下水位以下土層對應的側向土壓力；0.02MPa為經(jīng)驗參數(shù)。

利用土壓計對土壓艙內(nèi)的土壓力值進行收集，并傳輸給計算機以實現(xiàn)對該值的實時監(jiān)控。假若實測值、計算值有偏差時，應對出土量進行及時而有效的調(diào)整，與此同時，還需要參考地面隆陷信息、土層變化、地下水位變化等諸多信息以實現(xiàn)對計劃土壓力積極有效調(diào)整，從而避免涌砂或者坍塌的發(fā)生。假若盾構需要穿過砂質(zhì)土層，為保證土壓艙中的泥土能夠正常流動，建議在盾構推進的過程中，注入一定的粘土或膨潤土。

2.2.3出土量的控制

工作面土體被切削之后，將會經(jīng)由土壓艙借助螺旋出土運輸器將其排出，同時部分泥土將會被截留在出土器中，保持一定壓力，從而為開挖面的穩(wěn)定性提供保障。對土壓艙內(nèi)的土壓力進行監(jiān)測，如果超過設計土壓力，則需要加大出土量；如果小于設計土壓力，則需要減少出土量，從而保障對工作面水土壓力的動態(tài)平衡。

2.2.4盾構的掘進

盾構設備整個進入隧道之后，按照設計方向進行掘進，該掘進操作由盾構設備配套的計算機系統(tǒng)控制。盾構設備如果發(fā)生偏差，控制系統(tǒng)則會通過調(diào)節(jié)推進油缸以完成相應的調(diào)整，保障掘進的正常進行。與此同時，不僅要保證開挖面土壓始終處于平衡狀態(tài)，還應控制好刀盤轉速和推進速度等，從而實現(xiàn)開挖工作和排土工作的有機配合。見圖2-1盾構機初期掘進示意圖

圖2-1盾構機初期掘進示意圖

盾構進入正常掘進階段，控制好盾構掘進參數(shù)，需一段時間探索、調(diào)試、磨合。盾構前行推力、刀盤扭矩、土倉壓力、推進速度、出土量、注漿量等，要達到和諧統(tǒng)一，掘進工作才能順利。衡量掘進質(zhì)量標準有地表沉降、軸線偏移、水平偏移、管片拼裝平順度等。不同的地質(zhì)條件、不同的設備有不同的掘進參數(shù)，杭州地鐵該區(qū)間的推進參數(shù)見表2-1。

杭州地鐵某區(qū)間隧道盾構推進參數(shù) 表2-1

環(huán)號開挖時間結束時間土倉壓力（上） MPa推力

T扭矩

KN.M速度

CM/min注漿量M3注漿壓力MPa出土量M3

13723：0523：530.23128713502.50.35447

13800：4601：350.23127513892.40.35448

13905：0005：490.23128312352.40.34448

14006：3707：250.23129314252.40.34447

14112：2613：150.23128514202.40.34447

14215：2616：210.23126513192.20.35447

2.3管片拼裝

2.3.1管片拼裝

管片拼裝是盾構法隧道施工的重要環(huán)節(jié)。管片拼裝的質(zhì)量直接影響到隧道壽命及長久防水能力，因此嚴格控制管片安裝質(zhì)量至關重要。按設計該項目區(qū)間工程管片均采用錯縫拼裝方式，拼裝時先拼裝底部標準塊，然

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