盾構施工問題統計與分析

秦海洋　劉厚全　程飛

隨著交通行業的迅速發展，地鐵已經成為衡量城市交通是否便利的一個重要指標，許多一、二線的城市都相繼開發出各自的地鐵線路。地鐵施工地處城市，故施工過程中對周圍環境影響的控制較為嚴格。傳統明挖法占地較大，對交通的影響較為嚴重。因此，采用盾構法施工將成為首選。

運用盾構法進行地鐵施工時，會出現各種各樣的問題。例如：北京地鐵四號線采用盾構法施工時經過砂卵石地區，滾刀磨損嚴重；上海地鐵施工時土壤敏感度較高，盾構施工過程中土壓力不平衡問題常常出現等。近年來，隨著地鐵盾構施工的廣泛應用，更多問題暴露了出來。例如，地鐵盾構施工過程中控制室的熱平衡問題，施工所引起的地表沉降問題，施工完成后所產生的盾構管片上浮問題等。

各個城市地鐵發展現狀不同，東部地區城市地鐵線路較為成熟，西部地區城市地鐵線路較為稀疏。因此，未來地鐵盾構施工在我國的發展相當可觀，但施工過程中所出現的一系列問題，制約著其在地鐵施工中進一步發展。因此，盾構施工問題的解決迫在眉睫。

近年來，隨著交通行業的快速發展，城市地下空間的開發愈發重要。盾構機作為城市地鐵隧道開挖利器，將承擔不可替代的作用。據統計，采用盾構法施工的掘進量占北京地鐵施工量的48%。因具有效率高、不阻隔交通、受季節氣候影響較小等優勢，盾構法未來將有更大的發展空間。因此，盾構機的改進、盾構方法的提高至關重要。

盾構機在地鐵項目中被廣泛應用的同時，顯現出來的問題也越來越多，例如地表變形沉降、刀具斷裂、施工完成后盾構管片緩慢上浮、盾構區間內的熱平衡等問題。為了尋求這些問題的解決方法，國內許多學者采用理論分析、試驗模擬等方法對盾構施工過程中出現的問題進行了研究：魏剛、周洋等在《盾構隧道施工引起的工后地面沉降研究》中采用軟件計算，分析了盾構開挖過程中地面變形的規律，并將該計算結果和實測值進行了對比分析，總結出了該過程中地面變形的機理；蔣建敏、賀定勇、趙學彬等在《盾構機刀具制造用耐磨耐沖擊堆焊藥芯焊絲研究》中針對刀具斷裂問題進行了深入研究，開發出新型的DG7焊絲，并采用該焊絲對斷裂刀具進行焊接，強度顯著增強，且刀具壽命不受斷裂縫的影響；何川、汪洋等在《土壓平衡式盾構掘進過程的相似模型試驗》中針對盾構施工時的土壓平衡問題進行了長時間的研究，對傳統的土壓平衡提出了一些建議；肖明清、孫文昊、韓向陽在《盾構隧道管片上浮問題研究》中采用理論分析和試驗探究的方法，對施工完成后盾構管片的緩慢上浮問題進行了研究，將上浮機理分為軟巖和硬巖上浮2個方面。這些科研成果對我國盾構技術的發展產生了巨大的推動作用。到目前為止，有關地鐵盾構的文獻大多為討論施工方法，對于盾構施工過程中出現的問題尚無系統的統計分析，鑒于此，為了使盾構機在地鐵隧道的建設中更好地發展，有必要對其存在的問題進行整理分析，以期豐富相應的理論，為施工提供經驗。

盾構機的分類

按照斷面類型，盾構機可以分為三類，即圓形盾構、多圓盾構以及異圓盾構。其相互關系如圖1所示。

圓形盾構為一個主軸帶動刀盤進行轉動；多圓盾構為多個圓形盾構的刀盤交錯重合而成；異圓盾構刀盤形式較為復雜，具體如圖2所示。

異圓盾構的刀盤可以簡化為機架（盾構機頭）、主軸I、主軸II、曲柄軸（固連刀盤）4個部分組成的四連桿運動機構，主軸I與主軸II按設定的轉速轉動時，曲柄軸劃過的面積則為非圓斷面盾構機的開挖面形狀。只需要調節主軸I與主軸II的長度和轉速，就可以控制開挖截面的形狀。因此，實際工程中可根據要求將截面形狀設計成矩形、馬蹄形和橢圓形等。

工程應用中的問題統計

盾構機在施工過程中出現的問題多種多樣，實際工程中的部分統計結果，如表1所示。

將盾構施工過程中出現問題的37個工程實例進行整理，結果如圖3所示。

問題分析

圖3統計結果顯示，盾構法施工時常見的問題有地表變形過大、刀具斷裂磨損、土壓倉壓力不適、施工完成后二襯管片上浮、盾構區間內的熱平衡問題等，具體如圖4所示。

沉降問題

沉降是盾構施工過程中最直觀的問題，包括前期下沉和后期下沉。前期下沉主要是由于開挖面不穩導致的；后期下沉主要是由于管片管線下沉導致的，根本原因是裂隙閉合、注漿流動、應力重分布等導致的土體移動。相比而言，后期沉降較為明顯。

地鐵盾構施工過程中，沉降問題普遍存在，新疆某地下商場在采用矩形盾構法進行盾構施工時，曾出現了較大的地面沉降。造成此處地面沉降的原因主要是后期沉降，即由于注漿在施工裂隙中的移動以及施工裂隙的閉合使該處土體的應力分布發生了變化。

采用盾構法進行地鐵開挖出現的沉降與多個因素有關，包括地質條件、埋深、斷面、注漿材料、開挖速度等。在現有技術水平下，為減小施工后期盾構對地表的影響，常綜合注漿、預埋樁、打錨的方法進行地表和內部土體的加固處理，盡量避免對土體較大的擾動。對于地表要求較為嚴格的區域，也可采用凍結法施工，但這種方法價格昂貴且技術要求高，一般不常使用。

刀具斷裂磨損

地鐵開挖設備包括2類：掘進機（TBM）和盾構機。其中，掘進機主要用于硬巖開挖，盾構機主要用于軟巖開挖。但在現實工程中，巖土并非軟硬分明，這種情況下，軟巖盾構機面臨嚴重的刀具斷裂磨損，是盾構施工過程中急需解決的問題。刀具斷裂磨損程度與刀具材料、刀盤結構設計等因素息息相關。

北京地鐵5號線穿過含砂率為1/3的砂土區，相當一部分開挖土體含大量碎石、卵石。盾構施工過程中刀具磨損嚴重，有刀具斷裂現象出現，如圖5所示。

宋云、蔣建敏等在刀具材料的開發方面進行了大量的試驗研究，研發出了新型焊絲（DG7）。采用該焊絲對刀具斷裂處施焊，強度顯著增強。北京地鐵5號線施工過程中曾采用了該方法，效果明顯。采用該焊絲施焊后的刀片如圖6所示。

土壓力平衡問題

土壓平衡原理如圖7所示，即在刀盤附近的輸送器側安裝隔板，在刀盤與隔板間形成一個密封良好的土壓倉，待渣土進入倉后，通過改變隔板受到千斤頂推力的大小控制土壓倉的壓力，以維持開挖面土體的穩定。

單軸式盾構機刀盤主要圍繞軸心轉動，偏心多軸式盾構機在圍繞其軸心轉動的同時，所固連的曲柄軸也在圍繞主軸轉動，承受著較多來自刀盤邊緣的擠壓，剪力影響較大，受力復雜。因此，在進行盾構開挖時，建立適當的土體壓力較為困難，面臨著較多危險。

日本國鐵羽越線折渡隧道盾構施工過程中，曾采用土壓平衡的矩形盾構法。由于該區間土體穩定性差，在施工過程中泥土室建立的壓力過小，導致開挖面流沙，被迫停工，最后采用挖掘機進行該段的施工。

盾構機在施工過程中受力復雜，土壓力建立的關鍵問題是自適應性，即隨著圍巖等級、受力性質、曲軸運動的變化，壓力倉的土壓力應能夠自我調節，以進行連續的開挖工作。何川、胡國良等人通過試驗模擬等手段對自適應性進行了分析，如圖8所示。研究發現，當圍巖等級等外界因素改變時，可以通過改變螺旋輸送機的轉速和壓力室土體的含水量來控制壓力室土體的壓力，以解決盾構機土壓力平衡的自適應問題。

管片的上浮問題

管片上浮是盾構施工過程中不可忽視的問題，嚴重影響著施工質量。特別是近年來越江隧道的施工中，由于土體土質多接近黏性，導致管片的上浮問題越發突出。根據統計，管片上浮幅度在已施工的隧道中表現為40～90 mm。

管片上浮多發生在盾構襯砌施工完成后較長的一段時間內，引起管片上浮的原因多種多樣，大致可以分為2方面：一方面，開挖施工對原狀土層進行了大范圍的擾動，襯砌施工完成后土層應力重分布，導致土體下移，管片上浮；另一方面，管片拼裝完畢后，管片背后殘留有空洞，需要注漿予以填充，流動注漿體對盾構襯砌有向上的浮力作用，引起管片上浮。結合上述管片上浮的原因，可以得出管片上浮具有以下特征：受圍巖等級、土體性質、注漿材料、注漿方法等的影響；上浮速率先快后慢，前期在注漿浮力作用下，上浮相對較快，后期管片上浮是由土體的應力重分布引起的，因此管片上浮速率較慢。

針對管片上浮的原因，工程施工中，可在注漿材料的選擇方面采取以下方法予以預防：針對軟土地層，選用早強低、流動性大的注漿材料；針對巖性地層，選用瞬凝性漿液。

熱平衡問題

熱力平衡問題即由于冷卻水和通風機狀態不適，導致的盾構機機頭溫度高于其他部分、液壓油溫度過高、通風不足等現象。在地鐵隧道的施工中，熱平衡問題嚴重影響盾構機的正常運行和操作人員的工作效率。

廣州地鐵2號線曾采用盾構法進行隧道開挖，開挖過程中盾構機曾發生過多次停機事件，調查結果表明是由于夏季施工時冷卻水溫度過高，以致于油液溫度沒有降低，最終迫使盾構機停機。針對此次熱力平衡問題，中鐵隧道在廣州地鐵2號線的施工過程中從以下3個方面入手解決，并取得了良好的效果。

（1）適當加大土壓倉的水分。盾構掘進時，適當加大土壓倉的含水量，在潤滑渣土的同時加快了刀盤的冷卻，效果明顯。

（2）嚴格控制進口冷卻水的溫度。限制冷卻水的溫度在一定的范圍內。

（3）因地制宜地對原有盾構機的通風系統進行適當調節。廣州地鐵2號線采用海瑞克公司生產的機內抽風式盾構機，由于廣州潮濕多雨等原因，導致機內抽風不足，操作室內悶熱異常。經改裝后，原機內抽風變為機內壓風，效果明顯。

發展展望

盾構機在未來的發展需要解決許多問題，除了上述各類基本問題外，還包括施工智能化、檢測智能化等問題。施工智能化具體表現在高效節能、精確控制、施工VR模擬、智能導向等方面。檢測智能化具體表現在系統敏感性、自動檢測、自動修復等功能的提高。

隨著交通事業的快速發展，以及電子技術、定位技術、遙控技術、成像技術的成熟，盾構機在未來將有更廣泛的應用，逐步推廣到地鐵、地下人行通道、海底隧道和地下綜合管溝的建設中。

采用盾構法進行地鐵隧道施工具有眾多優點，包括：受季節氣候影響較小；不影響交通航線；開挖、出土、管片拼接過程自動化、智能化；掘進速度快；對土體擾動較小等。因此，采用盾構法進行地鐵施工將是大勢所趨。

在采用盾構法進行大范圍施工的時候，其存在的問題也逐漸表現了出來，包括土壓平衡和壓力倉密封問題、地表變形沉降問題、刀具斷裂磨損問題、盾構區間內的熱平衡問題以及施工完成后二襯管片的上浮問題等，這些問題需要我們不斷采用新技術、新方法去解決。

在地鐵開挖過程中，我們要積極處理好各方面關系，包括理論研究與工程經驗的關系、效率與質量的關系、投資與收益的關系、實現便捷與保護自然的關系等。