不同地層下盾構機械掘進關鍵技術與風險對策

張婷

【摘 要】當前盾構機械已經被廣泛應用在城市地下空間建設中。但在不同的地層介質中，盾構刀盤扭矩、推力、切割刀材質等方面要做很多的調整，否則將不足以完成掘進任務。根據國內外現有的盾構掘進資料，論文分析了盾構機械在土質地層、土石混合地層、巖質地層中的掘進風險與盾構機械選型及動力調整方案，加強工程技術人員對不同地層盾構掘進風險的認識，并為盾構機械選型提供一定參考。

【Abstract】At present， shield machinery has been widely used in the construction of urban underground space. But in different formation media， the shield cutter torque， thrust， cutting tool material can be adjusted in many ways， otherwise it will not complete the task of tunneling. According to the data of the existing shield at home and abroad， paper analyzes the tunneling risk in soil stratum， rock mixture formation and the rock formation and the type selection of tunneling shield machine and the dynamic adjustment plan， to strengthen the understanding of the shield tunneling risk in different strata for technical personnel， and provide some reference for the selection of shield machine.

【關鍵詞】盾構機械；刀盤扭矩；風險對策

【Keywords】shield machine； cutter torque； risk countermeasures

【中圖分類號】TD406 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）07-0138-02

1 引言

隨著近些年城市規模的不斷擴大，城市交通變得日益擁堵，在這種情況下地下空間的開發與利用成為不可阻擋的趨勢。當前全國各大城市都在進行地下鐵道的建設，盾構機作為一種地下隧道掘進的機械工具，能夠在基本不影響地表交通的情況下快速實現隧道挖掘工作，并且全程地下機械施工，完成隧道開挖、襯砌支護、注漿加固等工作，因此在地鐵建設浪潮中備受青睞，相應的盾構技術也在近些年得到了飛速發展[1]。

在我國不同城市地鐵建設中，遇到了各種各樣復雜的地質狀況與地層情況。總結目前國內20多個城市盾構施工資料，將盾構機械掘進地層分為三大類，分別為土質地層、巖石地層及砂卵石土石混合地層。從地層類別方面出發，結合具體的案例，分別對盾構掘進所采取的關鍵技術、面臨的主要風險及相應的對策進行分析。

2 盾構機簡介

2.1 基本原理

盾構法是目前城市地鐵的主要施工方法。盾構機已經成為一個系統化、配套化的機械系統。一臺典型的盾構機結構如下圖1所示，盾構機由刀盤系統、推進系統、螺旋機系統、仿形刀具系統、同步注漿系統、注水注泥系統等系統組成。其中，刀盤系統負責切削泥土，減小推進阻力，并保持掘進面的穩定。推進系統依靠盾尾千斤頂頂住拼裝好的管片，克服各種摩擦力，是盾構機前進的核心，該系統內一般預留4個不同方位千斤頂用于掘進方向調整。螺旋機系統負責將土倉內的土排出，并通過轉速保持土倉內壓力的穩定。管片拼裝系統負責自動化實現預制管片的安裝，形成洞內襯砌。仿形刀具分布于刀盤邊緣，能夠自由伸縮，在盾構方向改變時能夠實現局部超挖。注水注泥系統是將一些特殊的土或泥水輸送到土倉，改良渣土，可以減小刀盤扭矩，使切削的渣土能夠順利從土倉排出。

2.2 盾構分類

常見的盾構機分為敞開式和封閉式，敞開式用于山嶺巖質隧道開挖，無盾殼支撐，對圍巖的自穩性能要求高。封閉式分為泥水平衡盾構與土壓平衡盾構，城市中大多使用土壓平衡式盾構。

3 土質地層

平原地區城市地下主要以土層為主，土屬于一種典型的彈塑性材料，強度較低，切削容易。當前我國城市土質地下隧道施工的主要方法是淺埋暗挖法與盾構法，相比淺埋暗挖法，盾構法的優勢在于施工速度快。北京地鐵施工時，同樣1公里的隧道，采取淺埋暗挖法施工是盾構法的3～5倍，當前除少數特殊地質情況或隧道太短的情況下，隧道施工均采取盾構法[2]。常見的砂土、粉土、粘土地層中，盾構選型與掘進參數設置均有明顯差異。在砂土類地層中往往采取泥水平衡盾構或土壓平衡盾構機，而在粘土類地層一般選擇土壓平衡盾構機施工[3]。

4 砂卵石地層

在砂卵石地層盾構掘進的主要問題表現為：

①刀具磨損、折斷嚴重；

②掘進面失穩超挖，砂卵石作為一種弱膠結散體材料，擾動后容易失穩坍塌；

③易導致地表塌陷；

④刀盤切削砂卵石地層時，將會產生較大的振動，嚴重時甚至會傳至地表，加速了空洞的發展。

從砂卵石地層反映出的問題分析，解決砂卵石地層盾構開挖的關鍵問題在于解決刀具強度問題與開挖面穩定問題。目前所采取的對策主要由兩方面組成：第一用強度更大、切削巖石用的刀具，第二采取土倉內加泡沫與泥漿的方案，吸收振動能量并維持開挖面穩定。

5 巖質地層

巖質地層掘進采取TBM掘進機，TBM采取刀盤敞開式構造，無需支撐，無需土倉加壓，刀盤上設置滾刀、齒刀實現對巖石等硬質地層的破碎，出渣方式也較為簡單。敞開式的TBM在巖質地層進行隧道開挖的技術已經較為成熟，但是要同時滿足土質與石質地層開挖，常規的TBM很難實現。

在重慶地鐵6號線，采取了復合式TBM（如圖2）進行地鐵隧道的開挖，刀盤帶滾刀，采取高強度切刀，且艙內攜帶破碎機械，實現順利出渣。復合式TBM的采用也避免了采取鉆爆法施工對地表建筑物結構安全的影響。

6 結語

中國城市地鐵建設經歷了一個低速摸索到高速發展的階段，不同地層下盾構機的選型、施工技術參數均經歷了一個從陌生到熟練的過程，施工中的難題已被逐個攻克。工程建設中從最初的考慮機械設備是否可行、風險是否可控、結構是否安全，發展到如今的方案是否經濟、環境影響是否達標、結構耐久性是否有保障，未來盾構機的性能必將會進一步發展，并且在機械配置水平、自動化程度、信息化水平與精度方面還會有更大的發展。

【參考文獻】

【1】劉招偉，土夢恕，董新平.地鐵隧道盾構法施工引起的地表沉降分析[J]. 巖石力學與工程學報，2003，22（8）：1297-1301.

【2】樂貴平.淺談北京地區地鐵隧道施工用盾構機選型[J].現代隧道技術，2003，40（3）：14-30.

【3】趙峻， 戴海蛟.盾構法隧道軟土地層盾構進出洞施工技術[J]. 巖石力學與工程學報，2004，23（s2）：5147-5152.endprint