地鐵工程土壓平衡式盾構施工技術分析

陸 云

上海建科工程咨詢有限公司，上海 200032

1 土壓平衡式盾構的原理和特點

1.1 原理

在土壓平衡式盾構施工環節，經過刀盤切削處理之后所形成的渣土材料會經過刀盤的進口直接傳輸到土倉結構內部，然后經倉內的部件通過攪拌等方式處理后成為流塑狀，盾構設備中油缸所造成的推力經過隔板、土倉中渣土與單盤傳輸到設備前部的掌子面中，保證該位置上的土壓與地下水壓力處于平衡的條件下，掌子面會時刻保持穩定性，然后經過螺旋機深入土倉中就能夠轉動進行排土處理。具體的結構原理見圖1。

1.2 技術特點

土壓平衡盾構是應用設備將切削下的渣土進行改進處理，形成流塑的形式，可以保證土倉的壓力達到要求并進行開挖結構的支撐處理。該環節處于時刻的動態條件下，一方面能夠應用刀盤實施切削處理，另一方面螺旋機能不斷出渣，螺旋機在出渣和保壓動態階段通過葉片結構能夠確保保壓的壓力在規定范圍內，尤其是在施工中如果存在較高的水壓狀態，渣土會在短時間內被稀釋，導致壓力快速下降，而且在土壓壓力升高的情況下，刀盤的攪拌阻力也會相應地升高，一旦超出主體驅動結構的扭矩就會導致其產生堵倉的問題。因此，雖然土壓盾構的優勢明顯，但是盡量不要應用到江河湖海等條件下的隧道施工項目，否則將產生不利的效果。

2 工程概況

某地鐵隧道施工項目中，盾構施工方式的總體長度為3399單線延米，盾構施工的區域范圍內經過2臺盾構設備同時開始掘進施工作業，某個路段的部分采用的是從東北一側出發進行，在經過該部位的貫通處理之后就可以利用礦山法的方式進行掘進吊出施工。該項目里程：左線單線長度為1963.88m，右線單線長度為1435.48m。

3 土壓平衡式盾構施工的技術要點

3.1 選擇符合工程要求的盾構機械設備形式

在實際的設備選型中，應該遵循以下要點：（1）使盾構機的開挖尺寸滿足工程中的斷面設計尺寸的要求；（2）保證盾構機開挖施工范圍內的地質條件滿足使用的需要，有效減少可能產生的沉陷等問題，保證開挖施工作業達到安全性、穩定性的標準；（3）結合盾構機的技術參數在制造前進行全面的計算，并緊密結合盾構區間的地質條件進行深入分析；（4）保證盾構機使用壽命符合要求，各個部件及施工的里程都要達到工程的標準要求，還要滿足預算的要求，最好是采用壽命較長的設備進行施工。

3.2 靈活運用合適的端頭及盾構加固技術

從實際情況分析，盾構開端到末端周圍地層穩定性不足，通常來說該位置上分布著透水性較強的松散砂土、含水黏土等，如不采取有效的措施進行處理，在鑿除洞門維護結構后將可能出現土體或地下水的下陷問題，無法保障建筑物的安全性。因此，在端頭加固的過程中，需要使加固之后端頭的自立性、防水性與強度性能滿足規范要求，從而為整個盾構施工的安全性、可靠性提供良好的基礎。

在地鐵施工項目的地質條件比較差的情況下，可以進行必要的洞口加固處理，有效預防施工中的沉降或塌陷等嚴重問題，如可以在施工中利用深層攪拌法、注漿法、加固法等作業方式開展全面的地鐵工程的盾構加固施工。在施工中，要根據不同的加固施工要求、目標，土體結構性質與類型、土體深度尺寸等選擇最佳的處理方式，但要確保土體強度達到適中的要求，保證各結構部分都有一定的自立性與防水性，同時還應該根據技術方案的要求做好土體強度加固施工的計算、驗證和分析，做好端頭部位的加固施工和土體取樣處理，保證各結構部分的性能合格。

3.3 運用科學合理的盾構掘進技術

盾構掘進施工環節，應根據工程的需要采取科學合理的盾構初始掘進作業方式，具體包含如下兩種：（1）科學合理地應用化學注漿、高壓噴射注漿等作業方式實施地層部分的開挖與加固施工，保證其開挖部位的地下水壓力時刻保持平衡的狀態，使盾構機可以直接插入穩定地層結構中；（2）在開挖面的位置進行擋土墻結構的施工，且需要及時進行開挖作業施工，從而避免在施工中產生土體結構崩潰等嚴重問題。

利用以上兩種施工作業方式可以使豎井擋土墻形成雙層的穩定結構，還可以直接開挖形成另外一個豎井的結構，避免在開挖施工之后產生土體結構崩潰的問題。此外，水泥加固土墻的施工方式也較為常見，應用效果較好。一般來說，盾構掘進施工方式比較多，但是要選擇符合工程實際需要的方式，以提升加固施工的效果。但是在地鐵工程施工環節，由于巖石具備不穩定性特征，在工作面上經常會出現大量涌水。考慮涌水問題帶來的不利影響，可以通過旋轉土壓平衡模式進行施工，控制作業面的土壓及水壓，使其處于平衡狀態。需要注意的是，在盾構掘進模式的選擇上，需要按照項目的變化情況進行選擇，使地鐵工程的土壓得到有效控制，從而保證項目作業的安全與質量。

4 特殊地質條件下的施工要點

4.1 砂質、淤泥地質條件下的施工要點

一般情況下，地鐵項目在實施環節都會遇到沖擊砂層或者淤泥質地層的結構條件，這些地質條件的主要特點是穩定性不足、承載力比較差。因此，這種地質條件下的盾構作業施工應該注意以下四個方面的問題：（1）應根據需要通過土壓平衡式盾構技術做好土量的管理和控制，保證土倉內的壓力符合標準的要求，有效預防出現地表沉降等嚴重的問題；（2）在具體的推進施工環節，要合理地增加必要的施工材料，有效改善渣土材料的性能，避免出現涌水流砂、噴涌等事故問題；（3）要做好盾構路線的研究和確定工作，防止發生盾構抬升的問題；（4）不斷進行技術改革與創新，提高盾構施工的技術水平和工程質量。

4.2 球狀風化地層條件下的施工要點

從盾構施工的實際情況來看，球狀風化層地質條件下的施工質量難以得到保障，并易造成施工設備損壞，因此在該地質條件下應做好以下工作：（1）做好施工前的地質勘探工作，及時了解風化巖的具體情況，結合具體的狀態選擇最佳的實施方案，以保證深孔爆破的施工方式可以順利進行；（2）及時檢查地鐵盾構施工的具體情況，一旦發現異常情況，應立即檢查設備和施工環境，然后進行必要的整改和處理，以提升施工質量；（3）進行必要的風化巖周邊軟土層的加固處理，保證結構的穩定性合格，確保掘進作業施工速度科學合理。

4.3 不均勻地質條件下的施工要點

在施工中難免會遇到不均勻的地質條件，主要是土層硬度相對較差，具有一定的復雜性，這種情況下對設備的要求是很高的，具體施工時需注意如下施工要點：（1）要深入現場進行地質勘察與分析，充分了解地質條件和實際情況，分析受力特點等因素；（2）要進行土壓平衡模式的使用情況分析和研究，如有必要，可加入必要的材料以提高渣土材料的綜合性能；（3）綜合分析和了解軟硬地層的分布狀態，然后靈活使用超挖刀與千斤頂并做好技術參數控制，消除不均勻地層條件下的不利影響因素。

4.4 斷裂帶地層條件下的施工要點

斷裂帶地層條件下盾構作業施工最為明顯的劣勢就是涌水事故頻發，并且會產生比較多的巖塊，極易使螺旋輸送機產生堵塞的情況。同時，因為這種地質條件下巖土硬度較高，所以盾構機需要選擇具備較高破巖能力的設備。該類地質條件下的施工應注意以下問題：（1）選擇使用具備較高破巖能力的單刃滾刀設備進行開挖作業施工；（2）充分利用泥水與泡沫等材料，將其直接注入土倉結構，可以有效地減少堵塞、涌水等問題。

5 結束語

綜上所述，在地鐵工程中應用土壓平衡式盾構施工技術時，可利用設備進行盤旋切削的作業方式將開挖之后的土砂直接傳輸到土倉的空間中，然后運輸到設備的后部空間。這種方式可以加速施工，保障施工達到安全性、穩定性的標準，從而確保隧道工程的質量合格，不會產生嚴重的安全事故，具有較高的經濟及社會效益。