盾構(gòu)掘進關(guān)鍵技術(shù)及其工程應(yīng)用

王海成

（中鐵十八局集團市政工程有限公司 天津 300350）

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展，隧道及地下通道施工越來越頻繁，盾構(gòu)機也因此應(yīng)運而生。盾構(gòu)法由于施工效率快，安全可靠且對鄰近構(gòu)筑物影響小，已被廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、地下通道施工[1-4]。

王梓晗以沈陽地鐵4號線為例，通過現(xiàn)場試驗對土壓平衡和泥水平衡兩種掘進模式進行了研究，并對盾構(gòu)掘進參數(shù)和掘進效率進行了探討。李守巨、霍軍周、曹麗娟[6]建立了土倉壓力平衡系統(tǒng)的ARMA模型，提出了基于優(yōu)化算法的參數(shù)估計方法，結(jié)果表明新模型具有較高的預(yù)測精度。王俊，何川，胡瑞青等[7]通過室內(nèi)試驗研究了土壓盾構(gòu)掘進對地層的擾動行為，并通過離散元軟件進行了定性分析。宋曙光[8]基于理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗等方法，研究了滲流作用下開挖面穩(wěn)定性機理，并構(gòu)建了盾構(gòu)隧道開挖面失穩(wěn)破壞模型。

針對盾構(gòu)掘進對鄰近構(gòu)筑物影響的研究，袁海平、王斌、朱大勇等[9]以合肥地鐵1號線近接城市高架橋為背景，基于有限差分方法分析了盾構(gòu)掘進過程中橋樁的變化規(guī)律。朱葉艇、張桓、張子新等[10]以上海地鐵11號線為工程背景，采用模型試驗及理論分析方法，研究了盾構(gòu)隧道掘進對鄰近地下管線的影響，結(jié)果表明盾構(gòu)產(chǎn)生的管線豎向變形符合高斯曲線特征。

本文基于對盾構(gòu)機工作原理及組成的簡單介紹，總結(jié)了不同盾構(gòu)機的選型及適用范圍，并以工程案例為背景，闡述了泥水平衡盾構(gòu)掘進過程中關(guān)鍵施工工藝。

1 盾構(gòu)機工作原理及組成

1.1 盾構(gòu)機工作原理

盾構(gòu)法作為一種全機械化的施工方法，主要用于地下隧道開挖，由于其自動化程度高、適用性強，可以大幅度提高施工效率。盾構(gòu)機可以將土體開挖、土渣傳送、襯砌支護、管片拼裝等多種功能融為一體，可實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，具有顯著優(yōu)點。

以泥水平衡盾構(gòu)機為例，在刀盤作用下切削土體，通過向密封艙內(nèi)注入泥漿來平衡開挖面的水、土壓力，從而保持掌子面穩(wěn)定，達(dá)到開挖土體和控制地面沉降，泥水平衡系統(tǒng)示意見圖1。

圖1 泥水平衡系統(tǒng)示意圖

1.2 盾構(gòu)機組成及工序

盾構(gòu)機掘進時，主要依靠刀盤切削開挖面前方土體，依據(jù)掘進機理的不同，可分為土壓平衡和泥水平衡兩種機型。以泥水平衡盾構(gòu)為例，盾構(gòu)機的主要組成部分如圖2所示。

圖2 泥水平衡盾構(gòu)機組成

盾構(gòu)機施工前，需要在隧道上方地面部分開挖豎井，通過起重機將盾構(gòu)機吊裝至井底，并在井下安裝調(diào)試，然后進行土體掘進作業(yè)。清除安裝部位的垃圾后，在盾殼內(nèi)錯縫拼裝管片。初始掘進時應(yīng)注意姿態(tài)糾偏，防止盾構(gòu)機出現(xiàn)“抬頭、扎尾”或軸線偏位現(xiàn)象，盾構(gòu)機施工工序見圖3。

圖3 盾構(gòu)機施工工序示意圖

2 盾構(gòu)機選型及適用范圍

2.1 盾構(gòu)機選型

土壓平衡盾構(gòu)一般較適用于黏性土地層，且工程造價相對較低；當(dāng)?shù)貙又懈缓暗[土?xí)r，由于砂礫土輸送連續(xù)性差，使用土壓平衡盾構(gòu)，掌子面不宜穩(wěn)定，因此當(dāng)?shù)貙訚B透系數(shù)較大時，宜選擇泥水平衡盾構(gòu)。另一方面，根據(jù)以往施工經(jīng)驗，當(dāng)?shù)貙又懈缓邏核畷r，土壓平衡盾構(gòu)效果較差，易產(chǎn)生出渣噴涌現(xiàn)象，依據(jù)地質(zhì)條件，常見的盾構(gòu)機選型見表1。

表1 盾構(gòu)機選型及優(yōu)點

2.2 刀盤配置選擇

由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，盾構(gòu)往往需要穿越不同地層。盾構(gòu)掘進需要克服的難題有：（1）針對軟弱地層往往出現(xiàn)刀盤夾泥現(xiàn)象；（2）當(dāng)盾構(gòu)穿越泥質(zhì)砂巖等強度較高地層時刀盤磨損問題；（3）富含高壓水地層還需要解決管片上浮問題。

為克服刀盤磨損問題，采取的主要措施有：（1）刀盤四周增設(shè)保護刀具，并定期更換刀具；（1）刀盤面板和四周鑲嵌合金板，以增大其整體剛度；（3）增加刀盤邊緣區(qū)域刀具數(shù)量，增設(shè)保護刀座，提高其邊緣耐磨性能。

為防止刀盤夾泥，保證盾構(gòu)順利掘進，可采取的措施有：（1）刀盤配置高壓噴射裝置，可在掘進時對土體進行沖刷；（2）增加刀盤開口率。實踐證明，以上措施簡單有效，且易于控制。

2.3 盾構(gòu)機適用范圍

為適應(yīng)不同的地質(zhì)條件，實現(xiàn)不同的功能，盾構(gòu)機演化出多種斷面形式，但其工作原理是相同的，現(xiàn)將各種盾構(gòu)機的特點及其適用范圍總結(jié)于表2。

表2 盾構(gòu)機特點及適用范圍

3 應(yīng)用實例

3.1 工程背景

本工程為某城市區(qū)間地鐵隧道，隧道全長1 822 m，隧道埋深為25～42 m，路線曲率最大半徑為350 m，區(qū)間起屹里程為K6+945～K8+767，為單洞單線圓形盾構(gòu)隧道。

主要地層分布為素填土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂，且場地富含承壓水，盾構(gòu)機直徑為6.2 m，擬采用泥水平衡盾構(gòu)施工。

3.2 排泥流量計算

排泥流量可以根據(jù)切削土方量來計算，按式（1）進行。

式中：V—切削土方量（ m3/h）；

排泥流量也可以根據(jù)排泥臨界流速來確定，按照式（2）計算。

式中：F—計算常數(shù)，排泥側(cè)可取1.5，進泥側(cè)可取0.7；d—管徑；0ρ—盾構(gòu)土體密度（3kg/m）；

ρ—排泥密度（3kg/m）。

3.3 主要施工工藝

3.3.1 豎井開挖

施工前先進行場地平面布置，開挖工作井，并安裝起重量為45 t的龍門吊。豎井開挖前先進行基坑支護，車站主體結(jié)構(gòu)完工后，準(zhǔn)備盾構(gòu)機吊裝工作。在盾構(gòu)推進前，進行水、電、照明、通風(fēng)等設(shè)施安裝工作。

3.3.2 井下準(zhǔn)備工作

盾構(gòu)機各部件依次吊入井下后重新組裝，在基座上安裝就位后進行調(diào)試。盾構(gòu)始發(fā)井縱向長度為14.5 m，在確定好0環(huán)位置后，進行反力架支撐安裝。

盾構(gòu)之前，應(yīng)對泥水輸送系統(tǒng)計算，主要包括隧道掘進速度、排泥流量確定、主循環(huán)泵選型及數(shù)量等，盾構(gòu)機主要參數(shù)指標(biāo)見表3。

表3 盾構(gòu)機主要參數(shù)指標(biāo)

3.3.3 盾構(gòu)始發(fā)

盾構(gòu)始發(fā)時，為保證盾構(gòu)出洞及鄰近構(gòu)筑物安全，需要對盾構(gòu)土體進行加固，使得洞口土體具有自立性。盾構(gòu)調(diào)試完成后，在刀頭上涂抹減阻劑，避免損壞洞口密封裝置。在確保盾構(gòu)機運轉(zhuǎn)良好的情況下開始鑿除洞口圍護結(jié)構(gòu)。

為使土體充分切削，盾構(gòu)推進時，需要控制油缸壓力及刀盤推進速度，同時根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整掘進參數(shù)。由于管片和盾殼之間有10 cm的間隙，盾構(gòu)推薦后須及時進行注漿加固。

4 結(jié)語

盾構(gòu)法施工可以極大提高施工效率，我國的盾構(gòu)技術(shù)尚處于發(fā)展階段，盾構(gòu)機的選型、參數(shù)指標(biāo)、適用范圍尚沒有規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)，同時缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的理論體系。

本文通過對盾構(gòu)機原理、組成、工序的簡要介紹，基于實際工程經(jīng)驗對盾構(gòu)機的選型及適用范圍進行了總結(jié)，結(jié)合某一工程案例，簡要闡述了盾構(gòu)施工過程中的關(guān)鍵工藝和主要參數(shù)指標(biāo)。并針對地質(zhì)條件的復(fù)雜性及盾構(gòu)掘進過程中出現(xiàn)的難題提出了相應(yīng)的解決方案。有效解決了現(xiàn)場實際問題，為盾構(gòu)施工提供了技術(shù)指導(dǎo)，具有較高的參考意義。