城市軌道交通隧道盾構施工關鍵技術研究

龔文棋

（中國交建軌道交通分公司，北京 100088）

1 盾構法施工原理

盾構施工的基本工作原理是在盾構機罩的掩護下進行開挖，在開挖期間它的主要功能是對尚未開挖的隧道進行臨時支護，承擔四周巖體的壓力和地下水的壓力，防止地下水進入隧道；開挖完畢后，在盾殼的掩護下進行管片的組裝和灌漿。

盾構施工要求一口始發作業井、一口接收作業井。始發作業井用于盾構機、后配套設備的裝配、反力架、負環的安裝以及出土、管片運輸等始開挖工作。接收工作井用于完成盾構機到達、解體等有關工作。

目前，地鐵的起始和接收工作大都設置在車站末端。普通盾構施工開始后，根據設計的軸線進行作業，并在期間進行橫向、縱向的數值監測，及時糾正；糾正過程中應遵循“緩糾、慢糾、勒糾”的原則，避免“急糾”。并做好背面注漿和二次注漿，對沉降進行控制。

2 工程概況

以某一實際鐵路隧道工程為例，左線隧道的起點設計里程為ZDK37+401.035，終點為ZDK39+260，左線區間隧道總長1858.965m，其中EPB/TBM 盾構法1488.965m，井下370m；區間右線的起點為YDK37+400，終點為YDK39+263，右線段為1863m，其中EPB/TBM 法為1580m，礦法283m。隧道山體地勢起伏大，沿線地面高程為12.0～237.0m，其中最高點標高為237.0m。隧道入口地勢較復雜，整體呈現南北高、東西高差15m 的特點。隧道入口EPB/TBM 雙模盾構法在工程中應用了一種新型的回填素混凝土+樁基礎法。

該盾構施工由北方重工2 臺土壓平衡盾構機進行，開挖直徑8.85m，采用主動鉸鏈方式，盾身總長13390mm，前盾長度4818mm，中盾和尾盾總長8572mm，最小轉向半徑550m，盾構機結構如圖1所示。

圖1 盾構機結構圖

3 施工重難點分析

3.1 地鐵沉降控制

隧道下穿越時，若不注意施工，極有可能引起地層擾動、沉降，地面為高速公路主干道，不適合路面加固，而該地鐵線又是客流量最大的地下鐵路線，因此，施工中最重要的工作就是控制隧道的沉降。

3.2 隧道穿越斷裂層

在FD1 和FD2 斷裂層中，隧道的施工難度較大。斷裂層巖體的破裂面寬度分別為0.8m、0.6m，FD1、FD2 斷層的真實傾角為60，鄰近節理區的密度大于100m。斷層部位的節理裂隙較多，且圍巖破裂時有構造軟弱，易造成地表水滲入，出現滲水、涌水等問題。在斷裂層中，刀具易受到損傷，尤其是在主要斷裂中，基巖表面的凹凸不平，極易導致刀片開裂，刮片螺栓剪斷。在某些地區，巖石的強度較低，硬度較低，容易引起滾刀的偏磨合過度磨損。在地質條件較差的情況下，如果采用實心和盾尾注漿法，很容易將盾構機包覆，從而使盾構二次啟動困難。擠壓斷層容易發生滑塊、崩塌，斷層破碎帶、節理密集帶水等都會加重塌陷的發生。

4 管片點位選擇及安裝

合理的拼裝位置是保證盾尾空隙的先決條件，而均勻的空隙既有利于管片的組裝，又有利于小弧段的盾構施工。

式（1）中：C 為楔形量；W 為1600mm 的管片環寬度；D為8500mm 的外徑；R 為按公式計算的曲線半徑600mm；經計算，當彎曲半徑600m 時，需要的楔形截面為：C=22.67mm＜46mm

式（2）中：P 為楔形量（左側為負值，右側為正）；a 為該直徑線的夾角，46 為該管片楔形量。

該項目所設計的盾構機架共有19 個推進油缸，按照F 段19 個拼裝點位的拼裝點，按公式求出相應的楔形量，管片拼裝點位對應的楔形量如表1 所示。

由表1 數據可知，裝配點位為13、14、15、16、17、18油缸，即可滿足R=600m 左轉彎曲線管片楔形量-22.67mm 的要求。但如果連續選擇這些位置，總的楔形量將會大于-22.67mm，因此，F 塊的主要分布在6 個氣缸上，考慮到盾尾和推進缸的形狀差異，采用其他部位的拼裝補償，以確保盾尾間隙的均一，減少推進油缸的沖程差值，確保在小曲線的盾構施工中，實現了對油缸的合理分配。

表1 管片拼裝點位對應的楔形量（單位：mm）

5 掘進參數的確定

在施工前進行盾構施工的掘進參數的確定；在施工中，根據不同的工作條件，結合現場施工監測及信息化技術，得出了不同地質條件下盾構的最佳施工掘進參數，詳見表2 盾構穿越建筑物及斷裂層掘進參數。

表2 盾構穿越建筑物及斷裂層掘進參數

6 地鐵盾構法施工技術控制要點分析

6.1 管片安裝

盾構機頂進作業達到一定施工標準后，施工企業要依照地下設施的標準要求，組織專業人士深入現場開展襯砌處理。盾構法在進行掘進工作時起到了良好的支撐作用，但在施工作業完成之后，襯砌應作為建筑物永久性的承載力，應發揮其支撐作用。

在地下設施項目中，由于施工中使用的大多是鋼筋混凝土和預應力鋼筋混凝土砌塊，因此，為了獲得更好的施工效果，相關人員必須根據現場的具體情況，對盾構的尺寸等進行詳細的了解，保證各項參數的科學性。盾構機具有結構簡單、施工方便等優點，而且在施工過程中，即使出現了偏移，其糾偏也比較容易操作，但其缺點主要表現在整體上的不足。對比矩形砌塊，梯形砌塊其整體性較好，施工現場作業中，一般在條件允許的狀況下選擇梯形砌塊，但此類砌體在施工中對施工技術的要求更高，如果出現偏差，則會造成很大的困難，因此在施工中必須遵循相關技術規程。另外，在砌體的黏結工藝中，以平口和企口為主，其接縫防水性能較好，但在裝配過程中，其安裝工藝要求也較高。

6.2 盾構機的推進

盾構的推進依賴巨大的推力，通過使用千斤頂來實現所需要的推力，從而確保盾構機的前進。目前，土體壓力平衡式盾構是最常用的方法。在掘進作業中，面對開挖工作面，盾構機遇到了很大的推進阻力。隧道施工阻力主要由前方盾構機的刃口與工作面的阻力以及機身與周圍土壤的摩擦等組成。

推力太少會對工程的進度產生不利的影響，而太大的推力會使工作面的土壤產生壓力，從而導致地表的凸起。在施工中，要密切關注前面的土層地質狀況，并針對各層的應力情況進行詳細的分析。掘進的速度一般取決于掘進時所產生的推動力和掘進泥土的數目。在施工需要進行掘進時，通過試驗和實踐證明，合理的推進力和速度應該是20～40mm/min，如果遇到軟弱不均勻的情況，可以根據工程的情況和工期的需要，適當地降低掘進速率，同時要保證掘進的速度一定，太快、太慢對盾構的控制不利。在土壓平衡動力施工中，當出現盾構的姿態偏差時，必須合理地選用不同的千斤頂，并適當地調節其應力分布。同時，通過對盾構后方灌漿的調整，可以實現位移的調整。

6.3 壁后注漿

在施工中，為了便于挖掘和管片的組裝，盾構機刀盤的直徑一般要比隧道本身的直徑稍大，這樣會導致襯砌在離開盾尾后產生一定的間隙。在圍巖出現變形崩塌之前，盾構間隙能使圍巖處于應力均衡狀態，并能穩定地層，從而防止圍巖出現較大的位移，同時對襯砌進行防水處理，保證了前期管片襯砌的安全性和合理性。

同步注漿技術，其實質是將盾構機開挖和灌漿作業同時進行，并通過在箱體外側設置注漿管或灌漿孔來實現。該方法不僅能保證隧道的防水性能，而且能有效地阻止因盾尾水滲透到封閉的土倉中而導致的噴射。

二次注漿，是指在通過施工區段后，進行盾構掘進下一個工段，以保證隧道的環保和整體的穩定性。比如，上一期工程段在其同步注漿過程中出現了施工缺陷，可以通過其管片內的灌漿孔進行二次灌漿。在同步注漿的過程中，如果有質量問題，或者是同步注漿類的各種材料，體積會縮小，產生孔隙，從而減少盾構機的沉降，并降低地鐵項目自身防水的主要壓力，提升其整體防水效果。通過以往大量工作經驗和實踐證明，注漿工作是地鐵盾構法作業中的主要內容，只有對注漿工作進行有效的控制，才能確保地下沉降量在10mm 以下，以確保工程施工的安全。

6.4 盾構接收階段

該階段是盾構施工最后的階段，對整個盾構施工效果有著一定影響，一般情況下，其主要是以貫通前最后50m 的范圍作為到達階段。所以施工者應在具體使用中綜合考慮施工多個要點內容，例如觀測洞門位置的探孔是不是有滲漏問題，加固土體，確保達到標準要求和隧道軸線位置的重新評估、盾構基座加固和洞門止水簾布的合理安裝等。

另外，在現場施工中應合理布設控制點的導線，使得盾構機可以依照既定姿態和要求平穩進入到洞中。同時掘進至離洞口位置封門的100m 時，應做好軸線位置的推進和測量，調整好軸線；切口應在距離封門10m 時，合理控制土量。距離一旦超過300～500mm 時，應立即停止推進工作，確保切口開挖面總體壓力能夠降到最低，保證盾構機接收工作的安全性。

7 重難點位置施工措施

7.1 穿越既有建筑物安全措施控制要點

在通過有關大樓的盾構施工過程中，要注意對切口的壓力均衡，防止過挖、欠挖，最大限度地降低平衡壓力的變化。控制盾構推進速度，采用低速掘進方式，減小滾刀對巖土分界面的撞擊，一般情況下，速度為10～20mm/min，EPB 掘進方式為2/3 艙氣體保壓方式。為了減少盾構施工對地表的影響，采取了穩坡法、緩坡法，并采取了不急糾、不猛糾的方法。

在進入彎道時，為了降低每環的糾偏，必須事先進行糾偏，以降低結構的空洞。控制同步注漿量，均勻、合理地壓注漿液，適時填充建筑孔洞和縫隙，降低施工期間土體變形的概率。同時，根據現場的變化情況，及時進行相應的調整，以確保壓漿工藝的施工質量與效果；為有效地控制地基的后期沉降，保證地面建筑物的安全，做好二次注漿。對管片的裝配質量進行嚴格的控制，確保管片的環向和縱向接縫平整，不存在錯臺和漏水現象。

7.2 側穿鐵路安全措施控制要點

為了保障鐵路的安全運行，以防塌方、防沉降、防變形為主要控制目標，采用試驗段對施工工藝和不同地區進行了驗證，并對其進行了逐級優化，并將其歸納為“勻速、連續、均衡、飽滿”。

“勻速”是指在橫線上通過時，必須確保掘進速度在一定的范圍內，而不會有時間和空間的變化。

“連續”是為了在施工過程中加強設備和施工工藝的管理，以保證盾構的持續工作和不間斷的工作。

“均衡”是指每一項掘進參數都是穩定的，在掘進過程中，掘進速度、刀片轉矩始終處于一種動態平衡的狀態。

“飽滿”是保證墻后灌漿、同步灌漿和二次灌漿充分、及時注漿，以保證在離開盾尾后，管片的施工孔隙能夠得到充分的充填。

7.3 盾構穿越斷裂層技術措施

7.3.1 超前地質雷達的檢測與預加固技術

利用超前地質雷達探測技術，在掘進工作面前方3 個鉆孔直徑的范圍內，實現了數據的采集與評價，并對預測結果進行了實時的顯示，方便了現場的快速決策。當刀盤在距斷層20 圈左右時，TBM 模式將不再進行掘進，采用TBM 專用的超前鉆機（在30～50m 的深度），進行跟管鉆井，設置水平鉆孔，與壓力計和水表相連，以進一步了解斷層上盤圍巖的狀況和水壓；在需要的時候，使用雙液灌漿裝置，在刀盤前面一段距離內提前注漿，以確保施工的安全性。

7.3.2 斷裂層的圍巖中采取的施工方法

在斷裂層中，每9m 為一個封閉環，封閉環的實施過程是：首先在TBM 橋段設置封閉環形作業區域，并配備注漿泵及注漿物料平臺；然后根據隧道管片的施工進度，每隔5 圈進行一次封口環注漿；最后采用化學注漿法或水泥-水玻璃雙液漿進行注漿法。由于常規注漿料的灌漿凝固時間長、蔓延面積大、不易迅速封閉，因此使用化學灌漿材料或水泥-水玻璃，其具有凝固時間可控、擴散范圍小、密封迅速等優點。

7.3.3 盾構工程的監測和控制

強化施工現場的施工管理，確保超前探測、超前預加固、TBM 脫困施工、后期處理等工作的銜接。在地質勘探、隧道設計和施工觀測結果的基礎上，采用超前地質雷達探測裝置，提前進行地質預測，并及時采取防范措施，最大限度降低因特殊巖性而導致的停工。在工程建設中，要強化工程的安全監測，以控制地面建筑物的沉降指標，控制結構的穩定，使隧道的收縮量在安全的范圍內，以保障TBM 施工的安全。

7.3.4 地面沉降控制

在采用土壓平衡盾構機的情況下，盾構施工中存在著地表塌陷的問題，這主要是盾構機的刀片在旋轉切削時干擾了地層的結構，或者由于注漿量、注漿速度等工藝參數的不合理，導致了地表的不均勻沉降和局部塌陷。

盾構施工中地表沉降可以分為四種類型：前期沉降、開挖前沉降、盾構開挖時的沉降、管片脫出尾盾時的沉降。為此，應在前期進行地質調查及前期準備工作，合理設置注漿量、注漿速度、出土量、刀盤旋轉速度等技術指標，以保持掘進和盾構面的平衡狀況作為主要質量保證。同時，采取了盾構掘進方式的調整、襯砌接縫防水、盾尾同步注漿等綜合防治措施。

比如，按照盾構機所在位置的地質情況，采用敞開式、土壓平衡式、半敞開式等相應的開挖方式；采用內部灌漿或在接頭處填充橡膠止水帶；為了降低地層損耗，在盾構機尾出現裂縫時，適時進行同步注漿。

8 結語

城市軌道交通的建設可以減輕城市的交通壓力，降低城市的交通擁擠程度，從而最大限度滿足人民的出行需要。目前，我國的城市軌道交通具有較大的承載能力和較高的運行速率，有效地改善了城市交通。盾構技術是地鐵工程建設的重要技術，因此，施工單位要深入研究盾構施工技術，掌握技術過程、關鍵技術，明確工程質量控制的關鍵，建立清晰、明確的技術應用思想，為地鐵工程質量的提高提供技術支持。