土壓平衡盾構機在地鐵施工中的應用探究

胡紀寧

摘要：盾構機是地鐵隧道施工的常見工程機械設備，其在施工過程中具有掘進效率高、安全可靠性強、對周圍建筑影響作用小等特征，被廣泛的應用在不同復雜地質的地鐵項目施工建設中。以土壓平衡盾構機為研究對象，分析其在實際地鐵項目施工的應用特點，對盾構機和刀盤進行選型，闡述盾構機隧道作業區裝配、盾構起運、盾構掘進、盾構接收等關鍵施工工序實施要點，為相關地鐵工程盾構掘進作業質量提高提供借鑒。

關鍵詞：土壓平衡盾構機；地鐵項目；選型；裝配；盾構掘進

0? ?引言

在地鐵隧道施工中，盾構機以其掘進效率高、穩定可靠、影響范圍小等特點，被地鐵隧道施工項目所應用。對于應對復雜條件下的硬巖地質，土壓平衡盾構機的優勢明顯[1]，本文圍繞土壓平衡盾構機在地鐵施工中的應用展開探討，結合土壓平衡盾構機技術特點及某地鐵項目工程實際，針對其風化硬質巖土地層特征，對盾構機及其部件進行選型，提出一套完整的地鐵隧道施工應用策略。

1? ?工程概況

某地鐵施工項目區間盾構工程，線路分為左右雙向隧道。左區間隧道長713.6m，區間包含1條曲線隧道路段。右區間隧道長713.73m，區間包含2條曲線隧道路段。區間具備風化硬質巖土地層特征，工程采用2臺土壓平衡盾構機同時盾構掘進的方式施工作業。

隧道區間呈“V”型坡度，第一區間坡度為-6.7‰，中間區間點位變坡后坡度為10.3‰，變坡位置設置聯絡通道。雙向隧道之間距離由初始掘進位置16.1m漸變至15.3m，隧道進出口買成11.7m，隧道中段埋深為13.8m。

2? ?土壓平衡盾構機選型

2.1? ?盾構機選型影響因素

盾構機型號確定應依據地質狀況（包括砂石含量、砂石級配、巖土硬度等）、地下水分布、地鐵工程盾構隧洞距離、隧洞曲度、盾構機防護殼支撐情況、隧洞施工環境、載荷厚度等，盾構機械進行作業時，既要滿足盾構挖掘操作面穩固的要求，還應保證隧洞的功能性和實施施工質量，與隧洞支撐系統形成良好配合[2]。盾構機選型影響因素如圖1所示。

2.2? ?盾構機選型要點

為了讓盾構機械滿足地鐵工程隧道區間綜合地質狀況需要，提升掘進效率，使盾構機既可在軟質或硬質巖土層順利掘進，還可在隧道小曲線半徑區間進行施工作業，項目部施工前應對盾構機進行科學選型。

2.2.1? ?型號初選

在滿足隧道功能設計、安全質量、施工工期等條件的前提下，應做好前期的水文、地質勘測，形成數據分析，完成土壓型、封閉型、泥水型等型號的初選，并參照施工設計和施工斷面等條件確定盾構機種類，確定襯砌層數及拼裝方式。

2.2.2? ?綜合比選

依據布諾姆氏法確定開挖掘進面穩固性，依據盾構施工設計涉及的注漿、凍結、氣壓、噴水等附加施工措施，以及地鐵隧道工程施工場地環境、費用成本、工期、動力供給等影響因素，建立盾構機技術、經濟等方面的綜合比選，以最終完成盾構機型號確定。

2.2.3? ?選型確定

依據本地鐵區間隧道工程施工實際情況，選定復合式土壓平衡盾構機實現盾構掘進。選取的土壓平衡盾構機具備9組液壓驅動，最大推進載荷為4325t，主軸直徑3105mm，額定扭矩6700kN·m，額定脫困扭矩8000kN·m，最大掘進速度為90mm/min。為保證地鐵隧道作業中不同強度風化巖及不同黏度土質削切，刀盤切刀及刮刀均使用鈦合金銀釬焊材質，采用錯刃技術裝設，保證全隧道斷面覆蓋。

3? ?土壓平衡盾構機隧道作業區裝配

土壓平衡盾構機的裝配、出土及初始掘進方式，同盾構井室作業空間、出土工藝等息息相關。通常，地鐵隧道初始井室可分為設置出土口和未設置出土口兩種。設置出土口可實現盾構機一次成型裝配，采用正常工序掘進即可；未設置出土口需通過管線挖掘，二次轉接裝配，不利于提升掘進效率。盾構裝配工序復雜，為了加快施工進度，要對出土口進行科學設置[3]。

3.1? ?盾構初始點位井室裝設布控

本地鐵隧道區間項目土壓平衡盾構機首次安裝的井室，未設置出土口，考慮到利用管線挖掘，二次轉接裝配效率較低，因此在井室站安裝由電葫蘆等機械構成的水平出土裝置。在后續盾構試運行過程中，通過水平出土裝置運至初始井室口位置，再利用門式起重機吊離，以實現土壓平衡盾構掘進出土作業。

3.2? ?盾構機裝配前準備

應預先裝配好站內軌道，軌道建成標準應確保臺車能夠到達指定初始井室及相應反力架位置。鑒于洞口門鋼環實際位置與設計軸線位置存在一定偏差，所以應依據洞口門鋼環中心線方位裝配初始架[4]。

土壓平衡盾構機進洞后，按設計軸線調整盾構機方位，并配套裝設同軌道匹配連接的軌道排架，以為后續構件裝設所用。應確保初始架裝設穩定牢靠，滿足支撐盾構機自身裝配質量及初始運行的動載荷。初始架位置距離洞口門應＞1.5m，以為土壓平衡盾構機破除地連墻留出充足的作業空間。

3.3? ?盾構機正式裝配

土壓盾構機的裝配次序應依據出土模式確定，本地鐵隧道區間項目為后部出土模式，因此盾構機裝配應在盾構初始井，按先機尾后機頭的次序裝配。在裝配盾構機盾體時，應同時完成管線連接和機械調試。裝配過程中，反力架的裝設工序應在盾體和后配套之間完成，以免影響反力架的正常裝設。

盾體安裝前，應先將盾體螺旋機裝置、砂漿車、電瓶車及負環管片裝運車吊裝，經鋼軌拖至站內完成裝配。隨后按相同次序依次，將盾構機后配套臺車、牽引梁、管片吊梁及螺旋裝運機吊裝進站，并將構件同牽引梁裝配連接。將初始托架臺車軌道拆卸后，裝配土壓平衡盾構機主機。

4? ?土壓平衡盾構機盾構起運

4.1? ?隧道口門密封設置

因為土壓平衡盾構機外徑同隧洞口鋼環存在縫隙，為避免盾構機械出洞導致縫隙處損失地下水和巖土，應將洞口做密封處理。通過扇形鋼制壓板及橡膠蓋布構件形成遮擋，以避免縫隙的水土流失。

4.2? ?裝設反力架和負環管片

土壓平衡盾構機的初始后部支撐通過負環管片及反力架實現，應保證反力架構造可實現盾構機挖掘的正常額定推力，通常該值應超過15000kN。裝設負環管片及反力架過程中，應確保其始終垂直于盾構機軸線，且具備牢靠的支撐效果。通過通縫裝拼工藝完成負環管片的拼接，以方便后續的拆卸。

4.3? ?加固處理隧道口門

土壓平衡盾構機正式裝配前，應固結處置初始井室及接受井室端頭，具體可參考實際地質狀況，選擇三軸攪拌樁加固技術或地面垂直旋噴樁加固技術完成。依據樁徑尺寸，合理選擇無縫搭接工藝。通過隧道口門的加固處理，實現止水固土的效果，以確保土壓平衡盾構機初始處于標準形態，并有效避免隧洞口塌陷變形。

4.4? ?土壓測算與設定

盾構土壓值的測算主要參考土質狀況、隧道深度及地表載荷等條件[5]。其實現原理如下：通過盾構機靠攏洞口門土體，由機械刀盤切入土體形成旋轉削切，使土充至土倉內形成土壓，利用土壓平衡盾構機土倉的土壓傳感裝置檢測采集土壓數據。開挖初始時期的土壓，主要參考反力架載荷狀況及加固裝置檢測值進行判定，在確保推力充沛的條件下，將加固裝置上部土壓值提高至100kPa。利用掘進進尺調控出土數量，避免因出土量多、土壓小導致地表塌陷。

5? ?土壓平衡盾構機隧道盾構掘進

5.1? ?盾構機掘進試運行

待土壓平衡盾構機全部行進洞口門后，利用上端的灌漿裝置同步勻稱的向管片外側壓注漿液，使其填充滿縫隙。待土壓平衡盾構機尾部行進至加固區3m左右，利用注漿泵通過第三環管片注漿孔灌注漿液。做好洞口門封閉環板的加固處理，避免外翻形成漿液外流浪費。

待土壓平衡盾構機盾構掘進完成加固區，實時監測土壓數據及地表沉降數據，參考沉降狀況及時調整土壓平衡盾構機的行進速度、推進力、注漿數量及土壓力。對比分析土壓平衡盾構機掘進試運行情況，科學確定后續盾構開挖參數設置，以為正式盾構掘進提供數據參考。

試運行完成后，土壓平衡盾構機全面掘進至洞口門，停止盾構開挖，并拆除初始井室內的負環管片、反力架支撐、初始托架，同時在初始井室內安設軌道作業臺，延長連接相應管線，并通過門機初始井室完成出土作業。

5.2? ?盾構機掘進開挖

完成土壓平衡盾構機試運行作業及相應輔助工作后，再次整體檢測調試盾構機，保證平穩恒定運行符合施工要求。參考試運行階段確定的盾構開挖參數數據，實施土壓平衡盾構機的正式掘進開挖。其具體操作工序如下：先開啟螺旋傳送裝置出土閘門，同時啟動傳送裝置、旋轉刀盤、螺旋輸送裝置；啟動液壓千斤頂裝置，并設定全部千斤頂運行油壓數值，在刀盤削切巖土同時實現機械盾構開挖。隨著土壓平衡盾構機盾構不斷掘進，及時完成盾構管片拼接施工及管片注漿施工。

5.3? ?注漿施工

錯縫管片拼接完成后，及時實施管片注漿作業。為有效填充盾構機尾部縫隙及開挖的地層缺失，調整地基錯位，利用盾尾同步注漿及管片加固實施二次注漿工藝。將攪拌好的灌注漿液，運至土壓平衡盾構機同步注漿裝置附近，連接進漿管。

通過土壓平衡盾構機設置的同步注漿裝置，使漿液經過管路灌注到管片縫隙中，使盾構開挖同預設注漿作業同步完成，以提升襯砌穩定性，并對地基塌陷進行控制。二次注漿作業主要是補充土壓平衡盾構機同步注漿欠缺，以有效輔助控制地表沉降[6]。

5.4? ?開挖量檢測與控制

土壓平衡盾構機配置專業的自動導向測量裝置，主要通過激光靶、全站儀、測算控制器等構件，完成盾構挖掘的方向精準測量控制。激光全站儀首次定位通過人為測設，之后即可利用導向測量系統自動定位。為確保系統定位的科學準確，應通過人為檢測的方式，降低自動導向測量裝置的測量偏差，從而確保隧洞盾構貫通的精準性。

6? ?土壓平衡盾構機的盾構接收施工

6.1? ?準備工作

土壓平衡盾構機掘進至地鐵隧道區間約最后100m時，應提前做好盾構機到站前的準備。預先加固端頭土質、裝設接收架體，并將洞口門拆除。為保證洞口牢固性，應確保端頭土體凝結時長超過1個月。背襯注漿使用1：2的純水泥雙漿液注漿，以便建立起加固體止水環，避免地下水流入初始井室。

6.2? ?盾構機接收要點

對盾構掘進控制點實施全面復核測量，保證盾構姿態及方位對比預設洞軸線方向的一致性。將偏差應控制在10mm以內，刀盤切口點可稍高于軸線。接收架應稍低于土壓平衡盾構機設計高程15mm，并將其加固連接至盾構接收井室，同時配置相應的堵漏、排水、二次注漿等設備及材料。

洞口門拆除過程中，應實時觀測土體形變情況，嚴格控制盾構土壓數值，避免土壓過大。刀盤靠近封門時，降低盾構速度。利用清除倉中泥土降低土壓平衡盾構機正面土壓值，以保證封門拆除的安全性。封門拆除完成后，應及時完成盾構推進和管片拼裝，以縮短出洞時長。通過水硬性漿液灌注洞圈與管片間縫隙，以降低水土的損失。

7? ?結束語

土壓平衡盾構機在兼具掘進盾構效率高、穩定可靠性強、對周邊建筑影響范圍小等特點，可實現掘進巖土的穩壓效果，被廣泛的應用于各類復雜地質的地鐵隧道施工項目中。

本文圍繞土壓平衡盾構機在地鐵隧道施工中的應用展開研究，結合工程實際合理選定盾構機和相應構件類型，并從地鐵隧道作業區裝配、盾構起運、盾構掘進、盾構接收等關鍵工序方面論述土壓平衡盾構機施工要點，為類似地鐵工程盾構掘進作業順利實施提供參考。

參考文獻

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[5] 陳佩珊.土壓平衡盾構穿越斷裂帶施工控制技術[J].城市建筑，2016（17）：85，90.

[6] 史海波.土壓平衡盾構穿越軟硬交界地層時的施工技術[J].建筑施工，2017（2）：208-211.