摘要：隨著城市軌道交通的發展建設，建立在地鐵盾構法施工基礎上的工藝工法，為我國地鐵施工技術的發展和提高奠定了良好基礎。為了適應實際情況，不斷改進的的盾構新工藝也應運而生，已成為我國城市地鐵隧道的主要施工方法。近幾年來，盾構施工技術發展迅速，應用也日益廣泛。本文就盾構法施工進行了概述，分析了其施工技術原理和施工優點，同時介紹了幾種常見的盾構機，最后重點對盾構施工的主要技術要點進行了說明。

　　關鍵詞：盾構法,地鐵,隧道,掘進,襯砌

　　一、盾構法施工概述

　　盾構法是在地面下暗挖隧道的一種施工方法。特別是在市區中心采用明挖法建造隧道很難實現的情況下，如采用盾構法對城市地鐵、綜合管線等地下公用設施建設具有明顯的優點。

　　盾構施工的主要原理就是盡可能在不擾動圍巖的前提下完成施工，從而最大限度地減少對地面建筑物及地基內埋設物的影響。在開挖過程中，除了刀盤和盾構鋼殼可以被動地產生支護作用外，還有使用壓力艙內泥土或泥水的壓力來平衡開挖面上的作用土壓力和水壓力;襯砌完成后，使用壁后注漿及時充填由開挖產生的盾尾空隙，主動地控制圍巖應力釋放和變形是盾構技術的關鍵。

　　盾構法施工的主要優點有：①除豎井施工外，施工作業均在地下進行，既不影響地面交通，又可減少對附近居民的噪聲和振動影響：②盾構推進、出土、拼裝襯砌等主要工序循環進行，施工易于管理，施工人員也較少，土方量較少;③在土質差水位高的地方建設埋深較大的隧道，有較高的經濟技術優勢。

　　二、主要幾種盾構機介紹各種盾構機的優缺點能否列表說明;以及適用范圍

　　(一)泥漿式盾構

　　泥漿式盾構包括了所有用加壓泥漿支撐工用面的盾構。用泥漿式盾構掘進隧道己被證明是一種具有低沉陷且安全的施工方法。它可以適用于各種松散地層,有無地下水均可,在穩定的地層中使用該法優點很多。在開挖掌子面，刀盤在泥漿中旋轉，挖掘下的渣土與泥漿混合。盾殼區域內，刀盤旋轉進行開挖的部分稱為開挖艙，壓力艙板將它與盾殼分隔開來。開挖艙內的土壓和水壓被壓力泥漿平衡，從而避免了不受控制的土壤摻入并保證了隧洞開挖面的穩定。

　　泥漿通過氣墊對隧洞開挖面施加壓力從而實現支撐作用。對開挖面施加壓力的控制由壓縮空氣控制單元進行。氣墊調節倉內的壓縮空氣氣墊產生支持壓力并將該壓力傳至泥漿，調節液位高度。

　　受到壓力后的泥漿，其液位則剛好達到機器軸線的位置。承壓泥漿產生的支持壓力傳輸到開挖艙，這時，整個開挖艙內完全充滿承壓的泥漿。開挖艙內泥漿的波動將被精確控制以保持平衡狀態。

　　泥漿循環系統，泥水的傳輸和支持壓力的控制(氣墊)彼此分開，開挖艙內的泥漿(滲入泥餅)不斷更新，挖掘的渣土與靠近出渣管(左、右)的泥漿混合，在盾構機底部產生涌流效應從而使渣土易于流動。壓力艙板上部和中部的其他沖刷點將使開挖艙內集中的全部水流和新鮮泥漿的重新分配達到最佳狀態。高涌流效應和安裝在吸管前面的攪拌器避免了渣土粘結的危險。通過開挖艙底部的出渣管，挖掘的渣土將被泵送出開挖區域，而不會影響對開挖面支持壓力的監測。

　　(二)土壓平衡式盾構

　　土壓平衡式盾構用切割輪開挖的渣料作為支撐介質，與其他工法相比,土壓平衡式盾構可以不用輔助的支撐介質,切割輪開挖出的材料可作為支撐介質。該工法用旋轉的刀盤開挖地層,挖下的渣料通過切割輪的開口被壓入開挖腔,然后在開挖腔內與塑性土漿混合。推力由壓力艙壁傳遞到土漿上，這樣可以避免尚未受到控制的開挖地層進入開挖腔。當開挖腔內的土漿不再被當地的土和水壓固化時就達到平衡。如果土漿的支撐壓增大超過了平衡,開挖腔的土漿和在工作面的地層將進一步固化。反之,將引起盾構前的地層崩塌。該工法與泥漿式盾構相比所具有的優點:能夠使挖掘的砂土變成可塑流動性和不透水性優越的“泥漿”，因此，其適用于松軟土層至砂礫層等廣泛的各類土質;刀盤艙及螺旋輸送機內的泥漿會形成不透水層，能夠防止地下水流入機內;盾構機外周及刀盤艙內被泥漿灌滿，因此可控制已灌入泥漿的蔓延，并可進行適當的回填材料注入管理;殘土可用輸送帶、運泥車及壓力泵等進行輸送，不需大型殘土處理設備。(原則上，須將殘土進行固化處理等改良后再運至堆土場。)

　　(三)敞開式盾構

　　在隧道工作面無封閉壓力補償系統用以抵抗土壓和地下水壓力的隧道掘進機稱為敞開式盾構。敞開式盾構用于無地下水地層或預先降低地下水位的地層。該工法由于工作面支撐方式簡單,其相對的工藝簡單。它的靈活性高,適于通過各種非粘性和粘性地基。其另一優點是對斷裂帶的穩定性及可能用手工盾構和半機械化盾構掘進非圓形斷面，在機器工藝方面其價格相對低,是一種短程掘進的經濟方法,常用于較小斷面的隧道開挖。根據開挖方法的不同,可將這類型盾構分為: 手工盾構,部分斷面開挖盾構,全斷面開挖盾構。

　　(四)壓縮空氣式盾構

　　該工法利用壓縮空氣使整個盾構都防止地下水的侵入,它可在游離水體下或地下水位下運作。其工作原理是利用用壓縮空氣來平衡水壓和土壓。傳統的壓縮空氣式盾構要求在隧道工作面和止水隧道之間封閉一個相對較大的工作腔,大部分工人經常處于壓縮空氣下, 這會對掘進隧道和襯砌造成干擾,為了解決這些問題,又出現了用無壓工作腔及全斷面開挖的壓縮空氣式盾構和帶有無壓工作腔及部分斷面開挖的壓縮空氣式盾構等。

　　下面將以上盾構機類型的優缺點和適用范圍進行比較說明。

　　三、盾構法施工的主要技術要點

　　某地鐵標段區間隧道(K7 +876.764～K8 +642.400)，區間全長765.636m(雙線)，其中在左線K8 +190.527處有一短鏈長0.073m。本區間線型比較簡單，左線轉彎半徑為R =1500m，右線轉彎半徑為R =1200m;線路最大坡度1.6%，最小坡度0.3%，采用土壓式盾構法施工。

　　(一)盾構機始發前的準備

　　盾構法施工技術方案和施工細節依賴于圍巖條件，以及地下管線、周邊建筑物、基礎等因此要求在施工準備階段對沿線的工程地質、水文地質條件進行細致的勘察工作，并根據實際情況做好應急準備。城市地面交通繁忙、地面建筑物和地下管線密集，對地面沉降應用嚴格控制，在節省開挖面、不干擾地下水發育和圍巖穩定并縮短工期的壓力下，盾構法是最佳選擇。下面以本工程采用的土壓式盾構機進行說明。

　　(二)盾構法的施工流程

　　1、洞門加固

　　洞門加固的目的主要是拆除工作井洞口圍護結構時，確保洞口土體穩定，防止地下水流入，進而防止地層變形對施工的影響。洞門加固有以下加固方法：

　　(1)注漿法

　　按其原理分為兩種：一種是不改變土顆粒排列，只使注入材料滲透到土顆粒間隙并固結的滲透注漿法;另一種是沿注漿層面地層形成脈狀裂縫、注漿材料使土顆粒間隙減小，土體被擠密的擠密注漿法(或劈裂注漿法)。前者適合于砂質土層，后者適用于粘性土層。

　　(2)高壓噴射攪拌法

　　高壓噴射加固材料，使其與被攪動的土砂混合，或置換被攪動的土砂，形成一種具有一定強度的改良地層。

　　(3)凍結工法

　　對軟弱地層或含地下水土層實施凍結，凍結的土體具有高強度和止水性，特別適用于大斷面盾構施工和地下水壓高的場合。

　　2、在隧道的起始端和終端各建一個工作井

　　始發井采用明挖法施工，施工方法和明挖車站的施作方法基本相同，圍護結構采用鉆孔灌注樁+鋼支撐的形式。始發井考慮到在盾構施工階段的降雨及降雪，需要在工作豎井內設置一個集水井，將盾構掘進時施工排放的污水及雨水等收集起來，用水泵排至地面的沉淀池內。為了方便工作人員安全上下豎井，工作井內布置鋼梯一部，鋼梯布置在始發井的一角，鋼梯由槽鋼、角鋼、花紋鋼板、鋼管及圓鋼焊接而成。

　　3、盾構機在起始端的工作井內安裝就位

　　在始發井結構施工結束后，開始安裝盾構基座，為盾構初始掘進做準備。盾構基座采用鋼結構，盾構基座水平位置按設計軸線準確進行放樣。盾構基座高程安裝時使盾構機就位后比設計高程高15mm，以利于調整盾構機初始掘進的姿態。

　　4、盾構機的初始掘進

　　將推進油缸頂在反力裝置上，啟動切削刀盤和推進油缸即可進行掘削推進，推進油缸推進到一個行程，收回推進油缸，在推進油缸與反力裝置間加墊臨時支撐墊，即可進行推進。在盾構刀盤切入土體前，為防止正面土體突然被切削而過量流失引起工作面坍塌，應通過螺旋輸送器倒轉方向向土倉內加注粘土，至滿倉后才啟動刀盤切削土體和出土。盾體進入隧道后，進行管片安裝和后部輔助設備平車的拼裝，推進油缸頂在管片上繼續推進，這樣，推進一節，拼接一節，直至盾構設備完全進入隧道。

　　5、盾構機的正常掘進

　　盾構設備完全進入隧道后，盾構按預先設定的方向掘進，該過程由盾構設備的計算機控制系統控制。當盾構設備出現左右或上下偏差時，由計算機系統對推進油缸進行控制，確保條件方向按預定設置方向前進。同時，在保證開挖面土壓平衡的基礎上，調節刀盤轉速與推進速度及螺旋輸送機速度的比率，使開挖與排土保持恒定。

　　6、襯砌

　　在盾構設備掘進完一個節距以后，即可進行管片襯砌，由管片運輸車運送到安裝臺位，再由管片襯砌臺車將管片送至安裝位置安裝就位。管片安裝完畢后，進行下一個循環的掘進，直至整個隧道工程的完成。

　　7、盾構接收

　　盾構由區間隧道進入接收豎井前，需首先對端頭土體的加固和滲水情況進行取芯測試，在確保土體穩定和物大量滲水的情況下方可鑿除洞口混凝土。洞口混凝土鑿除應分層分塊進行。在盾構距洞口越10m時，將洞口混凝土全部拆除。待盾構機刀盤露出洞口時，清除端頭井內盾構機所帶出的土體后，將盾構接受架準確地定位安設在洞口的底板上，高層比盾構機略低，并將接受架固定，以便盾構機順利滑行上架。

　　(三)盾構機掘進過程中應注意的問題

　　1、進洞時盾構施工參數的計算

　　掘進前必須計算盾構掘進施工參數，進洞時盡量早地建立土壓平衡，在掘進過程中必須制定試驗段，注意相關數據的采集、分析，嚴加控制。及時總結并制定出適合本合同段地質條件的掘進工藝參數。

　　2、推進速度

　　為了保證盾構機姿態、土體平衡，順利切削洞口加固后的土體，保護切削刀，初始階段速度一般設定為10mm/min。

　　3、管片拼裝

　　在洞內進行管片拼裝時，要注意管片與管片之間的縫隙的變化，要保持一定的縫隙，管片拼裝一定要保證其拼裝的質量，尤其是圓整度，拼裝時將管片連接螺旋擰緊并及時用緊線器拉緊，管片外側與基座間的空隙用木楔子楔緊固定。

　　4、控制出土量

　　初始掘進階段嚴格控制出土量，在土體加固范圍內，以控制出土量為核心，各種參數合理配置，同時嚴格填寫推進出土記錄，才能保證一環的出土量不至于超挖，地面不會發生沉降。

　　5、注漿量

　　盾構機尾部進入土體第一環至第三環的時候，要將注漿量加大，并且采用早強注漿材料進行注漿，以保證洞口的地面不發生沉降。

　　6、盾構進入終端工作井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推進。這時為防止出洞口土體坍塌需要對出洞土體進行加固，據洞口土質條件，一般采用旋噴樁加固，并加強地表沉降監測。

　　四、盾構施工中對地面沉降的觀測

　　盾構施工期間由于上述各種原因引起的地表沉降對周圍環境有一定影響，為了保護周圍環境的地表建筑、地下設施的安全，必須要進行施工監測，在監測的基礎上提出控制地表沉降的措施和保護周圍環境的處理。

　　(一)地表沉降的監測的內容

　　1、監測地下水位的變化

　　應在隧道中心線和隧道兩側設置水位觀測井進行觀測。還應監測井點降水效果和監測隧道開挖面等滲水處滲流情況。

　　2、監測土體變形

　　在控制地表沉降要求較高的地區，往往在盾構推出豎井的起始階段進行以土體變形為主的監測，以合理確定和調整盾構的施工參數。

　　(二)針對地表沉降的控制措施

　　1、減少對開挖面地層的擾動

　　(1)施工中采取靈活合理的正面支撐或適當的氣壓值來防止土體坍塌，土倉壓力與地面沉降觀測結果相對照，建立合理的土倉壓力并保持土壓平衡。

　　(2)在盾構掘進時，嚴格控制開挖面的出土量，防止超挖。

　　(3)控制盾構推進一環時的糾偏量，以減少盾構在地層中的擺動和對土層的擾動。同時盡量減少糾偏需要的開挖面的局部超挖。

　　(4)施工中根據地層情況采用注人添加材料(如泡沫、膨潤土等)對砂性土體及不均勻地層進行改良。

　　(5)通過對盾構掘進時地面變形曲線進行實測反饋，不斷調整、優化掘進參數，以驗證選擇施工參數的合理性，并能保持盾構開挖面的穩定。

　　2、盾構推進時的同步注漿與二次注漿

　　為了減小和防止地面沉降，在盾構掘進中，要盡快在脫出盾構后的襯砌背面的環形建筑空隙中充填足量的漿液材料。根據地質條件，確定漿液配比、注漿壓力、注漿量及注漿起訖時間，對同步注漿能否達到預期效果起關鍵作用。二次(或多次)壓漿是彌補同步注漿的不足，減少地表沉降的有效輔助手段，可使盾構在穿越建筑物、地下管線時，大大降低地面沉降。

　　結語

　　盾構法施工技術一次性投資大，造價較高，但由于其具有快速、安全、減少地面沉降的優點，使得盾構法施工技術在世界許多國家不斷得到發展。盾構機是一種專業機械，施工的地質水文條件(土)是盾構機設計的依據，因此早期的地質勘探是盾構施工成敗的關鍵。從巖土工程的角度研究盾構隧道的設計、開挖面的穩定機理、盾構控制方法等問題，是保證盾構正常施工、隧道安全使用的根本，只有如此，才能真正推進我國盾構施工技術的長足發展。

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