摘要：隨著城市軌道交通的發(fā)展建設(shè)，建立在地鐵盾構(gòu)法施工基礎(chǔ)上的工藝工法，為我國地鐵施工技術(shù)的發(fā)展和提高奠定了良好基礎(chǔ)。為了適應(yīng)實際情況，不斷改進的的盾構(gòu)新工藝也應(yīng)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(gòu)施工技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用也日益廣泛。本文就盾構(gòu)法施工進行了概述，分析了其施工技術(shù)原理和施工優(yōu)點，同時介紹了幾種常見的盾構(gòu)機，最后重點對盾構(gòu)施工的主要技術(shù)要點進行了說明。

　　關(guān)鍵詞：盾構(gòu)法,地鐵,隧道,掘進,襯砌

　　一、盾構(gòu)法施工概述

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

　　盾構(gòu)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(nèi)埋設(shè)物的影響。在開挖過程中，除了刀盤和盾構(gòu)鋼殼可以被動地產(chǎn)生支護作用外，還有使用壓力艙內(nèi)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(chǎn)生的盾尾空隙，主動地控制圍巖應(yīng)力釋放和變形是盾構(gòu)技術(shù)的關(guān)鍵。

　　盾構(gòu)法施工的主要優(yōu)點有：①除豎井施工外，施工作業(yè)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(gòu)推進、出土、拼裝襯砌等主要工序循環(huán)進行，施工易于管理，施工人員也較少，土方量較少;③在土質(zhì)差水位高的地方建設(shè)埋深較大的隧道，有較高的經(jīng)濟技術(shù)優(yōu)勢。

　　二、主要幾種盾構(gòu)機介紹各種盾構(gòu)機的優(yōu)缺點能否列表說明;以及適用范圍

　　(一)泥漿式盾構(gòu)

　　泥漿式盾構(gòu)包括了所有用加壓泥漿支撐工用面的盾構(gòu)。用泥漿式盾構(gòu)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(wěn)定的地層中使用該法優(yōu)點很多。在開挖掌子面，刀盤在泥漿中旋轉(zhuǎn)，挖掘下的渣土與泥漿混合。盾殼區(qū)域內(nèi)，刀盤旋轉(zhuǎn)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(nèi)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(wěn)定。

　　泥漿通過氣墊對隧洞開挖面施加壓力從而實現(xiàn)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(diào)節(jié)倉內(nèi)的壓縮空氣氣墊產(chǎn)生支持壓力并將該壓力傳至泥漿，調(diào)節(jié)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(chǎn)生的支持壓力傳輸?shù)介_挖艙，這時，整個開挖艙內(nèi)完全充滿承壓的泥漿。開挖艙內(nèi)泥漿的波動將被精確控制以保持平衡狀態(tài)。

　　泥漿循環(huán)系統(tǒng)，泥水的傳輸和支持壓力的控制(氣墊)彼此分開，開挖艙內(nèi)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(gòu)機底部產(chǎn)生涌流效應(yīng)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(nèi)集中的全部水流和新鮮泥漿的重新分配達到最佳狀態(tài)。高涌流效應(yīng)和安裝在吸管前面的攪拌器避免了渣土粘結(jié)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(qū)域，而不會影響對開挖面支持壓力的監(jiān)測。

　　(二)土壓平衡式盾構(gòu)

　　土壓平衡式盾構(gòu)用切割輪開挖的渣料作為支撐介質(zhì)，與其他工法相比,土壓平衡式盾構(gòu)可以不用輔助的支撐介質(zhì),切割輪開挖出的材料可作為支撐介質(zhì)。該工法用旋轉(zhuǎn)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(nèi)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(dāng)開挖腔內(nèi)的土漿不再被當(dāng)?shù)氐耐梁退畨汗袒瘯r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(gòu)前的地層崩塌。該工法與泥漿式盾構(gòu)相比所具有的優(yōu)點:能夠使挖掘的砂土變成可塑流動性和不透水性優(yōu)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(zhì);刀盤艙及螺旋輸送機內(nèi)的泥漿會形成不透水層，能夠防止地下水流入機內(nèi);盾構(gòu)機外周及刀盤艙內(nèi)被泥漿灌滿，因此可控制已灌入泥漿的蔓延，并可進行適當(dāng)?shù)幕靥畈牧献⑷牍芾?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(shè)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(gòu)

　　在隧道工作面無封閉壓力補償系統(tǒng)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(gòu)。敞開式盾構(gòu)用于無地下水地層或預(yù)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(yōu)點是對斷裂帶的穩(wěn)定性及可能用手工盾構(gòu)和半機械化盾構(gòu)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(jīng)濟方法,常用于較小斷面的隧道開挖。根據(jù)開挖方法的不同,可將這類型盾構(gòu)分為: 手工盾構(gòu),部分斷面開挖盾構(gòu),全斷面開挖盾構(gòu)。

　　(四)壓縮空氣式盾構(gòu)

　　該工法利用壓縮空氣使整個盾構(gòu)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(tǒng)的壓縮空氣式盾構(gòu)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(jīng)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(xiàn)了用無壓工作腔及全斷面開挖的壓縮空氣式盾構(gòu)和帶有無壓工作腔及部分斷面開挖的壓縮空氣式盾構(gòu)等。

　　下面將以上盾構(gòu)機類型的優(yōu)缺點和適用范圍進行比較說明。

　　三、盾構(gòu)法施工的主要技術(shù)要點

　　某地鐵標段區(qū)間隧道(K7 +876.764～K8 +642.400)，區(qū)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(qū)間線型比較簡單，左線轉(zhuǎn)彎半徑為R =1500m，右線轉(zhuǎn)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(gòu)法施工。

　　(一)盾構(gòu)機始發(fā)前的準備

　　盾構(gòu)法施工技術(shù)方案和施工細節(jié)依賴于圍巖條件，以及地下管線、周邊建筑物、基礎(chǔ)等因此要求在施工準備階段對沿線的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件進行細致的勘察工作，并根據(jù)實際情況做好應(yīng)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(yīng)用嚴格控制，在節(jié)省開挖面、不干擾地下水發(fā)育和圍巖穩(wěn)定并縮短工期的壓力下，盾構(gòu)法是最佳選擇。下面以本工程采用的土壓式盾構(gòu)機進行說明。

　　(二)盾構(gòu)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(jié)構(gòu)時，確保洞口土體穩(wěn)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(jié)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(zhì)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(jié)工法

　　對軟弱地層或含地下水土層實施凍結(jié)，凍結(jié)的土體具有高強度和止水性，特別適用于大斷面盾構(gòu)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(fā)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(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+鋼支撐的形式。始發(fā)井考慮到在盾構(gòu)施工階段的降雨及降雪，需要在工作豎井內(nèi)設(shè)置一個集水井，將盾構(gòu)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(nèi)。為了方便工作人員安全上下豎井，工作井內(nèi)布置鋼梯一部，鋼梯布置在始發(fā)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(gòu)機在起始端的工作井內(nèi)安裝就位

　　在始發(fā)井結(jié)構(gòu)施工結(jié)束后，開始安裝盾構(gòu)基座，為盾構(gòu)初始掘進做準備。盾構(gòu)基座采用鋼結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)基座水平位置按設(shè)計軸線準確進行放樣。盾構(gòu)基座高程安裝時使盾構(gòu)機就位后比設(shè)計高程高15mm，以利于調(diào)整盾構(gòu)機初始掘進的姿態(tài)。

　　4、盾構(gòu)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(gòu)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(yīng)通過螺旋輸送器倒轉(zhuǎn)方向向土倉內(nèi)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(shè)備平車的拼裝，推進油缸頂在管片上繼續(xù)推進，這樣，推進一節(jié)，拼接一節(jié)，直至盾構(gòu)設(shè)備完全進入隧道。

　　5、盾構(gòu)機的正常掘進

　　盾構(gòu)設(shè)備完全進入隧道后，盾構(gòu)按預(yù)先設(shè)定的方向掘進，該過程由盾構(gòu)設(shè)備的計算機控制系統(tǒng)控制。當(dāng)盾構(gòu)設(shè)備出現(xiàn)左右或上下偏差時，由計算機系統(tǒng)對推進油缸進行控制，確保條件方向按預(yù)定設(shè)置方向前進。同時，在保證開挖面土壓平衡的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)刀盤轉(zhuǎn)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(gòu)設(shè)備掘進完一個節(jié)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(huán)的掘進，直至整個隧道工程的完成。

　　7、盾構(gòu)接收

　　盾構(gòu)由區(qū)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(wěn)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(yīng)分層分塊進行。在盾構(gòu)距洞口越10m時，將洞口混凝土全部拆除。待盾構(gòu)機刀盤露出洞口時，清除端頭井內(nèi)盾構(gòu)機所帶出的土體后，將盾構(gòu)接受架準確地定位安設(shè)在洞口的底板上，高層比盾構(gòu)機略低，并將接受架固定，以便盾構(gòu)機順利滑行上架。

　　(三)盾構(gòu)機掘進過程中應(yīng)注意的問題

　　1、進洞時盾構(gòu)施工參數(shù)的計算

　　掘進前必須計算盾構(gòu)掘進施工參數(shù)，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(guān)數(shù)據(jù)的采集、分析，嚴加控制。及時總結(jié)并制定出適合本合同段地質(zhì)條件的掘進工藝參數(shù)。

　　2、推進速度

　　為了保證盾構(gòu)機姿態(tài)、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(shè)定為10mm/min。

　　3、管片拼裝

　　在洞內(nèi)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(zhì)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(cè)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(nèi)，以控制出土量為核心，各種參數(shù)合理配置，同時嚴格填寫推進出土記錄，才能保證一環(huán)的出土量不至于超挖，地面不會發(fā)生沉降。

　　5、注漿量

　　盾構(gòu)機尾部進入土體第一環(huán)至第三環(huán)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(fā)生沉降。

　　6、盾構(gòu)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(jù)洞口土質(zhì)條件，一般采用旋噴樁加固，并加強地表沉降監(jiān)測。

　　四、盾構(gòu)施工中對地面沉降的觀測

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

　　(一)地表沉降的監(jiān)測的內(nèi)容

　　1、監(jiān)測地下水位的變化

　　應(yīng)在隧道中心線和隧道兩側(cè)設(shè)置水位觀測井進行觀測。還應(yīng)監(jiān)測井點降水效果和監(jiān)測隧道開挖面等滲水處滲流情況。

　　2、監(jiān)測土體變形

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

　　(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(dāng)?shù)臍鈮褐祦矸乐雇馏w坍塌，土倉壓力與地面沉降觀測結(jié)果相對照，建立合理的土倉壓力并保持土壓平衡。

　　(2)在盾構(gòu)掘進時，嚴格控制開挖面的出土量，防止超挖。

　　(3)控制盾構(gòu)推進一環(huán)時的糾偏量，以減少盾構(gòu)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(jù)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(gòu)掘進時地面變形曲線進行實測反饋，不斷調(diào)整、優(yōu)化掘進參數(shù)，以驗證選擇施工參數(shù)的合理性，并能保持盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定。

　　2、盾構(gòu)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(gòu)掘進中，要盡快在脫出盾構(gòu)后的襯砌背面的環(huán)形建筑空隙中充填足量的漿液材料。根據(jù)地質(zhì)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(yù)期效果起關(guān)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(gòu)在穿越建筑物、地下管線時，大大降低地面沉降。

　　結(jié)語

　　盾構(gòu)法施工技術(shù)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(yōu)點，使得盾構(gòu)法施工技術(shù)在世界許多國家不斷得到發(fā)展。盾構(gòu)機是一種專業(yè)機械，施工的地質(zhì)水文條件(土)是盾構(gòu)機設(shè)計的依據(jù)，因此早期的地質(zhì)勘探是盾構(gòu)施工成敗的關(guān)鍵。從巖土工程的角度研究盾構(gòu)隧道的設(shè)計、開挖面的穩(wěn)定機理、盾構(gòu)控制方法等問題，是保證盾構(gòu)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(gòu)施工技術(shù)的長足發(fā)展。

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