盾构法地铁隧道施工关键技术研究

盾构法地铁隧道施工关键技术研究

作者：李学科

来源：《建筑工程技术与设计》2014年第12期

【摘要】\"盾构法施工\"是隧道掘进施工方法的一种，它的特点是机械化、自动化。这项施工方法西方发达的国家在很早之前就已经开始使用于地铁施工和尘世地下排水隧道中。近年来，在取排水隧道施工、越江海隧道和城市地铁隧道中我国也开始采用这项技术。 【关键词】盾构法；地铁；技术施工 一、地铁盾构隧道施工技术的基本原理

地铁盾构隧道施工技术是指利用盾构机，一边进行地铁隧道的掘进和出渣，一边控制围岩和开挖面部出现坍塌失稳，并使用机内的拼装管片实施壁后的注浆和形成衬砌，以达到不扰动围岩而进行地铁隧道修筑的方法。盾构机有很多型式，大多为圆形，外壳由钢筒组成，钢筒的直径稍大于隧道衬砌的外径。盾构机中的盾是指保持隧道开挖面稳定性的压力舱、刀盘和支护围岩的盾构钢壳；构则是指壁后注浆体和构成隧道衬砌的管片。因地铁隧道工程施工中多是以土为围岩，相

较于岩石围岩，土体的自立稳定性能较差，因此保持隧道开挖面稳定性能的盾，显得极其重要。

三、分类和组成

地铁盾构机的分类主要有压缩空气式、土压平衡式、泥浆式等不同的类型。这些分类根据在工作的过程中不同土质和工作方式来进行分类的。盾构机的组成部分更加复杂，主要由开挖系统、推进系统排土系统管片拼装系统、油压、电气、控制系统、资态控制装置、导向系统、壁后注浆装置、后方台车、集中润滑装置、超前钻机及预注浆、铰接装置、通风装置、土碴改良装置及其他一些重要装置如盾壳、稳定翼、人闸等组成。典型土压平衡式盾构机为主机结构（盾体及刀盘结构）断面形状：圆形、用钢板成型制成，材料为；S335J2G3。主要由已下部分构成：刀盘、主轴承、前体、中体、推进油缸、铰接油缸、盾尾、管片安装机。主机外形尺寸：7565mm（L）×6250（前体）×6240（中体）×6230（盾尾）。 1.压缩空气式盾构

压缩空气式盾式是Greatbhad在1886年首次引用了这种工法，该工法中为了防止地下水的侵入，合理的利用了压缩空气，在游离水体下或地下水位下运作是它的主要优势。利用用压缩空气来平衡水压和土压是其工作原理，传统的压缩空气式盾构要求一个相对较大的工作腔，这个工作腔要封闭隧道工作面和止水隧道，本身还有一个局限性，那就是工作人员会长期处于压

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缩空气下， 会影响隧道的掘进和衬砌。用无压工作腔及全断面开挖的压缩空气式盾构和带有无压工作腔及部分断面开挖的压缩空气式盾构等就可以很好的解决这个问题。 2.土压平衡式盾构

土压平衡式盾构是在20 世纪70 年代由日本开始开发的，在隧道挖掘的过程中可以改变原来需要支撑介质的形式，支撑介质可以直接由切割轮挖出的材料来充当。具体的方法是：地层在被旋转的刀盘开挖时产生的渣料就通过切割轮的开口填入开挖腔，接下来渣料和塑性 土浆在开挖腔内混合在一起，土浆上有压力仓壁产生的推力，达到平衡的标准是开挖腔内的土浆不能被当地的土和水压固化。如果超过平衡的话，在工作面的地层将会进一步的固化土浆，与泥浆式盾构相比优点在于；无分离设备在淤泥或粘土地层中使用，覆盖层浅时无贯穿浆化的支撑泥浆泄露的危险。 3.泥浆式盾构

泥浆式盾构是1912年，由Grauel首次建造的，这种方法适用的范围相对来说较广该法可以适用于稳定的地层中，适合各种松散地层，有无地下水都不会造成影响。使用该法时主要由泥浆支护隧道工作面，隧道工作面前封闭的开挖腔内注入泥浆液悬浮液受到压力后进入地层之后把地层封闭起来形成滤饼，并在开挖腔内平衡水压和土压，运输的介质在这个时候就同时成了前面用作支护的液体，支护液体与开挖的地层在开挖腔中完全的混合，然后有泵把悬浮液的混合物送到地面。分离的过程由在地面的分离场来完成。 四、地铁盾构隧道施工工艺流程 1.始发井端头加固

为了保证盾构始发和到达时的施工安全，并确保地层的稳定，以防止端头地层出现涌漏水或者坍塌等意外情况，应根据各始发与到达端头的工程地质、水文地质和端头结构等进行综合的分析、评价，以决定是否需要对洞口的端头地层进行适当的加固处理。端头加固有搅拌桩、高压旋喷桩和静压注浆等多种形式。 2.盾构机的就位调试

盾构机的就位调试主要包括了空载调试和负载调试两个部分。 （1）空载调试

当盾构机连接和组装完毕以后，则可进行空载调试。空载调试的目的主要是对设备正常运转的能力进行检查。主要调试内容包括了润滑系统、液压系统、配电系统、冷却系统、泥浆系统、注浆系统，以及对各种仪表的校正。

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（2）负载调试

当空载调试证明盾构机具有良好的工作能力以后，即可进行负载调试。负载调试的目的主要是对各种管线以及密封的负载能力进行检查，并对空载调试中没有完成的工作做进一步的完善，以使盾构机的各个辅助系统和工作系统能满足正常生产的要求。在负载调试时，应采取严格的管理措施和技术手段，以确保工程质量、工程安全和线型的精度。 3.始发设施的安装 （1）始发基座的安装

依据地铁隧道设计的轴线确定盾构始发姿态的空间位置，然后计算和推测出始发基座的具体位置。因为始发基座在盾构始发时，需要承受横向、纵向的推力，以及约束盾构旋转的扭矩，因此在盾构始发之前，应先对始发基座的两侧进行加固措施。 （2）反力架的安装

在盾构主机和后配套连接之前，应首先进行反力架的安装。因为反力架能为盾构始发时提供反推作用力，因此在反力架安装时，反力架的端面需和始发基座的水平轴相垂直，以便于地铁隧道设计轴线能与盾构轴线保持平行。在安装时，盾构始发井结构和反力架连接的部位应垫实，以确保反力架的脚板能够具有足够的抗压强度。 （3）负环管片的安装

当按照设计要求进行精确测量定位以后，即可组装反力架和负环管片，为盾构的推进提高良好的后座反力。对负环管片和反力架的布置，靠近反力架的一环作为基准环，基准环应为钢管片，其余的负环管片则为与隧道管片相同的混凝土管片。 （4）洞口临时密封装置

盾构在始发的过程中，为了防止地下水或者泥水从盾构壳体与洞口圈的空隙窜入进盾构工作井内，并影响到盾构机开挖面的土仓压力和开挖面土体的稳定，盾构始发之前必须在洞口处设置性能良好的密封装置。 4.盾构掘进 （1）试验段掘进

通常将盾构开始掘进的45 米称为试验段掘进。在掘进完成90 米以后可将负环管片拆除，通过试掘进段以达到以下的目的：能用最短的时间对盾构机进行调试；认识和了解工程的地质

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条件，掌握该地质条件下泥水平衡盾构的施工方法；便于收集、整理和分析各地层的掘进参数，制定对各地层详细的操作规程，以实现高效、连续、快速的掘进。 （2）正常掘进

盾构机在完成试验段掘进以后，应对始发设施进行必要的调整，为正常的掘进工作做好准备。调整工作包括了：拆除始发基座、反力架和负环管片；在站内铺设双线规定；其它各种管线的连接与延伸。盾构机正常掘进时，应做好以下方面的工作：

①根据工程地质条件和试验段掘进工程中的监测结果，对掘进参数做进一步优化。 ②在正常推进的过程中，采用试验段掘进阶段所掌握的最佳施工参数，并通过对施工监测的加强，以不断完善施工工艺，控制地面沉降。在推进过程中，需对推进里程进行严格控制，将施工测量结果与计算坐标相对比校核，及时作出调整。

③在盾构掘进的全过程中，必须严格受控，地铁工程技术人员应根据隧道埋深、地质变化、地表沉降、地面荷载、盾构机性能、千斤顶推力和刀盘扭矩等各种测量数据和勘探信息，正确下达每班掘进指令，并即时跟踪调整。

④盾构机需根据当班指令设定参数进行推进，推进出土、泥水流量和衬砌注浆应同步进行。当初始出现小的偏差时，应及时对其纠正，但一次纠偏量不宜太大，以减少和避免对地层的扰动。 5.管片安装

管片安装之前应先做好防水处理，并将连接件和管片备齐，盾尾杂物需清理干净，检查设备运转正常后即可进行管片的安装。管片的安装顺序是先就位底部管片，然后由下往上的左右交叉安装，每环相邻管片应控制封口尺寸和环面平整度，最后插入封顶管片中成环。 6.盾构机接收阶段掘进参数选择

（1）接收前50环内的测量复核与姿态调整阶段

为确保盾构接收时的贯通精度，在接收前50环时进行一次复核测量。复测按照规范严格进行并报监理及总控测量单位复核，保证测量工作无误。 （2）盾构机距离洞门结构混凝土30 m～3.5 m掘进阶段

此阶段的掘进速度和土仓压力与前阶段掘进一样，按常规控制，但此段施工应一定加强注意调整盾构机的姿态，使盾构机的掘进方向尽量与原设计轴线方向一致。

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（3）盾构机距离洞门结构混凝土3.5 m～2 m掘进阶段

盾构机进入加固区时，凿除洞门结构混凝土，并割断洞门结构墙钢筋混凝土外侧的钢筋，保留内侧钢筋和30 crn混凝土。

（4）盾构机距离洞门2 m～20 cm掘进阶段

掘进过程中密切注视洞口情况，直至洞门混凝土松动或开裂，不可能再掘进为止。注浆完成后，立即开始切割混凝土分块槽内钢筋，由下到上逐块吊出洞门混凝土块，并清除碎片及泥土，在此之前做好洞门防水帘幕的安装及接收架的安装工作。 （5）盾构机距离洞门20 cm到进入车站露出掘进阶段

盾构机继续前进并拼装管片，此阶段由于洞门结构已经完全破除，无土体压力，速度根据实际情况决定；刀盘完全露出土体后，停止转动。盾构机停顿片刻，此时立即清除坍塌下来的土体及密封舱内的泥土，对盾构中心进行测量，看是否满足贯通精度。 参考文献

[1]陈超，城市地铁盾构法施工技术经济分析 [J] 《施工技术》 2005.2.

[2]楼顺峰，刘嘉斌，地铁施工用盾构机选型及施工组织 [J] 《价值工程》 2010，15