1、盾构施工法在地铁工程中的设计与应用摘要：随着城市地下交通的发展，地铁隧道施工越来越多。如何选取一种安全可靠的隧道施工工法成为工程成功与否的关键，也是施工进度与工程效益的重点。由于盾构施工工法对周围环境影响相对较小、成形质量高、安全可靠、施工进度快等优点，盾构技术是地铁隧道施工工法的首选。本文首先对盾构施工的概况做了说明，然后对几种主要的盾构机做了说明，并以工程实例重点探讨了地铁盾构机施工法的设计及应用，最后对其地表沉降的问题做了分析。 关键词：盾构机；土压平衡；掘进；始发；地表沉降 Abstract: with the development of the urban underground
2、traffic, underground tunnel construction more and more. How to select a safe tunnel construction methods become the key to the success of engineering, is also the focus of the construction progress and engineering benefit. Because of shield construction method is relatively small impact on the envir
3、onment, high forming quality, safe and reliable and fast construction, shield tunneling technology is the first selection of metro tunnel construction methods. At first, this paper summarize the general situation of shield construction, and then several main shield construction machine made, and the
4、 engineering examples, probes into the design of the metro shield machine construction method and application, and finally made a analysis of the surface settlement of the problem. Key words: shield machine; Earth pressure balance; Tunneling; Starting; The surface subsidence 中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章
5、编号：2095-2104(2013) 盾构施工概况 （一）盾构法概念 盾构法施工是使用盾构机在地下掘进，在护盾的保护下，在机内安全的进行掌子面开挖和管片衬砌作业，从而构筑成隧道的施工方法。盾构施工法是由稳定开挖面、盾构机挖掘和衬砌三大部分组成。 （二）盾构法的优点 盾构机开挖断面为圆形，承压稳定性好。由于用机械方法切削成型，没有爆破法的危险因素，减少了周围围岩层松动、冒顶的可能性，因此也减少了支护的工作量，作业人员在护盾内工作，大大提高了作业的安全性；根据使用效果看，在均质岩层中，掘进速度每月可达 600m 以上，掘进速度相对较快；用盾构法施工大大的节省了劳动力，降低了劳动强度；机械法破碎的渣
6、土多成中块或粉状，粒径均匀，可由皮带运输机直接排出，大大的提高了工程的施工进度；由于集中控制操作，有实现远距离操作和自动化。 （三）盾构法的缺点 一次性投资较大，自身尺寸大，重量大，机器结构复杂，生产周期长，装运费时、费事、费钱，刀具的消耗和维修费用很昂贵；对地质变化的适应性较差；目前国际上，盾构机设计和断面开挖局限于圆形，对于其他形状的断面，需要进行二次开挖，导致施工作业率低。施工中的外接电缆延伸、洞壁保护、水管路延长及机器方向调整等工序，一般约占整个作业时间的 50%左右；能耗大，纯机械开挖破岩，石渣过分破碎，耗费能量大且粉状石渣难于再利用。 盾构机简介 （一）泥浆式盾构 泥浆式盾构包括了
7、所有用加压泥浆支撑工用面的盾构。用泥浆式盾构掘进隧道己被证明是一种具有低沉陷且安全的施工方法。它可以适用于各种松散地层,有无地下水均可,在稳定的地层中使用该法优点很多。在开挖掌子面，刀盘在泥浆中旋转，挖掘下的渣土与泥浆混合。盾壳区域内，刀盘旋转进行开挖的部分称为开挖舱，压力舱板将它与盾壳分隔开来。开挖舱内的土压和水压被压力泥浆平衡，从而避免了不受控制的土壤掺入并保证了隧洞开挖面的稳定。 泥浆通过气垫对隧洞开挖面施加压力从而实现支撑作用。对开挖面施加压力的控制由压缩空气控制单元进行。气垫调节仓内的压缩空气气垫产生支持压力并将该压力传至泥浆，调节液位高度。 受到压力后的泥浆，其液位则刚好达到机器轴
8、线的位置。承压泥浆产生的支持压力传输到开挖舱，这时，整个开挖舱内完全充满承压的泥浆。开挖舱内泥浆的波动将被精确控制以保持平衡状态。 泥浆循环系统，泥水的传输和支持压力的控制(气垫)彼此分开，开挖舱内的泥浆(渗入泥饼)不断更新，挖掘的渣土与靠近出渣管(左、右)的泥浆混合，在盾构机底部产生涌流效应从而使渣土易于流动。压力舱板上部和中部的其他冲刷点将使开挖舱内集中的全部水流和新鲜泥浆的重新分配达到最佳状态。高涌流效应和安装在吸管前面的搅拌器避免了渣土粘结的危险。通过开挖舱底部的出渣管，挖掘的渣土将被泵送出开挖区域，而不会影响对开挖面支持压力的监测。 （二）土压平衡式盾构 土压平衡式盾构用切割轮开挖的
9、渣料作为支撑介质，与其他工法相比，土压平衡式盾构可以不用辅助的支撑介质，切割轮开挖出的材料可作为支撑介质。 该工法用旋转的刀盘开挖地层，挖下的渣料通过切割轮的开口被压入开挖腔，然后在开挖腔内与塑性土浆混合。推力由压力舱壁传递到土浆上，这样可以避免尚未受到控制的开挖地层进入开挖腔。当开挖腔内的土浆不再被当地的土和水压固化时就达到平衡。如果土浆的支撑压增大超过了平衡，开挖腔的土浆和在工作面的地层将进一步固化。反之，将引起盾构前的地层崩塌。 该工法与泥浆式盾构相比所具有的优点:能够使挖掘的砂土变成可塑流动性和不透水性优越的“泥浆” ，因此，其适用于松软土层至砂砾层等广泛的各类土质；刀盘舱及螺旋输送机
10、内的泥浆会形成不透水层，能够防止地下水流入机内；盾构机外周及刀盘舱内被泥浆灌满，因此可控制已灌入泥浆的蔓延，并可进行适当的回填材料注入管理；残土可用输送带、运泥车及压力泵等进行输送，不需大型残土处理设备。 （原则上，须将残土进行固化处理等改良后再运至堆土场。 ） （三）敞开式盾构 在隧道工作面无封闭压力补偿系统用以抵抗土压和地下水压力的隧道掘进机称为敞开式盾构。敞开式盾构用于无地下水地层或预先降低地下水位的地层。该工法由于工作面支撑方式简单，其相对的工艺简单。它的灵活性高，适于通过各种非粘性和粘性地基。其另一优点是对断裂带的稳定性及可能用手工盾构和半机械化盾构掘进非圆形断面，在机器工艺方面其价
11、格相对低，是一种短程掘进的经济方法，常用于较小断面的隧道开挖。根据开挖方法的不同，可将这类型盾构分为: 手工盾构，部分断面开挖盾构，全断面开挖盾构。 （四）压缩空气式盾构 该工法利用压缩空气使整个盾构都防止地下水的侵入，它可在游离水体下或地下水位下运作。其工作原理是利用用压缩空气来平衡水压和土压。传统的压缩空气式盾构要求在隧道工作面和止水隧道之间封闭一个相对较大的工作腔，大部分工人经常处于压缩空气下，这会对掘进隧道和衬砌造成干扰，为了解决这些问题，又出现了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。 地铁盾构机施工法的设计及应用 某地铁标段区间隧道
12、（K7 +876.764K8 +642.400） ，区间全长765.636m（双线） ，其中在左线 K8 +190.527 处有一短链长 0.073m。本区间线型比较简单，左线转弯半径为 R =1500m，右线转弯半径为 R =1200m；线路最大坡度 1.6%，最小坡度 0.3%，采用土压式盾构法施工。 盾构始发前的准备 地面准备工作 地面建筑物、地下构筑物及地下管线调查完成，有报告及保护方案。地面监测点部署完毕且完成初始测量。 砂浆站、材料库、储浆罐及输送系统建设完毕并完成调试可正常供浆。 小土斗制做完毕并完成试用；龙门吊安装调试完毕可正常使用；碴土池建设完毕可正常使用。 井下准备工作 盾
13、构系统设备安装调试达到正常工作状态。 电瓶车等运输设备完成试运行。 反力架及基准环安装固定完毕达到始发受力要求（提供盾构推力不小于 2000T） 。 托架安装固定完毕，托轨上涂满黄油；防盾构旋转牛腿已布设焊接验收完毕。 盾构姿态实测完毕；导向系统安装调试检测合格，相关数据完成输入且达到正常工作状态。 盾尾刷已涂满优质盾尾密封油脂，要求深入到根部。 排水系统安装调试完成；供水及冷却系统安装调试完成。 洞门土体加固质量检测合格；洞门密封安装完成检测合格且与盾体的间隙符合密封要求，并在橡胶帘板上内周及与盾构接触的表面涂满黄油；洞门凿出完毕且经检查验收其实际净洞径满足设计及施工要求、洞内无金属材料等障
14、碍物（分两次破除，盾构完成调试且洞门密封安装合格后破除最后一层钢筋） ；洞门内导轨或导墙施工完毕检测合格。 材料准备 砂浆拌制材料进场并完成检测；轨道、轨枕、电缆、密封油脂、发泡剂、分散剂等进场；管片达到龄期并完成工厂验收。 洞门堵漏应急材料及设备（聚氨酯发泡剂、袋装 P.O42.5 或以上标号水泥、水玻璃、堵漏灵等；双液注浆泵） ；7.5Kw 潜水泵、污水泵各一台并配排水管； 负环管片出盾尾后定位加固材料：木契、19.5mm 钢丝绳、工字钢（根据现场空间确定型号和数量） 。 技术准备：施工方案审批完毕、各项交底完成； 人员准备：各工种人员到位、分工职责明确、培训工作完成；组织架构完善。 盾构
15、法施工技术方案和施工细节依赖于围岩条件，以及地下管线、周边建筑物等因此要求在施工准备阶段对沿线的工程地质、水文地质条件进行细致的勘察工作，并根据实际情况做好应急准备。城市地面交通繁忙、地面建筑物和地下管线密集，对地面沉降应用严格控制，在节省开挖面、不干扰地下水发育和围岩稳定并缩短工期的压力下，盾构法是最佳选择。下面以本工程采用的土压式盾构机进行说明。 （二）盾构法的施工工法 1、洞门加固 洞门加固的目的主要是拆除工作井洞口围护结构时，确保洞口土体稳定，防止地下水流入，进而防止地层变形对施工的影响。洞门加固有以下加固方法： （1）注浆法 按其原理分为两种：一种是不改变土颗粒排列，只使注入材料渗透
16、到土颗粒间隙并固结的渗透注浆法；另一种是沿注浆层面地层形成脉状裂缝、注浆材料使土颗粒间隙减小，土体被挤密的挤密注浆法（或劈裂注浆法） 。前者适合于砂质土层，后者适用于粘性土层。 （2）高压喷射搅拌法 高压喷射加固材料，使其与被搅动的土砂混合，或置换被搅动的土砂，形成一种具有一定强度的改良地层。 （3）冻结工法 对软弱地层或含地下水土层实施冻结，冻结的土体具有高强度和止水性，特别适用于大断面盾构施工和地下水压高的场合。 2、在隧道的起始端和终端各建一个工作井 始发井采用明挖法施工，施工方法和明挖车站的施作方法基本相同，围护结构采用钻孔灌注桩+钢支撑的形式。始发井考虑到在盾构施工阶段的降雨及降雪，
17、需要在工作竖井内设置一个集水井，将盾构掘进时施工排放的污水及雨水等收集起来，用水泵排至地面的沉淀池内。为了方便工作人员安全上下竖井，工作井内布置钢梯一部，钢梯布置在始发井的一角，钢梯由槽钢、角钢、花纹钢板、钢管及圆钢焊接而成。 3、盾构机在起始端的工作井内安装就位 在始发井结构施工结束后，开始安装盾构基座，为盾构初始掘进做准备。盾构基座采用钢结构，盾构基座水平位置按设计轴线准确进行放样。盾构基座高程安装时使盾构机就位后比设计高程高 15mm，以利于调整盾构机初始掘进的姿态。 4、盾构机的初始掘进 将推进油缸顶在反力装置上，启动切削刀盘和推进油缸即可进行掘削推进，推进油缸推进到一个行程，收回推进
18、油缸，在推进油缸与反力装置间加垫临时支撑垫，即可进行推进。在盾构刀盘切入土体前，为防止正面土体突然被切削而过量流失引起工作面坍塌，应通过螺旋输送器倒转方向向土仓内加注粘土，至满仓后才启动刀盘切削土体和出土。盾体进入隧道后，进行管片安装和后部辅助设备平车的拼装，推进油缸顶在管片上继续推进，这样，推进一节，拼接一节，直至盾构设备完全进入隧道。 5、盾构机的正常掘进 盾构设备完全进入隧道后，盾构按预先设定的方向掘进，该过程由盾构设备的计算机控制系统控制。当盾构设备出现左右或上下偏差时，由计算机系统对推进油缸进行控制，确保条件方向按预定设置方向前进。同时，在保证开挖面土压平衡的基础上，调节刀盘转速与推
19、进速度及螺旋输送机速度的比率，使开挖与排土保持恒定。 6、衬砌 在盾构设备掘进完一个节距以后，即可进行管片衬砌，由管片运输车运送到安装台位，再由管片衬砌台车将管片送至安装位置安装就位。管片安装完毕后，进行下一个循环的掘进，直至整个隧道工程的完成。 7、盾构接收 盾构由区间隧道进入接收竖井前，需首先对端头土体的加固和渗水情况进行取芯测试，在确保土体稳定和物大量渗水的情况下方可凿除洞口混凝土。洞口混凝土凿除应分层分块进行。在盾构距洞口越 10m 时，将洞口混凝土全部拆除。待盾构机刀盘露出洞口时，清除端头井内盾构机所带出的土体后，将盾构接受架准确地定位安设在洞口的底板上，高层比盾构机略低，并将接受架
20、固定，以便盾构机顺利滑行上架。 盾构机施工法地表沉降的控制与观测 地表沉降一般容易出现在软土或沙层地质。如果地表是交通道路，因地表的沉降会引起交通中断，如果地面为建筑物则会引起建筑物的不均匀沉降，其危害性将会更大。 （一）问题分析 掘进过程中出土量原因 一般情况下，掘进一环的出土量是固定不变的。但是根据地层的不同其松散系数是不一样的。如果在掘进过程中出现超挖而出土过量，必定会引起地表的不同程度的沉降。 2、村砌环背后注浆量原因 衬砌环壁后进行同步注浆一般对地表的沉降控制，有很好的效果，但是因掘进时出土量过大而且注浆量不够，地表的沉降就不能得到及时有效的控制。反之，如果注浆量过大也会引起地表的隆起。
