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来源：职称驿站所属分类：交通运输论文 发布时间：2012-08-17浏览：34次
【摘要】地下铁道具有运量大、速度快、噪音小、污染轻、能耗低等优点。大城市逐步形成了目前以地下铁道为主体，多种轨道交通类型并存的现代城市轨
道交通新格局。盾构法施工具有安全可靠、机械化程度高、工作环境好、土方量少、进度快、施工成本低等优点，尤其在地质条件复杂、地下水位高而隧道埋深较大时，只能依赖盾构。本文主要围绕着盾构技术在城市地铁施工中的应用进行了一些浅显的探讨。
【关键词】盾构技术；城市地铁；施工
引言
盾构施工技术是指使用盾构机，一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳,一边进行隧道掘进、出渣，并在盾构机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆，从而在不扰动围岩的基础上修筑隧道的方法。
随着城市经济的高速发展，越来越多的城市都将地下交通网线作为解决交通拥挤的最为有效的手段，这亦使地铁盾构法施工在不断普及和高速发展的同时面临更大的挑战。盾构法施工将向大深度、急曲线、长距离、大直径的趋势发展，尤其是对含有较大漂石、砂卵石、砾石等河口沉积地层中的盾构隧道施工，将带来盾构机压力平衡、壁后注浆及纠偏、土体位移及地表沉降控制等困难,以及刀具磨损快等一系列技术和理论问题。
一、盾构法的施工原理与盾构机介绍
1.1盾构法的施工原理
盾构施工原理就是利用盾构的盾壳在开挖隧道时充作临时支护，然后在盾壳的保护下拼装管片，形成永久衬砌。构成盾构法施工的主要内容是：先在隧道某段的一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁开孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计孔洞推进。盾构施工法的优点是机械化程度高、进度快、隧洞形状准确、质量高、衬砌经济；对环境无不良影响、地下水位可保持；对地面结构影响小；对于现场施工人员的安全性较高、劳动强度低。该施工方法的缺点是盾构的规划、设计、制造和组装时间较长，准备困难且费用高，只有长距离掘进时才较经济施工工艺复杂；需熟练掌握机器操作，当地层条件变化时实施有风险。
1.2盾构机相关内容介绍
盾构机是盾构施工法中最主要的施工机具。盾构机全名叫盾构隧道掘进机，是一个能支承地层压力而又能在地层中推进的圆形或矩形或马蹄形等特殊形状的钢简结构，在钢筒的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段周圈内面安装顶进所需的千斤顶，钢简尾部是具有一定空间的壳体，在盾尾内可以拼装一至二环预制的隧道衬砌环。盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向紧靠盾尾后面的开挖坑道周边与衬砌环外周之间的空隙中压注足够的浆体，以防止隧道及地面下沉。在盾构推进过程中不断从开挖面排出适量的土方。
盾构机按形式的差异可分为不同的类型。按掘土方式的不同可划分为手掘式、半机械式及机械式等；以工作面挡土方式的不同可划分敞开式和密闭式；以气压和泥水加压方式的不同可划分气压式、泥水加压式、土压平衡式、加水式、加泥式及高浓度泥水加压式等。为了能使用同一台盾构机能够适于挖掘地基中不同性状的地层，又产生了组合式盾构。该盾构是由于上述几种盾构方法中的两种或多种组合而成。如压缩空气式盾构——敞开式盾构、泥浆式盾构——敞开式盾构、土压平衡式——敞开式盾构等。
根据各种机器的原理，组合盾构可以按照地基的地质和水文条件进行调整，这些改变基本上与工作面支撑方法以及刀具、输送系统和其他设备有关。现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学液压、电气、控制、测量等多门学科技术，而且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极高。
盾构法施工技术大大减少了施工时周围土层的扰动，使得作用在衬砌上的荷载变得更加稳定与均匀。当在不良的地层条件下做长距离掘进，对进尺有和地面沉陷有严格的要求时，盾构法相对其它方法在技术上更合理更经济。
二、地铁盾构隧道的几个重要问题分析
2.1地铁盾构隧道的规划问题
众所周知，盾构法施工隧道工程的造价与盾构掘进的长度密切相关。根据目前盾构制造技术水平，一台盾构机在不需要进行大修的情况下一般可以掘进约3km—4km的隧道，而国内应用盾构的施工技术水平可以达到1km的区间隧道只需3—4个月时间就完成施工，因此在地质情况没有发生大的变化的前提下，规划时应该充分发挥盾构施工进度快、质量高的优势。
在规划时盾构是多区间过站掘进还是单区间调头或吊出后重新组装掘进，从经济上比较过站要求车站站台层比一般车站的净空（6.2—6.4m）高（含轨行区道床及轨顶风管），过站需要净空高度为6.8—6.9m，其增加的土建费用和盾构过站费用之和与盾构机的拆卸、转场及重新组装费用基本相等，但是多区间过站后连续掘进的有利条件是只需要一个始发场地和一个吊出场地，且盾构过站始发后车站施工能正常进行，而单区间盾构调头施工对车站施工干扰大，主要是跨线运输，且不利于发挥盾构施工速度快的优势，尤其是盾构需要较大始发场地，在城市地铁建设规划中始发场地占道、占地、拆迁难度大、费用高的情况下更应考虑这一点。因此在满足工期要求条件下尽可能使单台盾构掘进距离长一些，这有利于降低盾构工程施工的盾构机摊销费，减小征地与拆迁，从而有利于降低地铁盾构隧道的造价。
2.2不稳定地层的盾构始发与到达
盾构的始发和到达是盾构施工的重点。对于不稳定地层，一般都要进行端头加固处理，即使如此，国内外盾构始发和到达施工中还是发生了不少事故，且到达发生事故的几率比始发大。如出现大沉降、发生大量涌水、涌泥，造成地表发生大面积塌陷、工程无法按计划施工，甚至造成已成形隧道破坏等。
关于盾构始发端头加固的范围和强度，有许多论文和文献进行了论述，基本上是基于静止土压力分析其稳定性来确定。一般来说，对于塑性不稳定地层，如粘性土层，这样考虑是安全的，但对于流塑性地层或极易发生涌水、涌泥的松散地层，仅考虑破除洞门后地层的稳定性而进行加固，还不足以保证施工安全。一方面盾构机穿越加固端头后，由于盾构开挖直径大于盾构壳体直径，造成盾构与地层间形成间隙，且始发洞门较盾构掘进空间大，且由于盾构机脱离始发平台后下沉引起上部间隙加大，洞门密封结构的尺寸可能不足以保证密封效果，因此流塑性地层很容易沿间隙发生涌水、涌泥，从而地层可能发生较大的沉陷或坍塌。另一方面，由于疏忽或者新机始发时扭矩限定值设置过低，始发掘进时未建立土压平衡掘进模式，致使平衡的土压力没有达到要求，因而造成工作面松弛，形成地层沉降或坍塌，国内盾构施工此类事故不少。
为此，对于流塑性地层或极易发生涌水、涌泥的松散地层，尽管对始发端头进行加固，盾构始发也应建立土压平衡掘进模式，必要时应先向碴仓倒灌泥土，且应采用较慢的掘进速度，以保证洞门空隙被盾构切削下的碴土填充，也有利于盾构的磨合，同时洞门密封结构应足以满足要求或进行随时调整，以确保施工安全。
到达端头的加固范围也可按照上述基本理论计算。但是许多文献和资料表明，尽管是相同的工程环境和地质环境，到达端头的加固长度小于始发的加固长度。由于到达端头的洞门密封装置与盾构贯通面还有一定的距离，且由于贯通面有一部分碴土需要人工清理，因此很难做到及时利用洞门密封装置进行封闭，所以在流塑性地层或极易发生涌水、涌泥的松散地层极易造成塌陷事故，甚至造成出洞段管片发生严重变形。如在南京、深圳和广州一号线就发生过类似事故。
因此，对于流塑性地层到达端头的加固长度应大于盾构机体的长度，并考虑一定的富裕，必要时应在贯通前在盾构机体的外周注人合适的充填材料，以确保施工安全。
2.3软硬复合地层的盾构掘进
随着我国城市地铁的发展，盾构法越来越多地应用到软硬复合地层隧道施工，但是国内外大量工程实例表明，盾构在软硬复合地层施工中出现的问题主要是刀具磨损严重、更换困难致使掘进受阻、刀盘磨耗致使刀盘强度和刚度降低而无法掘进、刀盘受力不均致使主轴承受损或主轴承密封被破坏等。
一般来说对于密闭式盾构在岩石强度大于80MPa的情况下，首先不宜采用双刃盘刀，而应采用单刃盘刀破岩，这是由于双刃盘刀邻近的两个刀圈同时通过，刀圈间将要剥离的岩石可能处于被拘束的状态，致使掘进困难，刀圈正面和侧面都更易于磨耗受损，同时由于刀具的运动轨迹为圆曲线，双刃盘形滚刀易于受到较大侧向力的作用，从而导致刀圈产生断裂或裂纹而破坏。
在软硬不均地层采用盾构掘进时，必须有效控制掘进参数。掘进推力应为刀具掘进所需的力加上盾构前移和后配套前移所需克服的摩擦阻力，刀具掘进的破岩推力只能按硬岩部分盘刀受力计算确定，盲目加大推力进行掘进是有百害而无一利的。同时在这种地层中掘进，盾构刀盘转速不宜太快，否则会造成颠簸、受损。为了防止刀盘振动和刀具受力的过大波动，一般宜采用较低的刀盘转速（1.0r/min）左右，且根据硬岩TBM掘进的经验贯入度不宜超过5mm。因此，为了保护盾构及其刀具，在软硬不均的特殊地层中密闭式盾构不宜追求施工进度。
三、目前我国盾构施工技术需要解决的主要问题
任何新技术的开发、产生要根据市场需求和国情，进行仔细的论证。就目前我国盾构技术在城市轨道交通系统建设使用的情况而言，一些问题的解决、新技术的开发将成为当务之急。
（1）在国产盾构机还没有被接纳的情况下，造价的问题使得盾构机的反复使用变得明显。盾构机是根据施工隧道的特点和围岩情况进行设计、制造。盾构机必须根据施工隧道的断面大小、埋深条件、地基围岩的基本条件进行设计、制造，是适合于某一区间的专用设备。但是，由于盾构机本身是一个非常昂贵的设备,，以我国的工程造价水准,，还不具备一项工程完全折旧的能力。因此，在购置设备时，一定要考虑到机械的反复使用问题，尽可能设计多功能、多用途的机械以充分发挥其作用。
（2）研究长距离施工。因为盾构法施工效率高，因此适合长距离施工。在一些地铁施工、排污隧道施工中也经常遇到长距离施工的问题。这一问题的解决除依靠提高盾构机的耐磨性能以外,，研究刀头等易磨损部件的更换技术也是比较实用的方法。当然地下接合技术也是一个非常有效的技术，但必须考虑到使用时地下接合对盾构机的要求和对施工管理精度的要求。
（3）结合国内主要隧道结构形式，研究双圆形或眼镜形盾构。我国的地铁隧道采用单圆双线隧道施工，容易出现后续隧道对先行隧道发生影响和超近距离施工的问题。如果采用双圆形或眼镜形盾构进行施工，这些问题将会得到解决。而这一新技术能否得到使用的另一个决定因素就是造价问题，也就是施工两个单圆隧道和施工一个双圆形或眼镜形隧道的经济性比较问题。
当然，盾构施工技术除了上述问题外，还存在着其它待改进和提高的问题。如隧道设计和盾构施工中除了要保证工程本身安全、质量的要求外，更重要的是如何控制对隧道沿线环境的影响以及从做好地铁建成后隧道保护要求来考虑，要提高隧道衬砌环抵抗隧道纵向变形的能力。盾构隧道设计、施工和管理等方面工作要围绕如何加快重点工程建设进度进行精心施工要做到方便施工，简化工序，节约投资，加强盾构隧道的耐久性,，提高隧道的抗渗、抗蚀能力。
参考文献
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[2]周文波．盾构法隧道施工技术及应用[M]．北京：中国建筑工业出版社，2004
[3]王瑞斌．泥水平衡盾构进排浆系统技术[J]．隧道建设．2004(6)
[4]管会生，徐济平．复杂地质条件对盾构施工影响与相应技术措施[J]．施工技术．2004
《盾构技术在城市地铁施工中的应用研究》
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文章名称： 盾构技术在城市地铁施工中的应用研究
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