道路桥梁评职论文发表盾构法施工技术探析

　　摘要：随着城市轨道交通的发展建设，建立在地铁盾构法施工基础上的工艺工法，为我国地铁施工技术的发展和提高奠定了良好基础。为了适应实际情况，不断改进的的盾构新工艺也应运而生，已成为我国城市地铁隧道的主要施工方法。近几年来，盾构施工技术发展迅速，应用也日益广泛。本文就盾构法施工进行了概述，分析了其施工技术原理和施工优点，同时介绍了几种常见的盾构机，最后重点对盾构施工的主要技术要点进行了说明。

　　关键词：盾构法,地铁,隧道,掘进,衬砌

　　一、盾构法施工概述

　　盾构法是在地面下暗挖隧道的一种施工方法。特别是在市区中心采用明挖法建造隧道很难实现的情况下，如采用盾构法对城市地铁、综合管线等地下公用设施建设具有明显的优点。

　　盾构施工的主要原理就是尽可能在不扰动围岩的前提下完成施工，从而最大限度地减少对地面建筑物及地基内埋设物的影响。在开挖过程中，除了刀盘和盾构钢壳可以被动地产生支护作用外，还有使用压力舱内泥土或泥水的压力来平衡开挖面上的作用土压力和水压力;衬砌完成后，使用壁后注浆及时充填由开挖产生的盾尾空隙，主动地控制围岩应力释放和变形是盾构技术的关键。

　　盾构法施工的主要优点有：①除竖井施工外，施工作业均在地下进行，既不影响地面交通，又可减少对附近居民的噪声和振动影响：②盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，施工易于管理，施工人员也较少，土方量较少;③在土质差水位高的地方建设埋深较大的隧道，有较高的经济技术优势。

　　二、主要几种盾构机介绍各种盾构机的优缺点能否列表说明;以及适用范围

　　(一)泥浆式盾构

　　泥浆式盾构包括了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。

　　下面将以上盾构机类型的优缺点和适用范围进行比较说明。

　　三、盾构法施工的主要技术要点

　　某地铁标段区间隧道(K7 +876.764～K8 +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。

　　(一)盾构机始发前的准备

　　盾构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、基础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)盾构法的施工流程

　　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，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，并将接受架固定，以便盾构机顺利滑行上架。

　　(三)盾构机掘进过程中应注意的问题

　　1、进洞时盾构施工参数的计算

　　掘进前必须计算盾构掘进施工参数，进洞时尽量早地建立土压平衡，在掘进过程中必须制定试验段，注意相关数据的采集、分析，严加控制。及时总结并制定出适合本合同段地质条件的掘进工艺参数。

　　2、推进速度

　　为了保证盾构机姿态、土体平衡，顺利切削洞口加固后的土体，保护切削刀，初始阶段速度一般设定为10mm/min。

　　3、管片拼装

　　在洞内进行管片拼装时，要注意管片与管片之间的缝隙的变化，要保持一定的缝隙，管片拼装一定要保证其拼装的质量，尤其是圆整度，拼装时将管片连接螺旋拧紧并及时用紧线器拉紧，管片外侧与基座间的空隙用木楔子楔紧固定。

　　4、控制出土量

　　初始掘进阶段严格控制出土量，在土体加固范围内，以控制出土量为核心，各种参数合理配置，同时严格填写推进出土记录，才能保证一环的出土量不至于超挖，地面不会发生沉降。

　　5、注浆量

　　盾构机尾部进入土体第一环至第三环的时候，要将注浆量加大，并且采用早强注浆材料进行注浆，以保证洞口的地面不发生沉降。

　　6、盾构进入终端工作井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推进。这时为防止出洞口土体坍塌需要对出洞土体进行加固，据洞口土质条件，一般采用旋喷桩加固，并加强地表沉降监测。

　　四、盾构施工中对地面沉降的观测

　　盾构施工期间由于上述各种原因引起的地表沉降对周围环境有一定影响，为了保护周围环境的地表建筑、地下设施的安全，必须要进行施工监测，在监测的基础上提出控制地表沉降的措施和保护周围环境的处理。

　　(一)地表沉降的监测的内容

　　1、监测地下水位的变化

　　应在隧道中心线和隧道两侧设置水位观测井进行观测。还应监测井点降水效果和监测隧道开挖面等渗水处渗流情况。

　　2、监测土体变形

　　在控制地表沉降要求较高的地区，往往在盾构推出竖井的起始阶段进行以土体变形为主的监测，以合理确定和调整盾构的施工参数。

　　(二)针对地表沉降的控制措施

　　1、减少对开挖面地层的扰动

　　(1)施工中采取灵活合理的正面支撑或适当的气压值来防止土体坍塌，土仓压力与地面沉降观测结果相对照，建立合理的土仓压力并保持土压平衡。

　　(2)在盾构掘进时，严格控制开挖面的出土量，防止超挖。

　　(3)控制盾构推进一环时的纠偏量，以减少盾构在地层中的摆动和对土层的扰动。同时尽量减少纠偏需要的开挖面的局部超挖。

　　(4)施工中根据地层情况采用注人添加材料(如泡沫、膨润土等)对砂性土体及不均匀地层进行改良。

　　(5)通过对盾构掘进时地面变形曲线进行实测反馈，不断调整、优化掘进参数，以验证选择施工参数的合理性，并能保持盾构开挖面的稳定。

　　2、盾构推进时的同步注浆与二次注浆

　　为了减小和防止地面沉降，在盾构掘进中，要尽快在脱出盾构后的衬砌背面的环形建筑空隙中充填足量的浆液材料。根据地质条件，确定浆液配比、注浆压力、注浆量及注浆起讫时间，对同步注浆能否达到预期效果起关键作用。二次(或多次)压浆是弥补同步注浆的不足，减少地表沉降的有效辅助手段，可使盾构在穿越建筑物、地下管线时，大大降低地面沉降。

　　结语

　　盾构法施工技术一次性投资大，造价较高，但由于其具有快速、安全、减少地面沉降的优点，使得盾构法施工技术在世界许多国家不断得到发展。盾构机是一种专业机械，施工的地质水文条件(土)是盾构机设计的依据，因此早期的地质勘探是盾构施工成败的关键。从岩土工程的角度研究盾构隧道的设计、开挖面的稳定机理、盾构控制方法等问题，是保证盾构正常施工、隧道安全使用的根本，只有如此，才能真正推进我国盾构施工技术的长足发展。

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