地铁隧道盾构施工问题与对策

地铁隧道盾构施工问题与对策

张雄

关键词：地铁隧道；盾构法；对策

引言

近年来，为了适应城市的现代化建设和满足城市居民不断增长的出行需求，全国各地的地铁建设不断发展，为人们的出行提供了巨大的保障。然而，在地铁隧道建设中关于引进盾构法所带来的问题不容忽视，如何加强盾构施工的安全性应是研究的重点。本文以深圳地铁11号线区间隧道建设为例，在地铁隧道盾构施工出现的问题的基础上提出解决的对策。

一、关于盾构法的简介

1.1盾构法的概念

盾构法施工是以盾构机为隧道掘进设备，以盾构机的盾壳作支护，用前端刀盘切削土体，由千斤顶顶推盾构机前进，以开挖面上拼装预制好的管片作衬砌，从而形成隧道的施工方法。

1.2盾构的原理及其优缺点

盾构的基本原理是基于一圆柱形的钢组件沿隧洞轴线被向前推进的同时开挖土壤。该钢组件总是防护着开挖出的空间，直到初步或最终隧洞衬砌建成。盾构必须承受周围地层的压力，而且要防止地下水的侵入。

盾构法隧道的优缺点对比如下表：

盾构法的优点盾构法的缺点

1.安全开挖和衬砌，掘进速度快1.盾构机械造价较昂贵，隧道的衬砌、运输、拼装、机械安装等工艺较复杂。

2.盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工劳动强度低。2.在饱和含水的松软地层中施工，地表沉陷风险极大。

3.不影响地面交通与设施，同时不影响地下管线等设施。3.需要设备制造、气压设备供应、衬砌管片预制、衬砌结构防水与堵漏、施工测量、场地布置、盾构转移等施工技术的配合，系统工程协调难。

4.穿越河道时不影响航运，施工中不受季节、风雨等气候条件的影响，施工没有噪音和扰动。4.建造短于750m的隧道没有经济性；对隧道曲线半径过小或隧道埋深较浅时，施工难度大。

5.在松软含水地层中修建埋深较长的长隧道往往具有技术和经济方面的优越性。5．隧道断面变化的可能性小，断面如需变化时，费用较高。

1.3盾构型式主要有：泥浆式盾构、土压平衡式盾构、敞开式盾构、压缩空气式盾构、组合式盾构等等。

二、盾构法在施工过程中会出现的问题

2.1地面沉降问题

2.1.1地面沉降概念

地面沉降主要是由于施工过程中开挖面的应力释放和附加应力等引起的地层变形。由于盾构施工是在岩石体内部进行的，所以无论开挖的深度大小，都会对岩体周围的土层产生扰动，从而影响地表形态。

2.1.2盾构法施工沿隧道纵向的地面沉降可划分为5个阶段。

（1）盾构到达前的地层沉降，即盾构机未到达土体时地表就已发生了变化，该影响限于10m～15m以内。这主要是由盾构推进土压力的波动引起的。

（2）盾构到达时的底层沉降，即开挖时土层的沉降，自开挖面距观测点约3m～10m时，直到开挖面位于观测点正下方之间所产生沉降现象。这多是由于土体应力释放或盾构反向土仓压力引起的土层塑性变形所引起的。

（3）盾构机通过时的沉降，即盾构切口到达测点起至尾部离开测点之间发生的沉降。这阶段的沉降主要是由盾壳向前移动时与周围土体之间形成的剪切滑动面造成土体被扰动，这一阶段的沉降占总沉降的35%～40%。

（4）盾尾间隙沉降，即盾尾通过测点后所导致的地表沉降，其大约在尾部通过测点后0～20m内产生影响。这往往是因为注浆不及时或注浆量不足，使得土体向空隙填入，造成土层应力释放而引起的地表变化。这个阶段的沉降占总沉降的40%～45%。

（5）后续沉降，即盾尾离开土体一周后的地表沉降，其原因是前面作用累计导致的，这反映了地层沉降的时间效应。这个阶段的地面沉降不超过总沉降的10%。

综上所述，盾构施工过程中，第三和第四阶段的地面沉降所占比例最大，所以对其控制也很重要。

2.1.3导致地面沉降的原因有内外因之分，主要包括以下几点：

（1）地质条件：据研究表明，盾构施工对地表沉降的影响应地层状况而各异。

（2）土体性质：不同性质的土体对地表沉降的程度也不同。

（3）覆土厚度h和盾构外径d：最大地面沉降随覆土厚度h和盾构外径d的比值即h/d的增大而减少。

（4）地下水位变化：施工过程中的地层中水位的变化也会导致地层变形，引起沉降现象发生。

（5）盾构施工姿态：盾构推过程中，土压仓压力过大或过小都引起地层沉降。

（6）若注浆不及时或注浆量不足都会引起地层变形。

2.2地层损失

盾构推进引起的土体位移由盾构前的地表位移；盾构通过时的位移；盾构离开后的土体固结三部分组成。相比较而言，盾构前的地表位移发生的可能性较小，而盾构离开后的土体固结需要几个月的时间才会确定，因此，盾构机通过时位移是导致地表较大位移，从而造成地层损失。

2.3管片渗漏与上浮

盾构施工过程中还会导致管片的渗漏与上浮。管片的渗漏主要表现为裂缝渗水，接缝漏水，吊装孔因卸水导致阶段性渗水。管片的上浮则表现为直接导致管片间错台，管片破裂，隧道漏水，严重的导致线路水平超标等等。所以，在隧道盾构施工过程中应控制好管片的渗漏与上浮。

三、应对地铁隧道施工问题的对策

3.1针对地表沉降问题

3.1.1盾构机的选择

以上海隧道建设为例，其建设是以土压平衡式盾构应用最为广泛。土压平衡盾构工艺原理是利用安装在盾构最前面的全断面切削刀盘，将正面土体切削下来的土进入刀盘后面的密封舱内，并使舱内具有就适当压力与开挖面水土压力平衡，以减少盾构推进对土层的土体的扰动，从而避免地层的沉降。因此，在盾构施工过程中，盾构机的选择很重要，要根据不同盾构机的特性减少地面沉降现象的出现。

3.1.2控制其影响在合适的范围内

无论是在盾构机施工过程的哪一个阶段，都要把其施工带来的影响控制在合理的范围内，并在该范围内加强监控，避免地面的大幅度沉降。

3.1.3对注浆的要求

因为注浆的因素也会导致地面沉降，所以在盾构施工过程中要提高对注浆的要求，例如加快注浆的速度，及时注浆，再次要调好浆液的比例，最后还要控制好注浆量，把注浆量控制在合理的范围内，避免因注浆量不足而引起地层变形。

3.1.4进行实地勘测

根据上面的研究，我们已经知道了影响地面沉降的内在和外在因素。而对于地质条件，土体性质，覆土厚度，还有地下水变化的了解和掌握必须进行实地勘察。在隧道施工前，施工单位应派人专门进行调查，真正掌握以上要素的情况，这样在施工中才可根据情况具体分析，避免因任何一个因素而引发地层变形。

3.2针对地层损失现象

在以上问题分析中，不难看出地层损失的关键环节是盾构通过时造成的地表位移。因此对这一阶段的控制显得至关重要。为了减少地层损失，应把盾构通过的地层发生的位移控制在合理的范围内，及时监控，防止出现唯一过大的现象。

3.3针对管片的渗漏与上浮

对于管片渗漏的原因我们已经具体分析过了，大多是由于裂缝引起的，所以防止渗漏最主要的是减少裂缝。而对于管片的上浮，要注重管片的质量检查，避免应管片质量出现的问题而引发的管片上浮。

3.4关于施工监督与监理机制

除了盾构施工过程中应对问题的各种措施外，加强施工过程中的工程监督，建立合理的监理机制也是重中之重。要做到施工前的监督，施工中的监督，施工后的监督，避免任何一个环节出现问题。

四、结论

众所周知，“安全第一”是项目施工的首要原则，面对施工过程中出现的种种问题，我们要加强防护措施，还应制定合理的监理机制，从而保证施工的顺利进行以及项目的后期使用。盾构法隧道工程是一项综合性的技术，通过工程师不断地探索与实践已形成了一套较成熟的施工技术，并且已广泛用于施工建设中，尤其是在上海的地铁建设中。然而盾构法有利有弊，在施工过程中应趋利避害，加强监督，真正使其发挥积极的作用。

参考文献：

[1]黄俊，张顶立，虞辰杰.地铁隧道开挖引起地表塌陷分析[J].中国地质灾害与防治学报，2004，15（1）：65～69

[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，2004，11（03）：52.

[3]中华人民共和国国家标准.盾构法隧道施工及验收规范（gb50446-2008）[S].北京.中国建筑工业出版社，2008-02-05.

作者简介：

张雄，男，1985年3月出生，毕业于南昌理工学院，现任职于中铁七局三公司广州地铁13号线3标项目经理部副经理，职称为助理工程师。