地铁工程盾构施工关键要素分析

地铁工程盾构施工关键要素分析

钱其龙

中铁上海工程局集团有限公司   上海市  201799

摘要：盾构施工是地铁工程中运用最广泛的技术之一，具有安全、可靠、快速和环保等优点，因此在城市轨道交通隧道施工中被广泛应用。本文将重点探讨地铁工程盾构施工中的关键要素和应用方法，以求为相关从业人员和施工人员提供一定的参考。

关键词：地铁工程；盾构施工；关键要素

地铁工程盾构施工是一种在地面下暗挖隧洞的施工方法，它使用盾构机在地下掘进，在防止软基开挖面崩塌或保持开挖面稳定的同时，在机内安全地进行隧洞的开挖和衬砌作业。其主要由三个要素组成：第一是根据不同的土质和水压，采用不同的方法来保持开挖面的稳定，如压缩空气、泥水或土压平衡等。第二是盾构机的刀盘旋转切削土体，将土碴与泥浆混合后由泥浆泵或螺旋输送器输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。第三是盾构机在推进过程中，自动拼装预制的钢筋混凝土管片，形成隧道衬砌。同时，在管片与周围土层之间注入水泥浆，以填充空隙和提高隧道的稳定性。

其优势主要体现于以下几个方面：首先是自动化程度高，节省人力和时间。其次是施工速度快，一次成洞，不需要二次衬砌。第三是不受气候影响，可以在任何季节进行。

一、工程概况

本次工程位于台州市路桥区，是台州市域铁路S1线一期工程土建七工区，整体工期的全长为3.209正线公里。其中商海北街站～腾达路站区间盾构段403.76m，腾达路站～客运南站盾构区间1906m。海北街站～腾达路站区间地质为淤泥、粘土且易结泥饼，线路最小转弯半径为1050m，最大纵坡为20‰，覆土厚度约为8.03~11.08m。腾达路站～客运南站站盾构区间地质与前者类似，最小转弯半径1100m，最大纵坡28‰，区间覆土厚度约11.09～22.98m。

二、地铁工程盾构施工的盾构机类型选择

根据开挖面的支撑方式，盾构机可以分为压缩空气式盾构、泥水式盾构、土压平衡式盾构和复合式盾构4种类型。在进行盾构机类型的选择时通常需要考虑以下因素：

第一是地质条件，主要包括土质类型、土体状态、含水量、渗透系数、抗剪强度、岩石含量等参数。一般来说，当地层的渗透系数小于10^-7 m/s时，可以选用土压平衡盾构；当地层的渗透系数在10^-7 - 10^-4 m/s之间时，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；当地层的透水系数大于10^-4 m/s时，宜选用泥水盾构。

第二是水文条件，主要包括地下水位、地下水压、地下水温度等参数。一般来说，当地下水位高于隧道顶部时，需要选用能够防止水土涌入的盾构机，如压缩空气式盾构或泥水式盾构；当地下水位低于隧道底部时，可以选用土压平衡盾构或复合式盾构。

第三是隧道断面，一般来说，当隧道的内径大于6 m时，需要选用能够承受大切削力和大推力的盾构机，如超大直径泥水盾构或超大直径土压平衡盾构；当隧道的结构厚度小于300 mm时，需要选用能够保证管片安装精度和质量的盾构机，如带有自动对中装置的盾构或带有自动调节装置的盾构；当隧道的形状为异形截面时，需要选用能够适应特殊断面形状的盾构机，如马蹄形盾构或矩形盾构。

第四是隧道线路，包括隧道的平面曲线半径、纵向坡度、横向倾角等参数。一般来说，当隧道的平面曲线半径小于300 m时，需要选用能够适应小曲率的盾构机，如双向推进式盾构或多向推进式盾构；当隧道的纵向坡度大于35‰时，需要选用能够适应大爬坡的盾构机，如带有反推装置的盾构或带有制动装置的盾构；当隧道的横向倾角大于5°时，需要选用能够适应大倾斜的盾构机，如带有倾斜调整装置的盾构或带有倾斜控制装置的盾构。

除了以上这些主要因素以外还需要考虑隧道衬砌、施工周期、施工环境和施工成本等其他因素。

图1：盾构机结构示意图

三、盾构施工的盾尾密封和注浆系统的设计和维护

盾尾密封和注浆系统是盾构施工中的重要辅助工法，它们的作用是填充盾构机刀盘开挖直径与管片外径之间形成的环形间隙，防止地下水、泥浆和土砂从盾尾侵入盾构机和成型的隧道中，保证隧道的质量和安全。盾尾密封系统主要由盾尾刷、盾尾油脂密封腔、盾尾油脂泵、输送管路、压力传感器、气动球阀等硬件及软件控制系统组成。在盾构掘进过程中，盾尾油脂泵向盾尾油脂密封腔内注入油脂，使其保持饱满状态，同时由盾尾刷将油脂涂抹在管片上，形成有效的密封屏障。

图2：盾构机盾尾密封

而在设计和维护方面，盾尾密封系统的结构和布置应根据地层条件、水压、掘进速度等因素进行优化，以适应不同的施工环境。例如，在高水压松散地层中，可以增加一道充气密封或L型橡胶袜套密封，以提高密封性能和可靠性。盾尿油脂的选择应根据其粘度、硬度、温度稳定性、耐水性、耐腐性等特性进行，以保证其在不同温度、压力和湿度下的流动性和密封效果。盾尿油脂的注入量和压力应根据掘进速度、地层情况、超挖间隙等因素进行调节，以保证油脂在密封腔内的充分利用和均匀分布，避免油脂过量或不足造成的漏浆、漏水或浪费。盾尿密封系统的维护应定期对油脂泵、输送管路、压力传感器等设备进行检查、清洗和更换，以保证其正常运行和使用寿命。同时，应及时监测并处理盾尿刷的磨损、变形、失效等问题，以保证其有效性。

四、地铁盾构施工的始发准备工作

地铁盾构施工的始发准备工作是指在盾构机从始发工作井开始掘进之前，需要进行的一系列的技术和安全措施，以保证盾构机顺利进入地层，建立掘进平衡，避免水土涌入和地面沉降等风险。通常来说包括以下几方面：

首先是端头土层加固，其主要目的是避免开洞门时土体坍塌以及水土流失，同时也提供一定的后压力和保证地面承载力。主要方法有注浆法、深层搅拌桩法、高压旋喷桩法、冻结法和素砼地下连续墙法。在选择时要深入考虑图层的类型、性质和水文条件、加固范围和深度，同时要尽量减少对周边建筑、管线和交通的影响。例如，淤泥、粉土、粘土层适合采用深层搅拌桩法或冻结法，砂层适合采用高压旋喷桩法或注浆法，砂砾层或粘着力大的粘土层不适合采用高压旋喷桩法或冻结法等。而冻结法可能导致地面沉降或破裂，高压旋喷桩法可能导致冒浆或漏浆等。

其次是洞门维护凿除，在凿除过程中，应根据盾构机的尺寸、形状和设计轨线，确定洞口的位置、大小和轮廓，并与盾构机进行复核测量，以确保盾构机能够顺利推出洞口并沿设计轨线掘进。在凿除后，应安装洞口密封装置（一般为橡胶密封圈），以防止空气或水从洞口进入或泄漏，并与盾尾密封刷配合，形成一个密闭空间。同时，应采取必要的安全措施，如设置警戒线、安装监测设备、配备救援设备等，以防止意外事故的发生。

最后是反力架的安装，根据盾构机的尺寸、推力、管片形式等因素，反力架可以分为门框式、八边形式、圆形式等不同的形状，也可以分为整体焊接式、组合式、装配式等不同的结构。装配式反力架具有安装、拆卸方便，适应性强的特点，适用于没有工作井或空间受限的场合。反力架应安装在盾构机始发井或浅导坑内，与盾构机主体保持一定的距离，预留安装管片和调整姿态的空间。反力架的内部尺寸应略大于管片外径，以便于盾构机通过。反力架的外部尺寸应考虑到施工场地的限制，避免与盾构机各部件或浅导坑空间结构相干扰。反力架安装前应检查其各部件是否完好无损，是否符合设计要求，所有的螺栓和焊缝是否牢固可靠。反力架安装时应先锚固底板钢板或预埋件，在钢板上找准反力架立柱安放的中心位置，并用水平仪检查其垂直度。然后用卷扬机或导链将反力架立柱吊装至指定位置，并与底板钢板或预埋件焊接或螺栓连接。接着用脚手架搭设支撑，并在立柱上焊接角撑或斜撑，使立柱稳固。最后将上下横梁与立柱连接成整体，并检查其水平度和对角线是否相等。

图3：八边形盾构机反力架

五、盾构机的掘进施工

盾构机掘进施工重点要点包括以下几个方面：

首先是刀盘转速和推进速度控制，通常来说刀盘转速和推进速度控制要考虑地层强度和自稳性，在较疏松或强度较低的地层中，应采用较低的刀盘转速和较高的推进速度，以减少对土体的扰动和土仓压力的波动；在较密实或强度较高的地层中，应采用较高的刀盘转速和较低的推进速度，以提高切削效率和渣土流动性。其次是要考虑刀具磨损情况，随着刀具的磨损，刀盘扭矩会逐渐增加，此时应适当降低推进速度，减小刀盘贯入度，或者及时更换刀具。再次是泥浆密度和流量，泥浆密度和流量会影响渣土改良效果、排渣能力和土仓压力。在富水地层中，应增加泥浆密度和流量，以提高渣土流塑性和排渣效率；在干燥地层中，应降低泥浆密度和流量，以减少水分损失和土仓压力。最后是同步注浆参数，包括注浆量、注浆压力和注浆材料。注浆量是指每环管片所需的浆液量，它与盾构开挖直径、管片外径、回填注浆段长度、盾尾间隙等有关。一般情况下，注浆量=盾构施工引起的空隙×注浆率。一般情况下，注浆率在1.3～2.5之间，并应通过地面变形观测来调节。粘土地层注浆填充率160％～180％，砂土地层注浆填充率130％～150％。注浆压力是指在盾尾向壁后注入浆液时所产生的压力，它与土层应力、水压力、管片与土体之间的间隙等有关。一般情况下，注浆压力应略大于该点的静止水压及土压力之和，做到尽量填充同时又不产生劈裂。注入压力大小通常选择为地层土压力加上0.1～0.2MPa。注浆材料则要根据工程条件和要求来决定。

其次是测量导向和纠偏的控制，测量导向方法通常有人工测量、半自动测量方法和自动导向法。而纠偏控制则要根据不同的地层条件和掘进状态分为勤纠缓纠、快纠慢纠、小纠大纠等。在较疏松或强度较低的地层中，应采用勤纠缓纠的方法，即经常进行小幅度的纠偏，以减少对土体的扰动和土仓压力的波动。在较密实或强度较高的地层中，应采用快纠慢纠的方法，即在发现偏差后迅速进行大幅度的纠偏，然后逐渐减小纠偏幅度，以提高切削效率和渣土流动性。在曲线段或变坡段掘进时，应采用小纠大纠的方法，即在曲线段或变坡段的前后各设置一个缓冲段，缓冲段内进行小幅度的纠偏，曲线段或变坡段内进行大幅度的纠偏，以保证盾构机顺利通过曲线段或变坡段。

六、盾构机的到达接收

盾构机的到达接收是盾构法隧道施工的最后一个重要环节，也是最具有风险和挑战的环节之一。盾构机能否顺利进入接收工作井，关系到整个隧道施工的成败和安全。因此，盾构机的到达接收需要做好以下几个方面的准备和控制：首先是为了防止洞口土体失稳和地下水涌入工作井，以及保护周边地面建筑物和地下管线，必须在拆除洞口围护结构前对洞口土体进行加固。加固后的土体应具有良好的强度，均匀性，整体性和低渗透性，并应进行钻孔取芯试验和渗水量检测以检查效果。其次，为了保证盾构机以良好的姿态进入加固区和接收工作井，必须在盾构推进至接收工作井前100m和50m时，对盾构机的位置和姿态进行准确的测量，并根据测量结果制定到达掘进方案和纠偏计划。在掘进过程中，应及时测量和调整盾构机的中心轴线，水平偏差，垂直偏差，水平倾角和垂直倾角等参数，并控制每环纠偏不大于4mm。在进入加固区前推进速度宜控制在3～4cm/min，在进入加固区后推进速度控制在1cm/min。土压力应根据地层情况设定合理的值，并根据刀盘油压情况和地面监测情况逐步调整。当盾构刀盘前部靠上洞圈以后，土压力值降至0。接收基座一般采用盾构始发架，其中心轴线与隧道设计轴线一致，其轨面标高除适应于线路情况外，还可考虑以盾构进洞方向+5‰的坡度进行安装。洞门密封装置一般采用橡胶帘布或弧形钢板，其安装位置和轮廓应与盾构机相适应，并应在钢板上开设注浆孔进行封堵和填充注浆。

结语

地铁工程盾构施工是地铁工程施工中最常用的技术之一，能够极大地提高施工速度和效率，但在应用的过程中施工单位必须要严格做好盾构机从始发到接收的一系列流程控制，以确保施工的质量和有效性。

参考文献

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