地铁隧道盾构施工中的关键技术与装备研究

地铁隧道盾构施工中的关键技术与装备研究

陈碧云

中铁上海工程局集团有限公司    上海  201900

摘要：地铁隧道盾构施工是现代城市地铁建设的重要技术手段，其历史发展经历了从早期的手工开挖到现代机械化、智能化的变革。关键技术包括盾构机的设计和制造、盾构施工方法的选择和应用、隧道稳定性和安全性控制、导向和控制系统以及土体改良和处理技术等。在施工过程中，需要不断研究和开发新型装备，如盾构机的改进、导向和控制系统的智能化和自动化、土体改良和处理装备以及维护和修复装备等，以提高施工效率和工程质量。

关键词：地铁隧道；隧道盾构施工；施工技术；关键技术

    地铁隧道盾构施工是现代化城市建设中不可或缺的一环，其施工质量和效率直接关系到城市交通运营的安全与便利。然而，地铁隧道盾构施工面临着众多技术挑战，如复杂的地质条件、高强度的地下压力、严格的环保要求等。因此，深入研究和掌握地铁隧道盾构施工中的关键技术与装备至关重要。

一、地铁隧道盾构施工的重要性分析

    地铁隧道盾构施工是现代城市地铁建设中不可或缺的重要环节。随着城市化进程的加快，地铁作为城市公共交通的重要组成部分，对于缓解城市交通压力、提高市民出行效率、促进城市经济发展具有重要意义。而地铁隧道盾构施工则是实现地铁隧道建设的关键步骤，其重要性不言而喻。首先，地铁隧道盾构施工能够保证隧道的安全和稳定。在地下挖掘过程中，盾构机需要在复杂地质条件下进行施工，如软土、硬岩等。盾构机的推进和出土过程需要精确控制，以确保隧道的安全和稳定。通过盾构施工，可以有效地避免地面沉降、坍塌等安全事故的发生，保障地铁隧道的正常运行。其次，地铁隧道盾构施工有利于提高施工效率。相较于传统的人工开挖方式，盾构机具有自动化程度高、施工速度快、安全性好等优点。在盾构施工过程中，可以根据地质条件实时调整施工参数，提高施工效率。此外，盾构施工还可以减少对周围环境的影响，降低施工现场的噪音、粉尘等污染，实现绿色施工。再次，地铁隧道盾构施工有助于提高工程质量。盾构施工过程中，可以通过对地层压力、地下水位等参数的实时监测，确保隧道结构的质量和安全。同时，盾构施工还可以采用预应力锚杆、止水帷幕等技术措施，提高隧道的防水性能和耐久性。通过严格的质量控制和检测，确保地铁隧道的安全可靠，为市民提供舒适便捷的出行环境。最后，地铁隧道盾构施工有助于节约资源和保护环境。与传统的人工开挖方式相比，盾构施工可以大幅减少对土地资源的占用，降低对生态环境的破坏。此外，盾构施工还可以利用废弃的土方进行资源化利用，实现建筑垃圾的减量化、无害化处理，为城市的可持续发展做出贡献。综上所述，地铁隧道盾构施工在现代城市地铁建设中具有重要的意义。通过盾构施工，可以实现地铁隧道的安全、高效、高质量建设，为市民提供更加便捷、舒适的出行体验。因此，加强地铁隧道盾构施工技术的研究和应用，对于推动城市交通建设和城市可持续发展具有重要的现实意义和深远的历史意义。

二、地铁隧道盾构施工技术的历史发展

（一）早期的地铁隧道施工技术

    早期的地铁隧道施工技术主要包括手工开挖和爆破法。在地铁建设初期，由于技术和设备的限制，地铁隧道的施工主要依靠人工进行，工人使用简单的工具进行挖掘和支护。这种方法效率低下，劳动强度大，安全风险高，而且对周围环境造成较大的破坏。随着科技的进步和设备的更新，爆破法逐渐取代了手工开挖。爆破法利用爆炸物产生的冲击波来破碎岩石，从而实现隧道的开挖。这种方法在一定程度上提高了施工效率，降低了劳动强度，但由于爆破作业的安全性难以保证，事故频发，因此仍然存在一定的安全隐患。

（二）盾构施工技术的发展历程

     盾构施工技术的历史发展可以追溯到20世纪50年代，当时主要用于地铁隧道的建设。随着科技的进步和工程实践的积累，盾构施工技术得到了不断的完善和发展，成为了现代城市地铁、隧道建设的重要手段。20世纪60年代，随着盾构机的设计、制造技术的突破，盾构施工技术开始在世界各国得到广泛应用。这一时期，盾构机的设计更加科学合理，施工效率得到了显著提高。同时，盾构施工技术在岩石地层、硬土层等复杂地质条件下的应用也取得了重要突破。20世纪70年代至80年代，随着计算机技术的发展，盾构施工技术进入了数字化时代。这一时期，盾构机的控制技术得到了重大突破，实现了全自动化施工。同时，盾构施工技术在地下水控制、地面沉降控制等方面也取得了重要成果。20世纪90年代至今，随着新材料、新工艺的发展，盾构施工技术进入了绿色、智能时代。这一时期，盾构机的设计更加人性化，施工过程更加环保。同时，盾构施工技术在地质条件复杂、地下水丰富等特殊环境下的应用也取得了重要突破。

总的来说，盾构施工技术的历史发展是一个不断创新、不断进步的过程。从最初的手动操作到现在的全自动化施工，从单一的岩石地层施工到现在的各种复杂地质条件下的施工，从简单的排水处理到现在的环保施工，盾构施工技术都在为人类的城市建设做出重要贡献

[1]。

（三）现代盾构施工技术的发展和应用

    现代盾构施工技术是随着科技的进步和工程实践的积累而不断发展和完善的。在地铁隧道建设中，现代盾构施工技术已经成为主流，并且在城市基础设施建设、水利工程等领域也得到了广泛应用。现代盾构施工技术的发展主要体现在以下几个方面：盾构机的设计更加科学合理，能够适应各种复杂地质条件下的施工需求。例如，针对硬岩地层、砂土层等特殊地质条件，盾构机采用了多种不同的刀具和刀齿组合，能够有效地提高施工效率和质量。盾构施工技术的自动化程度得到了显著提高。通过引入计算机控制系统和传感器等先进技术，可以实现盾构机的自动控制和监测，大大提高了施工的安全性和可靠性。盾构施工技术的环保性能得到了进一步提高。通过采用新型的密封材料、降噪设备等技术手段，可以有效地减少施工过程中产生的噪音和粉尘等污染物的产生，保护环境和人民的健康。盾构施工技术的应用领域得到了拓展。除了地铁隧道建设之外，现代盾构施工技术还可以应用于城市基础设施建设、水利工程等领域，具有广泛的应用前景。总之，现代盾构施工技术的发展和应用为地铁隧道建设带来了巨大的变革和进步。未来随着科技的不断进步和工程实践的不断积累，盾构施工技术将会更加完善和成熟，为人类的城市建设做出更大的贡献[2]。

三、地铁隧道盾构施工中的关键技术

（一）盾构机的设计和制造

    盾构机主要有两种类型，分别是硬岩盾构机和软土盾构机。硬岩盾构机主要用于硬岩地层，而软土盾构机则主要用于软土地层。盾构机的主要特点是能够在地下挖掘出圆形的隧道，其工作过程中不需要爆破，能够有效地保护周围的环境。盾构机的设计和制造过程主要包括设计、制造、装配和调试四个步骤。首先，根据工程的需要，确定盾构机的型号和规格。然后，进行盾构机的设计和制造。在制造过程中，需要严格控制每一个零件的尺寸和质量，确保盾构机的性能稳定。装配过程中，需要将各个零件精确地安装到位。最后，进行盾构机的调试，确保其能够正常工作。总的来说，盾构机的设计和制造是一个技术含量高、难度大的过程，需要有专业的技术和丰富的经验。只有这样，才能制造出性能稳定、效率高的盾构机，为地铁隧道的施工提供强大的支持[3]。

（二）盾构施工方法的选择和应用

盾构施工是一种隧道施工方法，通过盾构机械在地下挖掘出一个圆形隧道，同时安装预制的混凝土管片来支撑隧道。盾构法具有施工速度快、安全性高、对地层适应性强等优点，因此在城市地铁、过街隧道等工程中得到了广泛应用。在选择盾构法时，首先需要分析地质条件。一般来说，盾构法适用于硬岩地层和富水地层。硬岩地层是指岩石抗压强度高、抗拉强度低的地层，如花岗岩、辉绿岩等；富水地层是指地下水位较高、土层透水性差的地层。对于软岩地层和砂砾石地层，由于其抗压强度低、抗拉强度高，且透水性强，不适合采用盾构法。

盾构法在不同地质条件下的应用：硬岩地层方面，在硬岩地层中，盾构法可以充分发挥其优势。由于硬岩地层的抗压强度高、抗拉强度低，盾构机械可以在其表面进行挖掘，不会发生明显的破坏。同时，硬岩地层的透水性差，有利于控制地表沉降。因此，在硬岩地层中，盾构法可以实现高效、安全的隧道施工。富水地层方面，在富水地层中，盾构法同样具有较高的适用性。由于富水地层的地下水位较高，土层透水性差，采用传统的开挖方法容易导致地面沉降。而盾构法可以在地下挖掘出一个圆形隧道，有效避免了地面沉降的问题。此外，盾构法还可以利用其内部的空间进行排水处理，降低隧道内水位，提高施工安全性。软岩地层和砂砾石地层方面，在软岩地层和砂砾石地层中，由于其抗压强度低、抗拉强度高，且透水性强，不适合采用盾构法。这类地层中的隧道施工通常采用浅埋暗挖法、顶管法等其他施工方法[4]。

（三）盾构施工过程中的关键技术

    在现代城市基础设施建设中，隧道工程占有重要地位。盾构施工作为一种高效、环保的隧道施工方法，已经得到了广泛应用。盾构施工过程中涉及到许多关键技术，主要包括隧道的稳定性和安全性控制、高效、准确的导向和控制系统以及有效的土体改良和处理技术。首先，隧道的稳定性和安全性控制是盾构施工过程中的关键技术之一。在盾构施工过程中，需要确保隧道的稳定性和安全性，防止因施工不当导致的安全事故。为了保证隧道的稳定性和安全性，施工单位需要对隧道的地质条件进行详细的勘察，了解地下水位、岩层性质等信息，以便制定合理的施工方案。此外，还需要对施工现场进行严格的安全管理，确保施工人员的生命安全。其次，高效、准确的导向和控制系统是盾构施工过程中的另一个关键技术。导向系统是盾构机在隧道内前进的引导装置，其性能直接影响到盾构机的工作效率和施工质量。为了实现高效、准确的导向，需要采用先进的导向系统设计，如激光导向、陀螺定向等技术。同时，还需要对导向系统进行定期的维护和检查，确保其正常运行[5]。控制系统是盾构机的控制中心，负责对盾构机的运行进行监控和调整。为了保证控制系统的准确性，需要采用高性能的计算机系统，并采用先进的控制算法进行数据处理和决策。最后，有效的土体改良和处理技术是保证盾构施工顺利进行的关键。在盾构施工过程中，需要对地下土体进行改良和处理，以保证盾构机的顺利推进。常用的土体改良方法有注浆法、搅拌法等，可以有效地改善土体的物理力学性能，提高土体的抗压强度和稳定性。同时，还需要对土体进行预处理，如开挖面清理、排水处理等，以保证盾构施工的顺利进行。

四、地铁隧道盾构施工中的装备

（一）盾构机的设计和改进

    现有的盾构机在地铁隧道的施工中起到了重要的作用，它们具有以下优点：

盾构机能够快速地挖掘地下隧道，大大提高了施工效率。盾构机可以精确地控制挖掘方向和深度，保证了隧道的质量和安全。盾构机可以在各种地质条件下工作，包括软土、硬岩等。新型盾构机的设计和改进方案主要包括以下几个方面：智能化，通过引入人工智能技术，使盾构机具有自我学习和自我优化的能力，提高施工效率和精度。环保化，采用新型的能源技术，如太阳能、风能等，降低盾构机的能耗，减少环境污染。模块化，通过模块化设计，使盾构机的维护更加简单，降低了设备的维护成本。轻量化，采用新型的材料和结构设计，使盾构机的重量降低，提高了设备的运行效率[6]。

（二）导向和控制系统的研究和开发

    在地铁隧道盾构施工中，导向和控制系统是至关重要的组成部分。为了确保施工安全、提高施工效率和降低施工成本，研究和开发高性能的导向和控制系统显得尤为重要。首先，导向系统的设计和优化是提高盾构机施工精度的关键。通过对导向系统的结构、材料和性能进行深入研究，可以设计出更加稳定、可靠的导向系统。例如，采用高强度、耐磨的材料制作导向环，可以提高导向环的使用寿命和抗磨损能力；采用可调节的导向装置，可以根据不同的地质条件和施工要求进行调整，从而提高盾构机的施工精度。其次，控制系统的智能化和自动化是提高盾构机施工效率的重要途径。通过引入先进的计算机技术、传感器技术和控制理论，可以实现对盾构机施工过程的实时监测和智能控制。例如，采用无线通信技术实现盾构机与地面控制中心的实时数据传输，可以实时了解盾构机的施工状态，及时调整施工参数，提高施工效率；采用自适应控制算法实现盾构机的自我学习和自我调整，可以使盾构机在不同的地质条件下自动适应，提高施工质量。

（三）土体改良和处理装备的研究

    在地铁隧道盾构施工中，土体改良和处理装备的研发和应用是至关重要的。首先，土体改良装备的研发主要包括对地层特性的研究，以及对不同地层的处理方法和设备的开发。例如，对于硬岩地层，可以采用高压水射流切割技术，通过高速水流的冲击，将岩石切割成所需的形状和尺寸；对于软土地层，可以采用振动压实技术，通过振动力的作用，使土壤颗粒之间的空隙减小，从而提高土壤的承载能力。其次，针对不同地层的处理方法和设备也需要进行研究和开发。例如，对于砂质土地层，可以采用真空预压技术，通过抽真空的方式，使土壤中的气体被抽出，从而降低土壤的孔隙度和压缩性，提高土壤的稳定性；对于粘土地层，可以采用化学固化技术，通过添加化学固化剂，使土壤中的水分减少，从而提高土壤的强度和稳定性[7]。

五、结语

    总之，地铁隧道盾构施工中的关键技术包括盾构机的设计和制造、盾构施工方法的选择和应用，以及盾构施工过程中的关键技术。这些技术的应用和发展，不仅提高了地铁隧道施工的效率和质量，还为城市基础设施建设提供了强大的支持。随着科技的进步和工程实践的积累，盾构施工技术将不断创新和完善，为我国地铁隧道建设事业的发展做出更大的贡献。在未来的地铁隧道盾构施工中，我们应继续关注和研究关键技术，努力提高盾构机的性能和适应性，优化盾构施工方法，加强土体改良和处理装备的研究，以实现更高效、安全、环保的地铁隧道盾构施工。

参考文献

[1]王峰. 地铁盾构穿越水下复杂溶洞区施工技术研究[J]. 低碳世界,2023,13(08):145-147.

[2]陈向宇,廖万金,罗桂军,肖超,刘湛,祁昌号,王树英. 地铁盾构施工穿越桩基的影响分析[J]. 建筑机械化,2023,44(08):22-26.

[3]林华,宋庆友,殷春雷,文定勇,谷翠翠. 城市主干道下方先盾构隧道后扩挖地铁车站施工技术研究[J]. 广州建筑,2023,51(04):61-64.

[4]李虎. 地铁隧道盾构工程下穿既有地铁运行线路的施工技术[J]. 工程机械与维修,2023,(04):256-258.

[5]吴昊. 青岛地铁8号线复杂环境长大过海隧道设计关键技术[J]. 城市轨道交通研究,2023,26(07):165-171.

[6]尹波涛. 盾构隧道下穿既有地铁掘进参数及控制研究[J]. 山西建筑,2023,49(14):167-171.

[7]汪波,赵新杰,廖先斌,董涛. 盾构冷冻刀盘技术在地铁隧道施工中的应用[J]. 山西建筑,2023,49(13):167-171.