城市地铁盾构隧道施工需要注意的几个问题

樊德东

【摘要】随着国民经济的迅猛发展与城市化进程的加快，城市的交通日益成为制约城市发展的瓶颈。城市地铁由于其运量大、能耗少、污染小、节省土地等优势，在城市交通中的地位日益凸显。而盾构法施工又是城市地铁隧道施工最重要的工法。本文针对盾构机选型及管片连接形式、盾构换刀等问题进行了讨论，并提出了一些建议和观点，以供参考与探讨。

【关键词】盾构法施工盾构机选型管片连接形式换刀

中图分类号： U455 文献标识码： A

1 前言

由于快速的工业化和人口的高度城市集中化,为缓解或从根本上解决人口增长对城市环境的压力和威胁,修建各种城市隧道和地下构筑物在世界各国呈现急剧增长的趋势。在城市向现代化发展的同时,离开地下设施几乎不能够维持或者根本无法发展。以上海为例，根据其城市发展的规模以及未来的实际需求,上海共规划有11条地铁和7条轻轨线,路网总长447.5km。其次上海城市人均绿化面积不仅与国际大都市有着巨大的差距,就是与全国大中城市比较,也处于落后的水平。可以看出在城市修建隧道和地下工程的必要性,而且这已成为一个社会问题,对城市的发展起着越来越重要的作用。

2 针对不同地层的盾构机选型

2.1 盾构选型的一般原则

(1)以开挖面稳定为核心,盾构选型应在充分把握地层条件的基础上进行。

(2)应考虑土的塑性流动性、土的渗透系数等,这对开挖面的稳定非常重要。塑性流动性直接影响土的顺畅排出,若地层透水性太高,地下水则可能通过开挖腔室和螺旋输送机内的废渣流入隧道。一般认为,m/s的渗透系数是土压平衡盾构作业的经验上限值。

(3)应考虑地下水的含量及水压,这往往要与土的塑性流动性及透水性结合考虑,高水压、高渗透性的情况是非常不利的。这涉及到是选用泥水盾构还是土压盾构以及盾尾密封的选型。在日本,特别是饱和砂土层中泥水盾构的使用占绝大多数。

(4)应视地层中有无砂砾和大卵石,这直接影响到土的渗透性、切削刀盘的磨耗、切削刀开挖时对地层的扰动范围、刀盘的开口率、对卵石的破碎方式及其排出方式。

(5)应考虑土层的粒径分布,一般都采用土层颗粒曲线来界定不同盾构的适用土层。总的来说,粒径大时宜采用泥水盾构,粒径小时宜采用土压盾构。

(6)隧道的线形和转弯半径也是应考虑的因素,盾构机本体的长度与直径比及盾尾间隙直接影响盾构的转弯及纠偏能力。一般,长度与直径之比(L/D)应≯1.0,当转弯半径过小时可考虑采用铰接式盾构。

(7)盾构选型时,必须根据土质条件决定切削刀的形状、材质和配置。必要时同时配置切削刀和滚刀,形成盾构和TBM的混合刀盘。

(8)刀盘的装备扭矩也与盾构选型有关,盾构装备扭矩T=a(D为盾构外径,a为扭矩系数,对泥水盾构a=9-15;土压盾构a=8-23)。显然,采用泥水盾构有利于减小刀盘切削阻力,从而减轻主轴承的负荷。

(9)盾构施工对周围环境的影响也是盾构选型时应考虑的因素。比如地层变形的许可程度、有无地下构筑物等,再比如泥水处理以及废渣的倾倒是否对环境有污染等。

(10)最后,盾构的选型还应考虑对工作环境的影响。比如,盾构的刀盘驱动是液压驱动还是电动驱动,液压驱动效率低,噪声大,洞内温度上升快,而电动驱动效率高,洞内环境好(噪声小、温度低)。

2.2 选用泥水式盾构还是土压式盾构

在软土隧道和有水压的情况下,一般采用密封式盾构机,密封式又有泥水式和土压式两种。土压式盾构主要有两类:一类是将开挖地的土体充填在土舱内,用螺旋输送机调整土压,保持工作面的稳定。这种盾构机仅适用于可用切削刀开挖且含砂量小的塑性流动性软粘土。另一类是向开挖面注入水、泡沫、膨润土、CMC等添加剂,通过强制搅拌使土砂具有良好的塑性流动性和止水性,较好地传递土压,保持开挖面的稳定和土砂的顺畅排出。这种盾构机适用范围较广,可用于冲积粘土、洪积粘土、砂质土、砂砾、卵石等土层,以及这些土层的互层。对土压式盾构,会出现砂性土排土困难,掘进机刀头、刀盘的磨损,以及在含水砂层透水系数大、孔隙水压高时土舱顶部产生空隙的危险。泥水式盾构是将泥浆送入泥水室内,在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜来对抗作用于开挖面的土水压力。泥水式盾构机适用的地层范围很大,从软弱砂质土层到砂砾层。泥水式盾构由于采用管道输送,工作面全密封,安全性高,在软弱互层地段也适用。通过泥浆施加合适压力,控制排土量,可使地层变形小,对环境几乎不产生影响。泥水式盾构特别适用于冲积洪积的砂砾、砂、亚粘土、粘土层或多水互层的土层;有涌水工作面不稳定的土层;上部有河川、湖沼、海洋等水压高、水量大的地层。泥水式盾构的泥浆处理设备设在地面,需占用较大的面积,这成为在城市密集区应用的不利因素。

3 盾构管片连接形式

地铁盾构隧道一般都是圆形，其净空直径为5.4m-5.5m，目前国内地铁盾构隧道的管片大多设计为宽1.2m或1.5m、分割数为“3+2+l”的形式，管片厚度一般为300mm-350mm。管片有三种组合形式:一种为采用标准、左转弯、右转弯三种管片拟合线路;另一种为采用左、右转弯管片拟合线路;第三种为采用全功能环管片拟合线路。这三种管片形式在实际工程中都采用过，但是国内大多数地铁盾构隧道采用第一种形式，如广州地铁、南京地铁、上海地铁等;也有采用第二种形式的，如深圳地铁、北京地铁，而且都能满足设计要求。对于采用第三种形式，国内设计人员主要担心的是俗称“封顶块”的管片有时要放置在隧道底部而引起的施工安全和受力问题。现场试验表明全功能环管片拟合线路不仅能满足设计要求，而且施工安全也能得到有效保障。在工程施工投人和施工的便利性方面，第三种管片形式在同等情况下可以节省模具投入，同时非常便于施工组织与管理，目前在欧洲得到普遍应用，值得在国内推广。地铁盾构隧道衬砌管片环在围岩压力作用下具有自锁功能，欧洲有些隧道的管片连接螺栓待稳定一段时间后被拆除重复使用，并且已经证实衬砌块特性的关键问题是衬砌块在管片槽中的定位和环间衬砌块的匹配性，而不是衬砌块本身，因此无螺栓连接设计不失为提高掘进速度和协调管片拼装与盾构开挖的有效办法。日本和欧洲使用的尼龙锁定销钉系统具有自定位、高强度、耐久和不腐蚀等特点，值得国内研究与应用。此外，利用樟槽方式来定位管片和保持管片块间的连接是可以保证管片拼装不出现接缝张开和错台的。

4 盾构机换刀方法

盾构机换刀是为使刀盘刀具的布置形式满足盾构机所处各类地层的掘进要求，防止因刀具的过度磨损、未及时更换而破坏刀盘结构，确保盾构施工生产的顺利进行。

4.1 盾构机换刀

通过对沿线地质情况的分析，充分考虑到无气压换刀和气压换刀方式的适用条件，尽量避免在围岩含水量大和需带压作业地段进行换刀作业，根据检查情况确定是否需要对刀盘进行维护、更换磨损的刀具及清除泥饼作业。所选检查及换刀的作业地点具备以下条件。

①检查及换刀地段的隧道围岩较均匀,力学性质好,自稳性强；

②检查及换刀地段隧道埋深合适，且覆盖层无不良岩层。

换刀作业前，根据盾构机的运转情况，对其进行部件检修、维护，确保盾构机的正常运转。在盾构机掘进过程中如发生刀具必须更换且必须在加压条件下作业时，按照加压换刀操作规程作业。

4.2 更换刀具步骤

工作人员进入土仓后，清洗上部分刀具，然后在刀盘背面用卡尺检查刀具的磨损情况。所有的刀具都通过旋松其固定螺栓进行拆卸。在更换刀具后要重新使用规定的紧固扭矩拧紧螺栓。在刀具更换完成后，可清理土仓，关闭仓门。人员退出后试转刀盘若干圈后，再安排人员进入土仓复紧刀具，确认上紧后，退出土仓，关闭仓门。

5.结束语

盾构法与传统地铁隧道施工方法相比较，具有地面作业少、对周围环境影响小、自动化程度高、施工速度快等优点，随着长距离、大直径、大埋深、复杂断面盾构施工技术的发展、成熟，盾构施工方法越来越受到重视和青睐，逐步成为地铁隧道的主要施工方法。