城市轨道交通隧道盾构施工关键技术研究

龚文棋

（中国交建轨道交通分公司，北京 100088）

1 盾构法施工原理

盾构施工的基本工作原理是在盾构机罩的掩护下进行开挖，在开挖期间它的主要功能是对尚未开挖的隧道进行临时支护，承担四周岩体的压力和地下水的压力，防止地下水进入隧道；开挖完毕后，在盾壳的掩护下进行管片的组装和灌浆。

盾构施工要求一口始发作业井、一口接收作业井。始发作业井用于盾构机、后配套设备的装配、反力架、负环的安装以及出土、管片运输等始开挖工作。接收工作井用于完成盾构机到达、解体等有关工作。

目前，地铁的起始和接收工作大都设置在车站末端。普通盾构施工开始后，根据设计的轴线进行作业，并在期间进行横向、纵向的数值监测，及时纠正；纠正过程中应遵循“缓纠、慢纠、勒纠”的原则，避免“急纠”。并做好背面注浆和二次注浆，对沉降进行控制。

2 工程概况

以某一实际铁路隧道工程为例，左线隧道的起点设计里程为ZDK37+401.035，终点为ZDK39+260，左线区间隧道总长1858.965m，其中EPB/TBM 盾构法1488.965m，井下370m；区间右线的起点为YDK37+400，终点为YDK39+263，右线段为1863m，其中EPB/TBM 法为1580m，矿法283m。隧道山体地势起伏大，沿线地面高程为12.0～237.0m，其中最高点标高为237.0m。隧道入口地势较复杂，整体呈现南北高、东西高差15m 的特点。隧道入口EPB/TBM 双模盾构法在工程中应用了一种新型的回填素混凝土+桩基础法。

该盾构施工由北方重工2 台土压平衡盾构机进行，开挖直径8.85m，采用主动铰链方式，盾身总长13390mm，前盾长度4818mm，中盾和尾盾总长8572mm，最小转向半径550m，盾构机结构如图1所示。

图1 盾构机结构图

3 施工重难点分析

3.1 地铁沉降控制

隧道下穿越时，若不注意施工，极有可能引起地层扰动、沉降，地面为高速公路主干道，不适合路面加固，而该地铁线又是客流量最大的地下铁路线，因此，施工中最重要的工作就是控制隧道的沉降。

3.2 隧道穿越断裂层

在FD1 和FD2 断裂层中，隧道的施工难度较大。断裂层岩体的破裂面宽度分别为0.8m、0.6m，FD1、FD2 断层的真实倾角为60，邻近节理区的密度大于100m。断层部位的节理裂隙较多，且围岩破裂时有构造软弱，易造成地表水渗入，出现渗水、涌水等问题。在断裂层中，刀具易受到损伤，尤其是在主要断裂中，基岩表面的凹凸不平，极易导致刀片开裂，刮片螺栓剪断。在某些地区，岩石的强度较低，硬度较低，容易引起滚刀的偏磨合过度磨损。在地质条件较差的情况下，如果采用实心和盾尾注浆法，很容易将盾构机包覆，从而使盾构二次启动困难。挤压断层容易发生滑块、崩塌，断层破碎带、节理密集带水等都会加重塌陷的发生。

4 管片点位选择及安装

合理的拼装位置是保证盾尾空隙的先决条件，而均匀的空隙既有利于管片的组装，又有利于小弧段的盾构施工。

式（1）中：C 为楔形量；W 为1600mm 的管片环宽度；D为8500mm 的外径；R 为按公式计算的曲线半径600mm；经计算，当弯曲半径600m 时，需要的楔形截面为：C=22.67mm＜46mm

式（2）中：P 为楔形量（左侧为负值，右侧为正）；a 为该直径线的夹角，46 为该管片楔形量。

该项目所设计的盾构机架共有19 个推进油缸，按照F 段19 个拼装点位的拼装点，按公式求出相应的楔形量，管片拼装点位对应的楔形量如表1 所示。

由表1 数据可知，装配点位为13、14、15、16、17、18油缸，即可满足R=600m 左转弯曲线管片楔形量-22.67mm 的要求。但如果连续选择这些位置，总的楔形量将会大于-22.67mm，因此，F 块的主要分布在6 个气缸上，考虑到盾尾和推进缸的形状差异，采用其他部位的拼装补偿，以确保盾尾间隙的均一，减少推进油缸的冲程差值，确保在小曲线的盾构施工中，实现了对油缸的合理分配。

表1 管片拼装点位对应的楔形量（单位：mm）

5 掘进参数的确定

在施工前进行盾构施工的掘进参数的确定；在施工中，根据不同的工作条件，结合现场施工监测及信息化技术，得出了不同地质条件下盾构的最佳施工掘进参数，详见表2 盾构穿越建筑物及断裂层掘进参数。

表2 盾构穿越建筑物及断裂层掘进参数

6 地铁盾构法施工技术控制要点分析

6.1 管片安装

盾构机顶进作业达到一定施工标准后，施工企业要依照地下设施的标准要求，组织专业人士深入现场开展衬砌处理。盾构法在进行掘进工作时起到了良好的支撑作用，但在施工作业完成之后，衬砌应作为建筑物永久性的承载力，应发挥其支撑作用。

在地下设施项目中，由于施工中使用的大多是钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土砌块，因此，为了获得更好的施工效果，相关人员必须根据现场的具体情况，对盾构的尺寸等进行详细的了解，保证各项参数的科学性。盾构机具有结构简单、施工方便等优点，而且在施工过程中，即使出现了偏移，其纠偏也比较容易操作，但其缺点主要表现在整体上的不足。对比矩形砌块，梯形砌块其整体性较好，施工现场作业中，一般在条件允许的状况下选择梯形砌块，但此类砌体在施工中对施工技术的要求更高，如果出现偏差，则会造成很大的困难，因此在施工中必须遵循相关技术规程。另外，在砌体的黏结工艺中，以平口和企口为主，其接缝防水性能较好，但在装配过程中，其安装工艺要求也较高。

6.2 盾构机的推进

盾构的推进依赖巨大的推力，通过使用千斤顶来实现所需要的推力，从而确保盾构机的前进。目前，土体压力平衡式盾构是最常用的方法。在掘进作业中，面对开挖工作面，盾构机遇到了很大的推进阻力。隧道施工阻力主要由前方盾构机的刃口与工作面的阻力以及机身与周围土壤的摩擦等组成。

推力太少会对工程的进度产生不利的影响，而太大的推力会使工作面的土壤产生压力，从而导致地表的凸起。在施工中，要密切关注前面的土层地质状况，并针对各层的应力情况进行详细的分析。掘进的速度一般取决于掘进时所产生的推动力和掘进泥土的数目。在施工需要进行掘进时，通过试验和实践证明，合理的推进力和速度应该是20～40mm/min，如果遇到软弱不均匀的情况，可以根据工程的情况和工期的需要，适当地降低掘进速率，同时要保证掘进的速度一定，太快、太慢对盾构的控制不利。在土压平衡动力施工中，当出现盾构的姿态偏差时，必须合理地选用不同的千斤顶，并适当地调节其应力分布。同时，通过对盾构后方灌浆的调整，可以实现位移的调整。

6.3 壁后注浆

在施工中，为了便于挖掘和管片的组装，盾构机刀盘的直径一般要比隧道本身的直径稍大，这样会导致衬砌在离开盾尾后产生一定的间隙。在围岩出现变形崩塌之前，盾构间隙能使围岩处于应力均衡状态，并能稳定地层，从而防止围岩出现较大的位移，同时对衬砌进行防水处理，保证了前期管片衬砌的安全性和合理性。

同步注浆技术，其实质是将盾构机开挖和灌浆作业同时进行，并通过在箱体外侧设置注浆管或灌浆孔来实现。该方法不仅能保证隧道的防水性能，而且能有效地阻止因盾尾水渗透到封闭的土仓中而导致的喷射。

二次注浆，是指在通过施工区段后，进行盾构掘进下一个工段，以保证隧道的环保和整体的稳定性。比如，上一期工程段在其同步注浆过程中出现了施工缺陷，可以通过其管片内的灌浆孔进行二次灌浆。在同步注浆的过程中，如果有质量问题，或者是同步注浆类的各种材料，体积会缩小，产生孔隙，从而减少盾构机的沉降，并降低地铁项目自身防水的主要压力，提升其整体防水效果。通过以往大量工作经验和实践证明，注浆工作是地铁盾构法作业中的主要内容，只有对注浆工作进行有效的控制，才能确保地下沉降量在10mm 以下，以确保工程施工的安全。

6.4 盾构接收阶段

该阶段是盾构施工最后的阶段，对整个盾构施工效果有着一定影响，一般情况下，其主要是以贯通前最后50m 的范围作为到达阶段。所以施工者应在具体使用中综合考虑施工多个要点内容，例如观测洞门位置的探孔是不是有渗漏问题，加固土体，确保达到标准要求和隧道轴线位置的重新评估、盾构基座加固和洞门止水帘布的合理安装等。

另外，在现场施工中应合理布设控制点的导线，使得盾构机可以依照既定姿态和要求平稳进入到洞中。同时掘进至离洞口位置封门的100m 时，应做好轴线位置的推进和测量，调整好轴线；切口应在距离封门10m 时，合理控制土量。距离一旦超过300～500mm 时，应立即停止推进工作，确保切口开挖面总体压力能够降到最低，保证盾构机接收工作的安全性。

7 重难点位置施工措施

7.1 穿越既有建筑物安全措施控制要点

在通过有关大楼的盾构施工过程中，要注意对切口的压力均衡，防止过挖、欠挖，最大限度地降低平衡压力的变化。控制盾构推进速度，采用低速掘进方式，减小滚刀对岩土分界面的撞击，一般情况下，速度为10～20mm/min，EPB 掘进方式为2/3 舱气体保压方式。为了减少盾构施工对地表的影响，采取了稳坡法、缓坡法，并采取了不急纠、不猛纠的方法。

在进入弯道时，为了降低每环的纠偏，必须事先进行纠偏，以降低结构的空洞。控制同步注浆量，均匀、合理地压注浆液，适时填充建筑孔洞和缝隙，降低施工期间土体变形的概率。同时，根据现场的变化情况，及时进行相应的调整，以确保压浆工艺的施工质量与效果；为有效地控制地基的后期沉降，保证地面建筑物的安全，做好二次注浆。对管片的装配质量进行严格的控制，确保管片的环向和纵向接缝平整，不存在错台和漏水现象。

7.2 侧穿铁路安全措施控制要点

为了保障铁路的安全运行，以防塌方、防沉降、防变形为主要控制目标，采用试验段对施工工艺和不同地区进行了验证，并对其进行了逐级优化，并将其归纳为“匀速、连续、均衡、饱满”。

“匀速”是指在横线上通过时，必须确保掘进速度在一定的范围内，而不会有时间和空间的变化。

“连续”是为了在施工过程中加强设备和施工工艺的管理，以保证盾构的持续工作和不间断的工作。

“均衡”是指每一项掘进参数都是稳定的，在掘进过程中，掘进速度、刀片转矩始终处于一种动态平衡的状态。

“饱满”是保证墙后灌浆、同步灌浆和二次灌浆充分、及时注浆，以保证在离开盾尾后，管片的施工孔隙能够得到充分的充填。

7.3 盾构穿越断裂层技术措施

7.3.1 超前地质雷达的检测与预加固技术

利用超前地质雷达探测技术，在掘进工作面前方3 个钻孔直径的范围内，实现了数据的采集与评价，并对预测结果进行了实时的显示，方便了现场的快速决策。当刀盘在距断层20 圈左右时，TBM 模式将不再进行掘进，采用TBM 专用的超前钻机（在30～50m 的深度），进行跟管钻井，设置水平钻孔，与压力计和水表相连，以进一步了解断层上盘围岩的状况和水压；在需要的时候，使用双液灌浆装置，在刀盘前面一段距离内提前注浆，以确保施工的安全性。

7.3.2 断裂层的围岩中采取的施工方法

在断裂层中，每9m 为一个封闭环，封闭环的实施过程是：首先在TBM 桥段设置封闭环形作业区域，并配备注浆泵及注浆物料平台；然后根据隧道管片的施工进度，每隔5 圈进行一次封口环注浆；最后采用化学注浆法或水泥-水玻璃双液浆进行注浆法。由于常规注浆料的灌浆凝固时间长、蔓延面积大、不易迅速封闭，因此使用化学灌浆材料或水泥-水玻璃，其具有凝固时间可控、扩散范围小、密封迅速等优点。

7.3.3 盾构工程的监测和控制

强化施工现场的施工管理，确保超前探测、超前预加固、TBM 脱困施工、后期处理等工作的衔接。在地质勘探、隧道设计和施工观测结果的基础上，采用超前地质雷达探测装置，提前进行地质预测，并及时采取防范措施，最大限度降低因特殊岩性而导致的停工。在工程建设中，要强化工程的安全监测，以控制地面建筑物的沉降指标，控制结构的稳定，使隧道的收缩量在安全的范围内，以保障TBM 施工的安全。

7.3.4 地面沉降控制

在采用土压平衡盾构机的情况下，盾构施工中存在着地表塌陷的问题，这主要是盾构机的刀片在旋转切削时干扰了地层的结构，或者由于注浆量、注浆速度等工艺参数的不合理，导致了地表的不均匀沉降和局部塌陷。

盾构施工中地表沉降可以分为四种类型：前期沉降、开挖前沉降、盾构开挖时的沉降、管片脱出尾盾时的沉降。为此，应在前期进行地质调查及前期准备工作，合理设置注浆量、注浆速度、出土量、刀盘旋转速度等技术指标，以保持掘进和盾构面的平衡状况作为主要质量保证。同时，采取了盾构掘进方式的调整、衬砌接缝防水、盾尾同步注浆等综合防治措施。

比如，按照盾构机所在位置的地质情况，采用敞开式、土压平衡式、半敞开式等相应的开挖方式；采用内部灌浆或在接头处填充橡胶止水带；为了降低地层损耗，在盾构机尾出现裂缝时，适时进行同步注浆。

8 结语

城市轨道交通的建设可以减轻城市的交通压力，降低城市的交通拥挤程度，从而最大限度满足人民的出行需要。目前，我国的城市轨道交通具有较大的承载能力和较高的运行速率，有效地改善了城市交通。盾构技术是地铁工程建设的重要技术，因此，施工单位要深入研究盾构施工技术，掌握技术过程、关键技术，明确工程质量控制的关键，建立清晰、明确的技术应用思想，为地铁工程质量的提高提供技术支持。