城市轨道交通盾构法施工盾构机选型原则研究

陈林

四川广正科技有限公司 四川 成都 610000

引言

轨道交通是城市交通体系建设的重要组成部分。为尽可能利用和开发城市空间，满足市政发展需求，地下空间的资源开发尤为重要。城市地下工程，例如地铁轨道﹑轨道交通施工工程中，盾构施工技术因其安全﹑高效以及适应性强的优势成为目前普遍的轨道交通施工方法。盾构施工技术的应用水平依靠三大要素，即衬砌﹑盾构机掘进和稳定开挖面。其中，盾构机掘进作为支撑设备，作用突出。我国轨道工程施工中，盾构机的选择应考虑到各方面的因素，选用适合我国地区地层特征的盾构机型，这将关系到施工过程中的盾构技术实施水平以及施工成本和经济效益。

1 盾构机特点及优势概述

盾构施工技术于1818年开始发展并应用于轨道交通施工中，发展至今，已经形成了多种形成了各种盾构工程方法和盾构设备类型。我国于20世纪中期以来才引进了盾构施工技术，虽然应用时间相对较晚，但由于可借鉴的经验较多，因此发展迅速，再加上我国盾构自主研发技术的进步和优化，尤其是近十年来，应用广泛。

就施工性能本身而言，盾构施工的关键是施工设备，也就是盾构机。盾构掘进机作为盾构法主要机械设备[1]，属于轨道交通大型挖掘机械设备，主要负责地下掘进和衬砌，辅助施工人员完成隧道全断面施工，同时保证不破坏地面状态。盾构机工作原理就是通过机械控制完成隧道内部土质层挖掘，因此，设备形状与施工隧道的横截面一致，但机械尺寸略大于隧道进入地面的尺寸。机械设备利用压入地面的钢桶，使其作为外壳，保护掘削机。因此，准确来讲，盾构机的组成包含外壳﹑作业空间以及内部作业部件。盾构具体结构包括7个主要部件，即切削刀盘驱动﹑盾构推进系统﹑拼装机系统﹑螺旋输送机系统﹑加泥控制系统﹑盾尾密封系统﹑ 动力台车及配套设备系统。

从性能上来讲，盾构适用于软土﹑砾石﹑硬岩等不同地质构造的地下轨道交通暗挖工程，可以支撑地层压力的同时，还可以快速﹑高效完成掘进和完成衬砌施工，掘进性能和施工稳定性均较好。在施工过程中，盾构机的运用可有效保障围岩的稳定性，技术人员充分利用盾构的钢壳支护作用完成轨道交通段的挖掘工作，在施工进度计划内完成规定长度，确保人员安全及地层稳固性，既具备安全性﹑又能够保证施工进度和质量。

盾构技术施工具有多种应用优势，主要体现在以下几个方面：①盾构的应用对施工场地周边环境以及施工地面交通影响小，场地占用比例小，不会对周围建筑物产生噪音威胁，保证施工过程中居民的正常生活，可应用在各类施工环境中。②盾构掘进机自动化性能好，可以实现较高的施工精确度，节省人力资源。盾构掘金机的运行主要依靠机械系统﹑测量系统以及自动控制系统，可依据场地地层特质进行观测工作，并严格控制数据，减少轨道交通施工的轴线偏差。此外，盾构轨道交通将采用先进的设备进行观测，需要严格控制轨道交通的轴线偏差。同时，盾构技术的应用会对衬砌管片的制作进行控制，现阶段可将管片偏差控制在0.5mm的范围内。③盾构机的使用具有专用性，施工速度较快。由于施工过程中，盾构机的使用要掌握轨道交通断面参数为前提。因此在完成轨道交通施工后，盾构机不再重复使用。④盾构机使用安全性高，便于操作，不受轨道交通长度限制。由于盾构机自身可进行挖掘工作，因此在同一地层顶进时，可保持同等顶力，没有掘进长度的限制。并且可在盾构掩护下进行挖土和衬砌任务，施工安全性较高。

但同时，盾构机在施工过程中也存在一定的风险，这主要表现在机械设备运行时只能向前推进，不能后退。因此，如果在轨道交通施工过程中出现问题或故障，将直接影响轨道挖掘环节的施工进度，带来较大消极影响。因此，盾构机机型的选择和关键参数的设定工作就极其重要。

2 盾构机分类和使用范围

根据隧道标准规范，按照盾构机空间结构划分，可通过开挖面和作业室之间是否存在隔墙构造，将其分为密闭式盾构﹑半敞开式盾构和全敞开式盾构。其中，密闭式盾构机又具体分为土压式和泥水式。土压式盾构还包括土压盾构和泥浆盾构。半敞开式盾构主要是挤压式。全敞开式盾构则分为机械式﹑半机械式﹑手掘式这三类。划分依据还可是机械工作原理和开挖方式，将开挖方式作为划分依据时，可以将盾构机 分为网格式﹑敞开式以及机械式3种[2]。

首先，土压盾构机主要采用控制刀盘进行旋转切割操作，开挖仓库内的土壤，将其作为掌子面，通过调整掘进速度和输土量调整仓内的水土压力，维持开挖面状态。盾构的掘进速度要与盾构掘进同步注浆能力相匹配，且确保满足盾构施工工期要求[3]。该盾构主要适用于塑性流动性软黏土，这类土质层沙砾含量少，方便掘进。

土压盾构机适用范围非常广，可用于多种土质隧道的挖掘，包括洪积黏土层﹑砂质土地层﹑沙砾地层﹑卵石地层等。设备内配有添加材料（高吸水树脂﹑发泡剂CMC﹑黏土等）﹑搅拌部件和强力搅拌的辅助材料。泥土加压盾构的机刀盘带有强力型搅拌叶，便于辅助强制搅拌。添加材料随挖掘过程撒入土沙，将其混合为塑性流动性和防渗性的泥土，使盾构与开挖面的水压﹑土压保持平衡状态，稳定开挖面，保证安全性。

其次，泥水式盾构机可应用于软弱砂质土层﹑沙砾层等，适用范围广。泥水式盾构机主要是利用泥浆施工，将挖掘后存储的土砂混合水后，形成泥浆，然后再输出到施工地面，使土砂中的泥水和沙砾﹑土粒等分离，再将分离的泥水按照一定比例进行调配，最后输出到开挖面。此类盾构虽应用范围受限小，但由于泥水分离设备体型较大，在隧道内占用太多面积，因此近几年使用频率不高。除此之外，泥浆盾构机使用频率也较低，其工作原理是在开挖土沙中添加辅助材料混合成泥浆，但通常应用于巨砾层，范围受限。

3 盾构机选型影响因素及原则方法分析

3.1 影响因素

在选择盾构机机型前，要着重考虑的因素有：轨道交通施工周期和进度计划﹑施工场地安全情况﹑周围地质水文环境以及施工成本等。在选择机型时，必须综合分析各类数据，依据设计图纸和施工合同，严格选取型号和零部件。同时，排除可能影响施工质量的干扰因素，这也是关键环节。

盾构施工选型的主要影响因素可归纳为：地层条件﹑盾构机支撑能力﹑地下水含水量和水压﹑轨道交通长度﹑电缆形状﹑施工后设备适用性。

此外，由于我国城市城市化建设速度加快，盾构机械建设承载力面临饱和趋势，逐步下降。因此，选择盾构机时还应考虑到工程综合效益和盾构施工成本。

3.2 施工用盾构机选型

3.2.1 选型原则。在轨道交通施工工程中，企业必须提前分析工程设计和施工场地情况，明确盾构机选择依据，理清机型选择思路。在选择盾构机时，依据施工经验，可以根据盾构掘进机的特点，估算不同类型盾构机的施工效果，利用现代化模拟技术，如BIM，通过建模直观了解盾构机使用情况，通过数据综合考虑，依照分析结果对各类机械进行评分，最后选择综合得分最高的盾构机。选型时需注意，盾构机的选择必须符合施工场地开挖面的形状﹑尺寸，分析其能否准确辅助开挖，保障开挖面的稳定性。其次在机器适用与否的基础上结合环境﹑工期﹑成本应急辅助工作方法，进而选择出比较合适的盾构机。

盾构机选型依据按照重要性来排列的话，可分为：①施工地质水文条件，包含粒径﹑成层﹑抗拉等各项参数﹑开挖面自立性﹑地下水位﹑隧道深度﹑隧道断面；②施工地周围环境条件，附近管线和建筑结构；③工程工期﹑造价；④设计线路﹑平面竖向曲线形状[4]；⑤辅助工具。除此之外，还应考虑盾构本身的性能，这也是选择合适盾构的关键要素，包括盾构扭矩及刀盘功率﹑盾构推力和盾构直径（一定意义上决定了隧道施工的成本[5]）。

盾构机选型应遵循实际性原则﹑安全性原则和适用性原则。

3.2.2 选型方法。选择盾构机机型时，制定选型方案是重要环节，可以利用以下几点方法选择：①根据地层渗透系数选型。地质勘查中，地层渗透是关键参数，因此选型时可将地层渗透系数作为依据。针对渗透系数超过10-4m/s的情况，可选用泥水盾构机；②根据颗粒级配选型。地基土壤中的粉土和粘力含量影响机盾构机机型的选择。施工地基土中的沙砾﹑粉土含量大于40%时，可形成较为稳定的结构，水流塑体不易渗透，易使掌子面维持平衡状态。这样的情况可使用土压平衡盾构机；③根据水土压力选型。盾构施工过程中，内部和外部水土压力的平衡是关键点。若内外部水土压力产生差异，数值达到0.3MPa时，应当优先选择泥水盾构机。因为土压盾构机在面对不平衡的水土压力时，螺旋机容易产生土塞现象，可能导致掘进效率低下。

对于沙质土类地层来说，这类地层自立性能较差，则应首先选取密闭式盾构进行施工。针对沙质土这类的地层，一般地下水丰富﹑渗透性强，因此大多采用泥水平衡盾构类型进行施工，但如果地下水压力值相对较高，一般来讲高于0.1Mpa，那么为保证施工的安全性，则优先采用密封型盾构，条件允许的话也可选择另外的辅助方法协助施工，例如气压或者降水等。

沙砾和软岩这类地层，土质强度高，自立性也高，因此要考虑盾构机本身掘进的稳定性，同时做好防护，选择半机械式或敞口机械式盾构最为合适。如果沙砾地层中的沙砾直径较小，则可选择多种适合的盾构施工。自立性较强的沙砾地层，为确保施工过程中的安全性，减少经济成本，通常选择土压平衡盾构施工，但也可以根据情况采用半机械式盾构或者手掘式掘进，但同时应将施工进度考虑在内。对于黏性土地层，选择土压平衡盾构施工成本较低。

对于砾石直径较小的地层，可考虑各种盾构隧道施工（采用泥水平衡盾构时，应额外设立辅助工具，例如鳄式碎石机，粉碎坚硬石块后再输出泥浆）。如果砾石直径较大，除手工挖或半机械盾构外，应考虑土压力平衡盾构。

4 结束语

综上所述，结合盾构法施工具有速度快﹑影响小的特点，盾构法施工技术已经是多数城市轨道交通工程建设中常见的施工类型。因此，盾构机作为盾构法施工的专用大型机械，适用范围受到施工场所地形﹑地层条件的限制，同时，盾构机本身的关键参数的设计和调整也至关重要，零部件的配置会不同程度影响到施工效果。由于盾构机成本高，施工前分析施工地层特征，收集数据，选择适用性强的盾构机机型是影响盾构法施工质量和效果的关键。同时，必须考虑我国交通建设形势和承包建设单位经济承受能力。