浅析盾构法施工技术

【摘要】在城市中修建地下铁道、通道及各种管道，其施工方法受到地面建筑物、道路、城市交通、水文地质、环境保护、施工机具以及资金条件等因素的影响较大，因此各自所采用的施工方法也不尽相同。通常在地面条件允许的情况下，地铁区间隧道宜采用明挖法，但对社会环境影响很大，仅适合在无人、无交通、管线较少之地应用。而在市区等人口密集、交通复杂区域多采用盾构法。

【关键词】盾构法，地铁施工，应用

一、盾构法隧道施工的历史

盾构施工技术自1823年由布鲁诺尔首创于英国伦敦的泰晤土河的水底隧道工程以来，己从一种只能在极少数欧美发达国家中才见应用的特殊技术，发展成为在发达国家中极为普通，在发展中国家中亦逐渐得到应用的隧道施工技术。1818年布鲁诺尔在蛀虫钻孔的启示下，最早提出了用盾构法建设隧道的设想； 1825年，他用自己的想法制成盾构，并第一次在泰晤士河施工了水底隧道。1865年巴尔劳首次采用圆形盾构，并用铸铁管片作为地下隧道衬砌。1869年，他用圆形盾构在泰晤土河底下建成了外径为2.2lm的隧道。1874年，在英国伦敦地下铁道南线的粘土和含水砂砾地层中建造内径为3.12m的隧道时，格雷塞德综合了以往所有盾构施工和气压法的技术特点，较完整地提出了气压盾构法的施工工艺，首创了在盾尾后面的衬砌环形空隙中压浆的施工方法，为盾构法发展起了重大的推动作用。

二十世纪初，盾构施工法己在美、英、德、苏、法等国开始推广。30～40年代在这些国家已成功地使用盾构建成内径自3.0-9.5m的多条地下铁道及过河公路隧道。

二、盾构技术原理

盾构法是一种先进的顶涵施工方法，是使用所谓的“盾构”机械在围岩中推进，一边防止土砂的崩塌，一边在其内部进行开挖、衬砌作业修建地铁隧道的方法。盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法。它靠盾构头部保护下掘土或用刀盘切削土体，通过出土机械运出洞外，盾构靠千斤顶在后部加压推进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构，具有快速、安全的特点。

三、盾构的组成

盾构机外形上看是一个大的钢管机，较隧道部分略大，它是设计用来抵挡外向水压和地层压力的。它包括三部分：前部的切口环、中部的支撑环以及后部的盾尾。大多数盾构的形状为圆形，也有椭圆形、半圆形、马蹄形及箱形等其他形式。

四、施工特点

优点

1、安全开挖和衬砌，掘进速度快；

2、推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工劳动强度低。

3、不影响地面交通与设施，同时不影响地下管线等设施；

4、穿越河道时不影响航运，施工中不受季节、风雨等气候条件影响，没有噪音和扰动；

5、在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道往往具有技术和经济方面的优越性。

缺点

1、断面尺寸多变的区段适应能力差；

2、购置费昂贵，对施工区段短的工程不太经济。

3、工人的工作环境差，工作危险系数高。

五、施工工序

盾构法施工时，首先要在隧道的始端和终端开挖基坑或建造竖井，用作盾构及其设备的拼装井和拆卸井，特别长的隧道，还应设置中间检修工作井。拼装井的井壁上设有盾构出洞口，井内设有盾构基座和盾构推进的后座。盾构在拼装井内拼装就绪，经运转调试后，就可拆除出洞口封板，盾构推出工作井后即开始隧道掘进施工。主要工序如下：

1、土层开挖。盾构施工中，为安全考虑，一般先将盾构前面的切口贯入土体，在切口内进行土层开挖，开挖方式有：①敞开式开挖。适用于地质条件较好、掘进时能保持开挖面稳定的地层。由顶部开始逐层向下开挖，可按每环衬砌的宽度分数次完成。②机械切削式开挖。用装有全断面切削刀盘的机械化盾构开挖土层。刀盘可分为刀架间无封板的和有封板的两种，分别在土质较好的和较差的条件下使用。在含水不稳定的地层中，可采用泥水加压盾构和土压平衡式盾构进行开挖。③挤压式开挖。使用挤压式盾构的开挖方式，又有全挤压和局部挤压之分。前者由于掘进时不出土或部分出土，对地层有较大的扰动，因此隧道位置应尽量避开地下管线和地面建筑物。

2、推进纠偏。推进过程中，主要采取调整千斤顶的推力、调整开挖面压力以及控制盾构推进的纵坡等方法来操纵盾构位置和顶进方向。一般按照测量结果提供的偏离设计轴线的高程和平面位置值，确定下一次推进时须有若干千斤顶开动及推力的大小，用以纠正方向。此外，调整的方法也随盾构开挖方式有所不同：如敞开式盾构，可用超挖或欠挖来调整；机械切削开挖，可用超挖刀进行局部超挖来纠正；挤压式开挖，可用改变进土孔位置和开孔率来调整。

3、衬砌拼装。拼装方法根据结构受力要求，可分为通缝拼装和错缝拼装。通缝拼装是使管片的纵缝环环对齐，拼装较为方便，容易定位，但其缺点是环面不平整的误差容易积累。错缝拼装是使相邻衬砌圆环的纵缝错开管片长度的1/2～1/3。错缝拼装的衬砌整体性好，但当环面不平整时，容易引起较大的施工应力。衬砌拼装方法按拼装顺序，又可分为先环后纵和先纵后环两种。先环后纵法是先将管片拼成圆环，然后用盾构千斤顶将衬砌圆环纵向顶紧。先纵后环法是将管片逐块先与上一环管片拼接好，最后封顶成环。

4、衬砌压注。为了防止地表沉降，必须将盾尾和衬砌之间的空隙及时压注充填。压注后还可改善衬砌受力状态，并增进衬砌的防水效果。压注的方法有二次压注和一次压注。二次压注是在盾构推进一环后，立即用风动压注机通过衬砌上的预留孔，向衬砌背后的空隙内压入豆粒砂，以防止地层坍塌；在继续推进数环后，再用压浆泵将水泥类浆体压入砂间空隙，使之凝固。因压注豆粒砂不易密实，压浆也难充满砂间空隙，不能防止地表沉降，已趋于淘汰。一次压注是随着盾构推进，当盾尾和衬砌之间出现空隙时，立即通过预留孔压注水泥类砂浆，并保持一定的压力，使之充满空隙。压浆时要对称进行，并尽量避免单点超压注浆，以减少对衬砌的不均匀施工荷载；一旦压浆出现故障，应立即暂停盾构的推进。

六、结束语

随着我国国民经济和城市现代化的不断发展，高度商业化、效率化和功能密集化的现代城市对于工程施工的要求越来越高，加上城市用地、交通立体化的要求，向地下发展的地下工程会越来越多。作为一种适用于现代城市地下工程的施工方法-盾构施工法必将受到人们的重视。