谈建筑施工盾构开挖方法

【摘要】盾构开挖方式可分为敞开式、机械切削式、网格式和挤压式等。为了减少盾构施工对地层的扰动，可先借助千斤顶驱动盾构使其切口贯入土层，然后在切口内进行土体开挖与运输，这是软土地层盾构掘进的基本过程。

【关键词】建筑；施工；盾构；开挖；方法

盾构法隧道前进是依靠设在盾尾的一组千斤顶克服盾构机重和周围土体产生的正面和侧壁的摩阻力，千斤顶支撑在已拼装好的环形隧道衬砌上，每拼装一环管片，千斤顶向前推进一个衬砌环间宽度。理论上，盾构法施工隧道，前进阻力不受隧道长度增加而增加。顶管法的推力来自始发工作井内作用在后背井壁上的分组千斤顶，千斤顶将装有切口和支护开挖装置的工具管顶出工作井井壁，以工具管为先导，逐步将预制好的管节按设计轴线顶入土层中，直至工具管后的第一个管节进入目标工作井。盾构开挖方式可分为敞开式、机械切削式、网格式和挤压式等。为了减少盾构施工对地层的扰动，可先借助千斤顶驱动盾构使其切口贯入土层，然后在切口内进行土体开挖与运输，这是软土地层盾构掘进的基本过程。

1 建筑施工盾构开挖

1.1 敞开式开挖

手掘式及半机械式盾构均为半敞开式开挖，这种方式适于地质条件好，开挖面在掘进中能维持稳定或在有辅助措施时能维持稳定的情况,其开挖程序一般是从顶部开始逐层向下挖掘。若土层较差，还可以借助千斤顶加撑板对开挖面进行临时支撑。根据切口长度的不同,每环可分数次开挖和推进。支撑千斤顶常设计成差压式，即在保持支撑力的条件下可以縮回，以确保支撑效能。

采用敞开式开挖，处理孤立障碍物、纠偏、超挖均比其他方式容易。为尽量减少对地层的扰动，要适当控制超挖量与暴露时间，土质较差时尤应注意。

1.2 机械切削开挖

这里主要指与盾构直径相仿的全断面旋转切削刀盘〈简称大刀盘)开挖方式。过去也用过—些由多个小盘组成的所谓行星式刀盘，以及千斤顶操纵的摆动式刀盘，但目前大都采用以液压或电动机作动力的可双向转动切削的大刀盘。根据地质条件的好坏，大刀盘可分为刀架间无封板的及有封板的两种。前者适用于土质较好的条件。大刀盘切削开挖配合运土机械(皮带机、刮板机、转盘、螺旋运输机等)可使土方从开挖到装车运输都实现机械化。

大刀盘开挖方式，在弯道施工或纠偏时不如敞开式便于超挖〈有些刀盘装有周边超挖刀来弥补其不足〉。此外，清除障碍物也显得困难些，特别是装有封板的大刀盘更显不便。使用大刀盘的盾构，机械构造复杂，消耗动力较大，但这种盾构是实现隧道施工机械化、减轻体力劳动的必然方向。目前国内外较先进的泥水加压盾构、土压平衡盾构，均采用这种开挖方式。

1.3 网格式开挖

采用这种开挖方式时，开挖面由网格梁与格板分成许多格子。开挖面的支撑作用是由土的粘聚力和网格厚度范围内的阻力（与主动土压相等)而产生的。当盾构推进时，克服这项阻力,土体就从格子里呈条状挤出来。要根据土的性质,调节网格钓开孔面积。格子过大会丧失支撑作用;格子过小则会引起土层的挤压扰动等不利影响。我国在大面积使用大、中型盾构过程中， 曾在网格后面布置提土转盘，把土提到盾构中心的刮板机头部，然后装车外运。实践证明，这种出土方式效率髙、效果好。网格式开挖一般不能超前开挖，全靠调整千斤顶编组进行纠偏。

采用网格开挖时，在所有千斤顶縮回后，会产生较大的盾构后退现象，导致地表沉降，因此，施工时务必采取有效措施，防止盾构后退。根据施工经验，每环推进结束后采取维持顶力(使盾构不进不推)屏压5 ~ 10min，可有效防止盾构后退。此外，拼装管片时，要使一定数量的千斤顶轴对称地轮流维持顶力，以防盾构后退。

在确定网格式盾构的推力时，应计及开挖面土体主动土压力引起的阻力以及网格梁、隔板切入土层的阻力。

1.4 挤压式开挖

全挤压式和局部挤压式开挖，由于不出土或只部分出土，对地层有较大的扰动，在考虑施工轴线时，应尽量避开地面建筑物。局部挤压施工时，要精心控制出土量(土质不同，出土量也不同，一般宜作实地试验），以减少和控制地表变形。全挤压施工时，盾构把四周一定范围内的土体挤密实。由于只有上部有自由面，所以大部分土体被挤向地表面，部分土体则挤向盾尾及盾构下部。因此盾尾建筑空隙可以自然得到充填，不需要再进行衬砌壁后注浆。根据施工的观察与测量，挤向盾尾的土体对初出盾尾的衬砌产生的环向荷载是不小的。

挤压施工时，由于可以把开挖面全部封闭起来，在盾尾密封效果良好的条件下，可以不采取其他辅助施工措施，而且不出土、不压桨，能在土质塑性大、空隙比较大、有流动性的地层中达到较高的施工速度。挤压推进时，盾构有明显的上浮趋势，正面又不能超挖，只能凭调整千斤顶编组来纠偏。遇到纠偏困难时，在正面阻力较大处，可以打开封板挤出部分土来调整阻力。因此，常在正面封板的各个方位设置可启闭的出土闸门。

2 盾构开挖分类

2.1 手掘式盾构

手掘式盾构构造简单，配套设备较少，因而造价低。其开挖面可以根据地质条件全部敞开，也可以采取正面支撑随开挖随支撑。在某些疏散的砂性地层，还可以按照土的摩擦角将开挖面分为几层，这时，就把盾构称为棚式盾构。

手掘式盾构的主要优点：正面是敞开的，施工人员随时可以观察地层变化情况，及时采取应付措施；当在地层中遇到桩、孤石等地下障碍物时，比较容易处理；可以向需要方向超挖，容易进行盾构纠偏，也便于在隧道的曲线段施工；造价低，结构设备简单，易制造。

2.2 挤压式盾构

挤压式盾构分为全挤压及半挤压两种,前者是将手掘式盾构的开挖工作面用胸板封闭起来，把土层挡在胸板外，这样就比较安全可靠，没有水、砂涌入及土体坍塌的危险，并省去了出土工序；后者是在封闭上局部开孔，当盾构推进时，土体从孔中挤入盾构，装车外运，劳动条件比手掘式盾构大为改善，效率也成倍提高。

全挤压施工由于有较大隆起变形，只能用于空阔的地段或河底、海滩等处;半挤压施工虽然能在城市房屋、街道下进行，但对地层扰动大，地面变形也很难避免，这是挤压式盾构的缺点。

2.3 半机械式盾构

半机械式盾构系在手掘式盾构正面装上挖土机械来代替人工开挖。根据地层条件，可以安装反伊挖土机或螺旋切削机。如果土质坚硬，可安装软岩掘进机的切削头子。半机械式盾构的适用范围基本上和手掘式一样，其优缺点除可减轻工人劳动强度外，均与手掘式相似。

机械式盾构是手掘式盾构的切口部分，安装与盾构直径同样大小的大刀盘,以实现全断面切削开挖。若地层能够自立或采取辅助措施后能自立，可用开胸机械式盾构。

参考文献：

[1]王芳，土木工程概论 [M].北京：中国建筑工业出版社，2009

[2]刘嘉惠，建筑施工技术 [M].北京：中国建筑工业出版社，2010