盾构施工技术及其应用

摘要：为加快施工速度,在不降低水位的条件下, 采用盾构法将有较好的发展前景。盾构法施工技术在我国有了较大的发展, 不仅在地铁区间隧道中得到了应用, 而且积极地创造条件应用于地铁车站施工中。本文介绍了盾构的原理及其优缺点，结合工程实例探讨了隧道盾构施工技术的应用，总结了盾构施工技术发展趋势。

关键词：盾构施工技术原理优缺点应用发展趋势

中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：

随着我国经济和城市现代化的快速发展，高度商业和效率化以及功能密集化的现代化城市对于隧道施工要求越来越高。城市用地日趋紧张，城市交通又要向着立体化发展，向地下发展的工程会越来越多。隧道盾构施工技术是一种适用于现代城市向地下发展的重要施工方法。目前我国盾构施工技术重要影响因素是机械制造问题。现阶段盾构施工技术将朝着施工断面从常规的圆形向着多元化发展; 出洞、长距离施工等等施工新技术得到的开发; 隧道衬砌技术也朝着自动高速化和经济化发展。

一、盾构的原理及其优缺点

盾构的基本原理是基于一圆柱形的钢组件沿隧洞轴线被向前推进的同时开挖土壤。该钢组件总在防护着开挖出的空间, 直到初步或最终隧洞衬砌建成。盾构必须承受周围地层的压力, 而且要防止地下水的侵入。一般讲, 盾构掘进隧道不应也不能取代其它方法, 但在不良的地层条件下做长距离掘进, 对进尺有较高的要求和对地面沉陷又有严格的要求时, 它相对其它方法在技术上更合理更经济。其主要的优点和缺点如下。

优点: （1）机械化程度高;（2）隧洞形状准确; （3）对地面结构影响可能性最小; （4）对工作人员较安全, 劳动强度低, 进度快;（5）对环境无不良影响, 地下水位可保持: （6）质量高, 衬砌经济。

缺点: （1）盾构的规划、设计、制造和组装时间长; （2）施工工艺复杂, 熟练操作机器需要时间长;（3）准备困难且费用高, 只有长距离掘进时才较经济;（4）当地层条件变化时, 实施有风险;（5）隧道断面变化的可能性小, 断面如需变化时, 费用较高。盾构法施工技术大大减少了施工时周围土层的扰动, 使得作用在衬砌上的荷载变得更加稳定与均匀。

二、隧道盾构施工技术的应用

某隧道工程为长3 822 m，施工区穿越粉细砂层、砾砂层和卵石层。采用两台直径为11．93 m 的泥水平衡式盾构机进行施工，盾构隧道内径13．3 m，外径14．5 m，管片环由一块封顶块和两块相邻块以及七块标准块组成。盾构始发端底层主要有四层淤泥质粘土和七层粉细砂，地下水较为丰富，覆土厚度为5 m，为盾构直径0．4 倍。为防止涌砂涌水，确保盾构始发时底层稳定，对始发段地层进行人工冻结加固，严格控制洞口密封性，综合优化设定切口水压、掘进速度和同步注浆等参数。

洞口始发段平均埋深14． 46 m，最大埋深15．58 m，最小埋深13．34 m。进过人工勘探陆域空隙潜水初见水位埋深为0．2 ～ 2．1 m，稳定地下水水位埋深为0．3 ～ 3 m。根据相关水文地质资料空隙潜水年变量约为1 m。由于场地地势较为低洼，雨季容易汇集雨水，设计地下水位取0 m。另外去静止土压力系数为0．48，主动土压力系数为0．59。经验算，切口水压上限为0．21 MPa，切口水压下限为0．20 MPa。考虑始发段采用冻结加固，为避免施工时出现不利情况，在前推进10 m 过程中去切口水压下限值。

考虑始发段覆土厚度较小，结合以往经验，选择几种掘进速度对盾构施工中管片进行有限元模拟，根据下管片在上浮力作用下的弯矩，剪力、轴力和抗浮验算，结合下管片的变形、裂缝和接头变形等因素综合却的那个盾构始发段掘进速度为5．5 mm/min。通过有限元模拟计算，分析注浆压力0．2 ～ 0．5 MPa时对下管片的影响，考虑各个土层对浆液的吸收能力确定注浆量: 封顶孔注浆压力为0．2 MPa，注浆量为19 ～ 28 m3 ，其他5 孔注浆压力为0．3 MPa。根据经验和有限元模拟结果，需要对隧道的上浮进行控制，具体措施和构造如下。

（1）盾构正面泥水压力必须严格控制，必须大于开挖面土压力和水压力的总和。

（2）同步注浆要均匀布满管片周围提高注浆质量，还需要使用初凝时间较短的同步注浆浆液，提高浆液的早期强度。

（3）在较浅的上覆土厚度施工地段，管片接头在沿隧道纵向处加用钢板局部焊接，起到加固作用，提高隧道纵向刚度。

（4）当隧道管片上浮力较大且影响范围较大时，要及时采取均匀补浆措施，浆液可以采用聚氨脂和双浆液结合，注浆范围可以为5 ～ 10 环。在合理的有限元模型和有效地施工措施综合控制下，通过施工人员的努力，始发段盾构施工取得了较好的效果。

三、盾构施工技术发展趋势

盾构由气压平衡到土压平衡、泥水平衡以及近年来出现的混合型式；TBM 由开敞式、半开敞式扩展为伸缩式护盾等，其发展趋势在于设备对地层适应能力的增强、使用范围的扩大、自动化程度的提高和隧道结构的优化。原来只能用于软弱土层的盾构现在也可以在中等程度的硬岩里快速掘进；以往概念上的硬岩掘进机如今在软弱、破碎的地层条件下已能够应付自如。这些技术上的进步对于海底水下隧道和地质情况复杂多变的特长隧道建设意义十分重大。

强化设备对地层、地质的适应能力，是盾构(TBM)技术发展的核心内容。近些年来盾构(TBM)在地层、地质适应能力上的进步大致有四个方面：

（1）为适应大深度、高水压、大口径、长距离及多种断面型式等工程建设需求，必须改进和创新盾构(TBM)技术的工法、工艺、材料及设备系统。人们这种持续不断地努力，使得盾构(TBM)技术的应用范围越来越广。

（2）盾构(TBM)的掘进能力是设备对地层、地质适应性的硬性指标，与其动力系统、驱动装置、刀盘、刀具和渣良及输送型式等直接相关。由于工程所处地层、地质的差异特性，盾构(TBM)整机的制造难以标准化，必须是针对个别，专项设计。因此，盾构(TBM)设备的品类和形式多样化是其技术发展的必然趋势。如为避免“泥饼”影响大直径盾构采用复式刀盘，为线路空间所限研发多圆盾构，等等。

（3）为了尽可能地避免地质灾害发生和提高盾构(TBM)的工作效率，在主机上设置较为可靠的地质预探、预报系统及建立设备自我调控能力是现代盾构(TBM)技术先进性的重要标志。

（4）增加和完善盾构(TBM)设备预加固、预处理困难地层及不良地质的能力，如在盾构上增设注浆钻机和泵站，通过刀盘和机壳的预留孔对前方土层进行注浆固结，或在敞开式掘进机上使用附加设施进行喷混凝土、挂钢筋网、敷设拱架和锚杆作业等。这样一来，盾构(TBM)的对地层、地质的适应能力得到了明显的提升。

随着工业科技的快速发展，盾构(TBM)设备的机械性能有了很大的提高，主要体现在安全性、可靠性和自动化程度等方面。现代化的盾构(TBM)产品堪称是高科技的产物。限于篇幅，具体内容这里不再详述。在盾构(TBM)隧道管片衬砌结构上近些年来也有了不少的研究成果和应用实例。由于隧道构件工厂化生产和日益精到的机械安装工艺，盾构(TBM)隧道的工程质量是可控的，这些主要表现在隧道结构稳定性的改善和整体防水性能的提高。

盾构法隧道工程是一项综合性施工技术，通过多年不断摸索和实践己经形成了一套比较成熟的施工技术，在地铁建设中得到了广泛的应用。这对施工人员素质提出了更高的要求，需施工人员通过不断学习和实践，熟悉这些相关的施工技术，掌握盾构法隧道施工质量监控重点及相应对策，才能为今后盾构法隧道施工质量、施工安全提供有力的保证。

参考文献：

[1] 黄健,黄永康.盾构法施工经济效益的影响因素及对策[J]. 建筑机械化. 2009(01)

[2] 杨文武.盾构法水下隧道工程技术的发展[J]. 隧道建设. 2009(02)