盾构掘进技术简述与实例分析

摘要：对土压平衡盾构机施工原理及基本的施工技术进行了介绍，并通过工程实例对盾构机遇孤石、地表塌陷、建筑物保护、抢险处理等盾构施工过程遇到的各种情况进行了分析并提出相应处理措施。

关键词：盾构， 施工技术 ，工程实例

Abstract: the earth pressure balance shield construction principle and basic construction technology are introduced, and through engineering examples of shield opportunities to seokjeong land, surface subsidence, building protection, emergency treatment shield tunnel construction meet various analysis and put forward the corresponding treatment measures.

Keywords: shield, construction technology, engineering example

中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：

随着国内各城市地铁的兴建，盾构隧道在地铁建设中被越来越普遍的采用，但由于盾构施工在我国起步较晚，工程经验相对比较少，笔者通过对个别有代表性的工程实例进行简要分析和总结，供同行们参考：

第一盾构施工原理及施工技术

盾构是一个具备多种功能于一体的综合性设备，它集合了盾构施工过程中的开挖、出土、支护、注浆、导向等全部的功能。不同形式的盾构其主机结构特点及配套设施也是不同的，对盾构来说，盾构施工的过程也就是这些功能综合作用、合理运用的过程。在盾构选型过程中，采用最多的是土压平衡盾构和泥水平衡盾构。两种盾构的选型依据最主要为各工程地质中土层中的颗粒级配和地层渗透系数，土压平衡盾构对沙层、土层等地质条件有较好的适应性，因此在国内地铁施工中应用最为普遍。

一、盾构施工基本原理

土压平衡式盾构的基本原理：由刀盘切削土层，切削后的泥土进入土仓，土仓内的泥土与掌子面水土压力取得平衡的同时由螺旋输送机出土，通过控制螺旋输送机转速使出土速度与刀盘掘削速度相匹配，持续保持压力平衡并连续出土。

根据地质条件、水位和压力情况，盾构机有敞开、闭合（EPB式）和半敞开三种掘进模式：

敞开式：在前方掌子面足够稳定并且涌水能够被控制，可以采用“敞开式”作业。

半敞开式：用于含水，且水压为1～1.5bar，掌子面可以稳定的地层中。半敞开式作业时隧道掘进速度近似于敞开式作业。

EPB模式：用于围岩不稳定、水压压力高、水量大时。采用EPB模式施工时，可以用泡沫系统改善碴土的流动情况。

二、盾构施工技术

1、盾构施工准备

环境调查：对周边建筑物、管线、施工场地、运输线路等进行详细的调查，把握这些基础资料才能对盾构施工场地规划、盾构掘进参数、控制沉降等提供技术支持；

补充地质勘察：盾构施工和所有暗挖施工技术一样要遵循“地质先行、策划超前”的原则。主要选择在地质突变、工法变化、联络通道以及预计要进行开仓作业等位置进行补勘，补勘成果结合详勘报告使用，为盾构掘进施工提供技术参考；

合理优化设计：根据环境调查、补充地质勘察成果对线路平面及纵坡进行合理优化，有利于降低盾构施工风险、保证施工效率、控制工程成本。

2、盾构施工条件及场地布置

水电接入和施工场地是保证盾构施工顺利开展的先决条件。因此，在盾构工程前期的施工过程中，该两项条件至关重要。按照常规两台盾构机同时掘进要求，供水需提供DN125主供水管供应生产用水，施工用电负荷一般需达到5000Kw，一般需不小于6000平方米的施工场地。

3、盾构施工程序

盾构组装盾构调试与始发盾构掘进盾构过站与二次始发盾构到达

4、辅助施工技术

由于盾构施工也有其缺陷性，目前，各种辅助施工方法已成为解决盾构工程难题的重要技术手段。 如采用旋喷桩、搅拌桩、注浆等工法对地层进行加固，硬岩地段、联通通道采用暗挖等。辅助施工方法在盾构施工过程中有利于充分发挥各种工法优点，扬长避短，降低盾构施工的风险。

第二工程实例分析

一、基本情况

深圳地铁深大－桃园区间隧道为浅埋至深埋，CK21+000～CK21+800隧道上方地面有建筑物群，层高2～8层。这些既有建筑物均为浅基础，盾构施工时必须确保既有建筑物的安全。

2008年某日晚10点，左线盾构机掘进到CK21+232（205环），地面建筑深大银桦斋附近发生塌陷。塌陷处位于刀盘上方，塌陷后扩展为直径4.5m、深3m的坑洞。

二、原因分析

盾构掘进第203环时，发现遇到孤石，此时掘进速度在5-8mm/min，盾构机已无法前进。掘进时，可间断的听到土仓内有尖锐的声音，且转动刀盘时震动很大，银桦斋及地表道路有明显震感。刀盘正面刀具全部为齿刀（羊角刀），无法破岩。开仓检查孤石情况及更换刀具。开仓后，发现刀盘正前方形成一个坍塌的空腔，空腔最大处离刀盘约1米左右，刀盘下部约1/3被泥浆盖住，无法判断被泥浆盖住的地方有无孤石。因地质不良，更换8把正面双刃滚刀后关仓掘进。

事后经分析，发生此次塌陷的主要原因为：

1、出碴量失控，严重超挖；

2、工序转换施工参数未及时调整；

3、地表监测未能有效反映沉降量；

4、刀盘破孤石对地层扰动，地层自稳性差。

三、预防控制措施

1、有效的碴土控制管理

土压平衡盾构维持工作面稳定的介质为碴土，碴土应具有良好的塑性和流动性、良好的粘～软稠度、低的内摩擦力、低的透水性。一般情况下碴土不一定具有这些特性，刀盘扭矩较大，碴土流动困难，在土压力作用下易压实固结，容易产生泥饼或泥团，在透水性土层中，在水的作用下碴土在螺旋输送机内排出无法形成有效的压力递减，土舱内的土压力难以稳定，因此需要对开挖后的碴土进行改良，使其具有上述特性。一般采用通过盾构机配置的专用装置向刀盘面、土仓或螺旋输送机内注入泡沫或膨润土，利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌或螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与土碴混合。防治结饼、喷涌问题、减小刀盘磨损，维持压力舱的压力稳定控制地面沉降，保证排土顺畅及渣土处理方便。

出碴量要根据不同地层的实际情况进行控制。盾构机在硬岩地层由于掘进速度较慢，且盾构掘进硬岩为碾压破碎，易把开挖面扩大，根据经验，一般为正常情况下出碴理论值的110%～120%。盾构机在掘进粘土或沙砾地层时，掘进速度较快，且由于土层较软，土仓需保持一定压力维持掌子面稳定，会对土层有一定挤压作用。根据经验，一般为正常情况下出碴理论值的80%～90%。

2、工序转换的类别与注意事项

换刀工序与恢复掘进的转换：当正常施工时，刀具磨损导致掘进困难或无法掘进，则需要进入土仓更换刀具。由于土仓内一般均保持一定的土压力，即土仓内充满刀盘切削下来的碴土。因此，当要进行换刀作业时，要先将土仓内的碴土出空，给换刀作业留出空间。当换刀作业完成后，恢复掘进的第一环，出碴量要考虑补充土仓换刀作业空间的碴土，即第一环出碴量比换刀前要少出约土仓容量的土。否则，可能发生超挖，易引发地表塌陷。

管片拼装与掘进的转换：在管片拼装作业过程中，因需为新拼装的管片提供预压力，会对土仓形成一定的压力。因为此时刀盘未转动，所以刀盘上的刀具有可能会较停机前切入掌子面深。同时，由于管片拼装及其它工序的影响，间隔两环的停机时间可能较长，地下水会在土仓压力释放时，逐渐进入土仓。因此，在管片拼装后，再次掘进时，需注意刀盘扭矩突然增大，造成掌子面发生超挖。同时，由于地下水过多，易发生喷碴，造成出碴过量。

遇孤石掘进与正常掘进的转换：当盾构机遇孤石时，其与正常掘进所选择的参数不一致。盾构刀具是在掌子面形成刀具刀刃一定的贯入度，然后对岩层进行挤压破碎。所以，在遇孤石时要控制刀具的贯入度，即控制刀具的转速和掘进速度。在遇孤石时，由于孤石不是全断面岩层，所以易发生掘进速度时快时慢，此时一定要保证刀具的贯入度不超过15mm，否则刀具易发生损坏。

3、监测的要求

监测是盾构施工的“眼睛”，根据工程经验，监测必须满足以下要求：要有深埋监测点、特殊地段要加大监测频率、与掘进参数联动、反馈要及时、二十四小时进行巡视。

4、孤石的处理措施

加强、加密地质勘察、遇孤石的掘进参数变化、做好掘进速度控制和出碴量控制、及时采取其它辅助工法处理孤石如人工挖孔桩取孤石、土仓内破除孤石、换重型刀具破碎等措施。

5、抢险的应急措施

当塌陷险情发生时，完备的应急措施可以尽量减少损失，根据经验，需做到以下几点：

1）提前、及时与建构筑物的管理单位沟通、联系；

2）应急物资的提前准备；

3）事故地点的警戒与及时围挡；

4）险情的快速稳定方案的实施；

5）人员的疏散与安排。

盾构施工属地下施工的一种新技术，不可预计的情况比较多，只有通过不断总结积累经验，才能更好的利用这项技术为拓展城市地下发展空间作出更多的贡献。

参考文献：

1、《盾构法隧道施工技术及应用》 周文波编著 中国建筑工业出版社

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。