地鐵盾構(gòu)法施工技術(shù)探析

錢久康 （安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 前言

隨著城市規(guī)模迅速擴大，城鎮(zhèn)化進程的快速推進，世界各地的農(nóng)村人口慢慢地向城市集中。人們的日常生活中越來越多地開始向著地下空間發(fā)展，這為地鐵建設(shè)創(chuàng)造了各種優(yōu)勢，盾構(gòu)法作為在地下空間中地鐵施工過程中最為廣泛應(yīng)用的技術(shù)。200多年前盾構(gòu)法的最初設(shè)想在誕生于英國，1825年，在英國的泰晤士河下誕生了世界上第一條隧道，此次隧道的掘進采用了高6.8m、寬11.4m的矩形盾構(gòu)系統(tǒng)進行施工。盾構(gòu)法在我國起步較晚，1969年，我國成功采用盾構(gòu)法建成了第一條盾構(gòu)鐵路——北京地鐵1號線，筑造了中國首條地鐵工程，自此，我國城市軌道交通建設(shè)邁入了飛速發(fā)展的新時代。初步預(yù)計到2025年，我國將有65座以上的城市建成或修建地鐵，地鐵對于城市地下空間的利用必將在很大程度上緩解大型城市的交通擁擠的問題。

1 盾構(gòu)施工工法

盾構(gòu)技術(shù)主要是指在地表以下進行暗挖隧道施工時，在開挖過程中，盾構(gòu)的盾構(gòu)機殼體可作為周圍土壤的臨時支撐物。在盾構(gòu)機的保護下，挖開隧道，將各段進行組裝和襯砌，形成永久性的砌體。它是一種綜合性的施工技術(shù)，在圓柱狀的施工作業(yè)面內(nèi)配備著盾構(gòu)刀盤、出土傳送帶、盾構(gòu)出土口結(jié)構(gòu)、螺旋出土口裝置、運輸列車編組裝置等部件的隧道開挖專用機械。同時地面上裝備著壁后注漿漿液攪拌站、垂直運輸門吊等專用機械。盾構(gòu)法的主要內(nèi)容是：首先在隧道的某個區(qū)段的一端開挖豎井或者基坑，此豎井或基坑可作為盾構(gòu)始發(fā)豎井和接收豎井或始發(fā)基坑和接收基坑。然后將盾構(gòu)機及零部件吊裝到軸的預(yù)定起動位置，組裝整機進行調(diào)試。在隧道中沿著設(shè)計軸線，盾構(gòu)從豎井的墻壁預(yù)留孔出發(fā)到達另一豎井的墻壁預(yù)留孔，在盾構(gòu)推進的時候會受到土層的阻力，盾構(gòu)機內(nèi)的千斤頂可以利用拼裝好的管片，利用襯砌提供的反力使盾構(gòu)機向前掘進，直至掘進到預(yù)定接收豎井或基坑時，掘進結(jié)束。盾構(gòu)法施工時還需要密切結(jié)合地下水位的降低、防止隧道及地面沉陷的土壤加固措施、襯砌的堵漏和防水、施工測量監(jiān)測技術(shù)、合理的施工布置等其他施工技術(shù)才能順利進行。

2 盾構(gòu)施工主要技術(shù)環(huán)節(jié)

2.1 盾構(gòu)機的安裝

2.1.1 盾構(gòu)結(jié)構(gòu)與功能

是地鐵隧道盾構(gòu)施工的主要環(huán)節(jié)之一，主要是為了完成盾構(gòu)機的組裝、機械調(diào)試和初步推進，為正常施工做準備。盾構(gòu)結(jié)構(gòu)包括盾體、刀盤、門式起重機、自卸機車、后支撐小車、盾構(gòu)始發(fā)井通風機、運輸設(shè)備、管片拼裝機等。主要功能包括主驅(qū)動系統(tǒng)、掘進系統(tǒng)、挖掘系統(tǒng)、灌漿系統(tǒng)、自動導(dǎo)引系統(tǒng)和水利系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、通風系統(tǒng)等。

2.1.2 組裝的要求

盾構(gòu)作業(yè)井結(jié)構(gòu)尺寸、孔門中心、軸線、結(jié)構(gòu)強度等各項參數(shù)滿足設(shè)計和規(guī)范要求，必須要能夠滿足盾構(gòu)施工中各階段的受力承載要求；接收井寬應(yīng)比盾構(gòu)直徑大1.5m以上，井的長度應(yīng)比盾構(gòu)機主機長2m以上；接收井洞口底至工作井底板頂面最小高度應(yīng)滿足盾構(gòu)的安裝、拆除及洞口與隧道的接頭處理工作的需要；洞結(jié)構(gòu)上的預(yù)埋鋼環(huán)板是洞口始發(fā)密封裝置的安裝基準，該板中心點與洞內(nèi)15m處的隧道設(shè)計中心點的連線是盾構(gòu)機的始發(fā)連線，曲線始發(fā)也照此辦理；基準環(huán)中心標高要求與盾構(gòu)機中心軸線標高一致，基準環(huán)法線面傾斜角要求與盾構(gòu)機的實際坡度一致。

2.2 盾構(gòu)機的推進

盾構(gòu)機主機的推進依靠強大的推力進行，采用千斤頂以達到所需推力，保證盾構(gòu)機向前推進?，F(xiàn)大多城市普遍采用土壓平衡盾構(gòu)模式。在面對開挖工作面的掘進時，盾構(gòu)機面對強大的前進阻力。掘進阻力主要包括正面盾構(gòu)機刀片與掘進作業(yè)面的阻力和機體與四周土體之間的巨大摩擦力，所以盾構(gòu)過程所需要的推力必須大于這兩個阻力之和，否則推力過小會影響施工進度，如果掘進過程中使用的推力過大可能會造成工作面后面的土體擠壓造成隆起和應(yīng)力集中。在施工過程中要注意前方土層地質(zhì)狀態(tài)，根據(jù)每一層地層應(yīng)力的不同，具體問題具體分析，使用不同的渣倉壓力。盾構(gòu)機的開挖速度通常由千斤頂?shù)耐屏颓斑M的土壤量決定。正常的施工要求掘進下，研究和經(jīng)驗表明合理的掘進速度應(yīng)設(shè)置在20～40mm/min，在通過軟硬不均的土層時，根據(jù)施工條件和工期要求可以適當調(diào)低掘進速度，并且應(yīng)盡量使掘進過程中的速度保持恒定，過快或過慢都不利于推進坡度、自身轉(zhuǎn)角和平面方向等盾構(gòu)姿態(tài)的控制。在土壓平衡動態(tài)施工中，一旦發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)偏移，盾構(gòu)機操作人員可以通過合理選擇千斤頂和各刀盤轉(zhuǎn)向來調(diào)整千斤頂推進的分力分布和盾構(gòu)機的姿態(tài)。它還有助于通過調(diào)節(jié)盾構(gòu)后部的注水壓漿來進行掘進過程中的偏移調(diào)整。

2.3 襯砌的拼裝

一般來說，管片是地鐵隧道的直接受力結(jié)構(gòu)，作為盾構(gòu)法施工的極其主要的部分，管片能否保質(zhì)保量地準確安裝不僅影響著隧道的施工質(zhì)量，而且對盾構(gòu)機接下來的正常運行產(chǎn)生巨大影響，更重要的是很有可能造成安全隱患造成不可估量的損失。盾構(gòu)機后部已經(jīng)組裝完畢的部分可以在盾構(gòu)機進行下一步推進的時候提供直接的反作用力。良好的分段姿態(tài)可以使盾構(gòu)機在推進過程中保持良好的姿態(tài)。良好的盾構(gòu)姿態(tài)也會產(chǎn)生良好的段組裝。在整個施工環(huán)節(jié)，管片的拼裝與盾構(gòu)機的推進相輔相成。因此，每一個施工段在管片拼裝工序操作前，務(wù)必進行詳細檢查，確認管片種類是否正確；密封墊粘結(jié)有無脫落；同時在確認管片的吊裝孔預(yù)埋位置正確，封堵蓋、逆止閥質(zhì)量完好無缺，以及混凝土的握裹牢固，管片接頭使用的螺母、螺栓、墊圈、螺栓防水用密封墊等附件準備齊全后，方可進行安裝。每個管片在拼裝結(jié)束后要及時進行各方面檢查并擰緊各個方向的螺栓，防止該環(huán)脫出盾尾造成不可估量的損失。

在隧道掘進過程中，有必要觀察和記錄段內(nèi)是否存在裂縫和其他損傷。如果是這樣，選擇一個合適的時間來修復(fù)管片。

2.4 壁后注漿

壁后注漿一般包括同步注漿和二次注漿兩種方式。在施工中，為了方便開挖和管片的拼裝，通常盾構(gòu)機的刀盤直徑會略大于隧道的直徑，這就會引起襯砌管片脫離盾尾后在襯砌外形成間隙。盾構(gòu)空隙在圍巖變形塌落前及時進行高壓注漿，填充空隙使得圍巖達到應(yīng)力平衡，穩(wěn)定底層，不但可以防止隧道周圍的地基產(chǎn)生較大的變位，而且還有利于隧道襯砌的防水，確保管片襯砌早期的穩(wěn)定性。

同步注漿是指盾構(gòu)挖掘和注漿同時進行，通過安裝在盾構(gòu)殼體外側(cè)的注漿管和管片的注漿孔進行壁后注漿的方法。除了隧道的不透水性外，它還可以防止盾尾水滲入密封土倉而造成的噴涌；二次注漿是指考慮到盾構(gòu)機在穿越過施工段后，進入下一施工段，為了達到環(huán)境保護和隧道穩(wěn)定等因素，例如前一施工段發(fā)現(xiàn)同步注漿有施工缺陷的地方，這時可以通過管片中部的注漿孔進行二次補注漿。補充到同步注漿中可能存在的質(zhì)量缺陷部分或同步注漿材料體積收縮而形成的空隙，這樣可以達到減少盾構(gòu)機通過后土體的后期沉降的目的，減輕隧道的防水壓力，提高止水效果。

實踐證明，注漿是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，控制好注漿可以保證地面沉降值控制在10mm以內(nèi)，從而保證地表建筑物的安全。

3 結(jié)語

過去的20多年中，我國是世界上最大的盾構(gòu)法隧道施工市場，在盾構(gòu)技術(shù)在中國城市地鐵建設(shè)中廣泛運用的同時，不同地理區(qū)域的工程實踐也給中國工程師們提出了各種各樣的難題。因此，為了保證地鐵工程施工質(zhì)量，中國的學(xué)者們必須對盾構(gòu)法施工技術(shù)進行深入研究，對主要施工技術(shù)要點進行重點控制，不斷提高其施工技術(shù)，總結(jié)經(jīng)驗，這樣才能充分發(fā)揮盾構(gòu)法的優(yōu)勢，不斷克服自身的缺點和不足。