隧道盾構施工技術發展趨勢和應用研究

張德君

（中鐵十一局集團第五工程有限公司，重慶400037）

1 引言

隨著科學技術的不斷發展，我國的隧道建設項目工程大力開展，既存在于南水北調、西氣東輸、西電東送、青藏鐵路這樣的大工程，也包含在地鐵橋梁隧道等城市開發拓建項目之中。隧道施工與地面施工有著很大的差別，因而要因地制宜，采取不同的施工措施。盾構施工技術比較符合隧道建設施工環境，目前廣泛應用于隧道施工中，是一種有很大發展空間的隧道施工技術。

2 盾構技術概述

2.1 盾構技術發展階段

盾構技術的發展大致可以分為4 個階段，分別為以Brunel 為代表的初期盾構；以機械式、氣壓式、TBN 為代表的第二代盾構；以閉胸式（泥水式、土壓式）為代表的第三代盾構和以安全、高速、大深度及多樣化為特點的第四代盾構。我國的盾構施工技術起步較晚，1950 年，遼寧阜新煤礦第一次應用了（手掘式）盾構技術施工[1～3]。

2.2 盾構施工技術的工作原理

盾構施工技術在施工過程中，通過旋轉推動刀盤，擊碎障礙物，使隧道一次成型，這種施工手段，就是盾構施工法。目前，這種施工技術具有簡潔高效，并且安全可靠的優點，但是在刀具的使用、工程預測和施工技術方面也會經常出現錯誤。隧道工程的建設往往涉及大量資金的投入，較長的建設周期及諸多相關工作，因此，選擇一條或多條備選方案尤為重要。

2.3 盾構施工技術的工作條件

盾構法施工技術，通常應用于隧道和地下線路的建設。一般處于在深處的松軟含水地層工作?？碧浇ㄔO的目標地點，需要有足夠的縱深，覆土深度要大于6m，并且大于盾構直徑。從經濟角度出發，施工長度一般會有所規定，一次連續的施工作業不會小于300m[4]。

基于土力學原理，當達到土壓平衡時，有：

式中，PC為土倉內壓力；P0為土壓力；PW為水壓力。

2.4 土壓力的計算

土壓力主要分為靜止土壓力和主動土壓力。

由于土體沒有側向移動，所以按照半無限體水平向自重應力的計算，靜止土壓力：

式中，K0為側壓力系數或靜止土壓力系數；酌為土的重度，kN/m3，水土分離時后按浮重度計算；z為計算深度，m。

當地面有超載的時候：

式中，q為地面超載。

2.5 水壓力的計算：

水壓力的計算一般采用的公式如下：式中，酌W 為水的重度，kN/m3。

2.6 盾構頂推力的計算

頂推力提夠盾構向前掘進的動力，是盾構機的重要參數之一。支撐在支承環片上的盾構機千斤頂需克服盾構機向前推進的各種阻力，主要包括正面推進阻、側壁摩阻力、切口環的貫入阻力、盾殼和管片之間的摩阻力、后方臺車的牽阻力及盾構姿態變化（曲線轉向、抬頭和叩頭推進）等產生的變向阻力等。計算公式如下：

式中，F1為正面推進阻力，kN；F2為盾構側壁與周圍地層的摩阻力，kN；F3為盾殼與管片間的摩阻力，kN；F4為盾構機切口環的貫入阻力，kN；F5為變向阻力，kN；F6為后接臺車的牽引阻力，kN。

3 盾構技術施工形式

3.1 土壓平衡式盾構

采用土壓平衡式盾構進行作業因為地質的原因存在著一些局限性。在沙土、礫石地質中，由于摩擦面積較大，土質疏松，只通過密封土倉和螺旋輸送機不能有效地使土壓達到平衡，機組作業的穩定性不能保障。另外，沙土、礫石的地質中，地下水水路相對密集，不易施工。

3.2 盾構法隧道

盾構法歸類于暗挖施工，作業時，一方面保持土質穩定，不發生塌方塌陷，另一方面，同時進行壁后作業。盾構的盾籠統的指刀盤、密封倉和維持穩定周圍地質的“殼”?！皹嫛笔侵笜嫵伤淼酪r砌的管片和壁后注漿體。盾構法常見于巖石地質的隧道工程，由于地質和巖體的性質不同，結構不穩定，盾構法的作業對地質周圍的干擾較小，可以有效減少地質變型，施工效率更穩定。

3.2.1 盾構法施工的主要步驟

盾構法作業，在施工前要做好準備工作。隧道的起點和終端都要建設一個工作井，一個作為始發工作井，一個用做到達工作井。首先，建造起點工作井中的盾構設施，然后在拼裝好管片環，安置在始發井后壁，妥善利用千斤頂產生的頂推力，使盾構設施從起點端開始工作向終端推進。

3.2.2 盾構法施工的優點

盾構法進行施工時，對外界的影響較小，可以有效地保障地面及周圍的建筑不受傷害，受到外界的干擾（河流、季節、天氣）也不會耽誤工作效率，同時安全性更高。通過自動化的覆蓋，盾構施工時切削、運土、砌拼管片時更方便，施工過程更簡練，避免了多余的人工勞動，提升了施工作業效率。

4 隧道建設中盾構法存在的問題

4.1 地表沉降問題

盾構設施在隧道施工中，引起地面沉降的主要因素是盾構隧道與新地表不斷接近，所以經?？吹綑M向沉降槽。此外，側向槽受地層次固結和縱向沉降位移曲線的疊加影響，與Peck曲線有相似的發展趨勢。地鐵隧道的施工過程受到地表沉降的變化有較大的影響，如頂荷載的增加、隧道凈距和埋深的減小、圍巖條件的惡化等，同時隧道周圍的地下管線也會對地表沉降產生較大的影響。比如，地下管線主要是污水管線、煤氣管線和自來水管線。另外，這些地下管線還造成了隧道施工環境水平面的分布屏蔽，隧道橫截面沉降曲線分布呈正態分布。

4.2 地層損失問題

盾構施工帶來的地表位移主要由盾構前方的地表位移、盾構施工穿越時的地表位移和盾構離場后土壤壓實產生的位移3 部分組成。與之相比，盾構機前方地表位移的可能性較小，而盾構機挖掘結束后的土體固結持續數月才能確定，因此，盾構機施工時，會導致地表產生較大的位移，因而造成地層損失，同時影響到施工進度。

4.3 土體位移問題

引起土體位移的原因主要有3 個：（1）盾構前方土體的位移，但這種位移的可能性相對較小，主要是盾構機施工前方的土體壓力與靜止土壓力基本相同；（2）盾構過程中土體的位移，因為盾構機通過地面時，其盾構、機尾間存在一定的間隙，通常會導致地面產生較大的位移；（3）盾構后的土體固結[5]。

5 隧道盾構施工技術發展趨勢展望

5.1 優化開挖技術

為了提高地下盾構施工的效率，有必要完善開挖技術體系。保證測量結果的準確性，提高測量精度。在隧道工程施工中，隧道始終處于連續開挖的施工狀態。通過采用人工檢測、測量等方法不具備的技術優勢的自動監測系統，可以對隧道施工過程中的隧道結構變形進行動態了解。在一些地質條件較差的地區，土壓力平衡將導致隧道結構發生變化。通過改善和挖掘策略變化，在壓力下保護工作面，以防止地面減少坍塌。

5.2 優化支護技術

在開挖的同時，第一個支架采用人工操作，采用復合涂層法，與噴射混凝土、鋼弧形支架等結合部位，形成盾構支護結構，在此期間，初期支護應為柔性支護體的支護，應考慮潛在的不確定隱患，其位移幅度必須在允許值內。利用臺車、現澆混凝土和第一支架共同起到承載地下隧道永久荷載的盾構作用，其下方可在保護層的保護下進行開挖和填蓋，有效地保證了混凝土的密實度，提高支架的機械化覆蓋和可操作性。

5.3 優化防水技術

在隧道施工中，利用盾構機對工作面施加壓力，達到水壓和土壓力的平衡，可以有效地控制土層中的水分，避免水分滲入隧道。鋼刷式盾構具有良好的抗滲性能，使用這種盾構機進行隧道施工可以避免地下水的滲入。對管片本身進行浸漬，然后通過管片外部防水涂料、管片接縫浸漬、接縫、二次進料等浸漬措施保證后續的施工作業。采用注漿技術，可以滿足水密封的要求。

5.4 優化地下管線保護技術

地表沉降的有效控制可以保護地表建筑物和地下管線，包括更新盾構支架、改進盾構支架系統。根據技術實踐靈活地進行地表壓力的控制、和工作面的選擇，做好地層荷載監測工作，實現地表沉降值的有效控制，優化壁后土塊處理方案，有效解決注漿壓力問題，提高掘進性能和工程進度，實現對地下管線和地表建筑物的有效防護。

6 結語

盾構法以其諸多優點在隧道施工工程中得到越來越多的應用。盾構法隧道施工具有安全，自動化程度高，施工速度快等優點，但盾構法在隧道施工時不可避免地會對周圍環境（地表土質、地面建筑、地下水道、周圍土質）造成影響。相信未來通過優化地下管線保護技術、防水技術、支護技術、開挖技術后，盾構施工在隧道工程中會更加可靠。