城市轨道交通盾构掘进技术研究

冯成楠   杜增辉

中国水利水电第十一工程局有限公司   河南省郑州市  450000

摘要：盾构法是一种常用于地下隧道施工的施工方法，使用盾构掘进施工技术进行地下开挖，不仅可以穿过地面建筑，还可以通过低矮的建筑，在电力通信、市政建设和地铁建设方面发挥了很好的作用。本文以盾构掘进技术为研究方向，分析了盾构掘进施工原理与特点，重点阐述关键工序步骤的技术操作要点，归纳总结技术实践应用期间暴露出的问题，提出改进措施。旨在稳步提升盾构掘进施工水平，实现标准化施工目标，为现场施工作业提供明确技术指导。

关键词：城市轨道交通；盾构掘进；施工技术；改进措施

引言：在现代城市轨道交通工程，盾构掘进技术得到广泛应用，逐渐取代了明挖法等传统工艺，这有利于控制建设质量、保护当地生态环境与缩短工期时间，综合应用表现十分优异。与此同时，盾构掘进技术难度大，在施工过程中，要根据不同土层作业要求配置掘进参数，根据土层特点进行施工安全控制，根据土层结构变化转换作业模式，保证掘进作业质量。

1盾构掘进技术概述

1.1施工原理

盾构掘进技术以盾构机作为核心设备，作为一款直径超出轨道直径的钢管机，有效抵抗地下水土压力，工程现场施作盾构井，在井内把盾构机拼装就位，配备千斤顶等设备，启动盾构机持续向前掘进，利用皮带机与渣土车向外运输开挖土料，并在盾构机内部拼装预制混凝土管片形成隧道衬砌结构。盾构掘进施工过程由掘进、注浆、盾尾脱出、浆液凝固四个阶段组成，掘进阶段操纵盾构机刀盘持续挖掘前方土体与同步移动盾构机位置，注浆阶段是在管片拼装就位后向间隙内部注入泥浆，盾尾脱出阶段是在拆除盾尾后继续开展注浆作业来填补过切间隙，浆液凝固阶段则是缓慢向前推进盾构机与降低注浆压力，静置一段时间等待注浆材料与周围土体固结成型[1]。

1.2施工特点

相比于明挖法等传统工艺，在城市轨道交通工程，盾构掘进技术有着不干扰周边环境、适用条件严格、施工劳动强度低的特点，必须根据工程情况来慎重应用此项技术。第一，不干扰周边环境。盾构机在地下空间开展施工作业，仅需在始发端、接收端修建工作井，剩余所有区间段在地下完成施工活动，现场施工期间不会干扰地面交通，也不会给周边环境造成大气污染、光污染、噪音污染。第二，适用条件严格。盾构掘进技术主要用于具备均质地质条件、地下设施埋深超过10m、连续施工长度超过300m的城市轨道交通工程，如果不满足上述条件，则会对施工作业安全、施工经济效益造成明显影响。第三，施工劳动强度低。盾构掘进属于一项自动化技术，施工人员仅需把机器设备部署就位、全程监控施工情况，由盾构机与辅助装置替代人工完成推进、出土、管片拼装等作业，这有利于减轻工作负担与缩减施工团队规模[2]。

2城市轨道交通盾构掘进施工流程与工艺要点

2.1盾构始发

在盾构始发环节，明确掌握端头加固、托架安装、导轨安装、盾构机组装、洞门破除五道步骤的工艺要点。

第一，端头加固。以保证盾构机进出洞期间端头结构稳固状态为目的，根据岩土勘察报告来判断是否具备开展端头加固作业的必要性。必要情况下，在端头周边设置单排或是多排混凝土灌注桩，桩身强度等级不低于C20，把混凝土自由倾落高度控制在2.0m以内，按照结构特点来确定浇筑高度，分层分段连续完成浇筑作业，养护一段时间等待桩身彻底固结成型。第二，托架安装。以始发井底板上部作为安装位置，着手安装具备定位功能与支撑功能的始发托架，提前在现场地面把托架结构拼装成型，利用吊车把托架整体起吊安装在始发井内部，或是分节吊装与拼装连接托架结构。同时，施工人员参照图纸在底板表面弹放托架中心线，要求托架中心线和线路设计中心线完全重合，使用钢板把托架上抬0.2m高度起到找平作用，避免出现盾构机栽头现象、无法顺利驶入导轨。第三，导轨安装。提前制作导轨，检查导轨质量，一般情况下，导轨由钢轨、钢板与型钢制作加工形成。随后，参照施工图纸，在现场标记导轨轴线位置，在始发托架周边延伸铺设导轨，导轨底部额外铺设型钢起到固定支撑作用，核对确认导轨平顺度、位置偏差与标高偏差是否准确无误。如果盾构机在始发期间重心前移也不会发生栽头问题，可以取消导轨安装步骤。第四，盾构机组装。确定轨道铺设就位且无质量问题后，现场地面把台车拼装成型，按顺序把各个台车下入井内，停放在指定轨道上，并把全部管片车放入井内，管片车拉拽至台车前端，并在管片车上固定放置螺旋输送机。随后，把盾构机下放井内，拆除井口周边支架轨枕及轨道，依次把盾构前体、中体、刀盘吊、拼装机以及盾尾下井，井下把各部分拼装成完整的盾构机结构。最后，对盾构机开展调试检查作业，以空载调试、负载调试作为检查内容，根据调试检查报告来判断盾构机安装质量、工作性能是否满足工程建设要求。第五，洞门破除。根据刀盘外径和洞口止水装置尺寸来确定洞门破除范围，提前核对洞门中心线，施工人员使用风镐等工器具凿除洞门结构，按照从上到下顺序分层凿除洞门，同步观察土体状态，全部去除预留洞门轮廓线范围内洞门结构与围护结构钢筋。

2.2盾构掘进

盾构始发期间，开展试掘进作业，掘进距离控制在100m左右，根据试验情况来设置各项工艺参数，暂停掘进作业，井内换装设施与拆除负环管片，正式开展盾构掘进作业。在盾构掘进环节，重点掌握掘进方向控制、掘进姿态控制两方面的工艺要点。

第一，掘进方向控制。盾构机主控室内部署特种作业人员，负责根据实时施工数据来核对确认设计轴线偏差程度，如果实际掘进方向、设计轴线的偏差即将超出允许范围，则需要采取分区操作推进油缸等方式来修正盾构掘进方向，并根据现场情况来展开正确操作。例如，盾构机在上坡段开展掘进作业时，掘进线路高度略超过设计线路，上坡时增加下部油缸推力来提升速度，下坡时减少下部油缸推力来降低速度。盾构机在左转弯曲线段开展掘进作业时，在设计路线基础上，掘进路线向左侧偏出10-20mm高度，上坡时增加下部油缸推力，下坡时则减少下部油缸推力[3]。第二，掘进姿态控制。考虑到同步注浆过程中有可能出现管片上浮问题，要求施工人员动态调整盾构机掘进姿态，始终维持固定俯仰角，实际掘进姿态保持在设计轴线靠下位置，分多次开展纠偏作业，禁止因单次纠偏量超过而导致管片损坏、削弱盾尾密封性能，曲线段掘进期间还应在靠曲线内侧预留足够偏移量。同时，根据现场施工情况来切换油缸推进模式，具体采取主推、低压跟随两种推进模式，综合分析盾构机使用工况、线路条件与地层条件来确定。例如，盾构机在下坡段开展掘进作业时，酌情增加上部主推油缸数量与下部跟随油缸数量。盾构机在上坡段掘进期间，酌情减少上部主推油缸及下部跟随油缸数量。而当盾构机在曲线段掘进期间，根据曲线半径来确定铰接角度，利用辅助铰接油缸来调整伸长量。

2.3管片拼装

在管片拼装环节，提前根据工程情况来确定管片结构与管片规格尺寸要求，入场环节检查管片外观质量是否达标，退回规格有误、存在裂缝等质量缺陷的不合格管片。一般情况下，各衬砌环由6块管片组成，管片厚度在300mm左右，根据衬砌环外径与内径来确定管片幅宽，一半管片为标准块，2块管片为邻接块，1块管片为封顶块，在衬砌环环向与纵向设置多套弯螺栓来拼装形成管片结构。完成前期准备工作后，正式开展管片拼装作业，优先采取错缝拼装形式，这有利于强化防水性能与抗压性能，把合格管片运输至盾构机位置，清理盾壳表面回城污渍，把管片定位在首环正中间位置。启动管片拼装机，匀速把管片转运到盾壳尾部，操纵千斤顶交替开展作业，沿环状方向拼装、拧紧所拼装管片，直至整环管片顺利离开盾尾部位，重复上述操作，完成全部管片拼装任务。

2.4盾构到达接收

在盾构到达接收环节，确定地下水位处于安全范围且盾构机顺利抵达接收井前端后，着手破除洞门并安装接收托架，破除洞门时完全拆除轮廓线范围内的洞门结构，安装与始发托架构造完全相同的接收托架，托架中心轴线和接收井轴线保持重合状态，根据盾构姿态来调整轨面标高，额外设置工字钢来加固托架，避免托架移位。随后，设置H型钢来顶开油缸与管片，盾构机前移就位并拆除刀盘前挡板。最后，在接收井周边地面上部署履带式吊机，利用吊机把盾构机匀速、平稳起吊出井，检查盾构机质量状况，把盾构机拆解为若干零部件，即可完成盾构掘进施工活动。此外，如果在洞门破除期间出现大量土体塌落情况，立即停止施工，对塌落土体开展注浆封堵作业[4]。

3城市轨道交通盾构掘进技术的改进措施

3.1盾尾密封

在盾构掘进期间，由于盾构机尾部的尾刷、尾片保持摩擦状态，长时间摩擦过程中会损耗一部分油脂，致使注入用量、压力无法顺利封装盾片尾部，严重时还会出现渗漏问题。对此，在现场施工期间，必须对盾构机盾尾部分进行密封改造处理，首先，加强始发检查。在盾构机掘进前，仔细检查尾刷、盾片尾部等部位的油脂分布情况，务必做到油脂均匀分布、完全浸润尾刷钢丝中部，及时补刷油脂，确定无误后，方可启动盾构机开展作业。其次，维持盾尾油脂量。在施工期间定期检查盾片尾部封装情况，如果封装质量不合格，或是出现渗漏问题，施工人员立即补充油脂，以渗漏部位作为油脂补充位置。再次，控制壁后注浆。以预防窜浆问题发生为目的，根据现场施工情况来动态控制壁后注浆压力值，在盾尾密封严重破坏情况下，通过洞内加固来更换全新盾尾刷。此外，为避免在施工期间出现管片拼装变形、错位问题，要求施工人员重点控制掘进期间的形态，定期读取工艺参数，及时对管片变形、错位部位进行校正处理。

3.2渣土改良

对于采取土压平衡式盾构方式的城市轨道工程，利用压力舱把开挖泥土转变成塑性流动状态，但在现场分布漂卵石层等特殊地层时，由于土体摩擦角偏大，流动性增强期间存在一定困难，引发增加盾构千斤顶推力、降低开挖速度、无法彻底止水等一系列问题出现。对此，需要额外采取渣土改良技术，选用矿物类、高吸水性树脂类等种类的渣土改良剂，根据现场情况来确定渣土改良剂配合比方案，盾构掘进期间注入适量改良剂。根据实际情况来看，对渣土改良技术的落地应用，有助于改善掌子面渣土质量、提升总推力水平、显著回落掌子面渣土内摩擦角、减轻刀盘磨损程度。一般情况下，使用泡沫剂或是膨润土泥浆作为渣土改良剂。选用泡沫剂时，使用90%-95%压缩空气与5%-10%泡沫溶液混合制成泡沫添加剂，泡沫与水用量分别控制在3%和97%，按照开挖方量及渣土情况来确定泡沫注入量，每环平均注入量在300-600L/m

3不等。选用膨润土泥浆时，以水、膨润土、粉煤灰与添加剂为原材料，用量比例控制在4:1:1:0.1，要求膨润土泥浆注入压力略超过盾构机土仓压力[5]。

3.3质量通病处理

现场施工受到工艺操作、现场复杂环境等因素影响，施工期间容易出现各类质量问题，导致隧道成型效果不可控。因此，要提前收集同类工程施工案例，准确掌握各类典型质量通病的形成原因，采取正确处理措施，避免质量隐患形成。例如，在管片拼装环节，常见质量通病包括喇叭口、张角、超前。

第一，喇叭口。表现为轴线环向相邻管片出现张口情况，开口位在前端时为顺喇叭口，开口位在后端时为倒喇叭口，形成原因在于管片拼装定位有误、管片中间部位掉入杂物。对于此项问题，施工人员在开口后侧高起位置额外粘贴橡木胶条来处理顺喇叭口，以及在开口缘部位两侧区域粘贴橡木胶条来处理倒喇叭口。第二，张角。隧道垂直轴线方向上相邻同环管片出现张口情况，朝向隧道内部开口时被称为内张角，朝向隧道外侧开口时被称为外张角，形成原因在于管片拼装期间掉入异物，致使衬砌结构防渗性能被削弱。出现张角问题后，施工人员需要在张口反向位置额外粘贴软木胶垫，并在管片拼装环节保证定位精度，及时清除中间部位掉入异物。第三，超前。环面拼装完毕后，沿轴线垂直方向设置垂球，观察垂球和环面下端管片是否相互接触，如果二者未接触，表明管片拼装结构尺寸位置有误，会给盾构机造成限制、提高推进难度，形成原因在于盾构机爬坡与下坡期间过多使用底边镐与上边镐，致使上下部松弛而出现前突情况。施工人员测量超前距离，超前距离不足20mm时，在超后一边粘贴胶条；超前距离大于20mm时，必须对曲线管片采取专项纠偏措施。

3.4管线沉降控制

城市轨道交通工程主要分布在构筑物密集的城市区域，在盾构掘进施工期间，多次穿越地下管线，包括市政给排水管线、输电线缆、燃气管道，有可能出现施工扰动现象，致使地下管线沉降、破损。对此，必须同步做好管线沉降控制工作，提前收集相关资料信息，确定设计路线沿途各类地下管线的种类、位置与埋深值，在其基础上调整设计路线，尽量避开沿途地下管线，确定土仓压力、出土量等盾构掘进参数的最佳值，在适当推进力状态下控制盾构机匀速通过，把施工活动给周边地下管线造成的影响控制在最低程度。最后，采取同步注浆、优化浆液配合比方案等技术措施，尽可量缩短衬砌脱出盾尾暴露时间，避免因暴露时间过长而引发地层变形、周边管线沉降问题。

结语：综上所述，盾构掘进技术给城市轨道交通工程注入全新发展活力，工程综合效益与建设质量得到大幅提升。施工单位必须加强对盾构掘进技术的应用力度，掌握准确的施工工艺，根据工程情况科学制定施工技术方案，积极落实合理的改进措施，稳步提升盾构掘进施工水平，顺利建成高品质城市轨道交通工程。

参考文献：

[1]阮春利（Nguyen Xuan Loi）. 地铁隧道EPB盾构施工关键技术及其在工程中的应用[D].中国地质大学,2022.

[2]耿逸哲. 地铁盾构施工洞内不停机加固技术研究[D].郑州大学,2022.

[3]吴青华. 基于成都富水漂卵石地层盾构施工关键技术研究与应用[D].西安理工大学,2021.

[4]曹亚莉,侯夏杰,吴艳丽等.城市轨道交通盾构掘进施工技术的研究[J].四川水泥,2023(01):214-216.

[5]孙福双.城市轨道交通盾构法隧道施工技术分析[J].工程技术研究,2021,6(12):98-99.