張德君

（中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶400037）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)的隧道建設(shè)項(xiàng)目工程大力開(kāi)展，既存在于南水北調(diào)、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(kāi)發(fā)拓建項(xiàng)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(gòu)施工技術(shù)比較符合隧道建設(shè)施工環(huán)境，目前廣泛應(yīng)用于隧道施工中，是一種有很大發(fā)展空間的隧道施工技術(shù)。

2 盾構(gòu)技術(shù)概述

2.1 盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展階段

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

2.2 盾構(gòu)施工技術(shù)的工作原理

盾構(gòu)施工技術(shù)在施工過(guò)程中，通過(guò)旋轉(zhuǎn)推動(dòng)刀盤(pán)，擊碎障礙物，使隧道一次成型，這種施工手段，就是盾構(gòu)施工法。目前，這種施工技術(shù)具有簡(jiǎn)潔高效，并且安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，但是在刀具的使用、工程預(yù)測(cè)和施工技術(shù)方面也會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)誤。隧道工程的建設(shè)往往涉及大量資金的投入，較長(zhǎng)的建設(shè)周期及諸多相關(guān)工作，因此，選擇一條或多條備選方案尤為重要。

2.3 盾構(gòu)施工技術(shù)的工作條件

盾構(gòu)法施工技術(shù)，通常應(yīng)用于隧道和地下線路的建設(shè)。一般處于在深處的松軟含水地層工作?？碧浇ㄔO(shè)的目標(biāo)地點(diǎn)，需要有足夠的縱深，覆土深度要大于6m，并且大于盾構(gòu)直徑。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，施工長(zhǎng)度一般會(huì)有所規(guī)定，一次連續(xù)的施工作業(yè)不會(huì)小于300m[4]。

基于土力學(xué)原理，當(dāng)達(dá)到土壓平衡時(shí)，有：

式中，PC為土倉(cāng)內(nèi)壓力；P0為土壓力；PW為水壓力。

2.4 土壓力的計(jì)算

土壓力主要分為靜止土壓力和主動(dòng)土壓力。

由于土體沒(méi)有側(cè)向移動(dòng)，所以按照半無(wú)限體水平向自重應(yīng)力的計(jì)算，靜止土壓力：

式中，K0為側(cè)壓力系數(shù)或靜止土壓力系數(shù)；酌為土的重度，kN/m3，水土分離時(shí)后按浮重度計(jì)算；z為計(jì)算深度，m。

當(dāng)?shù)孛嬗谐d的時(shí)候：

式中，q為地面超載。

2.5 水壓力的計(jì)算：

水壓力的計(jì)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(gòu)頂推力的計(jì)算

頂推力提夠盾構(gòu)向前掘進(jìn)的動(dòng)力，是盾構(gòu)機(jī)的重要參數(shù)之一。支撐在支承環(huán)片上的盾構(gòu)機(jī)千斤頂需克服盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)的各種阻力，主要包括正面推進(jìn)阻、側(cè)壁摩阻力、切口環(huán)的貫入阻力、盾殼和管片之間的摩阻力、后方臺(tái)車的牽阻力及盾構(gòu)姿態(tài)變化（曲線轉(zhuǎn)向、抬頭和叩頭推進(jìn)）等產(chǎn)生的變向阻力等。計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)1為正面推進(jìn)阻力，kN；F2為盾構(gòu)側(cè)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(gòu)機(jī)切口環(huán)的貫入阻力，kN；F5為變向阻力，kN；F6為后接臺(tái)車的牽引阻力，kN。

3 盾構(gòu)技術(shù)施工形式

3.1 土壓平衡式盾構(gòu)

采用土壓平衡式盾構(gòu)進(jìn)行作業(yè)因?yàn)榈刭|(zhì)的原因存在著一些局限性。在沙土、礫石地質(zhì)中，由于摩擦面積較大，土質(zhì)疏松，只通過(guò)密封土倉(cāng)和螺旋輸送機(jī)不能有效地使土壓達(dá)到平衡，機(jī)組作業(yè)的穩(wěn)定性不能保障。另外，沙土、礫石的地質(zhì)中，地下水水路相對(duì)密集，不易施工。

3.2 盾構(gòu)法隧道

盾構(gòu)法歸類于暗挖施工，作業(yè)時(shí)，一方面保持土質(zhì)穩(wěn)定，不發(fā)生塌方塌陷，另一方面，同時(shí)進(jìn)行壁后作業(yè)。盾構(gòu)的盾籠統(tǒng)的指刀盤(pán)、密封倉(cāng)和維持穩(wěn)定周圍地質(zhì)的“殼”?！皹?gòu)”是指構(gòu)成隧道襯砌的管片和壁后注漿體。盾構(gòu)法常見(jiàn)于巖石地質(zhì)的隧道工程，由于地質(zhì)和巖體的性質(zhì)不同，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，盾構(gòu)法的作業(yè)對(duì)地質(zhì)周圍的干擾較小，可以有效減少地質(zhì)變型，施工效率更穩(wěn)定。

3.2.1 盾構(gòu)法施工的主要步驟

盾構(gòu)法作業(yè)，在施工前要做好準(zhǔn)備工作。隧道的起點(diǎn)和終端都要建設(shè)一個(gè)工作井，一個(gè)作為始發(fā)工作井，一個(gè)用做到達(dá)工作井。首先，建造起點(diǎn)工作井中的盾構(gòu)設(shè)施，然后在拼裝好管片環(huán)，安置在始發(fā)井后壁，妥善利用千斤頂產(chǎn)生的頂推力，使盾構(gòu)設(shè)施從起點(diǎn)端開(kāi)始工作向終端推進(jìn)。

3.2.2 盾構(gòu)法施工的優(yōu)點(diǎn)

盾構(gòu)法進(jìn)行施工時(shí)，對(duì)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(jié)、天氣）也不會(huì)耽誤工作效率，同時(shí)安全性更高。通過(guò)自動(dòng)化的覆蓋，盾構(gòu)施工時(shí)切削、運(yùn)土、砌拼管片時(shí)更方便，施工過(guò)程更簡(jiǎn)練，避免了多余的人工勞動(dòng)，提升了施工作業(yè)效率。

4 隧道建設(shè)中盾構(gòu)法存在的問(wèn)題

4.1 地表沉降問(wèn)題

盾構(gòu)設(shè)施在隧道施工中，引起地面沉降的主要因素是盾構(gòu)隧道與新地表不斷接近，所以經(jīng)常看到橫向沉降槽。此外，側(cè)向槽受地層次固結(jié)和縱向沉降位移曲線的疊加影響，與Peck曲線有相似的發(fā)展趨勢(shì)。地鐵隧道的施工過(guò)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(shí)隧道周圍的地下管線也會(huì)對(duì)地表沉降產(chǎn)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(lái)水管線。另外，這些地下管線還造成了隧道施工環(huán)境水平面的分布屏蔽，隧道橫截面沉降曲線分布呈正態(tài)分布。

4.2 地層損失問(wèn)題

盾構(gòu)施工帶來(lái)的地表位移主要由盾構(gòu)前方的地表位移、盾構(gòu)施工穿越時(shí)的地表位移和盾構(gòu)離場(chǎng)后土壤壓實(shí)產(chǎn)生的位移3 部分組成。與之相比，盾構(gòu)機(jī)前方地表位移的可能性較小，而盾構(gòu)機(jī)挖掘結(jié)束后的土體固結(jié)持續(xù)數(shù)月才能確定，因此，盾構(gòu)機(jī)施工時(shí)，會(huì)導(dǎo)致地表產(chǎn)生較大的位移，因而造成地層損失，同時(shí)影響到施工進(jìn)度。

4.3 土體位移問(wèn)題

引起土體位移的原因主要有3 個(gè)：（1）盾構(gòu)前方土體的位移，但這種位移的可能性相對(duì)較小，主要是盾構(gòu)機(jī)施工前方的土體壓力與靜止土壓力基本相同；（2）盾構(gòu)過(guò)程中土體的位移，因?yàn)槎軜?gòu)機(jī)通過(guò)地面時(shí)，其盾構(gòu)、機(jī)尾間存在一定的間隙，通常會(huì)導(dǎo)致地面產(chǎn)生較大的位移；（3）盾構(gòu)后的土體固結(jié)[5]。

5 隧道盾構(gòu)施工技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)展望

5.1 優(yōu)化開(kāi)挖技術(shù)

為了提高地下盾構(gòu)施工的效率，有必要完善開(kāi)挖技術(shù)體系。保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高測(cè)量精度。在隧道工程施工中，隧道始終處于連續(xù)開(kāi)挖的施工狀態(tài)。通過(guò)采用人工檢測(cè)、測(cè)量等方法不具備的技術(shù)優(yōu)勢(shì)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)隧道施工過(guò)程中的隧道結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行動(dòng)態(tài)了解。在一些地質(zhì)條件較差的地區(qū)，土壓力平衡將導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。通過(guò)改善和挖掘策略變化，在壓力下保護(hù)工作面，以防止地面減少坍塌。

5.2 優(yōu)化支護(hù)技術(shù)

在開(kāi)挖的同時(shí)，第一個(gè)支架采用人工操作，采用復(fù)合涂層法，與噴射混凝土、鋼弧形支架等結(jié)合部位，形成盾構(gòu)支護(hù)結(jié)構(gòu)，在此期間，初期支護(hù)應(yīng)為柔性支護(hù)體的支護(hù)，應(yīng)考慮潛在的不確定隱患，其位移幅度必須在允許值內(nèi)。利用臺(tái)車、現(xiàn)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(gòu)作用，其下方可在保護(hù)層的保護(hù)下進(jìn)行開(kāi)挖和填蓋，有效地保證了混凝土的密實(shí)度，提高支架的機(jī)械化覆蓋和可操作性。

5.3 優(yōu)化防水技術(shù)

在隧道施工中，利用盾構(gòu)機(jī)對(duì)工作面施加壓力，達(dá)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(gòu)具有良好的抗?jié)B性能，使用這種盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧道施工可以避免地下水的滲入。對(duì)管片本身進(jìn)行浸漬，然后通過(guò)管片外部防水涂料、管片接縫浸漬、接縫、二次進(jìn)料等浸漬措施保證后續(xù)的施工作業(yè)。采用注漿技術(shù)，可以滿足水密封的要求。

5.4 優(yōu)化地下管線保護(hù)技術(shù)

地表沉降的有效控制可以保護(hù)地表建筑物和地下管線，包括更新盾構(gòu)支架、改進(jìn)盾構(gòu)支架系統(tǒng)。根據(jù)技術(shù)實(shí)踐靈活地進(jìn)行地表壓力的控制、和工作面的選擇，做好地層荷載監(jiān)測(cè)工作，實(shí)現(xiàn)地表沉降值的有效控制，優(yōu)化壁后土塊處理方案，有效解決注漿壓力問(wèn)題，提高掘進(jìn)性能和工程進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管線和地表建筑物的有效防護(hù)。

6 結(jié)語(yǔ)

盾構(gòu)法以其諸多優(yōu)點(diǎn)在隧道施工工程中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。盾構(gòu)法隧道施工具有安全，自動(dòng)化程度高，施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，但盾構(gòu)法在隧道施工時(shí)不可避免地會(huì)對(duì)周圍環(huán)境（地表土質(zhì)、地面建筑、地下水道、周圍土質(zhì)）造成影響。相信未來(lái)通過(guò)優(yōu)化地下管線保護(hù)技術(shù)、防水技術(shù)、支護(hù)技術(shù)、開(kāi)挖技術(shù)后，盾構(gòu)施工在隧道工程中會(huì)更加可靠。