地铁工程土压平衡式盾构施工技术要点分析

曹吕兵

摘 要：地铁工程是现代城市轨道交通的一项重要工作，目前国内的地铁项目采用的是土压平衡式盾构法，它对地面的影响很小，可以确保高质量的施工，因而得到了众多的地铁项目业主的青睐。为了确保隧道施工中能更好地使用土压平衡式盾构法，文章就土压平衡式盾构法在地鐵工程中的应用重点进行了探讨。

关键词：地铁工程;城市轨道;土压平衡式盾构;探讨

引言：随着我国经济的高速发展，国家对于轨道交通建设的重视程度也日益提高，大力支持大中型城市建设自己的地铁项目，既能缓解地面交通的压力，又能让人民的出行更加便捷，从而提高人民的生活质量。尽管目前的轨道交通项目能够为市民的日常生活带来很大的方便，但由于其施工工艺的特殊性，对施工单位的技术要求也很高，目前最常用的就是土压平衡盾构法，它能很好的应付各种复杂、不利的地质环境，保证了地铁项目的质量。在采用土压平衡式盾构法时，应注意保持土仓压力与开挖面土压的平衡性。同时，采用土压平衡式盾构施工技术，其主要采用的是将土沙直接储存密闭的土仓内，然后通过螺旋运输机将其运输到后面。因此，在实际工程中，必须对刀盘、螺旋机、掘进速度进行适当的调整，才能更好地控制切割的土壤和出土量。

1.土压平衡式盾构施工技术概述

盾构法是当前大部分地铁项目中应用的一种技术，它不但能有效地提高施工效率，而且能保证施工过程中不存在任何安全隐患，从而保证施工人员在良好的工作条件下进行工作。由于盾构的构造比较复杂，在实际工程中，需要各种不同的机械设备协同工作，其中最关键的是挖掘和衬砌管片，只要达到了施工的要求，就可以任意组合、组装、布置。采用土压平衡式盾构法进行隧道施工时，必须保证土体的压力与开挖面的土压均衡。在此项技术中，采用了一把旋转的大刀盘进行切削，将泥土中的沙子储存在密闭的容器中，然后通过螺旋运输机将泥土运送到盾构机的后面。在特定的掘进过程中，为了保证土压均衡，可以合理调整刀盘、螺旋机和掘进的转速，从而达到控制切削土量和出土量的目的。在实际工程中，它的优势在于：（1）土压平衡式盾构施工是机械化的，工人只需操纵机械即可完成，节约了人力、物力、财力，提高了工程的效率和质量。（2）土压平衡式盾构法施工时的振动、噪声低，对周边建筑物或构筑物的安全无影响，且施工技术相对成熟。（3）土压平衡盾构既能完成跨界，又保证了土体压力的均衡，是其他工程技术无法比拟的。

2.将盾构施工技术应用于地铁工程中的重要性

在地铁建设中，大部分都是在地下进行的，采用这种方式既能降低地面的占用，又能有效地缓解当前的交通压力。然而，由于地下工程的环境变化和复杂，在工程建设中往往会遇到各种各样的危险问题。例如，在地铁建设中，会给周围的建筑（构筑物）基础带来很大的影响，而且地下管道数量众多，因此，在施工中存在一定的安全风险。在工程建设中，若发生安全、质量问题，不但给周围的建筑、构筑物带来危险，而且可能危及到居民的生命财产安全，并造成严重的社会影响。因此，在隧道施工中，必须确保隧道开挖时的土压力均衡，这是由于隧道开挖时会造成土压力和水压力的损失，必须采用有效的控制措施，确保隧道施工的安全、有序、质量可控。而对其进行深入的探讨，将有助于推动该项目的建设，并对整个地铁项目的建设具有十分重要的意义。

3.土压平衡式盾构的原理和特点

3.1原理

在土压平衡式盾构的过程中，刀片切割后的渣土会被输送到土仓的内部，经过搅拌和加工，变成流塑状态，盾构中发动机产生的推动力通过隔板、土仓中的渣土和单板传递到设备前端的工作台上，这样可以确保土压和地下水的压力达到一个平衡，同时工作面也会一直保持稳定，再由螺旋桨进入到土仓中进行排出。土压平衡盾构机二维图如图一所示。

3.2技术特点

土压平衡式盾构是利用机械对切割后的残渣进行改良，使其形成流塑型，能确保土仓压力满足要求，同时对挖掘结构进行支护。这个过程是在瞬时的动态条件下进行的，一方面可以利用刀盘进行切割加工，另一方面可以使螺旋机持续排渣，螺旋机在出渣和保压的动态阶段，利用叶片的结构可以保证保压压力在一定的范围之内，特别是在施工过程中，当水压达到一定程度时，渣土很快就会被冲淡，从而造成压力急剧降低，当土压增加时，刀盘的搅拌阻力也会随之增大，超过了本体传动机构的转矩，就会造成堵塞。所以，尽管土压盾构具有显著的优越性，但在河流湖泊等环境下，应避免使用，以免造成不良影响。

3.3土压平衡式盾构施工技术的适用范围分析

土压平衡式盾构法是一种特殊的盾构技术，它在地下工程中的应用是非常理想的，它适合于软弱冲击土层，同时，还可以通过改变地层的土质，使之符合盾构施工技术的要求，从而在砾石层和砂土层中使用。土压平衡式盾构技术常用于软弱冲击土层的开挖，在砂砾层和砂层中添加适量的粘土，也能充分发挥其优越性。在强风化、中风化、微风化、软硬性不均匀的情况下，必须进行钻具的更换，并对有关工艺参数及结构进行相应的调整。另外，在高水压条件下，螺杆式运输机很难实现正常的压力递减，并容易造成渣土的喷射。在大深度、高含水区及粉质土壤中，容易出现泥饼，采用土压平衡盾构技术难以控制舱内压力。

4.土压平衡式盾构施工技术的注意内容

盾构施工是一个系统性很强的工程，难免会出现一些危险问题。同时，明挖式基坑围护结构的稳定也是影响其稳定的重要因素。在进行盾构工程前，必须先找出可能存在的障碍，并采取相应的措施加以解决。在常规施工条件下，采用土压平衡盾构法的施工技术需要合理选择设备和采用端部加固技术。合理选择盾构是确保盾构工程顺利进行的关键。首先，根据开挖的大小，计算出截面的大小。其次，要依据工程的地质情况，合理确定其开挖的作用，以确保工程的安全、可靠。在此基础上，对盾构的施工工艺参数进行了合理的计算，确保其工作性能达到设计要求。对于某些自稳性差、渗水性较差的土体，需要进行端部加固技术，计算出加固后的土体强度，并进行严密的检测，以保证始发的安全。

5.土压平衡式盾构施工技术的技术要点

通过上文内容可知，土压平衡式盾构施工技术经常会被应用在一些复杂地质施工过程中，因此除了上文中提及的施工要点之外。在面对复杂地质条件下，施工技术要点也要引起重视，针对四种常见的复杂地质条件展开分析，分别为：砂质淤泥地质、球状风化地层条件、不均匀地质条件、断裂带地层条件。

首先是对砂质淤泥的地质情况，应注意：严格控制出土的出土量，保持仓内压力，防止工作面不稳定，防止地面严重塌陷。采用技术改进方法，既能减少水泥浆的凝胶期，又能保证工程质量。其次为球形风化地层，在进行这类地层时，要加强前期的勘察，制订合理的施工方案，并对异常进行监测，如有参数不正常，应及时停运。其次是非均匀地质条件下的施工技术要点：在这样的地层中，要确保前期数据的准确性，只有了解软岩层的分布及分布规律，才能更好地把握岩体的受力特征。另外，在不均匀的情况下，通过合理利用物料、设备进行施工，进行有效的控制。在此基础上，分析了断层岩层的构造特点，发现该岩层存在着大量的涌水、堵塞等问题，并对其机械的工作性能提出了更高的要求。所以，需要使用具有较好破岩性能的单刃滚刀，并适时地调节土仓的压力，确保土压的均衡，同时，还需要使用泥水、泡沫等材料，来解决井筒的堵塞和涌水问题。最后，要对地面沉降进行有效的监测，对工期的质量进行有效的控制，确保工程的稳定。

6.地铁工程中土压平衡式盾构施工技术的应用要点

6.1盾构机械设备的合理选型

在地铁工程中，为了更好的满足地铁工程的施工要求，必须对盾构进行合理的选择。但在具体选择时，要注意以下问题：一是要保证盾构掘进的隧道尺寸与盾构区间的设计截面尺寸相符。二是盾构掘进作用必须与区间隧道的地质情况相适应，以最大限度地降低地面塌陷，有效地保障了地铁施工的安全、可靠。三是在施工前要对盾构机的各种参量进行计算，并密切考虑到盾构段的地质情况。四是要确保盾构机的寿命，它的长度和轴承的寿命都要符合工程要求。同时，如果预算允许，也要优先选用寿命较长的机器。

6.2端头加固处理技术及各项安装工作

通常，从盾构开始到末端的岩层，其稳定性很差，主要是疏松的沙土和含水的粘土。因此，在不进行防渗加固的情况下，将导致洞口开挖后产生大量的土、水向工作面坍塌，对邻近建筑的安全构成了直接的威胁。但由于加固后的地基必须具有一定的自立性、防水性和强度，因此必须对起始处和抵达端的加固范围和强度进行验算，确保盾构的始发和抵达的安全。洞口防水密封装置的安装：盾构施工初期易造成洞口土壤侵蚀，采取封闭措施，可防止因侵蚀造成的地面塌陷，确保灌浆效果。洞口的防水封堵装置是由帘布橡胶板和管片密贴组成，使用时要小心将卷板压紧，以确保在灌浆压力下不发生倾覆。在盾尾没有安装密封件的情况下，应采用防水措施，在盾尾穿过孔洞后，及时采用盾尾式注浆管将管片周边的孔洞进行同步注浆，然后进行二次灌浆。始发架和反力架的安装：为避免盾构机进入土体后机头下沉，始发架的标高要比设计多3cm，根据盾构机的状态进行设置，始发架安装完毕后，将盾体吊至其上，然后安装反力架。

6.3盾构加固技术运用

根据工程实践，在盾构施工开始至结束时，由于地层的稳定性差，一般会存在大量渗水的疏松砂土、含水粘土等，如果不及时治理，在开挖后会发生地基或地下水沉降，影响建筑的安全。因此，在端头补强时，必须保证端头的自立性、防水性、强度等指标符合规范的要求，为整体的安全性和可靠性提供了良好的依据。在地铁建设项目地质条件较差时，可以采取必要的加固措施，防止隧道施工中出现的沉陷、塌方等问题。在施工过程中，应根据加固施工要求、目标、土体的性质和类型、土体深度等因素，选用合适的加固方法，但必须保证土体的强度符合要求，使其具有一定的自立和防水能力，并按技术方案要求进行土体强度加固的计算、验证与分析，并做好端部加固施工和土体采样，以保证各构件的性能符合要求。

6.4盾构掘进技术运用

在盾構施工中，应正确选择盾构的初始掘进方法，主要有以下几种：第一，充分运用化学注浆、高压喷射注浆等技术，对开挖后的地表进行加固，并使开挖面的水压达到均衡，从而使盾构机可以直接进入到开挖面。二是采用挡墙确定开挖面，运用盾构机具进行开挖，以有效地预防开挖面塌方。这样一来，既可以将竖井变成两层，又可以在另一条竖井上挖出一条通道，从而避免被破坏。另外，在盾构施工中，水泥土墙是一种十分重要的施工方法。传统的盾构施工模式有三种：土压平衡式、敞开式和半开式。然而，由于隧道施工中岩体的不稳定特性，往往会产生大量的水流，因此必须采用土体压力均衡方式。这样，充分利用该模型来充填切割后的土壤，可以有效地确保土壤压力和土压和水压之间的平衡，有效地保障了工作面的稳定。特别是当工作面的岩体稳定性比较好时，可以采用开放的方式。但地铁施工围岩条件较差时，必须通过注入压缩空气来抑制隧道突水，从而从根本上预防隧道坍塌时采用半开放模式。为了使隧道工程的土压平衡式盾构施工技术达到最大，必须结合实际情况，选择合适的盾构施工方式。

6.4.1始发施工

在盾构始发时，起始底座要承担起盾构的旋转、横向和纵向推力所带来的力矩，所以在开始施工前，必须对始发底座的两端进行严密的紧固，以防止盾构在使用中出现磕头现象，应根据现场地质条件，适当抬高始发基座的安装高度，以保证始发基座的强度和刚性，并保证导轨的平直。在后辅助设备与盾构主机的连接前，要进行合理的安装和反力架，在开动时，反力架的主要作用是反作用力，而反力架的安装要保证起始平台和反力架的端面彼此垂直，同时保证隧道的设计和布置。在安装时，要把盾构井体与反力架的连接处垫紧，保证反力架底板的抗压强度。负环管片由负环混凝土管片和负环钢管片组成，它们能使反力框架与负环混凝土管片之间高效地结合。

6.4.2掘进施工

在地铁工程施工场地100米以内进行试掘，认真校核盾构施工路线，合理控制推进速度，设置最优推进参数，有效地控制土仓出土量、土压力和渣土状态，根据实际土层状况，科学设定出土量和土压，确保土压平衡盾构掘进。在盾构施工中，要根据拼装管段的长度，对出土量进行有效的控制，每环管片的出土量必须在一定范围内。并在土仓内维持适当的压力，以避免出现最小或最大冲程。盾尾间隙得到了有效的控制，并改善了尾部的平衡。特別是在工地上，要采取特别的控制措施。强化注浆压力、出渣量、土仓压力、掘进参数，并提前进行障碍治理。

6.4.3到达施工

在盾构工程到达前200米处，进行精确的定位、精确的测量，并在100米处进行了重新测量、调整，以保证盾构机能精准地抵达洞口，并提前拆除洞口;在5环处，及时切除剩余的构件，逐步放慢掘进速度;当土仓土体积减小时，可适当地减小土仓压力，使刀片的旋转速度维持在适宜的转速范围内。

6.5盾构施工中的同步注浆与二次注浆

对同步注浆质量进行严格的控制，必须对浆液的生产工艺进行严格的监控，对浆液的配合比、稠度、浆液凝结时间等进行合理的控制，并根据施工期间的出渣量来调节注浆量。控制好水泥浆的凝固时间，及时进行二次注浆，补偿地层损失。在软弱地区应注意注浆的充填，在硬岩区应重视注浆压力。

6.6超挖刀的应用

在盾构施工过程中，施工刀具会自行伸直，从而对施工轴线产生一定的影响。所以在盾构机井下的安装和调试中，应先切断超挖刀油管的封头，然后重新连接，完成后继续切断。在加固区启动超挖机时，超挖机的伸缩范围由小至大，以减小对超挖机的伤害。在设置超开挖区时，应充分考虑超挖刀由于伸出、缩进引起的超掘滞后，以及超开挖末端区域的扩展。其中，超挖起始点即为超挖刀开始伸出的位置，而终点即为超挖刀开始缩进的位置。

6.7工作井加固

针对地铁工程的具体情况，采取了有效的加固措施，并结合地层的特点，采取有针对性的措施，既可以防止涌水冲入隧道段、工作井，对地铁工程的施工造成不利的影响;如果工作井周边的土壤比价稳定，盾构机处于无水状态，则在满足隧道工程的开挖要求时，可以不采用任何加固措施，如果工程场地存在较差的情况，则采用相应的加固措施，以改善地基的稳定性。在地铁工程施工中，可以采用搅拌桩、旋喷桩等方法进行地基处理，并对其进行适当的加固，并对其进行适当的加固处理，使其与加固区域内的桩身进行适当的搭接，并将其搭接至隔水层。在盾构施工完毕后，对洞口进行了拆除，并对防水结构进行了优化，然后进行了盾构施工。

7.复杂地质条件下的施工技术要点

7.1砂质、淤泥地质条件下的施工技术要点

在地铁建设中，经常会碰到冲积沙层和淤泥质地层，但该地质状况总体稳定性和承载力都很低。在采用土压平衡式盾构法的同时，必须加强对土体的土压控制，确保土体的有效压力不会发生明显的下陷。在施工推进时，要适当加入物料，以提高渣土的性质，以避免发生涌流、流砂、喷涌等问题。要正确掌握盾构的行进路线，以有效地防止盾构的抬高。要改进工艺，有效地减少水泥浆凝固的时间，使盾构施工的整体质量得到较好的保障。

7.2球状风化地层条件下的施工技术要点

球形的风化地层往往会对盾构工程的施工质量造成一定的影响，提高各种设备的损失率，因此在此地质环境中进行工程建设要注意：一是在施工前要充分做好地质勘察工作，掌握好风化岩石的分布，并依据现场的实际情况，制订相应的施工方案，以便于实施深孔爆破。二是对地铁盾构施工中的各种不正常现象进行全面的监测，一旦发现异常，就应及时停止检修，合理使用可收缩刀片，并及时更换专用工具。三是对球形风化岩体周边的软土进行加固，以防止风化岩石随刀片一起滚动，从而不会影响正常的施工进度。

7.3不均匀地质条件下的施工技术要点

在地铁工程施工中，往往会碰到软硬不匀的地层，而此类地层又对盾构的施工控制有很高的要求，因此，在具体的施工中，必须准确把握好以下几点：一是要对地铁工程勘察的数据进行全面的分析，准确把握软硬地层的分布，并对整个工程的力学特性进行全面的分析。二是在采用土压平衡模型时，应注重加入适当的物料，以改善其特性。三是在不均匀地层情况下，必须对地层软硬土的分布进行全面的分析，同时还要灵活运用超挖刀、千斤顶等操作参数，对不均匀岩层情况下的盾构轴线和姿态进行有效的控制。

7.4断裂带地层条件下的施工技术要点

在断层的地层中，盾构施工往往会产生大量的涌水，而且由于大量的岩石速度较大，因此很容易造成螺旋输送机的阻塞。同时，以蚀变花岗岩、硅化岩为主要成分的伏基岩具有较高的强度，这就需要盾构机的破碎性。在这样的地质情况下，应注意以下几个问题：首先，必须使用具有较好的破岩力的单刃滚子进行作业。二是将泥浆、泡沫等物料注入土仓，实现对输送带的堵塞、涌水的合理控制。

8.施工中的风险控制8.1盾构始发环节的风险控制

盾构施工初期的施工风险很大，所以对盾构施工的安全与质量风险进行评价十分必要。在盾构开始施工前，要检验端头的加固效果，合理地选择围护结构的拆除顺序，负荷测量盾构和测量控制。施工中应注意的问题有：一是在快速出强化区时，盾构始发应将土压控制在稍大于标准范围内，避免因土压太低引起地面坍塌。二要保证整个推力和转矩不超过反力架和起动底座所能承受的极限。三是在盾构达到进入加强区后，逐步降低土压力到零值，并对出土量进行严格的控制。第四，在盾构施工中，要对隧道入口进行10～15个圆周的纵向拉伸。

8.2管片问题

在盾构隧道施工中，管片容易发生断裂、错台、渗漏，并伴随而生。为了防止这种危险，必须对管材的出厂质量进行严格的控制，采用优质的管材。发现问题要立即改正，并注重对产品的品质进行改进。对盾构进行参数控制。采取相应的预防措施，防止隧道内的管段上浮。

8.3盾构掘进

为了避免由于刀片与工作面接触而造成盾构的扭曲，盾构的左右两边应设置限位机构。在盾构推进时，只有在刀片到达工作面后才能转动。盾构机也会出现机头下陷的情况，在推进时，中、下两个气缸的推力要比上个气缸大，总推力不能超过1200 kN，转矩不超过3500 kN，而且速度要控制在20 mm/min，这样才能有效地避免盾构机头下陷。

8.4反力架、负环管片的拆除

在进行土压平衡式盾构施工中，将负环和反力架的拆除计算公式如下： F=管片与地面摩擦因数×π×管片外径×安装管片的长度×管片后的平均土压力，这样，在同步注浆浆液强度达到一定程度后，即可进行拆除工作。8.5盾构掘进中的同步注浆和二次注浆

对同步注浆质量进行严格的控制，必须对浆液的生产工艺进行严格的监控，对浆液的配合比、稠度、浆液凝结时间等进行合理的控制，并根据施工期间的出渣量来调节注浆量。控制好水泥浆的凝固时间，及时进行二次注浆，补偿地层损失。在软弱地区应注意注浆的充填，在硬岩区应重视注浆压力。

8.6超挖刀的使用

在盾构施工过程中，施工刀具会自行伸直，从而对施工轴线产生一定的影响。所以在盾构机井下的安装和调试中，应先切断超挖刀油管的封头，然后重新连接，完成后继续切断。在加固区启动超挖机时，超挖机的伸缩范围由小至大，以减小对超挖机的伤害。在设置超开挖区时，应充分考虑超挖刀由于伸出、缩进引起的超掘滞后，以及超开挖末端区域的扩展。

结束语

总之，土压平衡式盾构法是目前地铁工程建设中应用最广泛的一种技术，它既可以节约人工，又能保证工程质量。简而言之，土压平衡式盾构施工技术在工程应用时，主要采用的是打圆法，将挖掘出来的土沙直接储存在密闭的土仓内。在地铁工程中，合理运用土压平衡式盾构法，可确保隧道的快速开挖，确保隧道施工的安全。所以，作为一名隧道工程的建设者，必须熟练地掌握这一技术，才能使其达到最大的施工质量。

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