秦海洋　劉厚全　程飛

隨著交通行業(yè)的迅速發(fā)展，地鐵已經(jīng)成為衡量城市交通是否便利的一個(gè)重要指標(biāo)，許多一、二線的城市都相繼開發(fā)出各自的地鐵線路。地鐵施工地處城市，故施工過程中對周圍環(huán)境影響的控制較為嚴(yán)格。傳統(tǒng)明挖法占地較大，對交通的影響較為嚴(yán)重。因此，采用盾構(gòu)法施工將成為首選。

運(yùn)用盾構(gòu)法進(jìn)行地鐵施工時(shí)，會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題。例如：北京地鐵四號線采用盾構(gòu)法施工時(shí)經(jīng)過砂卵石地區(qū)，滾刀磨損嚴(yán)重；上海地鐵施工時(shí)土壤敏感度較高，盾構(gòu)施工過程中土壓力不平衡問題常常出現(xiàn)等。近年來，隨著地鐵盾構(gòu)施工的廣泛應(yīng)用，更多問題暴露了出來。例如，地鐵盾構(gòu)施工過程中控制室的熱平衡問題，施工所引起的地表沉降問題，施工完成后所產(chǎn)生的盾構(gòu)管片上浮問題等。

各個(gè)城市地鐵發(fā)展現(xiàn)狀不同，東部地區(qū)城市地鐵線路較為成熟，西部地區(qū)城市地鐵線路較為稀疏。因此，未來地鐵盾構(gòu)施工在我國的發(fā)展相當(dāng)可觀，但施工過程中所出現(xiàn)的一系列問題，制約著其在地鐵施工中進(jìn)一步發(fā)展。因此，盾構(gòu)施工問題的解決迫在眉睫。

近年來，隨著交通行業(yè)的快速發(fā)展，城市地下空間的開發(fā)愈發(fā)重要。盾構(gòu)機(jī)作為城市地鐵隧道開挖利器，將承擔(dān)不可替代的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用盾構(gòu)法施工的掘進(jìn)量占北京地鐵施工量的48%。因具有效率高、不阻隔交通、受季節(jié)氣候影響較小等優(yōu)勢，盾構(gòu)法未來將有更大的發(fā)展空間。因此，盾構(gòu)機(jī)的改進(jìn)、盾構(gòu)方法的提高至關(guān)重要。

盾構(gòu)機(jī)在地鐵項(xiàng)目中被廣泛應(yīng)用的同時(shí)，顯現(xiàn)出來的問題也越來越多，例如地表變形沉降、刀具斷裂、施工完成后盾構(gòu)管片緩慢上浮、盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)的熱平衡等問題。為了尋求這些問題的解決方法，國內(nèi)許多學(xué)者采用理論分析、試驗(yàn)?zāi)M等方法對盾構(gòu)施工過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了研究：魏剛、周洋等在《盾構(gòu)隧道施工引起的工后地面沉降研究》中采用軟件計(jì)算，分析了盾構(gòu)開挖過程中地面變形的規(guī)律，并將該計(jì)算結(jié)果和實(shí)測值進(jìn)行了對比分析，總結(jié)出了該過程中地面變形的機(jī)理；蔣建敏、賀定勇、趙學(xué)彬等在《盾構(gòu)機(jī)刀具制造用耐磨耐沖擊堆焊藥芯焊絲研究》中針對刀具斷裂問題進(jìn)行了深入研究，開發(fā)出新型的DG7焊絲，并采用該焊絲對斷裂刀具進(jìn)行焊接，強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，且刀具壽命不受斷裂縫的影響；何川、汪洋等在《土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)過程的相似模型試驗(yàn)》中針對盾構(gòu)施工時(shí)的土壓平衡問題進(jìn)行了長時(shí)間的研究，對傳統(tǒng)的土壓平衡提出了一些建議；肖明清、孫文昊、韓向陽在《盾構(gòu)隧道管片上浮問題研究》中采用理論分析和試驗(yàn)探究的方法，對施工完成后盾構(gòu)管片的緩慢上浮問題進(jìn)行了研究，將上浮機(jī)理分為軟巖和硬巖上浮2個(gè)方面。這些科研成果對我國盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用。到目前為止，有關(guān)地鐵盾構(gòu)的文獻(xiàn)大多為討論施工方法，對于盾構(gòu)施工過程中出現(xiàn)的問題尚無系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析，鑒于此，為了使盾構(gòu)機(jī)在地鐵隧道的建設(shè)中更好地發(fā)展，有必要對其存在的問題進(jìn)行整理分析，以期豐富相應(yīng)的理論，為施工提供經(jīng)驗(yàn)。

盾構(gòu)機(jī)的分類

按照斷面類型，盾構(gòu)機(jī)可以分為三類，即圓形盾構(gòu)、多圓盾構(gòu)以及異圓盾構(gòu)。其相互關(guān)系如圖1所示。

圓形盾構(gòu)為一個(gè)主軸帶動(dòng)刀盤進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；多圓盾構(gòu)為多個(gè)圓形盾構(gòu)的刀盤交錯(cuò)重合而成；異圓盾構(gòu)刀盤形式較為復(fù)雜，具體如圖2所示。

異圓盾構(gòu)的刀盤可以簡化為機(jī)架（盾構(gòu)機(jī)頭）、主軸I、主軸II、曲柄軸（固連刀盤）4個(gè)部分組成的四連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，主軸I與主軸II按設(shè)定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，曲柄軸劃過的面積則為非圓斷面盾構(gòu)機(jī)的開挖面形狀。只需要調(diào)節(jié)主軸I與主軸II的長度和轉(zhuǎn)速，就可以控制開挖截面的形狀。因此，實(shí)際工程中可根據(jù)要求將截面形狀設(shè)計(jì)成矩形、馬蹄形和橢圓形等。

工程應(yīng)用中的問題統(tǒng)計(jì)

盾構(gòu)機(jī)在施工過程中出現(xiàn)的問題多種多樣，實(shí)際工程中的部分統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表1所示。

將盾構(gòu)施工過程中出現(xiàn)問題的37個(gè)工程實(shí)例進(jìn)行整理，結(jié)果如圖3所示。

問題分析

圖3統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，盾構(gòu)法施工時(shí)常見的問題有地表變形過大、刀具斷裂磨損、土壓倉壓力不適、施工完成后二襯管片上浮、盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)的熱平衡問題等，具體如圖4所示。

沉降問題

沉降是盾構(gòu)施工過程中最直觀的問題，包括前期下沉和后期下沉。前期下沉主要是由于開挖面不穩(wěn)導(dǎo)致的；后期下沉主要是由于管片管線下沉導(dǎo)致的，根本原因是裂隙閉合、注漿流動(dòng)、應(yīng)力重分布等導(dǎo)致的土體移動(dòng)。相比而言，后期沉降較為明顯。

地鐵盾構(gòu)施工過程中，沉降問題普遍存在，新疆某地下商場在采用矩形盾構(gòu)法進(jìn)行盾構(gòu)施工時(shí)，曾出現(xiàn)了較大的地面沉降。造成此處地面沉降的原因主要是后期沉降，即由于注漿在施工裂隙中的移動(dòng)以及施工裂隙的閉合使該處土體的應(yīng)力分布發(fā)生了變化。

采用盾構(gòu)法進(jìn)行地鐵開挖出現(xiàn)的沉降與多個(gè)因素有關(guān)，包括地質(zhì)條件、埋深、斷面、注漿材料、開挖速度等。在現(xiàn)有技術(shù)水平下，為減小施工后期盾構(gòu)對地表的影響，常綜合注漿、預(yù)埋樁、打錨的方法進(jìn)行地表和內(nèi)部土體的加固處理，盡量避免對土體較大的擾動(dòng)。對于地表要求較為嚴(yán)格的區(qū)域，也可采用凍結(jié)法施工，但這種方法價(jià)格昂貴且技術(shù)要求高，一般不常使用。

刀具斷裂磨損

地鐵開挖設(shè)備包括2類：掘進(jìn)機(jī)（TBM）和盾構(gòu)機(jī)。其中，掘進(jìn)機(jī)主要用于硬巖開挖，盾構(gòu)機(jī)主要用于軟巖開挖。但在現(xiàn)實(shí)工程中，巖土并非軟硬分明，這種情況下，軟巖盾構(gòu)機(jī)面臨嚴(yán)重的刀具斷裂磨損，是盾構(gòu)施工過程中急需解決的問題。刀具斷裂磨損程度與刀具材料、刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因素息息相關(guān)。

北京地鐵5號線穿過含砂率為1/3的砂土區(qū)，相當(dāng)一部分開挖土體含大量碎石、卵石。盾構(gòu)施工過程中刀具磨損嚴(yán)重，有刀具斷裂現(xiàn)象出現(xiàn)，如圖5所示。

宋云、蔣建敏等在刀具材料的開發(fā)方面進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，研發(fā)出了新型焊絲（DG7）。采用該焊絲對刀具斷裂處施焊，強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。北京地鐵5號線施工過程中曾采用了該方法，效果明顯。采用該焊絲施焊后的刀片如圖6所示。

土壓力平衡問題

土壓平衡原理如圖7所示，即在刀盤附近的輸送器側(cè)安裝隔板，在刀盤與隔板間形成一個(gè)密封良好的土壓倉，待渣土進(jìn)入倉后，通過改變隔板受到千斤頂推力的大小控制土壓倉的壓力，以維持開挖面土體的穩(wěn)定。

單軸式盾構(gòu)機(jī)刀盤主要圍繞軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心多軸式盾構(gòu)機(jī)在圍繞其軸心轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，所固連的曲柄軸也在圍繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，承受著較多來自刀盤邊緣的擠壓，剪力影響較大，受力復(fù)雜。因此，在進(jìn)行盾構(gòu)開挖時(shí)，建立適當(dāng)?shù)耐馏w壓力較為困難，面臨著較多危險(xiǎn)。

日本國鐵羽越線折渡隧道盾構(gòu)施工過程中，曾采用土壓平衡的矩形盾構(gòu)法。由于該區(qū)間土體穩(wěn)定性差，在施工過程中泥土室建立的壓力過小，導(dǎo)致開挖面流沙，被迫停工，最后采用挖掘機(jī)進(jìn)行該段的施工。

盾構(gòu)機(jī)在施工過程中受力復(fù)雜，土壓力建立的關(guān)鍵問題是自適應(yīng)性，即隨著圍巖等級、受力性質(zhì)、曲軸運(yùn)動(dòng)的變化，壓力倉的土壓力應(yīng)能夠自我調(diào)節(jié)，以進(jìn)行連續(xù)的開挖工作。何川、胡國良等人通過試驗(yàn)?zāi)M等手段對自適應(yīng)性進(jìn)行了分析，如圖8所示。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圍巖等級等外界因素改變時(shí)，可以通過改變螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速和壓力室土體的含水量來控制壓力室土體的壓力，以解決盾構(gòu)機(jī)土壓力平衡的自適應(yīng)問題。

管片的上浮問題

管片上浮是盾構(gòu)施工過程中不可忽視的問題，嚴(yán)重影響著施工質(zhì)量。特別是近年來越江隧道的施工中，由于土體土質(zhì)多接近黏性，導(dǎo)致管片的上浮問題越發(fā)突出。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，管片上浮幅度在已施工的隧道中表現(xiàn)為40～90 mm。

管片上浮多發(fā)生在盾構(gòu)襯砌施工完成后較長的一段時(shí)間內(nèi)，引起管片上浮的原因多種多樣，大致可以分為2方面：一方面，開挖施工對原狀土層進(jìn)行了大范圍的擾動(dòng)，襯砌施工完成后土層應(yīng)力重分布，導(dǎo)致土體下移，管片上浮；另一方面，管片拼裝完畢后，管片背后殘留有空洞，需要注漿予以填充，流動(dòng)注漿體對盾構(gòu)襯砌有向上的浮力作用，引起管片上浮。結(jié)合上述管片上浮的原因，可以得出管片上浮具有以下特征：受圍巖等級、土體性質(zhì)、注漿材料、注漿方法等的影響；上浮速率先快后慢，前期在注漿浮力作用下，上浮相對較快，后期管片上浮是由土體的應(yīng)力重分布引起的，因此管片上浮速率較慢。

針對管片上浮的原因，工程施工中，可在注漿材料的選擇方面采取以下方法予以預(yù)防：針對軟土地層，選用早強(qiáng)低、流動(dòng)性大的注漿材料；針對巖性地層，選用瞬凝性漿液。

熱平衡問題

熱力平衡問題即由于冷卻水和通風(fēng)機(jī)狀態(tài)不適，導(dǎo)致的盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭溫度高于其他部分、液壓油溫度過高、通風(fēng)不足等現(xiàn)象。在地鐵隧道的施工中，熱平衡問題嚴(yán)重影響盾構(gòu)機(jī)的正常運(yùn)行和操作人員的工作效率。

廣州地鐵2號線曾采用盾構(gòu)法進(jìn)行隧道開挖，開挖過程中盾構(gòu)機(jī)曾發(fā)生過多次停機(jī)事件，調(diào)查結(jié)果表明是由于夏季施工時(shí)冷卻水溫度過高，以致于油液溫度沒有降低，最終迫使盾構(gòu)機(jī)停機(jī)。針對此次熱力平衡問題，中鐵隧道在廣州地鐵2號線的施工過程中從以下3個(gè)方面入手解決，并取得了良好的效果。

（1）適當(dāng)加大土壓倉的水分。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，適當(dāng)加大土壓倉的含水量，在潤滑渣土的同時(shí)加快了刀盤的冷卻，效果明顯。

（2）嚴(yán)格控制進(jìn)口冷卻水的溫度。限制冷卻水的溫度在一定的范圍內(nèi)。

（3）因地制宜地對原有盾構(gòu)機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。廣州地鐵2號線采用海瑞克公司生產(chǎn)的機(jī)內(nèi)抽風(fēng)式盾構(gòu)機(jī)，由于廣州潮濕多雨等原因，導(dǎo)致機(jī)內(nèi)抽風(fēng)不足，操作室內(nèi)悶熱異常。經(jīng)改裝后，原機(jī)內(nèi)抽風(fēng)變?yōu)闄C(jī)內(nèi)壓風(fēng)，效果明顯。

發(fā)展展望

盾構(gòu)機(jī)在未來的發(fā)展需要解決許多問題，除了上述各類基本問題外，還包括施工智能化、檢測智能化等問題。施工智能化具體表現(xiàn)在高效節(jié)能、精確控制、施工VR模擬、智能導(dǎo)向等方面。檢測智能化具體表現(xiàn)在系統(tǒng)敏感性、自動(dòng)檢測、自動(dòng)修復(fù)等功能的提高。

隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展，以及電子技術(shù)、定位技術(shù)、遙控技術(shù)、成像技術(shù)的成熟，盾構(gòu)機(jī)在未來將有更廣泛的應(yīng)用，逐步推廣到地鐵、地下人行通道、海底隧道和地下綜合管溝的建設(shè)中。

采用盾構(gòu)法進(jìn)行地鐵隧道施工具有眾多優(yōu)點(diǎn)，包括：受季節(jié)氣候影響較??；不影響交通航線；開挖、出土、管片拼接過程自動(dòng)化、智能化；掘進(jìn)速度快；對土體擾動(dòng)較小等。因此，采用盾構(gòu)法進(jìn)行地鐵施工將是大勢所趨。

在采用盾構(gòu)法進(jìn)行大范圍施工的時(shí)候，其存在的問題也逐漸表現(xiàn)了出來，包括土壓平衡和壓力倉密封問題、地表變形沉降問題、刀具斷裂磨損問題、盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)的熱平衡問題以及施工完成后二襯管片的上浮問題等，這些問題需要我們不斷采用新技術(shù)、新方法去解決。

在地鐵開挖過程中，我們要積極處理好各方面關(guān)系，包括理論研究與工程經(jīng)驗(yàn)的關(guān)系、效率與質(zhì)量的關(guān)系、投資與收益的關(guān)系、實(shí)現(xiàn)便捷與保護(hù)自然的關(guān)系等。