不同地层下盾构机械掘进关键技术与风险对策
张婷
【摘 要】当前盾构机械已经被广泛应用在城市地下空间建设中。但在不同的地层介质中，盾构刀盘扭矩、推力、切割刀材质等方面要做很多的调整，否则将不足以完成掘进任务。根据国内外现有的盾构掘进资料，论文分析了盾构机械在土质地层、土石混合地层、岩质地层中的掘进风险与盾构机械选型及动力调整方案，加强工程技术人员对不同地层盾构掘进风险的认识，并为盾构机械选型提供一定参考。
【Abstract】At present， shield machinery has been widely used in the construction of urban underground space. But in different formation media， the shield cutter torque， thrust， cutting tool material can be adjusted in many ways， otherwise it will not complete the task of tunneling. According to the data of the existing shield at home and abroad， paper analyzes the tunneling risk in soil stratum， rock mixture formation and the rock formation and the type selection of tunneling shield machine and the dynamic adjustment plan， to strengthen the understanding of the shield tunneling risk in different strata for technical personnel， and provide some reference for the selection of shield machine.
【关键词】盾构机械；刀盘扭矩；风险对策
【Keywords】shield machine； cutter torque； risk countermeasures
【中图分类号】TD406 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）07-0138-02
1 引言
随着近些年城市规模的不断扩大，城市交通变得日益拥堵，在这种情况下地下空间的开发与利用成为不可阻挡的趋势。当前全国各大城市都在进行地下铁道的建设，盾构机作为一种地下隧道掘进的机械工具，能够在基本不影响地表交通的情况下快速实现隧道挖掘工作，并且全程地下机械施工，完成隧道开挖、衬砌支护、注浆加固等工作，因此在地铁建设浪潮中备受青睐，相应的盾构技术也在近些年得到了飞速发展[1]。
在我国不同城市地铁建设中，遇到了各种各样复杂的地质状况与地层情况。总结目前国内20多个城市盾构施工资料，将盾构机械掘进地层分为三大类，分别为土质地层、岩石地层及砂卵石土石混合地层。从地层类别方面出发，结合具体的案例，分别对盾构掘进所采取的关键技术、面临的主要风险及相应的对策进行分析。
2 盾构机简介
2.1 基本原理
盾构法是目前城市地铁的主要施工方法。盾构机已经成为一个系统化、配套化的机械系统。一台典型的盾构机结构如下图1所示，盾构机由刀盘系统、推进系统、螺旋机系统、仿形刀具系统、同步注浆系统、注水注泥系统等系统组成。其中，刀盘系统负责切削泥土，减小推进阻力，并保持掘进面的稳定。推进系统依靠盾尾千斤顶顶住拼装好的管片，克服各种摩擦力，是盾构机前进的核心，该系统内一般预留4个不同方位千斤顶用于掘进方向调整。螺旋机系统负责将土仓内的土排出，并通过转速保持土仓内压力的稳定。管片拼装系统负责自动化实现预制管片的安装，形成洞内衬砌。仿形刀具分布于刀盘边缘，能够自由伸缩，在盾构方向改变时能够实现局部超挖。注水注泥系统是将一些特殊的土或泥水输送到土仓，改良渣土，可以减小刀盘扭矩，使切削的渣土能够顺利从土仓排出。
2.2 盾构分类
常见的盾构机分为敞开式和封闭式，敞开式用于山岭岩质隧道开挖，无盾壳支撑，对围岩的自稳性能要求高。封闭式分为泥水平衡盾构与土压平衡盾构，城市中大多使用土压平衡式盾构。
3 土质地层
平原地区城市地下主要以土层为主，土属于一种典型的弹塑性材料，强度较低，切削容易。当前我国城市土质地下隧道施工的主要方法是浅埋暗挖法与盾构法，相比浅埋暗挖法，盾构法的优势在于施工速度快。北京地铁施工时，同样1公里的隧道，采取浅埋暗挖法施工是盾构法的3～5倍，当前除少数特殊地质情况或隧道太短的情况下，隧道施工均采取盾构法[2]。常见的砂土、粉土、粘土地层中，盾构选型与掘进参数设置均有明显差异。在砂土类地层中往往采取泥水平衡盾构或土压平衡盾构机，而在粘土类地层一般选择土压平衡盾构机施工[3]。
4 砂卵石地层
在砂卵石地层盾构掘进的主要问题表现为：
①刀具磨损、折断严重；
②掘进面失稳超挖，砂卵石作为一种弱胶结散体材料，扰动后容易失稳坍塌；
③易导致地表塌陷；
④刀盘切削砂卵石地层时，将会产生较大的振动，严重时甚至会传至地表，加速了空洞的发展。
从砂卵石地层反映出的问题分析，解决砂卵石地层盾构开挖的关键问题在于解决刀具强度问题与开挖面稳定问题。目前所采取的对策主要由两方面组成：第一用强度更大、切削岩石用的刀具，第二采取土仓内加泡沫与泥浆的方案，吸收振动能量并维持开挖面稳定。
5 岩质地层
岩质地层掘进采取TBM掘进机，TBM采取刀盘敞开式构造，无需支撑，无需土仓加压，刀盘上设置滚刀、齿刀实现对岩石等硬质地层的破碎，出渣方式也较为简单。敞开式的TBM在岩质地层进行隧道开挖的技术已经较为成熟，但是要同时满足土质与石质地层开挖，常规的TBM很难实现。
在重庆地铁6号线，采取了复合式TBM（如图2）进行地铁隧道的开挖，刀盘带滚刀，采取高强度切刀，且舱内携带破碎机械，实现顺利出渣。复合式TBM的采用也避免了采取钻爆法施工对地表建筑物结构安全的影响。
6 结语
中国城市地铁建设经历了一个低速摸索到高速发展的阶段，不同地层下盾构机的选型、施工技术参数均经历了一个从陌生到熟练的过程，施工中的难题已被逐个攻克。工程建设中从最初的考虑机械设备是否可行、风险是否可控、结构是否安全，发展到如今的方案是否经济、环境影响是否达标、结构耐久性是否有保障，未来盾构机的性能必将会进一步发展，并且在机械配置水平、自动化程度、信息化水平与精度方面还会有更大的发展。
【參考文献】
【1】刘招伟，土梦恕，董新平.地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析[J]. 岩石力学与工程学报，2003，22（8）：1297-1301.
【2】乐贵平.浅谈北京地区地铁隧道施工用盾构机选型[J].现代隧道技术，2003，40（3）：14-30.
【3】赵峻， 戴海蛟.盾构法隧道软土地层盾构进出洞施工技术[J]. 岩石力学与工程学报，2004，23（s2）：5147-5152.
【摘 要】当前盾构机械已经被广泛应用在城市地下空间建设中。但在不同的地层介质中，盾构刀盘扭矩、推力、切割刀材质等方面要做很多的调整，否则将不足以完成掘进任务。根据国内外现有的盾构掘进资料，论文分析了盾构机械在土质地层、土石混合地层、岩质地层中的掘进风险与盾构机械选型及动力调整方案，加强工程技术人员对不同地层盾构掘进风险的认识，并为盾构机械选型提供一定参考。
【Abstract】At present， shield machinery has been widely used in the construction of urban underground space. But in different formation media， the shield cutter torque， thrust， cutting tool material can be adjusted in many ways， otherwise it will not complete the task of tunneling. According to the data of the existing shield at home and abroad， paper analyzes the tunneling risk in soil stratum， rock mixture formation and the rock formation and the type selection of tunneling shield machine and the dynamic adjustment plan， to strengthen the understanding of the shield tunneling risk in different strata for technical personnel， and provide some reference for the selection of shield machine.
【关键词】盾构机械；刀盘扭矩；风险对策
【Keywords】shield machine； cutter torque； risk countermeasures
【中图分类号】TD406 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）07-0138-02
1 引言
随着近些年城市规模的不断扩大，城市交通变得日益拥堵，在这种情况下地下空间的开发与利用成为不可阻挡的趋势。当前全国各大城市都在进行地下铁道的建设，盾构机作为一种地下隧道掘进的机械工具，能够在基本不影响地表交通的情况下快速实现隧道挖掘工作，并且全程地下机械施工，完成隧道开挖、衬砌支护、注浆加固等工作，因此在地铁建设浪潮中备受青睐，相应的盾构技术也在近些年得到了飞速发展[1]。
在我国不同城市地铁建设中，遇到了各种各样复杂的地质状况与地层情况。总结目前国内20多个城市盾构施工资料，将盾构机械掘进地层分为三大类，分别为土质地层、岩石地层及砂卵石土石混合地层。从地层类别方面出发，结合具体的案例，分别对盾构掘进所采取的关键技术、面临的主要风险及相应的对策进行分析。
2 盾构机简介
2.1 基本原理
盾构法是目前城市地铁的主要施工方法。盾构机已经成为一个系统化、配套化的机械系统。一台典型的盾构机结构如下图1所示，盾构机由刀盘系统、推进系统、螺旋机系统、仿形刀具系统、同步注浆系统、注水注泥系统等系统组成。其中，刀盘系统负责切削泥土，减小推进阻力，并保持掘进面的稳定。推进系统依靠盾尾千斤顶顶住拼装好的管片，克服各种摩擦力，是盾构机前进的核心，该系统内一般预留4个不同方位千斤顶用于掘进方向调整。螺旋机系统负责将土仓内的土排出，并通过转速保持土仓内压力的稳定。管片拼装系统负责自动化实现预制管片的安装，形成洞内衬砌。仿形刀具分布于刀盘边缘，能够自由伸缩，在盾构方向改变时能够实现局部超挖。注水注泥系统是将一些特殊的土或泥水输送到土仓，改良渣土，可以减小刀盘扭矩，使切削的渣土能够顺利从土仓排出。
2.2 盾构分类
常见的盾构机分为敞开式和封闭式，敞开式用于山岭岩质隧道开挖，无盾壳支撑，对围岩的自稳性能要求高。封闭式分为泥水平衡盾构与土压平衡盾构，城市中大多使用土压平衡式盾构。
3 土质地层
平原地区城市地下主要以土层为主，土属于一种典型的弹塑性材料，强度较低，切削容易。当前我国城市土质地下隧道施工的主要方法是浅埋暗挖法与盾构法，相比浅埋暗挖法，盾构法的优势在于施工速度快。北京地铁施工时，同样1公里的隧道，采取浅埋暗挖法施工是盾构法的3～5倍，当前除少数特殊地质情况或隧道太短的情况下，隧道施工均采取盾构法[2]。常见的砂土、粉土、粘土地层中，盾构选型与掘进参数设置均有明显差异。在砂土类地层中往往采取泥水平衡盾构或土压平衡盾构机，而在粘土类地层一般选择土压平衡盾构机施工[3]。
4 砂卵石地层
在砂卵石地层盾构掘进的主要问题表现为：
①刀具磨损、折断严重；
②掘进面失稳超挖，砂卵石作为一种弱胶结散体材料，扰动后容易失稳坍塌；
③易导致地表塌陷；
④刀盘切削砂卵石地层时，将会产生较大的振动，严重时甚至会传至地表，加速了空洞的发展。
从砂卵石地层反映出的问题分析，解决砂卵石地层盾构开挖的关键问题在于解决刀具强度问题与开挖面稳定问题。目前所采取的对策主要由两方面组成：第一用强度更大、切削岩石用的刀具，第二采取土仓内加泡沫与泥浆的方案，吸收振动能量并维持开挖面稳定。
5 岩质地层
岩质地层掘进采取TBM掘进机，TBM采取刀盘敞开式构造，无需支撑，无需土仓加压，刀盘上设置滚刀、齿刀实现对岩石等硬质地层的破碎，出渣方式也较为简单。敞开式的TBM在岩质地层进行隧道开挖的技术已经较为成熟，但是要同时满足土质与石质地层开挖，常规的TBM很难实现。
在重庆地铁6号线，采取了复合式TBM（如图2）进行地铁隧道的开挖，刀盘带滚刀，采取高强度切刀，且舱内携带破碎机械，实现顺利出渣。复合式TBM的采用也避免了采取钻爆法施工对地表建筑物结构安全的影响。
6 结语
中国城市地铁建设经历了一个低速摸索到高速发展的阶段，不同地层下盾构机的选型、施工技术参数均经历了一个从陌生到熟练的过程，施工中的难题已被逐个攻克。工程建设中从最初的考虑机械设备是否可行、风险是否可控、结构是否安全，发展到如今的方案是否经济、环境影响是否达标、结构耐久性是否有保障，未来盾构机的性能必将会进一步发展，并且在机械配置水平、自动化程度、信息化水平与精度方面还会有更大的发展。
【參考文献】
【1】刘招伟，土梦恕，董新平.地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析[J]. 岩石力学与工程学报，2003，22（8）：1297-1301.
【2】乐贵平.浅谈北京地区地铁隧道施工用盾构机选型[J].现代隧道技术，2003，40（3）：14-30.
【3】赵峻， 戴海蛟.盾构法隧道软土地层盾构进出洞施工技术[J]. 岩石力学与工程学报，2004，23（s2）：5147-5152.
