地铁施工-盾构法-概述

盾构法施工读书笔记

Reading notes on construction by shield

隐去

(隐去)

摘要：盾构法是城市地铁隧道、过江隧道施工的主要方法。本文通过查阅国内相关文献资料，对我国三个典型水文地质条件的地铁在建城市广州、杭州、成都采用盾构法施工时的关键问题进行整理。本文依次就杭州的开挖面稳定性及土的改性问题，广州的地层上软下硬引起的刀具选择和坍塌问题，以及成都的卵石引起的刀具破坏及地层变形问题进行较为详细的分析论述。最后就盾构法施工中的两个核心问题地层变形和开挖面稳定性进行了相关总结性讨论。

关键词：盾构法;开挖面稳定性;土体变形;刀具选择 中图法分类号：U 451 文献标识码：A

SONG Xiang, SHEN Jia-jia, LU Jiang, YU Hai-feng, WANG Tong, WANG Kuan-jun

(Civil Engineering Department, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

Abstract: The shield method is one of the main construction methods of metro tunneling and tunnel across the river. In this paper, the main problems of three large cities Guangzhou, Chengdu, and Hangzhou which are building the metro and have typical hydro geological conditions are discussed. Some problems are analyzed in details, such as the choice of cutter and soil deformation resulting from the strata under the soft-hard in Guangzhou, the stability of the excavation face and the modification of the soil in Hangzhou, and destruction of cutter causing by the pebble and soil deformation in Chengdu. In last, two main issues in construction of shield methods have been discussed which are the soil deformation and the stability of the excavation face.

Key words: shield method; stability of excavation face; soil deformation; choice of cutter

0 引 言

如果说21世纪是桥梁建设的世纪，那么21世纪就是地下空间开发飞速发展的世纪。21世纪以来，城市基础建设日益与人文、自然环境和谐，地下空间进入了一个前所未有的发震阶段。我国新一轮的城市地下空间开发始于地下铁路的建设，目前北京、上海、广州、天津、深圳、南京、青岛、杭州、武汉、重庆、成都、哈尔滨、

佛山、东莞、沈阳等城市正在建设之中，还有二十多个城市正在积极筹划之中。地铁的建设和城市中心区的大规模改建加快了新一代地下空间开发利用的速度，如北京的西单文化广场、东直门和西直门交通枢纽，上海静安寺广场，杭州钱江新城地下空间开发，深圳福田中心区地下空间开发等。

随着技术进步、认识提高、综合国力的增强，作为

地下空间开发中的核心技术，特别是由于该施工技术所凸显的独特优势，盾构法施工技术己在能源、交通等领域的隧道建设中得到广泛应用，上海、广州、南京、北京、深圳、天津、两安、成都、沈阳、杭州、青岛等城市的地下交通领域都使用施工工艺。尤其是在复杂地层和软土隧道工程中，它以自动化程度高、劳动强度低、施工速度快、环境影响小、安全可靠等显著优点，受到地下工程界越来越广泛的关注，其施工技术水平不断发展，应用领域和范围不断提高。

1盾构法简介

1.1盾构法的定义

盾构法(Shield Method)是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。

盾构既是一种施工机具，也是一种强有力的临时支撑结构（如图1）。

图1 盾构法施工机具 Fig. 1 Shield construction equipment

盾构机外形上看是一个大的钢管机，较隧道部分略大，它是设计用来抵挡外向水压和地层压力的。 它包括三部分：前部的切口环、中部的支撑环以及后部的盾尾。大多数盾构的形状为圆形，也有椭圆形、半圆形、马蹄形及箱形等其他形式。

1.2盾构法施工的基本条件

在松软含水地层，或地下线路等设施埋深达到10m或更深时，可以采用盾构法，即，

1、线位上允许建造用于盾构进出洞和出碴进料的工作井；

2、隧道要有足够的埋深，覆土深度宜不小于6m； 3、相对均质的地质条件；

4、如果是单洞则要有足够的线间距，洞与洞及洞与其它建（构）筑物之间所夹土（岩）体加固处理的最小厚度为水平方向1.0m，竖直方向1.5m；

5、从经济角度讲，连续的施工长度不小于300m。

1.3盾构法施工的基本步骤

盾构施工方法由以下几个步骤组成（如图2

）：

图 2 盾构法施工简图 Fig.2 Construction by shield

第一，在置放盾构机的地方打一个垂直井，再用混泥土墙进行加固；

第二，将盾构机安装到井底，并装配相应的千斤顶； 第三，用千斤顶之力驱动井底部的盾构机往水平方

向前进，形成隧道；

第四，将开挖好的隧道边墙用事先制作好的混泥土衬砌加固，地压较高时可以采用浇铸的钢制衬砌加固来代替混泥土衬砌。

盾构法施工中，其隧道一般采用以预制管片拼装的圆形衬砌，也可采用挤压混凝土圆形衬砌，必要时可再浇筑一层内衬砌，形成防水功能好的圆形双层衬砌。

2 城市案例对比分析

2.1杭州

2.1.1 水文地质条件

杭州市区位于冲积平原区，第四纪覆盖层厚度达50~70m左右。上部主要为钱塘江近代冲积沉积的粉砂性土，下部为陆一海相软、硬土层交替沉积地层。根据区域地质资料及初勘钻孔资，对场地沿线岩土层进行整理和分析，地表以下70m范围内自上而下分为11个大层，施工设计时考虑其中6个土层，如下所示：

①人工填土层；

②钱塘江冲积沉积层，河口相；

③第一软土层，最后一次海侵后期沉积淤泥质软土层，滨海、海湾相；

④第一硬土层。古苕溪河流、滨岸相、沉积层； ⑤第二软土层，最后一次海侵早期沉积的淤泥质软土层，浅海、溺谷相；

⑥第二硬土层，陆相、河湖相及海陆交互相地层，此层曾出露地表，经氧化，沐滤及失水固结形成。

杭州的水文条件有以下特点：

沿线浅部地下水属潜水类型，主要赋存于上部填土层及粉土、砂土层中，补给来源主要为大气降水及地表水，其静止水位一般在深1～4 m，并随季节性变化。 2.1.2施工问题

杭州地铁沿线场地地质条件复杂，地层分布有两个工程区：其一是钱塘江河口相冲积堆积的粉性土及砂性土，下卧海陆交互相沉积的淤泥质土和粘性土；其二是海陆交互相沉积的粘性土，地层软硬交替，地下水位高。根据初勘地质资料和隧道埋深情况，地下暗埋隧道沿线穿越的岩土层主要为流塑～软塑状的第③，⑤层软土和稍密～中密状的第②层饱和粉砂类土，局部地段的第④，⑥层硬可塑状的粘性土。

暗挖隧道穿越上述地层对盾构施工和环境造成的主要岩土工程问题有：

(1)当盾构在第③， ⑤层软土中推行由于软土层灵敏度高，强度低，土层易产生流动而造成开挖面失稳，进出洞部位极易发生塌方。

(2)当盾构在第②层砂性土中推行由于地下水位高，砂土透水性强(渗透系数为10-3~10-4cm/s)，结构松散，极易发生流砂和涌水并引起开挖面失稳和地面下沉。

(3)当盾构在第④，⑥层地层中推行时，可能会遇到具有微承压水头的砂土透镜体亚层，发生突发性的涌水和流砂，随着地层空洞的扩大从而引起地表大范围的塌陷。

(4)当盾构开挖面，处于第②层与第③层，第③层与第④层，第④层与第⑤层，第⑤层与第⑥层软硬不均的交界面时，因软弱层排土过多可引起地层下沉，并可能造成盾构在线路方向的偏移。如当盾构穿越城站站至秋涛路站区间时，可能因埋存于第②层砂土层中古江堤，抛石等障碍物而使在高水位条件下作业的密闭型盾构不能按正常工况推行，造成作业面超挖、漏水和地层下沉。或因掘进受阻导致盾构机械进退困难而无法作业。 2.1.3应对方案

通过对上文资料中杭州地质水文情况和周边环境的综合考虑，对于盾构施工中存在的问题可有以下几个应对方案：

1、对于进出口洞的洞口坍塌问题。 ①稳定正面土体

确保洞口暴露后正面土体的稳定，对洞口状况进行调查，采取有效的技术措施，如通过降水、地基加固、冻结法等方法，使洞口处的土体不流失、不坍塌。

②基座设置

基座设置要有足够的强度和刚度，同时还必须有整体稳定性能与局部稳定性，以免施工应力作用后产生事故。此外只能以隧道设计轴线设置平面，且高程导轨面不能超过洞圈面。

当其与盾构的实际姿态不符时，则设计1个可调节的基座，当盾构进入接收井洞口时，可按其实际姿态调整基座导轨轴线，符合盾构的实际轴线，使盾构平稳推上基座。

③后座设置

盾构在基座上开始向前掘进施工时，其前面的顶力

必须传递到后座。在保证后座不产生破坏及变形的前提下，使后座顶力面与隧道设计轴线相垂直，使盾构推进时有一个正确的方向，并把顶力良好地传递至后井壁，并满足推进施工时垂直与水平运输转折通道口的要求。

④洞口间隙密封技术

在盾构通过洞口及整过隧道施工过程中，洞口与盾构、洞口与隧道结构之间总有一个圆环间隙存在，对此间隙作密封处理，以防止洞口外土体及水从此间隙中流入工作井内，使洞口处土体流失，引起地层沉降变形、破坏环境。

2、对于地下水造成的喷涌问题。一般认为，影响喷涌发生的因素主要有盾构机的机械参数、开挖面的水头高度、压力舱和螺旋输送机的土体渗透系数，其中土体渗透系数对开挖面喷涌事故的发生具有较明显的影响，因此在防治喷涌时最有实际和有效的办法是改良开挖土的渗透系数。

3、盾构壳体可能因粘着造成盾构体推行困难，而使掘进进度放慢问题。在粘性土层推进时，当含砂量超过某一限度时，泥土的流塑性明显变差，土仓内的土体因固结作用而被压密，导致渣土难以排出，可以向土仓内注水、泡沫或泥浆等，以改善土体的流塑性。

在砂性土层施工时，由于砂性土流动性差，砂土的摩擦力大、渗透系数高、地下水丰富等原因，土仓室内压力不易稳定，所以需进行土渣改良。向开挖的土仓内注入膨润土或泡沫剂，然后进行强制搅拌，使砂质土泥土化，具有塑性和不透水性，使土仓内的压力容易稳定。

4、对于盾构施工中路线偏移问题。一般通过掘进的时候适当抬头掘进来解决。 2.1.4小结

杭州的地质条件为粉砂性土，下部为陆一海相软、硬土层交替沉积地层。地下水比较浅，所以在施工中的主要为需要的解决问题除了前文提及的变形和稳定性问题之外，还存在着软土和水对施工的影响问题。

对于开挖面稳定性问题，主要集中在密封压力舱内的渣土改良以及密封舱内的土压力保持。针对杭州的软

土地质条件，采用合适的渣土改良措施或者直接利用软粘土的流塑性可以保证盾构施工的顺利进行。

对于地层变形控制问题，主要应当控制地表变形和建筑物的变形不超过警戒值范围，通过建立施工参数和地表变形的关系，明确盾构施工对地表变形的扰动以及土体的工后沉降变形，并在一定的地表变形警戒值条件下推算盾构施工参数，对施工过程进行指导，从而在施工过程中确保地表变形的稳定。

对于地下水的影响对盾构进洞出洞的影响问题，可综合采用搅拌桩和旋喷，并增设降水井点来避免坍塌的发生，并利用冻结法进行加固。

2.2 广州

2.2.1水文地质条件

广州位于珠江三角洲冲积平原的边沿，滨临南海，其中也分布少量的低丘沟壑地貌。广州降水非常丰富，珠江水系的河流密布，地下水位较高。广州市区表层广泛分布第四纪沉积物，下覆是中生代白垩系红色碎屑岩，北部地区有显露古生代二叠系和石炭系的砂页岩、页岩以及前震旦系变质岩，东北部有燕山晚期侵入的花岗岩等。第四系沉积物主要由陆相和海相沉积的淤泥、沙层、沙砾质粘土层等构成。下覆地层由于风化原因，其残积层的厚度和深度差异较大，中度风化～微风化岩石的抗压强度为10～150MPa。广州地区地质构造较为简单，比较大的褶皱有珠江向斜、广州背斜和沙河向斜，规模较大的断裂有七条，基岩裂隙比较发育。

广州地铁沿线的工程地质、水文地质条件比较复杂，其中最重要的特点是工程范围内的岩土均一性差，物理力学特性差异大，地铁围岩既有十分松软富水的淤泥质土、中细沙层，又有较坚硬的砂砾岩、花岗片麻岩、混合岩，以及介于上述两类岩土之问具不同风化程度的软塑一硬塑状粘性土层。软硬相问的红色砂泥岩是地铁隧道施工的主要地层。因此选择用于广州地铁施工的盾构时，要求它必须有与上述地质条件相匹配的性能。

广州地铁一号线和二号线盾构法隧道埋深一般在

10～20 m ,隧道断面的地层主要分三部分:

上部:第四纪软土层,主要由杂填土、流塑—软塑的淤泥层和富含水的砂层组成。

中部:第四纪残积层,该层是由白垩系地层风化后的残积物形成,呈可塑、硬塑—半固结状态的砂质和砾质粘性土。

下部:大部分地区是由不同风化程度的白垩系砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩及少量的泥灰岩组成;少部分是由不同风化程度的花岗岩或花岗片麻岩组成。 2.2.2软硬不均地层问题及应对方案 （1）问题的提出：

广州地铁地质资料显示，上部多为人工填土或全新统海陆交互沉积的淤泥或淤泥质土、淤泥质砂；下部为上更新统陆相冲积洪积形成的砂、土层；底部为基岩残积形成的粘性土层。白垩系下统自鹤洞组广岗段厚400～450m，由紫红色钙质粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩夹浅灰色泥灰岩、泥岩组成，微层理发育，含方解石，常见钙质斑块及少量斑点状石膏。盾构区间大部分在残积土层和岩石风化层中穿过，软硬不均地层现象明显。盾构在软硬不均地层中掘进时，因为刀盘受力不均，对盾构的姿态及掘进方向的控制比较困难，工况转换频繁。 （2）解决措施：

①掌握工程地质及水文地质情况，科学地选择掘进参数，进行碴样分析，及时修正掘进参数。

②结合地质资料，运用超前钻事先探明上软下硬地层的软硬情况。

③采用土压平衡或气压平衡模式掘进，必要时注泡沫或泥浆对碴土改良，以便对砂层或其它软弱地层起泥模作用，防止软弱地层坍塌。

④采取措施，重视盾构的轴线控制和姿态控制： a．合理利用超挖刀。

b．根掘测量数据及时修正千斤顶推力组合。 c．合理利用铰接千斤顶调整盾构姿态。 d．利用刀盘正反转、使用稳定翼等措施对盾构旋

转进行控制。

e．放慢掘进速度，以便更好的保护设备和控制轴线。

2.2.3硬岩问题及应对方案 （1）问题的提出：

广州地铁3号线地质钻探资料显示（如图6）在天河一华师区间及大塘一汉溪区间大部分为III类以下围岩，部分为Ⅳ、V类以上围岩，揭露出抗压强度为140Mpa和156Mpa的硬岩。而且此类硬岩石零星孤立分布，盾构机在施工过程中很难预判到何处会出现硬岩，给盾构机的合理选择和正常施工带来巨大的麻烦。虽然复合式盾构有硬岩掘进的能力，但毕竟不是为单纯的掘进硬岩而设计的，因此在施工中存在硬岩掘进能力不足及边滚刀数量不足等问题。

图 6 广州岩层分布图 Fig.6 Stratum distribution

（2）解决措施：

①采用单刃滚刀破岩，减少换刀次数与频率，提高施工进度。掘进过程中随时监测刀具和刀盘受力状态，确保其不超载。

②适时合理更换刀具，以提高掘进效率，避免损伤刀盘。

③换刀时启动刀盘伸缩装置缩短换刀时问并在土舱内更换刀具，减少换刀时间对掘进循环的影响，提高设备利用率。

④硬岩段掘进时启动盾构稳定装置，减小盾构的振动和防止盾构产生超限扭转，使管片的受力稳定，确保隧道的成形质量和保护管片，防止盾构的变形。

⑤采用敞开模式掘进，遵循高转速、低扭矩原则选

取参数，以提高掘进速度。

⑥进入硬岩段掘进前要对盾构进行一次全面的维修保养，确保盾构的工作状态良好。

⑦如果在工程中存在较长的难于掘进的硬岩段时应考虑用钻爆法辅助开挖。

⑧如果硬岩掘进的作业量很大，则应增加边滚刀的数量。

2.2.4过江作业中的喷涌问题及应对方案 （1）问题的提出：

盾构在通过江底地段时，如果对地层了解不够，施工处理不当，以及不可预测的因素，都可能发生喷涌事故。所谓的喷涌是指盾构掘进打开螺旋输送器闸门出土时，以水为主，水和砂混合从出土口喷涌而出，散落在隧道内，皮带运输无法带走土体。广州地铁二号线复合式盾构在穿越珠江时，曾发生20多次喷涌事故。

喷涌的原因主要有：在水底浅覆地段施工时河床底塌方、开挖面充水裂隙发育或已成盾构隧道同步注浆液没有完全充实衬背空隙以致留下流水通道等，形成开挖面富水压力大，由此造成盾构不能连续掘进，出现喷涌。引发喷涌的机理是：打开螺旋输送器即发生喷涌，接着土舱内土压力很快回落。 （2）解决措施：

①关闭螺旋输送器情况下继续掘进，让切削下的土体挤出土舱内的水。采取这种措施时，要预防舱内压力过高，造成盾构前方隆起、冒浆以及盾尾被击穿等。

②提前采用气压平衡模式掘进，但要预防漏气事件的发生。

③加入高浓度泥浆或泡沫，改善土体的和易性，使土体中的颗粒和泥浆成为整体。

④盾构选型方面，螺旋输送机选择具有土塞效应的中轴式螺杆和间断式螺杆。

⑤在盾构刀盘设计时，优化设计好刀盛的开口率和刀具，使切削进舱的颗粒较小且均匀。

⑥如果施工特别困难，可在螺旋输送器某一位置安装连接管道，改成泥水盾构出土模式。

⑦为盾构配备保压泵碴装备。广州地铁四号线小谷围一新造隧道穿越500m的江底段施工中，在复合式盾构上安装了保压泵碴设备，其利用活塞原理有效地把碴土泵到出碴车厢内而不会出现泥水失控喷涌现象，为盾构顺利穿越江底起了关键性作用。 2.3.5 小结

在处理广州土体上软下硬的具体问题时，我们需要及时换取不同类型、不同强度的刀盘，而不能单纯地选择高强度的刀盘来统一施工。在阅读文献的伊始，我们存在着这样的疑问“为什么选用高强度的刀片不是我们常用的方法，按常理满足了强度条件，刀片的磨损等问题应该能够得到解决”。在随着文献阅读的深入以及对各种刀盘工作机理的了解后，我们了解到刀盘主要分为面板式和辐条式：面板式由于开挖面土体受面板开口影响，在砂土中会出现进入土仓不顺畅，易粘结、易堵塞等问题，而当其使用于砂软石开挖时，又表现出适应性强的特点；辐条式在砂土施工中不易发生堵塞问题，但在砂软石中则表现出诸多的不适应性。所以，及时地跟踪土层变化状况，合理地更换刀盘，对于盾构的正常进行有着重要的意义。

2．3 成都

2.3.1 水文地质条件

我国上海、广州、南京、深圳等城市的地下铁道中，采用盾构法施工的区间隧道大多处于冲积层勃土、砂戮土、软岩等地层，在这些地层中采用盾构法施工国内外己有较为成熟的经验。成都地铁工程将主要穿越由冲积粘性土、粉土、砂土和碎石类土组成的覆盖层，地下水位高，盾构将通过大量地质条件和环境条件均极为复杂的区间，特别是地层中还夹杂有大漂石、胶结砾石层、粉细砂透镜体，隧道围岩中直径大于5cm的砾石含量一般都在50%以上，最大的漂石直径达1m左右，施工难度大，国内尚无先例，在国外也无完全成熟的经验。这里主要从成都的实际情况出发，主要针对砂砾石地层中刀盘、刀具的破坏和地层变化两个问题进行阐述分析。

2.3.2 刀具损坏问题及应对方案 （1）问题的提出

如前所述，成都是砂卵石极多、细石成分少的砂砾石地层，若采用土压式平衡盾构机，由于砂砾土的塑流性和抗渗性差，将使得排土难以顺畅从而无法满足掘削面稳定的要求，需混入提高流塑性和抗渗性的添加材，即要采用加泥式土压平衡盾构机。如图7

图4 盾构刀具图 Fig.4 cutter of the shield

因此，刀盘、刀具的耐磨性是成都地层中能顺利掘进需要解决的几个关键问题。对于加泥式土压平衡盾构机，考虑到刀盘要在砂砾石层中要长距离掘进，又要能顺利排除大砾石，采用辐条式刀盘或小幅面板+辐条式的组合刀盘是比较好的，刀盘可以减轻切刀的实际负荷扭矩，增大排出开挖土砂的能力，将土腔内的土压有效地传递给开挖面，但对于地下水压大、易坍塌的土质而言，不易掌握水土压力平衡；在耐磨性方面，如果其轮辐为柱式，耐磨性能比面板式好，但其刀盘的外周磨损也是比较严重的。 （2）解决措施

针对成都地铁富水大砾石和漂石的砂卵石地层条件，采用加泥式土压平衡和泥水平衡式盾构机都是适用的，敞开式盾构经过试验性论证后，可以作为部分区段的备选方案。对于泥水平衡式盾构机和加泥式土压平衡盾构机这两种机型，各有其优缺点，下面表1中列出两种盾构的比较：

表1泥水平衡式盾构与加泥式土压平衡式盾构的比

较

Table 1 Comparison of two types of shield

上表中对两种盾构机进行的比较可以得出如下结论：

(1)采用加泥式土压平衡盾构机，在处理大块漂石方

面具有明显优势，但应对高水压的能力要弱一些；采用泥水平衡式盾构机，能够很好地适应可能出现的高地下水压，但在漂石处理方面难度偏大。

(2)加泥式土压平衡盾构机掘进中地面沉隆稍大，但采取辅助措施后，可以安全施工，对地面环境的影响可以控制在允许范围内。泥水平衡式盾构机施工时地表沉隆较小，有利于保护地面和地下建筑。

针对成都地区富水、含大砾石和漂石的砂砾石地层条件，经过以上综合分析，对于成都地铁一号线一期工程盾构区间，建议在主要区段内优先采用加泥式土压平衡盾构机；在地下水压偏高、场地条件允许、经详勘判明大漂石出现概率较小且沉降需控制严格的区间可优先选择泥水平衡式盾构机；在对地面沉降要求不高，邻近无大型地表及地下结构物且具有降水条件的区间可以考虑采用敞开式盾构机。

这里特别提出一下在成都这种土质条件下盾构法施工中刀盘、刀具破坏问题以及盾构法施工地层变化问题。2.3.3地层隆沉问题及应对方案 （1）问题的提出

盾构法施工不可避免的会产生一些地层隆沉的问题，由盾构法施工而引起的地层损失和经扰动后的土颗粒再固结是形成地面沉隆的主要原因。下面对其进行一些简要的分析。

隧道的挖掘土量常常由于超挖或盾构与衬砌间的间隙等原因而比按照隧道断面积计算出的土量大得多，这样，使隧道与衬砌之间产生空隙。在软土中空隙会被周围土壤及时填充，引起地层运动，产生施工沉降(也称瞬时沉降)。对于盾构法来讲，地层损失是指盾构施工中实际挖除的土壤体积与理论计算的排土体积之差。

由于盾构推进过程中的挤压、超挖和盾尾的压浆作用，对地层产生扰动，使隧道周围地层产生正、负超孔隙水压力，从而引起地层沉降称为固结沉降。 （2）解决措施

由于盾构法施工势必引起地面沉降，使地面建筑物、构筑物或地下管线(以下简称建筑物)受到不同程度的影响，尤其在松软土层中，若开挖的隧道与建筑物毗邻或在其正下方，乃至互相斜交，将会对建筑物的使用、甚至安全构成威胁，因此，在施工过程中，应当注意对建筑物进行保护，并进行地基加固。

针对盾构施工引起的地表沉降问题，工程技术人员在长期的施工实践中运用了很多对策，发现除了在施工前合理选用盾构类型和在施工中精心操作，使盾构处于最佳状态外，地基加固是保护地下管线和地面建筑的一种最为有效的措施。

由于地面沉降产生的主要原因是土体损失，因此，要控制地面沉降量及其影响范围就要使土体损失量降至最低。正确地选用各种地基加固方法，就能使地层蠕动趋势减少，颗粒土被粘结，孔隙被充填，土体稳定程度增强，从而达到减少地面沉降的目的。

对于成都地铁，其通过的土层基本为Q3砂卵石层，对于砂质土而言，其注入机理是浆液在压力作用下，取代位于土颗粒间隙中的水，故要求浆液的粘性必须近于水，且低于水，同时不含颗粒。因此采用溶液型浆液超细粒状悬浮液比较适合。

3 盾构法施工中的核心问题

根据上文对杭州、广州、成都三个地质条件迥异的城市中盾构法施工所遇到的主要问题及其解决措施的讨

论，可以发现：虽然三个城市地质条件差异较大，且遇到的问题各有不同，如杭州的主要问题是开挖面稳定性及土的改性问题，广州的主要问题是地层上软下硬引起的刀具选择和坍塌问题，而成都的主要问题是软石引起的刀具破坏及地层变形问题，但三个城市盾构法施工中均存在共同的问题，即盾构掘进时引起的地层变形和盾构掘进时的开挖面稳定性问题。而且，该问题均为影响施工进度与安全的主要问题。盾构穿越建筑物、河流以及盾构通过上软下硬地段的施工措施等类似问题均为基于上述两个问题的延伸和拓展。

3.1 盾构掘进引起的地层变形

尽管随着盾构法施工技术的改进盾构性能有了长足发展，但施工引起的地层变形仍不可避免。对于盾构隧道施工，为防止危机地表建筑物和各类地下管线等各类设施，对地表的沉降量应严格地控制。因此，能否有效控制地层位移（主要为地面沉降）是盾构法施工的成败关键。

盾构法修建隧道引起地层位移的主要原因是施工过程中的地层损失、地层原始应力状态的改变、土体的固结及土体的蠕变效应、衬砌结构的变形等。主要表现在以下几个方面：

①因开挖造成地层原始应力状态的改变，从而引起地层位移。

②因地层损失引起地层位移。地层损失包括建筑空隙及超、欠挖或其他土层流失，具体表现为：盾构工作面前方土体的挤入；盾尾建筑空隙；盾构纠偏所引起的土体超挖；盾构推进有曲率时所造成的土体损失；盾构推进时，切口环上的突缘引起的超挖。

③因盾构的推进，引起的土体孔隙水压力变化，或因降水引起地下水位下降，引起土体的固结沉降。

④管片结构变形及土体的次固结和蠕变。根据以上总结可以看出，盾构施工中影响地层位移的因素很多，但总体上可分为瞬时效应和持续效应两种。瞬时效应是指盾构施工后短期产生的影响，而持续效应则是指持续

时间较长的影响，如衬砌的变形、土体的固结等。其中，

瞬时效应可以认为由力学和几何两方面构成。 3.2 盾构掘进时的开挖面稳定性

土压平衡盾构在施工中属于封闭式盾构。盾构推进时通过其前端刀盘旋转切削地层土体，开挖下来的土体进入压力舱。当开挖土充满压力舱时，由于盾构的推进作用，致使开挖土体对开挖面加压，当支护土压力与开挖面地层的水土压力相等时，此时再保证螺旋出土器的排土量与切削土量相等，则把这种稳定的出土状态称为开挖面平衡，即开挖面稳定。

盾构的开挖面稳定性与刀盘结构形式有着密切的关系，而不同的地层应采用不同的刀盘结构形式，目前土压平衡盾构中常用的刀盘有两种形式：面板式和辐条式。面板式刀盘（图5）在中途换刀时安全可靠，但开挖土体进入土仓时易粘结易堵塞，在刀盘上容易形成泥饼。辐条式刀盘（图 5）开口率大，辐条后舍友搅拌页面，土砂流动顺畅，不易堵塞。但不能安装滚刀，且中途换刀安全性差，需加固土体，费用高。辐条式刀盘对砂、土等单一软土地层的适应性比面板式刀盘强；但由于不能安装滚刀，在风化岩及软硬不均匀地层或硬岩地层，宜采用面板式刀盘。

面板式刀盘（成都地铁） 辐条式刀盘（杭州地铁）

图5 刀盘结构形式 Fig. 5 Cutter structure

土压平衡盾构开挖面的稳定由下列各因素的综合作用而维持：

图6 盾构开挖面平衡示意图 Fig. 6 Balance of excavation face

①土仓内的土压力平衡地层压力和水压力，如图6所示；

②螺旋输送机调节排土量；

③适当保持泥土的流动性，根据需要调节添加剂的注入量。

在粘性土层推进时，当含砂量超过某一限度时，泥土的流塑性明显变差，土仓内的土体因固结作用而被压密，导致渣土难以排出，可以向土仓内注水、泡沫或泥浆等，以改善土体的流塑性。

在砂性土层施工时，由于砂性土流动性差，砂土的摩擦力大、渗透系数高、地下水丰富等原因，土仓室内压力不易稳定，所以需进行土渣改良。向开挖的土仓内注入膨润土或泡沫剂，然后进行强制搅拌，使砂质土泥土化，具有塑性和不透水性，使土仓内的压力容易稳定。

要想维持排土量与开挖土量相等，保证盾构施工的顺利进行，必须保证开挖土具有一定的流塑性和抗渗性，以保证出土的顺利进行。在少数软土地层中，如上海地区的淤泥质粘土地层，开挖土依靠自身的流塑性和抗渗性，即可满足开挖面稳定的要求。但是很多情况下，天然地层的开挖土很难满足开挖面稳定的条件，从而给施工带来困难，此时一般采取通过添加其他特殊改良材料

来保证开挖面的稳定性。

通过国内外诸多施工经验表明，土压平衡盾构施工成功的关键就是要开挖面上切削下来的土体在密封舱内调整成一种比较理想的状态，使土体的性质满足一定的基本条件后盾构开挖和排土才能够顺利地进行。当开挖土的状态不能满足这一要求时，就会给施工带来困难，一般表现为三种形式。

（1）压力舱闭塞

压力舱闭塞是由于开挖土体在压力舱成拱，使盾构机不能正常出土，进而土体压实充满压力舱，而缺乏流塑性的土体又使搅拌装置的阻力上升，加大刀盘扭矩，

引起施工困难的现象。压力舱内土体成拱后，盾构继续

推进时会导致土体进一步压缩，导致拱作用更加剧烈。

一般认为，在隧道埋深盾构机尺寸确定的情况下，压力舱内成拱现象与土体的内摩擦角、土体和盾构机侧壁的摩擦系数以及压力舱内的土体容重有关，而其中土体内摩擦角对压力舱内土体成拱现象影响最大，因此调整土体内摩擦角的大小对改良密封舱内的土体流塑特性，对避免压力舱成拱现象的发生有一定帮助。

（2）压力舱喷涌

“喷涌”是盾构机压力舱与螺旋输送机内的土体不能有效抵抗开挖面上的水压力引起的。一般在遇到透水性大、级配不好的砂土、粉砂土时，就会从螺旋输送机的出口处发生喷水、喷泥、喷砂的现象。

盾构施工是否发生喷涌由土体的渗透系数、排水口水压力、渗流水量三个可能变化的参数决定。一般遇到的非正常情况主要有三种：①排土压力很大，但并不伴随大量水体涌出；②排土时水的流量很大，但压力较小，易于控制；③排土压力大，水的流量也很大导致土、砂一起喷出。由于开挖面上水压力过大，加之开挖下来的渣土本身不具有止水性，正常的螺旋输送机已经难以将土体中的水和土体一起排出。高压力的水体穿越密封舱和排土器形成集中渗流带动土颗粒一起运动形成喷涌，土空隙中的水形成相对土体运动的集中渗流，原本以相同速度输送的土水产生相对运动，水体流量和流速相应的增大。较大流量的渗流水经过压力舱和螺旋输送机后其压力水头没有递减到和零相近的范围。渗流水在输送至出口的一瞬间，由于前方是临空的隧道内部，处于无压状态，渗流水便在忽然增大的压力下带动正常的砂土喷涌而出。

一般认为，影响喷涌发生的因素主要有盾构机的机械参数、开挖面的水头高度、压力舱和螺旋输送机的土体渗透系数，其中土体渗透系数对开挖面喷涌事故的发生具有较明显的影响，因此在防治喷涌时最有实际和有效的办法是改良开挖土的渗透系数。

（3）压力舱结饼

“结饼”是由于缺乏流动性的开挖土在密封舱隔板

压力的作用下，发生压密、固结排水，形成坚硬“泥饼”的现象，如图7所示。

图7 “泥饼”现象 Fig. 7 Mud cake

一般认为，渗透系数越大和压缩系数越小，土体固结越迅速，要想在盾构施工中避免“结饼”问题的发生，则应对土体的渗透系数和压缩系数进行改良，通过注入平衡泥浆或者发泡剂以减小密封舱土体的渗透系数，加大土体压缩系数。

4 结 语

本文通过查阅国内相关文献资料，对我国三个典型水文地质条件的地铁在建城市广州、杭州、成都的采用盾构法施工时的关键问题进行整理。

（1）本文首先简要介绍了盾构法的基本原理与盾构机械，并对盾构法的施工步骤进行了说明。

（2）本文还就杭州、广州、成都等三个地铁在建城市的盾构法施工过程中遇到的主要问题及其解决方案进行了文献查阅及整理，如杭州的开挖面稳定性及土的改性问题，广州的地层上软下硬引起的刀具选择和坍塌问题，及成都的软石引起的刀具破坏及地层变形问题等。

（3）通过分析对比三个城市所面临的主要问题的异同点，本文得出结论：盾构法施工存在两大核心问题，开挖面稳定性问题与地层变形问题，并对其具体表现形式及解决方案作了更进一步的分析讨论。

（4）本文还得出结论：由于各地的地质、水文情况存在较大差异，因此，在运用盾构法时，需要因地制宜，在开工之前需要对该地土质进行详细的勘测，为施工奠

定良好的基础。

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