结合南京地铁建设谈盾构隧道施工？

南京地铁1号线盾构隧道概况

南京地铁1号线一期工程南起奥体中心站，北至迈皋桥，全长21.72km，* * * 15区间。其中五个半标段由EPB盾构施工，盾构推进总长约10.9km，设计由上海隧道设计院和中铁洛阳隧道设计院承担。盾构隧道最大覆盖厚度15m，最小厚度仅0.7m:隧道纵坡呈V型，最大纵坡度33%，形成高站低区间；最小平面曲线半径为400m .盾构隧道穿越的主要地层为:可塑~软塑状粉质粘土、粉土、粉砂、粉砂夹细砂。其中淤泥质粘土压缩性高，易产生土流，开挖面极不稳定。粉细砂，粉砂混细砂含水量丰富，透水性强，易产生涌水、涌砂；特别是有一段隧道长度为150m，处于严重液化区，在设计和施工中考虑了液化效应。

盾构隧道线经过的闹市区，街道狭窄，交通繁忙，道路两侧高楼林立，地下管线众多。隧道将穿越秦淮河、金川河、古城墙、在建玄武湖公路隧道及众多建筑。盾构穿越秦淮河时，覆土只有0.7m，盾构与在建玄武湖公路隧道底板最小净距只有1m，施工难度很大。

2盾构机的选择

南京地铁1号线盾构隧道内共有四台盾构机，其中三台为德国Herrick公司生产，1为日本三菱公司生产。根据南京地区的地质水文条件，主要为淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粉砂、粉土。地下水位在地表以下1 ~ 2m，渗透系数为5×10-3cm/s，易液化。采用的盾构类型只能是泥水盾构和土压平衡盾构。泥水盾构施工中，需要泥浆池进行泥浆分离，占地面积大，会对环境造成一定的污染。而且盾构价格昂贵，设备技术不容易掌握。EPB盾构适用于粉质粘土和含水砂质粉土层。另外还配有加泥装置，对控制地表沉降有很好的效果。因此，EPB屏蔽被选作四个屏蔽。

现以三靶盾构机为例，介绍盾构机的主要参数。该盾构机设计最大埋深18m，最大爬坡率35‰，最小过渡半径300m。盾构最大推力3560t，由16对32个千斤顶组成。盾构外径6340mm，盾构主机长度7400mm，盾构总长60m。刀盘最大扭矩469.4t·m，刀盘开度40%。

3盾构隧道施工

3.1盾构掘进基本情况

南京地铁1号线盾构隧道单线推进长度10.9km，分为三段，分别由四个盾构推进。其中，盾构一标段为中华门站北工作井-三山街站(试验段)至新街口-珠江路段，由上海隧道公司用三菱盾构施工。本标段单线推进长度3.206km，计划于2003年10年底完成，总工期31个月；本隧道顶部覆盖薄土，试验段仅4 ~ 10m；盾构穿越内秦淮河时需要进行抗浮处理，盾构机距离抗浮板底部只有0.8m。盾构第二标段为三山街-张富源-新街口，单线推进长度3.06km，计划于2003年10年底完成。该段由上海基础公司用德国Herrick公司的盾构施工。盾构第三标段为玄武门-徐福巷-南京站，单线推进长度4.57km，计划2003年2月底完成。该标段由洛阳隧道局用两台德国Herrick盾构机施工。这个标段有很多难点。盾构需穿越玄武湖、在建玄武湖隧道、古城墙、金川河及多处建筑，盾构部分穿越细砂地层。从目前施工情况来看，盾构施工较为顺利，现已成功穿越玄武湖隧道、内秦淮河和在建的金川河，沉降控制达到预期要求。盾构平均推进速度8 ~ 10周/天，盾构第三标段最高速度17周/天。

3.2盾构进出洞加固

盾构隧道共有24个进出洞端。根据地质条件、水文条件、地面环境分析，均需要加固。盾构隧道进出口是一个技术难度大、程序复杂的施工阶段。一旦处理不当，隧道洞口外的土很容易坍塌或流失，甚至盾构失控。因此，应在认真进行地质环境调查的基础上，采取合理的加固方案，严格控制盾构机进入加固区前的操作，向开挖面适当注入膨润土泥浆，低速推进刀盘，防止超负荷作业，避免盾构进入接收井前刀盘被搅拌桩或旋喷桩卡住而被迫推进的不利现象。

隧道内外端井地层加固范围为隧道开挖轮廓线外3.0m，始发端加固长度为6.0m，到达端加固长度为3.5m。但从施工情况来看，砂层段3.5m盾构到达段的加固长度较短。

盾构工作井加固方法的选择应根据地质、水文及周边环境等因素。由于地质复杂，南京地铁因地制宜地采用了多种加固方法，如深层搅拌、高压喷射灌浆、井点降水、冻结法等。，有时可以使用多种方法的组合。深层搅拌法适用于粘性土层和淤泥质土层；高压喷射灌浆法适用于砂土和粉土。加固后土体的强度控制在0.5MPa左右的无侧限抗压强度，加固土体要均匀，用防流砂密封，这对盾构安全进出隧道非常重要。

从目前盾构进出隧道的施工情况来看，三标段盾构出徐福巷进玄武门时施工比较顺利，但二标段和一标段盾构进出隧道时出现了一些问题。如某站二标段盾构出洞时出现两次涌砂，涌砂量为1100 m3，主要集中在洞口中心东、西侧。东部20m2区域地面沉降约1.5m，加固区西南部地面沉降约1.5m..因为洞口的混凝土已经被挖掉了，所以已经部分开裂。为了防止混凝土在入口处失稳，工字钢梁号。18焊接在洞口钢圈上作为横档，用木模浇筑C20混凝土加固。

为了防止流沙的再次发生，保证盾构机的安全，需要对端头井进行补充加固。因此考虑三种方法:深井降水法、旋喷桩加固法、冻结法。根据两次出砂流量来看，出砂量长期没有减少，反而有增加的趋势，说明地下水补给比较丰富，内秦淮河距离张富源南段的头井约50米，地下水和内秦淮河可能是相通的，不能保证降水效果。从理论上讲，该地层旋喷加固效果较好，但夹在连续墙和搅拌桩加实体之间进行旋喷补充加固，一边是坚硬的水泥土，一边是钢筋混凝土，影响成桩效果。另外，洞口连续墙已开裂，旋喷桩施工时可能出现侧漏，地层中可能有流水，对成桩有影响。最后决定采用冻结法对端头井进行补充加固，在盾构出洞方向沿工作井连续墙外侧布置冻结孔，在冻结孔内循环低温盐水，冻结冻结孔附近的含水地层，形成冻土墙。冻土墙保护下的盾构掘进。冻土墙设计有效厚度0.5m，有效宽度8.7m，冻结深度18.5m(孔周围冻土搭接宽度1m，下部搭接高度2.5m)。

由于大量流沙，盾构1号标段出站时盾构隧道口打不开。原隧道洞口周围土体采用单管喷射注浆加固，加固范围为隧道上部4m、下部3m、左右各3m、轴向6m。由于推进范围内很多地方存在纯粉砂含水层，流沙严重，导致很多地方加固效果不明显。因此，通过降水将地下水位降低到15m以下，以保证开孔时不出现涌砂和流沙。井点设置在隧道两侧2m处，沿盾构推进方向井点间距2.5m，每排5个***10，每个井管长17.5m，其中滤网长4.0m。

3.3盾构掘进参数的优化

在盾构施工中，尽量减少对周围土体的扰动，关键是保持盾构开挖面的稳定，并在管片离开盾尾后及时填补空隙。这就需要调整盾构掘进参数，做好同步注浆和二次注浆。

盾构掘进主要由以下10参数控制:刀盘和土仓压力、出土量、推进速度、螺旋速度、千斤顶总顶推力、注浆压力、盾构坡度、盾构姿态和管片拼装偏差等。为了合理选择盾构掘进参数，根据地质深度和环境条件对参数选择进行预测计算，并对盾构轴线以上的地表变形进行测量和反馈，以验证所选参数的合理性，优化施工参数。一般情况下，选择距工作井50 ~ 100 m范围作为试验段，通过试验段地表沉降观测，优化参数。土压平衡盾构是为了保证开挖面上的土压平衡，通过控制推进速度和调整排土量，可以使地层中的水土压力与土仓压力之差最小化。这种平衡是一种动态平衡。

3.4特殊工地的处理

这个项目有许多困难。下面只介绍两个工地的处理方案。

3.4.1盾构穿越在建玄武湖隧道。

盾构隧道两次穿越在建的玄武湖公路隧道，两隧道最小距离仅1.0m。

玄武湖隧道底部沉降控制严格，要求沉降控制在-20mm以内，隆起控制在5mm以内，盾构施工难度很大。为了盾构施工的安全和玄武湖隧道今后的运营安全，根据盾构施工过程中的模型试验和数值分析结果，采取了以下技术措施:

(1)由于是淤泥质粉质粘土，且夹层很薄，玄武湖隧道施工前，对隧道下部地铁进行了注浆加固(q0 & gt0.5 MPa)；

(2)玄武湖隧道设计中，为了增强隧道的纵向刚度，加强了底板的配筋，在底板下增设抗拔桩，使运营时的大部分荷载通过抗拔桩转移到下部基础，同时可以防止盾构隧道上浮；

(3)加强盾构施工过程中的监测，及时进行二次灌浆，控制土压平衡。

目前，盾构隧道左线已顺利通过玄武湖隧道。根据监测，玄武湖隧道最大沉降1.9mm，最大隆起1mm，满足预期要求。

3.4.2盾构穿越秦淮河

一号盾构在三山街至中华门盾构区间，需要穿越内秦淮河。此处覆盖层很薄，原河床石基下1.5m深度基本为毛石、碎砖等建筑垃圾，盾构距抗浮板底仅80cm，导致上部覆盖层无法加固压实，容易造成漏水漏泥，使隧道上部压力太小，隧道会向上漂移，下部产生空隙。此外，盾构掘进难以控制，盾构容易跑偏。因此，盾构穿越内秦淮河施工时采取了以下措施:清除碎石、砖块等建筑垃圾，覆土回填，并在其上浇筑70cm厚抗浮板；在屋顶下，盾构前部的土壤被压实并灌浆。注浆孔采用PVC管，内径100mm，加固深度7m，孔距、孔距1m，有* * * 161个加固孔，每个孔水泥用量为0.684t:盾构两侧打一排钻孔桩。

4盾构施工技术的发展

随着城市化水平的不断提高，地下空间会像地上空间一样过度密集，必然导致城市地铁建设向大深度、长距离、自动化、大断面或任意断面方向发展。为了适应城市地铁的发展，盾构施工技术有以下发展趋势。

(1)大深度

都市圈的地下管线五花八门，下水管道、燃气、通讯、电力电缆，地铁、地下商场、地下停车场等既有构筑物，使得地下空间越来越密集。新的轨道交通规划必然会避开这些已有的地下结构，向纵深发展。在地下深部进行盾构施工时，需要解决盾构刀盘密封、盾尾密封和深井施工等问题。

1980年，日本研发出刀盘100t/m2、盾尾密封止水系统的盾构，可连续掘进10km以上。其密封技术已在40多座地下水压超过30t/m2的盾构隧道中使用。在英吉利海峡盾构施工中，采用该止水系统，最大水压达到100t/m2，最大开挖长度达到20km。高水土压力下密封止水技术的发展，使盾构在深层施工成为可能。

随着盾构施工的深入，盾构井的施工难度越来越大，无论是施工安全、工期还是工程造价都无法得到有效控制。因此，有必要研究一些新的盾构机和相应的施工方法来解决竖井施工中的矛盾。1991年和1993年，日本分别开发了MSD盾构(两个盾构在地下通过机械连接相遇)和球形盾构，并据此开发了地下相遇法和纵横连续开挖法。地下相遇法是一种盾构机从隧道两端开挖，两台盾构机在地下相遇机械连接，取消中间轴的方法。纵横连续开挖法是用台球盾构从地面直角连续开挖竖井和水平隧道的方法。其主要特点是竖井也是用盾构机开挖，使得竖井施工速度快且安全。

(2)远距离

由于盾构施工深度的增加以及施工场地、工期和施工成本的限制，长距离盾构施工不可避免。长距离施工时，由于地质变化大，同一台盾构机掘进时可能会遇到软土、卵石、砂岩、岩石等地层。这就需要发展同一台盾构机在遇到不同地层时可以随意更换相应刀盘的技术，以及复合地层中的掘进技术。德国研制了KURUN盾构机，可以将刀盘旋转到盾构机内侧更换刀盘，避免了用中轴或地层注浆加固来更换刀盘。在同一开挖断面既有软土又有岩石或砂岩时，发明了两用盾构机。盾构机的刀盘配备了挖掘岩层的超硬切削钻头，挖掘泥土和沙子的切削刃，以及先进的地质钻机。施工时，开挖和管片安装同时进行，大大提高了施工速度。

盾构施工深度和长度增加后，不可避免地会遇到急转弯和陡坡，这是普通盾构施工无法完成的。1980年开发了全向铰接式屏蔽。目前铰接式盾构可以克服水平半径为10m的急弯，纵坡施工在30°以内。

(3)自动化

在大深度、长距离、高速度、大断面的盾构施工中，最重要的是缩短工期，降低劳动强度，保证施工安全，提高质量，这就要求提高盾构机施工的自动化水平。目前国外长距离盾构施工的盾构机一般配备以下系统:开挖管理、开挖面安全控制系统、导向自动控制系统、管片搬运和供应系统、管片自动安装系统。

(4)开挖断面多样化

圆形断面在受力上有优势，也适合盾构施工，容易拼装管片，所以盾构施工多采用圆形断面。但有时圆形截面无法有效利用。为了节省投资，理想的是根据需要挖掘地下部分。因此，日本于1987年研制出第一台MF泥水多圆盾构，于1991年研制出第一台DOT土压平衡多圆盾构，并相继研制出矩形盾构、椭圆形盾构等异形断面盾构。点盾构机刀盘位于同一平面，刀盘同步旋转；而MF盾构机的刀盘是交错开挖，切削面是面板结构。MF或DOT盾构既可用于建造多联隧道，也可用于建造单层多跨车站。目前世界上共有13台EPB盾构机，日本已有6个标段成功采用双圆盾构机施工。上海隧道公司与日本合作建设了上海M8线双圆盾构隧道。

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