典型地质条件下盾构法施工(图)

目前，国内城市轨道交通工程发展迅速，盾构法在隧道工程施工中得到了越来越广泛的应用，具不完全统计，全国目前在城市轨道、引水、公路、过江等隧道工程中共有盾构机400余台。目前盾构法施工中，部分典型地质条件下的施工方法还存在着一些问题。解决这部分典型地质条件下的盾构法施工中存在的问题，是保证盾构施工安全、工程质量及施工进度的前提。我们根据多年的经验，对不同地层的施工提出了一些改善方法。

复合地层

复合地层以硬岩为主，兼风化岩层或软土地层，存在软硬不均情况，主要分布在我国的华南广州、深圳等地区。武汉局部地区存在类似地层，多数地区选用土压平衡式盾构机施工，少部分选用泥水加压式盾构机。

泥水加压式盾构机在穿黄二期富水砂层施工

盾构法在复合地层中施工气密性不好，在对地层加固开仓进行常压换刀作业时成本较大，时间较长，从工效和经济上都不合算。

盾构机刀盘有较大的驱动力、脱困扭矩和推力是在硬岩中掘进的必要条件。为此，盾构机刀盘采用面板式，并在确保刀盘强度和刚度的条件下，尽可能加大刀盘的开口率。这样一方面便于渣土流进土仓，另一方面可减少渣土对面板的磨损和刀盘的磨阻力。刀盘上还要有足量的滚刀和周边刀，滚刀启动扭矩要小，耐磨性要高。

如广州地铁三号线北延段某标段，在同一地质条件下正常施工使用的2台盾构机，因设计参数差异不同造成工效和成本差异很大。某品牌的盾构机刀盘开口率只有22%～25%，刀盘上只能安排39把滚刀，滚刀的启动力矩为60 kN·m；而另一品牌的盾构机刀盘开口率在30%以上，刀盘上可安排40～41把滚刀，滚刀的启动力矩为20～30 kN·m。在该区间复合地层中施工时，前者掘进150环（管片每环宽度1.5 m）滚刀即发生偏磨，必须更换刀具，而后者掘进至450环才更换刀具。这是因为后者在降低滚刀的启动力矩、加大开口率（在不降低滚刀破岩能力的前提下）后，破岩能力明显增强，且不易发生偏磨，故后者为今后盾构机刀盘设计上的方向之一。

砂层、砂卵石地层

砂层、砂卵石地层以成都、沈阳地区为代表，北京西南部、南京、西安、哈尔滨等部分地区也存在类似地层。这种地层基本选用土压平衡式盾构机进行施工，主要采用辐条式刀盘，在该种地层施工的盾构机应注意以下几点。

1.成都地铁一号线全断面砂卵石地层 2.深圳地铁三号线软硬不均地层

开口率宜大，驱动扭矩宜大

长距离在较为均匀的全断面砂卵石地层中掘进，与在硬岩中掘进一样，要求在确保刀盘强度和刚度的条件下，开口率尽可能大，刀盘择要有较大的驱动扭矩，特别是在设计上需提高刀具的耐磨性。

澎润土输送能力要高

用澎润土等对渣土进行有效改良，是确保盾构机顺利均衡掘进的前提。该种地层要求盾构机本身要有较大的澎润土输送能力，且澎润土黏度要高、密度要大，已有部分施工单位改用管道向盾构机内输送澎润土，把土压平衡盾构机当作“准泥水盾构机”来使用。故今后在盾构机设计时，应考虑注入设备和相应的输送渠道。

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在西安地铁二号线北客站至北苑站盾构区间施工时，通过实验总结出了一套“澎润土+黄土+工业碱+水”的配方，在全断面砂层和砂卵石地层施工中取得了良好的效果，确保了地面建构筑物的安全和风险源的顺利通过。

换刀需分析地层透气性

针对盾构机在全断面砂层、砂卵石地层中的换刀问题，需认真研究地层透气性。若地层透气性较好，即气密性较差，换刀前必须对地层进行预先加固，确保其气密性较好和地层稳定；若地层不易透气，则应更多地考虑对刀具进行改进，增加其耐磨性和强度，以减少换刀次数。

加大盾尾同步注浆量

要严格控制每环的出土量，加大盾尾同步注浆量，确保盾尾注浆饱满和注浆压力足够，以免造成地面坍塌。必要时应及时进行二次补浆，特别是自稳性好的砂卵石地层，若同步注浆量不足，盾构通过后相当长的一段时间还易出现地面坍塌。

广州地铁五号线穿越溶洞群

区别对待中粗砂和细砂

全断面砂层分中粗砂和细砂，对这两种沙层应区别对待。粉细砂易流动，若盾构隧道顶部出现粉细砂，则盾构掘进易出现塌方和超挖，此时应严格建立土压平衡模式，严格控制每环的出土量。

软土、淤泥质地层

淤泥质地层地层敏感性高，主要分布在我国华东地区，以上海、天津地区地层为代表。软土包括黄土、黏土和粉质黏土等，在无水情况下地层自稳性好，以西安、郑州地区地层为代表，南京、北京东北部分地区存在类似地层。

盾构机在软土、淤泥质地层中均采用土压平衡盾构机进行施工，这样可严格控制土仓压力。为此盾构机在设计和施工中应注意以下几点：盾构机在设计上应采用辐条式刀盘，要求开口率大，刀具的间距稍大；对于黄土（主要指新黄土、老黄土和古土壤），用泡沫进行改良效果不是很明显，应主要靠加注澎润土或水进行改良。

西安地区隧道上部局部存在湿陷性黄土和饱和软黄土，盾构施工通过重要建筑物或风险点时，需根据隧道埋深建立“过土压平衡”模式，才能确保沉降稳定。如在西安地铁二号线安远门站至永宁门站盾构区间、一号线玉祥门站至朝阳门站盾构区间，采用“过土压平衡”模式，盾构机2次成功绕穿钟楼，8次成功下穿明城墙等国家级文物。

郑州地铁一号线二七纪念塔站至郑州火车站盾构区间，地层主要以粉质黏土和粉土为主，该区间通过采取“过土压平衡”模式、严格控制每环出土量、加大注浆量等安全措施，下穿多幢五六十年代修建的砖混结构住宅楼，取得了成功。

富水砂层或富水砂卵石地层

对于富水砂层或富水砂卵石地层，在卵石粒径不太大的情况下，适于采用泥水加压式盾构机施工，仅在广州地区局部和某些过江隧道中应用。该施工方法适合于卵石直径比较均一地层，对于有大孤石的地区需采取相关工程措施预处理。在盾构机选型阶段，当泥水加压式盾构机和土压平衡式盾构机都适应时，应优选土压平衡盾构机。

长距离、全断面硬岩地层

在长距离、全断面硬岩的地层中施工，可选用TBM或全开敞式盾构机。如重庆地铁六号线一期五里店站至大龙山站盾构区间。

在长距离全断面硬岩或岩石单轴抗压强度较低且易破碎的地层中施工时，可通过适当增大土压平衡盾构机的装机功率、提高刀盘与螺旋输送器的耐磨性以及增加滚刀的数量等方法，使其适应该地层的施工。

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责任编辑：Eason