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摘要：伴随着我国经济的飞速发展，城市化进程不断加快，城市轨道交通的建设规模进一步扩大。但在施工过程中，隧道的挖掘总是会受到各种因素的影响，在这样的情况下，盾构掘进施工技术得到了越来越广泛的应用。因此，文章就城市轨道交通盾构掘进施工技术与质量控制措施展开分析，希望为推动我国城市轨道交通建设事业的发展提供一定借鉴。
关键词：城市轨道交通；盾构掘进；施工技术；质量控制
1、简述城市轨道交通发展状况
1.1城市轨道交通建设发展现状
我国城市轨道交通建设在建国后就开始受到重视，并从那时开始逐渐地发展起来。在改革开放之前，我国的城市化水平不高，城市人口量还没有呈现拥挤密集状态，加之当时的经济条件和科技条件有限，导致城市轨道交通建设在改革开放之前发展也并不快速，是初步发展阶段。受国家领导方针的影响，改革开放以后国家形成了一个经济发展大潮，城市轨道交通建设在政策重视、经济水平提高、科技发展迅速、城市化进程加快、人口密集等诸多因素的推动下开始迎来了快速发展时期。据相关数据显示，至2013年末我国已经有19个城市拥有城市轨道运营铁路，城市轨道铁路总数已经达到87条。至此可以看出，城市轨道交通建设迎来快速发展时期。
1.2城市轨道交通建设施工技术的选择
城市轨道交通建设在选择最优施工技术时，会对不同的施工技术的优缺点进行比较，从中选择最让人满意的施工技术。目前我国已经采用过的城市轨道交通施工技术主要有以下几种。①明挖法。明挖法是在地面进行施工，这种方法具有很大的局限性。之所以建设城市轨道交通就是因为当地的人流密集、交通拥挤，明挖法会阻塞交通且持续时间很长，会使当地的交通更加不畅，影响人们生活。②矿山法。尽管矿山法能够解决明挖法阻塞交通的问题，但是这项技术的安全和质量得不到保证。③暗挖法。这项技术尽管在地下施工但技术不成熟，带来的风险很大。④盖挖法。盖挖法相对暗挖法来说安全一点，但是非常复杂，不适合建设城市轨道交通。⑤盾构法。盾构法是目前城市轨道交通建设最为普遍的一种方法，这项技术在场地占用、影响居民生活、质量保证、安全保证等方面都做得不错。
1.3城市轨道交通建设施工的特点
城市轨道交通建设工程是一项基础设施建设工程，关乎着广大人民的利益，因此在质量和安全方面必须实行高要求、高标准。想要对城市轨道交通建设实行高要求、高标准，就必须对城市轨道交通施工的特点进行了解，从不同的特点方面着手进行。城市轨道交通建设施工具有很多特点，这与城市轨道本身的特点是分不开的。①城市轨道交通建设在城市内部道路进行，为了尽力降低施工对道路的影响，要求施工建设尽可能缩小场地面积。②城市轨道交通建设是一条长的路线，需要施工队伍形成一个系统，各个要素各司其职，从设计、计划到施工和最后检查都需要配合地很好。③城市轨道交通建设需要选择最优的施工技术，为施工工程提供技术保障。城市轨道交通建设在地下建设铁轨，会面临很多风险，例如岩石沉降、地下水泄露等等。这些特点是城市轨道交通在建设之前必须要考虑到的，其中的困难和分险需要施工工程克服。
2、盾构掘进施工技术
盾构掘进是轨道交通施工的重要环节，其能否顺利进行是保证工程质量的关键，在具体的施工过程中，应确保各个环节紧密配合，使得项目的进度、质量能够满足设计要求。
2.1掘进控制程序
盾构掘进施工，影响着后续的施工工作，多年的工程实践表明，其关键技术包括以下方面：地层的充分切削、破碎；破碎下来的地层能否有序排出。因此，对于掘进程序的控制就显得非常重要，特别是面对不同的地层环境、地质特点，应科学选择器械设备，并对相关的推力、转速等进行合理的控制。
2.2掘进模式选择
在施工阶段，应根据当地环境情况选择合适的掘进模式，因为不同的模式有着特有的适用条件，文章对此进行详细的分析。
（1）敞开式，主要用于自稳、地下水较少的岩层。在施工中应用这一模式，切削得到的渣土进入土舱内，进而被螺旋输送机送出。仅剩余很少的渣土，基本处在清空的状态，掘进过程中机械设备所受到的扭力也比较小。考虑到其中的压力为大气压，因此无法支撑开地层，也难以阻止地下水的渗透。
（2）半敞开式，主要用于具有自稳能力，且地下水压力较低的地层。在施工中应用这一模式，得到的碴土不会充满土仓，会留下一定的空间，可以通过向其中输入空气的方式来支撑开挖面或是避免地下水的渗透。所以说，其防渗透以及稳定的效果会受到压缩空气压力大小的影响。同时，要采取一定措施对挖出的渣土进行改良。
（3）土压平衡式，主要用于稳定性较差的软土、富水地层。在施工中应用这一模式，得到的碴土会充满土仓，并形成与其内部压力相平衡的压力，来支撑开挖面或是避免地下水的渗透。可以通过控制盾构的运行速度来对其中的压力进行控制，并根据得到的压力数值来对其速度进行适当的调整。在该模式下，机械设备所受到的反扭力是比较大的，要特别重视对碴土的改良。
2.3掘进方向控制
在实际的施工阶段，考虑到地层特性差异、坡度变化以及操作方法等的影响，掘进很难完全按照最初的设计线路推进，很多情况下都会出现一定程度的偏差。当产生的偏差较大时，就会影响到施工质量，甚至发生开裂、渗水等现象。因此，在施工过程中必须采取必要的措施来控制好掘进方向，在出现偏差时迅速加以纠正。
（1）应用导向系统及人工测量方法进行盾构姿态监测。采用该方法可以有效检测机器的位置，以实现准确的导向工作。利用安装在地下的测量仪器得到棱镜的位置，能够定位到机器所在的方位，也就能计算出其与设计路线之间的偏差。通过得到的数据来调整掘进方向，使其处在一定的偏差范围。同时，还需要通过人工测量来实现更加精准的定位，以确保推进方向的准确性、可靠性。
（2）应用分区操作盾构机推进油缸进行掘进方向控制。在施工过程中，应密切结合施工现场情况，根据盾构机的运行状态与设计线路的偏差对其进行适当的调整，同时还要时刻注意千斤顶的压力差，确保其在一定范围以内，以免造成意外破损。
3、盾构掘进主要参数控制要点
3.1地质及环境调查
（1）工程师每天在平面图、纵面图相应位置上标注盾构机机头和机尾的位置，查清设计图的地质和地面建（构）筑物。
（2）工程师每天在螺旋输送机口进行渣土取样，一部分渣样用袋装好，并标注位置；另一部分渣土对照勘察结果，判断出渣的颜色，粘土、洗渣中沙、岩石的含量是否与勘察吻合，不吻合的要判断地质对盾构施工的影响。
（3）对不良地层，如液化的砂层、中粗砂、流塑的淤泥层、溶洞、软硬不断地层、全断面花岗岩都要在施工中预警。
（4）理清线路上建筑物、构筑物的平面关系、垂直距离，以指导盾构掘进模式、土压力设置。
3.2盾构推力、铰接压力、盾构扭矩、盾构刀盘转速及盾构掘进速
（1）施工检查时，每天密切注意盾构推力（主动铰接压力要叠加计算）、盾构扭矩、盾构刀盘转速及盾构掘进速的参数变化，结合地质、土压及掘进速度的变化，判断掘进参数是否正常，同类地层、掘进速度一定和土压变化小前提下，盾构掘进参数变化相应较小，否则视为异常。
（2）盾构推力不断变大，速度不断下降，扭矩不断增大或变小都视为异常，要分析原因，找到对策。
（3）在不同的地层设定不同的刀盘转速，刀盘转速在纯软土地层常设定为0.5-1rpm；在硬岩、复合地层1.5rpm较为常用。在硬岩、孤石及更换新刀具后，都以放慢刀盘转速，刀盘转速过快容易发生刀具撞击损坏。
（4）项目部要判断盾构掘进的“有效推力”的参数。同时盾构掘进中，要掌握分区推力，避免偏压或压力集中损坏隧道管片。
3.3注浆量及注浆压力控制
（1）盾构隧道注浆时，要保证壁后空隙应全部充填密实，注浆量充填系数宜为1.3～2.5。盾构掘进采用注浆量和注浆压力两个参数控制环形间隙填充效果。
（2）浆中容易出现如下几方面异常情况：①注浆量很大，压力很小，要检查地面盾尾和土仓是否存在“跑浆”的异常现象，要立即停止注浆，采取对策，尤其要预防水泥凝结卡住刀盘；②注浆量很大，压力很小，分析该地段地层有溶洞发育现象，要放慢掘进速度，增加注浆量，直到注浆压力能达到设定压力恒压为止；③注浆压力不断上升，但注浆量很少，该情况很可能已堵管，需及时清理管道，更换已沉降初凝的砂浆；④要控制最大注浆压力，注浆压力不宜大于理论隧道埋深水土压力的1.2倍，否则注浆压力容易击穿盾尾密封，破坏隧道永久结构。
（3）盾构工程既可以采用盾构自带的注浆系统进行同步注浆，也可以在盾构机上增加一套补充注浆的设备，利用管片上的注浆孔进行注浆工作。当盾构掘进中发现非地层透水因素导致喷涌时，可能是由于隧道四周的间隙汇集后方大量的水源所致，通过补充双液注浆，可以隔断后方的水源，保证盾构顺利掘进。在容易发生喷涌和上浮的隧道中施工，宜3-5环进行一次整环补充双液注浆，能有效控制盾构掘进的常见喷涌和上浮问题。
3.4土压平衡盾构掘进出土量的控制
（1）每环理论出渣量=Q虚＝K•Q实＝K•πR2•L，开挖半径选用刀盘半径，开挖出来的渣土松散，并且加入泡沫和水，体积变大，粘土层、全风化、强风化地层的体积增大，但是沙层、淤泥软土地层土方体积不大。
（2）项目部应针对每种地层统计出理论土渣量，出渣量应控制在地层松方系数及外加剂体积之和范围内，一般软土地层控制在理论体系100%以内，粘土及硬岩控制在130～150%。
（3）工程施工过程中，一般渣土的体积采用直观的测量方法，用每渣斗反算出掘进进尺。通过收集出渣的基础数量，每环第斗渣的进尺进行记录，很容易发现出渣异常现象，及时采取措施，以控制地表沉降。
3.5土压平衡盾构土仓压力的控制
（1）采用P1=K*γ*h1+γ水*h公式，结合技术人员对h\K经验值，计算出不同地层不同埋深时盾构掘进时理论的土压平衡的土仓压力。
（2）根据地面的环境和地层情况进行土仓压力控制，对于地层自称较好且地面没有需要保护的建筑物（构筑物）的线路，盾构可采用敞开式、半敞开式（加气压）的掘进模式。
（3）在沙层、淤泥软土地层或线路上对地层沉降要求较高的隧道施工，需建立土压平衡模式掘进。为了避免采用土压平衡模式掘进后，产生刀盘扭矩变大，掘进速度变慢，甚至刀盘结泥饼现象，要增加泡沫注入量达到渣土改良的目的。
（4）采用平衡模式掘进时，要通过气压置换土压的动态平衡模式掘进，可以提高掘进效率。
3.6泥水盾构泥水加压及泥水管理
泥水加压盾构工法是把经过合理调整好各项性能指标的泥水，通过流体输送设备，具备一定压力和流量后进入盾构机的土仓，与刀盘切削下来的泥土混合后被排出，经流体输送设备输送至泥水处理设备，分离出渣土和泥浆。渣土在场地上用车运走，有利用价值的泥浆水通过调整性能指标后，再次循环使用。
3.6.1切口水压设定
在泥水加压式盾构工法中，加在开挖面上的力，即用泥水使开挖面保持稳定的力，通常应与作用在开挖面上的土压在对抗中保持平衡，水压与开挖面上含水土体的垂直作用的重力和土的内摩擦角大小有关。切口水压的设定如下：
切口水压=P0十0.01MPa~0.02MPa
P0：土压（含水压），自然状态下盾构机头部2/3高度处的压力。
3.6.2设定切口水压的管理
工程开工前，在多个地点进行土质和地下水调查，预先决定每个地点的设定切口水压。
3.6.3设定切口水压的修正
除了修正每一调查点的设定切口水压值外，对设定的切口水压值尚需周密地考虑对开挖面状态的适应情况，进行推测并跟踪修正是至关重要的。
3.6.4泥水性能管理
（1）泥水的功能
施工中的泥水根据需要调节比重、粘度、塑变值、胶凝强度、泥壁形成性、润滑性，使其成为一种可塑流体。泥水盾构使用泥水的目的也就是用泥水来谋求开挖面稳定，在防止塌方的同时，将切削下来的土形成泥水并流畅地运往地面。在使用中，基本上是依照上述理论进行的。但由于是动态性质，且大量地使用泥水等，其经济性也列入考虑范围内。在满足上述性质要求的同时，多数是采用易于到手的，但部分性质又是较为低下的材料制成。泥水要具有：
在土的空隙中发生凝胶化
形成不透水泥膜
静水压作用
电渗现象
土粒子间的结合
用泥水结合土粒子。将泥水密度提高到等于全体密度是不可能的，切削面的上粒子必定是由土体的抗剪力支撑着。由此，作用在土粒子表面的剪切应力一定等于土和泥水密度差乘以土的容积之乘积。根据这一理论，大颗粒子难以稳定开挖面。
（2）泥水材料
泥水材料由水、膨润土、粘性土、砂、CMC。拌制泥浆前，应进行泥浆配合比的设计，膨润土泥浆常规配比如下：
表1膨润土造浆配比表（占水的百分比）
新制备的泥浆必须在泥浆池存放一定时间后才能使用。其性能指标应符合下表的规定：
表2制备泥浆的性能指标
（3）优质泥水所具有的性能：
比重适当能平衡开挖面压力；
粘度适当，塑变值和凝胶强度低；
能形成薄而牢固（或渗透壁）的泥水膜，逸水量少；
具有抑制全体塌方和泥水劣化的优越机能；
不易造成粘附；
润滑性能良好；
不易受盐分和水泥等电解质影响；
对于温度和压力的稳定性高；
对细菌和有机物具有免疫、不变化等性质。
（4）泥水的粘度
泥水的粘度是表示泥水的内部摩擦，它除了受泥水中含有的胶体粘土的粒径、类型、分散性。凝集性能等影响外，主要还受到复杂的界面电气现象所左右。对于泥水粘度的指标，使用漏斗粘度数值来表示，一般为25～40s。
3.7泡沫\聚合物等外加剂注入控制
（1）在盾构机泡沫改良系统中，要控制泡沫剂溶液浓度和泡沫发泡倍率等主要参数。渣土改良好坏直观感觉如下：当渣土出现泥水和渣土分离排出，输送皮带下不断掉泥浆，渣土改良较差。渣土流塑性好，呈“牙膏”状，没有粘手的感觉，瓣开渣土可见泡沫形成的气泡，综合判断渣土改良较好。当出渣“球团状”，土温烫手，类似不良现象容易结“泥饼”。
（2）聚合物一般应用在富水砂层或裂隙发育的岩层中盾构掘进渣土改良。聚合物溶液可以和膨润土浆液一起进行渣土改良。聚合物和膨润土浆液结合后在沙和岩石表面形成泥皮，渣土流塑性好，有效预防“喷涌”发生。
3.8盾构掘进线路轴线和姿态控制
盾构掘进过程中轴线控制偏离设计轴线不得大于+50mm；盾构垂直和水平偏差相邻环变化应控制在5㎜范围内为宜，可以确保成型隧道的平整度。
3.9盾构掘进施工监测控制
沿隧道线路正常方每隔5米纵向布置一个监测点，每隔25米水平方向布置不少于5个点的监测断面，对建筑物、构筑物每个角位布置监测点。盾构掘进中，对盾构刀盘前后50米线路范围内的测点进行监测。盾构正上方的测点在施工过程中沉降控制±5㎜为宜，盾构通过后在地表沉降量应控制在+10mm～-30mm。
4、隧道管片拼装质量控制要点
工程师每天巡查隧道，重点要控制隧道成型管片质量，要填写《盾构施工记录表》。检查管片运输中是否发生碰撞损坏，管片临时摆放对质量是否有影响，最常见的质量问题是管片外弧混凝土破损，已影响止水条固定导致永久隧道防水缺陷的管片要报废处理。要测量和记录盾尾间隙和盾构千斤顶行程，管片选型位置根据尾间隙和盾构千斤顶行程差两个参数确定管片选型，楔形量最大（纠偏环宽度最宽位置）宜对应千千斤顶行程最大或盾尾间隙最小位置。监理工程要详细记录每环隧道管片错台、破损、裂纹及渗漏的位置和状况，并在日报表中对质量问题进行分析，提出预防的对策。
5、盾构施工工程师日报表样式
6、结束语
在城市轨道交通的施工过程中，盾构掘进是最重要的环节之一，对于施工质量以及施工进度有着很大的影响，在施工阶段应确保各个部门都能紧密配合，团结协作。此外，在应用盾构施工时，要对其相应参数进行严格的控制，以确保施工质量不受影响。文章重点分析了城市轨道交通盾构掘进施工技术与质量控制措施，希望能够进一步提高我国轨道交通施工的安全性。
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论文作者:刘华清
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/7/19
标签：盾构论文; 泥水论文; 轨道交通论文; 渣土论文; 地层论文; 城市论文; 压力论文; 《基层建设》2019年第11期论文;