【摘 要】随着城市的高速发展，城市人口急剧膨胀，城市交通拥堵是人们面临的一个难题，地铁交通能够很好地解决目前城市面临的交通拥挤的问题，盾构法是地铁隧道施工的重要办法。但是在具体施工过程中，不仅要考虑盾构隧道自身的安全，还要考虑到其在推进过程中对周围事物影响。盾构法施工不可避免的会对地层造成影响，当引起地层严重变形时，会危及邻近建筑物。在使用盾构法施工过程中，要及时采取措施，将对周围建筑物的影响降低到最小。
【关键词】地铁隧道；盾构法；地面沉降；技术施工
1、盾构施工法简介
盾构施工法是修建地铁隧道常用的技术，它是原理是使用盾构机在地下进行挖掘，在防止开挖面坍塌的同时进行开挖和衬砌作业，最终构筑成隧道。盾构施工法有三大要素组成，稳定开挖面、衬砌以及盾构机挖掘。
盾构可以按不同的方式进行分类，按照形状可以分为圆形、马蹄形以及矩形等。圆形盾构机的应用较为广泛，因为它对地层中土压力和水压力的抵抗作用大，再加上衬砌拼装较为简单，构件易于更换，因而使用广泛。按照开挖方式，可以分为手工、半机械和机械挖掘式。按照盾构前部构造可以分为敞胸和闭胸式。
盾构施工法是利用盾构机在地面以下挖掘隧道的施工方法，盾构是一种活动钢筒结构，它可以支撑地面压力，同时也可以在地层中掘进。钢筒的前端配有开挖和支撑土体的设备，中段安装千斤顶，尾端的设备主要用于拼装预制，也可以现浇隧道衬砌环。盾构掘进一环的距离便拼装一环衬砌，并将砂浆压注到环外的空隙中，防止隧道和地面下沉。衬砌环承担盾构机掘进过程中的反力，修建地铁前，需要先修建一个竖井，将盾构安装在竖井处，方便将开挖出来的土体由竖井送到地面。
2、盾构机分类与组成
从盾构机的类型上看，主要可以分为压缩式的、土平衡式的以及泥浆式的盾构机，这些不同种类的盾构机应用在工程建设中，其工作方式也不尽相同。从组成上进行分析，盾构机的构成相对复杂，其中包含了众多的零部件，以土压平衡式的盾构机为例，主要的断面形状为圆形，是由钢板组成的，分为主机结构以及下部结构。又如压缩式盾构机，这种类型的盾构机出现的时间较早，主要利用了压缩空气的原理进行盾构，但是如果施工人员长期处在压缩空气的环境中，在一定能够程度上也会影响到对隧道的掘进速度以及衬砌，针对这一问题的出现，压缩空气式盾构压缩机就应运而生，盾构机的种类还有很多，在这里就不一一加以赘述了，但是可以明确的是，盾构机的出现确实为地下工程的施工建设做出了重要的贡献，地铁隧道工程就是一个很好的例子。
3、盾构法在地铁隧道施工中的关键技术
3.1 加固始发井
需要在始发井的端部进行加固，这样做的目的是为了确保施工过程能够更加安全，防止出现塌落的现象。在进行施工前，应该事先对周围的地质水文情况进行充分的了解，以确保施工的有效性，然后调试好盾构机，将盾构机的性能得到最大化的发挥，进行调试的过程中主要分为两个部分，一部分是空载调试，另外一部分是负载调试，在进行空载调试时主要矫正了泥浆、润滑、配电以及冷却等多个系统中可能出现的问题。在确保空载调试完成的基础上再进行负载调试，主要对管线进行严格的检查，以完善工程中相关计算的准确性。
3.2 对始发设备进行安装
先按照设计图中的要求将始发姿态进行确定，保留下空间位置，然后根据严谨的计算确定出基座的位置，在始发前，要将基座两端进行加固处理，确保能够顺利的实施。将反力架与盾构主机相连接，作为反推作用力推动盾构始发，反力架与基座呈垂直方向。在进行准确的定位后，需要将负环管片与反力架同时进行安装。紧接着将洞口进行临时性的密封，因为洞口会有地下水以及泥水的流经，这样将其密封住后，可以有效的防止流入洞口中，确保了工程的顺利进行，同时也有效的控制了盾构机在开挖的过程中由于受到挖面的压力影响而造成的土体不稳的情况，由此可见，在进行盾构始发前，相应的密封工作是十分必要的，施工人员应该进一步优化密封过程，做到高品质的工程建设。
3.3 盾构掘进施工
一般情况下，在盾构掘进的过程中首先向前掘进45m，这一阶段属于试验阶段，如果没有问题则继续向前掘进，当深度达到90m时，将负环管片从盾构机中拆除，试验阶段最主要的作用就是为了保证盾构机能够达到最佳的施工状态，同时对于地质环境也具有初步的掌握，为了收集地下施工条件而进行的试验。在此基础上，按照相关流程进行快速的掘进才能达到理想的工程施工效果。在完成试验阶段后，进入正常工作阶段，需要对设备进行相应的调整，具体的调整内容有：拆除始发基座、反力架和负环管片；在站内铺设双线轨道；其它各种管线的连接与延伸。
盾构机正常掘进时，应做好以下方面的工作：①根据工程地质条件和试验段掘进工程中的监测结果，对掘进参数做进一步优化。②在正常推进的过程中，采用试验段掘进阶段所掌握的最佳施工参数，并通过对施工监测的加强，以不断完善施工工艺，控制地面沉降。在推进过程中，需对推进里程进行严格控制，将施工测量结果与计算坐标相对比校核，及时作出调整。③在盾构掘进的全过程中，必须严格受控，地铁工程技术人员应根据隧道埋深、地质变化、地表沉降、地面荷载、盾构机性能、千斤顶推力和刀盘扭矩等各种测量数据和勘探信息，正确下达每班掘进指令，并即时跟踪调整。④盾构机需根据当班指令设定参数进行推进，推进出土、泥水流量和衬砌注浆应同步进行。当初始出现小的偏差时，应及时对其纠正，但一次纠偏量不宜太大，以减少和避免对地层的扰动。
3.4 管片安装
管片安装之前应先做好防水处理，并将连接件和管片备齐，盾尾杂物需清理干净，检查设备运转正常后即可进行管片的安装。管片的安装顺序是先就位底部管片，然后由下往上的左右交叉安装，每环相邻管片应控制封口尺寸和环面平整度，最后插入封顶管片中成环。
3.5 盾构机接收阶段的掘进参数选择
①接收前50环内的测量复核与姿态调整阶段为确保盾构接收时的贯通精度，在接收前50环时进行一次复核测量。复测按照规范严格进行并报监理及总控测量单位复核，保证测量工作无误。②盾构机距离洞门结构混凝土30m～3.5m掘进阶段此阶段的掘进速度和土仓压力与前阶段掘进一样，按常规控制，但此段施工应一定加强注意调整盾构机的姿态，使盾构机的掘进方向尽量与原设计轴线方向一致。③盾构机距离洞门结构混凝土3.5m～2m掘进阶段盾构机进入加固区时，凿除洞门结构混凝土，并割断洞门结构墙钢筋混凝土外侧的钢筋，保留内侧钢筋和30cm混凝土。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆④盾构机距离洞门2m～20cm掘进阶段掘进过程中密切注视洞口情况，直至洞门混凝土松动或开裂，不可能再掘进为止。注浆完成后，立即开始切割混凝土分块槽内钢筋，由下到上逐块吊出洞门混凝土块，并清除碎片及泥土，在此之前做好洞门防水帘幕的安装及接收架的安装工作。⑤盾构机距离洞门20cm到进入车站露出掘进阶段盾构机继续前进并拼装管片，此阶段由于洞门结构已经完全破除，无土体压力，速度根据实际情况决定。
4、地铁隧道盾构法施工技术对邻近建筑物的影响
地铁隧道通常经过人流密集、建筑物密集的市中心，在修建隧道时要保证周围的建筑物能够正常使用，不能出现过度的侧移或者沉降。与此同时，路面的交通要正常同行。盾构法的在施工过程中有很多优势，比如施工安全快速、防渗漏水性良好，再加上对周围环境的影响小，因此在地铁修建中得到广泛应用。地铁隧道在开挖过程中，不可避免的会影响到周围的建筑物，引起建筑物的沉降，这和开挖的方法和过程有关，同时与建筑物的结构以及基础也存在联系。
4.1 建筑物结构内力分析。建筑物的受力部分主要是梁和柱，对建筑物的内力进行分析，主要是监测面向隧道开挖侧的顶层与第一层梁的弯矩、轴力以及剪力，开挖侧多对应的柱子轴力变化。通过对隧道周围建筑物结构内力的分析，可以得出以下结论：
当建筑物与隧道纵向平行时，在开挖推进过程中，楼板梁的弯矩和剪力以及柱子的轴力随之减小，表现为卸载。
在开挖推进过程中，背向开挖侧楼板梁的弯矩、剪力以及柱子轴力增加，表现为加载。
地层梁柱的内力增幅或者减幅较顶层大，变化更为剧烈，顶层梁柱的内力在开挖过程中受到的影响较小。
4.2 隧道掘进方向上的地表沉降分析。隧道在开挖过程中，地表沉降呈现动态变化，通过监测可知：
隧道掘进过程中，隧道中心位置沉降值最大，变化迅速。隧道的开挖面离建筑物有一定距离时，建筑物的基础底部已经发生沉降现象。开挖面离建筑物越近，沉降的幅度越大，建筑物基础底部的沉降差异随之加大，但最大沉降仍在隧道中心处的位置。通常情况下，隧道中心两侧的沉降不对称，这和建筑物的刚度以及自身的重量有直接关系。
地表沉降是影响建筑物稳定性的重要因素，因为它对建筑物的基础造成很大的破坏。盾构施工造成的沉降类型有初始沉降、团结沉降以及盾构通过时沉降和盾尾沉降。地表沉降的成因是盾构施工降低地下水位，导致有效应力增加而孔隙水压力变小，再加上盾构推力的作用似的反力增加而造成。施工扰动、注浆不足或者有残余都会造成地表沉降。地面沉降过大会造成建筑物的严重破坏，甚至出现倒塌引发事故。
5、地铁隧道盾构法施工技术对邻近建筑物的应对措施
5.1 盾构施工控制。主要是优化施工的参数，从源头采取措施控制掘进过程中对土层的扰动，最大限度降低对建筑物的影响。对地铁隧道沿线邻近建筑物的保护，应主动采取措施，防患于未然。施工前，优化施工参数，通过对地面以及建筑物的预测，制定合理的施工参数；施工过程中，可以借助信息化技术，控制地层变形，将对建筑物的影响降到最小。
开挖面的土压力：应根据覆土厚度设定施工参数，保持开挖面土压力的平衡，在一定程度上减少土体的坍塌、变形。
盾构推进的速度：根据地质条件选择不同的速度，以使土体受到切削为佳，不能造成土体挤压。在掘进过程中重视对速度的调整，降低前仓压力的波动。
壁后注浆：在注浆过程中要设置的参数有注浆的材料、时间、压力以及注浆量。注浆材料的稠度值为10.5～11.0，选用性能优良的材料。从理论上看，注浆压力只需使入口的压力大于该处水土压力之和，但实际注浆量通常大于预计量，因此要重视注浆量的计算。
5.2 加固地层。
隔断法：盾构掘进前，在施工面与建筑物间设置隔断墙，减少土体的沉降与位移，避免施工对建筑物造成严重破坏。隔断墙由钢板柱、树根桩或者对地层注浆加固等组成，主要用于承受土压力和沉降的阻力，防止建筑物发生变形。
注浆加固地基：对建筑物的地基注入固结材料，使空隙得到加固，防止施工过程中出现土体松散坍塌，避免地基变形以及出现沉降，防止建筑物出现大幅度的破坏。
基础托换法：这种方法费用较高，并且对施工的技术要求很高。主要是事先在隧道两侧设置新桩基和承载梁，用以替代原有的，这种方法可以防止建筑物大幅度变形，效果较好。
5.3 加固建筑物本身。对建筑物本身进行加固，主要通过提高建筑物的结构刚度完成，具体方法如下：
增大截面法：对建筑物的土梁、板或者柱子进行混凝土外包，起到加固的作用，加固砖墙可以增设砖扶壁柱。这种方法可以增大建筑物构建的刚度，提高其承载能力，防止建筑物构件的变形。
外包钢法：用高强度的钢或者钢板包裹在建筑物构件或构件周围，提高建筑物构件的性能。这种方法是在不增加构件截面的基础上提高构件的承载力，适用于混凝土结构的建筑物，增强构件结构的刚度，最终起到加固建筑物本身的效果。
6、结束语
综上所述，利用盾构法进行地铁隧道的施工是一种十分有效并且现代化的施工技术，在今后的工程发展中我们可以将其进一步的优化，应用在其他工程项目中。
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论文作者:李洪博
论文发表刊物:《低碳地产》2016年8月第16期
论文发表时间:2016/11/11
标签：盾构论文; 建筑物论文; 隧道论文; 管片论文; 过程中论文; 地铁论文; 阶段论文; 《低碳地产》2016年8月第16期论文;