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[摘要]：近几年来，随着长沙的经济不断发展，城市公共交通呈蓬勃发展趋势，现有的公共交通体系已无法满足需求。地铁以其快速便捷的优点成为了满足城市快速发展、改善交通现状的最好选择。为了跟上城市发展的脚步，长沙于2008年开始了城市地铁网络的建设。综合长沙地貌复杂，地铁网络设计覆盖面广的因素，地铁施工技术选择显得尤为重要，需要从多方面考虑所选技术的合理性。本文通过研究长沙地质存在的问题，结合对地铁2号线下穿湘江段的实例分析，探究长沙地铁施工技术。
[关键词]：地铁施工技术；盾构；长沙地质；
1、长沙地质构造以及地铁施工存在的问题
1.1长沙主要地形地貌
长沙市是湖南省省会城市，地处湖南省东北部，地表水系完整，河网密布，有湘江流经。由于位于湘浏盆地西缘，地势起伏，地貌复杂，其周边地质多为山洼， 地表岩层不断演化，从槽到台最后形成山洼，直到形成现在沿东北方向分布的断隆、断陷。本区的地貌主要为冲击平原（主要分布于湘江以东、捞刀河、浏阳河附近，），和低山丘陵。长沙西北岩层主要为变质岩，而花岗岩则多分布在东部的丘陵地带。[2]
1.2地铁网络广度对施工难度的影响
长沙地铁网络计划拟修建七条，其中有四条线路，即二、三、四、六号线横跨湘江，二号线在江中洲岛——橘子洲上设地铁站更是国内首开先河，其覆盖面之广、跨越地形之复杂使得施工时应格外注意对地形的勘测、防护措施的预先布置以及方案的及时调整。[5]尤其是跨湘江段，因为地下水位高，水压大，且湘江隧道典型地层具有软硬不均，遇水易软化、崩解的特点，所以施工中必须控制好开挖面支护压力和做好防水、堵水、排水措施。
1.3断裂对场地稳定性的影响
长沙的地铁修筑工程受断裂地貌影响。断裂带不稳定，容易诱发新的地震，在地铁的开挖进程中，断裂的稳定性影响就显得尤为重要。据美国地质学专家对一些断裂的全过程动力学分析可得到如下结论：断裂之间存在着不停息的周期错动，这会导致断裂带中相邻的褶皱失去联系而降低“锁固作用”，并且在移动的过程中，断层相互挤压，应变能逐渐释放，引发持续的小震，不会集聚很大的应变能从而形成大震，这种断裂蠕动起到类似于“安全阀”的作用。为避免断裂影响工程安全，要对地铁线路附近的断裂进行勘测，区分工程活动断裂与非工程活动断裂，对于非工程活动断裂可假设其只产生蠕变和难以观察到的小震，忽略其对施工的影响，对于工程活动断裂要尽量避开，另选路线或选择绕行。[3]
2、长沙地铁施工方法
2.1概况
到目前为止，长沙地铁一、二号线已全线贯通，投入运营中，同时三、四、五、六号线已开始施工。各个站点区段之间隧道的施工方法各有不同，据2号线实例统计，绝大多数的区段都是采用盾构法或明挖法。使用明挖法的站点有：溁湾镇站、五一广场站、万家丽广场站、长沙火车站、橘子洲站等十九个站点，使用盾构法的区段有溁湾镇站——橘子洲站区间、橘子洲站——五一广场站区间、五一广场站——芙蓉广场站区间、芙蓉广场站——迎宾路站区间、袁家岭站——长沙火车站区间等共十四个区间。[5]
2.2盾构法
盾构法是使用盾构机在地下掘进隧道的一项先进技术。它由英国布鲁诺开创于19世纪初，并于1843年成功挖通了史上第一条使用盾构法进行施工的地下隧道，此后，盾构法不断地被改进，世界各国根据自身地质情况与施工时遇到的实际问题将盾构法扩充至三大类，它们分别为单圆盾构法（只有单一隧道）；复原盾构法，又可称之为多元盾构法（常见的有双圆盾构、三圆盾构）以及异形非圆盾构法（常见的有矩形、椭圆、半圆、马蹄形盾构）。[1]
盾构法自发明以来，20世纪初便在以英美为代表的欧美发达国家快速发展了起来，为都市捷运系统、地铁网络发展、给排水管道建设做出了巨大贡献。盾构法具有开挖可靠性强、掘进速率快、人工依赖性小、劳动力使用程度低、对地面交通和地下给排水管道影响小、对环境、气候不敏感等优点，尤其适合应用于较为松散、承载地低的土层，或人工难以施工的含水层中，特别是在掘进规模大、距离长的项目中，盾构法往往具有普通明挖法无法比拟的经济效益是施工效率，[3]对于长沙这座繁忙的省会城市来说，在市中心挖地铁，施工场地势必会对地面空间造成影响，为了避免交通堵塞，占用地面空间较少的盾构法就被广泛地投入到长沙地铁的挖掘工程中。
3、长沙地铁2号线过江段实例分析
该段以溁湾镇站为起点，经过橘子洲上的橘子洲站，以五一广场站为终点，这项工程使用的是土压平衡盾构法，它是这样工作的：盾构机工作时，主引擎产生动力驱动盾构主轴承，再通过一系列机械齿轮咬合传力，带动盾构机前面的刀盘旋转掘进，刀具不断削掉迎面的泥土与岩石，产生的碎屑由螺旋输送机收集并通过履带派送到别的地方，刀盘后面有许多液压推进装置，能够对刀盘加力从而应对不同质地的土层，在切削面上，泥土不断被切削，盾构刀盘加力顶进，泥土压力达到稳定平衡状态。[4，5]
之所以使用土壓平衡盾构法施工，是因为地层土质的透水性能对盾构方法的选择起控制作用。土压平衡盾构法适用于地层透水系数小于〖10〗^（-7）m/s；当地层的渗水系数大于〖10〗^（-7）m/s并且小于〖10〗^（-4）m/s时，土压平衡盾构法和泥水平衡盾构法同样适用；当透水系数大于〖10〗^（-4）m/s时，由于土质较为疏松，土颗粒间空隙较大，土压平衡盾构法不擅于排净泥水，因此最好选用后者。[6]长沙地铁二号线过江段地层渗透系数高，当开挖面的水壓力及地层渗水系数较大时，由于积水排出速度慢，可能发生地下水在土仓中过量储蓄的情况，产生施工风险。而隧道建设中却选用了土压平衡盾构而非渗水系数高时常采用的泥水平衡盾构，原因有如下几点：
①经济因素：
土压平衡盾构施工法刀盘切削下来的碎屑处理通过履带运送到外部，除运送渣土的货车与起重设备外，不需要其余特殊设备协同施工，渣土清除运输成本较低；而泥水平衡盾构法产生的碎屑要通过泥水处理系统将砂石和水进行分离需要特定的设备，造价高昂，处理速度较慢。 ②场地因素：
土压平衡盾构的渣土呈泥块状，整体性较强，不离析，易装填运输，施工占地小，对地面交通影响不大；而泥水平衡盾构法处理切削下的渣土呈泥水状，需特殊处理后才可运输，泥水分离系统占用空间大，不利于地面作业的开展，同样也会影响城市地面交通。考虑到隧道施工地处于湘江两岸及橘子洲头，湘江东岸周边是繁华的商业区，高级餐厅以及综合商场林立于沿江大道远江侧，近江侧则有杜甫江阁、烟火表演观赏点等，人口稠密，没有提供大面积施工空间的条件。橘子洲是江中洲岛，本身面积不大，再加上其为著名旅游景点，岛上游览点、服务区数量多，占地广，游客较多，人流量大，更加无法为泥水处理系统提供场地。所以，根据施工地周边土地资源的实际情况，土压平衡盾构更加适宜于跨江段的施工。
③设备因素：
地铁二号线跨江段所采用的盾构机是“湘江一号”，是由中铁建重工集团自主研发的、拥有极高知识产权的盾构机。过江隧道建设时主要面临盾构磨损、隧道进水等问题，“湘江一号”对于盾构磨损问题进行了研究与创新，因地制宜地改进了设备的设计：组合式刀头的应用可应对不各种复杂的地质条件；刀盘前后设置了润滑剂输送口，通过泡沫状的润滑剂减小刀具与土体间的摩擦以减小损伤；对于隧道进水问题，“湘江一号”的螺旋输送机采用了双闸门，在掘进过程中如果发生了喷涌现象可及时控制。除此之外，“湘江一号”盾构机在渣土改良系统、密封系统、注浆系统、有毒有害气体监测装置等关键部位也进行了研究，有效化解了穿越湘江面临的高埋深、易结泥饼、坍塌及江底沼气等作业风险，保证了工程安全实施。[6-8]
4、总结与展望
综上所述，长沙地铁的各条线路主要采用的技术为土压平衡盾构法。在建设时，根据不同地质、不同区段的实际情况，对盾构方法进行了具体的满足需求的调整，并在原有施工方案的基础上进行了改造创新，因地制宜，使新技术能够更加高效合理的应用于施工中。
在实现中国梦的进程中，我们的发展方兴未艾，交通沟通着各个地方的人们，为祖国的繁荣昌盛起着中流砥柱的作用，各地的地铁网络建设也都存在着诸多问题。长沙地铁网络的建设方法为解决这些问题提供了一些很有参考价值的方案。希望在不久的将来，我国的地铁乃至整个交通网络都能建设成世界顶尖水平，为我国的发展打下良好基础！
[参考文献]：
[1]王梦恕.中国盾构和掘进机隧道技术现状
[2] 彭柏興.长沙地铁勘察若干问题的探讨
[3] 吴笑伟.国内外盾构技术现状与展望
[4] 褚东升.长沙地铁下穿湘江土压平衡盾构隧道掘进参数研究
[5] 刘宜胜.长沙地鐵五一广场站项目施工风险管理研究
[6] 张旭东.土压平衡盾构穿越富水砂层施工技术探讨
[7]琚时轩.土压平衡盾构和泥水平衡盾构的特点及适应性分析
[8]刘仁鹏.土压平衡盾构技术综述
[关键词]：地铁施工技术；盾构；长沙地质；
1、长沙地质构造以及地铁施工存在的问题
1.1长沙主要地形地貌
长沙市是湖南省省会城市，地处湖南省东北部，地表水系完整，河网密布，有湘江流经。由于位于湘浏盆地西缘，地势起伏，地貌复杂，其周边地质多为山洼， 地表岩层不断演化，从槽到台最后形成山洼，直到形成现在沿东北方向分布的断隆、断陷。本区的地貌主要为冲击平原（主要分布于湘江以东、捞刀河、浏阳河附近，），和低山丘陵。长沙西北岩层主要为变质岩，而花岗岩则多分布在东部的丘陵地带。[2]
1.2地铁网络广度对施工难度的影响
长沙地铁网络计划拟修建七条，其中有四条线路，即二、三、四、六号线横跨湘江，二号线在江中洲岛——橘子洲上设地铁站更是国内首开先河，其覆盖面之广、跨越地形之复杂使得施工时应格外注意对地形的勘测、防护措施的预先布置以及方案的及时调整。[5]尤其是跨湘江段，因为地下水位高，水压大，且湘江隧道典型地层具有软硬不均，遇水易软化、崩解的特点，所以施工中必须控制好开挖面支护压力和做好防水、堵水、排水措施。
1.3断裂对场地稳定性的影响
长沙的地铁修筑工程受断裂地貌影响。断裂带不稳定，容易诱发新的地震，在地铁的开挖进程中，断裂的稳定性影响就显得尤为重要。据美国地质学专家对一些断裂的全过程动力学分析可得到如下结论：断裂之间存在着不停息的周期错动，这会导致断裂带中相邻的褶皱失去联系而降低“锁固作用”，并且在移动的过程中，断层相互挤压，应变能逐渐释放，引发持续的小震，不会集聚很大的应变能从而形成大震，这种断裂蠕动起到类似于“安全阀”的作用。为避免断裂影响工程安全，要对地铁线路附近的断裂进行勘测，区分工程活动断裂与非工程活动断裂，对于非工程活动断裂可假设其只产生蠕变和难以观察到的小震，忽略其对施工的影响，对于工程活动断裂要尽量避开，另选路线或选择绕行。[3]
2、长沙地铁施工方法
2.1概况
到目前为止，长沙地铁一、二号线已全线贯通，投入运营中，同时三、四、五、六号线已开始施工。各个站点区段之间隧道的施工方法各有不同，据2号线实例统计，绝大多数的区段都是采用盾构法或明挖法。使用明挖法的站点有：溁湾镇站、五一广场站、万家丽广场站、长沙火车站、橘子洲站等十九个站点，使用盾构法的区段有溁湾镇站——橘子洲站区间、橘子洲站——五一广场站区间、五一广场站——芙蓉广场站区间、芙蓉广场站——迎宾路站区间、袁家岭站——长沙火车站区间等共十四个区间。[5]
2.2盾构法
盾构法是使用盾构机在地下掘进隧道的一项先进技术。它由英国布鲁诺开创于19世纪初，并于1843年成功挖通了史上第一条使用盾构法进行施工的地下隧道，此后，盾构法不断地被改进，世界各国根据自身地质情况与施工时遇到的实际问题将盾构法扩充至三大类，它们分别为单圆盾构法（只有单一隧道）；复原盾构法，又可称之为多元盾构法（常见的有双圆盾构、三圆盾构）以及异形非圆盾构法（常见的有矩形、椭圆、半圆、马蹄形盾构）。[1]
盾构法自发明以来，20世纪初便在以英美为代表的欧美发达国家快速发展了起来，为都市捷运系统、地铁网络发展、给排水管道建设做出了巨大贡献。盾构法具有开挖可靠性强、掘进速率快、人工依赖性小、劳动力使用程度低、对地面交通和地下给排水管道影响小、对环境、气候不敏感等优点，尤其适合应用于较为松散、承载地低的土层，或人工难以施工的含水层中，特别是在掘进规模大、距离长的项目中，盾构法往往具有普通明挖法无法比拟的经济效益是施工效率，[3]对于长沙这座繁忙的省会城市来说，在市中心挖地铁，施工场地势必会对地面空间造成影响，为了避免交通堵塞，占用地面空间较少的盾构法就被广泛地投入到长沙地铁的挖掘工程中。
3、长沙地铁2号线过江段实例分析
该段以溁湾镇站为起点，经过橘子洲上的橘子洲站，以五一广场站为终点，这项工程使用的是土压平衡盾构法，它是这样工作的：盾构机工作时，主引擎产生动力驱动盾构主轴承，再通过一系列机械齿轮咬合传力，带动盾构机前面的刀盘旋转掘进，刀具不断削掉迎面的泥土与岩石，产生的碎屑由螺旋输送机收集并通过履带派送到别的地方，刀盘后面有许多液压推进装置，能够对刀盘加力从而应对不同质地的土层，在切削面上，泥土不断被切削，盾构刀盘加力顶进，泥土压力达到稳定平衡状态。[4，5]
之所以使用土壓平衡盾构法施工，是因为地层土质的透水性能对盾构方法的选择起控制作用。土压平衡盾构法适用于地层透水系数小于〖10〗^（-7）m/s；当地层的渗水系数大于〖10〗^（-7）m/s并且小于〖10〗^（-4）m/s时，土压平衡盾构法和泥水平衡盾构法同样适用；当透水系数大于〖10〗^（-4）m/s时，由于土质较为疏松，土颗粒间空隙较大，土压平衡盾构法不擅于排净泥水，因此最好选用后者。[6]长沙地铁二号线过江段地层渗透系数高，当开挖面的水壓力及地层渗水系数较大时，由于积水排出速度慢，可能发生地下水在土仓中过量储蓄的情况，产生施工风险。而隧道建设中却选用了土压平衡盾构而非渗水系数高时常采用的泥水平衡盾构，原因有如下几点：
①经济因素：
土压平衡盾构施工法刀盘切削下来的碎屑处理通过履带运送到外部，除运送渣土的货车与起重设备外，不需要其余特殊设备协同施工，渣土清除运输成本较低；而泥水平衡盾构法产生的碎屑要通过泥水处理系统将砂石和水进行分离需要特定的设备，造价高昂，处理速度较慢。 ②场地因素：
土压平衡盾构的渣土呈泥块状，整体性较强，不离析，易装填运输，施工占地小，对地面交通影响不大；而泥水平衡盾构法处理切削下的渣土呈泥水状，需特殊处理后才可运输，泥水分离系统占用空间大，不利于地面作业的开展，同样也会影响城市地面交通。考虑到隧道施工地处于湘江两岸及橘子洲头，湘江东岸周边是繁华的商业区，高级餐厅以及综合商场林立于沿江大道远江侧，近江侧则有杜甫江阁、烟火表演观赏点等，人口稠密，没有提供大面积施工空间的条件。橘子洲是江中洲岛，本身面积不大，再加上其为著名旅游景点，岛上游览点、服务区数量多，占地广，游客较多，人流量大，更加无法为泥水处理系统提供场地。所以，根据施工地周边土地资源的实际情况，土压平衡盾构更加适宜于跨江段的施工。
③设备因素：
地铁二号线跨江段所采用的盾构机是“湘江一号”，是由中铁建重工集团自主研发的、拥有极高知识产权的盾构机。过江隧道建设时主要面临盾构磨损、隧道进水等问题，“湘江一号”对于盾构磨损问题进行了研究与创新，因地制宜地改进了设备的设计：组合式刀头的应用可应对不各种复杂的地质条件；刀盘前后设置了润滑剂输送口，通过泡沫状的润滑剂减小刀具与土体间的摩擦以减小损伤；对于隧道进水问题，“湘江一号”的螺旋输送机采用了双闸门，在掘进过程中如果发生了喷涌现象可及时控制。除此之外，“湘江一号”盾构机在渣土改良系统、密封系统、注浆系统、有毒有害气体监测装置等关键部位也进行了研究，有效化解了穿越湘江面临的高埋深、易结泥饼、坍塌及江底沼气等作业风险，保证了工程安全实施。[6-8]
4、总结与展望
综上所述，长沙地铁的各条线路主要采用的技术为土压平衡盾构法。在建设时，根据不同地质、不同区段的实际情况，对盾构方法进行了具体的满足需求的调整，并在原有施工方案的基础上进行了改造创新，因地制宜，使新技术能够更加高效合理的应用于施工中。
在实现中国梦的进程中，我们的发展方兴未艾，交通沟通着各个地方的人们，为祖国的繁荣昌盛起着中流砥柱的作用，各地的地铁网络建设也都存在着诸多问题。长沙地铁网络的建设方法为解决这些问题提供了一些很有参考价值的方案。希望在不久的将来，我国的地铁乃至整个交通网络都能建设成世界顶尖水平，为我国的发展打下良好基础！
[参考文献]：
[1]王梦恕.中国盾构和掘进机隧道技术现状
[2] 彭柏興.长沙地铁勘察若干问题的探讨
[3] 吴笑伟.国内外盾构技术现状与展望
[4] 褚东升.长沙地铁下穿湘江土压平衡盾构隧道掘进参数研究
[5] 刘宜胜.长沙地鐵五一广场站项目施工风险管理研究
[6] 张旭东.土压平衡盾构穿越富水砂层施工技术探讨
[7]琚时轩.土压平衡盾构和泥水平衡盾构的特点及适应性分析
[8]刘仁鹏.土压平衡盾构技术综述