论文部分内容阅读
【摘 要】 随着科技的进步，交通运输事业也随之不断发展，各城市除了大量的公路建设之外，地铁等隧道建设也逐步兴起。盾构法是隧道工程中的重要施工方法，本文就北京某地铁线路工程为例，来探讨盾构法在隧道施工中的应用。
【关键词】 地铁隧道 地铁 盾构法 方法应用
一、工程概述
北京某地铁线路中的某一标段，该标段包括一站三区间。在区间的施工过程中，采用了两台由德国海瑞克公司所研发生产的铰接式土压平衡盾构机。其中第一区间的左线全长为1469.778m，含短链2.369m，右线全长为1472.867m。区间的走向由南至北，地处北京繁华区域。该地铁隧道埋深14～23m，线路平面存在部分曲线段，其中最小曲线半径为335m，最大坡度为5.4%。
地质条件：该地铁隧道的第一区间范围内经过了人工填土工作，其土质大多为卵石层、粉细砂层、中粗砂层以及粉质黏上层等。隧道的顶部大多都是饱和的砂土，稳定性较差，容易引发大面积的坍塌现象与流沙现象。该地铁隧道位于潜水水位以下，并同时揭露了承压水的含水层，受地下水的影响很大，因此，围岩土体自身的稳定能力较差，其砂土与粉土层发生坍塌的概率极高，并很容易产生局部潜蚀、流沙以及涌沙等。
二、 砂卵石地层盾构掘进的力学特征
（一）砂卵石地层开挖的力学特征：在一系列力学不稳定的地层中，砂卵石地层可谓是其中最为典型的，其基本特征主要是结构松散、卵石粒径的大小不均匀以及无胶结等，同时卵石的空隙大多都被中、粗砂填充，在无水的情况下，颗粒之间相互传力，地层的反应非常灵敏，当刀盘旋转切削的时候，刀盘会与卵石层接触，而接触压力不均匀，由此导致刀头不断振动。在顶进力的作用下极容易破坏原有的平衡和稳定状态，最终发生坍塌。当坍塌发生，会引起很大的围岩扰动，会使开挖面与洞壁同时失去约束和稳定性，从而造成更大的地层变形，围岩中的卵石的块头、粒径越大，这种扰动的程度便会越大。
（二）砂卵石地层盾构开挖面的失稳特征：通常情况下，砂卵石若没有收到扰动，其土层颗粒会倚靠直角的摩擦咬合作用来使区域的土体保持稳定状态。盾构在对砂卵石地层进行挖掘时，如果开挖面的压力不足，或者是大块的卵石并排排出，那么在刀盘的前上方便会产生较大的空洞区域。这一空洞区域的出现会是卵石与砾石不断松动，随之快速的塌落，从而加大上覆砂性与粘性土层的松动范围。如果隧道的上方土层比较薄，那么很容易出现局部地表下沉。
三、 砂卵石地层盾构施工的重点和难点
盾构在隧道地层进行掘进时，必须注意以下几个方面：
（一）控制开挖面的稳定性：有很多城市中的地铁隧道地层都属于砂卵石地层，这种地层本身不具备较高的稳定性，若没有进行正确的施工，那么很容易出现坍塌。因此，为了保证工程的质量与人们的生命财产安全，必须控制好开挖面的稳定性。
（二）切削土体与刀盘的摩擦问题：刀盘与切削土体的颗粒之间摩擦较大，刀盘与螺旋输送设备与密封舱内壁的磨损都很严重，要改善这一状况，必须认真的对盾构机在砂卵石地层中的掘金工作进行研究，分析其带来的刀盘扭矩增大以及各刀具之间的摩擦问题。
（三）盾构机难以建立土压平衡：要在盾构机的密封舱内部建立起土压平衡是一项难度很高的工作，甚至可以说根本无法实现其土压平衡的功能。
（四）控制材料：当盾构机在砂卵石地层中掘进时，必须要加入相应的添加材料，在加入材料时必须综合全面的考虑，应该添加符合实际并能够有效解决切削土体塑流化问题的材料。
四、 土压平衡盾构机的工作原理及其流程
（一）施工设备：所谓盾构隧道法，主要是指采用盾构机对隧道地层进行挖掘。在这里我们主要介绍该工程中所用的土压平衡盾构机。该工程中所用的土压平衡盾构机S-206与S-294都是由德国海瑞克公司所生产的，这两太盾构机内部的控制系统均为西门子公司的S7-PLC控制系统。该盾构机中还配置了同步注浆设备与机电一体化的液压驱动设备以及泡沫设备等。该盾构机的配套设备主要包括了：电瓶机车、注浆泵、龙门吊、搅拌站等。
（二）施工工艺流程：大部分的地铁隧道工程的施工工艺都是首先将泥土从盾构车架上的输送机卸到机尾转载输送机当中，经过转载输送机完成输送，再沿着漏斗卸到同步延伸带式输送机机尾上。然后，再经同步延伸带式输送机沿着隧道输送，将其卸到下行线输送机上，最后，卸至停在隧道轨道上的蓄电池机车牵引的土箱中，土箱被吊至地面卸到集土坑中。
五、 施工中采用的关键技术以及创新点
（一）改进盾构刀具：本文所研究的北京地铁隧道的地层中含有很多的砂卵石，这会对盾构刀具带来极大的磨损，因此，对刀具的改革是盾构系统发展的首要任务。
目前，全世界在盾构法施工过程中所用的刀具主要有，气压法开仓换刀、敞开式的开仓换刀以及竖井法换刀这三种。这三种刀具系统都有一定的缺陷，就拿气压法开仓换刀来说，它工作的整个过程，都是在密闭性的加压环境当中，对气压的控制有非常高的要求。如果在换刀的过程当中，气压遭受变化，那么久极有可能使砂土迅速涌入到刀盘中，从而导致掌子面塌方，地层也随之塌陷，在不能保证工程质量的同时还威胁到了工作人员的生命财产安全。因此，要改善这些问题，必须从刀具的改革入手：
1、从刀具的材料和结构形式上突破：在砂卵石地层当中，刀具主要是由于与石英砂和卵石相撞击而造成磨损的，因此必须加强刀具的硬性以及耐磨性。
2、改进刀具在刀盘上的分布形式：在考虑对刀具本身进行改进时，也应该对其切削土体的方式进行改革，创新设计出一种高性能的先行刀。
（二）泡沫的在盾构推进中的应用
盾构在对地层掘进时，注入泡沫能够在很大程度上改善土体的透水与流动性能，从而帮助掌子面达到稳定状态，另外，将细密的泡沫注入到刀盘的周围以及刀盘与土体的中间，能够降低扭矩，并能有效地对刀具进行维护。应用泡沫技术，能够推进盾构机的掘进工作，而刀具磨损以及地面沉降等问题也都能得到较大的改善。
（三）欠压推进技术的应用：在隧道工程中应用欠压推进技术不仅能够有效地维护刀具的质量，减少刀具的磨损，还能加快施工的进度，欠压推进技术的主要原理是：
通常情况下，土仓外面的土体的稳定性都是通过推力、出土速度以及推进速度这三个参数来进行控制的，而刀盘与刀具的磨损大多都是由于在推进过程中与土体发生磨损而造成的。实践证明，推力越大，对刀具和刀盘的磨损就越大。
采用欠压推进技术，能够在加快出土速度的同时又减少其总推力，当刀盘进行土体切削时，其摩擦力也小于以往，从而大大的减少了对刀盘和刀具的损害，延长了其使用寿命。
通过不断的反复试验，并根据施工现场的数据反馈表示，要加强地铁隧道的施工质量，必须不断的优化现有的施工工艺，完善盾构法，应用创新的欠压推进技术，从而加强工程的质量，保证日后使用不会威胁到人民的人生财产安全。
总结：
北京某地铁线的某一標段是同期施工中率先完成的施工目标之一。本文通过对该工程施工中的盾构法的仔细分析得出，要顺利的完成地铁隧道工程必须对工程中的每一个环节进行严格的控制，在盾构区间的施工中，必须对其地质条件进行仔细的研究，找出最科学、合理且符合实际情况的施工方案，只有这样，才能建设更多高质量的隧道工程。
参考文献
[1] 蒙洁.隧道盾构法施工问题及对策分析[J].城市建设理论研究（电子版），2012，（15）.
[2] 李娟.盾构刀具的三维动态仿真研究[D].天津大学，2008.
[3] 董胜宪，尤雪娣.大直径盾构法施工在三门核电厂取水工程中的应用[J].电力建设，2011，32（5）：111-113.DOI：10.3969/j.issn.1000-7229.2011.05.02
[4] 罗赛楠.基于层次分析法的盾构法隧道施工风险辨识和评估方法研究与应用[D].上海大学，2009.
[5] 戴仕民，史志，朱立平等.同步延伸渣土连续运输系统在隧道施工中的应用[C].//中国煤炭学会煤矿运输专业委员会2009年学术年会论文集.2009：16-19.
【关键词】 地铁隧道 地铁 盾构法 方法应用
一、工程概述
北京某地铁线路中的某一标段，该标段包括一站三区间。在区间的施工过程中，采用了两台由德国海瑞克公司所研发生产的铰接式土压平衡盾构机。其中第一区间的左线全长为1469.778m，含短链2.369m，右线全长为1472.867m。区间的走向由南至北，地处北京繁华区域。该地铁隧道埋深14～23m，线路平面存在部分曲线段，其中最小曲线半径为335m，最大坡度为5.4%。
地质条件：该地铁隧道的第一区间范围内经过了人工填土工作，其土质大多为卵石层、粉细砂层、中粗砂层以及粉质黏上层等。隧道的顶部大多都是饱和的砂土，稳定性较差，容易引发大面积的坍塌现象与流沙现象。该地铁隧道位于潜水水位以下，并同时揭露了承压水的含水层，受地下水的影响很大，因此，围岩土体自身的稳定能力较差，其砂土与粉土层发生坍塌的概率极高，并很容易产生局部潜蚀、流沙以及涌沙等。
二、 砂卵石地层盾构掘进的力学特征
（一）砂卵石地层开挖的力学特征：在一系列力学不稳定的地层中，砂卵石地层可谓是其中最为典型的，其基本特征主要是结构松散、卵石粒径的大小不均匀以及无胶结等，同时卵石的空隙大多都被中、粗砂填充，在无水的情况下，颗粒之间相互传力，地层的反应非常灵敏，当刀盘旋转切削的时候，刀盘会与卵石层接触，而接触压力不均匀，由此导致刀头不断振动。在顶进力的作用下极容易破坏原有的平衡和稳定状态，最终发生坍塌。当坍塌发生，会引起很大的围岩扰动，会使开挖面与洞壁同时失去约束和稳定性，从而造成更大的地层变形，围岩中的卵石的块头、粒径越大，这种扰动的程度便会越大。
（二）砂卵石地层盾构开挖面的失稳特征：通常情况下，砂卵石若没有收到扰动，其土层颗粒会倚靠直角的摩擦咬合作用来使区域的土体保持稳定状态。盾构在对砂卵石地层进行挖掘时，如果开挖面的压力不足，或者是大块的卵石并排排出，那么在刀盘的前上方便会产生较大的空洞区域。这一空洞区域的出现会是卵石与砾石不断松动，随之快速的塌落，从而加大上覆砂性与粘性土层的松动范围。如果隧道的上方土层比较薄，那么很容易出现局部地表下沉。
三、 砂卵石地层盾构施工的重点和难点
盾构在隧道地层进行掘进时，必须注意以下几个方面：
（一）控制开挖面的稳定性：有很多城市中的地铁隧道地层都属于砂卵石地层，这种地层本身不具备较高的稳定性，若没有进行正确的施工，那么很容易出现坍塌。因此，为了保证工程的质量与人们的生命财产安全，必须控制好开挖面的稳定性。
（二）切削土体与刀盘的摩擦问题：刀盘与切削土体的颗粒之间摩擦较大，刀盘与螺旋输送设备与密封舱内壁的磨损都很严重，要改善这一状况，必须认真的对盾构机在砂卵石地层中的掘金工作进行研究，分析其带来的刀盘扭矩增大以及各刀具之间的摩擦问题。
（三）盾构机难以建立土压平衡：要在盾构机的密封舱内部建立起土压平衡是一项难度很高的工作，甚至可以说根本无法实现其土压平衡的功能。
（四）控制材料：当盾构机在砂卵石地层中掘进时，必须要加入相应的添加材料，在加入材料时必须综合全面的考虑，应该添加符合实际并能够有效解决切削土体塑流化问题的材料。
四、 土压平衡盾构机的工作原理及其流程
（一）施工设备：所谓盾构隧道法，主要是指采用盾构机对隧道地层进行挖掘。在这里我们主要介绍该工程中所用的土压平衡盾构机。该工程中所用的土压平衡盾构机S-206与S-294都是由德国海瑞克公司所生产的，这两太盾构机内部的控制系统均为西门子公司的S7-PLC控制系统。该盾构机中还配置了同步注浆设备与机电一体化的液压驱动设备以及泡沫设备等。该盾构机的配套设备主要包括了：电瓶机车、注浆泵、龙门吊、搅拌站等。
（二）施工工艺流程：大部分的地铁隧道工程的施工工艺都是首先将泥土从盾构车架上的输送机卸到机尾转载输送机当中，经过转载输送机完成输送，再沿着漏斗卸到同步延伸带式输送机机尾上。然后，再经同步延伸带式输送机沿着隧道输送，将其卸到下行线输送机上，最后，卸至停在隧道轨道上的蓄电池机车牵引的土箱中，土箱被吊至地面卸到集土坑中。
五、 施工中采用的关键技术以及创新点
（一）改进盾构刀具：本文所研究的北京地铁隧道的地层中含有很多的砂卵石，这会对盾构刀具带来极大的磨损，因此，对刀具的改革是盾构系统发展的首要任务。
目前，全世界在盾构法施工过程中所用的刀具主要有，气压法开仓换刀、敞开式的开仓换刀以及竖井法换刀这三种。这三种刀具系统都有一定的缺陷，就拿气压法开仓换刀来说，它工作的整个过程，都是在密闭性的加压环境当中，对气压的控制有非常高的要求。如果在换刀的过程当中，气压遭受变化，那么久极有可能使砂土迅速涌入到刀盘中，从而导致掌子面塌方，地层也随之塌陷，在不能保证工程质量的同时还威胁到了工作人员的生命财产安全。因此，要改善这些问题，必须从刀具的改革入手：
1、从刀具的材料和结构形式上突破：在砂卵石地层当中，刀具主要是由于与石英砂和卵石相撞击而造成磨损的，因此必须加强刀具的硬性以及耐磨性。
2、改进刀具在刀盘上的分布形式：在考虑对刀具本身进行改进时，也应该对其切削土体的方式进行改革，创新设计出一种高性能的先行刀。
（二）泡沫的在盾构推进中的应用
盾构在对地层掘进时，注入泡沫能够在很大程度上改善土体的透水与流动性能，从而帮助掌子面达到稳定状态，另外，将细密的泡沫注入到刀盘的周围以及刀盘与土体的中间，能够降低扭矩，并能有效地对刀具进行维护。应用泡沫技术，能够推进盾构机的掘进工作，而刀具磨损以及地面沉降等问题也都能得到较大的改善。
（三）欠压推进技术的应用：在隧道工程中应用欠压推进技术不仅能够有效地维护刀具的质量，减少刀具的磨损，还能加快施工的进度，欠压推进技术的主要原理是：
通常情况下，土仓外面的土体的稳定性都是通过推力、出土速度以及推进速度这三个参数来进行控制的，而刀盘与刀具的磨损大多都是由于在推进过程中与土体发生磨损而造成的。实践证明，推力越大，对刀具和刀盘的磨损就越大。
采用欠压推进技术，能够在加快出土速度的同时又减少其总推力，当刀盘进行土体切削时，其摩擦力也小于以往，从而大大的减少了对刀盘和刀具的损害，延长了其使用寿命。
通过不断的反复试验，并根据施工现场的数据反馈表示，要加强地铁隧道的施工质量，必须不断的优化现有的施工工艺，完善盾构法，应用创新的欠压推进技术，从而加强工程的质量，保证日后使用不会威胁到人民的人生财产安全。
总结：
北京某地铁线的某一標段是同期施工中率先完成的施工目标之一。本文通过对该工程施工中的盾构法的仔细分析得出，要顺利的完成地铁隧道工程必须对工程中的每一个环节进行严格的控制，在盾构区间的施工中，必须对其地质条件进行仔细的研究，找出最科学、合理且符合实际情况的施工方案，只有这样，才能建设更多高质量的隧道工程。
参考文献
[1] 蒙洁.隧道盾构法施工问题及对策分析[J].城市建设理论研究（电子版），2012，（15）.
[2] 李娟.盾构刀具的三维动态仿真研究[D].天津大学，2008.
[3] 董胜宪，尤雪娣.大直径盾构法施工在三门核电厂取水工程中的应用[J].电力建设，2011，32（5）：111-113.DOI：10.3969/j.issn.1000-7229.2011.05.02
[4] 罗赛楠.基于层次分析法的盾构法隧道施工风险辨识和评估方法研究与应用[D].上海大学，2009.
[5] 戴仕民，史志，朱立平等.同步延伸渣土连续运输系统在隧道施工中的应用[C].//中国煤炭学会煤矿运输专业委员会2009年学术年会论文集.2009：16-19.