盾构法隧道工程施工技术研究

　　摘要

本文主要内容是分析盾构施工所造成的三个方面的影响，第一个是对地表沉降的原因分析和控制对策，主要分析了影响地表沉降的各种原因如：固结沉降所引起的固结排水变形、地层损失所引起的地表沉降、推进时的姿态纠偏所引起的地层扰动、超挖导致的土层沉降等及提出了对地表沉降的控制对策；第二个是对隧道渗漏水的原因分析和防治，主要分析的是管片的质量、管片的拼装、接缝的处理方面等对隧道渗漏水的影响及对隧道渗漏的各种防治方法；第三个是施工对周围既有隧道的影响，主要分析的是减少对既有隧道的影响所需要做的各种准备。

　　关键词:盾构施工，隧道，地表沉降，渗漏水

　　引言

盾构法是一种全新的机械化施工方法。盾构机是在盾构盾壳支撑下进行开挖、运输、拼装、衬砌等作业。它由安装在盾构壳体周围的千斤顶的推力下前进，在推力的作用下将盾构前方的切口环切割到地层中进行削切土体，并将切割的土体通过内部的螺旋出土器抽送到传送带上从盾构中输出。衬砌装配机构位于盾尾用于装配管片，用管片衬砌周围土体，防止土体坍塌。

隧道施工对周围土体和既有隧道的影响也是一个很好的评价指标。盾构隧道的施工受到诸多因素的控制，特别是由于施工操作不当，造成隧道周围的土体稳定性和渗漏等问题，导致隧道质量无法达到要求。本文所述的盾构施工对隧道的影响，包括隧道施工中产生的土体沉降、隧道渗漏水以及对即有隧道的影响。

盾构法施工的优点:

①劳动强度低、掘进速度快、施工安全

②施工中的推进、砌衬、拼装实现机械化

③通过建筑物、穿越河流时不影响地面交通和河流的正常使用

④施工在地下进行产生的噪音对居民的影响不大

⑤施工不受天气的影响

⑥在修建长隧道具有技术和经济的优越性

盾构法施工的缺点：

①施工费用较昂贵，施工段的区域内不合适

②在隧道曲线上施工比较困难

③隧道上方的覆土要有一点的厚度，否则土体不稳定，会导致土体塌陷

④在施工中对劳动保护要求较高，施工条件差

　　第1章绪论

　　1.1国外盾构发展

盾构法的隧道建设已有200多年的历史。法国的一位工程师布鲁诺尔是最早进行研究的人，他通过观察昆虫在木材中形成的孔道，以及通过释放液体来强化孔道，由此产生了一种新的想法，从而提出了盾构法施工。他在1818年对盾构法的施工进行了深入的探索，于1825年，在英国伦敦的泰晤士河底下，建造了一条长11.4米，高6.8米的矩形盾构隧道。由于修建隧道时未掌握上覆土层厚度对盾构的影响，从而隧道两次被泥浆淹没。1830年，劳德•口切兰斯提出了气压法。直到1835年，与伦敦的地下铁道公司合作改进了盾构施工方法，并采用气动辅助方法进行施工，1843年，首条海底隧道建成，全长458米。然后在1865年，巴尔劳首次采用铸铁管片的圆形隧道，这决定了圆形隧道100多年来的主导地位。

1874年，格鲁赛德在伦敦地铁南线的建设中，综合盾构法和气压法的所有特点，提出了完整的气动盾构法施工方法。20世纪初，盾构法开始在xx、英国、德国、法国等国开始逐渐普及。20世纪40年代初，前苏联在首都等几个大城市修建了半径为3.0m~5m的盾构地下隧道。20世纪60年代初，盾构法开始在日本发展，不仅用于城市地下铁路的建设，还用于市政公用设施管道的建设。20世纪80年代以来，目前，日本和德国等国家已经在研发高精密、高自动化的现代盾构。现代盾构机不仅可以保证工作面稳定，而且可以适应不同类型的隧道建设需要。以德国、日本等国家为代表的发达国家已经开发出许多新型盾构，如双心圆盾构、三心圆盾构、多心圆盾构、异形断面盾构、超大断面盾构、球形盾构和微型盾构等，适用于深部地下空间和特殊地质条件下的施工。目前，盾构法已进入多元化阶段。

　　1.2国内盾构发展

在1953年到1957年间，东北阜新煤矿利用2.6m长的盾构和小型预制块建造了中国首个盾构施工项目。北京在1957年将2.0m和2.6m的盾构应用在下水道工程建设中。上海于1963年在软弱含水层中开展了一项盾构隧道建设实验。在实验中，衬砌采用了防水单层钢筋混凝土肋结构，并采取了降水法、气压法等方法，以及两种疏干地层的辅助施工工法。该工程的施工工艺和工程的衬砌防渗措施均取得了很好的效果。同时，1964年在含水黏土层中进行了同样的盾构实验。在实验中，将盾构胸板换成了可调整的有孔洞的格栅，这就是上海常用的网格式盾构。1967至1969年，上海用直径为10米的网格式盾构和单层钢筋混凝土管片建造了第一条黄浦江-越江公路隧道。1984年，上海用一个外径为11.32m的大型盾构建造了第二条黄浦江水下公路隧道。

在二十世纪九十年代初，上海成功的建设地铁1号线和2号线的区间隧道。在1994年上海引进日本三菱公司的大型泥水平衡盾构（直径11.22米），建造了延安东路越江隧道。近些年，继北京、上海、广州等城市大规模修建地铁之后，各大城市也相继建设地铁，2019年呼和浩特市地铁的修建也使用了盾构法。

　　第2章盾构施工对地表沉降的影响

地表沉降是盾构开挖引起的地层损失和隧道周围扰动剪切破坏土壤的再固结。另一个重要的原因是在地层中使用盾构法施工会导致地层应力状态改变，隧道注浆和支护引起的土体径向位移，以及上覆土层的流变变形，导致周围土体收缩和上拱，使地层有不同程度的沉降和抬升从而形成地层损失。土体的沉降与地质、施工条件和盾构表面荷载密切相关。

　2.1地表沉降的原因

2.1.1固结沉降

固结沉降可分为主固结沉降和次固结沉降。盾构施工期间，由于盾构机与周围土壤之间的剪切作用和衬砌环臂后的灌浆，隧道附近的土体形成超静孔隙水压力区域，孔隙水排水使土体产生排水固结变形，称为主固结沉降。次固结沉降被认为是由土体内部的蠕变和重新排列引起的。在有效应力不变的作用下，当孔隙水排出后，随着时间推移，土体骨架会发生蠕变。这种变形包括剪切应变、体积变化等，但与孔隙水排量无关，而是取决于自身的蠕变性质。主固结沉降与隧道埋藏深度有关，埋藏深度越深主固结越大。

2.1.2地层损失

盾构施工中盾尾脱离造成的土体与管片间出现空隙，主要的原因是管片的衬砌是在盾壳内部完成的，当盾壳离开后盾壳所占的这部分体积也就空了出来使这部分形成了土体与管片之间的空隙，或是由于盾构开挖时进行了超挖而导致实际的出土量大于设计的出土量。地层损失是施工期间开挖的总体积与隧道体积之间的差值。地层损失可分为三类：

第一类是可避免的地层损失，盾构开挖过程中，在形成空隙的同时没有进行支护，导致周围土体发生位移，形成地层流失。上覆土体在隧道周围移动，以弥补地层损失，导致土层沉降。如注浆不及时、注浆量不足、注浆压力不当、泥浆早期凝固不足、开挖面超挖、盾构推进过程中纠偏等造成的局部坍塌。

第二类是不可避免的地层损失，因为不同土体的原始压力不同，所以盾构开挖面的压力与土体的原始压力难免会有差异。当开挖面上的压力大于原始土压力时，开挖面上的土体向上和向前移动，造成土体扰动和地表土体隆起。当开挖面上的压力小于原始土压力时，开挖面上的土体向盾构移动，导致土体坍塌。

第三类是自然灾害造成的地层损失，这部分是由于自然因素而产生的。如蓄水洞土体强度低导致盾构开挖面坍塌造成的地层损失。

2.1.3周围土体扰动

盾构法的施工使土体应力和应变状态发生变化，不同位置的原状土受到挤压和剪切等的应力路径，使盾构周围的土体受到扰动。土体扰动的原因如下：

①隧道施工时附近地层的应力变化

②推进过程中盾构机与土壤的相互作用

③隧道开挖引起的扰动土固结变形

2.1.4盾构推进过程中的姿态纠偏

因为盾构机进入地层后的方向和位置是由放置在盾构尾部的千斤顶和辅助措施控制的，当局部土层发生变化时，盾构机周围的阻力不同，这将导致盾构在推进过程中产生偏移。在盾构推进时所克服的阻力和千斤顶的推力不在一条直线上，会形成一个力偶使盾构发生自转甚至偏移。当盾构偏离设计轴线的允许范围时，开挖面的面积增加超过了盾壳的直径大小，使周围土体向盾壳移动充填多余的空隙，从而引起了地层的扰动。在盾构开挖过程中，土质的不均匀、盾构一侧超挖都会导致盾构两侧受力不同，而导致盾构旋转。

2.1.5盾构严重超挖

隧道施工期间，盾构进出土量应保持不变。然而，由于松散系数的地质条件不同，会导致不同地质条件下的开挖量不同。由于盾构机的开挖刀挖掘时间过长，伸缩量也较大，会导致盾构机整体下滑，而开挖刀继续工作从而导致超挖。在曲线段进行纠偏的时候，辐条两端仿形刀的伸缩可能大于盾构路线的设计要求，导致过度开挖和土层沉降。

2.1.6壁后注浆

土体和管片之间存有间隙，虽然盾尾离开时采用了同步注浆法进行注浆，但当注浆压力太小，泥浆量不足时，不足以填满空隙，会导致土体产生位移，造成周围土体的扰动。

　　2.2地表沉降的控制对策

2.2.1出土量控制

开挖体积是循环系统从开挖表面实际携带出的砂土量，而出土量与隧道的空间体积会有一定偏差。具体的出土量控制方法是：首先设置盾构的推进速度，然后根据开挖体积、切削扭矩的大小来调节螺旋输送机和排土机的旋转速度从而控制螺旋输送机的转速。根据不同地质来选择注浆压力和泥浆材料，使泥浆压力始终大于开挖面水土压力，严格控制开挖量。同时还要观测地表土体的沉降和隆起情况，土体发生沉降就要减少土体的开挖，当土体有隆起的情况的时候则要增加土体的开挖。

2.2.2壁后注浆控制

壁后注浆是将盾构推进过程中土体和管片之间留下的空隙充填特殊的液体，防止土体下落而引起地面沉降。壁后注浆为了提高隧道的防水性，使管片和周围的土体形成一个整体并保持完整。壁后注浆控制有俩种方法；

第一种是注浆量控制：在进行注浆量控制的时候应根据土体和管片之间的空隙、土体性质、浆液材料来确定，浆液量过多会导致挤压周围的土体和管片，使土体向上隆起，当浆液量过少时会出现不完全充填，而导致地层的沉降。

第二种注浆压力控制。浆液压入口的压力应大于该处的水土压力之和。当注浆压力大于水土压力的时候，管片周围的土层会被泥浆冲刷，从而扰动土体导致凸起和沉降；当注浆压力小于水土压力的时候，浆液流动缓慢时，可能会导致在没有充填完成时就出现浆液的冷却凝固，从而使未充填的部分被周围的土体沉降填满。通常注浆压力选取值为静止土压力的1.2倍。

2.2.3开挖面稳定

通过向开挖面施加高压水、高浓度泥水、注入泥浆等抵抗水土压力以此来稳定开挖面。

2.2.4掘进模式的选择

盾构施工的掘进的模式选择主要是根据沿线穿越的土层的地质条件来进行选择。不同掘进方式的施工参数不同，且地质类型较多。所以在不同地层中要选择合适的掘进方式。如在复杂地层中要求沉降量小的施工则选取泥水掘进模式。

2.2.5控制盾构掘进时的姿态纠偏

①在纠偏过程中掘进速度要慢，否则会做无用纠偏或者纠偏过度。

②在不同地层施工要调整各项掘进参数。

③在盾构自转的反方向增加配重，产生一个反方向的力偶来纠正盾构的自转，还可在盾壳上加稳定器来控制盾构的自转

　　第3章盾构施工中隧道渗漏水分析

　　3.1隧道渗漏水的原因分析

3.1.1管片方面原因分析

（1）管片在制作的时候没有严格按照规范要求来制作，使管片的质量没有达标。如：混凝土的配合比不满足耐久性、设计强度等的要求；养护周期不达标不足28天；养护时温度不够；脱模时混凝土强度不足等

（2）管片在运输途中相互之间发生碰撞等使管片发生了缺角、掉边等而后续施工继续使用造成的渗漏。

3.1.2接缝、螺栓孔的原因分析

（1）俩相邻管片之间拼接时没有清理干净局部的污泥或是俩管片相接面不平整使安装止水条时不能完全的封闭，导致发生渗漏。

（2）螺栓孔处没有垫橡胶密封圈或是橡胶密封圈制作时的粘贴密合度不足而影响到了防水的作用。

3.1.3其他方面原因分析

（1）它与土体的渗透系数有关。渗透系数越大，渗透性越强。

（2）壁后同步注浆效果差，管片未能及时固定导致管片间连接不良而发生渗漏。

（3）曲线处管片的选择不准确。在掘进方向的曲线部分上弯管处组装的管片数量不符合隧道弯度的要求时，两个管片的连接处会有间隙，导致漏水。

　　3.2隧道渗漏水的防治

3.2.1管片方面渗漏防治

（1）在运输管片的时候要在俩管片之间垫柔性材料，若有发生缺角、掉边的管片需要继续使用时，则需要对其修补完成之后才可进行使用。

（2）由于地下水和土压力的作用，要确保衬砌管片混凝土的强度满足渗水、设计强度、耐久性等要求。

（3）为了加强盾构的抗渗性可以在管片外面涂一层具有耐腐蚀性和耐久性的涂料可以作为一层防水层。

3.2.2接缝、螺栓孔的渗漏防治

（1）在进行管片的拼接时要将俩管片中的淤泥清理干净，用密封性好、粘贴性强、防水性能好的密封垫来进行接缝的防水，用橡胶锤来锤击密封垫使其密封性更好。但接缝的防水要在管片组装完成且对盾构推进无影响后才能进行。

（2）在进行螺栓孔的防渗漏时要在螺母和螺栓孔的连接处放置橡胶密封圈使螺母和螺栓孔之间更加紧固。在螺帽处放置弹性垫圈使螺栓孔的防水强度进一步加强。

3.2.3其他方面的渗透防治

（1）壁后注浆充填管片与土体之间的间隙，当浆液凝固后会拥有较强的抗渗性，可以作为第一道防水层。

（2）可以使用二次衬砌来加强管片的抗渗性，但是这种方式的缺点会导致开挖量的增加、造价增大。

第4章盾构施工对周边既有隧道的影响

　　4.1对既有隧道的影响

因为既有隧道周围土体的应力以趋于稳定基本不会发生变化，但新建隧道的掘进会导致俩隧道之间的土体产生应力变化使土体发生扰动，对于挤压式盾构来说，由于开挖方式为不开挖或是部分开挖，从而使无法运出隧道外的土体被挤压在四周，使周围土体发生一定的位移和附加应力，从而使土体发生扰动。产生位移的土体和附加应力作用于附近的即有隧道，改变原以趋于稳定的土体，导致其发生变形和移动，甚至导致管片位移或断裂。

　　4.2减少对既有隧道影响的措施

4.2.1资料收集

盾构施工前应收集资料，并收集附近既有隧道的资料，尽量避免后续施工对既有隧道的影响。并进行现场调查了解施工区域的具体情况。在盾构施工过程中，必须对各种影响施工的因素进行全过程监测，及时提供监测信息，以评估盾构施工对既有隧道周围土体和管片的影响。当既有隧道周围土体发生应力变化挤压管道时，要及时采取措施防止隧道损坏。

4.2.2施工监测

在施工过程中，严格控制每道工序，使每道工序造成的地表沉降和水平位移误差在标准之内。根据现场踏勘、施工经验和计算分析，在隧道满足承载力要求的情况下，确定施工过程中的参数控制指标。

监测新建隧道和既有隧道俩条隧道之间的土体变形防止因土体变形太大而导致既有隧道发生沉降或隆起，监测土仓压力防止土体因土仓压力的增大而附加应力的增加从而影响既有隧道的稳定。

4.2.3应急措施

当既有发生沉降或隆起的时候，要及时进行加固俩隧道之间的土体，防止既有隧道继续产生变形。当土仓压力发生变化的时候，要及时改正土仓压力，避免因土仓压力而影响既有隧道。

　　结语

盾构隧道施工引起的地表沉降主要是因为施工时造成的土体扰动，使土体发生了固结沉降和地层损失，使用壁后注浆、控制出土量等来控制地表的沉降。地表沉降分为四个阶段：第一阶段的盾构未到达时所引起的沉降，第二阶段为开挖面前方沉降，第三阶段为盾构施工时引起的沉降，第四阶段是盾尾脱离时引起的沉降。

盾构施工中防治渗漏水也是一个比较重要的问题，如不能很好的解决渗漏水将会导致后续的隧道不能使用。引起隧道渗漏水的主要原因管片的连接不良，接缝、螺栓孔的密封情况不好，所以为了防治隧道的渗漏主要从这几个方面来解决。

在进行隧道盾构施工的时候要综合解决各个方面的问题，在每一个工序上都要控制好施工的力度，争取做到对地表、既有隧道的影响最小。

　　谢辞

时间转瞬即逝，即将为大学四年的生活画上一个句号。回首既往，自己一生中最自由最宝贵的一段时光可以处于这样的校园生活之中，在每一位才华横溢的老师的教导下我的思想和学习上都有了很大的提高。首先感谢每一位任课老师的悉心教导，没有任何保留的教我知识，让我形成了正确的三观，其次感谢那些帮助过我的同学和朋友，在我困难低迷的时候帮助我。

历经三个多月的准备终于完稿了我的毕业论文，在这里感谢我的论文和设计指导老师-李卓英老师在我这段时间内替我解答关于论文和设计的各种疑惑和问题并给予我帮助，无论在学校还是在假期中李老师总是会及时解答我的疑惑，甚至会打电话过来为我解答，指出我写的不对的地方告诉我解决的方法。在我初步完成论文后李老师也是回电话告诉我什么地方写的不准确，什么地方写的不合题意，指导我进行修改。在这里我真挚的向您说一声谢谢，谢谢您不厌其烦的帮助我指导我。

最后感谢我的父母，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，谢谢你们在我学涯路上的支持与鼓励，祝你们身体健康。

　　参考文献

[1]公路施工手册隧道/杨林德主编.-北京：人民交通出版社，2011.7

[2]敖日汉，张义同.盾构施工引起的固结沉降分析[J].岩土力学，2011年07期

[3]易宏伟.盾构施工对土体扰动与地层移动影响的研究[D]，上海：同济大学地下建筑与工程系，1999.

[4]盾构法隧道引起的地表变形分析[J].张云,殷宗泽,徐永福.岩石力学与工程学报.2002(03).

[5]王剑.地铁隧道盾构法施工中的地面沉降问题分析[J].写真地理，2020（15）：107.

[6]陈馈.盾构施工技术第2版[M].北京:人民交通出版社,2016.03.[1]贾文恺.

[7]贾文恺.地铁隧道盾构法施工中的地面沉降问题探析[J].工程技术研究，2017（9）：67–68.

[8]王俊.城市地铁盾构法隧道渗漏水预防[J].门窗,2016,(05):253-254.

[9]王峰，王海龙，李艳丽.盾构隧道渗漏水的原因分析及应对对策[J].城市建筑，2013.4

[10]高墅.某过江地铁盾构隧道管片渗漏水原因分析及治理技术[J].中国建筑防水，2015（6）：32-36.

[11]许森铭，杨益澜．浅谈盾构隧道渗漏水原因分析及处理[J]．建筑工程技术与设计，2015(10)．

[12]成晓靖．盾构隧道渗漏水处理施工技术田．城市建筑，2015(11):352.

[13]温竹茵,张庆贺,郑坚,秦鸿元.盾构法隧道防水堵漏技术[J].施工技术,1999(04):15-16

[14]张天奇.盾构法平行隧道施工引起的地面沉降及隧道相互影响机理与控制研究[D].天津大学,2017.

[15]李鸿威,刘树亚.地铁工程中盾构法隧道的质量缺陷和改进办法[J].西部探矿工程,2003(12).