盾構法施工在西安地鐵建設中的應用

王鳴曉 楊曉強 溫克兵

(西安市地下鐵道有限責任公司 西安 710018)

1 西安地鐵盾構施工概況

盾構法施工具有對周圍環境影響小、自動化程度高、施工速度快、優質高效以及安全環保等優點，在充分考慮盾構施工技術優勢以及綜合考量工程地質與水文地質、城市環境、地面交通狀況和建設工期等影響的條件下，盾構法施工在城市地鐵發展及其他地下空間利用方面，越來越受到重視和青睞。

西安地鐵2號線一期工程(北客站—會展中心段)已經建成通車運營，2號線南段工程(會展中心—韋曲南站段)正在建設，計劃于2014年6月通車試運營;1號線主體工程基本完成，計劃于2013年9月通車試運營。在這縱貫城市南北、橫穿東西方向的兩條線路施工過程中，充分采用了盾構施工技術(見表1)。在正在開工建設的3號線以及以后陸續開工建設的各條線路中，盾構法在區間隧道的施工應用仍然會占到很大的比例。

2 盾構隧道所穿越的地層情況

西安市位于渭河沖積平原—關中平原的中部，其(Q3)和中更新統(Q2)地層，以湖積、洪積、沖積、沖洪積、風積為主，巖性多為砂層、卵石、砂礫石層、粉質黏土、粉土及黃土。西安地鐵2號線、1號線先后穿越了西安市內幾乎所有地層及部分特殊地層，為控制地表沉降，其施工過程的出土量、同步注漿等情況也各不相同(見表2)。

表1 西安地鐵2號線、1號線區間隧道盾構工法統計

3 西安地鐵建設投入情況

西安地鐵2號線、1號線工程建設共投入16臺盾構機，均為土壓平衡盾構機，其中2號線一期工程建設投入的8臺盾構機為日本小松盾構機，在2號線一期工程盾構隧道施工完成后，這8臺盾構機繼續轉入1號線及2號線南段的工程建設，并引入了美國羅賓斯、中鐵中隧、中鐵軌道和日本川崎等8臺盾構機，投入使用的盾構機數量、類型及掘進里程等具體情況見表3。

4 西安地鐵盾構主要技術參數

盾構機是根據工程地質、水文地質、地面建筑物及地下管線等具體特征“量身定做”的產物，盾構機的選型決定著盾構施工的成敗，因此，盾構機選型應以工程地質、水文地質為主要依據，綜合考慮周圍環境條件、隧道斷面尺寸、施工長度、線路曲率半徑、地貌、地面建筑物等環境條件，參考國內外工程實例及相關技術規范、施工規范、標準等，對盾構機類型、驅動方式、功能要求以及主要技術參數等進行研究確定。

表2 西安地鐵2號線、1號線盾構隧道所穿越主要地層情況及地表沉降控制

西安地鐵2號線一期工程，尤其是行政中心—會展中心段，工程地質為復合黃土地層或全斷面砂層，盾構主要穿越老黃土、古土壤及粉質黏土層，部分地段含砂層透鏡體，因此盾構機選型及主要技術參數基本相同。隨著2號線南段工程的展開和1號線工程建設的推進，地鐵隧道穿越地層的地質情況也愈加復雜，特別是全斷面沉積砂層和全斷面砂卵石等地層(具體穿越地層情況參考表2)，對盾構機的功能提出新的要求。為適應地質條件的變化，在總結2號線一期工程盾構施工的基礎上，原來在2號線一期工程中掘進的8臺盾構機，重新進行了維修和改造，1號線新引進的8臺盾構機在盾構機選型和設計聯絡階段，對設備性能進行了深入的研究和論證，技術參數也進行了適當調整。西安地鐵盾構主要技術參數見表4。

5 西安地鐵盾構施工進度

5.1 西安地鐵盾構施工平均進度

城市軌道交通地下隧道在施工階段劃分標段大部分采用盾構法施工，是充分利用了盾構法施工的諸多優點，而在盾構施工工期安排方面，計劃進度是影響工期安排的關鍵因素，計劃編制的依據來源多樣。因此，在本文中通過總結西安地鐵的施工進度，擬采用平均掘進速度，即以盾構始發至該盾構完成其全部區間掘進任務全過程的平均日進度作為其平均進度(見表5)，反映西安地區施工進度情況。

在表5中，有兩點需要作出說明的是:

1)西安地鐵使用的每環管片寬度為1.5 m，在日常的現場作業中，以環作為進度單位，因此，在表5中仍以環/d作為平均進度單位。

2)行政中心—鳳城五路站區間和玉祥門—灑金橋站區間均為單區間，左右線由一臺盾構完成，即一條隧道貫通后，盾構機解體吊出轉場至始發井進行二次始發，進行另一條隧道的掘進。行政中心—鳳城五路站區間先進行右線施工，平均進度5.3環/d，而進行左線施工時則達到 11.4環/d，曾創下日掘進 27環(40.5 m)和月掘進485環(727.5 m)的盾構掘進全國最高紀錄;玉祥門—灑金橋站區間先進行左線施工，平均進度5.3環/d，在右線則是7.9環/d。在幾乎相同的地質條件下進行二次掘進，第二條隧道的進度遠遠高于第一條隧道。由于左右線均由一臺設備完成，若考慮盾構機轉場和二次始發的因素，這兩臺盾構機的平均掘進速度分別為6.3環/d和5.7環/d。

表4 西安地鐵盾構主要技術參數

表5 西安地鐵盾構施工平均進度

5.2 影響盾構施工平均進度的因素分析

影響盾構施工進度的因素很多，與盾構機選型、工程地質水文地質條件、盾構施工管理水平、盾構過站(推拉)或轉場等因素密切相關。

盾構機選型的正確與否決定著盾構施工的成敗。從西安地鐵2號線一期工程和1號線工程建設來看，在西安地區選用土壓平衡盾構機是合適的選擇。盡管從理論上說，盾構機是主要依據工程地質水文地質“量身定做”的設備，但工程地質水文地質條件的復雜程度直接影響盾構施工的進度、質量和安全;盾構施工管理水平的高低是影響盾構掘進的重要因素，盾構機是一種集機、電、液、傳感與信息技術于一體的隧道掘進專用工程機械，在施工過程中對盾構機的維護、維修和保養是實現順利施工的保障，而保證盾構施工順利進行的各種物資儲備和輔助材料的供應與周轉等體現著施工單位的管理水平;盾構施工過程中的過站或者轉場所利用的時間也影響著盾構掘進平均進度。

另外，施工過程中事故的處理時間也是影響進度的非正常因素之一，在西安地鐵盾構施工過程中，未發生過較大事故，因此，西安地鐵盾構施工的平均進度未考慮事故的因素。

6 盾構法在西安地鐵1、2號線應用分析

盾構法施工在2號線一期工程的基礎上，積累了寶貴的經驗，對于1號線及2號線南段盾構施工起到了積極的指導作用。但相比于2號線一期工程，1號線的地質情況更加復雜，尤其是全斷面砂卵石地層的掘進施工對設備的性能要求更高;另外，盾構吊出轉場等過站方式也在1號線得到了進一步的應用。

6.1 土壓平衡盾構機在全斷面砂卵石地層的掘進

全斷面砂層在2號線一期工程北客站—運動公園區間出現過，但當時受制于設備的性能等因素，在施工過程中留下了較為深刻的教訓，根據詳細的地質勘察資料，1號線的地質情況更加復雜，尤其在后圍寨—三橋區間以及萬壽路—長樂坡區間等，對盾構機的選型及推力、扭矩、刀盤開口率、刀具配置、刀盤驅動功率等提出更高的要求。

在1號線盾構施工過程中，在康復路—通化門—萬壽路—長樂坡區間施工的羅賓斯盾構機可以作為成功選型的代表(具體參數見表4)，其較大的驅動功率和推力，配備較大開口率的刀盤，在合適的輔助工法配合下，順利完成了全斷面砂卵石地層中的掘進任務。

通過2號線和1號線全斷面砂層掘進的經驗總結說明，盾構機在該地層情況下的選型趨于成熟，從設備方面來說，選用動力參數較強的設備應配備適應性較強的刀盤。動力參數不僅包括刀盤的驅動功率和盾構機推力，還應包括螺旋機的驅動功率;根據1號線的施工經驗，開口率大一點的刀盤更能適應西安地區砂卵石地層掘進。

從輔助工法來看，通過充分的渣土改良能夠保證盾構施工的順利進行;在施工工藝方面，在土壓平衡模式下快速掘進，同時加強同步注漿和多次補漿，能夠滿足盾構施工的質量和安全。

6.2 盾構吊出轉場的過站方式在1號線的應用

與2號線盾構施工站內過站方式不同，在1號線的萬壽路站、棗園站，根據地面建(構)筑物等邊界條件及交通狀況，采用盾構吊出轉場的過站方式，即在車站兩端分別預留盾構吊出井和始發井，待盾構出洞后吊出，轉場至車站另一端的始發井，吊入后重新組裝二次始發。

根據1號線的施工經驗，無論采用弧形導臺或鋼軌導引等站內過站還是吊出轉場過站，其所利用的時間相差不多，一般都在20～30 d。但是，這兩種過站方式對車站施工和道路交通疏導的影響程度差異較大，采用站內過站，車站的凈空、凈高必須滿足盾構過站的要求，并且車站的站臺板、軌頂風道等內部結構施工必須待盾構過站，甚至盾構隧道施工完成后才能進行，延長了車站的施工時間，增加了車站施工成本，然而對道路的恢復非常有利，在城市地面交通日漸擁堵的情況下，提早恢復道路對緩解交通擁堵難能可貴。采用盾構吊出轉場的過站方式，對車站結構的施工影響相對較小，但由于預留洞口的存在，對恢復道路交通極為不利，并且在盾構機吊出—轉場—吊入的過程中，仍然要占用大量的道路資源。

因此，在盾構過站方式的選擇上，應在充分研究該車站站點地理環境位置、交通狀況等因素的基礎上，結合車站結構設計情況，選用合適的過站方式。

7 結語

隨著盾構施工技術的發展與成熟，盾構法的優越性更加明顯，根據2號線一期工程及1號線的施工經驗，認真研究地質條件，合理的盾構機選型及主要技術參數的確定是保證盾構順利施工的關鍵。鑒于西安地質條件的復雜性，選用動力參數較強的設備并配備適應性較強的刀盤，通過試驗選用合適的輔助工法，是盾構施工順利進行的基礎保障。

盾構施工的基本原則是計劃生產，均衡掘進，從大局角度選用合適的進度參數進行計劃安排，才能做出合理的建設工期安排。

盾構施工應綜合車站施工、城市環境、交通狀況等因素，充分研究，多方論證，減小盾構施工對社會環境的影響，真正發揮盾構法施工的優越性。

［1］陳饋，洪開榮，吳學松.盾構施工技術［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］［日］地盤工學會.盾構法的調查·設計·施工［M］.牛青山，譯.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［3］西安市地下鐵道有限責任公司.西安市軌道交通二號線施工圖設計文件［G］.西安，2007.

［4］西安市地下鐵道有限責任公司.西安市軌道交通一號線施工圖設計文件［G］.西安，2009.

［5］楊曉強，溫克兵.土壓平衡盾構機在全斷面砂礫石地層中的應用［J］.工程機械與維修，2011:132-135.