基于盾構施工技術的地鐵隧道設計與施工優化

彭朝陽

（中交二航局（成都）建設工程有限公司，成都610218）

1 引言

地鐵作為現代城市的交通脈絡，其重要性不言而喻。 為滿足不斷增長的交通需求，更高效、安全、可靠的隧道施工技術成為研究和探討的焦點。 其中，盾構施工技術因其高效率、低擾動和良好的安全記錄在隧道工程中受到廣泛應用。 然而，隨著施工條件的多樣性和項目需求的復雜性， 單一的施工方法往往難以滿足所有需求，因此，如何根據實際情況優化盾構施工技術，確保其在不同條件下均能發揮最大效能，成為業內關注的重點。

2 盾構施工流程及盾構隧道結構

2.1 盾構機的分類與特點

盾構技術因其獨特的施工特性而逐漸成為地下工程領域的重要施工方法。 盾構機根據其結構和適用的地質條件，可大致劃分為4 類：（1）土壓平衡盾構機適用于流變性土體、高水壓和其他復雜地質條件下的隧道施工， 通過維持接近地面壓力的土倉壓力，確保掘進過程的穩定性，避免地面沉降；（2）硬巖盾構機主要用于在堅硬的地層中掘進，如花崗巖、石英砂巖等，前端裝配有旋轉切削盤，可將巖石切割并碎成小塊，通過輸送系統將其輸送至地面[1]；（3）雙盾盾構機結合了硬巖盾構與土壓平衡盾構的特點，能在堅硬的巖層中掘進，也能應對柔軟、高水壓的地層；（4）泥水盾構機則通過注入特定的泥漿，維持掘進面的穩定性，適用于細顆粒沙、黏土等地質條件。

2.2 盾構施工流程概述

1）盾構施工的前期勘察需要明確地質、水文和環境條件，為后續的盾構機選擇、施工參數設定，以及預見可能的風險提供依據。

2）根據地質條件和隧道設計需求，選擇合適的盾構機類型，將其運輸至施工現場，并進行組裝和調試，確保其正常運行。

3）盾構起始井的施工開始。 起始井作為盾構機起始掘進的位置，其結構穩定性、尺寸以及與預計的隧道軸線的對齊至關重要。

4）盾構機就緒后進行隧道掘進，盾構機的切削部分對地層進行掘進。 節段架設機器將預制的隧道節段逐一安裝，確保新形成的隧道段的穩定性。 土質松散、水分含量較高的地段，需要注入特定的泥漿或其他材料以維持掘進面的穩定性。 隨著盾構機的掘進， 大量土方通過輸送系統輸送至地面并進行合適的處理。

5）隧道掘進完成后，特定工程可能還需要進行二襯施工，即在原有的隧道內墻上再施工一層結構，以進行更好的防水、結構支撐，或者滿足其他的功能需求[2]。

3 地鐵隧道設計的關鍵因素

3.1 地質條件和預測

土壤類型、地下水位、地層厚度及其分布特點等都是決定盾構機選擇、施工方法和隧道結構設計的關鍵參數。 隧道施工中，采用先進的勘探技術，如地質雷達、地震反射和鉆探等，是獲取準確地質信息的關鍵。 地質條件還與隧道的長期穩定性緊密相關[3]，需要設計者根據地質條件采用適當的隧道加固、防水措施，確保隧道的長期安全和穩定。 準確的地質預測可以為決策者提供關鍵的經濟評估信息， 幫助其進行合理的資源配置和成本控制。

3.2 隧道的深度和位置

隧道的深度直接決定了施工復雜程度和安全性及工程成本。 較淺的隧道需要面對更多的地下工程和設施， 如地下管線、建筑基礎等，這往往會增加施工中的障礙和風險。 而深層隧道，卻面臨更高的巖土壓力，需要更加復雜的支護結構和施工技術，深度增加會導致施工及運營過程中的通風、排水和救援等問題更為復雜。 隧道位置需要綜合考慮交通需求、土地利用、環境保護以及社區影響等多個方面，隧道的深度和位置也關系到其防災和應急響應能力。

3.3 隧道的尺寸和形狀選擇

隧道的尺寸需與其預定的運輸容量相匹配，隧道的寬度、高度和長度決定了地鐵列車的規模、 站臺的布局以及乘客的流動情況。 隧道的形狀關系到其結構性能和施工技術的選擇，圓形或近似圓形的斷面通常具有較好的結構穩定性， 能有效分散地下的土壓力，適用于多種地質條件，但特定場合，如交會站或特大跨徑區域，需要選擇橢圓形、馬蹄形或其他特定形狀的斷面，以滿足實際需求。

4 地鐵隧道應用盾構施工技術的常見問題

4.1 地質突變引起的問題

地鐵隧道盾構施工的地質突變指的是在短距離內地質條件出現的劇烈變化，如巖層硬度、土層組成或地下水條件的迅速變更，當盾構機從柔軟的土層進入硬巖層時，其刀具受到的沖擊和磨損會顯著增加，可能導致刀具損壞或盾構機的推進速度降低[4]。 地下水的突然涌出是地質突變中的另一大問題。 在某些情況下，盾構機可能突然進入含有大量地下水的層面，導致隧道內部積水或盾構機前部的土體流失， 由于不同地質層的推進阻力不同， 盾構機在遭遇地質突變時可能發生方向偏移，影響隧道的定位準確性。 此外，由于盾構機在推進過程中對土體會產生擾動， 特定的地質突變條件下可能會導致地面的顯著沉降或隆起，對周圍的建筑和基礎設施造成潛在威脅。

4.2 隧道滲水或坍塌

隧道滲水主要是由地下水壓力、 不完善的防水設計或施工缺陷導致的。 在盾構施工中，若盾構機的密封性不佳可能會造成地下水滲入隧道，長期的滲水會降低隧道的結構穩定性，還可能導致設備腐蝕、電氣系統故障等一系列問題，同時，還可能引發二次污染，對隧道內的空氣質量產生負面影響。 隧道坍塌則通常與地質條件、施工方法及施工質量緊密相關。 不穩定的地質層、 存在的空洞或過度的土體擾動可能導致局部或整體的坍塌；土壓平衡不當或切削參數設置不恰，也可能導致土體不穩定。 坍塌對施工人員的生命安全構成直接威脅，而且對施工進度和整體項目成本都有重大影響。

4.3 鄰近建筑物和基礎設施的影響

盾構施工會擾動周圍的土體， 導致局部甚至是大范圍的土體位移，引發地面沉降，對鄰近建筑物的結構穩定性構成威脅。 盾構機在推進過程中的振動傳導到周圍的建筑物和結構，會導致其產生振動，對于某些敏感設施，可能造成其工作失常或損壞。 再者，盾構施工可能會改變地下水流動方向和速度，以及地下水位改變，進而對鄰近建筑物基礎造成沖刷，引發局部區域的地面泡水，進一步影響地面交通和基礎設施。

5 基于盾構技術的地鐵隧道施工優化策略

5.1 先進地質預測技術的應用

在盾構隧道施工中， 先進的地質預測技術已成為確保施工安全、高效、并最小化對周邊環境影響的關鍵因素。

1）地震反射法是常用的地質預測技術，通過向地下發送和接收地震波，能在較大的深度范圍內獲得關于地質結構、巖層連續性和其他關鍵參數的信息，對于預測地下水、空腔、斷層以及其他可能對盾構施工造成困難的地質現象尤為有效。

2）地電阻率勘測為施工團隊提供了有關地下材料導電性的信息，從而推斷其地質信息，在預測含水層、鹽漬層和某些礦化帶方面具有優勢。 結合其他預測技術，地電阻率勘測可以為盾構施工提供更全面的地質畫像。

3）鉆孔探測是獲取地質樣本和進行詳細地質分析的主要方法，通過將鉆孔數據與其他地質預測技術的數據結合，施工團隊可獲得對即將進入的地質條件的深入了解和精準數據分析。

5.2 施工參數的實時監測和調整

實時監測能夠為施工團隊提供關于盾構機狀態的信息，如刀盤扭矩、進給壓力、土壓平衡壓力等關鍵參數，反映盾構機與地層之間的相互作用， 對于預防盾構機過度磨損或損壞至關重要[5]。 通過監測這些數據，工程師可以及時識別并解決施工過程中可能出現的問題，如刀盤卡滯、土體坍塌等。 對于城市中的盾構施工，特別是在密集建筑區域，這種監測對于保護周邊建筑和基礎設施至關重要。 當監測到超出預期的變化時，施工團隊可以立即采取措施。

5.3 施工材料的創新和應用

基于盾構技術的地鐵隧道施工， 施工材料的性能與選擇直接影響盾構施工的進度、成本和工程質量。 盾構機的刀具材料是盾構施工中最為關鍵的部分，針對不同的地質條件，刀具的材料、硬度、耐磨性和抗沖擊性等都需要進行針對性的設計和選擇。 新型合金材料、碳化物和陶瓷復合材料的引入使刀具在復雜地質中展現出更長的使用壽命和更好的切削效果，提高了施工效率。 傳統的鋼支護已逐漸被新型的復合材料所替代。 復合材料具有更佳的強度與韌性，同時自重更輕，有利于加快施工速度并降低工程成本。 為了應對地下水和各種化學物質的侵蝕，現代支護材料還需具備更好的耐腐蝕性。 除此之外， 隧道施工中使用的現代灌漿材料加入了多種高性能添加劑和納米材料，不僅有良好的流動性和凝固性，還具備較高的抗壓強度和抗折性能，以確保隧道的穩定性和防止滲漏。

6 數字化和信息技術在盾構施工中的應用

6.1 BIM 技術在隧道設計與施工中的價值

BIM 技術所涵蓋的三維建模， 整合了各工程學科的數據并提供真實的建筑項目模擬，為項目從設計到施工，再到后期運維的各個階段提供了決策支持，從設計角度看，BIM 能夠實現對隧道的三維可視化模擬及分析；BIM 模型中的信息實時更新能夠及時反映施工現場的實際狀況， 為決策者提供實時的數據支持。 BIM 技術還為隧道的后期運維和管理提供了有力支持， 記錄隧道的設計和施工信息， 并整合隧道的運維數據，為隧道的長期安全運行提供了精準的數據支撐。

6.2 虛擬現實和增強現實技術的潛力

在盾構施工領域，虛擬現實（VR）與增強現實（AR）技術能使工程師進入完全模擬的隧道環境中， 更加直觀地評估設計方案的合理性和可行性，預見潛在的施工難題，并針對性地進行優化。 VR 為利益相關者提供了更為生動、真實的設計展示平臺，增強了項目參與者之間的溝通與協同。 AR 技術將計算機生成的信息疊加到真實環境中， 工程師可以使用AR 眼鏡直觀地查看地下設施的布局、管線走向等，減少施工過程中的誤差和風險；AR 還能實時提供施工指導和反饋， 使施工人員在面對復雜情境時，能夠做出快速且準確的判斷。

7 結語

綜上所述，盾構施工技術通過結合先進的地質預測技術、實時監測系統、創新施工材料和綜合安全管理，可以大大提高隧道施工的效率，同時確保施工過程的安全可靠。 盾構施工技術在地鐵隧道設計與施工中擁有廣闊的應用前景， 仍需要持續進行技術創新和不斷積累經驗， 來面對未來更為復雜的施工環境和更高的工程要求。