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摘要：盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机。盾构的施工法是掘进机在掘进的同时构建（铺设）隧道之“盾”（指支撑性管片），它区别于敞开式施工法。 国际上，广义盾构机也可以用于岩石地层，只是区别于敞开式（非盾构法）的隧道掘进机。而在我国，习惯上将用于软土地层的隧道掘进机称为（狭义）盾构机，将用于岩石地层的称为（狭义）TBM。
关键词：盾构;施工;技术；安全；风险管理
（全断面）隧道掘进机里一部分采用盾构法，一部分采用敞开式施工法，例如，由中国铁建重工自主研制的全断面双护盾岩石隧道掘进机(TBM)自带双护盾，不需要构建（铺设）隧道之“盾”即不需要铺设管片，而是集开挖、支护、出渣于一体，可以实现隧道的一次成型。
一、盾构机的基本工作原理
盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。
二、盾构法施工工序
采用盾构法施工时，首先要在隧道的始端和终端开挖基坑或建造竖井，用作盾构及其设备的拼装井（室）和拆卸井（室），特别长的隧道，还应设置中间检修工作井（室）。拼装和拆卸用的工作井，其建筑尺寸应根据盾构装拆的施工要求来确定。拼装井的井壁上设有盾构出洞口，井内设有盾构基座和盾构推进的后座。井的宽度一般应比盾构直径大1.6～2.0米，以满足铆、焊等操作的要求。当采用整体吊装的小盾构时，则井宽可酌量减小。井的长度，除了满足盾构内安装设备的要求外，还要考虑盾构推进出洞时，拆除洞门封板和在盾构后面设置后座，以及垂直运输所需的空间。中、小型盾构的拼装井长度，还要照顾设备车架转换的方便。盾构在拼装井内拼装就绪，经运转调试后，就可拆除出洞口封板，盾构推出工作井后即开始隧道掘进施工（图2)。盾构拆卸井设有盾构进口，井的大小要便于盾构的起吊和拆卸。其他施工主要有土层开挖、盾构推进操纵与纠偏、衬砌拼装、衬砌背后压注等。这些工序均应及时而迅速地进行，决不能长时间停顿，以免增加地层的扰动和对地面、地下构筑物的影响。
（1）盾构法土层开挖
在盾构开挖土层的过程中，为了安全并减少对地层的扰动，一般先将盾构前面的切口贯入土体，然后在切口内进行土层开挖，开挖方式有[2]：
1、敞开式开挖。适用于地质条件较好、掘进时能保持开挖面稳定的地层。由顶部开始逐层向下开挖，可按每环衬砌的宽度分数次完成[1]。
2、机械切削式开挖。用装有全断面切削大刀盘的机械化盾构开挖土层。大刀盘可分为刀架间无封板的和有封板的两种，分别在土质较好的和较差的条件下使用。在含水不稳定的地层中，可采用泥水加压盾构和土压平衡式盾构进行开挖[2]。
3、挤压式开挖。使用挤压式盾构的开挖方式，又有全挤压和局部挤压之分。前者由于掘进时不出土或部分出土，对地层有较大的扰动，使地表隆起变形，因此隧道位置应尽量避开地下管线和地面建筑物。此种盾构不适用于城市道路和街坊下的施工，仅能用于江河、湖底或郊外空旷地区。用局部挤压方式施工时，要根据地表变形情况，严格控制出土量，务使地层的扰动和地表的变形减少到最低限度[2]。
4、网格式开挖。使用网格式盾构开挖时，要掌握网格的开孔面积。格子过大会丧失支撑作用，过小会产生对地层的挤压扰动等不利影响。在饱和含水的软塑土层中，这种掘进方式具有出土效率高、劳动强度低、安全性好等优点[2]。
（2）盾构法推进纠偏
推进过程中，主要采取编组调整千斤顶的推力、调整开挖面压力以及控制盾构推进的纵坡等方法，来操纵盾构位置和顶进方向。一般按照测量结果提供的偏离设计轴线的高程和平面位置值，确定下一次推进时须有若干千斤顶开动及推力的大小，用以纠正方向。此外，调整的方法也随盾构开挖方式有所不同：如敞开式盾构，可用超挖或欠挖来调整；机械切削开挖，可用超挖刀进行局部超挖来纠正；挤压式开挖，可用改变进土孔位置和开孔率来调整[1]。
（2）盾构法衬砌拼装
常用液压传动的拼装机进行衬砌（管片或砌块）拼装。拼装方法根据结构受力要求，可分为通缝拼装和错缝拼装。通缝拼装是使管片的纵缝环环对齐，拼装较为方便，容易定位，衬砌圆环的施工应力较小，但其缺点是环面不平整的误差容易积累。错缝拼装是使相邻衬砌圆环的纵缝错开管片长度的1/2～1/3。错缝拼装的衬砌整体性好，但当环面不平整时，容易引起较大的施工应力。衬砌拼装方法按拼装顺序，又可分为先环后纵和先纵后环两种。先环后纵法是先将管片（或砌块）拼成圆环，然后用盾构千斤顶将衬砌圆环纵向顶紧。先纵后环法是将管片逐块先与上一环管片拼接好，最后封顶成环。这种拼装顺序，可轮流缩回和伸出千斤顶活塞杆以防止盾构后退，减少开挖面土体的走动。而先环后纵的拼装顺序，在拼装时须使千斤顶活塞杆全部缩回，极易产生盾构后退，故不宜采用[1]。
（3）盾构法衬砌压注
为了防止地表沉降，必须将盾尾和衬砌之间的空隙及时压注充填。压注后还可改善衬砌受力状态，并增进衬砌的防水效果。压注的方法有二次压注和一次压注。二次压注是在盾构推进一环后，立即用风动压注机通过衬砌上的预留孔，向衬砌背后的空隙内压入豆粒砂，以防止地层坍塌；在继续推进数环后，再用压浆泵将水泥类浆体压入砂间空隙，使之凝固。因压注豆粒砂不易密实，压浆也难充满砂间空隙，不能防止地表沉降，已趋于淘汰[2]。一次压注是随着盾构推进，当盾尾和衬砌之间出现空隙时，立即通过预留孔压注水泥类砂浆，并保持一定的压力，使之充满空隙。压浆时要对称进行，并尽量避免单点超压注浆，以减少对衬砌的不均匀施工荷载；一旦压浆出现故障，应立即暂停盾构的推进。盾构法施工时，还须配合进行垂直运输和水平运输，以及配备通风、供电、给水和排水等辅助设施，以保证工程质量和施工进度，同时还须准备安全设施与相应的设备[1]。
三、盾构施工的安全风险管理策略
（1）有效控制刀盘和刀具磨损
在变化较大的岩土地层中进行施工时必须避免刀具出现磨损，其主要包括以下几方面：应当选择硬度较大、抗剪性较强的刀刃，并在施工中应当充分结合重型刀具进行施工；对所有刀具进行合理布置，并通过增加刀具数量的方式提升施工效率；合理控制长短刀具的使用比例，从而满足不断变化的岩土层施工需求；对滚刀进行适当改造，以保证在特定岩层中进行掘进的基本效果；对刀具进行有计划性的更换，从而有效控制刀具磨损的基本程度。
（2）有效控制软弱底层施工
因为软弱土层具有容易丧失压力平衡，风险事故较大等特点，在实际施工过程中应当采取相关措施对其进行有效控制，从而保证施工安全。在施工中选择泥水平衡盾构机，从而有效控制泥水压力和粘稠度，避免地表出现沉降，保证实际掘进效率。在淤泥土层中的施工往往会受到地下水压力的影响，倘若盾构压力采用地下水压力E+20kPa，当盾构泥水的压力变化比淤泥主动土压力小时，往往会引起淤泥开挖面失稳，从而将地下水压力控制在可接受范围之内，最终保证在实际开挖过程中不会出现坍塌和隆起现象。倘若对淤泥层进行注浆加固，应当有效控制浆液参数和配合比，并采取由浅到深的方式反复进行，最终保证施工的基本质量。
（3）有效控制管片拼装及同步注浆
管片拼装指在盾壳的保护下，由盾尾管片安装设备拼装管片成环，进而形成隧道衬砌，管片与围岩之间的环形间隙以水泥砂浆同步注浆进行回填。管片安装须从隧道底部开始，然后依次安装相邻块，最后安装封顶块。管片块安装到位后，应及时伸出相应位置的推进油缸顶紧管片，其顶推力应大于稳定管片所需力，然后方可移开管片安装机，并应在管片环脱离盾尾后要对管片连接螺栓进行二次紧固。为控制地层变形，稳定管片结构，控制盾构掘进方向，在盾构向前推进盾尾空隙形成的同时，管片背后环向间隙通过同步注浆系统及盾尾的内置注浆管进行同步注浆，重点关注浆液配合比、注浆量、注浆压力等主要技术指标。
（4）有效避免隧道盾构机施工中坍塌事故
针对塌方事故，需要在初步对产生问题的原因进行分析后，立即采取对应措施，防止地表沉降的进一步扩大，并保证盾构机能够安全通过沉陷区域。要重点把握好以下四个方面的问题：①拦截塌陷周围的地表水，以防其进一步渗入隧道中，以此降低隧道中的涌水量，并第一时间回填塌孔；②要把握好盾构机推进和出土的速度，以保证开挖面的土层压力平衡，减少地表沉降量；③增加注浆量，预防地表沉降范围的进一步延伸；④加强监控和测量，重点是测量出土量、土仓压力、注浆量等，以便及时调整掘进参数。
参考文献
[1]《盾构法隧道施工与验收规范》(GB50446-2017).
[2]《地铁隧道工程盾构施工技术规范》DG/TJ08-2041-2008.