地铁工程土压平衡式盾构施工技术分析

在现代城市地下空间开发中，地铁建设面临穿越软土、砂层、硬岩等多种复合地层的技术挑战。土压平衡式盾构作为封闭式机械化掘进装备，凭借其独特的压力补偿机制和连续作业优势，逐渐成为主流施工方案。

一、土压平衡式盾构的工作原理

土压平衡式盾构（EarthPressureBalanceShield，简称 EPB 盾构）的核心原理是“以土止水、以土压平衡”，通过刀盘旋转切削掌子面土体，将切削后的渣土（泥土、砂石等）充满密封舱，利用螺旋输送机控制渣土排出量，使舱内土压力与开挖面水土压力保持动态平衡（偏差 ≤20kPa ），从而实现开挖面稳定。其工作流程可概括为：刀盘切削→渣土进入密封舱→调整土压力→螺旋输送机排渣→管片拼装→盾构推进，形成“开挖-支护-推进”的连续作业循环。

二、土压平衡式盾构的系统组成

2.1 刀盘与驱动系统

刀盘直径根据隧道设计断面确定（常见6-7 米），面板形式分为辐条式（适合软土）、面板式（适合硬岩）和复合式（适应复杂地层），刀盘上配备不同类型刀具（滚刀、刮刀、撕裂刀等），驱动功率可达 500-1500kW，转速 0-5r/min 可调。

2.2 密封舱与土压控制系统

密封舱作为维持土压平衡的核心部件，采用高强度钢制焊接结构，形成密闭的渣土处理空间。舱内配置高精度土压传感器，测量精度达±5kPa，可实时监测舱内压力变化。内置的双轴搅拌装置采用交错叶片设计，通过 360°无死角搅拌，有效防止渣土在舱内产生泥饼或固结现象。土压控制系统通过建立"推进速度-螺旋输送机转速-土仓压力"的动态控制模型，当舱内压力偏离设定值（通常 100-300kPa）时，PLC 控制系统自动调节盾构推进速度与螺旋输送机排土量，确保土仓压力与开挖面水土压力保持动态平衡，避免地面沉降或隆起。

2.3 推进系统

推进系统由12-20 组高精度液压千斤顶呈圆周阵列布置，单组千斤顶推力可达 250-400kN，总推力覆盖3000-8000kN 范围。每组千斤顶均配备位移传感器与压力传感器，实现毫米级行程控制与千牛级推力监测。通过分区控制策略，操作人员可独立调节各组千斤顶伸出量：水平分区控制用于修正盾构轴线偏移，垂直分区控制保障隧道坡度精度，允许水平偏差≤50mm、垂直偏差≤30mm。

2.4 管片拼装系统

管片拼装系统采用模块化设计，由旋转式拼装机与伸缩式举重臂构成。拼装机回转半径覆盖隧道全断面，配备伺服电机驱动系统，可实现±0.1°的精准定位；举重臂采用液压伸缩结构，最大抓取重量达15 吨，满足标准混凝土预制管片（宽度1.2-1.5 米，厚度30-50cm）的搬运需求。拼装过程采用"先定位后紧固"的工艺，通过激光定位系统与三维坐标校核，确保管片环缝错台≤5mm，纵缝间隙≤2mm。

2.5 辅助系统

辅助系统构建了盾构施工的全流程保障体系：渣土改良系统通过泡沫发生器与膨润土注入装置，对开挖渣土进行塑流化改良，改善其流动性与止水性；同步注浆系统采用双液注浆工艺，配备螺杆式注浆泵与流量监测装置，以0.8-1.2 倍建筑空隙率进行实时注浆，有效控制地层变形。液压系统采用负载敏感技术，实现按需供能，降低能耗 30% 以上；电气控制系统基于PLC+触摸屏架构，集成数据采集、故障诊断与远程监控功能。

三、土压平衡式盾构施工的关键技术环节

3.1 盾构选型与刀具配置

盾构选型需根据地层特性“量身定制”，核心参数包括刀盘扭矩（与地层强度成正比）、推进力（与开挖直径、土压力相关）、渣土处理能力等。例如，软土地层（黏聚力 c=10-30kPa ）：选择辐条式刀盘（开口率 60%80% ），配备刮刀（占刀具总量 70% ），刀盘扭矩系数取 30-50kN⋅m/m³ ；砂卵石地层（粒径 50-300mm ）：采用复合式刀盘（开口率 30%-50% ），配置滚刀（抗压强度≥200MPa）、撕裂刀，刀盘扭矩系数需提高至 60-80kN⋅m/m³ ；

软硬不均地层（如上部软土下部岩层）：选用偏心多轴刀盘，实现不同区域刀具的差异化切削，同时配备刀具磨损监测系统（实时反馈刀具寿命）。某地铁区间穿越“黏土-砂层-卵石”复合地层，通过配置Φ6.48 米复合式刀盘（滚刀18 把+刮刀36 把），并采用刀盘中心超挖刀（可伸出 30mm ），成功解决了硬岩凸起导致的盾构振动问题。

3.2 渣土改良技术

渣土改良是确保盾构顺利推进的核心环节，通过向密封舱注入改良剂（泡沫、膨润土、聚合物等），改善渣土的流塑性（坍落度 150-200mm ）、止水性（渗透系数降至 10^-6cm/s 以下）和抗剪强度（ ≤50k Pa）。不同地层的改良方案如下，黏性土地层：易出现“泥饼”（刀盘黏结渣土），需注入泡沫（发泡率8-12 倍），注入量为渣土体积的 10%-20% ，降低渣土黏聚力；砂土地层：渗透性强、流动性差，采用“泡沫+膨润土”复合改良，膨润土浆液浓度 5%-8% ，注入量使渣土形成“可塑性黏土”状态；卵石地层：块体含量高、流动性差，需注入高浓度膨润土（ 10%-15% ）或聚合物溶液，同时在螺旋输送机内喷洒润滑液，防止卡堵。改良效果可通过“坍落度试验”“筛分试验”现场检测，某地铁砂层段施工中，通过优化泡沫注入参数（膨胀率 10 倍，半衰期≥8 分钟），使渣土输送效率提升 40% ，螺旋输送机卡堵次数从每日3 次降至0.5 次。

3.3 同步注浆与二次注浆

同步注浆是控制隧道沉降的关键措施，在管片拼装完成后，通过管片注浆孔向管片与地层之间的环形间隙（厚度约 100-150mm ）注入水泥砂浆，填充间隙并早期强度，防止地层变形。其技术要点包括，浆液配比：水泥：砂:粉煤灰：水=1:3:1:0.8（质量比），初凝时间 3-6 小时，28 天强度≥5MPa，泌水率 ≤3% ；注浆参数：注浆压力比掌子面土压力高 20-50kPa （通常 0.2-0.5MPa ），单环注浆量为理论间隙的 120%-150% （约 5-8m³ /环），采用“多点对称注浆”方式，避免管片偏压；二次注浆：对同步注浆效果不佳（如渗漏、沉降超标）的区域，在隧道成型后3-7 天进行二次注浆，采用水泥-水玻璃双液浆（凝固时间 30-60 秒），注浆压力 _{0.5-1.0MPa⨀} 。某地铁区间通过同步注浆控制，隧道轴线沉降量控制在s_mm 以内，较规范限值（ 30mm ）降低 80% 。

结语：

土压平衡式盾构施工技术凭借对周边环境扰动小、适应地层广、自动化程度高等优势，已成为地铁区间隧道施工的首选技术。其核心在于通过精准控制土压力、优化渣土改良、强化同步注浆，实现“安全开挖、稳定推进”。

参考文献：

[1]杜玉奇.软土地区盾构长距离下穿群房施工技术[J].智能城市,2019,005(013):177-179.

[2]徐朝辉.地铁工程土压平衡式盾构施工技术研究[J].建材与装饰,2019,000(035):250-251.