盾构掘进机在地铁隧道中的应用
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盾构掘进机是一种隧道掘进专用的工程机械。现代盾构掘进机采用了类似机器人的技术，如控制、遥控、传感器、导向、测量、探测、通讯技术等，集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装管片、隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，是目前最先进的隧道掘进设备。
盾构施工法适用于软土、砾石、硬岩等不同地质构造的隧道暗挖，被广泛应用于地铁、公路、铁路、输气、输水、市政、水电隧道等大型工程建设。盾构掘进机基本有两大类：土压平衡式盾构机和泥水平衡式盾构机。本文着重介绍土压平衡式盾构掘进机。
一、土压平衡式盾构掘进机的组成结构
土压平衡式盾构从结构上分由主机和后配套组成，主机由刀盘、盾体、主传动、人员舱等部分组成。后配套主要由控制室、电气柜、液压站等组成。
刀盘是盾构机的工作机构, 根据不同的地质条件可以装全切刀(软土模式)、全滚刀、切刀滚刀混装。切刀滚刀轨迹按同心圆布置，间距一般60～100 mm，越向外间距越小。为防止机器偏转，刀盘在主传动液压马达，或多个电机的带动下，要作往复旋转运动，根据地质条件的不同，开口度也不同。刀盘要有足够的开口度，一能保证开挖下来的软土能进入土舱进行搅拌，以便从螺旋输送机中运走，二能使软土的压力更准确地传给土压传感器。
盾体是盾构机的框架，分前盾体、中盾体和盾尾。 驱动系统、传动系统、人员舱等安装在盾体中。人员舱是维修人员进入土舱内更换刀具的一个过渡舱，也可进行压气作业。推进缸为整个盾构推进提供动力。螺旋输送机负责将刀盘切削下来的经过搅拌的沙石排出到皮带运输机上。拼装机主要功能是拼装管片。盾尾密封刷安装在盾尾上，一般有三道密封刷，而盾尾密封油脂在油脂泵的作用下注入到密封刷之间，并与管片外壁形成密封，可防止泥浆倒流。
注浆系统是向盾构机外径与管片外径之间的缝隙注浆的系统。注浆作业由设置在盾构机后配套上的注浆装置进行。通过不同位置的管道进行注浆。该系统可进行手动操作和自动操作，还可进行注浆操作和管道的清洗操作。
泥浆注浆系统对泥浆的注浆量和压力进行管理, 可通过手动操作和自动操作进行注浆。切换注浆部位时, 刀头的注浆口一般为自动切换, 其它注浆口为手动切换。
二、土压平衡式盾构掘进机的原理
盾构施工是在一个能支撑地层压力而又能在地层中推进的圆形、矩形或马蹄形等特殊形状的钢筒结构的掩护下，完成挖掘、出土、隧道支护等工作。它的最大特点就是整个隧道掘进过程都是在这个被称做护盾的钢结构的掩护下完成的，可以最大限度地避免坍塌和地面塌陷。
土压平衡式盾构机的掘进模式主要有敞开式掘进模式、土压平衡掘进模式以及介于两者之间的混合模式（半敞开式）三种，各有其工作特点和适用的地质条件。盾构机可在掘进过程中根据不同的地质情况选择不同的掘进模式以便达到最好的掘进效果。
（1）敞开式模式(TBM模式)：当隧道掌子面不需要连续的平衡压力支撑时, 盾构工作在开式模式下, 掌子面由刀盘本身支撑, 土碴在内腔堆积,但并不充满内腔形成土压, 内腔的土压值为零。此时维修人员进入土舱内并不需要人员舱进行压力过渡。
（2）土压平衡掘进模式(EPB模式)：EPB开挖模式为隧道提供连续的支撑,将掌子面作用在盾构上的压力平衡掉,由刀盘切削下来的土碴在刀盘内腔堆积,混合并产生压力,然后土碴由螺旋输送机带走,刀盘内腔的压力通过改变盾构的推进力及螺旋输送机的出碴速度来调节。此时维修人员进入土舱内必须经人员舱进行压力过渡。
（3）半敞开式模式：当掌子面虽然有一定的自稳性，但是不能完全自稳，或是虽然稳定但由于存在一定量的地下水，需要在掌子面建立一定的压力来防止地下水进入土仓，减少水土流失。这种情况下为了减少刀盘转动的扭矩，通常我们只需要在土仓内保持少量的碴土（通常1/2左右），然后向土仓内注入压缩空气或泡沫来辅助进行开挖，这种开挖模式我们称之为半敞开模式（或是半土压平衡模式）。半敞开模式介于敞开式和闭式模式之间，如果地质情况稍好即可转向敞开模式，稍差则可转为土压平衡模式。
三、土压平衡式盾构施工土压力的方法确定
土压平衡式盾构施工过程中土仓内的土压力设置方法有以下几种：
（1）根据隧道所处位置及隧道埋深情况，对隧道进行分类，判断出隧道是属于深埋隧道还是浅埋隧道。
（2）根据判断的隧道类型初步计算出地层的竖向压力。
（3）根据隧道所处地层以及隧道周边地地表环境状况的复杂程度, 计算水平侧向力。
（4）根据隧道所处地层及施工状态, 确定地层水压力。
（5）根据不同的施工环境、施工条件及施工经验,考虑一压力值作为调整值来修正施工土压力。
（6）根据确定的水平侧向力、地层水压力及施工土压力调整值得出初步的盾构施工土仓压力设定值。
（7）根据经验值和半经验公式进一步对初步设定的土压进行验证比较, 无误时应用于施工之中。
（8）根据地表沉降监测结果, 及时调整施工土压力, 得出比较合理的施工土压力值。
四、工程实例
1、工程概况
广州轨道交通五号线[员村―车陂南盾构区间]盾构工程为地下隧道形式，区间由左右2条圆形隧道组成，左线长2574.598m，右线长2560.043m，最大坡度32‰。区间中设有科韵路站，有4个联络通道，其中有2个联络通道是有泵房的。
地质情况：区间的地层按时代、成因和岩性总体上为二元地层，即上部为新生界冲-洪积和风化残积地层，下部为白垩系陆相沉积的以红色为主的泥岩、粉砂岩、含砾砂岩和砾岩等组成的基岩层。隧道在员村站～科韵路站区间通过的地层主要是<5-1>、<5-2>、<6>、<7>、<8>号等地层，在科韵路站～车陂南站区间主要通过<5-2>、<6>、<7>、<8>、<9>等地层。
2、盾构机选型
根据对地层情况的分析以及综合衡量土压平衡式盾构机和泥水平衡式的优劣，员-车盾构区间选用4台海瑞克土压平衡式盾构机，从科韵路站下井，然后分别从西、东方向向前掘进，从员村站和车陂南站吊出。
3、盾构机中心土压力计算
该断面处有关土力学参数及由地表至隧道底部的地层构造如下：
表10.8.2.1-1 岩土力学参数表
图10.8.2.1-1计算断面地层构造 图10.8.2.1-2 盾体受力分析图
由图10.8.2.1-1可见：
盾构顶部埋深H=10.4m
2倍盾构外径2D=12.5m
隧道埋深小于2倍的盾构直径，因此隧道处于浅埋状态，可按浅埋计算盾构所受的垂直载荷。
盾体顶部的土压力为：
＝192.68(kN/m2)
盾体顶部的侧向土压力为：
P1= =73.22(kN/m2)
盾体底部的总压力为:
P2=
=312.53(kN/m2)
盾体底部的侧向土压力为：
=151.12(kN/m2)
盾构机中心承受的土压力是
Pc =(PG+PG)/2
=112.17(kN/m2)
结束语
与传统的隧道掘进技术相比，盾构法施工具有安全可靠、机械化程度高、工作环境好、土方量少、进度快、施工成本低等优点。尤其在地质条件复杂、地下水位高而隧道埋深较深时，只能依赖盾构施工。基于这些优点，其应用将会越来越广泛。
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