0 引言

　　盾构法在城市轨道交通建设中得到了广泛应用，针对不同区域地质条件、水文条件的地下交通建设，极大地推动了我国盾构法修建技术的发展与实践^[1,2]。

　　截至2018年底，我国开通运营城市快速轨道交通线路的城市共36个(内地32个、港台地区4个)，运营线路总长度达5 494.9km(内地5 123.3km、港台地区371.3km)。2018年，新增投运线路14条，新增运营线路长度647.8km，其中，地下线395.8km，占新增总量的61.1%^[3]，盾构法隧道在地下线的开挖中发挥了举足轻重的作用。

　　城市轨道交通中，盾构法得到大力发展，为满足不同施工要求，盾构法隧道施工中一些新技术、新方法、新工艺也不断涌现。孙统立^[4]通过理论分析、室内试验、现场监测、数值模拟等多种手段，解决异形盾构工法应用中的关键技术问题，为其进一步应用提供经验积累;陈健等^[5]对加固地层常压换刀、基于常压可更换刀盘设计的换刀、带压换刀等3种主要换刀技术的原理、技术流程、关键技术、适用范围和优缺点等进行系统分析和总结，表明常压条件下盾构更换刀具的优越性;易觉等^[6]通过采取盾构刀盘冷冻管路改造、冷冻接口密封改造、冷冻系统设计、增加冷冻设备等手段，研发出搭载冷冻刀盘式的盾构;祝思然等^[7]运用FLAC3D软件对施工过程进行模拟，同时结合现场实时监测数据，提出设置聚氨酯隔离环和注入克泥效的技术措施来控制隧道沉降;朱瑶宏等^[8]针对冷冻法加固结合矿山法开挖联络通道的现状，提出了地下空间联络通道机械法T接施工技术理念，并分析了实现该技术所需解决的关键问题及对应的技术路径。

　　在城市轨道交通建设中还存在一些亟待解决的重点和难点问题，城市地下空间的不断压缩，地铁建设面临既有建筑和布局的问题，施工环境日趋复杂、施工难度不断增加^[9,10]。本文针对近年来出现的盾构施工新技术进行介绍，包括复杂条件下盾构隧道施工时的常压换刀技术、盾构刀盘周围冷冻预加固的冷冻刀盘技术、盾构施工“零沉降”的克泥效工法以及机械化开挖联络通道等。

　　1 断面形式多样化

　　盾构法已成为修建城市轨道交通地下工程的主要工法，随着盾构装备制造技术与隧道施工技术的不断进步，使得不同形式、不同大小的盾构隧道结构实践成为可能^[11]，如今，盾构地铁隧道已突破常规、单一的断面形式。

　　一方面，我国城市规模急剧扩张，市郊轨道交通不断拓展，市域联系更加紧密，亟需新型断面隧道来满足长距离地铁区间，这些区间设计时速往往较高、区间长度较长，然而常规地铁盾构隧道直径6.0～6.2m的断面已不能满足要求，开始涌现出直径7.0～8.0m等中型断面。例如，成都地铁18号线，采用了直径8.3m的外径，最高设计时速达140km/h，线路全长66.16km，服务于成都市区与成都天府国际机场之间的快线，能兼顾市域客流和机场客流。

　　另一方面，地铁隧道要穿越建(构)筑物密集的城市，由于线路规划的限制，同时为达到地下空间集约化利用、降低隧道建设成本、空间使用灵活的目的，地铁断面有从“单圆”向“双圆”、从“单洞单线”向“单洞双线”、从“圆形”向“类矩形”等发展的趋势。例如，2004年，上海轨道交通M8和M6线率先采用“双圆”断面形式，随后双圆盾构应用于上海轨道交通10号线、2号线东延伸段工程中;2012年上海轨道交通16号线采用“单洞双线”断面形式^[12];2013年南京地铁10号线长3.6km的越长江隧道采用直径11.2m的“单洞双线”断面形式;2016年宁波轨道交通3号线首次采用“类矩形”断面形式^[13]，标志着国内第1条城市轨道交通类矩形盾构隧道顺利贯通。

　　为满足城市轨道交通差异化的建设需求，并伴随着异形盾构技术的进步，多元化的盾构断面形式不断得到发展和应用^[14]。

　　1.1 单圆断面

　　单洞单线圆形盾构隧道，内径为5 500mm，管片厚度350mm,1个区间内布置2条独立并行的单圆隧道。为适应轨道交通新的要求，不少城市对现有盾构隧道进行扩径改造，以上海为例，在上海轨道交通建设中采用A型车区间隧道结构外径由6 200mm调整为6 600mm，如图1所示。

　　图1 单圆盾构隧道断面示意  

　　1.2 双圆断面

　　双圆盾构隧道，根据建筑限界、施工误差、测量误差、不均匀沉降等因素，确定其隧道的内径为5 700mm，管片厚度300mm，隧道圆环由11个节段组成，中间设置立柱^[15]，如图2所示。上海轨道交通M8和M6线率先采用双圆盾构工法，开创了我国异形盾构工法施工的先河。

　　图2 双圆盾构隧道断面示意  

　　1.3 单洞双线断面

　　单洞双线盾构隧道，其建筑限界为9 800mm的圆，根据建筑限界、施工误差、测量误差、不均匀沉降等因素，确定双线盾构隧道的内径为10 200mm，管片厚度500mm，中间部分为地铁车行道，上部为纵向排烟道，下部为排水沟及集水池，如图3所示。以南京地铁10号线为例，其越江段为国内首条穿越长江的单洞双线大盾构隧道。

　　图3 单洞双线盾构隧道断面示意  

　　1.4 中型断面

　　中型断面盾构隧道，其建筑限界为7 200mm的圆，根据建筑限界、施工误差、测量误差、不均匀沉降等因素，确定盾构隧道的内径为7 500mm，管片厚度400mm(见图4)。在紧急疏散平台侧设置纵向疏散通道，每隔一定间距在疏散平台与纵向疏散通道间的隔墙上设置防火门。中型断面盾构隧道隶属快速轨道交通，以成都地铁18号线为例，最高运行时速140km/h。

　　图4 中型盾构隧道断面示意  

　　1.5 类矩形断面

　　类矩形盾构隧道，其断面由数条光滑、可导的曲线构成，形状类似于矩形的封闭轮廓^[16]。常规类矩形盾构区间隧道设计最大顶覆土厚度>25m，限界按B2鼓型车考虑，兼顾A型车要求;特殊段采用钢或钢混复合管片后具备取消立柱的能力^[17]，结构外包尺寸为11.5m (长)×7.5m (宽)，管片厚度为450mm(见图5)。“阳明号”类矩形盾构机在宁波轨道交通3号线出入段破土而出，标志着国内第1条城市轨道交通类矩形盾构隧道顺利贯通。

　　图5 类矩形盾构隧道断面示意  

　　不同断面盾构隧道比较如表1所示。由表1可知，在城市建设的扩张需求下，我国地铁盾构隧道结构断面并不局限于传统，而是形成了以常规单圆隧道为主，双圆、单洞双线、中型、类矩形等多种断面形式协调发展的新局面，呈现出多元化、集约化的发展趋势，使得我国地铁盾构隧道断面的设计与施工技术取得了长足进步。

　　2 盾构法隧道施工技术

　　鉴于我国城市轨道交通受到城市既有建筑和布局的影响，城市轨道交通工程结构的设计和施工有显著的特殊性，多样化、集约化的隧道断面在满足空间利用率的同时，对施工方法和施工工艺的创新又提出了新的挑战，常规的施工技术很难满足人性化、高标准的建设要求，随着工程材料学科发展水平的提高以及施工理念的转变和完善，新的施工技术开始不断涌现，为城市轨道交通注入新的发展活力。例如，江底常压换刀技术解决了越江隧道施工时换刀的技术难题;冷冻刀盘在掌子面进行冷冻预加固，保障换刀时开挖面稳定;盾体中克泥效材料注入，有效解决高标准隧道施工沉降问题;隧道中联络通道的施工成功实现了机械化。

　　2.1 江底常压换刀

　　我国地域辽阔、水系较多，在滨江、临湖城市的轨道交通建设中难免要穿江越河，在长距离、高水压的过江盾构隧道中，面临诸如砾卵石类及岩石类等复杂多变的地质条件时，刀具磨损严重，需经常性更换^[18,19]，刀具更换效率对施工进度有着至关重要的影响。常规手段选择带压进仓检查和更换刀具，但其作业风险大、耗时较长，甚至危及技术人员的生命健康^[20]，江底作业时危害更甚。基于此研发出江底常压换刀技术，在南京地铁纬七路^[21]、南京地铁10号线越江隧道、纬三路长江隧道^[22]、深圳春风隧道^[23]中均得到成功应用。

　　表1 不同断面盾构隧道比较 

　　表1 不同断面盾构隧道比较

　　常压换刀是把刀盘钢结构设计成类似人闸的结构形式，工作人员可以在刀盘内常压下更换刀具。可控制和减小带压进仓作业风险，确保刀具检查和更换过程中的安全，减少停机时间，提高刀具更换效率。常压换刀施工工序为:(1)刀盘旋转到位;(2)安装导向杆与闸门开闭油缸;(3)安装冲洗水管;(4)拆除固定螺栓退出刀具;(5)冲洗刀腔、关闭闸门;(6)更换刀具。常压换刀流程如图6所示。

　　图6 常压换刀流程  

　　该技术主要应用在盾构穿越江河等领域，在使用江底常压换刀技术的隧道中，其掌子面无加固效果，坍塌风险较小，且费用低，施工周期短，安全性较高，在江底隧道施工中有很大优越性，缺点是需要专用盾构机施工。

　　2.2 冷冻刀盘技术

　　盾构在砂层、淤泥层、断层等复杂地质环境中掘进，一旦挖掘到建筑物下面进行刀盘维护和掘进时，需要采取特殊的加固措施，否则很可能出现地面坍塌。当所处地层不满足常压换刀条件时，常规的技术手段很难确保换刀安全以及特殊地段的沉降控制。基于此，中铁华隧研制出世界首台具有冷冻刀盘的盾构机，将冷冻工法与盾构设备结合，换刀作业时在刀盘周围冷冻预加固，形成“冻结圆盘”，增加土体强度和稳定性，同时隔绝地下室，能有效控制盾构穿越特殊地段的地面沉降。

　　运用冷冻刀盘技术的盾构机，掌子面刀盘划分12个隔仓，在刀盘钢结构上焊接异形冷冻管，通过在异形冷冻管中循环-28～-30℃低温盐水，使整个刀盘钢结构变成巨大的“冻结圆盘”(等温体)，如图7所示。通过盐水的低温循环对隔仓内土体及盾构机头前、后、上、下土体进行冻结，使周边形成冻土帷幕;然后在冻土帷幕的保护下进行换刀，以保障开挖面的稳定，解决了大埋深、高水压、大直径带来的盾构技术发展瓶颈^[24]。

　　图7 刀盘冷冻系统原理   

　　2.3 盾构施工沉降控制———克泥效的应用

　　城市轨道交通的修建不可避免穿越密集建筑群、高铁线路、桥基等重要建(构)筑物，尤其是在现今城市建设速度加快的趋势下，城市地铁的修建面临着更多的挑战，地铁隧道与既有建(构)筑物近距离交叉、斜交等问题对于施工沉降和结构安全都是极大考验^[25,26]。

　　盾构机在地下掘进过程中引起地层的扰动、变形，采用同步注浆技术在盾尾后方注入，填充盾体外壳和管片之间的环形空隙，可改善地层沉降。但盾构刀盘外径一般大于盾体外壳，在盾构机盾体范围内形成的开挖轮廓和盾体之间存在一个环形构造空隙(见图8)，盾尾同步注浆无法抑制盾体周边土体变形^[27]。当新建隧道穿越既有线或者重大危险源时，沉降要求标准较高，必须采取针对性的措施保障施工安全，否则将增大地表变形。基于此提出克泥效工法，且在成都地铁6号线、成都地铁10号线2期工程得到成功应用，较好抑制了盾体上方沉降(见图9)。

　　图8 克泥效注入技术机理  

　　克泥效工法原理是黏土与强塑剂以一定的比例混合后，瞬间形成高黏度、不会硬化、变化性的可塑性黏土(黏度可通过改变两液配合比的方式调整)。在试验中，混合时间4.5s，混合后黏度可达300～500d Pa·s，具有凝结时间快、黏稠度高、抗稀释性和挡水性强、抗沉陷性高等特点^[28]。

　　图9 克泥效抑制盾体上方沉降示意 

　　盾构施工时克泥效工法应用广泛，在保持盾构机始发和长时间停止时的土压平衡、盾构机掘进时的止水、空洞填充及喷涌防治、盾构机姿态控制、盾构机开仓换刀等方面，都能起到良好的作用和效果。

　　2.4 联络通道机械化施工技术

　　在盾构掘进过程中，联络通道作为联系地下空间、地下空间与地上空间的枢纽，发挥着至关重要的作用。常规条件下联络通道往往在主空间施工完成后进行，其施工易对隧道结构及施工环境造成影响。现有联络通道施工主要为经地层加固后实行矿山法开挖的方式，其加固方式常见为冻结法，如图10所示。

　　图1 0 冷冻法加固结合矿山法开挖方式  

　　该施工技术相对成熟，应用极为广泛，但存在较大的安全风险，并且施工周期长、费用高、运维病害突出^[29]。基于此宁波轨道交通率先提出了以微加固、可切削、严密封、强支护为基本特点的联络通道微加固机械法T接施工技术理念(见图11)，其关键在于在狭小封闭状态下的隧道空间内进行盾构顶管机的始发、接收，同时止水注浆以及支护结构的变形，实现微加固状态下的T接隧道施工，该技术在宁波轨道交通3号线联络通道工程中成功应用。该技术能较好地满足城市地下空间开发要求，减小联络通道施工影响，降低施工成本，缩短施工工期，使联络通道实现机械化。当前，在我国联络通道机械化技术已较为成熟，国内首次采用盾构法施工，工程实施效果良好。

　　3 结语

　　1)城市轨道交通盾构法隧道，其隧道断面形式已突破传统单一圆形断面形式，出现了诸如双圆断面、单洞双线断面、中等断面、类矩形断面等多种异形断面，以满足城市轨道交通的发展需求。

　　图1 1 联络通道机械法示意  

　　2)在江底盾构机进行开挖时，刀盘遭受的水压力较大，且江底地质情况比陆地更为复杂多变。江底常压换刀技术能有效控制和减小带压进仓作业风险，确保刀具检查和更换过程中的安全，减少停机时间，提高刀具更换效率。

　　3)冷冻刀盘技术在刀盘周围形成“冻结圆盘”，能够充分隔绝地下水，增加土体强度和稳定性，如同创造一道冻土屏障，盾构机换刀作业在冻土屏障的保护下进行，提高了盾构施工的安全可靠性。

　　4)当新建隧道穿越既有线或者重大危险源时，沉降要求标准较高，必须采取针对性的措施保障施工安全，克泥效工法能较好地填充在盾构机盾体范围内形成的开挖轮廓和盾体之间存在的环形构造空隙，控制地表变形。

　　5)联络通道机械化技术可在一定程度上缩短施工工期，同时无需进行大面积加固，降低加固成本，同时消除冻结加固冻融引起的结构损害及环境影响。