刘翌晨
（中电建南方建设投资有限公司，广东深圳518051）
摘要：城市轨道交通工程在复杂地质条件下的盾构施工面临诸多技术挑战，通过分析各类复杂地质条件，提出盾构机的选型原则和设计优化方法以适应多变的地质环境。同时对盾构设备配置与技术创新进行了系统梳理，探讨了地质调查与预测、盾构推进控制、隧道稳定性控制、地表沉降监测及施工安全管理等关键技术。研究成果不仅提高了施工效率和安全性，为未来类似工程提供了重要技术参考。
在复杂地质条件下的盾构施工技术成为实现工程顺利进行的关键，围绕盾构施工技术在复杂地质条件下的应用与优化展开，通过科学合理的盾构选型、设计优化以及施工技术研究，有效应对地质风险保证工程质量与施工安全。通过案例分析和技术创新提出了一系列针对性的解决策略，为城市轨道交通工程的盾构施工提供了理论与实践基础。
一、城市轨道交通地下工程施工技术应用现状
现阶段，我国轨道交通这些工程在施工的阶段，整体的质量得到了良好的提升，特别是近年来整体的施工技术得到了优化，所以施工的质量也有所改善。但是其中管理的理念和管理的模式依然相对比较陈旧。一方面就是在技术层面上来看，还缺乏有效的创新，对于现代化轨道交通的施工技术，以及相关工艺都缺乏应有的关注。整个施工的过程中一直保持的都是传统相对比较粗放的管理模式，这样的方法不仅仅是轨道交通工程在施工过程中成本难以得到合理的控制，轨道交通工程的施工质量也无法得到保障。另一方面就是缺乏针对轨道交通工程相关文件的关注，轨道交通工程的施工工作一直以来都是一项相对比较复杂的工程内容，很多单位都认为，只要严格地按照图纸和参数来进行，就能够达到最终的标准。但是实际上，在施工工作开展的过程中，很多图纸以及技术参数并不够规范也不准确，这也难以满足施工过程中所提出的需求。再加上缺乏良好的管理，就导致施工工程的质量难以得到提升。图1为上海地铁18号线盾构法施工示意图。
二、复杂地质条件下盾构选型与设计优化
（一）盾构选型原则
地质条件的复杂性要求盾构机能够适应不同硬度的岩石、不稳定的土层以及高地下水位等变化，这直接影响到盾构机的设计特点，如刀盘类型、土压控制系统以及密封系统的选择。例如对于含有硬岩石区域，选型时偏好使用硬岩型盾构机，其刀盘设计需要适应岩石的破碎和切削，通常配置有更强大的驱动力和更耐磨的刀具。对于地下水位高的地段盾构机的密封系统和土压控制系统设计应能有效防止水土流失，确保隧道的安全施工。性能参数上盾构机的推进速度、驱动功率、土仓容量等都需基于地质条件和施工需求进行优化选择。例如推进速度需根据地质稳定性调整，以避免过快推进导致地表沉降或隧道坍塌。驱动功率则需要满足破岩和土壤切割的需求保证施工进度。经济性考量则要求在满足技术需求的前提下尽可能地优化成本支出，包括盾构机的购置和运营成本。
（二）针对复杂地质条件的盾构设计优化
设计优化主要包括刀盘设计、土压平衡控制系统、密封系统以及盾壳结构的改进。刀盘设计优化考虑的是如何提高其适应性和磨损耐性，例如通过采用可更换的刀具和增加刀盘的磨损层，以适应不同硬度的岩石和土壤。对于土压平衡控制系统，优化的目标是保持隧道面的稳定性和防止地表沉降，这通常通过实时调整土仓压力来实现，要求系统能够精确感应土压变化并做出快速反应。密封系统的设计优化则是为了防止水土流失和保护内部工人的安全，尤其是在高地下水位地区需采用多重密封和自动化监控泄漏的技术。此外盾壳结构的优化旨在提高其整体稳定性和耐久性，以适应长期推进过程中可能遇到的各种力学负载，通过使用高强度钢材和优化盾壳的几何结构可以有效提升其抗弯抗扭性能[1]（见图2）。
（三）盾构设备配置与技术创新
驱动系统的改进表现在采用最高达4000kW的电机，提供必要的高扭矩以适应穿越硬度达120MPa的岩石层所需；软土型盾构机的电机功率一般配置在2000至2500kW范围以满足不同地质条件下的施工要求。土仓容量的优化考虑到地质状况和施工距离的多样性调整至8至12m³，确保能够连续处理掘进面前的土石，避免因土石过量而引起的推进中断。推进控制系统则引入高达±0.05mm精度的位移传感器和实时数据处理技术，确保盾构机导向的高精度控制，显著降低轨道偏移率至1%以下，减少结构变形风险。在技术创新方面，刀具材料采用特殊热处理后的高性能合金钢，提升其耐磨性和抗断裂能力，使得刀具的平均使用寿命增加20%，并确保盾构机的连续推进效率。密封技术的升级采用多级密封系统，并融合自动化泄漏监测技术提高密封性能至0.8MPa的水压标准，有效应对高达10m地下水位的渗漏问题，大幅提升施工的安全性和可靠性。
三、复杂地质条件下盾构施工关键技术研究
（一）地质调查与预测技术
地质调查与预测技术包括多种方法和技术，如地质钻探、地震反射法、地质雷达探测等，它们共同构成了对施工路径下地质条件细致评估的基础。采用地质钻探提供直接的岩土体样本，结合地震反射法可以获取深层地质结构的连续性信息，而地质雷达探测技术则适用于识别近表面的障碍物或不连续性。通过这些技术的综合应用，可以构建出详细的地质模型，预测可能遇到的复杂地质问题，如断层、洞穴、软弱层等。例如，在一个实际工程项目中，通过综合使用上述技术，成功预测了一个长达200米的未知洞穴，避免了可能的施工风险和成本溢出。此外，地质调查数据的精确度和全面性直接影响到盾构施工的安全性和进度，因此，高精度的地质预测技术不仅可以提升施工效率，还能有效降低风险，确保项目的顺利完成[2]。
（二）盾构推进控制技术
推进速度控制通过精确调节盾构机的液压系统，以匹配前方地质条件和支护结构的建设速度；姿态调整则通过实时监控盾构机的倾斜和方位，确保隧道施工在预定轨迹上进行；土压控制技术依靠调节盾构机前仓的土压力，以适应不同地质条件，防止地面沉降或隧道坍塌；刀盘转速控制则根据岩土体的硬度和磨损情况，调整刀盘的转速，以优化切割效率和延长刀具寿命。以一项实施案例为例，通过采用先进的推进控制系统，盾构施工在一个长达1.2公里、地质条件复杂多变的隧道段中，成功控制了隧道的线形偏差在±10毫米以内，远低于行业标准的±25毫米要求，显著提升了隧道施工的精度和安全性。地中（深孔）沉降监测点布设如图3所示。
（三）隧道稳定控制技术
盾尾密封管理通过使用高性能的密封材料和自适应控制系统，保证了施工过程中的水密性和泥浆的有效性，有效避免了地下水渗入和土体流失。在一个具体案例中通过采用具有自动调节功能的盾尾密封系统，实现了在超过500米长的隧道段中控制地面沉降量低于5毫米，明显低于行业平均水平。土压平衡控制技术则侧重于实时监控和调整盾构机前仓内的土压力，以适应前方地质变化保持隧道面的稳定。采用先进的土压监测装置和自动调节系统，能够精确调节前仓土压，实现了与外部地压的有效平衡，确保了隧道施工的安全性和减少了地面沉降。预支护系统的应用如管棚、冻结或化学注浆等，为隧道穿越特别复杂地质段（如软土层、砂层或含水层）提供了额外的支撑，增强了隧道的稳定性和安全性[3]。
（四）地表沉降监测与控制技术
地表沉降监测与控制技术依赖于高精度的监测仪器和先进的数据处理系统，如全站仪、GPS和倾斜仪，这些设备能够实时捕捉到地表及周边建筑物的微小变化，监测数据精度可达毫米级。通过实施连续的、全方位的监测及时掌握地表沉降的动态变化，可有效预防和控制沉降风险。在施工过程中通过调整盾构推进速度和施工参数优化土仓压力控制，以及适时采取地面注浆等补偿措施可以有效控制地表沉降。例如在某城市轨道交通项目中通过建立全面的地表沉降监测网络，并结合实时数据反馈系统实现了对地表沉降的精准控制，最大地表沉降量控制在10mm以内，有效保护了地面和周边建筑的安全[4]。
（五）盾构施工中的安全管理技术
在盾构施工项目中通过对过去项目数据的分析，发现盾构机在经过含水量高达30%的软土层时，面临着塌方和水害的风险概率增加到了20%。基于这种风险评估，施工团队可以提前部署针对性的预防措施，如加强盾尾密封和提前注浆，以降低风险发生的概率。在实际应用中通过引入先进的物联网技术，实现了对盾构机各项参数的实时监控和预警，有效预防了多起可能的安全事故。此外建立完善的应急响应机制对于提升施工现场的安全管理至关重要，以一个具体的应用实例为例，通过模拟演练和现场应急演习，提高了施工团队对突发事件的响应速度和处理能力，其中在一次模拟洪水冲击情景中，应急响应时间从初始的30分钟优化到了10分钟内，显著提升了施工现场的安全保障水平[5]。
四、结语
通过深入探讨复杂地质条件下城市轨道交通工程的盾构施工技术，提出了一系列创新解决方案和优化策略，分析盾构选型原则、设计优化、设备配置以及施工过程中的关键技术，包括地质调查预测、盾构推进控制、隧道稳定性控制、 地表沉降监测和施工安全管理。研究成果有效提升了施工效率与安全性，为应对复杂地质挑战提供了实践指导。
转载文献来源：中国知网-工程技术
