小直径盾构特点及发展趋势

由于小直径盾构隧道修建时间一般晚于大直径隧道及地面主要建筑，小直径隧道线路设计时，为避开已有建筑物或隧道等，经常存在隧道曲线半径小的难题。该类型隧道对盾构的转弯半径、施工难度要求极高。由于隧道和盾构内部空间小，盾构整机布置、始发、转弯纠偏物料运输、施工操作等一系列难题应运而生。

一、小直径盾构设计及施工的特点

1. 始发井口小

大埋深小直径隧道始发井由于施工成本、工期、环境的严苛要求，始发井的空间往往比较狭小，这对后续的盾构施工有很强的制约性。由于小直径隧道始发井尺寸远小于盾构总长，工程上多采用分体始发，保证井上设备占地空间小，减少对城市交通和环境的影响，且开挖成本低。

分体始发是先将盾体和部分后配套拖车吊入始发井装配后，先始发掘进一段距离，再将剩余后配套台车全部吊装至始发井下进行整体始发作业。

但当始发井的长度比盾构的盾体长度还小时，上述的分体始发方案则无法实施。盾体的各个部件只能在始发井下进行分部组装并分部向前推进。

可以将刀盘和前盾吊至始发基座上，并将刀盘固定连接在前盾的前端，在特殊设计的带推力反力架和前盾之间安装下半环负环管片，推力反力架推动刀盘和前盾进行首次辅助推进。之后吊出负环管片，将中盾吊入始发井内并固定在前盾的后端，推力反力架推动刀盘和盾体进行二次辅助推进。

随着盾体向前推进的同时，在推力反力架和中盾之间再次安装负环管片。同样的拆除负环管片，将尾盾吊入始发井内并固定在中盾的后端，使用推力反力架，将尾盾前推与中盾尾部对接，之后可以使用推进油缸进行正常的分体始发施工阶段。

2. 物料运输困难

小直径盾构隧道对盾构后配套各系统，如管片、渣土、轨道、耗材等物料的运输提出更高要求，导致盾构施工的复杂性及管理难度大大增加，也是影响设备掘进效率的重要因素。

分体始发时，拖车顶层每节预留皮带机出渣口，皮带机随拖车的不断延长而延长，出渣口随着始发前进而后移，直至后移至设定整体掘进位置。另外，由于皮带机长度较长且为柔性体，在小半径转弯时，皮带运转时容易跑偏，造成掉渣、运渣量小、皮带磨损等问题。可以采用浮动式结构，皮带机可随之左右摆动，降低皮带机内外侧长度差，起到防跑偏功能。

由于小直径盾构整体拖车长度较长，管片运输效率会对正常掘进形成制约。为加快运输进度，多采用集中运输存储方式。使用高效的多段吊机形式同时作业，拖车上的吊机直接吊运管片至拼装机后部位置进行存放。在拼装机位置另设吊机单独吊运管片至拼装位置，进行拼装。2套吊机互不影响，提高作业效率。

3. 施工条件恶劣

地质风险主要存在于地层条件不均，地下水压力较大，地下不良地质较多。当遇到软硬相间地层，透水卵石地层，灰岩地区的溶洞等，都有非常大的施工风险；设备风险主要受控于外部的施工作业条件和内部的设备操作管理。

通风问题也是制约施工进展的重大难题，对于小断面隧洞，通风难题更加严峻。现有的通风方式有独头压入式、抽出式、巷道式和复合式通风等4大类。独头压入式或抽出式通风一般用于单口掘进长度3km以内的隧洞，增加通风长度的途径是采用大风量风机和大直径管道，并设法减少风管的漏风。超过3km的隧洞常采用巷道式通风或复合式通风，但巷道式通风又多用于铁路隧道或矿井施工。长距离深隧工程因条件限制只能选用复合式通风方案。

4. 盾构整机布置空间要求高

由于隧道直径和整机空间较小，但相关的电器、液压等设备大小又必须满足使用要求，其外形很难相应缩小，因此对设备部件的合理布置要求更高。此外，由于隧道埋深大、直径小，存在地应力大、水头压力高等问题，对盾构的整机耐压能力、防卡盾能力也提出了更高的要求。同时由于埋深大，竖井的成本较高，造成整个隧道无中间竖井，盾构单次掘进距离长，对盾构整机可靠性提出更高的要求。

5. 小转弯控制技术复杂

小直径盾构隧道一般转弯半径较小，而曲线半径越小，盾构越长，则纠偏量越大。由于小曲线半径存在急转弯，管片的超装量较大，施工过程中如果控制不当，会出现管片碎裂、卡壳、滞后等问题，加大施工难度和地表沉降的控制难度。在使用铰接装置调向后，盾构掘进过程中所穿越的孔洞将不再是理论上的圆形，需要配套使用仿形刀进行部分超挖。因此，控制好曲线隧道施工轴线成为掘进控制的关键。

二、国内小直径隧道及盾构的发展趋势

12m以上的大直径盾构由于存在压力平衡不易控制、施工和运营风险大等问题，不是未来盾构发展的方向。而适用于长距离掘进（大于2km）、大深埋施工的小直径盾构才是发展方向。

1. 隧道埋深两极分化

城市地铁、过街通道、地下停车厂等浅埋深隧道为方便通达，埋深不能太大。盾构在表面地层中掘进，对路基沉降十分敏感，沉降的准确控制成为施工重点。

但由于上软下硬地层施工难度大，隧道线路不宜选在交界面处，应尽可能使盾构掘进断面位于全土层或全岩层中；随着各大城市地铁的修建，地下空间的逐渐开发及占用，地下空间只能向着更深领域发展。

2. 盾构直径微型化

微型盾构的种类和大中型盾构相似，但由于盾构尺寸较小，很多设备均需要小型化，因此在驱动方式等方面与大中型盾构有所区别。目前，国外在这方面的研究较多，如日本制管（NKK）在近20年来接受的盾构定货中，微型盾构就占到总数的46%。而国内对2m以下的微型盾构尚未真正展开相关的研究。

3. 多维度盾构

小直径隧道转弯半径往往不在一个平面上，会出现三维立体式的S型结构。成型隧道轴线应严格按照设计及规范要求施工，隧道拼装质量满足设计及规范要求。

4. 盾构智能化

随着云平台及人工智能的迅猛发展，为极大程度的降低施工风险，盾构施工的无人智能化成为未来的发展趋势。主要表现在地质预测超前化、导向测量自动化、管片安装自动化、参数监测实时化、刀具更换自动化、掘进控制智能化等方面。可以实现在办公室远程控制盾构操作，直接从计算机屏幕上获取远程施工的盾构图像和参数。根据大量的施工经验数据和理论分析，通过强大的云平台和智能算法，自动发出指令进行盾构的控制和操作。

 

本文由唐兴装备整理自《小型盾构国内外发展综述》谷光伟，胡燕伟，宋德华，转载请注明出处，如有侵权请联系删除。