狮子洋隧道盾构施工技术Word文档格式.docx

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刀盘直径为11.182米，刀盘开口率31%，重约（含刀具）170t。

刀具配置：

45把单刃正滚刀＋5把单刃边滚刀＋10把中心刀（49、50号刀具在一个轨迹上），共60个刃，正滚刀轨迹间距为100mm，边滚刀轨迹间距从95mm～38mm逐渐减小；

另外，还装配了278把切刀、16把刮刀及40把边缘保护刀。

1.3泥水处理厂

泥水盾构是通过加压泥水来稳定开挖面，并通过泥水循环来携带碴土，达到出碴掘进的目的。

现场建造了配套的泥水处理厂，占地面积约10000m2，泥浆处理能力为3000m3/h，为每台盾构机配备一套1500m3/h的泥水处理设备，整个泥水处理厂由泥浆制备系统和泥水分离系统两部分组成。

泥水处理主要分为三步进行分离。

分离出的碴土可直接外运，过滤、沉淀后的泥浆经调整后可供盾构机循环使用。

1.4管片厂

广深港客运专线SDⅢ标工程施工共需管片4600环，钢筋混凝土总立方量约为15万m3。

现场自建了日最高生产能力为12环管片的管片厂，共投入6套管片模具，厂房由2跨组成，长100m，每跨宽24m，分为钢筋加工和管片成型两个车间。

在管片车间北侧建有120m3全自动混凝土拌合站一座，为管片生产提供高性能的自拌混凝土。

为加快管片生产进度和保证管片养护质量，管片脱模前采用蒸汽养护，提高脱模强度，并在管片车间东侧建造四个800m2的水养池，满足管片水养14天的要求。

在厂房南侧有管片堆场约25000m2，堆场内地面全部硬化，管片在堆场内采用立放两层的堆放方式，外围增加堆场采用水平堆放方式。

整个管片生产区域规划有完备的运输道路，并配备了相应用途和能力的桥吊、门吊和叉车等，覆盖整个管片厂区，便于管片的生产、养护、堆放、转载和装卸等环节，各种配套设施满足日均生产9环管片的生产能力。

1.5施工中的关键技术概要

狮子洋隧道的建设充满了曲折和艰辛，但有各级领导、专家的关心和支持，并通过项目上全体人员的攻关和努力，我们克服了许多的技术和管理困难，解决了一个又一个难题。

业主又多次调整增加施工任务，左线掘进完成2600环（5200米），右线掘进完成2585环（5170米），每条线都比进口标段多掘进1公里，后面还同步开展了隧底填充、联络通道、嵌缝、二次衬砌和沟槽施工，基本做到了同步进行。

目前已成功完成左右线隧道对接拆机工作。

在狮子洋盾构掘进的施工中，大多数管理、技术和施工人员都是第一次接触泥水盾构，而且是大直径泥水盾构掘进复合地层，大直径的泥水盾构与之前的小直径的、或土压平衡盾构在施工理念上有着本质的区别，施工中遇到了很多技术难题，主要包括：

大直径泥水盾构始发与负环拼装、软弱地层盾构掘进与管片上浮、软硬不均高粘地层盾构掘进与带压进仓、富水硬岩地层盾构掘进与壁后注浆、岩层破碎带盾构掘进及“地中对接”技术研究等。

2大直径泥水盾构始发与负环拼装

盾构隧道始发技术是盾构法施工技术的关键，也是盾构施工成败的一个重要标志。

大直径泥水盾构施工在洞口始发阶段掘进出问题的概率很高。

根据狮子洋隧道两台盾构的始发施工经验，盾构始发的关键技术总结如下：

2.1本盾构始发的主要特点

①盾构隧道为大直径、高水压、特长水下隧道，盾构开挖直径大于10m；

②始发段地层软弱、地下水位高、水量大、渗透性强，洞顶覆土浅、不足一倍洞径；

③本次盾构组装采用250t履带吊抬吊方式进行盾构机的下井组装，组装方式新颖、快速。

④采用大直径的气压调节式泥水平衡工作面的复合式盾构施工，始发时，对洞门密封、反力架及始发台等相关设施的要求，特别是对洞门密封的防止突水冒浆和保持压力要求高。

2.2始发盾构姿态设计与控制

始发姿态的设计是非常关键的工作，应进行认真的模拟、设计和专家论证来最终确定。

具体始发设计见“图2盾构始发纵剖面图”。

本次始发的始发段线路，平面处于半径为7000米的圆曲线和缓和曲线上，竖向处于坡度为20‰的下坡段，为了实现盾构整机始发，采用割线始发，即将洞门内12米曲线的弦线向盾构井内延长，以此割线做为始发的平面中线，始发坡度调整为10‰，并将始发洞门（预埋钢环）抬高50mm，即将盾构始发纵向轴线在10‰下坡的基础上整体抬高50mm。

根据狮子洋隧道始发姿态的设计与控制经验，需注意以下几点关键问题：

①严格通过计算、实验，保证始发台强度刚度设计满足盾构始发要求；

②始发台定位准确、稳固；

③曲线—割线始发姿态的设计；

④组装期检查复测始发台定位；

⑤做好盾构防旋转和防偏移措施；

⑥做好空推时始发控制；

⑦始发导轨的安装设计充分考虑刀盘及盾壳通过要求。

2.3负环管片拼装

图3拼装完成负环管片照片

由于隧道管片最大块重量达13吨，故操作困难，安全风险高：

①盾尾长度长，第一环无支撑；

②未封闭成环，无参照难度大；

③设备刚调试好，无拼装经验；

④管片容易推偏，损坏尾刷等；

不能及时固定，是管片成环椭变。

狮子洋隧道负环拼装采取的措施：

①第一环负环在拼装盾尾内下半圆垫钢板支撑，上半圆管片、特别是两块临接块时，要在盾尾盾壳上或反力架上焊接“L”型挂钩和吊耳，用“L”型挂钩吊住管片，并用道链对管片进行固定，以支撑管片并保证施工的安全，待封顶块纵向推插到位后，拆去道链，割除“L”型挂钩和吊耳，紧固封顶块与邻接块的螺栓。

②第一环负环管片拼装成圆后，管片在后移过程中，要保证每组千斤顶同步推进。

其行程差小于50mm。

第一环不要完全推出盾壳内的管片拼装垫台区域，只要保证第二环负环管片能安装即可。

提前计算出此时第一环负环管片端面距反力架的长度，在每两块管片纵向接缝处、对应反力架位置，在反力架上焊接一根H200的“H”型钢（共8根），长度与此长度一致，把第一环负环管片后推至此“H”型钢上。

③负环管片应采用错缝拼装。

在第一环负环管片与“H”型钢挤紧后，从第二环负环开始就可基本按正常管片拼装方式进行，在第二环负环管片拼装完成后，即可割除第一环负环与反力架之间的“H”型钢，然后两环一起后移，并将第一环负环管片与反力架之间进行固定。

2.4始发泥水循环与压力设定

始发泥水压力设定主要考虑：

①端头加固的质量和长度；

②止水箱的密封性能；

③保证泥水循环；

④反力架所能承受的反力；

⑤端头的埋深和荷载。

压力设定的原则：

①在保证泥水循环最低压力和端头稳定的情况下，应尽量建立低压；

②在盾尾进入止水箱后，应及时进行洞门注浆封闭，然后建立到正常压力。

始发阶段泥水循环采用泥水模式，泥水盾构掘进的机理决定了，盾构机刚一开始掘进就要建压，这样才能保证泥水循环和出碴，本工程洞门密封采用双道折叶式翻板+双道帘布橡胶板，两道密封组成一个箱体，在盾构机推进后可以在中间注入油脂，增强密封效果。

由于止水箱的密封效果并不能保太高的压力，会造成一定的漏浆。

始发时的掘进速度一般都比较慢，因此，泥水循环的流量不必要过大。

在盾尾全部进入止水箱（两道帘布橡胶板）后，应及时进行同步注浆，并在同步注浆的基础上利用洞门钢环上预留的注浆孔，通过预留注浆孔压注快凝化学浆液，彻底阻止洞门止水箱的漏浆问题，以便盾构掘进时更好地保持泥水压力。

3软弱地层掘进与管片上浮

泥水盾构软弱地层掘进关键为控制地表沉降、坍塌及盾构姿态和管片上浮控制。

3.1

图5泥水盾构工作原理图

地表沉降、坍塌控制

3.1.1切口泥水压力控制

工作面任何一点的泥水压力总是大于地下水压力，从而形成了一个向外的水力梯度，这是保持工作面稳定的基本条件。

在软弱地层中掘进，泥水压力设定和保持稳定是软弱地层施工的关键：

①压力应通过计算确定；

②大于地下水位压力；

③低于水土合重压力；

④经验值在1.1～1.3倍地下水位压力。

掘进过程中严格控制切口泥水压力波动，波动不宜超出-0.4bar～+0.1bar，以保证开挖面稳定；

密切关注空压机供气系统，确保空压机供气的连续，压力波动不宜大于0.5bar；

气垫仓内泥水液位不宜出现较大波动，液位波动控制在15%内；

必要时采取人工调整参数，以减小切口泥水压力波动。

3.1.2主要施工参数控制

主要依据理论计算值和盾构施工现场情况，结合停机期间开挖面稳定、液位平稳无波动时切口环泥水压力数据，进行反算优化施工参数。

主要控制出碴量、出碴成份、进出浆流量差、比重差、注浆量、刀盘转速、推进速度、刀盘扭矩变化等，加强地表监测，确保盾构顺利安全通过浅埋段。

3.1.3保证盾尾或管片接缝的不泄漏

目前看来，在软弱地层中掘进最大的风险莫过于盾尾和管片接缝泄漏，因为其危害性和处理难度非常大。

主要通过以下几个方面控制：

（1）保证盾尾刷的密封效果

①加强盾尾油脂的注入管理；

②盾构姿态调整幅度不宜过大，以免挤压损伤盾尾；

③管片选型保证盾尾间隙不超标；

④管片安装尽量减少同时收油缸根数，以避免泥仓反力致使盾构机后退，损伤盾尾刷。

（2）管片接缝不泄漏

①加强止水条粘贴效果控制；

②保证管片拼装质量，管片破损要在脱出盾尾前认真修补等强。

3.2盾构姿态控制

根据本工程施工经验，富水软弱地层浅埋段盾构姿态的控制是个难点，也是重点。

左线盾构在1环～70环始发掘进出现盾构机“磕头”现象。

掘进时采取加大底部油缸的推力“上抬刀盘，下拉盾尾”的措施，但每环掘进中刀盘上抬值总大于盾尾下拉值，同时停机或安装管片时刀盘的下沉值又小于盾尾上翘值，随着掘进出现盾构机整体慢慢上移的趋势。

根据左线盾构在1环～70环始发掘进盾构姿态变化，在左线70环～220环和右线1环～220环掘进姿态高程以-35mm左右控制，水平仍以0mm左右控制。

主要方法是调整千斤顶各区域油压，控制行程来控制姿态；

还有采取刀盘正反转调整盾构机的旋转；

其次相适应的降低盾构掘进速度和刀盘转速以减小对地层的扰动；

再次提高管片安装效率及管片安装完再次顶紧底部油缸以防刀盘较大下沉；

采取人工测量每环管片姿态和盾构姿态；

以达到对富水软弱地层浅埋大直径盾构掘进姿态的控制。

3.3管片上浮与错台

狮子洋隧道第一台盾构在前期的施工中，由于没有及时认识到管片在软弱富水地层中的上浮问题，并且没有立即找到有效遏制管片上浮的方法，从而造成管片环与环之间规律性的上、下错台。

图6管片规律性错台照片

3.3.1管片上浮及错台产生的条件

（1）产生上浮的条件

就盾构施工而言，管片或盾构机要产生上浮必需具备以下三个条件：

a.周围要有产生浮力的液体或流塑体；

b.外界产生的浮力要大于管片及盾构机的自重；

c.上部要有浮动的空间或可压缩空间。

（2）产生错台的条件

管片在拼装并拖出盾尾后产生错台，也必需具备以下两个条件：

a.管片环与环之间存在剪切力（错动力）；

b.管片环与环之间的约束力不能克服管片之间的错动力。

（3）管片上浮和错台之间存在着必然联系。

因为在掘进过程中，盾构机作用在管片上的力主要是纵向力，基本上没有上下的剪切力，因此，管片错台与上浮之间存在着必然的联系。

3.3.2预防及控制富水软弱地层浅埋圆形盾构隧道上浮及错台的研究

狮子洋隧道在软弱富水地层中的上浮问题通过对施工各阶段情况分析，管片上浮、错台的原因以及两者之间的相互关系存在着必然联系，采取了以下措施，成功的解决了上浮、错台问题。

①发现问题阶段

根据以往的施工经验，都认为在软弱地层中始发，盾构机易出现叩头、管片易发生下辍等现象，一般都将盾构机始发姿态适当调高。

本次始发时也将盾构机垂直姿态调高了30mm，另外，采用双道帘布橡胶板止水箱及加注油脂的方式作为洞门密封。

始发后确实发现盾构机有一定的“栽头”现象，随着盾构机的泥水压力逐步建立，盾构机“栽头”趋势更大，特别是在停机或装管片过程中，盾构机前方刀盘向下沉，盾尾向上翘。

于是，在掘进时就尽可能加大底部油缸的推力，把刀盘姿态向上调，把盾尾向下压，每掘进一环都能刀盘抬起来一定数值，并且把盾尾也压下去一些。

但是，逐渐发现在掘进时，把刀盘抬升量总是大于盾尾的下压量，而且，在停机或装管片时，刀盘的下沉量又小于盾尾的上升量，如果把盾构机姿态和线路坡度调整到基本一致时，盾构机将出现整体“上漂”现象。

另外，通过对管片的姿态监测，发现管片也存在较大的“上浮”，从管片在盾尾内拼装完成到最后稳定最大的上浮量达150mm，一般都在100mm左右。

②摸索调整阶段

当发现这些问题后，首先从两方面来采取措施，一方面，先把盾构机姿态降低，给盾尾上翘和管片上浮预留一个预定值，从而先要保证隧道线形，并使盾构机处于一种“栽头”模式掘进（即盾构机掘进坡度大于线路纵坡），保证盾构机不再“上漂”；

另一方面，从注浆材料上下功夫，在满足施工的情况下，把同步注浆水泥砂浆的稠度值调低、比重调高、凝结时间调短，并进一步加大充填量，从而加强同步注浆对管片的早期约束力。

通过采取以上两方面的措施后，管片的上浮量有一定的减小。

此方法解决了管片拼装和上浮的问题，同时却又带来一个新的问题。

管片在盾尾内拼装的质量都很好，错台也很小，一般都在5mm以内，但在拖出盾尾后都出现了规律性的上下方向的错台，错台一般都在20mm左右，大的错台有30mm。

③分析稳定阶段

通过初步分析，认为定位销在目前的状况下，根本不能约束管片相互之间的错动力，在某一时刻两环管片之间产生的某种错动力总大于定位销的抗剪力，从而导致定位销被剪断失效，而且两环管片接触面的磨擦力也不能约束这种错动力，从面导致错台的产生。

这种错动力就是外围泥水或流塑状地层对管片产生的浮力，相连几环的浮力大于环间的抗剪力与摩擦力之和，这是产生错台的原因。

另外，由于盾构机掘进姿态与隧道线形存在一定的坡度差，而且油缸行程差也表现为坡度差，这就造成管片拼装趋势与隧道坡度不一致，而为保持隧道线形，每环管片之间必须通过错台来调整两者之间的坡度差异，从而也就在每环管片之间出现了规律性的错台。

具体管片错台形成规律参见“图3管片受力及规律性错台示意图”。

通过对环与环之间缝隙的测量发现，缝宽都要比理论的值大0.5mm左右，考虑到环与环之间是不是没有压紧，影响的要素主要有三个方面：

一是盾构机的推力不够大（当时推力一般都在3000t左右）；

二是止水条硬度过高或止水条填充量过大（这两项指标都是经过设计计算和反复试验的）；

三是传力垫压缩量没达到设计要求。

通过相关计算和分析认为主要是传力垫影响，设计采用2mm厚丁晴软木橡胶垫作为传力垫，理论被压缩为1mm，但实际都可能大于1mm，经分析论证，认为传力垫与管片接触面混凝土之间的摩擦系数比较小，大大减小了接触面摩擦力。

并且传力垫为柔性体，易发生变形错动，从而导致错台。

为验证推测，取消几环管片的传力垫观察效果，结果显示，从取消传力垫的第二环管片开始，规律性的错台就消除了。

3.3.3预防及控制富水软弱地层浅埋圆形盾构隧道上浮及错台建议

①保证隧道的抗浮要够，覆土埋深。

②保证管片隧道及时固结，加强注浆和改善浆液质量。

③保证环间的摩擦力，取消衬垫，验证止水条等的结构尺寸。

④遏制上浮，错台将自动消除。

⑤建议管片环间采用凸凹榫抗剪。

⑥在盾构机设计时考虑盾构机的头重尾轻问题。

4软硬不均高黏地层盾构掘进与带压进仓

狮子洋隧道软硬不均地层主要位于土岩交界地段，实际距离长达500多米，本段洞身地层依次为：

上部（3）5粗砾砂层、中部（5）2岩石强风化层、下部（5）3岩石弱风化层，为典型的上软下硬地层，且地层非常黏，对掘进极为不利,目前来看是本工程中施工最困难的地段。

在软硬不均地层中掘进过程中扭矩上升快、掘进速度低、刀盘开口及刀孔被糊死、刀具出现异常磨损，且顶部为砂层，地层渗透性非常大，地表坍塌漏气，为掘进施工带来很大的难度。

图8照片软硬不均地层糊刀盘、堵仓照片

4.1软硬不均高黏地层掘进措施

在软硬不均地层掘进为避免刀盘开口及刀孔被糊死、刀具异常磨损采取了以下措施：

①掘进过程中，加强泥水循环和冲刷，保证管路通畅，减少刀盘上的碴土粘结。

②向泥水中加入泡沫剂和工业洗衣粉，降低碴土的粘性。

③控制好泥浆质量，泥浆的比重控制在1.08以内，并保证一定的粘度，使浆液具有良好的携碴能力。

④加强出渣管理和清洗，进行碴量统计，掘进一定长度，强制停机循环清碴，保证仓内不积碴。

⑤在第一台盾构机施工的基础上，认真进行总结，对第二台盾构机进行一冲刷改造，掘进有了很大改观。

4.2带压进仓技术

由于单纯通过掘进中采取的措施并不能完全解决糊刀及刀具异常磨损问题，后来通过经常带压进仓检查、清洗、换刀，来保持正常的掘进。

但带压进仓毕竟是一种高危工作，狮子洋隧道累计进仓2000余人次，累计143天，压力高达2.8bar，频繁的带压进仓，使得现场管理人员在心理上都承受着巨大的压力。

5富水硬岩地层盾构掘进与壁后注浆

5.1本工程富水硬岩地层特性

①地层石英含量高（55.2%）；

②黏粉粒含量大（55.3%）；

③岩石强度高（82.8MPa）；

④基岩渗透系数高（6.4×

10-4m/s，地下水丰富，或存承压水。

5.2盾构掘进中存在的问题及采取的措施

5.2.1大直径泥水盾构施工富水硬岩地层存在的问题

①掘进速度提不高、换刀频繁、管路和排浆泵磨损严重，更换频繁且操作难度大；

图9刀盘外圈梁磨损照片

②刀具磨损快，换刀频繁；

③刀盘外周和搅拌臂等磨损严重，要经常进行补焊和加固；

④环流设计存在缺陷、能力不足，出碴不畅，仓内积碴，加剧仓内磨损；

⑤排浆泵和管路等磨损严重，更换难度大。

5.2.2采取的措施

①选用国内外知名厂家的刀具，进行试用对比，优中选优；

加强刀具的研究和管理，减少异常磨损或损坏；

现场加大刀具储备。

图10刀盘加焊照片

②刀盘外周和搅拌臂的磨损，发现问题及时进行补焊和加固；

进行耐磨处理和针对性设计。

③增加接力泵站，加大环流能力；

增加冲刷泵，改善仓内的冲刷死角；

加强环流研究，从操作上加大仓内环流性能；

选用耐磨、加厚的泵、管路和弯头等，并加大现场的储备。

5.3富水硬岩地层注浆

5.3.1存在的问题

全部进入基岩段后还采用同样的注浆方式，逐渐发现脱出盾尾的管片又开始出现不同程度的上浮，并伴随着地层的转硬和开仓次数的增加，上浮量也进一步加大，而且一般在开仓前装的几环管片，管片在2:

00和10:

00（以钟表时针）以上位置易出现开裂，接缝出现漏水，螺栓孔漏水等现。

5.3.2问题分析

在富水地层，或存在承压水，在前仓压力不平衡或出现漏浆的状况下，后部地下汇水很容易把浆液冲散，带至泥水仓或直接冲出，造成浆液流失；

浆液容易受外围泥水的侵蚀，特别是在硬岩地层中，盾壳外围存在扩挖通道，浆液特性指标易发生改变，达不到设计要求。

开仓过程中，由于仓内没有建压，地下水带动管片背后未凝结砂浆流向仓内，造成开仓前拼装的几环管片背后充填不密实。

5.3.3富水硬岩地层注浆技术研究

①掘进过程中泥水压力的设定应与外界自然或承压水压一致，并应保持泥水压的尽量稳定，防止压力波动造成盾尾前后地下水的流动，冲散同步注浆浆液。

②开仓降压前对盾尾后面的1～2环管片采取整环二次注双液浆加强，等浆液有一定强度后再进行降压开仓作业。

防止盾尾后面很多环的砂浆还没有强度或根本没有凝固，造成大量的浆液向仓内流失。

③采用抗水分散型的水泥砂浆。

④利用盾构机自有管路，实现同步注入复合浆液，使浆液在地层中快速凝固。

⑤超量注浆，利用多注入的较大稠度的水泥砂浆会沿盾壳向刀盘方向蔓延、而在盾壳外围形成一个阻隔环，从而在一定程度能起到阻断前仓泥水对同步注浆浆液侵蚀的作用，进一步保证同步注浆效果。

⑥在实际施工，尽管采用了多种措施，但经常还会因为各种不利因素的影响造成同步注浆的效果不，为盾构隧道留下质量隐患。

为保证管片背后注浆的全面到位、不留死角，在盾构掘进后方，应通过打开管片二次注浆孔或雷达探测等手段对背后注浆情况进行检查，对有空隙和渗水的地段进行二次注浆，二次注浆是对同步注浆有利补充，也是保证隧道注浆质量的最后一环。

6岩层破碎带盾构掘进施工与坍塌处理

在全断面岩石地层中，存在较多的节理裂隙发育带，掘进异常困难，经常出现掉块堵仓和大块堵泵现象，需要人工清除。

并容易造成坍塌和长时间停机，左线在虎门港区出现一次停机50多天，右线在江底出现一次，停机近20天。

6.1左线过虎门港区破碎带

6.1.1左线虎门港区地表坍塌

左线1354环开仓换刀后，由于仓内坍塌严重，恢复掘进后1355环掘进困难，至1356环掘进592mm，刀盘多次被卡，为保证刀盘启动，反复正反循环出碴，后经判断破碎机故障、使排浆口处堵塞，正循环无法出碴，暂时只好停机保压，之后地表发生了沉陷。

（1）地表坍塌原因分析

①设计交底地层情况模糊，不明确，掘进对地层认识不够。

虽然有泥水压力的建立，但在刀盘转动过程中，硬岩破碎地层不是一个整体，碰到石块就会掉落。

②掘进过程中压力波动大，没有及时提高压力。

③泥浆环流旁通阀泄漏，造成仓内流量不够。

④仓内排浆口堵塞时采用反循环造成仓内压力不平衡，最终导致多出碴。

⑤仓内底部积碴，破碎机故障，无法正常掘进。

（2）塌陷区的处理和通过方式

①采用旋喷桩加压密注浆对坍塌区域地表进行加固，形成上盖，为下步掘进创造条件。

②带压进气垫仓，检查仓内情况，初步维修破碎机。