盾构隧道施工技术及工程质量安全控制Word格式文档下载.docx
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盾构在复杂地层条件下的施工及技术措施盾构纠偏和姿态控制
管片拼装和隧道工程质量控制
1
6、
6.1
6.2
6.3
6.4
7、
8、
盾构穿越建筑物及保护技术
盾构掘进施工对地层的影响及沉降控制盾构隧道施工监测技术
盾构下穿运营地铁隧道施工及监护盾构隧道工程事故实例分析
盾构隧道工程技术新发展
上海申通地铁集团有限公司
2008-10
傅德明
2
盾构是一个横断面外形与隧道横断面外形相同、尺寸稍大，内藏挖土、排
土机具，自身设有保护外壳的暗挖隧道的机械。
以盾构为核心的一整套完成的隧道施工方法称为盾构工法，概况如图1所示。
盾构法施工的优点:
场地作业少，隐蔽性好，因噪音、振动引起的环境影响小；
隧道施工的费用和技术难度基本不受覆土深浅的影响，适宜于建造覆土深的隧道；
穿越河底或海底时，隧道施工不影响航道，也完全不受气候的影响；
穿越地面建筑群和地下管线密集区时，周围可不受施工影响；
自动化程度高、劳动强度低、施工速度较快。
图1
盾构工法概念图
盾构工法的设想19世纪初产生于英国，1818年Brunel观察了小虫腐蚀木船底板成洞的经过，从而得到启示在此基础上提出了盾构工法，取得了专利，并于1823年拟定了穿越伦敦泰晤士河道路隧道的计划。
工程于1825年动工，隧道长458m，隧道断面为11.4m×
6.8m。
工程因地层发生了5次涌水事故，致使工程被迫中止。
Brunel总结了失败的教训对盾构做了7年的改进，后于1834年工程再次开工，又经过7年的经心施工，终于在1841年贯通隧道。
1869年建造横贯泰晤士河上的第二条隧道，首次采用圆形隧道，外径2.18m,长402m。
1887年南伦敦铁道隧道施工中使用了盾构和气压组合工法获得成功。
19世纪末到20世纪中叶盾构工法相继传入美国、法国、德国、日本、苏联等国，并得以不同程度的发展。
20世纪60~80年代盾构隧道技术继续发展完善。
1960年英国伦敦开始使用滚筒式挖掘机；
1964年日本埼玉隧道中最先使用泥水盾构；
1969年日本在东京首次实施泥水加压盾构施工；
1972年日本开发土压盾构成功；
1975年日本推出泥土加压盾构；
1978年日本开发高浓度泥水盾构；
1981年日本开发气泡盾构；
1982年日本开发ECL工法成功；
1988年日本开发泥水式双圆盾构工法成功。
1990年~2003年，英法两国共同建造的英吉利海峡隧道（长48km）采用φ8.8m的土压盾构工法于1993年竣工；
日本东京湾隧道（长9．2km）采用8台φ14.14m泥水盾构于1996年竣工；
丹麦斯多贝尔特海峡隧道（长7.9km）采用φ8.5m土压盾构工法于1996年竣工；
德国易北河第4条隧道采用复合盾
3
构（φ14.2m）于2003年竣工；
荷兰格累恩哈特隧道（φ14.87m、泥水式）于2004年竣工。
从断面形状方面讲出现了矩形、马蹄形、椭圆形、多圆形等多种异圆断面盾构；
从功能上讲出现了球体盾构、母子盾构、扩径盾构、变径盾构、分岔盾构、途中更换刀具盾构、障碍物直接切除盾构等特种盾构；
从盾构机的掘削方式上看出现了摇动、摆动掘削方式的盾构，打破了以往的传统的旋转掘削方式。
施工设备出现了管片供给、运送、组装自动化装置；
盾构机掘进中的方向、姿态自动控制系统；
施工信息化、自动化的管理系统及施工故障自诊断系统。
1.2我国隧道掘进机技术的发展历史和现状
50年代，东北阜新煤矿首次采用直径2.6m手掘式盾构施工巷道。
1957年，北京市政工程局采用2台直径2.0m和2.6m手掘式盾构进行城市下水道施工。
1963年，上海结合软土地层对盾构掘进机、预制钢混凝土衬砌、隧道掘进施工参数，隧道接缝防水进行了系统的试验研究。
研制了1台直径4.2m的手掘式盾构进行浅埋和深埋隧道掘进试验，隧道掘进长度68m。
1966年，上海打浦路越江道路隧道工程1322m主隧道采用由上海隧道工程设地院设计、江南造船厂制造的我国第一台直径10.2m超大型网格格挤压盾构掘进机施工，辅以气压稳定开挖面，在黄浦江底顺利掘进隧道。
1987年上海隧道工程公司研制成功了我国第一台φ4.35m加泥式土压平衡盾构掘进机，用于市南站过江电缆隧道工程。
1990年，上海地铁1号线工程全线开工，18km区间隧道采用7台由法国FCB公司、上海隧道工程公司、上海隧道工程设计院、上海船厂联合制造的φ6.34m土压平衡盾构掘进机。
1996年，上海延安东路隧道南线工程1300m圆形主隧道采用从日本引进的φ11.22m泥水加压平衡盾构掘进机施工。
1996年，广州地铁1号线8.8km区间隧道由日本青木建设施工，采用2台φ6.14m泥水加压平衡盾构和1台φ6.14m土压平衡盾构。
2001年以来，广州地铁2号线、南京地铁1号线、深圳地铁1号线、北京地铁5号线、天津地铁1号线先后从德国、日本引进14台φ6.14m~6.34的土压盾构和复合型土压盾构，掘进地铁隧道50km。
盾构法隧道已经成为我国城市地铁隧道的主要施工方法。
2003年，上海地铁8号线首次采用双圆隧道新技术，从日本引进2台
φ6520×
W11120双圆型土压盾构，掘进黄兴路站——开鲁路站2.6km区间隧道。
2004年，天津地铁1号线采用2台德国海瑞克Ø
6.20m土压平衡盾构掘进区间隧道。
2006年，沈阳地铁1号线砂砾地层采用盾构法掘进区间隧道。
成都地铁1号线砂卵地层采构法掘进区间隧道。
2007年，西安地铁2号线湿现性黄土地层采用盾构法掘进区间隧道。
2008年，武汉地铁2号线、杭州地铁1号线、苏州地铁1号线也采用盾构
法掘进区间隧道。
今年，在全国12个城市地铁隧道工程中有200余台盾构掘进机施工约300
4
公里区间隧道。
2005年，上海上中路隧道引进1台Φ14.89m超大直径泥水盾构掘进2条长1250m的4来4去双层道路隧道。
2006年9月,二来二去的武汉长江越江隧道工程2条长2338mΦ11.2m的圆形主隧道采用2台Фm11.5泥水加压盾构掘进施工。
2006年9月,三来三去的上海长江口越江隧道2条长7.9km的圆形主隧道采用2台Φ15.44m泥水加压盾构掘进施工,为目前世界上最大断面的盾构隧道。
2007年11月，三来三去的南京长江隧道2条长3.9km的圆形主隧道采用2台Φ14.9m泥水盾构掘进施工。
按挖掘土体的方式，盾构可分手掘式盾构、半机械式盾构及机械式盾构三
种。
① 手掘式盾构：
即掘削和出土均靠人工操作进行的方式。
② 半机械盾构：
即大部分掘削和出土作业由机械装置完成，但另一部分
仍靠人工完成。
③ 机械式盾构：
即掘削和出土等作业均由机械装备完成。
按掘削面的挡土形式，盾构可分为开放式、部分开放式、封闭式三种。
① 开放式：
即掘削面敞开，并可直接看到掘削面的掘削方式。
② 部分开放式：
即掘削面不完全敞开，而是部分敞开的掘削方式。
③ 封闭式：
即掘削面封闭不能直接看到掘削面，而是靠各种装置间接地掌握掘削面的方式。
按加压稳定掘削面的形式，盾构可分为压气式、泥水加压式，削土加压式，加水式，加泥式，泥浆式六种。
按盾构切削断面形状，盾构可分为圆形、非圆形两大类。
圆形又可分为单圆形、半圆形、双圆搭接形、三圆搭接形。
非圆形又分为马蹄形、矩形（长方形、正方形、凹、凸矩形）、椭圆形（纵向椭圆形、横向椭圆形）。
土压平衡盾构依靠大刀盘旋转切削开挖面土体，土砂切削后进入刀盘后的密封土舱，并通过土舱下部的螺旋输送机把土砂送至盾构机后部，见图1所示。
通过调整刀盘转速、推进速度、螺旋机转速来调整切削土量和出土量并保持土舱压力，使之与开挖面水土压力保持平衡。
5
土压平衡原理图
土压平衡盾构适用于各种粘性地层、砂性地层、砂砾土层。
对于风化岩地层、软土与软岩的混合地层，可采用复合型的土压平衡盾构。
在砂性、砂砾、软岩地层采用土压盾构掘进施工，应在土舱、螺旋机内以及刀盘上注入润滑泥浆或泡沫，以改良土砂的塑流性能。
土压平衡盾构掘进机
复合型土压盾构
6
在盾构内设一道密封隔舱板，在泥水舱内充以压力泥浆支护开挖面土层，平衡开挖面土层水、土压，形成不透水泥膜，泥土经刀盘切削搅拌和搅拌机搅拌后，形成厚泥浆，用管道向地面处理场排送。
泥水加压盾构适用土层范围很广，从软弱粘土、砂土到砂砾层都可适用。
泥水加压式盾构适用于冲积形成砂砾、砂、粉砂、粘土层、弱固结的互层地基以及含水率高开挖面不稳定的地层；
洪积形成的砂砾、砂、粉砂、粘土层以及含水很高固结松散易于发生涌水破坏的地层，是一种适用于多种土质条件的盾构型式。
但是对于难以维持开挖面稳定性的高透水性地基、砾石在基，有时也要考虑采用辅助施工方法。
盾构隧道衬砌结构和管片制作技术盾构隧道衬砌分类和特点
按衬砌材料分:
1.铸铁管片
2.钢管片
3.钢筋混凝土管片（RC管片）⑷复合管片
按施工方法分:
1.拼装式管片
2.压注混凝土衬砌
3.二次衬砌
钢筋砼管片分类
1.箱型管片
7
2.平板型管片
管片宽度:
0.7M~2.0M管片厚度:
0.04~0.06D管片分块:
4~10块
3．2
管片生产常采用工厂化流水作业，管片生产需具备材料及产品堆场、钢筋笼生产车间、搅拌站（点）、试验室、管片浇捣车间、锅炉房（或蒸汽热网）、管片水中养护池、管片抗渗试验台架、管片精度测试台。
3.2.1钢筋笼生产
钢筋笼必须采用电焊焊接成形，主筋节点间采用E50型焊条或采用焊缝强度与钢筋相当的焊条，构造筋间或构造筋与主筋间可采用结E43型焊条。
焊点不得有损伤主筋的“吃肉”现象。
除节点外，任何钢筋的长度方向均不得采用焊接。
钢筋笼应按先成片（由焊接台生产）后成笼（由焊接台车生产）的生产顺序作流水作业。
钢笼网片圆弧方向的定位精度应控制在0.5mm以内；
焊接台车的控制限位板应严格按钢模尺寸制作；
钢筋笼的整体制作精度必须控制在2mm以内；
整个生产过程中，钢筋笼不得粘有任何油渍。
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3.2.2管片浇捣
管片浇捣宜采用插入式振捣器，若采用振动台或附着式振捣器生产时，因管片表面的气泡直径及气泡量难以满足要求。
因此，应采用插入式振捣器在钢模侧壁部进行复振。
生产管片的混凝土坍落度应控制在4cm以内（外掺减水剂）。
考虑到冬季施工收水慢等因素，需作真空吸水时，在标准真空度条件下的吸水时间宜控制在8min以内。
管片生产采用插入式振捣，且坍落度为3cm时的每立方米混凝振捣时间宜控制在7min左右。
辅以目测（条件下），确认已振捣密实。
不宜过振，当然也不能漏振。
3.2.3蒸汽养护
管片宜采用蒸汽养护方式生产。
蒸汽养护除需满足一般蒸养操作规程外，还应注意以下几点：
①管片振捣结束后，宜静养2～3h，然后实施蒸汽养护。
①升温速度宜控制在15℃/h以内。
①降温速率宜控制在10℃/h以内。
①蒸养温度宜控制在60～80℃。
5车间温度高于30℃时，静养阶段的管片宜用养护罩保温，使管片核心部的温度与外侧温度差缩小。
6脱模时的管片温度不宜超过室温10℃。
7管片脱模强度必须高于设计强度的50%。
管片从钢模中脱模后，一般需在水中养护一周左右（通常为一周），才能吊出水池作露天养护，或者入库养护。
为了使不同生产日期的管片一目了然，在管片的端部应注明生产日期及管片的型号。
每天生产的管片每环至少应随机抽出一块标准块作抗渗试验，抗渗试验的水压应施加在实际工程的迎水面一侧或者高水压一侧，水压的施加要求为
P
水
=S
i
（稳压4h）
+0.2MPa（稳压2h）
式中W
—抗渗强度指标；
通常取i=6，8，10。
9
3.2.4管片精度测试及其保证体系
管片精度是管片的产品精度，管片精度的测试标准是：
尺寸测量为面与面的测量，弧长和弦长测量为面与面交点的测量，通常管片的宽度可以通过直接量测而得，而弧长、弦长、直径、孔距等常需拼装成环后测试得出。
为了保证管片各要素的测试精度，常需借助高精度测试平台，把需测试的管片拼装成环（三环以上并且须采用错缝拼装），然后在缝隙中用塞尺测得实际间隙，由最大间隙换算成管片的随机正负公差值。
管片的测试数量以每100环测试一环为依据。
为了保证每一块生产的管片均能符合精度要求，质检人员坚持每天量测钢模的合模精度。
通常、钢模的随机合模精度要求应高于管片精度0.15mm。
当单块管片的公差要求为±
0.5mm时，则钢模的公差应为±
0.35mm。
常用的管片精度要求为±
0.5mm。
3.2.5管片试拼装
管片试拼装分精度测试拼装与模拟拼装二种，管片试拼装必须在高精度平台上实施，完整圆的高精度平台其加工费昂贵，通常可采用多点可调式平台代替之。
可调式平台的数量可根据圆环的直径而定，以6m～10m直径的圆环为例，可调平台的数量可控制在10～18座为宜，有时也可按管片的分块数来定，例如6块分割的圆环可取12个平台。
精度测试拼装时的环向螺栓（M27～M36，成环螺栓）的预应力拧紧力矩来控制，拧紧力矩可控制在200~250kN·
m之内。
纵向螺栓（环间螺栓）的预应力拧紧力矩可控制在150～200kN·
m之间。
模拟拼装可在高精度平台上实施，模拟拼装为管片试生产后按隧道内的实际拼装情况用工艺拼装，缝间常接实际情况粘贴有橡胶条和衬垫材料。
模拟拼装时的预应力拧紧力矩为：
环向螺栓（M27～M36）250～350kN·
m（涂减摩剂），纵向螺栓的预应力可适当减小。
盾构机的始发系指在始发竖井内利用临时组装的管片、反力台架等设备，
使盾构机离开台架经井壁上的进发口沿指定路线推进的一系列作业。
盾构机的到达系指盾构机从竖井外侧掘进进入竖井内台架上的一系列作业。
盾构进发和到达作业是盾构机掘进施工中最容易产生事故的两道工序。
4．1盾构的始发与到达
根据拆除临时挡土墙方法和防止掘削面地层坍塌方法的不同，进发工法有以下几种类型见下图和下表。
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掘削面自稳法
注浆加固地层法高压喷射加固法水泥土搅拌桩
始发工法 冻结法
NOMST工法
直接掘削法
EW工法
第1类方法采取加固措施使掘削地层自稳，随后将盾构机贯入加固过的自稳地层中掘进。
加固方法中采用较多的当属注浆加固法、高层喷射法、冻结法。
NOMST工法和EW工法是可以用盾构刀具直接掘削进发的工法。
NIMST工法的特点是始发口墙体材料特殊，可用刀具直接掘削，但不损破刀具。
进发作业简单，无需辅助工法，安全性可靠性好；
EW工法的原理是盾构进发前，通过电蚀手段把挡土墙中的芯材工字钢腐蚀掉。
给盾构直接进发掘削带来方便，优点与NOMST工法相同。
图
盾构进发工法
进发作业可以单独选用表13.1中的任何一种工法,也可选用其组合法江.具体选用哪种工法,取决于地质、地下水、复盖层、盾构直径、盾构机型、施工环境等因素。
同时还应考虑安全性、施工性、成本、进度等要求。
4．1．1进发设备
盾构机进发的设备,包括进发座台、反力座、
临时拼装管环、入口及密封圈垫。
进发座台的任务是可在其上组装盾构机和支
承组装好的盾构机，并且可使盾构机处于理想的
预定进发位置（高度、方向）上，且可确保盾构
机的进发掘进稳定。
所以要求座台的结构合理
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（可以确保组装作业的施工性）；
构件刚度好、强度高、不易损坏（承托几百吨重的盾构机）；
与竖井底板固定要牢靠、晃动变位小（确保盾构机位置稳定、确保推进和轴线始终与设计轴线重合）。
盾构座台有如下三种形式:
①钢筋混凝土盾构座台
有现浇式和预制件拼接式两种,其优点是结构稳定、抗压性能好。
②钢结构座台
有现场拼接式和平底整体安装式两种。
其优点是加工周期短、适应性强。
③钢筋混凝土与钢结构组合座台
这种座台聚集了①和②两种座台的优点,使用较多。
预制混制混凝土基座
钢结构平底整体基座
组合式盾构基座实例
通常进发座台用工字钢和钢轨等材料装配制作。
反力设备由反力座和临时拼装管环构成。
通常由管片运进和排土空间等条件确定其形状,由正式管片衬砌的起始位置确定临时拼装管环、反力座的位置、反力设备针对必须的推力应具有足够的强度及推进时基本无变形的刚度。
通常用工字钢安装反力座；
临时拼装管环使用容易处理的钢或高强度的铸铁管片拼接。
临时管片的拼装精度影响正式管片的真圆度，故应特别注意。
在小断面盾构工程中，也有临时拼装管环只组装下半环，上部为开口，不设反力座的例子。
4．1．2进发入口及入口密封垫圈
进发入口，为了确保盾构机出井贯入地层的轴线精度，通常在井内进发口处构筑一个一定宽度、一定厚度、内径略大于盾构机外径的断面形状与盾构机纵断面形状相同筒状物，与井壁连结到一起。
该筒状物即为进发入口。
进发入口的作用是限制盾构机的掘削摆动，确保盾构机的位置精度。
入口密封垫圈是填充在入口与盾构机或入口与管环间隙中的垫圈，其作用是止水，以便确保施工的可靠性和安全性。
盾构机开始推进后，即可对掘削面加压，盾构机尾部通过之后，即可进行背后注浆，尽早稳定入口。
特别是泥水
12
设置盾构进发台
盾构机投入组装
安装入口垫圈力座和后续设
组装临时管片，盾构机试运转
进发段地层改良
检查掘削面地层
，设置反备
盾构进发后，必须保持泥水压力。
为了不使入口密封垫圈发生破损和反转，必须周密地考虑盾构和进发口的净空和垫圈的质材、形状及尺寸（见图13.6）。
入口密封垫圈由上水垫圈、防止垫圈反转的压板及固定它们的铁件构成。
在构筑混凝土进发入口时被固定在混凝土入口上。
压板多为滑动式，但必须可随盾构机的移动进行调整。
近年采用铰接结构的压板（翻板式）增多，节省了压板调整工时，提高了在盾构机下部狭窄空间内作业的效率。
4．1．2进发作业
1．进发准备作业
采用泥水式盾构机时，需配备泥水处理设备、泥水输送设备、背后注浆设备、器材搬运设备等。
若为土压式盾构机，需配备出土设备、背后注浆设备、器材搬运设备等。
在进行这些作业的同时，还要进行进发准备作业。
进发准备作业包括进发台的设置、盾构机的组装、入口密封垫圈的安装、反力座的设置、后续设备的设置、盾构机试运转等。
若采用拆除临时挡土墙随后盾构掘进的进发方式，则需对地层加固。
通常把出口、背后注浆等设备工作、进发准备作业及地层加固集中在同一时期内，作业内容将视具体情况而定。
所以应注意作业规划和进度管理。
入口衬垫示例
2.拆除临时挡土墙
进发口的开口作业,因为进发口的开口作业易造成地层坍塌,进下水涌入,故拆除前要确认地层自稳、止水等状况。
随后本着对土体扰动小的原则，把挡土墙分成多个小块，从上往下逐个依次拆除。
拆除时应注意在盾构机前面进行及时支护，拆除作业要迅速连续。
3．掘进
挡土墙进发口拆除后，立即推进盾构机，若采用泥水盾构机，由于临时墙残碴会堵塞泥水循环，故必须在确认障碍物已清除干净后才能推进。
盾构机贯入地层后，对掘削面加压，监视入口密封垫圈状况的同时缓慢提高压力，直到预定压力值。
盾构机尾部通过入口密封垫圈时，因密封垫圈易成反转状态，所以应密切监视，同时盾构应低速推进，盾构机通过入口后，进行壁后注浆，稳定洞口，进发流程见图
进
发
准
备
工
作
拆
13
进发流程图
4．1．3盾构到达施工
盾构到达前须慎重考虑的事项如下:
1选定加固工法加固到达部位近旁地层及设置出口密封圈。
2为了确保盾构机按规定计划路线顺利到达预定位置，需要认真讨论测定盾构位置的方法和隧道内外的联络方法。
3讨论低速推进的起始位置、慢速推进的范围。
4讨论泥水盾构泥水减压的起始位置。
5讨论盾构推进到位时，由于推力的影响是否需要在竖井内侧井壁到达口处采取支护等措施。
6讨论掘削到达面的方法及其起始时间。
7认真考虑防止从盾构机外壳板和到达面间的间隙涌水、涌砂的措施。
⑧盾构机停止推进的位置的讨论。
9讨论到达部位周围的背后注浆工法。
10应周密的考虑拉出盾构机到井内时的盾构承台等临时设备的配备及设置状况。
盾构到达工法
14
到达作业
1.到达竖井前的掘进
到达之前,要充分地进行基线测量,以确保盾构机的准确到位,由于必须在到达口的允许范围内贯入,所以应精确测量各管环,保证线形无误。
盾构机至到达口跟前时，挡土墙易发生形变，对于特别容易变形的挡土墙（板桩挡土墙），应事先进行加固防止对盾构机推力的影响。
加固方法一般采用从竖井内用工字钢支承，或构筑埋入临时支承梁。
假如盾构机的掘削面靠近到达竖井，对竖井挡土墙的状态要经常进行观测、将盾构机的推进控制在与位移吻合的程度，特别是掘削面压力急剧下降时易导致坍塌，故需综合考虑盾构机的位置、地层加固的范围、挡土墙的位移、地表面沉陷等因素来确定掘削面的压力。
2．盾构机的到达
由于刀具不能旋转或推力上升等机械操作方面的变化，虽然能察觉到已到达临时墙，仍应从到达竖井的临时墙钻孔和测量来确定盾构机位置，再确定是否停止推进。
停止推进后，为防止临时墙拆除后漏水，应仔细进行背后注浆施工。
3．临时墙的拆除
拆除临时墙前，在临时墙上开几个检查口，以确认地层状况和盾构机到达位置。
临时墙的拆除与进发相同。
地层的自稳性可随着时间而变化，故作业必须迅速进行，力求稳定地层。
特别是在拆去了临时墙将盾构机向竖井内推进时，应仔细监视地层状况，谨慎施工。
4．2盾构进出洞口的地基加固方法和质量控制
4.2.1盾构进出洞口的地基加固方法
盾
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