盾构工程重难点分析.docx

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盾构工程重难点分析

盾构工程重难点分析

盾构工程重难点分析

1端头加固是本工程的重点

盾构的始发涉及盾构机刀盘的进洞，容易引起地表沉降和涌水、突泥，如果加固效果不能达到设计要求，可能会造成始发的失败，因此端头加固是本工程的重点。

为确保始发时施工安全，确保地层稳定，防止端头地层发生坍塌或涌漏水等意外情况，应根据始发端头工程地质、水文地质、地面建筑物及管线状况和端头结构等综合分析与评价，对洞门端头地层采用旋喷桩方式进行加固处理。

要求加固后的土体应有良好的均匀性和独立性，掌子面不得有明显渗水，其无侧限抗压强度大于0.8Mpa，渗透系数≤1×10-6cm/s。

加固后进行抽芯检测，达不到标准，须重新进行加固。

具体施工方案及技术控制要点如下：

⑴在进行钻孔前首先要对加固区域内的管线调查清楚，避免对管线造成直接破坏，并在施工过程中进行监测；

⑵旋喷桩钻孔按Ф900@650梅花型布置。

旋喷桩布置范围为始发端9m、接收端9m，宽度为12.2m（隧道外轮廓各3m），设计加固深度为12.2m（隧道外轮廓上下各3m）；

⑶灌注水泥浆时，控制好提升速度，保证浆液灌注的连续性；

⑷控制好桩基的垂直度，保证桩基的咬合密实性；

⑸加固完成后，要对加固效果进行检查。

如注浆效果未能达到设计要求，需要重新进行补充注浆。

2洞门破除风险预防及处理是本工程的重点

（1）预防措施

盾构端头采用旋喷桩加固，加固体强度较高，正面土体稳定性较好，其主要的风险点在于加固体与车站围护结构的外侧表面结合不好及加固体之间的密实度未达到施工要求。

如果出现上述情况，则洞门破除时很容易产生土体失稳现象，故在洞门破除前要做好预防措施。

加固体抽芯检测

盾构端头抽芯检测共抽5根。

依据抽芯的结果对盾构端头加固的效果进行评价，若质量达不到要求，则对加固体进行补充加固。

②洞门水平观察孔

洞门破除前15～20天，对洞门区域进行抽芯试验和通过水平观察孔来检测盾构端头的加固效果，主要是观察正面土体的含水量及土体的加固强度等。

③注浆泵

破除洞门前，准备好注浆泵及相关的应急抢险物资（水泥、砂子和棉被等），一旦洞门漏砂或塌陷就立即使用注浆泵对漏砂处进行封堵。

④紧急安全通道

利用盾构井后方的车站结构设置破除洞门时的紧急安全通道，在施工期间，严禁任何人员和物品堵塞通道。

⑤破除洞门时机

盾构始发前的洞门破除工作，必须是在盾构机及盾构施工成员全部工作准备就绪后，且设备和人员全部处于临战状态下才能进行。

⑥做好降水措施

盾构始发端及到达端加固区内分别设3口降水井，降水井井底位于盾构隧道外轮廓线以下3m，盾构始发到达前保证周边地下水位位于隧道外轮廓线以下1m。

（2）处理措施

①少量土体塌落

洞门破除过程中，由于机械破除时产生的震动等原因不可避免的有砂石掉落的现象。

如果掉落砂石的量在控制范围内，不影响正常的施工，也不会对设备和人员构成安全风险，则可将砂石清理后继续施工，需要时可派专人在旁观测土体状况一旦发生危险即使通知施工人员撤离。

②大量土体塌落

若因端头加固效果不好或施工不当等，造成洞口土体大量塌落时，应立即停止施工，并组织施工人员使用注浆泵对塌落初的土体进行注浆封堵，直到封堵完毕后方可进行下一步施工。

3避免洞门密封失效是本工程的重点

洞门密封失效预防措施：

①严格按照设计文件进行洞门钢环的制作、安装，保证施工精度满足要求；

②加强盾构始发时的姿态控制，避免盾构姿态不好造成洞门密封的局部失效；

③盾构始发时，派专人对洞门密封情况进行观察，发现问题，及时处理；

④适当调整铰接压板，保证帘布橡胶与盾构筒体的密贴。

4盾构掘进中的刀盘防磨、防结“泥饼”、防喷涌是本工程的难点

盾构机在富水的粉质粘土、粉土、粉砂地层中掘进时，易发生刀盘磨损、结“泥饼”和喷涌。

采取的工程措施如下：

⑴刀盘防磨损措施

①不同的刀具，其切削机理不同，小松盾构刀盘结构形式是根据**的地质及水文地质情况配备不同类型的刀具并进行合理地组合。

盾构穿越地层为软土地层，只需要切削型刀具；在配置刀具时可考虑增加刀具的数量，即增加刀具（特别是先行刀）的行数或增加每一行的刀具数量，或是采用长短刀具并用法切削土体，利用长短刀具不同的切削高度差（高差值约为20～30mm），来延长刀具使用寿命。

当长刀具磨损后，短刀具开始接替长刀具掘削，这样就大大提高了刀具整体抗磨损能力。

②改善刀盘的耐磨性

刀盘耐磨性的提高一般是采用在刀盘面板堆焊格栅状特殊耐磨材料的工艺措施，在刀盘面板外周、刀盘边缘侧板等处焊接格栅状耐磨条（堆焊效果如图4-1所示），增加加强钢板，增强刀盘外周及相关部位的强度和硬度，提高其耐磨性；另外刀具的刀刃上应使用硬度大、抗剪性好的超硬钢材，可沿刀具表面实施硬化堆焊，提高刀具自身的耐磨性。

图4-1格栅状耐磨条堆焊效果

③对开挖土体进行渣土改良

选择合适的土体改良剂（如常用的泡沫、膨润土等），并根据地质情况，进行科学的动态施工管理，改善土体的流塑性，使之切屑成流动型，不仅可以减少对刀盘面板和刀具的磨损，而且还可以防止切下来的泥沙和碎石对刀盘以及螺旋输送机的堵塞，同时改良剂的添加对刀具起到一定的润滑和冷却作用，延长了刀具使用寿命。

④合理选择掘进参数

盾构机掘进时，掘进参数的正确选择对延长刀盘及刀具的寿命是非常重要的，掘进参数选择不合理会导致刀具过早的损坏，不能达到隧道掘进长度的要求。

根据大量的统计资料，可采用下列公式计算盾构机刀盘外圈刀具磨损量：

δ=1/10×K×π×D×N×L/V式中：

 δ—磨损量/mm  ；K—磨耗系数/（mm/km）  ；D—盾构刀盘外径/m  ；N—刀盘的转动速度/（r/min）  ；L—掘进距离/m  ；V—掘进速度/（cm/min）。

　　从刀具磨损量公式中可以看出，刀具磨损量δ与刀盘转数N成正比、与掘进速度V成反比。

因此降低盾构刀盘转数N或提高盾构机掘进速度V都可减小刀具磨损量δ，从而增加掘进长度使其满足隧道掘进要求。

在N一定时，可采取提高V的方法减小δ，而盾构的掘进速度取决于开挖土体的塑流化改良效果，所以为提高掘进速度，可适当增加改良剂用量对开挖土体进行改良。

⑵防结“泥饼”措施

在刀盘面板上设置了5个添加剂注入孔，配置了自动泡沫和添加剂注入系统，可根据需要向开挖面添加泡沫、膨润土和聚合物，改善碴土的流动性、止水性，减小刀盘面“泥饼”形成的机会。

⑶防喷涌措施

小松盾构机螺旋输送机设有双闸门，可以通过2道闸门的先后开闭顺序来确保土仓与螺旋机出口为一个封闭系统，防止或改善螺旋输送机的喷涌现象。

①监控螺旋机出土口的出土情况和土仓的压力变化情况，一旦发生涌水现象，首先关闭螺旋机出土口处的闸门，保证在掘进中避免地下水和流沙的大量喷出，保持土仓内的土压稳定。

②通过刀盘及土仓壁上的添加剂注入孔中的若干个注入孔往土仓内注入膨润土和各种添加剂，并可向土仓注入压缩空气将地下水置换和凝聚。

特殊情况还可以采用日产的POLYMER聚合物对涌水进行抑止。

5盾构穿越南太桥盘龙江是本工程的重难点

盾构自文化宫站始发，掘进50m后开始穿越南太桥盘龙江（YDK15+795），南太桥与隧道区间平行，南太桥始建于1952年，原基础情况不明，根据现场勘查，推测为石砌拱桥，基础为石砌扩大基础，1978年后扩建的桥桩为250×250钢筋砼预制桩，桩长约5米，承台2米高，基础比较陈旧且持力深度较浅；盾构穿越地层为（9-5）粉土、（9-6）粉砂，其中（9-6）粉砂层厚度达10m，见图5-1隧道与南太桥位置关系纵断面图，土体自稳性比较差，因与盘龙江形成相互连通补给关系，渗透系数达到1.770×10-4m/s，盾构机通过时易产生超挖、喷涌导致桥体基础不均匀沉降，导致桥体出现裂缝，为本区间最不利地层。

采取的工程措施如下：

图5-1隧道与南太桥位置关系纵断面图

图5-2隧道与南太桥位置关系横断面图

①选择合理的渣土改良工艺，使渣土塑流性满足盾构施工要求，是盾构施工的控制难点之一。

改良后的碴土需具备良好的和易性、均一性，可以对掌子面形成反向泥土压，保持开挖面稳定；碴土良好的和易性、均一性利于排渣，且刀盘在保压掘进过程中不易形成泥饼，对降低刀盘、刀具磨损也有一定作用。

施工中须加强对碴土改良效果的观察，并根据试验效果及时调整配比。

常用的碴土改良剂有膨润土、发泡剂、高吸水性树脂、增粘剂等其适用范围及使用特征见下表5-1。

常用改良剂种类表表5-1

粘土、膨润土

发泡剂

高吸水性树脂

增粘剂

作用

利用添加的胶质减摩效果，使开挖的碴土塑形流动。

利用刮面膏的微细泡沫的润滑效果使开挖的碴土塑性流动。

利用树脂的吸水能力达到止水目的和改善碴土的流动性。

注入粘稠、保水性好的增粘材料使开挖碴土流动。

特性

pH：

7.5～10.0

粘度：

2～10Pa.s

pH：

7.3～8.0

粘度:

0.003～0.2Pa.s

pH：

8.0

粘度：

0.7～2Pa.s

pH：

6.5～8.0

粘度：

0.5～15Pa.s

适用地层

砂～沙砾

粘土～粗砂

固结粘土～沙砾

粗土～粗砂

特征

制泥和输送设备需要较大的空间。

在沙砾层中大多同时使用粘土。

粘性软土层有时会因粘土变硬而出现堵塞。

停止开挖时有时会发生堵塞。

根据本工程的地质特点，在盾构掘进过程中碴土改良采用发泡剂为主，膨润土为辅的改良方式，如掘进断面以砂层为主，碴土改良以膨润土为主的改良方式。

此外在实际掘进过程中根据实际情况适当添加分散剂、高密度聚合物等添加剂，实现对碴土的改良。

②采用袖阀管注浆加固南太桥基础范围内地层，桥梁墩台间地层采用间距0.8m×0.8m的袖阀管注浆，桥梁墩台正下方采用斜向袖阀管注浆，间距0.8m×0.8m，梅花形布置，盾构注浆后地层无侧限抗压强度不小于0.8MPa，加固范围桥基础宽度，加固深度至区间隧道底1m。

灌注水泥浆时，控制好注浆压力、注浆量，控制提升速度，保证浆液灌注的连续性；

加固完成后，要对加固效果进行检查。

如注浆效果未能达到设计要求，需要重新进行补充注浆。

③加强施工监测，掌握盾构穿越施工期间南太桥周边土体及桥梁结构的动态变化，验证掘进参数的合理性，预测桥梁的变形发展趋势，及时对其安全性做出评估,同时综合各种信息进行预警和报警，使有关各方有时间及时做出反应，防止事故的发生。

④穿越前应调整并确保盾构机性能良好，严格控制掘进参数，下穿南太桥及两端20m范围内尽量连续匀速通过，施工中应严防涌水；尽量选择枯水期施工，采用中低速均衡施工连续匀速通过。

⑤选择正确的掘进参数，加强过程控制管理，实施信息化施工，防止开挖面失稳引起过大的建筑物沉降；同时也应防止地面由于土仓土压过大引起地表隆起。

盾尾应及时注浆，填充管片与土体间的孔隙，严格控制注浆量和注浆压力，及时进行二次注浆及多次注浆（水泥—水玻璃双液浆），合理控制注浆压力，严格控制盾构施工后期地层变形，按照设计要求选用正确的管片型号，通过管片预留的注浆孔，根据监测情况，及时进行洞内深孔注浆，控制好注浆压力和注浆量。

6平行穿越近日隧道、侧穿建筑物是本工程的重难点

区间在Y（Z）DK14+871～Y（Z）DK15+495里程范围内平行下穿近日隧道，近日隧道为公路隧道，混凝土框架结构，基础为850SWM围护桩，尺寸400×400深16m抗拔桩，盾构区间隧道顶部距离桩基最近约1.6m，见图6-1隧道与近日隧道位置关系横断面图。

区间在ZDK14+730～+780里程范围内侧穿中华小学，最近距离2m，隧道拱顶埋深15m，在ZDK14+850～+900里程范围内侧穿广隆咨询有限公司，最近距离3.5m，隧道拱顶埋深17m，ZDK14+900～+950里程范围内侧穿轻工业供销公司，最近距离4.5m，隧道拱顶埋深18m。

因此盾构机经过时建筑物沉降控制是工程的重难点。

图6-1隧道与近日隧道位置关系横断面图

对此采取措施如下：

（1）在穿越前，安排对盾构机进行检查，及时维修，避免在该地段维修机器；

（2）穿越前进行模拟掘进。

对比监测数据与土仓压力、盾构掘进速度、出土量、同步注浆的关系，确定类似地层的最佳掘进参数；

（3）严格控制盾构姿态，避免大幅度纠偏，尽量减小对土体的扰动；

（4）施工过程中严密监测和地面巡视，建立评估及预警机制。

根据监测结果，划定各级预警范围。

一旦发生预警，及时启动应急预案；

（5）穿越期间进行信息化施工。

施工期间加强对既有房屋、地面沉降的监控量测，根据监测结果及时调整掘进参数，进一步优化土压力值及适宜的推进速度等参数，最大程度减少地层损失；

（6）加强同步注浆和二次注浆的控制。

同步注浆需确保同步、足量和及时。

根据地面建（构）筑物的隆陷状况和出土情况及时加以调整。

另外须在盾构通过3～5环后，及时打开管片上预留的注浆孔进行二次注浆，以弥补同步注浆的不足；根据监测情况，及时进行洞内深孔注浆，控制好注浆压力和注浆量。

（7）严格保证盾构匀速、连续的穿越建筑，以减小变速推进对前方和周围土体造成的扰动；

（8）严格控制切口土压力和出土量，保持盾构土压平衡。

7管线沉降控制是本工程的重点

盾构区间多处下穿燃气、自来水、雨污水等管线。

由于施工过程可能造成管线的变形及损坏，造成严重的后果，故在穿越过程中采取必要的措施是本工程的重难点，

对此采取措施如下：

（1）施工前对管线的现状进行调查，确保管线安全；

（2）优化配置盾构掘进参数。

采用“适当推进力、匀速通过”的方式组织盾构施工，设定合理的土仓压力、出土量等掘进参数，尽量减少盾构施工前期地层变形；设置试验段或根据相邻区间施工经验进行对比分析，根据当前施工环境确定合理的土仓压力和掘进参数；

（3）同步注浆及时跟进，保证填充密实，缩短衬砌脱出盾尾的暴露时间，并改良浆液配合比，缩短浆液凝固时间。

及时进行二次注浆及多次注浆（水泥—水玻璃双液浆），合理控制注浆压力。

严格控制盾构施工后期地层变形，根据监控量测进行洞内深孔注浆;

（4）盾构穿越过程中，加强管线的监控量测，并根据监测结果及时调整盾构掘进参数，确保安全。