盾构施工技术.docx

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盾构施工技术

11、盾构法隧道施工技术及工程实例分析

第一节引言

盾构法是暗挖隧道的专用机械在地面以下建造隧道的一种施工方法。

构成盾构法的主要内容是：

先在隧道某段的一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。

盾构从竖井或基坑的墙壁预留孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计预留孔推进。

盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制衬砌，再传到竖井或基坑的后靠壁上。

土压平衡盾构

土压平衡式盾构（EPBS）自1974年在日本首次使用以来，以其独特的优势已广泛用于世界各地的隧道工程中。

目前，土压平衡式盾构在全国地铁、市政、能源等工程建设中得到更为广泛的应用。

实践证明，土压平衡式盾构因其能较好地控制地表沉降、保护环境、适应在市区和建筑密集处施工等优点，在我国正走向普及。

第二节设备简介

盾构机基本构造

2盾构机分类

盾构机基本构造

1、盾壳2、刀盘3、推进油缸4、拼装机5、螺旋输送机6、油缸顶块7、人行闸8、拉杆9、双梁系统10、盾尾密封系统11、工作平台

盾构机基本构造

盾构法隧道的基本原理是用一件有形的钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体而向前推进。

这个钢质组件在初步或最终隧道衬砌建成前，主要起防护开挖出的土体、保证作业人员和机械设备安全的作用，这个钢质组件被简称为盾构。

盾构另一个作用是能够承受来自地层的压力，防止地下水或流沙的入侵。

盾构机基本构造

盾构壳体：

切口环

切口环部分是开挖和挡土部分，它位于盾构的最前端，施工时最先切入地层并掩护开挖作业，部分盾构切口环前端设有刃口以减少切入掘进时对地层的扰动

支撑环是盾构的主体结构，是承受作用于盾构上全部荷载的骨架。

盾尾一般由盾构外壳钢板延伸构成，主要用于掩护隧道管片衬砌的安装工作

1－盾壳；2－弹簧钢板；3－钢丝束；4－密封油脂；5－压板；6－螺栓

盾构掘进的前进动力是靠液压系统带动若干个千斤顶工作所组成的推进机构，它是盾构重要的基本构造之一。

管片拼装机

管片拼装机俗称举重臂，是盾构的主要设备之一，常以液压为动力。

目前，欧洲国家制作盾构时，常采用真空吸盘装置，具有管片钳捏简便、拼装平稳及碎裂现象少等优点。

在超大型盾构制造中，较多应用此类拼装机

第三节特点

（1）施工中基本不使用土体加固等辅助施工措施，节省技术措施费，并对环境无污染；

（2）根据土压变化调整出土和盾构推进速度，易达到工作面的稳定，减少了地表变形；

（3）对掘进土量和排土量能形成自动控制管理，机械自动化程度高、施工速度快。

第四节适用范围

土压平衡盾构机一般不需辅助技术措施，本身具备改善土体的性能，通过对各种土体的改良，能适应多种环境和地层的要求。

可在砂砾、砂、粉砂、粘土等压密程度低，软、硬相间的地层，以及砾层、砂层等地层中使用

土压平衡式盾构可以分为两类，一类是在粘性土地层中将开挖下来的土体直接充填在切削腔内，用螺旋输送机调整土压，使土舱内土体与开挖面水土压平衡；另一类是在砂性土地层中向开挖下来的土砂中加入适量的水或泥浆、添加剂等，通过搅拌以匀质、具有流动性的土体充填土舱和螺旋机，达到工作面的稳定。

第五节工作原理及工艺流程

土压平衡盾构机是利用安装在盾构最前面的全断面切削刀盘，将正面土体切削下来进入刀盘后面的贮留密封舱内，并使舱内具有适当压力与开挖面水土压力平衡，以减少盾构推进对地层土体的扰动，从而控制地表沉降，在出土时由安装在密封舱下部的螺旋运输机向排土口连续的将土渣排出。

螺旋运输机是靠转速控制来掌握出土量，出土量要密切配合刀盘切削速度，以保持密封舱内始终充满泥土而又不致过于饱满。

这种盾构避免了局部气压盾构主要缺点，也省略了泥水加压盾构投资较大的控制系统、泥水输送系统和泥水处理等设备。

第五节工作原理及工艺流程

第六节施工要点

土压平衡盾构机施工时（图5-27），应注重日常操作等活动的管理，随时注意开挖面的状态、隧道中心线偏移量、衬砌环拼装状况、注浆状况以及对地表变形的影响等。

第六节施工要点

初始推进段施工

盾构从竖井出发后一般需有一段距离作为推进试验阶段，在这期间应做到：

①熟悉并熟练掌握土压平衡盾构的性能和工作状况；

②确定适合于当前工程和盾构施工管理的要素；

③摸索出盾构施工中地表变形的一般规律。

初始推进段施工

在试验段推进中，结合地表变形量测情况和工程质量、盾构设备的要求，对施工参数反复量测、分析、调整，进一步优化。

对于土压平衡式盾构而言，一般选定以下几个施工管理参数：

✓平衡压力：

平衡压力值的设定是根据地质情况及隧道埋深

情况，理论计算切口平衡压力得到：

正面平衡压力：

P：

平衡压力（包括地下水）

k0：

土的侧向静止平衡压力系数

：

土体的平均重度kN/m3

h：

隧道埋深m

盾构在掘进施工中平衡压力的设定值，根据盾构埋深、所在位置的土层状况以及监测数据进行不断的调整。

在试验段推进中，结合地表变形量测情况和工程质量、盾构设备的要求，对施工参数反复量测、分析、调整，进一步优化。

对于土压平衡式盾构而言，一般选定以下几个施工管理参数：

✓推进速度（千斤顶行程速度）：

✓总推力；

✓刀盘扭矩；

✓出土量；

在试验段推进中，结合地表变形量测情况和工程质量、盾构设备的要求，对施工参数反复量测、分析、调整，进一步优化。

对于土压平衡式盾构而言，一般选定以下几个施工管理参数：

✓同步注浆及二次注浆；

盾构推进施工中的注浆，选择具有和易性好、泌水性小，且具有一定强度的浆液进行及时、均匀、足量压注，确保其建筑空隙得以及时和足量的充填。

第六节施工要点

地表变形控制

土压管理

出土管理

加泥管理

注浆管理

地表变形控制——土压管理

土压力一般通过装置在密封土舱内的土压计检测读出，通常较为合适的土压力P0范围是：

（水压力+主动土压力）

P0以相应的静止土压力为中心在此范围内作波动。

土压力P0设定与管理方法为：

理论估算，经验判断，确定一个较理想的P0值；精心操作，认真量测，及时反馈信息，根据出土量与地表沉降数据对P0作相应调整；对已定P0进行动态管理，以适应连续推进情况。

地表变形控制——出土管理

以土压力为控制目标，通过实测土压力值Pi与P0值相比较，依此压力差进行相应的排土管理，其控制流程如下

地表变形控制——加泥管理

对加泥或加水式土压平衡盾构，需在施工前详细了解与分析工程所遇的地质情况，初步确定盾构推进中加入泥、水、添加剂的浓度和数量，并在施工中根据工作面稳定情况和螺旋机出土状况对添加材料进行调整，以适应盾构正常工作的需要。

地表变形控制——注浆管理

✓作用：

防止土体松弛和下沉；减少地表沉降；保持隧道衬砌的早期稳定；提高衬砌接缝防水性能。

✓材料：

应选择符合土体条件及盾构形式的注浆材料。

✓注浆方法：

一般从通过设置在盾构上的注浆孔进行同步注浆，也可从设在管片上的注浆孔进行注浆。

其它操作要领

✓对隧道施工所需的主要材料及制品应进行必要的试验和检查；

✓盾构推进中千斤顶及其所产生的推力的选择；

✓推进测量应及早掌握隧道偏差，并及时纠正；

✓对管片运输、储存要加强管理，在运输过程中防止管片受到损伤；

✓隧道运输的合理安排和调度是保证盾构推进进度的重要因素。

第七节工程实例

盾构穿越明珠线轻轨针对性措施

☐严格控制盾构施工参数

在盾构穿越前，将平衡压力、注浆量、出土量等施工参数调整到最佳。

推进过程中，严格控制施工参数，尽量减少盾构推进对地层的扰动。

☐严格控制盾构纠偏量

在确保盾构正面变形控制良好的情况下，使盾构均衡匀速的施工，以2cm/min为宜。

盾构姿态变化不可过大、过频，控制单次纠偏量不大于10mm（高层、平面），以减少盾构施工对地层的扰动影响。

☐严格控制同步注浆量和浆液质量，增加必要的二次注浆

严格控制同步注浆量和浆液质量，减少施工过程中的土体变形。

及时根据地面变形的数据反馈。

注浆时，保证每箱土要均匀合理地压注。

同步浆液配比进行调整，增加水泥掺量，提高同步浆液的强度。

盾构进洞针对性措施

根据对现场情况的分析，采用冰冻法进洞施工方案。

先冰冻，后凿洞门，再进洞的施工方案。

盾构进洞针对性措施

✓槽壁凿除的保证措施

.冰冻体达到强度后破壁，如有渗水及时封堵。

.第一次破壁分层剥离，槽壁保留厚度不小于300mm，

并保留钢筋，以保护冻土墙。

采用高精度的温度计或测温仪进行量测，各探孔实测

温度必须低于-2℃。

d.最后一层破壁时间不超过2天，以防冻土墙融化，

影响其强度。

✓盾构穿越冰冻区保证措施

a.冻土墙解冻要适量，控制平均温度在-1～-2℃之间，强度为1.2～1.5Mpa之间。

b.保证冻结孔的充填质量，以防沉降。

c.盾构在穿越冻结区时，不宜停留，在拼装管片及故障时，每隔10～15分钟将刀盘转动3～5分钟，以防刀盘被冻死。

d.后期跟踪融沉注浆

2号线人民公园～河南中路区间隧道

工程重、难点

盾构叠交穿越正在运营的地铁1号线隧道，隧道底部与本隧道顶部间距lm，其走向基本上为正交。

针对技术措施

为达到控制地面变形保证地铁1号线的正常运营，主要采取“合理施工、加强监测、信息及时、正确指导”的原则，具体措施如下：

1）施工参数优。

如土压力以及掘进速度等的调控

2）采用高精度连通管自动监测的方法，对地铁1号线

隧道作加密监测。

3）合理控制注浆量，控制地铁1号线隧道以及地面的

沉降。

通过以上的施工技术的合理控制，在正面沉降控制较好的情况下，盾构掘进机均衡匀速推进，严格控制盾构掘进机纠偏量，用最短时间成功穿越了地铁1号线隧道。

在此基础上，及时监控后阶段隧道沉降的变化情况，同时补注双液浆加固使隧道稳定。

上海外滩观光隧道工程

工程概况

上海外滩观光隧道工程东起位于陆家嘴路北侧，东方明珠电视塔西侧的浦东出入口竖井,西止南京路外滩（陈毅塑像北侧）绿化带内的浦西出入口竖井，全长646.70m

外滩观光隧道首次采用法国土压平衡式铰接盾构掘进施工，与地铁使用的法国FCB盾构的区别是增加了铰接部分

φ7650mm铰接式土压平衡盾构

盾构机中部的铰接部分为盾构机关键部位。

盾构总长8.935m，其中切口至铰接为4.900m，铰接至盾尾为4.035m，盾构前后段采用12台千斤顶铰接连接。

铰接机构所允许的最大角向移动为：

水平方向±2.0°，垂直方向±0.5°。

（本区间隧道最小转弯半径400m）

工程重、难点

外滩观光隧道与地铁2号线上行线隧道的最小间距仅为1.57m，且滞后地铁2号线隧道施工仅三个月左右，地铁2号线隧道尚处于非稳定状态

针对性措施

✓地基加固

在整个施工过程中，先对2号线上下行线进行加固，使其能够承受观光隧道盾构进入时的压力及盾构向下的侧向分力对上下行线的影响。

✓盾尾注浆

盾构穿越过程中及时注浆并加固脱出盾尾4环后的管片上部，通过注浆使其固结，从而克服观光隧道上浮而引起的地铁隧道上部负载不够造成的地铁隧道上浮。

当观光隧道上部有一定的承受力后，利用二次注浆加固以克服地铁隧道的上浮情况，使其受扰动的土体得到改良以增加承载力。

✓地铁2号线的沉降监测

效果

盾构施工过程中，依据地铁2号线的沉降监测数据，及时优化调整各类施工参数，最终将地铁2号线的沉降控制3mm以内，产生了显著的社会效益和经济效益，填补了我国在铰接式盾构施工方面的空白，实现了中国盾构法隧道史上的又一次飞跃，开创了世界叠交隧道施工技术的先河.