盾构隧道施工方法及技术措施.docx
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盾构隧道施工方法及技术措施
盾构隧道施工方法及技术措施
§1端头加固
1.1端头加固概述
盾构进出洞门外土体为软弱含水的土层，盾构机在进出洞时，工作面将处于开放状态，这种开放状态将持续较长时间。
若不提前加固处理，地下水、涌水等就会进入工作井，就会导致软弱地层不稳定，严重情况下会引起洞门塌方。
为确保施工安全及盾构机顺利始发及出洞，必须对洞门外土体进行加固处理。
本标段盾构始发及到达共有4个端头需要加固，具体加固方法见表8-1-1
表8-1-1盾构进出洞端头加固方法一览表
区间
端头名称
地质情况
加固方法
加固范围
备注
1.1.1加固的原则
（1）根据隧道埋深及盾构隧道穿越地层情况，确定加固方法和范围。
（2）在充分考虑洞门破除时间和方法的基础上，选择合适的加固方法和范围，确保洞门破除和盾构机进、出洞的安全。
1.1.2加固要求
根据始发及到达端头地层性质及地面条件，选择加固方法，加固后的土体应有良好的自立性，密封性、均质性，采用搅拌桩加固的土体无侧限抗压强度不小于0.8MPa，渗透系数k≤1×10-8cm/sec。
（2）渗透系数＜1.0×10-5cm/s。
1.2端头的施工
1.2.1施工原理
旋喷法施工是利用钻机把带有特殊喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后，用高压脉冲泵，将水泥浆液通过钻杆下端的喷射装置，向四周以高速水平喷入土体，借助流体的冲击力切削土层，使喷流射程内土体遭受破坏，与此同时钻杆一面以一定的速度旋转，一面低速徐徐提升，使土体与水泥浆充分搅拌混合，胶结硬化后即在地基中形成直径比较均匀，具有一定强度的桩体，从而使地层得到加固。
1.2.2机械设备
旋喷法施工主要机具设备包括：
高压泵、泥浆泵、钻机、浆液搅拌器、空压机、旋喷管和高压胶管等；辅助设备包括操纵控制系统、高压管路系统、材料储存系统以及各种管材、阀门、接头安全设施等。
浆液搅拌采用污水泵自循环式的搅拌罐，钻机采用XY-100型振动钻机，空压机采用SA-5150W空压机，参数为20m3/min。
1.2.3材料要求
旋喷使用的水泥应采用新鲜无结块42.5R普通硅酸盐水泥，浆液水灰比为1:
1。
稠度要适合，水泥掺入量250kg/m，粘土粉50kg/m，为消除离析，加入0.9％的碱。
浆液宜在旋喷前lh以内配制，使用时滤去＞0.5mm的颗粒，以免堵塞管路和喷嘴。
1.3端头地层加固施工工艺
1.3.1三轴搅拌桩施工工序
①定位
三轴搅拌机开行到指定桩位，对中。
当地面起伏不平，应注意调整机架的垂直度；搅拌桩的桩位偏差不得大于50mm，垂直度不得大于1.5%。
②制备水泥浆
在搅拌机定位的同时即开始按设计确定的配合比拌制水泥浆，水泥浆的搅拌采用二次搅拌方式，灰浆拌和时间不少于2min，保证拌和均匀，不发生沉淀，放置水泥浆的时间不超过2个小时，搅拌好的水泥浆须在一个小时内用完。
外渗剂可根据工程需要选用具有早强、缓凝、减水、节省水泥等性能的材料，为增强流动性可掺入水泥重量0.20%～0.25%的木质磺酸钙，1%的硫酸钠和2%的石膏，但应避免污染环境。
③预搅下沉
检查无误后开动搅拌机，以正循环方式钻进，为避免搅拌过程中喷浆口的堵塞，边喷射水泥浆边搅拌下沉，下沉速度控制在0.8m/min。
④喷浆搅拌提升
为保证水泥搅拌桩桩端、桩顶及桩身质量，第一次提钻喷浆时应在桩底部停留30秒，进行磨桩端，然后以反循环方式提升，余浆上提过程中全部喷入桩体，且在桩顶部位进行磨桩头，停留时间为30s，提升速度要保持均匀，控制在0.5m/min。
⑤重复上下搅拌
为使软土和水泥浆搅拌均匀，采用“两搅两喷”的工艺，即第一次搅拌提升后可再次将搅拌机边旋转边沉入土中，至设计加固深度后再将搅拌机提升出地面，即完成一根三圆嵌套的加固体。
⑥移位
开行搅拌机（履带式机架可以进行转向、变幅作业）到新的桩位，重复上述1～5步骤，进行下一根桩的施工，注意下一根桩与上一根桩要搭接250mm，最终形成一个连续的加固体。
三轴搅拌桩技术参数见表8-1-2。
表8-1-2搅拌桩施工技术参数
项目
参数
项目
参数
水泥掺量
13～15%
搅拌速度
30～50r/min
下沉速度
≤0.8m/min
浆液流量
40L/min
提升速度
≤0.5m/min
水灰比
0.75
1.3.2双重管旋喷桩施工工序
①测量定位
根据桩位坐标用全站仪定出中心，并将中心点引于冠梁挡土板顶，作为钻机定位依据。
测量现场地面标高，确定桩顶及桩底标高。
对桩位进行编号，以利于施工管理和资料整理。
②钻机就位
喷射注浆施工的第一道工序就是将使用的钻机安置在设计的孔位上（此之间应做好场地平整），使钻杆头对准孔位中心。
同时为保证钻孔达到设计要求的垂直度，钻机就位后，必须做水平纠正，使其钻杆轴线垂直对准钻孔中心位置。
喷射注浆管的允许倾斜度不得大于1.0％。
③钻孔
钻孔的目的是为将喷射注浆管插入预定的地层中，采用工程地质钻机钻孔，钻至设计标高。
钻孔位置与设计位置偏差不得大于50mm。
④旋喷机就位插管
地质钻机成孔后移开原位，旋喷机就位对准孔位插管，将喷射注浆管插入地层预定的深度，在插管的过程中，为防止泥沙堵塞喷嘴，可边射水、边插管，水压力一般不超过0.8MPa，如压力过高，则易将孔壁射塌。
⑤喷射注浆
当注射浆管插到预定深度后，由下而上进行喷射注浆，双重管旋喷桩施工详细技术参数如表8-1-3。
旋喷作业时，应检查注浆流量、压力、旋转提升速度以及水泥浆配比等。
高压浆液射流的压力20Mpa~30Mpa，流量80～120L/min；空气压力：
0.7Mpa～0.8Mpa，流量1m3～2m3/分钟；钻机旋转速度：
10～20r/min；钻机提升速度：
10～20cm/min。
当浆液初凝时间超过20h时，应及时停止使用该水泥浆（正常水灰比1：
1，初凝时间为15h左右）。
钻杆的旋转和提升必须连续不中断，拆卸钻杆继续旋喷时，其搭接长度不小于200mm。
⑥冲洗
施工完毕，应把注浆管等机具设备冲洗干净，管内机内不得残存水泥浆。
通常把浆液换成水，在地面上喷射，以便把泥浆泵、注浆管和软管内的浆液全部排出。
⑦移动机具
把钻机等机具设备移到新孔位上，进行下一孔位施工。
表8-1-3双重管高压旋喷桩施工技术参数
水灰比
1
气
压力
0.7～0.8Mpa
浆
喷浆压力
10～20Mpa
提升速度
10～20cm/min
旋转速度
10～20r/min
水泥掺量
550kg/m3
§2盾构掘进机的选择及操作控制
2.1掘进机的特点和适用条件
本标段盾构区间上部地面主要以分布低层建筑物,主干公路,高架桥组成，地面下须穿小型箱涵，无大型障碍物。
根据工程地质和水文地质资料可知此区段穿越地层大部分为粉质粘土，渗透性差，无高压承压水，因此区间选用的盾构机为土压平衡盾构机。
2.1.1土压平衡模式
土压平衡模式是在机械挖掘式盾构前段设置隔壁形成密封土舱切削下来的土体以泥水状态进入密封土舱和螺旋输送机，同时碴土需具有塑流性且要充满密封舱。
随着盾构的掘进密封土舱内的碴土上产生压力，此压力与开挖面的水，土压平衡，保证该面的稳定。
此外碴土具有流塑性，可顺利往外排除。
外加剂一般采用膨润土或泡沫剂。
该掘进模式适用于
具有流塑性，含砂量较低的软弱粘性土。
2.2各掘进模式的主要掘进参数及技术措施
2.2.1技术措施
（1）土压平衡模式掘进的技术措施：
①采用以齿刀、刮刀为主切削土层，以低转速、大扭矩推进。
②土仓内土压力值P应略大于静水压力和地层土压力之和P0，即P=K·P0（K介于1.0～1.3），并在掘进中不断调整优化。
③土仓压力通过采取设定掘进速度、调整排土量或设定排土量、调整掘进速度两种方法建立，并应维持切削土量与排土量的平衡，以使土仓内的压力稳定平衡。
④盾构机的掘进速度主要通过调整盾构推进力、转速（扭矩）来控制，排土量则主要通过调整螺旋输送机的转速来调节。
在实际掘进施工中，应根据地质条件、排出的碴土状态，以及盾构机的各项工作状态参数等动态地调整优化，此模式掘进时应采取碴土改良措施增加碴土的流动性和止水性。
2.3碴土改良和管理
在粘性大及复杂地层的盾构施工中，根据围岩条件适当注入添加剂，确保碴土的流动性和止水性，同时要慎重进行土仓压力和排土量进行管理。
2.3.1碴土改良的目的
（1）使碴土具有良好的土压平衡效果，利于稳定开挖面，控制地表沉降；
（2）提高碴土的不透水性，使碴土具有较好的止水性，从而控制地下水流失；
（3）提高碴土的流动性，利于螺旋输送机排土；
（4）防止开挖的碴土粘结刀盘而产生泥饼；
（5）防止螺旋输送机排土时出现喷涌现象；
（6）降低刀盘扭矩和螺旋输送机的扭矩，同时减少对刀具和螺旋输送机的磨损，从而提高盾构机的掘进效率。
2.3.2改良的方法与添加剂
碴土改良就是通过盾构机配置的专用装置向刀盘面、土仓内或螺旋输送机内注入泡沫或膨润土，利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌或螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与土碴混合，其主要目的就是要使盾构切削下来的碴土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，以满足在不同地质条件下盾构掘进可达到理想的工作状况。
2.3.3碴土改良的主要技术措施
根据本工程的地质条件和盾构施工的经验，采取如下主要技术措施：
（1）在富水断层带和其它含水地层采用土压平衡模式掘进时，拟向刀盘面、土仓内和螺旋输送机内注入泡沫，并增加对螺旋输送机内注入的泡沫量，以利于螺旋输送机形成土塞效应，防止喷涌。
（2）在砂性土地层中掘进时，拟采取向刀盘面和土仓内注入泡沫来改良碴土。
泡沫注入量根据具体情况确定。
（3）在块状结构，泥、钙质胶结的泥质粉砂岩，粉砂质泥岩中掘进时，由于掘进对地层的扰动，不易形成连续的土压，为此采取向刀盘面、土仓和螺旋输送机内注入泡沫和浓度高的膨润土泥浆来改良碴土，维持土仓内土压平衡。
2.3.4防泥饼措施
当盾构机全断面通过英安斑岩残积硬塑状粉质粘土和硬塑残积粉质粘土地层时，刀盘中心区和土仓中心区容易形成“泥饼”，产生堵仓现象，造成刀盘转动负荷加大，排土不畅，甚至停止转动，同时造成土仓内温度升高，影响主轴承密封的寿命，严重时会造成主轴承密封老化破坏，“泥饼”现象往往会堵塞滚刀，使滚刀发生偏磨。
如果地下水较丰富，螺旋机由于排土不畅而无法形成土塞，排土口会产生喷涌，开挖面就会失稳，发生地层坍塌。
2.3.5盾构机在粘性岩中掘进的措施：
（1）加强盾构掘进时的地质预测和泥土管理，特别是在粘性土和泥质硅胶岩石中掘进时，更加密切注意开挖面的地质情况和刀盘的工作状态。
（2）在这种地层掘进时，增加刀盘前部中心部位泡沫注入量和选择比较大的泡沫加入比例，减少碴土的粘附性，降低“泥饼”产生的几率。
（3）一旦产生泥饼，及时采取对策，必要时采用人工处理的方式清除泥饼。
（4）必要时，螺旋输送机内也要加入泡沫，以增加碴土的流动性，利于碴土排出。
（5）出现长时间停机时，适当转动刀盘，添入泡沫，搅拌土仓内的碴土。
§3盾构机组装与调试
3.1组装场地的布置及吊装设备
3.1.1进场组装及吊装设备
吊装设备为：
450t吊机一台，130t吊机一台，80t液压千斤顶两台，小型泵一台，以及相应的吊具、机具、管线工具等。
3.1.2盾构机的主要参数
盾构机技术性能参数表表8-3-1
名称
技术参数
备注
盾体
盾构类型
土压平衡
前盾
6,450mm
中盾
6,440mm
最大工作压力
3bar
土压舱板
1个
4个固定搅拌棒
土压计
5个
气闸人行门
1个
DN600
螺旋输送机连接法兰
1个
气闸连接法兰
1个
盾尾
直径
6,430mm
型式
铰接式
油脂管数量
8个（2x4）
DN25
密封
3排钢丝刷和止桨板
焊接式
注浆口
4个
铰接油缸
型式
被动式
180/80~150
数量
14个
千斤顶
数量
32个
16x2
分组数量
4组
4个内置行程测量系统
最大推进力
42,000kN@350bar
伸出速度
80mm/min
所有油缸
缩回速度
1,600mm/min
一组油缸
刀盘
数量
1个
2个固定搅拌棒
直径
6,460mm
旋转方向
左/右
刀具
1把中心鱼尾刀，16把铲刀，76把刮刀，44把先行刀,1把仿形刀配有2个磨损检测装置。
中心回转体
1个
4根膨润土/水输送管+1条中心冲刷管和2条液压管路
刀盘驱动装置
数量
1个
型式
液压回转驱动
液压马达数量
8个
最大额定转矩
4,377kNm
脱困扭矩
5,252kNm
转速
3,05rpm
功率
630kW
主轴承型式
固定式
主轴承外径
2,600mm
主轴承寿命
10,000小时
根据ISO281L10
人闸
数量
1个
型式
双仓式
直径
1,600mm
工作压力
3bar
人数（容纳）
3+2
主室/紧急室
管片安装器
数量
1个
含液压马达及减速箱
型式
中心回转式
含工作平台
抓紧系统
机械式
自由度
6
旋转角度
+/-200°
比例控制
纵向移动行程
2000
比例控制
控制装置
遥控控制
螺旋输送机
数量
1个
伸缩式
型式
有轴螺旋式
直径
800mm
功率
200kW
最大脱困扭矩
215
转速
0到22rpm
无级调速
输送量
385m³/h
螺距
630mm
出料口门
1个
土压计
2个
皮带输送机
数量
1个
含钢结构及滚筒
驱动
电动
带宽
800mm
最大输送量
450m³/h
后配套设施
台车数量
4+连接桥
在轨道上行进,开式结构
管片吊车
1个
管片喂片机
1台
液压单元
1个
包括过滤器和油箱
冷却系统（泵/油冷器/阀）
1个
新鲜水28°由工地提供
注浆系统含1台控操作装置，管路和设施
砂浆泵
2个
KSP12,2x10m3/h
砂浆罐
1个
容量6m³带搅拌器
压力传感器
4个
膨润土储存罐/泵
含管路和设施
注浆泵
1个
10m³/h
储存罐
1个
4m³带空气搅拌器
泡沫发生装置
泡沫发生器
4个
水泵
1台
7m³/h
泡沫泵
1台
300ltr/h
压缩空气供应
工具使用
空压机
1台
55kW
高压空气储存罐
1个
1000ltr
主驱动装置润滑泵
1个
盾尾油脂泵
1个
控制台
1个
带空调
水管架
1个
工业水（新鲜水和用过的水）软管DN80
污水泵
1个
排水装置
1个
30m3/h
高压电缆托盘
1个
200m电缆容量;不含高压电缆
通风管储存装置
1个
1米风管,100米储量（不含风管）
小型起吊装置
1个
主副配电柜
1个
数据采集系统
1个
1台计算机带海瑞克公司标准配置（中英语）
导向系统
1个
VMT型号SLS-SL
监视系统
1个
3台监视器及1台彩色显示器
灭火器
5台
二氧化碳、干粉式
电气系统
初级电压
10kV
次级电压
400
变压器
1,600
液体型,IP55
控制电压
24V/230V
照明电压
230V
阀工作电压
24V
频率
50Hz
系统绝缘保护
IP55
PLC
1No.
西门子
功率因数补偿器
1个
cosphi=0.9
功率配置（摘录）
刀盘驱动系统
630.0kW
2x315kW
盾构推进系统
75.0kW
管片安装器
45.0kW
辅助设备
22.0kW
油过滤系统
11.0kW
齿轮润滑系统
4.0kW
螺旋输送机
200.0kW
泡沫和膨润土发生装置
13.5kW
砂浆设备
37.5kW
皮带输送机
30.0kW
二次通风
15.0kW
空压机
55.0kW
电源插座及工地用电
75.0kW
合计
1213
3.1.3盾构机组装
本工程计划投入一台土压平衡盾构机进行施工，结合本工程的地质条件和施工特点，盾构机选用由德国Herrenknecht制造的全新复合式盾构机。
盾构机进场时间为2011年7月28日。
中标后2周内完成合同的签字，并组织生产。
盾构机计划于2011年7月29日下井在明发广场站右线东侧开始组装调试。
本台盾构机组装调试时间安排30天。
盾构吊运、组装程序图见图8-3-2。
图8-3-2盾构组装、调试程序图
序号
步骤
施工顺序
说明
1
组装始发架、反力架
①盾构运输到施工场地；
②组装盾尾、焊接盾尾及盾尾密封刷；
③组装台车，临时托架吊入井内；
④站台内铺设轨道。
2
组装
桥架
①依次吊入第五、四、三、二、一节台车；
②进行桥架组装；
③桥架吊入井内。
3
吊装螺旋输送机
①完成桥架与后配台车的连接；
②螺旋输送机吊入井内。
4
吊装
支撑环
①螺旋输送机后移；
②支撑环吊入井内。
5
组装支撑环与切口环
①支撑环后移；
②切口环吊入井内。
6
组装刀盘
①切口环与支撑环的连接及后移；
②刀盘吊入井内。
7
组装管片拼装机、盾尾
①主机连接及前移；
②管片拼装机及盾尾的吊入井内及拼装。
8
组装螺旋输送机
①螺旋输送机前移；
②螺旋输送机吊起及组装。
9
设备连接、安装反力架
①连接各台车的管线；
②反力架吊入井内；
③安装反力架；
④盾构机设备的连接。
10
完成组装、准备始发
①完成组装；
②盾构机调试，准备始发。
3.2盾构机调试
盾构机组装完成后，技术人员应当对组装工作逐点检查，对组装工作中的错、省、漏进行现场纠正，重点对主要电路、液压油路的连接和重要螺栓的固定进行检查。
确定各个系统可以运行后，根据海瑞克提供的设备调试项目单的项目进行逐个调试，对出现的问题进行逐个排除。
通过调试验收后，等待盾构机始发试掘进。
对始发后有荷载下的盾构机进行再次检查调试，同时将重点逐步转入到设备的维护保养和运行监督中。
直到设备完全满足施工要求，组装调试工作完成。
3.2.1空载调试
盾构机组装和连接完毕后，即可进行空载调试。
主要调试内容为：
液压系统，润滑系统，配电系统，注浆系统，以及各种仪表的校正。
着重观测刀盘转动和端面跳动是否符合要求。
3.2.2负载调试
空载调试证明盾构机具有工作能力后即可进行负载调试。
负荷调试的主要目的是检查各种管线及密封的负载能力，使盾构机的各个工作系统和辅助系统达到满足正常生产要求的工作状态，通常试掘进时间即为对设备负载调试时间。
负荷调试时将采取严格的技术和管理措施保证工程安全、工程质量和隧道线型。
§4管片安装
盾构区间管片采用环宽1.2m的标准环及左转弯楔形环和右转弯楔形环三种管片，楔形环的楔形量为37.20mm,管片混凝土强度等级为C50；抗渗等级S10,钢筋为Ⅰ、Ⅱ级。
管环外径6.2m，内径5.5m，宽1.2m,每环由6块管片组成，砼量7.719m3。
拟由南京城市地铁实业集团有限公司管片厂按以上要求进行管片生产。
4.1管片安装程序
见图8-4-1管片安装工艺流程图。
图8-4-1管片安装工艺流程图
4.2管片安装方法
管片由管片车运到隧道内后，由专人对管片类型、龄期、外观质量和止水条粘结情况等项目进行最后一次检查，检查合格后才可卸下。
管片经管片吊车按安装顺序放到管片输送平台上，掘进结束后，再由管片输送器送到管片安装器工作范围内等待安装。
（1）管片选型以满足隧道线型为前提，重点考虑管片安装后盾尾间隙要满足下一掘进循环限值，确保有足够的盾尾间隙，以防盾尾直接接触管片。
（2）管片安装必须从隧道底部开始，然后依次安装相邻块，最后安装封顶块。
安装第一块管片时，用水平尺与上一环管片精确找平。
（3）安装邻接块时，为保证封顶块的安装净空，安装第五块管片时一定要测量两邻接块前后两端的距离（分别大于C块的宽度，且误差小于+10mm），并保持两相邻块的内表面处在同一圆弧面上。
（4）封顶块安装前，对止水条进行润滑处理，安装时先径向插入2/3，调整位置后缓慢纵向顶推。
（5）管片块安装到位后，应及时伸出相应位置的推进油缸顶紧管片，其顶推力应大于稳定管片所需力，然后方可移开管片安装机。
（6）管片安装完后应及时整圆，并在管片脱离盾尾后要对管片连接螺栓进行二次紧固。
4.3管片拼装质量控制
（1）成环环面控制：
环面不平整度应小于2mm。
相邻环高差控制在5mm以内。
（2）安装成环后，在纵向螺栓拧紧前，进行衬砌环椭圆度测量。
当椭圆测量度大于30mm时，应做调整。
管片拼装允许误差见表8-4-1。
管片拼装允许误差表8-4-1
项目
允许偏差
备注
环间间隙
≤2.0mm
纵缝相邻块间隙
≤2.0mm
对应的环向螺栓孔的不同轴度
≤1.0mm
成环后内径
±2mm
成环后内径
-2～+6mm
4.4安装管片注意事项
（1）严格进场管片的检查，有破损、裂缝的管片不用。
下井吊装管片和运送管片时应注意保护管片和止水条，以免损坏。
（2）止水条及衬垫粘贴前，应将管片进行彻底清洁，以确保其粘贴稳定牢固。
施工现场管片堆放区应有防雨设施。
（3）管片安装前应对管片安装区进行清理，清除如污泥、污水，保证安装区及管片相接面的清洁。
（4）严禁非管片安装位置的推进油缸与管片安装位置的推进油缸同时收缩。
（5）管片安装时必须运用管片安装的微调装置将待装的管片与已安装管片块的内弧面纵面调整到平顺相接以减小错台。
调整时动作要平稳，避免管片碰撞破损。
§5盾构始发及试掘进
5.1始发流程
5.1.1盾构始发的工艺流程
图8-5-1盾构始发工艺流程图
后盾系统由钢反力架、1.2米负环管片临时衬砌组成，采用通缝连接。
盾构出洞及后盾系统如图8-5-2。
图8-5-2盾构始发及后盾系统
5.1.2盾构始发姿态控制
盾构始发作为盾构施工关键工序，对后期盾构机能否正常掘进起着至关重要，故始发姿态控制显得尤为重要。
始发掘进前人工复测一次盾构机在始发托架上的正确位置，并与盾构机VMT系统测量的位置相互比较，调整盾构机姿态后方可始发掘进。
同时仔细检查盾构机托架的稳固情况，检查防止盾构机“栽头”的托架施作牢固，查验盾尾外壳上的防扭转装置是否焊接牢固。
始发掘进时保持
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