高水压下泥水盾构掘进技术.docx

1、高水压下泥水盾构掘进技术高水压下泥水盾构掘进技术黃学军(中铁隧道集团二处联合掘进机二公司北京东燕郊101601)摘要:介绍在高水压下隧道泥水盾构施工存在的问题和解决方案关键词:泥水盾构高水压隧道掘进技术1.概述盾构法隧道在穿越江河或海底时，隧道的静水压力通常很大。首先盾构自身的 密封系统性能良好是隧道安全施工的重要保证，同时，由于盾构在高水压下施工，给 施工增添了许多难度。选择合适的泥水压力和掘进参数、制定可行的隧道防水方 案、选择合适的注浆方案和浆液配比，防止盾构在掘进过程中出现顶部及周围土体 坍塌、隧道上浮等，保证盾构隧道的安全施工。当盾构穿越的土体为砂层，更应该根 据具体的土层性质及地下

2、水压力的大小选择合适的掘进参数并制定针对性的措施防 止掌子面前方土体在高水压作用下发生的土体坍塌其至流砂等一系列工程事故。2.高水压下盾构法施工难点(1)掌子面的稳定盾构在掘进过程中，掌子面一直处于平衡状态，但由于盾构所处于高水压下，地 下水的涌岀及泥砂等被带出，会造成掌子面坍塌、地表陷降或下沉。因此，盾构在超 高水压下掘进，必须采取措施来维持掌子面，它是泥水盾构在超高水压下砂层中掘进 的一个难点。(2)防止隧道周围土体坍塌盾构在超高水压下掘进，当穿过的岩层为砂性土层时，山于盾构施工的扰动、 纠偏力度过大或者盾构隧道背填注浆的不密实，同时受到高水头压力作用，隧道周围 土体易发生土体坍塌，造成地

3、表沉降。通过对地层情况的勘察分析，制定可行的方案, 防止盾构穿越地段隧道周围土体发生坍塌。(3)防止隧道上浮盾构在超高水压区掘进时，山于隧道受地下高压水及泥浆的包裹，所以隧道较 长时间内处于悬浮状态。同时，山于同步注浆浆液的初凝时间较长，注浆压力控制不 当，浆液随地下水窜入建筑物外围地层中，造成隧道上浮。(4)泥浆的泄露和喷出为保证掌子面前土体的稳定，泥浆压力必须与切口水(土)压力保持平衡，当泥 浆压力过大，同样也会造成泥浆向隧道后方流窜,其至通过盾尾泄露至隧道内或通过 隧道顶部岩层窜出地表。防止此类现象的发生是保证盾构安全施工的一个磴要因 素。(5)盾尾密封及钱接密封等部位的抗高水压盾构法施

4、工区别与矿山法施工，优点就在于其施工的安全性。由于盾构的密封 性能好，所以将盾构外部的泥土及地下水全部封堵在盾壳外部。因此,保证盾构良好 的密封性能是盾构法施工成败的关键，在高水压下施工乂提高了对盾构密封材料的 要求。(6)管片接缝防水盾构隧道是通过拼装的管片实现隧道的一次成型。在高水压下,保证隧道的防 水及抗渗等级是衡量工程质量的一项重要的标准。而管片接缝部位是盾构隧道防水 的薄弱部位，加强管片接缝防水丄作，提高隧道防水能力。3.盾构在高水压下掘进技术3. 1稳定掌子面控制措施为保证盾构能顺利通过,在对该地段进行详细探测后，拟采取以下处理措施:选 择合适的推进速度，选择合适的泥水压力，加强泥

5、水质量控制等：(1)采用复合式泥水盾构掘进时，根据地质和水文条件及地层压力下，适当调整 泥水压力,保证泥水压力与掌子面土压力及水压力之和平衡，并保持其稳定性，在盾 构掘进过程中，还要注意保持送排泥量的均衡,加强出土量的监测，以防泥浆压力损 失过大，造成掌子面失稳。(2)盾构在高水压区，穿过砂性土层时,更易造成掌子面失稳，因此，必须减慢掘 进速度，降低盾构推力和刀盘转速，防止由于掘进过快，造成掌子面失稳，一般控制在 20mm/min之内。城陵矶长江穿越工程地层为多泥质板岩，具有良好的自稳性，且岩 石的单轴抗压强度较低,掘进速度一般控制在30mm40mm之间，同时，泥水压力选择 稍大于盾构切口静水

6、压力0. 2bar左右，保证帐子面岩层的稳定。(3)掘进时做好泥水质量管理，控制好最大颗粒粒径、粒径分布、泥浆水密度 和泥浆水压力，并做好以下参数的测量和控制:泥浆比重;粘性;屈服值 (YV);含砂量;过滤特性。盾构在砂层中掘进时泥浆比重P宜控制一般控制在 1. 2、1. 30g/cm3,城陵矶长江穿越工程大部分地层为中等风化的泥质板岩，泥浆比重 选择较小,控制在1. 05l. 1 g/cm3o(4)通过设置在刀盘外周的土压计和盾构进排泥浆量分析，确定掌子面坍塌情 况,对壁后注浆进行预测管理。对配备超前钻孔注浆系统的盾构设备可通过盾构上 半部开设注浆孔，从盾构向掌子面注浆加固上半部掌子面，来处

7、理掌子面坍塌。(5)加强盾尾注脂质量管理，防止泥浆通过盾尾流入隧道,造成掌子面和隧道上部土体坍塌和沉陷。(6)利用土体探测装置,检查正面土体的稳定情况推进过程中，当干砂量过大时，提高地层探测装置的使用频率，以便及时掌握切 口正面土体坍塌情况，并及时根据具体施工情况及时进行调整参数，使干砂量的数据 接近理论值,减少正面土体塌方的可能。3. 2防止隧道周用土体发生坍塌控制措施按设讣值设定切口水压，并根据推进时的地下水位变化情况进行相应调整， 严格控制泥水压力的波动值，防止切口水压偏低无法支撑掌子面土体，造成土体塌陷; 防止切口水压较高，对土体扰动过大，造成土体坍塌。(2)山于泥水及地下高压水的冲蚀

8、,浆液达不到及时稳固隧道的U的，盾构穿过 砂性土层地段时，山于顶部为自稳性较差的粉土及砂土，容易造成顶部坍塌，增加了 隧道掘进的不安全性。加强背填注浆质量管理,不仅要充填建筑间隙及控制地表沉 降，而且还要使浆液不受泥水的侵蚀，尽快具有一定的早期强度，控制隧道的上浮量， 缩短隧道的稳定期。必要时再补充以二次注浆，使注浆体充填均匀，形成稳定的防水 层,达到加强隧道衬砌的LI的。(3)加强超高水压区地表沉降观察。当发现隧道沉降大于5cm时应适当增加同 步注浆量,必要时进行补压浆。(4)严格盾构的操作，加强对盾构姿态的合理控制,控制盾构掘进纠偏量，严格 控制超挖量，同时防止盾尾漏浆，控制隧道沉降。加强

9、泥浆管理，防止超挖。加强超高水压地段泥浆质量控制、送排泥监控，适当提高泥浆比重和并控制其 粘度,保证泥膜质量，加强送排泥监控，提询计算掘进速度与进排泥的关系，发现排泥 异常，及时调整参数,防止超挖造成塌陷。(6)盾构穿越断层及破碎带。城陵矶长江穿越隧道工程盾构共穿越19条断层，最大的在轴线方向的长度为 22mo盾构在穿越较大断层时宜采取快速通过的方式,盾构掘进速度40mm/min,并严 格控制切口压力及背填注浆质量控制。盾构在穿越该区域后及时进行二次补强注浆, 在注浆过程中作好隧道内沉降及管片变形监测、保证已成型隧道的结构安全。3.3控制隧道上浮量控制措施(1)施工期间严格控制隧道轴线，使盾构

10、尽量沿着设计轴线推进，每环均匀纠偏, 减少对土体的扰动；(2)提高同步注浆质量，要求浆液有较短的初凝时间,使其遇泥水后不产生裂化, 并要求浆液具有一定的流动性，能均匀地布满隧道一周,及时充填建筑空隙；(3)当发现隧道上浮量较大,且波及范兩较远时应立即采取对已建隧道进行补 压浆措施，以割断泥水继续流失路径；(4)在同步注浆的基础上，结合聚氨脂注浆在隧道周圉形成环箍，每隔1020m 打一道环箍，使隧道纵向形成间断的止水隔离带，以减缓、制约隧道上浮，从而控制 隧道变形；(5)加强隧道纵向变形的监测，并根据监测的结果进行针对性的注浆纠正。如 调整注浆部位及注浆量,配制快凝及提高早期强度的浆液；加强地表

11、或江底地形沉降监测。3.4防止泥浆泄露和喷出控制措施(1)推进时根据地下水位变化惜况，对切口水压进行相应调整，严格控制切口水 压波动范围，该值控制在-0. 2kg/cm2+0. 62kg/cm2,并使其略低于注浆压力,谨防浆 液大量后窜影响注浆效果。(2)提高同步注浆质量每环推进前,需对注浆浆液进行取样试验，严格控制其初凝时间和浆液稠度，在 注浆过程中，合理掌握注浆压力，使注浆量、注浆速度与盾构掘进速度相匹配。严格 控制同步注浆压力，并在注浆管路安装安全阀，以免由于注浆压力过高而顶破覆土；(3)管片外侧粘贴止水海棉为防止盾尾漏浆,必要时在管片外弧面粘贴止水海棉，以便盾尾漏浆时吸水膨 胀封堵。(

12、4)均匀足量压注盾尾油脂盾尾油脂压注采用自动和手动模式相结合，适当加大盾尾油脂的压注量，盾尾 局部漏浆时,及时采用手动模式在漏浆部位补注油脂。(5)居中拼装管片，保证盾尾间隙均匀管片居中安装，以防盾构与管片间隙一边过大，一边过小,造成盾尾间隙不均匀 而降低盾尾密封效果，甚至损坏盾尾尾刷，施工时将盾尾间隙差值控制在20mm之 内。(6)严格控制出土量，原则上按理论出土量出土，可适当欠挖，保持土体的密实， 以免地下水渗透入土体并进入盾构；(7)若出现机械故障或其它原因造成盾构停推，应采取措施防止盾构移动。当发生江底冒浆时，采取的主要对策:(1)当发现江底冒浆时，如果是轻微的冒浆，在不降低掌子面水压

13、下能进行推进, 则向前推进，同时适当加快推进速度,提高拼装效率，使盾构尽早穿过冒浆区。(2)当冒浆严重,不能推进时:将掌子面水压降低到(土压+水压)平衡为止;提高 泥水比重和粘度;为了能使盾构向前推进，检查掘削干砂量，确认有无超挖;掘进一定 距离后进行充分的壁后注浆;将掌子面水压返回到正常状态，进行正常掘进。(3)当发现江水山盾尾处流入隧道时，应首先分析当前情况，组织力量进行抢 险。抢险过程中，在漏水部位相应压注聚胺脂；同时安排好排水工作，保证进入盾构 的江水顺利排出隧道。3.5防止盾构密封系统失效控制措施(1)由于城陵矶长江隧道工程最大水头压力为0. 66MP&,盾尾密封采用4道蜜 蜂钢丝刷

14、,保证盾尾密封防水性能的可靠性。(2)盾构在设计生产前必须严格遵照地堪资料所提供的最高地下水压力进行。 盾尾密封及狡接密封所承受的最大水压力必须大于隧道的最大切口水压力；(3)通过地质资料的分析，盾构在通过超高水压前,必须做好刀具和盾尾密封的 检查工作。(4)在江中段推进时，在每块管片外侧垫放止水海绵条，封堵管片与盾尾间存在 的间隙，必要时，在管片与盾壳间隙内填塞钢丝球，以加强盾尾密封效果(4)严格控制盾构密封注脂量。3. 6管片接缝防水控制措施(1)管片间的防水主要通过安置在管片侧面的防水材料进行封堵地下水，首先 选择的防水材料必须经过检验合格符合防水要求后方可使用。(2)管片在下井前和拼装

15、前均应设专人检验,管片防水材料粘贴是否合格，对翘 边或脱落的必须处理后方可进行下井拼装。(3)管片拼装必须严格执行规范要求，控制管片间的错台和接缝的大小，管片错 台3mm,管片接缝开口3mm,管片拼装无贯穿裂缝，无大于0. 2mm宽的裂缝及剥落现 象。(4)制定详细的注浆施工设汁和工艺流程及注浆质量控制程序,严格按要求实 施注浆、检查、记录、分析，及时做出P(注浆压力)一Q(注浆量)一t (时间)曲线，分 析注浆效果,反馈指导下次注浆。(5)认真作好管片嵌缝防水处理工作。(6)对隧道内的漏水点进行补注浆处理，注浆材料可选用水泥水玻璃双液浆。3. 7盾构在高水压地层中常压敞开式换刀注意事项城陵矶

16、长江穿越隧道工程山于地层多为泥质板岩，结构稳定性好，所以多采用 常压下换刀。但盾构多次穿越断层、破碎带、脉状透水体(区)，因此，必须采取必要 措施，保证常换刀工作的安全。(1)盾构换刀区域必须提前计划，通过超前地质分析，选择在地层结构单一且稳 定性好的地段。(2)盾构在停机换刀前，必须对盾构后部的隧道进行补充注浆，并进行效果检查, 防止山于注浆效果不佳，造成前后部位水路连通,使常压敞开式换刀工作无法进行。(3)在换刀前，通过部分打开盾构密封仓内排浆的闸阀，检测刀盘前部的水压力 并释放气压,在确定刀盘前方的水(气)压力满足要求时,方可开仓检查或更换刀具。(4)开仓后安装必要的排水及通风设施,使刀

17、盘前部工作环境满足工作的条 件。(5)在换刀过程中，必须随时对刀盘内进行有害气体检测,防止在换刀过程中使 用明火造成危险。4.工程实例4.1工程概况城陵矶长江穿越隧道是国家重点建设项U西气东输工程的忠(县)武(汉)天然 气管道干线潜江支线工程。隧道下穿长江，江南段1711. 379m采用盾构法施工。隧道埋深在28nT60m之间，盾构施工段水压最高达0. 66Mpa,盾构穿越区上覆 第四系冲湖积覆盖层。基岩为古代冷家溪群易家桥组上段(Ptlny3)浅变质岩，岩性 以绿泥石泥质板岩为主，部分为白云石质泥质板岩，局部分布浅变质粉砂岩。4.2高水压下盾构主要施工方法介绍盾构采用徳国海瑞克公司生产的泥水

18、平衡盾构，盾构刀盘直径为3. 246m,盾构 主机间的连接采用较接的方式，盾尾设四道密封钢丝刷,经验算完全可以承受 0. 66mP的压力。盾构可采用泥水加压模式或泥水模式掘进，泥水加压模式通过控制 气压来控制泥水仓压力，达到平衡掌子面水(土)压力。泥水加压模式较泥水模式优 势在于可以通过盾构自身的控制系统，自动调节泥水仓气压来达到调节掌子面泥水 压力的效果。由于城陵矶长江穿越隧道的主要地层为中等风化岩层，通常采用了泥 水模式进行掘进施匸。盾构背填注浆有同步注浆和二次补强注浆。同步注浆采用盾构配备的两台注 浆泵，盾尾段四个注入点，在盾构推进过程中进行同步注浆施工，浆液采用水泥砂 浆。二次补强注浆

19、采用砂浆车通过管片预留注浆口对管片背后进行二次注浆，注浆 材料选用双液浆。通过实际施丄证明，注浆效果明显，隧道内未出现明显渗漏水现 象。拼装管片采用楔性管片,最大楔形量为10mm,每环共有6片（3种类型）。管片 采用错缝拼装。管片侧面粘贴遇水膨胀橡胶，经过检验和工程实践证明，该种防水材 料满足承受0. 66Mpa水压力。城陵矶长江穿越隧道工程为我国迄今为止已建泥水盾构施工的最长过江隧道 工程，工程地质条件复杂，水压力大。城陵矶长江穿越隧道的顺利完工为我国在泥水 盾构施工领域积累了丰富的经验。参考文献：1楼如岳最新泥水盾构技术2 HS2 土木学会隧道标准规范及解说3上海市建设委员会盾构法隧道工程施工及验收规程4城陵矶长江穿越隧道实施性施工组织设讣