盾构隧道施工技术质量安全控制27938.pdf

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1、盾构隧道施工技术质量安全控制 学者：鲁红玉 目录 1、盾构法隧道技术发展概述 1.1 盾构法隧道基本概念及发展历史 1.2 我国盾构法隧道技术的应用和现状 2、盾构掘进机类型及地层适应性 2.1 盾构掘进机的构造及分类 2.2 土压盾构及适应地层 2.3 泥水盾构及适应地层 2.4 复合盾构及适应地层 3、盾构隧道衬砌结构和管片制作技术 3.1 盾构隧道衬砌分类和特点 3.2 高精度混凝土管片制作和质量控制 4、盾构进出洞技术及安全 4.1 盾构进出洞口的地基加固方法和质量控制 4.2 大直径大深度盾构进出洞风险控制 5、盾构掘进施工技术及工程质量控制 5.1 盾构开挖面稳定和工作参数优化 5

2、.2 盾构在复杂地层条件下的施工及技术措施 5.3 盾构纠偏和姿态控制 5.4 管片拼装和隧道工程质量控制 6、盾构穿越建筑物及保护技术 6.1 盾构掘进施工对地层的影响及沉降控制 6.2 盾构隧道施工监测技术 6.3 盾构穿越建筑物及保护技术 6.4 盾构下穿运营地铁隧道施工及监护 7、盾构隧道工程事故实例分析 8、盾构隧道工程技术新发展 1、盾构法隧道技术发展概述 1.1 盾构法隧道基本概念及发展历史 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

3、: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11.4m6.8m。工程因地层发生了5次涌水事故，致

4、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6080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；1

5、975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 8.8m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 14.14m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 8.5m土压盾构工法于1996年竣工；德国易北河第4 条隧道采用复合盾构（14.2m）于2003年竣工；荷兰格累恩哈特隧道（14.87m、泥水式）于2004年竣工。从断面形状方面讲出现了矩形、

6、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

7、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 4.35m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

8、工程设计院、上海船厂联合制造的 6.34m 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 11.22m 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 6.14m泥水加压平衡盾构和 1台 6.14m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 6.14m6.34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

9、新技术，从日本引进2台 6520W11120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 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公里区间隧道。2005年，上海上中路隧道引进1台 14.89m 超大直径泥水盾构掘进2条长125

10、0m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2338m 11.2m的圆形主隧道采用2台 m11.5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7.9k m 的圆形主隧道采用2台 15.44m 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3.9k m 的圆形主隧道采用2台 14.9m 泥水盾构掘进施工。2、盾构掘进机类型及地层适应性 2.1 盾构掘进机的构造及分类 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。手掘式盾构：即掘削和出土均靠人工操作进行

11、的方式。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。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。开放式：即掘削面敞开，并可直接看到掘削面的掘削方式。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。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（

12、长方形、正方形、凹、凸矩形）、椭圆形（纵向椭圆形、横向椭圆形）。2.2 土压盾构及适应地层 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。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

13、复合型土压盾构 2.3 泥水盾构及适应地层 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。3、盾构隧道衬砌结构和

14、管片制作技术 3.1 盾构隧道衬砌分类和特点 按衬砌材料分:.铸铁管片.钢管片.钢筋混凝土管片(RC 管片)复合管片 按施工方法分:.拼装式管片.压注混凝土衬砌.二次衬砌 钢筋砼管片分类 1.箱型管片 2.平板型管片 管片宽度:0.7M2.0M 管片厚度:0.040.06D 管片分块:410块 3 2 高精度混凝土管片制作和质量控制 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

15、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。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

16、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：管片振捣结束后，宜静养2 3h，然后实施蒸汽养护。升温速度宜控制在15/h 以内。降温速率宜控制在10/h 以内。蒸养温度宜控制在60 80。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

17、度差缩小。脱模时的管片温度不宜超过室温10。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=Si (稳压4h)P水=Si+0.2MPa (稳压2h)式中 Wi抗渗强度指标；通常取 i=6，8，10。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

18、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

19、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(M27M36，成环螺栓)的预应力拧紧力矩来控制，拧紧力矩可控制在200250kNm 之内。纵向螺栓(环间螺栓)的预应力拧紧力矩可控制在150 200kNm 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

20、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(M27M36)250350kNm(涂减摩剂)，纵向螺栓的预应力可适当减小。4、盾构进出洞技术及安全 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。41 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。注浆加固地层法 掘削面自稳法 高压喷射加固法 水泥土搅拌桩 始

21、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

22、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。411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（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:钢筋混凝土盾构座台 有现浇式和预制

23、件拼接式两种,其优点是结构稳定、抗压性能好。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。钢筋混凝土与钢结构组合座台 这种座台聚集了和两种座台的优点,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

24、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。特别是泥水盾构进发后

25、，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

26、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

27、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:选定加固工法加固到达部位近旁地层及设置出口密封圈。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。讨论低速推进的起始位置、慢速推进的

28、范围。讨论泥水盾构泥水减压的起始位置。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。讨论掘削到达面的方法及其起始时间。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。盾构机停止推进的位置的讨论。讨论到达部位周围的背后注浆工法。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。设置盾构进发台 盾构机投入组装 安装入口垫圈，设置反力座和后续设备 组装临时管片，盾 构机试运转 拆除临时墙，盾构贯入掘削面加压，掘进（拼 装 临 时 管盾尾通过入口，压板加固、壁后注浆 进发段地层改良 检查掘削面地层 进发准备工作 拆 除 临 掘进 盾构到达

29、工法 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

30、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 盾构进出洞是盾构法施工的重要环节之一。当采用盾构施工时，一般先将出洞

31、井预留外侧一定范围的土体进行改良，使土体的抗剪、抗压强度提高，透水性减弱，预留孔洞外侧的土体具有自身保持相对稳定的能力。改良土体的方法有深层搅拌桩法、高压喷射法、冻结法等，对渗透系数较大(k10-3cm/s)的土层，也可采用注浆法，但采用单一的注浆法常伴有不稳定因素。土体改良的范围可按 A、B 二种情况进行设计，如图所示。图土体改良方式 情况 A 与 B 的区别在于加固厚度的不同。土体改良厚度的计算可分别按砂性土和粘性土地层进行。砂性土按 B 情况考虑时，取 Ls+为改良土厚度，可按改良土的渗透条件决定，通常取1m 左右。4.2.2盾构进出洞地基加固施工质量控制 根据地质和环境特点，合理选择盾

32、构进出洞地基加固方法，并在工作井结构完成后，严格按相应的规范要求进行地基加固。洞口地基加固要求采用合理的顺序及施工参数，严防加固的挤压效应损坏工作井结构及临近建筑。原则上要求盾构进出洞口的止水加固体部分应在工作井完成后、盾构进出洞前进行施工。若受条件限制而需在工作井基坑开挖前进行洞口地基加固的，则加固体与工作井井壁间的50cm间隙须在井内结构完成后进行高压旋喷密实充填，并确保龄期。盾构进出洞之前，应对洞口加固体进行斜孔钻芯取样检测，进一步确认洞口加固体范围、强度、水密性与均匀性达到要求。5、盾构掘进施工技术及工程质量控制 5.1 盾构开挖面稳定和工作参数优化 5 1 1 土压盾构掘进管理 1

33、掘进管理程序 土压盾构掘进管理的程序如图所示。2.泥土压力的管理基准 泥土压基准的设定方法与泥水盾构的泥水压的设定方法相同。掘削土压靠设置在隔板上下部的土压计的测定结果间接推估舱内土压。3 泥土压的调节方法 泥土压的调节方法有以下3 种。调节螺旋传输机的转速。调节盾构千斤顶的推进速度。以上两者组合调节。4 泥材特性及用量的管理矿物类泥浆的管理基准可按图 示出的泥材与适用土质的关系选择。对 A、B 类地层无需添加泥材；对 C 类地层，泥材的比重 Gm=1.21.3；对 D 类地层，Gm=1.41.5。泥材用量因地层粒度组成形状的不同而不同。通常按有效间隙率的1.22倍考虑。一般为100300l/

34、m3。图 土质粒径与发泡材类型的关系 加泥后泥土的坍落度可按520cm 的范围管理。加泥后泥土的渗水系数以10-510-6cm/s 为好。512 泥水盾构的掘进管理 1 泥水盾构的掘进管理程序如图所示。2.泥水管理基准（1）泥水性能基准设定 泥水性能管理基准可按下表执行。表13.3 稳定掘削面的泥水粘性值 掘削土质 漏斗粘度计法测定的泥水粘性值 地下水影响较小的情形 地下水影响较大的情形 夹砂粉土 2530（S）2834（S）砂质粘土 2530（S）2837（S）砂质粉土 2734（S）3040（S）砂 3038（S）3340（S）砂砾 3544（S）5060（S）表13.4 泥水配比参考表

35、材料 配比（%）比重 漏斗粘度（S）可渗比 粘土 2510 1.2 2530 1416 膨润土 83 CMC 0.120.03 水 余量 表13.5 泥水特性基准 地层 土质 比重 漏斗粘度 屈服值 砂分率 析水量 可渗比 冲积层 粘土 1.10/砂、粉砂 1.151.20 255/洪积层 砾 1.251.35 3540S 50100dyne S/cm2 1015%2030cc 以下 15 砂 1.201.25 2530S/粉砂 1.101.20 2225S/粘土 1.051.10/表13.6 泥水输送中泥水性状的上限值 泥水性状 漏斗粘度 比重 砂分率 上限值 40S 1.35 15%(2)

36、泥水压力基准泥水压力基准的设定因地层实况而定,通常的实用参考值如表13.7所示。泥水压基准(参考值)地层、土质 泥水压基准值 预压 冲积层 软粘土 上限值=劈裂压+水压+预压 下限值=静止土压+水压+预压 2030kN/m2 冲积层 松砂砂砾 上限值=静止土压+水压+预压 下限值=主动土压+水压+预压 2030 kN/m2 洪积层 中等固结粘土 上限值=静止土压+水压+预压 下限值=主动土压+水压+预压 2030 kN/m2 洪积层 砂质土 上限值=静止土压+水压+预压 下限值=主动土压+水压+预压 2030 kN/m2 （7）泥水质量调整 在泥水盾构的实际掘进过程中，泥水的特性参数经常会发生

37、变化。例如：在掘削地层为粉砂土、粘土的情况下，泥水中的细粒成分会不断地增加，致使泥水的比重、粘度增加，超出选定的最佳值（即管理基准值）。当掘削地层为砂层、砾石层时，泥水中的细粒成分不断地流失，故泥水的比重、粘度均会下降。此外，隧道轴线方向上的掘削地层的土质参数（粒经分布曲线等），严格说来也在不断变化。上述原因均会导致泥水质量劣化（偏离原定最佳值），进而致使掘削面不稳定。故应及时克服，即应不断地调整泥水的质量，使其始终保持最佳状态。泥水的质量调整。主要靠向泥水中添加添加剂调整。几种主要的添加剂如表13.8所示。表13.8 添加剂的种类 添加剂 种类 作 用 名 称 分散剂 a.提高土颗粒的分散性

38、(增加负电荷)b.防止阳离子(Ca、Mg、Na 等)污染及污染后的恢复 a.磷酸盐类（六偏磷酸钠等）b.碱类（炭酸钠等）c.木质磺酸盐类（铁硼素木质磺酸钠等）d.黑腐酸类（黑腐酸钠等）增粘剂 a.提高泥水粘性（提高土颗粒的游动性能）b.减少滤水量 c.提高阳离子的污染的抵抗性 a.CMC（羧甲基纤维素）b.PAA 中和剂 防止背后注入浆液等碱性成分混入泥水造成的泥水质量劣化 a.稀硫酸 b.磷酸 粘土颗粒砂颗粒 a.提高成膜性 b.减少滤水量 a.膨润土 b.砂 4盾构机的管理（1）掘进速度管理 通常应把掘进速度控制在2040mm/min 的范围内。表13.9 不同地层时的标准掘进速度 地 层

39、 掘进速度 mm/min 粘 性 土 2530 砂 密 实 砂 2530 松 散 砂 2535 砂 砾 2530 固结淤泥 1525 软 岩 1020 但是，当在加固地层或砂浆墙等固结区域掘进时，为了防止大块固结体进入土舱，掘进速度应控制在10mm/min 以下。（2）千斤顶推力 通常因装备推力为必要推力的2倍，所以掘进中的推力应控制在装备推力50%以下（管理值应为设计值20%的范围），详见第4章的叙述。控制推力增大的措施有：降低掘进速度，使用修边刮刀；在盾构机外壳板外侧注入滑材减摩，背后注入不足可致使向地层的传递推力的效果差，也可以产生推力上升现象。（3）掘削扭矩 本来装备扭矩是留有一定裕度

40、的，正常掘进时的扭矩应小于装备扭矩的5060%。若出现扭矩大增时，应降低掘进速度，使刀盘逆转。另外，掘削刀具存在一定摩耗后，或者刀具粘附粘土结块等情形下，扭矩也会上升。此时应使用喷射管射水冲洗掘削面，确认刀具的摩耗状况及面板的状况。同样土舱内粘附掘削土增厚时，也会出现扭矩上升现象。另外，泥水盾构的场合下，由于浮力的原因，所需的扭矩变小，在软粘性土层中掘削扭矩与出厂时的扭矩不相上下的情形也有发生。(4)搅拌荷载值 为使搅拌器逆转容易搅拌器多为油压式，当出现油压缓慢上升时，说明舱内掘削土砂可能存在堆积下沉。另外，油压急剧上升或者停止的场合下，可能有大砾石卡住刀盘。此时应使刀盘逆转解除。发生掘削面坍

41、塌时必须与其他原因（干砂量等）综合判断。5 流体输送的管理 观察掘削面坍塌和地表沉降时的掘进数据，不难发现干砂量等数据已经发生变化。因此，掘进时应及时分析数据进行判断。（1）掘削泥水压 掘削泥水压的操作主要是 P1泵（送泥泵）。例如，要想提高掘削压力，则应提 高 P1泵的转数。（2）掘削偏差流量 掘削偏差流量可根据安装在送排泥管上的流量检测器得到的送排泥流量算出掘削流量偏差。流量偏差为正表示掘削量过大（处超挖态），为负可能会有逸水的倾向。所以从零到一定负值的范围内掘进状态最好。（3）掘削量 掘削量的含义是掘削面积掘进距离的积值，但实际运算可安排泥流量与送泥流量的差的累积值求取。把掘削量与下面2

42、 个值比较可以判断掘削状况，理论掘削量，最近的1020环的结果进行统计处理（平均值、管理极限2 （为标准偏差）。基本上可以认为是：掘削量大说明进入泥水舱的掘削土过多；掘削量小说明存在逸泥。（4）干砂量 掘削量系指含水的土砂量；干砂量系指用计算法求出的去除水分后的干燥土砂的体积。在干砂量的计算公式中使用了送、排泥流量和比重的测量值及土质勘察数据得出的地层土体的真比重。但是，对于掘削面为互交层或地层存在变化的情形结果不理想。所以判断状况时不考虑与理论值比较，而是考虑与统计处理值（同前）比较的结果。判断结果基本上与掘削量的结果相同。（5）泵的电流值与转数 知道各泵的耗电电流值及转数，可以判断堵塞状况

43、和增设 Pn（中继泵）的时期。5.2 盾构在复杂地层条件下的施工及技术措施 521 覆土厚度不大于盾构直径的浅覆土层地段；1 严格管理开挖面压力。由于覆土荷载减小，使开挖面压力的允许的管理幅度缩小，即使少量的误差，也可能给开挖面稳定带来很大影响。因此，在掘进时，应特别注意使用的泥浆或添加剂的性质以及开挖面压力管理，尽量减小对地表或地下建（构）筑物的影响。2 浅覆土地段的壁后注浆。由于盾尾空隙会立即影响到地面或地下建（构）筑物，要进行充分的壁后注浆管理以控制地层变形。宜使用有早期强度的壁后注浆材料，采用同步注浆方法进行施工。在进行开挖面压力管理或壁后注浆管理时，可通过试验确定开挖压力管理值和注浆

44、参数等。3 穿越河流的浅覆土施工，应对开挖面的稳定、泥浆或添加材料的泄漏或喷出采取措施，还应注意采取相应措施防止隧道的上浮或管片的变形。5 2 2 小半径曲线施工 1 必须根据地层条件、超挖量、壁后注浆、辅助工法等制定小半径曲线施工方案和安全施工措施，并注意防止推进反力引起隧道变形、移动等；2 超挖量：用部分外扩式超挖刀进行开挖时，超挖量大，小半径曲线施工容易。但是，这样会产生由于围岩地层的松动、壁后注浆材料绕入开挖面、推进反力的下降，使隧道变形增大。因此，要考虑地层的稳定性，把超挖量控制在容许范围内。3 壁后注浆：小半径曲线施工时，管片从盾尾脱出后如果不能立即与围岩形成一体，盾构推进就不能充

45、分取得反力，导致产生较大的管片变形和隧道位移的危险性。应选择体积变化小，早期强度高的注浆材料。考虑到超挖量，注入量也需要适当的增加。4 线路测量：应根据需要增加测量频率。6 在地层稳定性差的地段，为了防止曲线部分的超挖引起地层松动可采用化学加固或高压喷射搅拌施工等进行辅助施工。524 小净距隧道施工 小净距隧道施工的相互影响，因施工条件各不相同，一般要考虑：1）后续盾构的推进对先行隧道的挤压和松动效应；2）后续盾构的盾尾通过对先行隧道的松动效应；3）后续盾构的壁后注浆对先行隧道的挤压效应；4）先行盾构引起的地层松弛而造成或引起后续盾构的偏移等。伴随以上现象会发生的管片变形、接头螺栓的变形和断裂

46、、漏水、地表下沉量的增大等。观测到异常变形时，应立即停止施工，查明原因，同时根据情况，采用适当辅助工法进行施工。525 大坡度地段施工 1 在选择运输设备和安全设施时，必须考虑大坡度区段施工的安全，对牵引机车进行必要的牵引计算，并考虑一定的余量；2 上坡时应加大盾构下半部推进千斤顶的推力，这样可以有效控制盾构的方向。对后方台车，要采取防止脱滑措施；3 同步及即时注浆时宜采用收缩率小、早期强度高的浆液；4 在急下坡始发与到达时，基座应有防滑移安全措施；5 在急上坡到达时，为防止地层坍塌、漏水，事先必须制订相应对策；6 在大坡度区段，地层的土水压力随着推进而时刻变化，因此开挖面压力也必须根据土水压

47、力进行适当调整，特别是下坡时，由于压力仓内的开挖土砂有可能出现滞留而不能充分取土，必须慎重管理开挖土量。526 地下管线和地下障碍物地段施工 地下管线区段施工 1 盾构施工之前，应详细查明、了解隧道所经过地段地下管线的分布、管线类型、允许变形值等情况，制定具体施工方案；2 对重要管线和施工中难以控制的管线施工前应根据不同情况采用迁移、加固措施；3 盾构掘进时应及时调整掘进速度和出土量，从而减少地表的沉降和隆起。地下障碍物处理 1 地下障碍物处理前，必须查明障碍物具体位置和实物，制定处理方案，以确保施工安全；2 地下障碍物的处理一般遵循提前从地面采取措施处理的原则。如确需在盾构掘进工作面进行处理

48、时，必须充分研究可行性与对策；3 从地面拆除地中障碍物时，可选择合适的辅助工法，拆除后要妥当地进行回填；4 在盾构掘进工作面拆除障碍物时，可选择带压作业或地层加固方法；5在开挖面的狭窄空间内进行人工拆除障碍物时，对障碍物的切断、破碎、拆除和运出作业，应控制地层的开挖量以保障开挖面的稳定。527 穿越建（构）筑物施工 盾构施工前，应对建（构）筑物地段进行详细调查，评估施工对建（构）筑物的影响，并有针对性地采取保护措施，控制地层变形；宜根据建（构）筑物基础与结构的类型、现状，采取地基加固或桩基托换措施；必须加强地表和建（构）筑物变形监测和及时反馈，优化调整盾构掘进参数和同步注浆参数；应根据建（构）

49、筑物沉降速率进行多次壁后注浆，宜选择体积变化小、早期强度高、速凝型的注浆材料。528 穿越江河地段施工 1 穿越过江河地段施工应特别重视详细查明地层条件和河流情况，制定可靠的施工措施；2 穿越江河施工时，必须选择合理的盾构设备类型；3 施工过程中，应确保开挖面的稳定，防止地层坍塌，防止突水突泥；4 现场必须准备足够的防排水设备与设施；5 必要时，对水底地层进行预加固处理；6 采取措施防止对堤岸、周边结构物的影响；7 特别注意观察与防止泥浆和添加材料的泄漏和喷出；特别注意观察与解决管片的变形和隧道上浮问题。529 地质条件复杂地段（软硬不均互层地段）和砂卵石地段 砂卵石地段施工 1 施工前，应根

50、据砾石粒径、含量和施工长度及出碴设备能力等因素，选择盾构的刀盘型式和刀具配制方式、数量；2 采用土压平衡盾构时，应根据螺旋输送机出碴情况，做好碴土改良工作；3 采用泥水平衡盾构时，根据砾石含量和粒径选择破碎方法或输送泵；4 当遇有大孤石影响掘进时，应采取措施排除。8.2.10 穿越复杂地层地段施工 1 穿越复杂地层地段，应优先选择使用复合式盾构进行施工；2 综合考虑所穿越地段地质条件，合理选择盾构刀具形状和配置，以适应各种地层的掘进；3 合理选择适当时机和地点，及时更换刀具或改变其配置，以适应前方地层的掘进；4 根据开挖面地质预测预报信息，调整掘进参数和壁后注浆参数，以确保开挖面的稳定和掘进速