盾构施工技术.ppt

土压盾构机施工技术 让世界更畅通 Contents 目录 一 盾构机简述 一 盾构机的分类 1 通过土压作用于开挖面以平衡开挖面的水土压力 2 通过螺旋输送机排放渣土 1 土压平衡盾构机 主要用于软土 砂土 杂填土 粘土 粉质粘土 砂质粘土 淤泥质粘土 粉土 交杂少量砾石等地层 如北京 上海 西安 南京 长春 苏州等地铁部分标段 1 软土土压平衡盾构机 2 复合式土压平衡盾构机 主要用于长沙 昆明 南京 南昌 南宁等中风化 微风化砂质泥质板岩 中风化泥质粉砂岩 砾砂 角砾 块石 圆砾 碎石等交互复合地层 及用于成都 兰州 广州 深圳等中粗砂 松散卵石 密实卵石 上软下硬 岩层等地层 2 泥水平衡盾构机 1 通过泥膜的张力保持水压力 以平衡作用于开挖面的土压力和水压力 2 开挖的渣土以泥浆形式输送到地面 经过分离再循环至开挖面 泥水平衡盾构机 日系泥水盾构常采用直控式 德系泥水盾构常采用气垫式 日系 德系 主机 刀盘 二 盾构机的基本构造及工作原理 1 土压平衡盾构 土压平衡盾构结构 刀盘 前盾 尾盾 中盾 连接桥 连接桥 连接桥 主机 盾尾密封 人员舱 螺旋输送机 管片安装机 土压平衡盾构渣土压力分布图 利用盾构施加于开挖舱内渣土的压力平衡开挖面水土压力 土压盾构工作原理 盾构法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 这个钢质组件被称为盾构 盾构的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 2 泥水盾构 泥水平衡盾构机的主要结构 泥水平衡盾构机的工作原理 泥水盾构与土压平衡盾构的选择 武汉地区掘进地层主要为粘土 淤泥及少部分角砾 故选择复合式土压平衡盾构机 三 盾构机的选型 面板式刀盘 辐条式刀盘 面板式 优点是开口率较小 软土口开口率一般在45 左右 复合地层开口率在30 左右 面板开口小 强度高 易于刀具布置 对正面土体支撑效果较好 土压波动小 缺点是传感器对正面土体的压力反映不够准确 渣土进入土仓相对困难 幅条式 优点是开口率大 渣土易进入土仓 不易形成泥饼 刀盘不易被堵 正面土压能较准确的反映 缺点是正面土压波动较大 容易引起地表沉降 刀盘比较薄弱 不易满足复合地层刀具的布置和刀盘本身刚度的要求 刀盘选型 刀具选型 滚刀 齿刀 刀具的布置方式需要充分考虑工程地质情况 进行针对性设计 不同的工程地质特点 采用不同的刀具配置方案 以获得良好的切削效果和掘进速度 切削刀 仿行刀 刮刀 撕裂刀 目前市场上螺旋机主要分两种 轴式螺旋机 通过力小 强度大 和带式螺旋机 通过力大 强度小 螺旋机选型 带式螺旋机 轴式螺旋机 铰接系统选型 主动铰接 为减小铰接油缸受力铰接尽靠前 一般在中部往前 被动铰接 盾尾通过铰接油缸挂在前部 无需专门操作 主动铰接 被动铰接 刀盘驱动系统选型 刀盘驱动一般分为 变频电机驱动和液压马达驱动 如下表 二 土压盾构机施工技术 盾构施工场地布置图 盾构施工场地布置 龙门吊设置渣土坑管片堆放场地及材料堆放场地一座高压配电房备用变压器一座砂浆拌合站 一 准备工作 1 场地布置 2 端头加固端头加固可以单独采用一种工法或多种工法相结合的加固手段 主要取决于地质情况 地下水 覆盖层厚度 盾构机直径 盾构机型 施工环境等因素 方法主要有旋喷桩法 注浆法 SMW法 搅拌桩法 冻结法 灌注桩法 连续墙法 旋喷桩法对于砂层改良效果好 也适用于淤泥 粉土 粘土层 但砂砾地基和粘着力的的粘土有时不能形成满意的改良桩 施工深度在40m以下时 效果较差 注浆法主要适用于深度较深的砂质地层 砂砾层 地层较好的地段或与搅拌桩等工法相结合 对于水量不大的地段进行加固止水 可进行单液和双液注浆 同时可进行跟踪注浆 浆液种类较多 经济性和可施工性好 材料和施工方法多种多样 需根据地下水 地质 施工环境等来确定 同时要考虑因灌浆而引起地基隆起等的处理对策 搅拌桩法通过搅拌桩使端头土体凝聚力和内摩擦角改变 主要适用于淤泥 粘土层和砂层 但在砂层加固效果差 须与旋喷桩等工法配合使用 优点 工程造价低 缺点 加固不连续 加固体强度偏低 SMW工法适用于砂层 淤泥 粘土层 加固宽度小 造价较低 是此类地层最安全可靠的加固方法之一 该方法成桩效果好 止水性好 对周围地层影响小 优点 加固质量高 桩体连续 强度高 粘土中0 5 1MPa 砂和卵石中0 5 3MPa 适用于各类软土地层 缺点 对于上软下硬地层不适应 造价偏高 冻结法适用于各类淤泥层 砂层 砂砾层 该施工法的冻土强度和止水性高 通过测量地下温度 便可确认冻土形成状态 加强施工管理 便可得到高可靠性的施工法 而且 冻土墙还能确保长期处于稳定状态 连续墙法始发井的挡土墙作为双层结构的方法 对于土层相对较硬 但渗水量偏大的地层适用 需要注意的是 1 连续墙上部的充填 2 夹层的处理 造价较高 需要专门的成槽设备 一般适合与车站围护结构连续墙一起施工 灌注桩法 钻孔桩 人工挖孔桩 主要适用适用于淤泥 粘土 强风化地层 到达端头采用灌注桩 由于灌注桩为素桩 没有拉力 容易中间断裂 3 降水井施工 为防止盾构始发和接收过程中洞门漏水 涌水 加固区施工完成后 对于地质条件较差地层需要在端头设置降水井进行减压降水 确保盾构始发接收前 端头加固区水位降至底板底以下1m 降水井在始发接收洞门凿除前15天正式启动 确保水位降到地板底以下1m关闭 防止地层失水过多对结构及管片造成影响 降水过程中加强降水水位的观测 同时加强对加固体20m范围内管片和地面沉降的监测 盾构始发所需准备工作如下 始发基座安装就位 并安装临时轨道盾构机吊装 组装完成并调试验收测量控制点及监测点布设完成并测取初始值始发反力架安装就位始发洞门防水帘布安装完毕并完成始发洞门破除 二 盾构机的始发 盾构隧道盾构机始发时 需要一个稳定的导向基座 盾构机吊装至基座上 然后利用反力架提供反向推力 盾构机按照掘进动作 拼装临时负环管片 盾构机在盾构基座上摩擦前进 盾构机以设计姿态贯入洞门内的土体 完成盾构始发 盾构基座首先需要给盾构机提供稳定搁置平台 然后给盾构机提供精准的姿态导向 还要足够的刚度和较小的摩擦阻力 保证盾构机按照要求的姿态始发 盾构始发基座工作原理 基座方案对比 始发基座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 可确保盾构机的始发掘进稳定 所以要求基座的结构合理 可以确保组装作业的施工性 构件刚度好 强度高 不易损坏 与盾构井底板固定要牢靠 晃动变位小 盾构始发基座一般有如下三种形式 钢结构平底整体基座 钢筋混凝土基座 组合式盾构基座 基座设计制作 1 基座的结构布置形式 基座由若干榀桁架组成 桁架采用型钢及钢板焊接而成 通过轨道梁把桁架连系在一起 形成整体受力结构 盾体作用在轨道梁上 由轨道梁传递荷载到桁架上 再由桁架传递到始发井底地基 轨道梁和桁架采用螺栓 焊接形式连接 基座设计图 2 基座高度的确定 以我部江城大道站左线始发井为例 盾构线路中心线与始发井底板距离为4020mm 考虑基座底面与始发井底板的距离为200mm 便于垫设工字钢调节 盾构中心线与基座底面为4020 200 3820mm 基座高度确定 3 基座长度的确定 以我部江城大道站左线始发井为例 隧道洞门到结构支撑面共计13500mm 反力架厚度510mm 反力架至结构支撑面距离考虑1220mm 预留可调位置保证第一环管片进入盾构隧道洞门230mm 反力架与始发架之间留有270mm可调位置 基座的长度 11000mm 基座布置图 盾构始发基座安装流程和要点 始发基座安装工艺流程测量放线 工字钢铺设连接 基座下井 基座安装 位置粗调 复核测量 基座位置细调 测量再次复核 基座固定焊接 台车及盾体下井始发基座安装要点对始发基座固定前应按设计进行准确的定位 严格控制标高及中心轴线等 始发基座中心线要与隧道中心线水平重合 盾构机前端中心标高和隧道中心标高一致 尾端适当降低1 3cm 保证抬头始发 轨道布设站内轨道铺设盾构隧道内轨道铺设 站内轨道 始发基座 台车下井组装 连接桥吊装 螺旋机吊装 中盾吊装 前盾吊装组装 拼装机吊装连接 尾盾下井定位 螺旋机安装 尾盾组装 刀盘下井安装 连接桥连接 盾构机下井吊装流程图 盾构机吊装组装 盾构机吊装组装调试要点吊装作业开始前进行试吊装 并检查起重机的各项性能 待确认无误后 方可继续起吊 对于机械部件的组装 组装前需要弄清其结构及安装尺寸的关系 螺栓连接紧固的具体要求等机械安装的基本常识 对配合精度要求高的结合面必须进行清洗 拼装系统调试验收 连接完毕的管线路 双机抬吊 油脂系统完成安装调试 盾构机调试步骤 通电消除报警 加注液压油 调试水 气系统 调试油脂系统 泵的试运行 设备启动 调试皮带机 盾构机现场调试是盾构机始发的重要一个环节 在这里主要讨论现场调试的空载调试阶段 旨在检验设备技术和性能 盾构机各系统的运行是否满足盾构正常掘进的要求 盾构始发反力架安装 反力架安装工艺流程清理反力架安装区 测量放线 预埋钢板清理 反力架部件吊装 定位微调 焊接固定 反力架安装要点反力架在水平左右方向使反力架中心和隧道中心重合 调整反力架与始发基座垂直 保证盾构机始发时盾尾面与反力架面平行 反力架安装之前复测反力架支腿处底板面高程 采取措施确保两支腿处底板面标高一致 确保反力架底面水平 反力架布置图 反力架吊装图 盾构始发洞门防水 洞口密封防水帘布的施工分两步进行施工 第一步是在车站结构的施工工程中 做好始发洞门钢环的埋设工作 要特别注意的是在埋设过程中预埋件必须与车站结构钢筋连接在一起 第二步在盾构正式始发之前 应先清理完洞口的碴土 再完成洞口密封的安装 安装要点 左右两侧同时安装 一侧安装过快 会造成另一侧的安装困难 盾构始发洞门破除 洞门破除流程 盾构机始发准备就绪 搭设操作平台 洞门破除 清理破碎混凝土 钢筋清除 盾构顶进始发 盾构进出洞封门处理的方法1 人工凿除 分块或粉碎性凿除 2 机械凿除 镐头机凿除 3 盾构机直接切削4 定向爆破等 凿除洞门前需要先布设水平检查孔进行水位检查 然后进行洞门凿除 检查孔平面布置图 洞门凿除的顺序 在围护结构破除后 盾构始发基座端部距离结构墙400 500mm 结构墙厚700 800mm 围护结构厚度800 1200mm 总计距1900 2500mm 为保证盾构在始发时不致于因刀盘悬空而产生盾构 叩头 现象 需要在始发洞内安设洞口始发导轨 安设始发导轨时应在导轨的末端预留足够的空间 以保证盾构在始发时 不致因安设始发导轨而影响刀盘旋转 并确保盾构顶进后帘布压板不受影响 盾构始发导轨采用43Kg钢轨制作 导轨长0 3m即可 安装要求 为确保盾构顺利始发 始发导轨比基座低1 2cm 始发导轨制安 三 盾构机的掘进 盾构掘进流程准备工作 转动刀盘 启动次级运输系统 皮带机 启动推进千斤顶 启动首级运输系统 螺旋机 停止掘进 安装管片 回填注浆 准备下一环掘进 开挖 出土 拼装 注浆 1 盾构机的掘进液压马达驱动刀盘旋转 同时开启盾构机推进油缸 将盾构机向前推进 随着推进油缸的向前推进 刀盘持续旋转 被切削下来的碴土充满泥土仓 此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上 后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中 再通过竖井运至地面 掘进的同时进行同步注浆 2 掘进中控制排土量与排土速度当土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时 开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大 当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时 开挖面就能保持稳定 开挖面对应的地面部分也不致坍塌或隆起 这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时 开挖工作就能顺利进行 3 管片拼装盾构机掘进一环的距离后 拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片 使隧道 次成型 掘进 拼装 推进油缸 液压马达 曲线掘进 曲线掘进 铰接油缸 铰接密封 岩土 渣土输出 搅拌臂 螺旋输送机 盾构掘进参数设定 根据现场施工情况 盾构机始发掘进分为二个阶段 第一阶段为始发加固区推进阶段 第二阶段为正常推进阶段 第一阶段 阶段施工处于设备磨合及掘进参数摸索阶段 加固区土体强度较高 盾构机推进速度较慢 在施工过程中为减小盾构机推力和扭矩 向刀盘前方注入泡沫或水 降低前方土体阻力 并降低刀盘刀具温度 防止泥饼形成 同时降低盾构推进速度 第二阶段 此阶段为正常段掘进 盾构设备运行正常 盾构各项参数显示推进正常 土压力的设定 土压力应根据理论计算结合实际掘进操作的具体情况进行设定 并根据监测数据的反馈及时修正 理论土压力值盾构推进时土压计算经验公式为 P q H Ka 单位为Mpa 其中 q 土层上部附加力 此处不予考虑 掘削地层土体重度 KN m2 H 掘削面上顶到地表覆盖土层的厚度 m Ka 土体侧压力系数 土压计算公式为 单位为Bar 粘土层中 取值20KN m2 Ka取值0 34 淤泥质粘土中 取值19KN m2 Ka取值0 5 刀盘转速 推进平均速度通过分析其趋势线 实际值以及工程部下达指令值对不同地层下的参数进行适应性分析 注浆压力主要是通过与地面沉降变形监测值进行对比分析 分析注浆压力地层适应性 推进速度的设定中主要考虑地层地质状况 盾构机推力状况有关 趋势线选择为2次多项式形式 注浆压力的设定主要与推进速度 地层地质状况 土压力有关 在趋势线设定时选择为3项多项式 刀盘转速 推进平均速度 注浆压力设定 刀盘扭矩设定 刀盘扭矩计算经验公式为 T D3其中 为参数 不同地层采用不同参数 总推力设定 盾构机总推力设定中主要与隧道埋深以及地层地质状况有关 盾构机总推力计算公式为 F F1 F2 F3 F4 KC其中 Kc 安全系数 F1 盾构与地层摩擦阻力 粘性土中计算公式为 F1 DLC其中 D 盾构机壳体外径 m L 盾体长度C 土体内聚力 粘土层中内聚力取值30 淤泥质粘土地层内聚力取值13 角砾层中计算公式 其中 为土体与盾体之间的摩擦系数 取值0 3F2为盾构机正面推进阻力 此处取土压力值为F2F3为管片与盾尾之间的摩擦力 公式为 F3 WP 1WP 盾尾内管片的重量 1 盾尾与管片之间摩擦系数 取值0 3 0 5F4为后方盾构台车的牵引阻力 公式为 F4 G 2其中 G 后牵引台车总重 2 牵引台车与轨道之间的摩擦系数 取值0 2 1 土压力控制在盾构始发时推进土体加固段应建立较低的土压 推进拼装 5 1环时上部土压为0 停机不保压 推进拼装 1 1环土仓开始建压至0 05 0 07bar 根据盾构机埋深不同 盾构刀盘离开加固区时应建立较高的土压并维持土压力稳定 保证始发井附近的地表沉降在要求范围内 其土压力设定为比计算静止土压力土压高0 02 0 03Mpa即可 土压力应根据实际掘进操作的具体情况和监测数据进行细部调整 2 始发掘进推力 扭矩的控制由于反力架是按照3000t推力设计的 因此总推力严禁超过1500t 加固区内推力设定800t左右 出加固区不大于1500t 加固区内刀盘扭矩控制在1500KN m以下 出加固区扭矩控制在2500KN m以下 刀盘未定到掌子面时不旋转 在加固区刀盘转速 1rpm min 出加固区刀盘转速 1 2rpm min 盾构掘进参数的控制 4 同步注浆推进拼装 5 1环时不注浆 拼装3 5环时开始同步注浆 四个点位同时进行注入浆液 浆液压力控制在2 3bar 注浆量控制在6 7m 5 土体改良始发推进时 刀盘顶进加固区 土压建立 刀盘中心注入口必须同时向土仓和掌子面注入泡沫剂或膨润土 泥浆 进行土体改良 6 盾尾油脂每环注入20kg 30kg 根据盾构及显示及时补充盾尾油脂 3 推进速度控制在加固区内设定在10mm min 20mm min 出加固区速度控制在20mm min 30mm min 随着推进逐步调整到30mm min 40mm min 7 洞内其他设备配置 1 洞口安装一台大功率泥浆泵及两台7 5KW的污水泵 将洞口废水及时抽排 同时保证发生险情时立即启用 2 车站底板安装两个冷却水池 用于盾构施工过程中外循环冷却 降低内循环系统温度 确保盾构机运行安全 8 二次注浆 1 为了弥补同步注浆缺陷为目的而进行二次注浆 用以补足一次注浆未充填的部分 补足由浆体收缩引起的的体积减小 控制地面沉降 2 二次注浆采用单液浆注浆参数 二次注单液浆的水灰比取0 8 1 注浆压力取值为 注浆压力控制在5bar 8bar 盾构施工主要参数控制范围参考表 盾构施工实时管理信息系统 结合组段划分及盾构设备具体情况 设定各个组段土压力 推力 刀盘扭矩 推进速度 刀盘转速 贯入度 注浆压力 注浆量等主要参数控制范围 并将其录入 盾构施工实时管理信息系统 实现盾构施工的实时监控和施工参数的自动报警 区间长度 风险工程位置 进度 盾构等 刀盘参数 螺旋机 铰接油缸 盾尾密封 VMT参数等 材料消耗统计 施工参数单环分析 施工参数多环分析 控制值1bar 控制值1bar 盾构机移动过站包括盾构机主体过站 盾构机后配套设备过站及盾构机的检修 盾构机过站的方法多很多 以过站移动方法为标准 可以分为空推法 千斤顶顶推法 卷扬机牵引法等 具体形式上可以采用车轮法 滚筒法 滑移法以及组合法等 以盾构机盾体部分与后配套台车是否分离为标准 过站形式可以分为整机过站 过站小车过站和滚筒式过站 四 盾构机的过站 盾构机过站 空推法过站 工艺原理 盾构机空推过风井 在顺利接收后 依靠盾构机在盾尾内拼装整环临时管片为盾构机向前推进提供反力 待盾尾拖出后及时进行管片螺栓复紧及管片位置加固 保证盾构机向前推进的可靠反力 持续推进到风井大里程端进行盾构机始发 待始发完成后 盾构机即完成空推过站 工艺流程 风井结构施工 端头加固 过站基座安装 洞门安装临时密封圈 破除接收洞门 盾构机接收 盾构机检修 盾构机井内拼装整环临时管片推进至始发洞门 破除始发洞门 盾构机始发 整环临时管片拆除 1 千斤顶顶推法 采用千斤顶动力系统 将千斤顶焊接在盾构基座上面 反力支撑采用钢支撑 盾构平移初期 钢支撑杆系撑在端头井洞门圈上 利用四台盾构推进千斤顶的推力作为动力 正常推进时 利用车站底板上的预埋件制作钢支撑反力后靠 利用焊接在盾构基座上的两台顶管千斤顶提供动力 盾构机过站其他方法简介 2 卷扬机牵引法 采用一定额定功率的卷扬机作为盾构平移的动力源 将卷扬机固定在可移动的盾构基座上 然后在车站底板的预埋件上面安装定滑轮 依靠滑轮组来产生足够的牵引力 拉动盾构平移 牵引用的钢丝绳一端固定在卷扬机的卷轴上 另一端绕经滑轮组后固定在基座或盾构机本体上 对于双圆盾构而言 一般采用两台卷扬机以提供足够的牵引力 过站形式的整体对比分析 盾构接收所需准备工作如下 监测点布设完成并测取初始值洞门防水帘布安装完毕并完成接收洞门破除100m接收段调提前整掘进参数 控制掘进方向 五 盾构机的接收 盾构接收主要有三种方法 分别是 1 钢套筒接收2 土中接收3 箱体接收 盾构机到达辅助工法 即在盾构机到达端头加固不具备或未完全具备施工作业条件时 为有效地规避盾构机进站到达存在的安全隐患 采用盾构机站内钢套筒接收 洞门破除后安装 与端头地面素混凝土连续墙加固 密贴车站到达端围护结构地下连续墙 相结合的盾构机到达工法 后端盖 盾构机的接收方法 1 钢套筒接收 钢套筒筒体下半部 吊耳 填料口 钢套筒筒体上半部 钢套筒接收盾构机总流程图 2 土中接收 在围护结构凿除完毕后 接收井内开始进行填土回水作业 填土采用人工配合挖机回填夯实 凿除的洞门圈底部回填一定高度的中砂 防止盾构机低头 填土完成后进行回水 盾构水中接收技术最大的优点是免去了复杂的洞门临时密封装置 保证了洞内外的压力平衡 为管片安装 同步注浆 渣土排放提供了有利条件 大大提高了盾构接收效率 盾构土中接收示意图 3 箱体接收 箱体接收技术是在接收井内施作承压刚筋混凝土箱体 在箱体内回填砂土后封闭 以平衡内外水土压力 防止涌水涌砂 从而达到盾构机安全进洞目的的施工技术 常用于富含承压水地层且埋深较大的土压平衡盾构机到达接收 盾构箱体接收示意图 接收基座安装 临时密封装置安装 盾构机接收之前要安装接收基座 并对洞门采取临时密封装置 盾构接收掘进可分为四个阶段 1 盾构机接收第一阶段 离进站洞口30m 10m 2 盾构机接收第二阶段 离进站洞口地连墙里程10m 0 2m 3 盾构机接收第三阶段 第二阶段完成至盾构机被推上基座1 0m 4 盾构机接收第四阶段 继续拼装管片 盾构机完全推上基座 盾构接收四个阶段应采取不同的施工参数的大小及控制侧重点不同 1 盾构机接收第一阶段 离进站洞口30m 10m常规控制 将土压控制在1 6 1 8Bar 常规控制 掘进速度稍微减慢 由原来正常段的30 50mm min减至20 30mm min 推力维持在不大于14000KN 刀盘转速不大于1 0rmp 注浆压力控制在2 5 3 5Bar 注浆量6 7方 环 上一阶段完成至盾构机被推上基座1 0m 2 盾构机接收第二阶段 离进站洞口地连墙里程10m 0 2m土仓压力保持在1 5 1 7Bar 待盾构机掘进临近洞门最后一环时 土压减至0Bar 将土仓排空 目的是尽量减少对洞口的影响 掘进速度控制在5 15mm min 推力不大于9000KN 刀盘转速不大于1 0rmp 姿态按照指令要求精确控制 当土仓压力降低排空土仓后停止同步注浆 避免浆液回流进入刀盘及土仓 3 盾构机接收第三阶段 第二阶段完成至盾构机被推上基座1 0m此阶段的速度根据实际情况决定 土舱内无压力 刀盘停止转动 盾构机刀盘通过密封环后立即拉紧密封环的钢丝索 立即进行同步注浆至饱满 并随着推进继续同步注浆 提前调整同步注浆浆液 水泥量加至200 稠度控制在12 13 直至盾尾脱出 并立即进行洞门密封二次双液注浆封堵洞门 盾构接收 4 盾构机接收第四阶段 继续拼装管片 盾构机完全推上基座盾构继续推进 直至盾尾完全脱出结构墙 盾构机完全推上基座 拉紧帘布钢丝绳 盾构接收顺利完成 三 土压盾构机施工风险控制 近年来 国内地铁区间隧道大量采用盾构法施工 盾构技术有了长足进步 但是盾构施工事故还是时有发生 在盾构施工中地质是基础 设备是关键 人是根本 避免事故的核心是对风险进行辨识 采取有效措施 组织或降低风险发生 盾构施工风险控制主要有如下三个方面 盾构始发与接收 盾构施工参数的设定与控制 施工质量 盾构始发 盾构接收 地面沉降 浆液和泡沫沿洞门密封处涌出 洞门坍塌 渗水 一 盾构机始发与接收 盾构始发与接收是盾构施工中风险较大的一个环节 事故发生频率高 其事故最主要的表现形式 洞门坍塌 洞门渗 漏水及漏浆 地面沉降 几者之间又相互关联 相互影响 漏水 浆液和泡沫沿洞门密封处涌出 盾构机始发是盾构施工中风险较大的环节之一 极易发生安全事故 如何对盾构始发的安全和质量风险进行评估 并形成风险对策以付诸实施 是确保盾构始发安全和质量必不可少的工作 洞门坍塌 渗水 1 盾构机始发 盾构机始发施工前 应对端头加固效果进行检验 在洞门处安装止水橡胶帘布和扇形压板 应合理选择围护结构的破除顺序 确保破除过程中端头处土体的稳定 复核测量盾构测量控制基点 旋喷加固效果 洞门掌子面 洞门防水帘布 破除洞门架子搭设 盾构机始发施工过程中 洞门破除后应立即推进盾构 盾构在加固区内的施工 土压建立前应严格控制出土量 正确使用加固土体松散系数 盾构始发在快出加固区时应将土压建立到略高于正常值 以确保在盾构出加固区后不会因土压过低而造成地表塌陷事故 总推力和扭矩控制在反力架及始发基座所能承受的范围内 盾构接收相较始发而言 具有更大的危险性 实际施工中应引起高度重视 其成功与否直接关系着工程的成败 渗水 带出大量细砂 地表塌陷 围护桩被推出 2 盾构机接收 盾构接收施工前 应对端头加固效果进行检验 在洞门处安装止水橡胶帘布和扇形压板 应合理选择围护结构的破除顺序 确保破除过程中端头处土体的稳定 对隧道轴线进行测量 精确定位接收基座 盾构机接收施工过程中 盾构到达进入加固区后应逐步减小土压直至降为0 同时降低推进速度 缓慢向洞门推进 同时严格控制出土量 盾构到达过程中 当刀盘距离围护结构小于4环 4 8m 时 应该停止注入土体改良剂 添加剂 泡沫 膨润土等 盾构贯通时 对进洞口段至少10 15环管片进行纵向拉紧作业 盾构始发与接收施工风险原因分析 盾构始发与到达施工风险原因简析 端头加固方法及质量存在问题 盾构始发 到达施工参数控制不合理 土压 注浆压力 推力等 洞门密封质量差 或安装方法有误 导致密封渗漏 洞门破除过早 二 盾构机施工参数的设定与控制 盾构施工前合理设定盾构施工参数 同时施工过程中严格控制盾构施工参数 是确保盾构安全施工的必要条件 施工准备期进行的组段划分在考虑地层及环境条件等的共同影响下 将区间隧道分为了几个组段 因此 可通过建立适宜不同组段的施工参数控制准则和控制范围 来指导实际施工过程中盾构施工参数的设定与控制标准 不同组段施工参数控制准则 土压力 控制范围为Ea Ep之间 或根据隧道埋深计算地应力后乘以水平应力系数 总推力 必须根据隧道的埋深 土舱内的土压 盾壳与土之间的摩擦力 盾尾与管片间的摩擦力和后配套设备所需的牵引力来综合考虑 刀盘扭矩 必须根据刀盘切削土体所需的转矩 刀盘自重产生的阻力矩 密封装置对主轴承的阻力矩 刀盘周边的摩擦阻力矩和搅拌装置对土体的搅拌转矩来综合考虑 推进速度 刀盘转速和贯入度参数 盾构在沙层 卵砾石层和沙 卵石复合地层中施工时 采用低转速 高贯入度等措施 同步注浆压力 根据隧道的埋深来确定 且不能超过0 45MPa 同步注浆量 根据盾构外径与管片内径之间空隙的体积V来确定 每环量一般控制在1 2V 1 8V 不同组段施工参数控制准则 二次补浆压力 补浆量和补浆频率 二次补浆压力一般控制在隧道埋深处水土压力 0 05MPa 每次补浆量一般控制在0 7m3以下 补浆频率宜在管片脱出盾尾6 8环时进行 5 10环为一组 推进油缸伸缩组数 管片安装时 推进油缸同时收回的最大组数为2组 仅在安装封顶块时 一般情况下为1组 盾构姿态和TBM滚动角 盾构姿态横向偏移最大允许值为50mm 竖向偏移最大允许值为25mm TBM转动角允许值在 5 5 之间 三 施工质量 盾构隧道施工质量的好坏直接关系着隧道的使用寿命 目前施工过程中 因施工队伍的作业水平和操作能力参差不齐 管片拼装质量 盾构姿态控制问题等应引起大家的重视 管片拼装质量 1 管片破损 管片掉块 主要是由于管片拼装过程操作不当 导致管片破损 一般采用的补救措施为水泥浆回填 管片拼装操作不规范 管片掉块 螺栓附近 水泥浆回填 管片裂缝 管片制作质量问题表现出来的裂缝 管片拼装过程由于操作不规范出现的裂缝 2 管片错台 管片错台对隧道的影响 管片错台较大可能会在不同程度上减少了隧道结构的受力厚度 使得该处成为隧道的不利受力点 管片错台往往会造成管片的破损 特别是在螺栓孔的部位 在管片错台的部位 密封止水带往往受到一定的破损 因此 常常发生漏水和渗水现象 管片错台原因 管片拼装过程施工不规范 在掘进过程中 由于盾构姿态控制控制不当 造成管片错台 特别是在线路的小曲率半径部位更容易出现这类问题 隧道管片上浮造成管片错台 3 管片渗漏水 螺栓处渗水 管片本身渗水 管片间渗水 管片环间渗水 管片渗漏水原因 管片本身质量问题引起管片渗水 管片错台引起管片间渗水 施工原因导致的管片橡胶止水条移位 错台引起的管片间渗水 橡胶止水条移位 管片本身质量问题 小结 盾构隧道管片的破损 错台 渗漏水 三者往往是相伴产生的 可采取的措施如下 管片的出场要严格控制质量要求 无论出现什么问题 对盾构姿态都不应 急纠 要缓慢纠偏 要按照相关的规范进行操作 包括管片的吊装和安装 及盾构参数的控制 应采取及时有效的措施避免隧道管片上浮 4 盾构掘进方向与盾构姿态控制 隧道内一般采用自动测量系统 即实时检测盾构位置 三维坐标 和姿态 倾斜 横斜 高差 的设备 水准点导入竖井 自动测量设备 测量倒站 即随着盾构推进 在盾构洞内依次设置基准点和临时水准点 由于管片承受盾构推力发生变形和位移 所以盾构洞内设置的基准点也存在微小位移 故必须定期检核 尤其在曲线段及到达应进行检测 四 案例分析 目前我国地铁项目与之多 投资量之大 在世界工程建设史上时从来没有的 由于受地铁工程建设特点和水文地质等多方面的不确定性因素的影响 使得地铁的建设不了避免的存在许多工程建设风险 以下是一些工程事故实例 一 盾构机始发与接收 北京地铁八号线二期某区间 左线盾构在到达中间风井过程中 土压控制较差 出土过多 引起地层损失 致使中间风井西侧地表塌陷 塌陷进一步发展 回填后 北京地铁九号线某区间 右线端头加固效果差 盾构始发段初始掘进过程中出土量控制不当 导致地表塌陷 左线端头加固效果差 盾构到达时仍然向前方土体注入泡沫和膨润土 造成有水条件 土体失稳 导致洞门处土体涌入车站 地表塌陷 左线接收端 北京地铁十号线二期某区间 2011年8月9日左线分钟寺站始发端头加固效果差 土体自稳性较差 洞门封层后出现空洞 且伴随着渗水现象 未波及到地面 2011年9月4日右线到达中间风井过程中未安装止水橡胶帘布及扇形压板 洞门边缘3点钟和8点钟方向有水涌出 且水量较大 9月18日开始采取注浆等措施进行堵水 9月27日基本无渗水现象 9月9日右线到达中间风井情况 到达端头涌水情况 9月15日右线到达中间风井情况 9月22日右线到达中间风井情况 采取喷射混凝土堵水 9月25日右线到达中间风井情况 采用二次补浆堵水 到达端头涌水情况 2011年9月4日左线盾构在距离中间风井约600环时即开始破除中间风井接收洞门 在预警发布后 施工单位随即停止破除洞门 于9月18日对破除部分补喷了混凝土 提前破桩 补喷了砼 接收端大量土体被推出 端头处流水带出大量细砂 2011年10月12日左线盾构中间风井接收端头渗水较为严重 洞门处中间部分存在厚度约0 6m的 2粉细砂层 同时未安装橡胶帘布和扇形压板 盾构到达过程中大量土体被推出 随后施工单位在采取堵漏灵堵漏并用引流管引水等措施 流水带砂 钢板封闭管片和洞门空隙 接收端地表出现裂缝 2011年10月18日右线盾构到达十里河站接收端 洞门处1点钟方向有水涌出且水势较大 未安装橡胶帘布和扇形压板 10月21日采取引流管引水 堵漏灵堵水等措施 涌水 2011年11月15日左线盾构在到达十里河站接收端过程中 直接将桩体推入接收端车站 未安装橡胶止水帘布 流水涌砂 出水涌砂情况 现场水沙情况 11 16盾构已上接收架 扇形挡板被推掉 另一侧突然大量涌沙出水 二 盾构机施工参数的设定与控制案例分析 北京地铁建设过程中 因盾构施工参数控制欠佳曾发生路面塌陷 铁路段地面塌陷及房屋开裂等风险事件 选取主要事件列举如下 北京地铁九号线某区间 2009年9月30日 右线盾构推进过程中土压控制偏低 导致出土量增加 地层过量损失 引起隧道上方地表发生塌陷 深约3m 直径约1m 地表塌陷位置 回填土 土压异常区域 土压异常区域 北京地铁大兴线某区间 2009年10月24日 右线在沿兴华大街推进 平行下穿雨水方沟 过程中 由于雨水管沟底板破裂致使内部水源渗入地层 造成有水条件 降低了土体强度和稳定性 而盾构推进过程中土压控制过低 使得出土量不易控制而出土增加 引起地层损失 开挖面失稳 长约4 5m 宽约4 0m 深约2 0m 北京地铁十号线二期某区间 北京地铁十号线二期六 莲区间双线先后下穿北京西机务段铁路 特级风险工程 左线先行 施工参数控制基本合理 安全通过 右线盾构在通过过程中 盾构施工实时管理信息系统 显示土压控制偏低 导致出土量偏大 引起地层损失 2011年8月27日隧道上方 56 58环 北京西机务段铁路区域发生塌陷 45 50环土压01情况 50 58环土压01情况 0 6bar 0 2bar 0 6bar 0 2bar 北京西机务段铁路 始发井 右线塌陷位置 0 6bar 0 2bar 2011年12月份 左线盾构在推进过程中土压控制偏低 同步注浆浆液质量欠佳 导致建材城商铺墙体出现开裂 墙体开裂 现场采取加固措施 小结 盾构施工参数的设定与控制 盾构推进过程中的施工参数 尤其是土压力和出土量的控制 往往是导致地表沉降超限的直接因素 若开挖面具备较强的自稳能力 为避免盾构设备磨损而适当降低土压的做法一定程度上可行 但部分施工单位对盾构穿越地层的稳定性不具备足够的判断认识 且技术和管理上的措施未执行到位 一味采取较低的土舱压力对地表沉降的控制是非常不利的 此上问题务必引起足够的重视 需要从认识上纠正 从根本上解决 1 上海地铁某区间隧道盾构磕头事故 工程概况 根据对事故段地质进行补勘得到的报告 盾构下部约三分之一处于 1a和 2a砂性土体中 1a砂性土体具有松散 微承压水和承载力低等特性 在动水压力的作用下易产生渗流液化 流砂和突涌等不良地质情况 事故段事故示意图 三 其他案例分析 事故经过 盾构掘进至下行线632环 切口在638环 时由于地质突变 盾构机叩头出现整体下沉 掘进至650环 切口656环 时盾构掘进姿态恢复可控 到670环与新设计线路拟合 盾构恢复正常掘进 处理措施 1 管片下调及房屋保护对超高设计线路段 626 638环 管片采用下部泄土取压 上部注浆的措施使隧道整体下调1 3cm 同时 根据地表建筑物监测数据对隧道邻接块吊装孔进行注浆 确保建筑物安全 2 管片上调及地层加固隧道低于设计线路 651 663环 对管片底部注浆 上部泄压放浆取土的措施使隧道整体上浮2 4cm 线路上调与地层加固一并进行 3 对于 1和 2层地质较差段通过分层注浆加固隧道下卧层 改良土体 提高承载力及防止地层振动液化 4 管片堵漏止水 管片渗漏部位主要以注水泥浆或丙烯酸盐浆液为主 压力保持在 02 0 5Mpa之间 注浆量控制在0 5 1 5m3之间 5 破损管片修补 6 堵漏与修补作业完成后 进行管片嵌缝施工 加强本段管片的防水能力 1981年4月 台北地铁某标段通风竖井发生涌水 涌砂事故 工程概况 该通风竖井为内径23 6m之圆形断面结构 井深35m 井壁为1 2m厚的连续墙 连续墙深度为64 5m 且水平钢筋完全连接 使连续墙形成完整管状 因此 内部无需施做内支撑 竖井与盾构隧道间采用柔性连接 2 台北地铁某标段通风竖井涌水 涌砂事故 事故经过 当天下午 施工人员正在施工洞门防水层时 隧道扩挖处右侧仰拱部出现大量涌水 施工人员立即设法止水 但水流量及水压甚大而无法遏制 竖井周围土壤随涌水不断流入井内 并沿已施工完毕的隧道线倒灌至邻近的接受井 造成土壤流失及地层下陷 据调查 影响范围为通风井南侧57 75m之间 六栋房屋受损 临近管线破坏 路面产生裂缝 而工程本体已完成的上行隧道有23环遭到挤压 变形 通风竖井 已完成线上下行隧道及邻近的接受井遭水土掩埋 处理措施 事故发生后 首先通知警察局和消防队疏散附近居民 封闭现场 切断水电 为使通风井内外水压平衡 降低泥沙继续涌入速度 先进行竖井内灌水 然后回填土方 并压实 注浆 进行工程本体及其余受损线 建筑物 路面的修复工作 事故原因 地下水是造成此次事故的主要原因 事故发生前 没有很好的进行处理 事故发生前 监控 量测资料没有反映出任何征兆 因此 在隧道内发生极小量渗水并未引起施工人员的重视 预防措施 施工全过程均应小心谨慎 现场内出现任何迹象或征兆均应保守处理 应妥善处理地下水 注浆止水需在妥善的保护下进行 以免破坏本身结构 3 上海某隧道漏水事故事故经过 上海某上行隧道内在检查时发现封堵墙处管片上方有局部渗水情况 渗漏位置为管片上部封顶块与邻接块的环缝 圆环11点钟 1点钟 范围 经过多方努力两处漏水点均被有效封堵 新的漏水点又出现在封堵墙左上方位置 漏水点处 1 5寸流量的水流进入上行线隧道内 且漏水趋势愈发严重 处理措施 1 在发现渗漏情况有逐渐变大的趋势后 立即进行管片壁后聚氨酯堵漏 共用去聚氨酯10桶 管片环缝漏水得到控制 对于新出的漏水点 有关各方紧急商定采取抢险措施 一 针对上行线封堵墙正面左上方漏水点 压注聚氨酯进行堵漏 二 在隧道上方地面 即江中围堰平台上 对封堵墙后面的隧道内部及周边进行填充注浆 通过以上措施 渗漏得到控制 同时 在上行线隧道内安排人员值班 进行即时监测汇报动态变化情况 地面注浆操作 2 为了保证渗水情况能更好的控制 随后开始进行地面注浆工作 充填注浆孔位布置为 在上行隧道内布置一孔 隧道两侧各布置一孔 隧道内孔位注浆以注浆量和注浆压力双重控制 初定注浆量 连接段土体5 充填率 10m3左右 注浆压力0 3 0 4MPa 隧道两侧注浆以压力控制为主 为0 3 0 4MPa 浆液为单液水泥浆 水灰比0 6 3 之后又通过隧道内及两侧孔位注浆 隧道内渗水情况进一步减小 渗漏由不间断线流变为滴漏形式 4 最后对上 下行隧道范围进行低压力 0 3 0 4MPa 的充填注浆 一方面对原冻土起到持续充填作用 另一方面也可对后续江中连接段水平冻结区进行土体改良 工程概况 2006年1月某日上午 广州市地铁线某区间盾构施工路面发生沉陷沉陷区域直