轨道交通二、八线延长线工程盾构施工作业指导书

1、盾构施工作业指导书编制： 复核： 审批： 日期： 中铁一局集团公司广州市轨道交通二、八线延长线工程盾构1标段江南盾构区间项目经理部2007年4月20日1、线路描述 本工程盾构隧道线路共包括三段曲线，最小曲线半径为r450m，最大纵坡为25，线间距为13.2m15.3m。地面高程为7.080m19.370m，线路轨面埋深在14.4m21.5m之间。两区间共设3个联络通道，1个废水泵房，其中江东区间的1号联络通道与废水泵房合建。1号联络通道在zdk11+221.55处，2号联络通道在zdk11+603.655处，3号联络通道在zdk11+990.655处。2、地质描述本工程地质条件较复杂，存在广三

2、断裂带，断裂带经过地段岩石风化剧烈，常形成风化深槽，次级裂隙相对发育，岩体完整性稍差。伴随广三断裂活动，有流纹质英安斑岩、英安斑岩侵入；侵入体岩体风化强烈，裂隙极为发育，风化带较深，裂隙水发育，对围岩稳定性有一定影响，岩体这些地质条件对盾构施工影响较大。3、地面房屋情况描述沿线受施工影响的房屋共有182栋，其中四层以下有90栋，四层以上有92栋；线路通过其正下方的房屋共有86栋，其中四层以上的有43栋。大多数建筑物集中在东晓南路江泰路站区间，以37层民宅居多，南洲站东晓南路站区间受影响的建筑物只有爱都新天地、御景花园住宅楼和英豪花园住宅楼，另外本区间过新滘南路时下穿内环路沿新滘南路放射线的19

3、号与20号桥桩之间后，过2层小厂房后沿着东晓南路方向行进，行进中多次从内环路桥桩之间穿过。本区间受线路施工影响的的桥墩有6个，涉及到桥桩的有24根。4、正常掘进施工技术通过初始掘进和初期掘进段的地基变形监测的结果确定的在不同地质地层中盾构推进的各项参数的调节控制方法。测定和统计不同地层条件下推力、扭矩的大小；盾构机姿态的控制特点；同步注浆的参数和浆液配合比；同步注浆中容易出现的问题及解决方法；各种刀具的适应性等。选定了六个施工管理的指标（土仓压力；推进速度；总推力；排土量；刀盘转速和扭矩；注浆压力和注浆量）来进行掘进控制管理。4.1 盾构掘进流程及操作控制程序1）、盾构掘进作业工序流程 图1

4、盾构掘进作业工序流程2）、操作控制程序图2 操作控制程序4.2 掘进工况模式的分类和特点 盾构机对隧道工程的适应性除了表现在刀盘与刀具的适应性、碴土的流动性和止水性之外，掘进模式的适应性是非常关键的。为了获得理想的掘进效果、保证开挖面稳定、有效控制地表沉降及确保地面建筑物安全，必须根据不同的地质条件选择不同的掘进工况。本工程区间盾构工程隧道穿越的地层软硬不均、复合交互、变化频繁，因此盾构机在全程推进过程中交叉使用土压平衡模式、半敞开式和敞开式掘进。4.2.1、土压平衡模式适用的工况 洞身处于26号自稳定性差的地层。 当地层可能有较大涌水时。4.2.1.1、土压平衡工况的实现土压平衡工况掘进时，

5、是将刀具切削下来的土体充满土仓，利用这种泥土压与作业面的土压与水压平衡，同时利用螺旋输送机进行与盾构推进量相应的排土作业，掘进过程中始终维持开挖土量与排土量的平衡，以保持正面土体稳定。4.2.1.2、土压平衡模式技术措施 采用以齿刀、刮刀为主切削土层，以低转速、大扭矩推进。 土仓内土压力值略大于静水压力和土压力之和，并在掘进中不断调整优化。 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的建立，维持切削土量与排土量的平衡，以使土仓内的压力平衡。 盾构机的掘进速度主要通过调整盾构推进力、转速来控制，排土量则主要通过调整螺旋输送机转速来调节。在实际掘进施工中，根据地质条

6、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，掘进采取碴土改良措施增加碴土流动性和止水性。4.2.1.3、土压平衡模式下土压力控制土压力控制采取以下两种操作模式： 控制排土量的排土操作控制模式，即通过土压传感器检测，改变螺旋输送机的转速控制排土量，以维持开挖面土压稳定的控制模式。此时盾构的推进速度人工事先给定。 控制进土量的推进操作控制模式，即通过土压传感器检测来控制盾构千斤顶的推进速度，以维持开挖面土压稳定的控制模式。此时螺旋输送机的转速人工事先给定。4.2.1.4、土压平衡模式下排土量的控制排土量的控制是盾构在土压平衡模式下工作的关键技术之一。理论上螺旋输送机的排土量q

7、s是由螺旋输送机的转速来决定的，千斤顶的速度和p值设定后，盾构机可自动设置理论转速n。qs =vsnvs-设定的每转一周的理论排土量。qs应与掘进速度决定的理论碴土量q0相当，即：q0=avn0a-切削断面面积n0-松散系数v-推进速度通常理论排土率用k =qs/q0表示。理论上k值应取1或接近1，这时碴土具有低的透水性且处于好的塑流状态。事实上，地层的土质不一定都具有这种性质， 这时螺旋输送机的实际出土量与理论出土量不符，当碴土处于干硬状态时，因摩擦力大，碴土在螺旋输送机中输送遇到的阻力也大，同时容易造成固结堵塞现象，实际排土量将小于理论排土量，则必须依靠增大转速来增大实际排土量, 以使之接

8、近q0，这时q0qs，k1。当碴土柔软而富有流动性时，在土仓内高压力作用下，碴土自身有有一个向外流动的能力，从而碴土的实际排土量大于螺旋输送机转速决定的的理论排土量，这时q0qs，k1。此时必须依靠降低螺旋输送机转速来降低实际出土量。当碴土的流动性非常好时，由于螺旋输送机对碴土的摩阻力减少，有时回产生碴土喷涌现象，这时转速很小就能满足出土要求。碴土的出土量必须与掘进的挖掘量相匹配，以获得稳定而合适的支撑压力值，使掘进机的工作处于最佳状态。当通过调节螺旋输送机转速仍达不到理想的出土状态时，可以通过改良碴土的塑流状态来调整。4.2.1.5、操作塑流控制当切削土为粘结性泥土时，这类土只要通过切盘切削

9、搅拌和螺旋输送机传动，就能具有很大的塑流性，能满足土压平衡盾构的工作要求。而当切削土为含砂量超过一定限度的砂和砂粘土时，单靠刀盘搅拌和螺旋输送机传动，很难达到应有的塑流化状态，这时，一方面会造成出土困难，另一方面密封舱内可能会因之有空腔存在，这将直接影响开挖面土体的稳定，在这种地质条件下，采取借助设在刀盘上的注浆管向前方土体内注入泡沫剂或膨润土泥浆的办法加以处理。推进时，刀盘扭矩是随泥土塑流化状态以及盾构推力的变化而变化的，所以盾构掘进时，通过泥土塑流化控制，把刀盘扭矩和盾构推力始终控制在设定的基准值以下，然后进行正常的操作控制。4.2.1.6、土压平衡模式下保持掘进面稳定的措施 通过压力传感

10、器来控制压力，掘进过程中要始终看着压力传感器，当其显示比设定值大时，调高输送机出土速度，降低土仓内压力，相反则调低出土速度。 调压的实现途径1）人工调节2）自动调节除了调节压力以外，还要看泥浆或化学泡沫剂的添加，周围环境的沉陷等，即土压力稳定的判定是一个综合复杂的过程，需要有熟练的盾构机司机。一般盾构的推力在最大设计推力的40%左右为正常，当推力值超过最大推力的70%80%时，则应检查是否已出现了刀盘磨损等异常情况。 拼装管片时，严防盾构机后退，确保正面土体稳定。 利用监测信息化施工技术指导掘进管理。4.2.2、半敞开模式4.2.2.1、半敞开模式适用的工况 洞身处于7号地层中。 当洞身处于软

11、硬不均地段。 具有一定自稳能力和地下水的压力不太高的地层,其防止地下水渗入的效果取决于压缩空气的压力。4.2.2.2、半敞开式模式的实现和技术措施。采用该模式的前提是对应的地层有相当的自稳能力，且其强度较大，其工作面的稳定依赖外界支撑的程度相对于软弱土层要少且如采用大推力掘进，则刀盘扭矩将有可能升的很高。此模式下必要时稳定正面的部分压力由压缩空气来实现，气压控制标准值为静水压力值与松散土柱压力值之和。半敞开式模式的技术措施 半敞开式掘进模式介于土压平衡和敞开式之间，采用滚刀、齿刀混合破岩切削。 为既能稳定开挖面和防止地下水渗入，又能避免出碴时螺旋输送机发生喷涌，压缩空气压力控制在11.5bar

12、以内。 在该模式掘进时，注入泡沫对碴土进行改良。遇到地层变换、涌水较大时，及时转换模式掘进。4.2.3、 敞开模式4.2.3.1、敞开模式适用的工况 当洞身处于8、9地层中。 能够自稳、地下水少的地层。4.2.3.2、敞开式模式的实现和技术措施 敞开式模式的实现盾构机切削下来的碴土进入土仓内，即刻被螺旋输送机排出。土仓内仅有极少量碴土，基本处于清空状态，掘进中刀盘和螺旋输送机所受的反扭力较小。敞开式模式的技术措施 敞开式掘进模式采用滚刀破岩，采用高转速、低扭矩适宜的螺旋输送机转速推进。 采用敞开模式掘进时，易产生掘进中的盾构机滚动和较大震动现象。施工中如不慎引起盾构机滚动，可使刀盘反转来纠正。

13、 同步注浆时浆液可能渗流到盾壳与周围岩体间的空隙甚至刀盘处，为避免此现象发生可适当增大浆液粘度、缩短注浆时间、适当减低注浆压力来解决。 在硬岩敞开式掘进时，刀具磨损较大，温度高，岩碴不具软塑性，因此注意观察、检查，及时换刀，注入泡沫和膨润土冷却、润滑，及降磨。4.3、掘进模式的选择表1 三种掘进模式的主要工作参数参数模式推力（t）扭矩(t.m)刀盘转速(rpm)土仓压力（bar）螺旋机转速(rpm)敞开模式80015001101973548半敞开式10001800210380130.81.5610土压平衡12002100260400121.53.5812根据隧道的地质情况及周边环境条件和盾构掘

14、进模式的特点，选择盾构掘进盾构隧道的掘进模式。具体分段表见表2。- 11 -表2 区间隧道不同地质条件下掘进模式选择一览表里 程地 层 岩 土 特 征地面环境条件掘进模式dk12+369.954dk12+200隧道洞身全断面为岩石微风化带 5.55民房及道路敞开模式dk12+200dk11+800隧道基本为岩石强风化带，局部夹杂有岩石中等风化带和岩石强风化带沙溪村密集房屋段土压平衡模式dk11+800dk11+400隧道上部为英安斑岩全风化层,下部为英安斑岩强风化带空地、道路土压平衡模式dk11+400dk11+200隧道洞身全断面基本为英安斑岩硬塑残积土民房、道路土压平衡模式dk11+200

15、dk10+953.5隧道上部岩石全风化带,下部为岩石中等风化带,中部为岩石强风化带东晓南路土压平衡模式dk10+762.6dk10+580隧道上部为淤泥质土层和可塑状残积粉质粘土层、硬塑坚硬状风化残积粉质粘土层,下部为岩石中等风化带,中部局部夹杂岩石全风化带和岩石强风化带东晓南路土压平衡模式cdk10+580dk10+320隧道洞身全断面为硬塑坚硬状风化残积粉质粘土层东晓南路土压平衡模式dk10+320dk10+110.246隧道上部多为硬塑坚硬状风化残积粉质粘土层，隧道下部为岩石强风化带，中部为岩石全风化带东晓南路土压平衡模式124.4、盾构掘进方向控制和调整由于地层软硬不均、隧道曲线和坡度

16、变化以及操作等因素的影响，盾构推进不可能完全按照设计的隧道轴线前进，而会产生一定偏差。当这种偏差超过一定限界时就会使隧道衬砌侵限、盾尾间隙变小使管片局部受力恶化，并造成地层损失增大而使地表沉降加大。因此，盾构施工中采取有效技术措施控制掘进方向，及时有效纠正掘进偏差。4.4.1、盾构掘进方向控制 采用sls隧道自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测。 采用分区操作盾构机推进油缸控制盾构掘进方向。根据线路条件所做的分段轴线拟合控制计划、导向系统反映的盾构姿态的信息，结合隧道地层情况，通过分区操作盾构机的推进油缸来控制掘进方向。在上坡段掘进时，适当增大盾构机下部油缸的推力和速度；在下坡段掘进时，

17、适当增大盾构机上部油缸的推力和速度；在左转弯曲线段掘进时，适当增大盾构机右部油缸的推力和速度；在右转弯曲线段掘进时，适当增大盾构机左部油缸的推力和速度；在直线段掘进时，尽量使所有的推力和速度保持一致。在均匀的地质条件时，保持所有油缸推力和速度一致，在软硬不均的地层掘进时，根据不同地层在断面的具体分布情况，遵循硬地层一侧推进油缸的推力和速度适当加大，软地层一侧推进油缸的推力和速度适当减小的原则。4.4.2、盾构掘进姿态调整与纠偏 在实际施工中，由于地质突变等原因盾构机推进方向可能会偏离设计轴线并超过管理警戒值，在稳定地层中掘进，因地层提供的滚动阻力小，可能会产生盾体滚动偏差，在线路变坡段或急弯段

18、掘进，有可能产生较大的偏差。因此及时调整盾构机姿态、纠正偏差。 采用分区操作盾构机推进油缸调整盾构机姿态，纠正偏差，将盾构机的方向控制调整到符合要求的范围。 在急弯和变坡段，必要时可利用盾构机的超挖刀进行局部超挖来纠偏。 在急弯和变坡段，必要时可利用盾构机的中盾和尾盾的铰接油缸进行调整盾构机的姿态，纠正偏差。4.5、掘进中的碴土改良与防泥饼措施4.5.1、碴土改良的作用碴土改良就是通过盾构机刀盘、土仓、螺旋输送机内配置的泡沫和膨润土添加剂注入口注入添加剂，利用刀盘、土仓的搅拌翼或螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与土碴混合，主要目的就是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

19、的摩阻力，以满足在不同地质条件下采取不同掘进模式掘进时都可达到理想的工作状态。碴土改良还具有如下作用： 使碴土具有较好的土压平衡效果，利于稳定开挖面，控制地表沉降。 使碴土具有较好的止水性，以控制地下水流失。 使切削的土顺利快速进入土仓，并利于螺旋输送机顺利排土。 可有效防水土碴粘结刀盘而产生泥饼。 可防止或减轻螺旋输送机排土时喷涌现象。 可以减少切削刀头、面板等的磨损和刀盘、螺旋输送机的扭矩。4.5.2、碴土改良的方法 在砂质粘性土和全、强、中风化泥质粉砂岩的掘进中，主要是要稳定开挖面，防止刀盘产生泥饼并降低刀盘扭矩。在刀盘面和土仓内注入泡沫的方法进行改良，必要时向螺旋输送机内注入泡沫。泡沫

20、的组成比例如下：泡沫溶液的组成：泡沫添加剂3%，水97%。泡沫组成：90-95%压缩空气和5-10%泡沫溶液混合而成。泡沫的注入量按开挖方量计算：300ml/m3-600ml/m3。泡沫的注入方式根据实际情况采用手持半自动操作方式和自动操作方式。 在硬岩地段的掘进主要是降低刀具的磨损、螺旋输送机的磨损，防止涌水，拟采用向刀盘前和土舱内及螺旋输送机内注入泥浆的方法进行改良。膨润土以悬浮液的形式加入，其体积使用量为20%-30%，拌合的悬浮液泵入储浆罐中后通过不同的注入口分别注入开挖仓及螺旋输送机进口处。 在富水地段和其它含水地层采用土压平衡模式掘进时，主要是防止涌水和喷涌，降低刀盘扭矩，拟向刀盘

21、面、土舱内和螺旋输送机内注入膨润土，并增加对螺旋输送机内注入的膨润土，以利于螺旋输送机形成土塞效应，防止喷涌。4.5.3、防泥饼措施 盾构主要的穿越的地层有泥岩、泥质粉砂岩、砂岩，而由于盾构机刀盘自身的制约（中心区开口率低），盾构掘进时可能会在刀盘尤其是中心区部位产生泥饼，当产生泥饼后，掘进速度急剧下降，刀盘扭矩也会上升，大大降低开挖效率，甚至无法掘进。施工中拟采取的主要技术措施： 在达到这种地层前把刀盘的部分刀具换成齿刀，增加刀盘的开口度。 加强盾构掘进时的地质预测和泥土管理，特别是在粘性土中掘进时，更加密切注意开挖面的地质情况和刀盘的工作状态。 在这种地层掘进时，增加刀盘前部中心部位泡沫注

22、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。 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。 必要时螺旋输送机内也要加入泡沫，以增加碴土的流动性，利于碴土的排出。4.6、 特殊地段掘进施工4.6.1、硬岩层掘进硬岩施工中存在盾构施工掘进速度慢、轴线控制难度大、盾构易旋转及刀具更换频繁等难点。4.6.1.1、轴线控制合理利用超挖刀和盾构铰接功能以达到纠偏效果。 控制掘进速度保证刀盘充分破碎前方岩石。 合理利用铰接千斤顶调整盾构姿态。 提高注浆及时性，控制地面沉降。4.6.1.2、防止盾构旋转的措施开挖掌子面推进的支反力，是由管片提供的，刀盘切削土体的扭矩

23、主要由盾构壳体与洞壁之间形成的摩擦力矩来平衡，当盾构在8、9号地层中推进时，盾构壳体与洞壁之间只有部分产生摩擦力提供摩擦力矩，当上述的摩擦力矩不能平衡刀盘切削土体的扭矩时会引起盾构本体的滚动，过大的滚动会影响盾构的拼装，也会引起隧道轴线的偏斜。 掘进过程中，有针对性的加注泡沫剂以减少刀盘扭矩，消除盾构旋转的外力因素。 利用降低推进速度、刀盘正反转等措施对盾构旋转角度进行控制。通过改变刀盘旋转方向来纠正盾构旋转。通过增大盾构周边摩阻力控制盾构旋转。岩石施工中刀具磨耗大，必要时须进行更换，更换刀具时选择地质好的地层进行。根据岩石风化程度或出土的难易程度有针对性的施加泡沫，一方面可以减小刀盘扭矩，便

24、于掘进；另一方面可以增加掘削下来土体的和易性。这对隧道轴线控制、掘进速度和出土都有利。放慢掘进速度，以便更好的保护设备和控制轴线。根据岩石风化程度及其自立性情况，可建立半敞开式模式和敞开式模式以加快掘进速度节省工期。采用小推力及刀盘高转速掘进方式。4.6.2、不均匀岩层掘进 根据地质资料合理配备滚刀、刮刀的配置数量、布置形式，并注意对刀具的更换。 采用敞开式模式，必要时注泡沫或膨润土浆对碴土改良。 根据测量数据及时修正千斤顶推力组合，遵循硬地层一侧推进油缸的推力和速度适当加大，软地层一侧推进油缸的推力和速度适当减小的原则。4.6.2.1、 盾构由软土进入硬岩掘进 在到达软硬分界面前10m即开始进行适当的技术参数调整，如适当降低土压设定值，增大同步注浆量。 盾构由土压平衡状态向半敞开式模式过渡，同时调整各区域油压的油压差以改变盾构千斤顶的合力位置和方向。 放慢掘进速度。 将刀盘上的刮刀更换为滚刀掘进。4.6.2.2、盾构由硬岩进入软土掘进 在到达界面前10m进行适当的技术参数调整，如适当增大土压设定值，减少同步注浆量。 盾构由半敞开式模式向土压平衡状态过渡，同时调整各区域油压的油压差以改变盾构千斤顶的合力位置和方向。 加快掘进速度。 将刀盘上的滚刀更换为刮刀掘进