软土地层盾构施工技术与管理2013汇总

防范风险，提高效益提高盾构施工技术与管理水平

中铁十六局集团有限公司吴煊鹏2013年12月

内容1，地质是基础2，设备是关键3，人员（、管理、技术）是保证4，技术先导，方案先行，落实到位5，标准化施工，制定规程，遵守规范6，信息化施工，7，提高技术水平，不断研究、总结、调整、提高8，用最基本的原理和方法去研究、解决问题，确保土体改良，土压控制和出土量的控制9，强化设备管理，物资材料配件管理10，风险预防、应急方案、快速反应与应对措施

1，地质是基础地质条件，水文地质条件，主要地质特点的认识。详勘，精确掌握地质情况。该地质对盾构机设备的要求，或盾构机对该地质的适应性。主要地质风险，不良地质的处理渣土土体改良措施施工中注意地质的变化，改变技术措施施工中地质变化对盾构机的影响深化对该地质的认识，

典型软土地层软土地层：

隧道区间内，不同地段基本类似地质；

隧道一个断面上，地质基本类似；

隧道断面没有较硬地层。

天津、苏州、杭州：但是要注意地层有砂层、砂层液化、淤泥质地层的不同可压缩性、含水率较大、有害气体等风险。

软土地层盾构施工必须注意的六个技术重点。

1盾构施工方案策划，盾构机选型、

2刀具配置与改进、

3选用合适的土体改良措施、

4优化掘进参数5特殊地段的技术措施

6加强盾构机维修保养

有害气体特性有害气体喷发现象气体分布范围结论建议

杭州地铁彭埠站～建华站有害气体补充勘察的结果看，有害气体不仅布满整个区间，而且在沪杭甬高速西南侧局部存在压力较大区域，且此处恰好有一座联络通道位于含气层位置。区间的有害气体会严重影响盾构掘进施工及联络通道的冰冻法施工。必须做好以下措施：1、提前有控放气重点对有害气体压力相对较大的区段进行有控放气。具体的有控放气措施参见本报告第四节“有控放气指导性措施”。2、设计单位根据含气层最大压力以及含气层顶板距离隧道结构线底部最近距离进行盾构掘进、隧道结构的稳定性验算，若验算结果不稳定，则可加密放气孔对整个区间进行有控放气，及其他相应措施，以确保隧道结构的安全稳定。3、采用高抗渗性材料由于K23+240.0~K23+440.0范围内的隧道结构位于含气层中，且K23+352.0处的联络通道也处于含气层位置，因此，该区域的有害气体渗入隧道的可能性较大。建议该区域的管片混凝土以及联络通道所使用的混凝土采用高抗渗等级标准。

4、加强监测、改善通风条件

设立专职有害气体监测人员，动态测定盾构推进过程中隧道内的有害气体浓度，并在盾构隧道内安装自动报警仪，必要时可在盾构机前端采用先进的有害气体探测设备。此外，隧道内应采用高功率的通风设备，保持隧道内空气流畅。

5、施工安全规则（1）所有进入隧道的人员都要进行预防有害气体和消防等安全教育。（2）严禁在隧道内点火吸烟和烧烤其它可燃物，严禁携带火种或易燃物品进入隧道。（3）对易造成燃烧和爆炸的电器设备均应加以防爆装置，并建立机电的检查、维护专职制度。（4）在隧道内电焊、气割（焊）等作业必须严格控制。（5）施工场地必须配备足够的电气灭火器材。

2，设备是关键盾构机选型盾构机监造盾构机改造盾构配套设备盾构机的组装调试质量盾构机的刀具配置与维修盾构机的维护保养盾构机的正确操作盾构机的各种表格，施工表格，维护保养表格盾构机的安全施工2.1、盾构机选型

在盾构工程中，首要问题是选择适当的盾构机。盾构机的选型与选择盾构机厂家是相互联系的，在选型时，必须对国内、国际上各盾构机厂商、对国内外盾构技术的法发展有足够的了解。盾构机选型还必须对所选的盾构机结构、性能有较深的了解；熟悉各种盾构机的优点及对工程地质的适应性；才能保证所选盾构机先进性、适用性，完全能满足该工程的需要。

在盾构机选型中，尤其要特别重视刀盘刀具的选型和配置。1.1盾构机选型依据盾构机选型主要应考虑以下几个因素：工程地质情况与施工场地大小业主招标文件中的工程要求管片形式、设计尺寸与分块角度盾构机的先进性、适应性与经济性盾构机厂商的信誉与业绩盾构机能否按期到达现场1.2盾构机主要性能与参数的确定原则

在复合地层施工的盾构机的主要参数的选型必须满足以下几个要求：（1）必须确保盾构机整体性能和配置满足复合地层的施工要求。（2）确保盾构机刀盘的强度与主驱动功率，刀具配置合理，使隧道掘进施工顺利。（3）保证永久隧道衬砌的安装质量。（4）主要参数有一定安全系数，确保盾构施工安全和作业效率。（5）土体改良设备配置齐全，对环境保护较好，地面沉降控制在在+1～-3cm以内。

（6）机械性能良好，故障率低，可靠性高，并且能够适应地质条件的变化。1.3盾构机刀盘选型

刀盘有辐条式、辐条加面板式，面板式几种。对于复合地层，盾构机首选复合式刀盘。对于刀盘的具体要求有：

（1）刀盘采用面板式结构（焊接成型后机加工），刀盘可安装各种形式的滚刀和/或齿刀（撕裂刀）等，并配有超挖滚刀。刀盘和盾体材质性能指标不低于Q345B，刀盘强度必须满足最恶劣的地质条件而不变形或开裂。（2）在刀盘易磨损处及外缘采用耐磨材料制造、耐磨版、堆焊耐磨材料等措施，以保证刀盘的耐磨性、耐冲击性及外型精度。（3）刀盘开口率不宜过大，应具有防止刀盘中心结泥饼措施和装置。

（4）刀盘上的所有刀具都可以在刀盘背部更换，为施工中在在土仓内更换提供方便。（5）刀盘驱动应具有足够的功率储备和良好的安全性。1.4刀盘设计、生产、监造技术原则（1）刀盘是盾构开挖的基础，必须保证刀盘的强度、耐磨性能和可靠性，否则，刀具配置再好，也起不到应有的作用。（2）刀盘设计过程之中，用户必须积极参与并根据自己的经验和知识，提出自己的要求。（3）刀盘必须着重考虑结构形式、直径尺寸、重量、开口率、刀具固定方式、耐磨保护措施等方面。（4）刀盘在制造、加工、热处理、焊接过程必须加强质量控制，施工单位在监造过程应查阅各种资料，检查过程和产品是否符合质量控制体系和标准。（5）根据其它单位刀盘使用经验，提出改进要求。（6）大直径刀盘要考虑分块的合理性，保证运输条件的前提下，着重考虑各分块在焊接后的精度与整体强度。（7）在复合地层中施工，盾构刀盘应优先选用面板式刀盘。对于辐条加面板式的刀盘，一定要确保刀盘结构的耐冲击性和刀盘强度的安全系数，不能无条件的相信厂家的有限元计算结果。在实际施工中，由于地质条件的变化，边际条件的突破，一定的强度裕度是必不可少的。组装调试质量刀具配置刀具选型与配置

（1）刀具分类刀具按作用一般可分为：挖掘刀具；辅助刀具。挖掘刀具：中心挖掘刀具--鱼尾刀，中心滚刀，中心羊角刀等。

面板挖掘刀具--单刃滚刀，双刃滚刀，贝壳刀，羊角刀等。

超挖挖掘刀具--超挖滚刀，超挖刀，仿形刀等。

周边挖掘刀具--周边刮刀等。辅助刀具：槽口刮刀，周边边缘刮刀，磨损监测刀，圆周耐磨刀等。刀具还可以按安装方式、刃口厚度、耐磨程度、是否可常压换刀等形式分类（2）刀具配置

刀具配置要考虑刀具的轨迹线、刀刃间距、贯入度、开挖刀具与辅助刀具的高差、刮刀的切削角度、滚刀的启动扭矩等。

在多年的盾构施工经验中，我们认为：；重型刀具配置要根据地质情况选刀具配置少是不行的，但也不是刀具布置的越多越好用；滚刀的启动扭矩不是越低越好；刀具的合金形式和数量和经济成本紧密关联，必须根据地质条件，隧道区间长度适当的选配。

特别是监测刀具的布置不仅要考虑到面板刀具的状态监测，还要反应周边边缘刮刀的磨损状态，对于大直径盾构机更要特别注意。监测刀具与开挖刀具的高差应合理设计，既考虑到刀具的安全磨损程度，也要考虑刀具的合理磨损寿命。（3）刀具选型

刀具选型包括：各种刀具的数量与配合；刀具厂家的选择。

由于刀盘设计制造完成以后，刀具轨迹线、刀具高差，刀具安装形式、刀具形式都基本确定。我们所要选择的是挖掘刀具是全部采用滚刀，还是部分安装滚刀，还是全部安装软土刀具。在广深地区的复合地层盾构施工中，我们这3种形式都采用过，效果较好。

微风化地层：安装全部滚刀；

中风化地层：全部或大部分安装滚刀；

强风化地层：部分安装滚刀；

全风化地层：少部分或可不配置滚刀。

软土地层：软土刀具（切削桩基特殊情况除外）

由于各种地质条件状况不同，必须根据使用情况及时调整配置方案

对于刀具厂家的选择，一是要经过招标，进行性价比选；二是根据各个厂家的刀具特点和优势，选用质量、服务好的厂家；三是在困难的地质条件下，必须选用性能更优越的刀具；四是国产刀具经过多年的发展改进，在性能、价格、服务等方面，已经全方位的达到国外同类刀具的水平。

2.2刀具磨损监测与状态评估

刀具有中心开挖、滚刀破岩、先行切削、刮刀犁松等几种开挖形式；刀具磨损有：一般有刀圈崩裂、偏磨；合金崩坏；正常磨损；磨损过度；刀座损坏等几种。

如何根据刀具的磨损状况，来判别在该种地质条件下刀具的寿命，选用合理的换刀方案。

如何根据刀具的磨损状况，来判别在该种地质条件下刀具刀具损坏的原因，是刀具质量问题，还是操作参数不合适，还是土体改良不到位。

必须根据地质条件，刀具的磨损状况去分析研究，并提出改进措施。

刀具的磨损监测一般应该将刀具监测装置、经验判别、开仓监测三种措施综合应用，才能达到基本准确的监测刀具的磨损状态。

减少换刀次数，延长刀具寿命，提高施工效率，减少成本开支，防范换刀风险，就是我们加强刀具磨损监测和磨损状态评估的目的。2.3刀具的更换与修复

盾构在复合地层里施工，滚刀消耗数量较多，为了降低经济成本，必须注意刀具的及时更换与修复。

（1）常压刀具更换

在刀具更换过程中，应该重点注意一下几个技术方面。

对照刀盘配置图纸和方位，对每个刀具的磨损状况进行测量，并进行分析，根据使用时间和相对开挖长度，以确定合理的更换时间。常压更换刀具应该在稳定的土体中进行，防止坍塌等事故发生。

常压更换刀具时，必须防止刀具固定螺栓没有拧紧，滚刀掉落，齿刀翻转等情况发生。（2）带压刀具更换带压换刀主要是带压作业的安全问题。要防止把磨损较小的刀具拆卸下来。

带压作业技术要点：掌子面泥膜质量；压力设定和气压自动调节；人员培训与作业安全；防止遗留刀具等物品。（3）刀具修复

我们在刀具应用方面，刀具修复主要还是指滚刀修理、刀座修复滚刀使用，要防止偏磨发生、滚刀壳体损坏，否则不能修复只能更换。2.4参数优化、调整滚刀启动扭矩、刀具的改进在盾构施工中，根据刀具使用情况，必须及时换刀、优化施工参数，防止滚刀偏磨。根据地质，调整滚刀的启动扭矩。并且根据刀具使用情况，和隧道长度以及地质条件，对原配置的刀具的可以进行改进。（1）对周边边缘刮刀的改进。

原配刀具与改进后的刀具（2）刀具的改进其它例子

原配置周边刮刀刀具与改进后刀具，刀头可换，保径刀SSP软土超前声探系统刀具磨损测量系统示意图安全技术操作规程

3，人员（、管理、技术）是保证足够人员定人定岗定责岗前培训考核管理制度经济鼓励不断提高人员技术水平，提高人员对该地质熟悉程度，提高对该盾构机的掌控熟练程度。总体掌控，及时可控的调整参数，地面配合运输配合

4，技术先导，方案先行，落实到位施工方案专项方案技术研究技术培训技术考核技术研究方法：100个技术问题。技术管理组织：专家技术组熟悉盾构工程情况（工程与水文地质；工程设计；重难点与特点；规模与工期）做好盾构工程筹划与施工组织设计保证盾构工程常规地段施工顺利确保盾构工程特殊地段施工安全强化盾构工程的管理

5，标准化施工，制定规程，遵守规范完善盾构机各项安全操作技术规程双螺旋国家规范特殊地段施工标准化工地特殊地段的技术措施溶洞的处理穿越建构筑物和管线地段孤石的处理小半径隧道的施工小间距隧道的加固江河地段的技术措施其它特殊困难地段技术措施香港地铁管理的深圳4号线—管理模式的不同深圳儿童医院宿舍楼外貌—盾构正穿正穿深圳儿童医院宿舍楼加固可回收锚索施工照片（盾构刀盘遇到锚索缠绕）钻孔锚索张拉锚索回收回收后钢绞线穗莞深城际铁路隧道上方--东莞大朗镇地面几百栋房屋，没有地面加固条件。小间距施工广州区杨区间小半径隧道

6，信息化施工，监测监控数据信息基础，数据录入利用厂家信息程序信息循环信息分析信息挖掘掘进参数优化与参数分析

如何保证盾构施工顺利，盾构选型正确，刀盘刀具配置合理，土体改良措施到位，只是一个前提和基础。最关键的还是在盾构掘进过程之中，根据地面监测数据，盾构施工状况，不断进行技术分析，优化掘进参数。仅仅凭经验和感觉去操作和指挥盾构施工，是容易忽视一些细节和一些发生问题的苗头。

刀盘刀具磨损有着其基本规律，当耐磨层或合金部分磨损超过2/3后，会在极端的时间里，加速磨损，在掘进参数上的表现就是，推力大，扭矩急速增加，而掘进速度缓慢，每环掘进时间过长。

如何防止刀具偏磨，调整掘进参数上也可以达到预防和降低偏磨的程度的效果。如何防止沉降过大？（2）通过对参数的分析，可以判断掌子面工作情况，和地层变化情况。通过优化调整参数，尽量减少泥饼的危害。在有些地质条件下，完全没有泥饼生成，是不可能的。我们所有的预防措施，都是减轻危害，防止把刀盘进料口堵死，防止刀盘刀具面板上全部结成泥饼。

（3）防止盾构机螺旋输送器发生喷涌。

（4）保证沉降控制在规范之内。

（5）保证盾构姿态良好。

（6）防止盾构倾斜，翻转（在软土里一般不会发生）。

（7）

防止刀盘受力太大而变形损坏。在穗莞深地区盾构施工中，最少有10台以上的盾构刀盘发生变形、开裂、掉块等事故。

（8）临近建构筑物时，尽量减少地层扰动。（1）监测信息循环。在盾构施工过程中，根据实际需要进行跟踪监测。值班人员对地面监测数据进行综合分析，得出结论及时通过电话传达给盾构工作面，指导盾构施工参数的设定，然后通过地面变形量的监测进行效果检验，从而反复循环（2）盾构数据分析。在盾构施工过程中，每天都对盾构机实际参数进行整理和分析，结合监测数据，判别已经施工的隧道的沉降数值、沉降趋势、沉降速率，预测即将掘进的隧道的地层情况和受干扰程度。及时调整盾构施工技术参数，下达施工指令。（3）根据同步注浆和二次注浆的效果以及地面沉降数值的变化，确定同步注浆的数量和二次注浆的范围和注浆量。（4）根据建构筑物和管线情况，在风险极大区段，采取特殊措施，及时调整盾构施工速度，加大监测密度。（5）在试验段，地质变化地段，要加密监测，调整参数。

7，提高技术水平，不断研究、总结、调整、提高关键是提高整体盾构施工水平培养高素质盾构技术人员理论指导实践通过实践是最好方法

8，用最基本的原理和方法去研究、解决问题，确保土体改良，土压控制和出土量的控制沉降浴盆曲线沉降规律土体改良措施土压控制措施出土量控制措施盾构施工沉降规律分析与计划采取措施影响盾构施工地面沉降主要因素有地质水文条件、盾构掘进施工土仓压力、掘进速度、出土量、盾尾注浆量及注浆压力等，而地表沉降是这些因素综合影响的结果。地层沉降主要取决于地层类型、盾构机类型及施工状况。沉降历时曲线可分为四个阶段。由沉降发展曲线规律分析，我们主要针对措施有：第一、二阶段沉降变化较小，主要与掘进主控参数土仓压力、推力、刀盘扭距、推进速度等有关；必须不断优化盾构施工参数。第三阶段是盾尾通过测量断面0～12m，这段时间沉降速率最快，主要与管片脱出盾尾产生盾尾间隙，未及时注浆有关；必须强化此阶段的注浆和二次注浆第四阶段盾尾通过测量断面30ｍ后，沉降速率变得非常小，趋于稳定。如果地面动载荷大，地质软弱，前期沉降较大，则此阶段必须也作为重点考虑，二次注浆必须维持一段时间，直至趋于稳定。同步注浆、二次注浆、径向补偿注浆有效的控制地表沉降，注浆是一个重要的环节。注浆技术的要点是根据地层和工程要求选择合适的注浆浆液配合比、保证注浆量、控制注浆压力、及时进行二次注浆和根据需要补充注浆。（1）同步注浆。本工程土质渗透性强和含水量大，同步浆液采用活性浆液，其注浆材料为：水+粉煤灰+膨润土+细砂＋水泥。

通过实验得到，浆液稠度为11±0.5cm，容重1.70±0.1g/cm³。浆液初凝时间为6小时，24小时后基本达到早期强度，一天抗压强度＞0.3Mpa。满足下穿昆明火车站要求。盾构隧道管片拼装后每环壁后理论空隙为2.61，实际每环注浆量控制在4.7以上，注入率180%以上，注浆压力在0.35mpa左右，确保壁后空隙填充饱满，减少地面沉降。2）二次注浆二次注浆进行边推进边通过管片吊装手孔向地层注浆，达到同步二次注浆的加强效果，注浆点位选择三点至九点以上孔位。注浆压力0.35MPa。

（3）径向补偿延伸注浆为了控制地表沉降量，我们增加了径向补偿式延伸注浆加强措施。下穿昆明火车站采用增设注浆孔的加强型管片，除F块外每块管片增加两个注浆孔，每环管片增加10个注浆孔。隧道内延伸注浆通过管片注浆孔打入长3mΦ20的钢花管，进行注浆加固稳定土体，隧道内延伸注浆优势：延伸至隧道结构外3m注浆可快速控制沉降，稳定土体。稳定隧道结构周边土体，有利于结构防水。可以有效抑制隧道结构上浮。

增设注浆孔空吊装孔兼注浆孔>3000mm钢花管土体改良

土体改良是土压平衡盾构机在复合体层施工中必不可少的技术措施，既可以扩大盾构机适用的地质范围，又可以有效的保护刀盘，延长刀具寿命，提高施工效率。

土体改良技术措施主要有四种：水；泡沫剂注入改良；膨润土浆液注入改良；高分子材料注入改良。

土体改良过程主要应该避免改良不够、改良过度、采用措施与地质条件不匹配这三种情况。特别要防止单纯从经济观点出发，节省注入量，结果在刀具损坏，刀盘磨损等方面损失更大，还影响盾构施工。

在采用泡沫剂进行土体改良时，应该特别注意优化FER、FIR这两个参数。预防管路堵塞。

在采用高分子土体分散剂进行土体改良时，要注意主要在预防刀盘结泥饼的这个目的，重视往刀盘上加注，降温、分散、预防。高分子土体分散剂主要是通过过微观作用力强力分散进大块土体内部，从而将大块的土体进行分散、分离，此时在向土体中注入充分的水以提高土体的含水率，最终使得高粘性土体对盾构刀具的粘附性得到显著降低，使高粘性土体的高粘性状态变成具有流塑性的理想状态。

9，强化设备管理，物资材料配件管理方针与原则：盾构的管理必须采用预防维修的原则。就是状态检测、强制保养、按需维修。盾构机是一个隧道机械系统，因此搞好管理，制定好操作技术规程，规范操作，对于在复杂地质条件下盾构施工，尤为重要。盾构机的维修保养应尽量采用改善性维修。根据刀盘刀具损坏情况，进行改善性维修，可以更好的完成盾构工程施工任务。物资材料：保证质量，节约数量，达到效果维修是机械管理的重要组成部分维修社会化，维修管理非常重要维修需要经验、专业、技能必须了解、掌握最新技术维修决策（维修项目、维修标准、维修费用、维修工期）改善性维修（刀具增加）绿色维修再制造概念盾构保养原则一级保养，二级保养，三级保养每天、每周、每月、每三个月、每半年、每年保养项目与要求。厂家保养说明书保养所需油材料的质量和数量保证保养十字方针状态检测（油样化验分析、振动、噪声、温度、压力、流量等）预防维修的基本原则原则：强制保养、状态监测、按需维修。前提：熟悉机器结构、性能、维护保养规定。掌握基本技能、提高分析能力、采取有效措施。重点：运动部件、连接部位、密封部位、润滑部件、管路电缆、可调部件、传感器件预防为主。保养，维护，监测，检测及时发现故障苗头，防止故障扩展。分析故障原因，防止类似故障再次发生。制定维修保养操作规程，科学维修10，风险预防、应急方案、快速反应与应对措施风险识别风险等级划分规避风险风险预防预防措施应急预案快速反应一、危险源清单及风险评价表

二、应急救援组织机构三、对外联络及报警启动

四、物资储备情况五、事故预防应急处理措施分类危险源发生位置及危害情况风险评价盾构施工风险盾构始发风险1.盾构机“磕头”风险，在盾构机始发端头可能发生，在盾构机刚穿过加固体时，由于地层的软硬差异较大而可能产生磕头现象，造成盾构及管片拼装的姿态出现问题。2.洞门密封渗漏，导致端头地层物质流失，进而导致地面塌陷。可容许风险盾构换刀施工风险根据区间地质条件，盾构施工过程中可能要进行盾构换刀作业，换刀过程中如果处理不当，有可能发生掌子面涌水、塌陷等，造成地面塌陷和人身伤害。不可容许风险水平近接隧道施工风险本区间隧道最小净距1.7～5m，该段左线隧道施工过程中，如果右线隧道支撑体系不到位，则容易对右线已成隧道造成破坏，导致管片破裂、错台以及隧道渗漏水。可容许风险盾构机非正常停机在盾构施工过程中因地质原因或其他因素导致盾构停机时，容易造成地面沉降超限，如果长期停机，则有可能造成盾构被固结等风险。可忽略风险分类危险源发生位置及危害情况风险评价在不良地质和特殊地质条件下的施工风险上软下硬地层地质详勘资料揭示线路存在上软下硬的地层，盾构掘进时刀具易损坏，刀具更换频率高，且盾构机姿态难以控制，存在换刀及纠偏等风险，上面的软土容易造成超挖，导致地面严重沉降。中度风险孤石地层地质详勘资料揭示某段隧道洞身穿越的全风化层中夹直径为0.8～2.6m的中风化球状风化体，对隧道工程影响大。盾构掘进遭遇孤石后，在地面无法加固的情况下，则需要开仓破除，而开仓可能发生掌子面失稳导致地面沉降超限、或人员受伤等风险。中度风险地面塌陷风险盾构端头地面塌陷盾构始发端头地层加固不好，容易在始发时发生开挖面失稳，导致端头地面沉陷。中度风险盾构下穿建（构）筑物风险建筑物沉降倾斜、