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盾构工法发展及盾构施工关键技术

(内部培训资料）北京城建集团王良一．世界盾构技术发展概况1818年——布鲁尔（Brunel）探讨出了开敞式手掘盾构机，1823年在伦敦泰晤士河水底马路隧道进行了盾构试验，后因坍方事故中止。Brunel对盾构进行了改进，于1834年使工程再次上马，历时7年于1841年隧道贯穿。1869年——接受Greathead新开发的圆形盾构铸铁管片，在伦敦泰晤士河水底其次条隧道。1887年——气压盾构在南伦敦铁路隧道中应用。19世纪末～20世纪初——城市隧道工程促进了闭胸式盾构的产生，盾构工法相继传入美国、日本、法国、德国等国家。20世纪60年头至80年头——盾构工法快速发展，完善了气压盾构、挤压（网格）盾构、插刀盾构、泥土加压盾构、泥水盾构等，盾构工法在地铁、市政隧道、马路隧道等的建设中得到广泛应用。20世纪80年头至今——研制出了加气泡盾构，同时大直径盾构、异形断面盾构（方形、椭圆形、马蹄形等）、双圆盾构、三圆盾构等得到发展。二．中国地铁工程盾构技术的发展20世纪60年头——北京城建集团前身基建工程兵为修建北京地铁，自己研制网格式压缩混凝土盾构机成功地进行了试验。1990年——上海地铁1号线，接受了7台盾构机共掘进了18Km1996年——上海地铁2号线起先建设，以后接连建设3号线、4号线、M8线、6号线1996年——广州起先建设1号线，以后接连建设2号线、3号线、5号线2000年——北京地铁5号线盾构试验段起先设计施工。2001年——深圳地铁1号线、南京地铁1号线起先建设。2002年——北京地铁5号线正式开工，以后4号线、10号线、机场线、地下直径线接连开工。2002年——天津地铁1号线开工建设。2006年——沈阳地铁1号线开工建设。即将开工建还有设有杭州、哈尔滨、成都、西安等城市。三、北京地铁盾构技术的应用20世纪50年头北京从前苏联引进了一台手掘式盾构起先。1966年，北京研制了φ7000的半机械化盾构进行完成了87m试验段施工。1995年8月，研制出半断面插刀盾构应用北京地铁复八线区间隧道施工。1999年10月，北京亮马河北路污水隧道工程中接受φ3330小断面加泥式盾构，并于2000年3月贯穿。2000年9月，北京城建集团首次成功地将φ6000的大断面土压平衡盾构机应用于北京地铁五号线北新桥站至雍和宫站长680m的试验段隧道施工，为北京地铁进一步推广盾构施工技术创建了条件。此后涌现大批盾构机应用于地铁五号线、十号线、四号线及机场线等工程，目前北京地铁施工投入的盾构机达17台。目前在建工程的设计线路总长度为112.7公里，总车站数74座（其中地下站64座，地面及高架站10座），地下区间总长81.3公里（其中明挖区间4.2公里，占5％，盾构法区间34.2公里，占42％，矿山法区间42.9公里53％），高架及地面区间31.4公里。目前正在进行施工招标的地铁9号线全长16.4km，区间全部为地下线，共设车站14座，13个区间中有8个区间接受盾构，盾构推动总长度达15Km（单线延米），拟投入5台加泥式土压平衡盾构施工，其中一台为带滚刀的复合盾构。明年北京的支配开工建设的支配是“保4争6”，9号线、10号线二期、亦庄线、8号线、6号线、顺义线等将相继开工建设。顺便提到的是，南水北调工程、市政工程也将大量接受盾构，北京的盾构市场已全面启动。四．盾构施工关键技术4.1盾构穿越湖江河湖的技术地铁盾构在广州穿越了珠江、南京地铁穿越秦淮河、沈阳地铁将穿越浑河、北京地铁9号线将穿越玉渊潭，穿越河段施工要点：4.1.1．盾构过河前必需进行系统和完整的检修，使机器性能保持完好状态，为一次顺当施工到位供应设备保障。提前对刀具进行检查，过河前可作适量更换以免河底换刀。4.1.2．盾构过河时，刚好调整盾构土仓压力，确保土压平衡，保证开挖面土体稳定。4.1.3．盾构推动隧道轴线限制。切实做好盾构推动过程中推动速率、出土量等推动参数的限制，防止因土体超挖量过大造成土体在盾构本体处有较大沉降，使得河水涌入隧道。4.1.4．掘进过程中不断地对盾尾密封钢丝刷注入油脂，避开盾尾密封破坏；4.1.5．拼装管片时，严防盾构机后退，确保正面土体稳定。4.1.6．同步注浆量限制。刚好进行同步注浆，使管片衬砌尽早支承地层，防止地层沉陷，同时依据监测状况来调整同步注浆量和注浆压力，既不能因过少、过小而造成河底沉降，也不能因过多、过大而造成河底隆起破坏,使河水涌入隧道。4.1.7．进度限制。为保证盾构顺当过河，过河时盾构应确保连续均衡施工。要配备足够的值班修理人员，一旦盾构机械发生故障能够刚好进行处理，确保盾构推动顺当进行。例如南京地铁在三山街至中华门盾构区间,需穿越内秦淮河。该处覆土很薄,在原河床条石基础下深度1.5m范围基本为碎石、碎砖等建筑垃圾,且盾构离抗浮板底只有80cm，造成上部覆土不能加固密实,简洁产生漏水、漏泥,使得隧道上部压力过小,隧道会产生向上漂移、下部产生空隙的现象。另外,盾构掘进时难以限制,盾构简洁出现偏移。因此,盾构穿越内秦淮河施工时实行了如下措施:

将碎石、碎砖等建筑垃圾清除并覆土回填,在其上面浇70cm厚的抗浮板；在顶板下对盾构正面土体进行压密注浆加固,注浆孔接受内径100mm的PVC管,加固深度为7m,孔位间距、孔位排距均为1m；在盾构两侧各做一排钻孔灌注桩。4.2盾构隧道沉降限制

沉降类型主要原因初始沉降地下水位降低,土体受挤压密开完面前方隆陷隆起:盾构机推力过大沉降:盾构机推力过小出碴过量盾构通过时地沉降施工震动扰动,剪切错动盾尾沉降土体失去盾构支撑,管片壁后注浆不及时固结沉降土体后续时效变形地面变形机理理地面变形的一般规律图

沉陷事故照片4.2.1削减对开挖面地层的扰动:

(1)在施工前做好施工区域内的地质状况调查,特殊是做好地下水的来源、流向及流量的调查,为施工做准备工作,提前制定出各种防治地表变形的措施,制定出防水、堵水方案和坍塌紧急处理预案。(2)提高施工的速度和连续性。做好施工组织，提高隧道施工速度，尽量避开盾构机在洞内停机。若盾构在中途检修或其他缘由必需暂停推动时，务必要作好防止后退的措施。(3)在盾构掘进时,严格限制开挖面的出土量，防止超挖。只要严格限制其进土量,地表变形仍旧是有可能限制的。(4)限制盾构推动时的纠偏量。常纠偏、小纠偏，这样就可以削减盾构在地层中的摇摆和对土层的扰动。同时避开纠偏须要的开挖面局部超挖。4.2.2做好盾尾建筑空隙的充填压浆

(1)保证压注工作的刚好性,尽可能缩短衬砌脱出盾尾的暴露时间,以防洞体坍塌引起的地层沉陷。(2)保证压注数量,限制注浆压力。压注量必需超过理论建筑空隙的体积，通常为1.1~1.5倍。但是,过量的压注会引起地表隆起及局部沿着地下水跑浆等现象,对管片受力状态也有影响。由于盾构纠偏、局部超挖、地层存在孔隙等缘由,往往使实际的建筑空隙很难正确估计。因此,还应以限制注浆压力,作为充填程度的标准。当压力急剧上升时,说明已充填密实,此时就应停止压注,对注入数量及注浆压力要兼顾。(3)改进压浆材料的性能。施工时,拌浆站要严格驾驭压浆材料的协作比,对其凝合时间、强度、收缩量要进行试验并不断改进。提高注浆材料的抗渗性能,这将有利于遂道防水,相应地也会削减地表的沉降。4.3盾构近距离穿越重要构筑物的施工盾构施工过程中，有可能近距离穿越既有铁路轨道、马路隧道、地铁隧道及其他重要建筑物。例如：北京地铁4号线灵镜胡同～西四区间，盾构将从已有770年历史的万松老人塔下穿过。上海地铁8号线曲阜路～人民广场区间盾构隧道从正在运营的2号线隧道上方1.34m处穿过。北京地铁10号线北土城～芍药居盾构区间下穿13号线芍药居车站。4.3.1在实施前必需对穿越区域的地质水文及地形进行调查，并依据该构筑物位置形态材质强度用途、允许变形量、选用的盾构机型及距盾构的相对位置等设计条件，进行施工影响程度的计算和评估，制定具体的施工方案；4.3.2穿越前必需在被爱护的构筑物上设置精密监测系统，在穿越过程中依据盾构与该构筑物的相对位置以及监测系统的即时监测数据，综合调控施工步骤及参数；4.3.3盾构在穿越构筑物期间应严格限制推动速度，对一般地层推动速度≤10mm/min为宜，困难区段6-8mm/min。主要施工措施：4.3.4合理精确地设定土压力是施工关键，尤其是在盾构接近构筑物起先产生影响至盾构头部到达构筑物下方期间。同时必需考虑盾构从建筑物下方穿越时的土压力损失值，严格防止超挖和欠挖；4.3.5土压平衡盾构施工时，必需充分考虑开挖土体的流淌性。必要时向开挖面适量加注泥浆或水，亦可接受气泡掘进工法；穿越施工必需考虑盾壳与四周土体的磨擦及粘附，必要时可向盾壳四周匀整少量加注泥浆；4.3.6盾构在曲线推动穿越时，必需精确计算（水平和竖向）纠偏量，并将其安排至全部推动行程中，严禁大幅度纠偏，推动时盾构水平纠偏量＜20mm/环，垂直纠偏量＜0.05度/环。出现大的偏移时，要考虑调线。4.3.7尽量缩短管片拼装时间，防止盾构机后退导致正面土压力降低。必要时可实行在管片拼装中途启动千斤顶或土仓内加压等技术措施；4.3.8在穿越过程中必需刚好进行同步注浆。穿越施工的同步注浆必需精确限制注浆量和注浆速率，否则将会使构筑物产生大的形变；同步注浆可接受惰性浆液或双液浆。注浆量主要依据距构筑物的位置和监测数据刚好进行调整，一般为理论建筑间隙的110％－150％，注浆压力0.3-0.5Mpa。4.3.9盾构穿越后应进行二次补浆，二次补浆的起先时间、注浆位置、注浆量与速率、补浆次数与间