盾构施工关键技术质量控制及其发展

钟显奇广东省基础工程公司盾构施工关键技术、质量控制及其发展盾构施工的关键技术洞门处理技术水土压力平衡技术和土石方排放地面沉降控制管片背后注浆姿态控制刀盘布置技术和混合地层施工技术急转弯技术质量控制措施SEW----ShieldEarthRetainingWall

SystemShieldEarthRetainingWallSystem始发井

到达井地盤改良地盤改良SEW壁SEW壁側壁砂材料ｴﾝﾄﾗﾝｽ支保工用于盾构始发和到达的SEW工法洞门处理技术ＳＥＷ（ShieldEarthRetainingWall）従来工法SEW工法ShieldEarthRetainingWallSystem地盤改良シールド機地盤改良FFU壁ｴﾝﾄﾗﾝｽ地盤改良範囲FFU材料的使用本区间左线盾构机始发是采用SEW工法进行盾构始发，它的工作原理就是在盾构始发洞门范围内的围护结构上，预先埋设一种玻璃纤维材料（简称FFU），形状大小可结合围护结构的形式进行预制，利用在材料两端的钢结构分别与围护结构的钢筋进行连接，以保证材料与围护结构钢筋笼的整体性，在围护结构施工时可随钢筋笼一起放入槽段（孔）内，然后浇注混凝土。运用FFU材料加固后的左线始发洞门左线盾构始发在盾构始发时，盾构机可以直接通过围护结构，对FFU进行切削，免除了传统上洞门凿除的工序，另外由于该材料在预埋时，根据围护结构的受力情况，考虑到其强度问题以保证洞门的稳定性，因此在盾构始发前，也可取消对端头进行加固的工作。盾构机切削FFU材料时排出的渣样水土压力平衡技术土压平衡在泥土仓内将土体拌和成流塑的“熟土”，“熟土”从螺旋出土器中排出，通过在泥土仓内压入泥浆或压缩空气，即使土体容易排出，同时维持压力的平衡。但螺旋出土器容易喷涌。泥水平衡通过泥水循环，维持一定的压力，保持地层的稳定，同时将土渣输送到地面。不同的地层，压力设定的方法不一样。淤泥：静止土压力，砂层：水压力，均加2m水头。管片管片拼装机管片拼装机pinzhuang24个盾构推进千斤顶同步注浆管硬岩刀盘软岩刀盘盾构机构造图盾构形式：泥水加压平衡式盾构；盾构外径：Φ6260；盾构机身长度：8170mm；总推力：36000kN；最大扭矩：6327kN·m；刀盘转速：0.2～3.4rpm；最大推进速度：6.7cm/min；背填注浆形式：双液浆（水泥浆＋水玻璃）泥水平衡盾构构机的原理开挖面被加以以大于孔隙水水压力的泥浆浆压力，使工工作面得以稳稳定。泥水平衡盾构构利用泥水平平衡开挖面压压力及输送掘掘削下来的土土体，是一种种先进的盾构构工法。泥水盾构的主主要特点：1、在易发生流流砂的地层中中能稳定开挖挖面。2、泥水压力传传递速度快而而均匀，开挖挖面平衡土压压力的控制精精度高，对开开挖面周边土土体的干扰少少，地面沉降降量的控制精精度高。3、盾构出土由由泥水管道输输送，速度快快而连续，减减少了电机车车的运输量，，保证安全及及文明施工。。4、需要较大规规模的泥水处处理设备及场场地。泥水循环流程程及泥水分离离处理泥水盾构通过过泥浆循环将将碴土携带到到地面，通过过泥浆处理场场将浆、碴分分离，碴土外外运，泥浆则则循环使用，，每台盾构机机泥浆循环量量约500m3/h。泥水处理设备备泥浆处理设备备在工作(2005.2.1)土渣分离系统统出渣情况(2005.2.1)泥浆池布置地面沉降控制制技术关键是压力控控制地面沉降控制制注浆效果示意意图壁后注浆层过江采用声纳纳法进行监测测采用了声纳法法对盾构过珠珠江时江底沉沉降进行监测测。声纳法监测点点布置示意图图江堤和过江段段沉降曲线Φ6260泥水平衡盾构构机侧面盾构机刀盘正正面刀盘布置技术术和混合地层层施工技术刀盘刀具配置置与选用主切削刀：贝贝壳刀→→→→滚刀（单刃刃及双刃滚刀刀）中心刀：鱼尾尾刀→→→中中心滚刀刮刀第一种断面：：古河道冲刷刷形成的典型型断面，接触触面含粗砂和和砾石，掘进进过程容易卡卡住刀盘。上软下硬地层层的两种断面面情况上软下硬地层层的特点上软下硬地层层施工而且该地层由由于明显的强强弱过渡，容容易对刀具产产生强烈的冲冲击而造成崩崩、裂的不利利影响。另外外，<8>中风化岩层层地层造成成掘进困难难，若掘进进缓慢，则则对上部的的<3-2>砂层容易产产生因过分分的扰动而而塌方。第二种断面面有如下情情况：底下下的<8>中风化岩层层地层掘进进困难，中中间的<6>、<7>地层容易产产生泥饼，，上部的<3-2>砂层容易塌塌方，因此此，泥浆性性能指标和和掘进参数数必须严格格控制好，，方能确保保掘进顺利利。该地层不具具备自然条条件下开仓仓换刀的条条件。大中区间地地质复杂多多变，刀盘盘断面上部部为<3-2>砂层、下部部为<8>、<9>岩层，是典典型的上软软下硬地层层，该岩层层完整性好好，且含砾砾石，对刀刀具的磨损损很大，刀刀盘也容易易结泥饼给给盾构的掘掘进带来了了极大的困困难。区间间左线在444环开仓换完完刀后（外外周9把滚刀，其其余为贝壳壳刀），掘掘进到510环开仓后检检查刀具发发现17贝壳刀磨损损严重。2）上软下硬硬地层对刀刀具的磨损损大1）上软下硬硬地层中沉沉降控制难难度大上软下硬地地层施工的的难点开挖面轨迹迹线非常清清晰，岩层层完整性很很好，岩石石成分主要要为泥岩、、砂质泥岩岩，局部存存在砾岩岩岩石强度约约10～30Mpa，部分地层层的泥岩中中含有很多多砾石，砾砾石强度高高达80～100Mpa。贝壳刀极其其容易磨损损，配置滚滚刀时，控控制也很关关键，否则则也容易出出现偏磨。。断层破碎带带岩样3）容易形成成泥饼盾构在高粘粘性土或泥泥质岩等地地层中掘进进时可能会会在刀盘尤尤其是中心心区部位及及土仓隔板板前刀盘支支撑之间产产生泥饼，，当产生泥泥饼后，泥泥饼会裹住住滚刀使用用滚刀偏磨磨，从而导导致掘进速速度急剧下下降，刀盘盘扭矩也会会上升，使使盾构掘进进困难，大大大降低开开挖效率。。掘进过程必必须做好对对刀具的保保护措施，，一旦刀具具磨损，盾盾构掘进将将变得异常常困难，甚甚至无法继继续掘进。。3.4.1选用合理的的刀具实践证明，，以滚刀为为主配置主主切削刀具具。本项目目在采用滚滚刀掘进后后，平均每每天掘进进进度为5～6环，且刀具具磨损在正正常范围内内，滚刀也也未出现偏偏磨。配置贝壳刀刀的刀盘配置滚刀的的刀盘上软下硬地地层施工的的主要技术术措施出洞刀具图图防泥饼及滚滚刀偏磨技技术措施⑴在有泥饼形形成条件的的地层，中中央操控人人员要严格格监测盾构构机的各种种参数，合合理的控制制掘进速度度，及时用用低比重优优质泥浆置置换土仓内内粘土，防防止粘土在在土仓内堆堆积，保证证刀盘开口口处通畅。。⑵在掘进过程程中每掘30cm清洗一次土土仓，防止止土仓内结结成泥饼。。可大大降降低泥饼的的形成或化化解初步形形成的泥饼饼。⑶对泥浆处理理设备的出出土温度进进行跟踪监监测，对土土仓隔板的的温度也进进行人工随随时探测。。以便及时时发现异常常苗头。实施效果广茂铁路的的沉降控制制地面沉降监监测点除了了沿隧道轴轴线方向按按要求布置置剖面监测测点和横剖剖面的监测测点外，在在隧道与铁铁路的交点点处另外增增设监测点点，并沿着着与铁路垂垂直的方向向布设横剖剖面的监测测点，同时时，在铁路路与隧道的的交点处两两侧的路基基上，相隔隔6m距离布两个个点，以监监测路基的的沉降。上软下硬地地层施工的的沉降控制情情况盾构过广茂茂铁路地面面沉降曲线线图地表的时间间沉降曲线线大~中区间段穿穿过广茂铁铁路后，左左、右线均均马上进入入急曲线段段，左线的的急曲线段段半径为260m，右线的急急曲线段半半径为290m，在急曲线线段内，左左、右线的的线路纵向向坡度均约约为3‰的下坡和23‰的上坡。小半径急转转弯盾构隧隧道施工技技术难题1：盾构机如如何在急转转弯段解决决盾构推力力问题？正常情况下下的纠偏和和＞R500m的转弯，通通常是采用用千斤顶的的偏选来使使盾构机转转弯或纠偏偏的，但对对于急转弯弯段来说，，千斤顶的的过分偏选选，将造成成两个问题题：①每个个千斤顶能能提供的推推力约120t，若选用的的千斤顶太太少，无法法提供盾构构掘进所需需的推力；；②管片受受力过于集集中，会对对管片产生生破坏。急转弯段施施工的难点点本工程最小小转弯半径径为260m，急转弯段段的地层既既有近乎全全断面岩层层也有全断断面的软弱弱土层（砂砂层和淤泥泥层）。实实现盾构机机转弯，有有如下难题题：难题2：在岩层中中掘进，如如何保证开开挖直径，，保证盾构构机在岩层层中能顺利利转弯而不不被岩层卡卡住？盾构机在岩岩层中转弯弯，需要的的超挖量是是多少如何何保证开挖挖直径，这这些，在掘掘进前必须须计算清楚楚，并制定定好相关措措施，使盾盾构机在岩岩层中能顺顺利沿计划划曲线转弯弯。如若盾盾构机在岩岩层中被卡卡住，将使使盾构机的的推力变得得很大，甚甚至无法掘掘进。难题3：在软弱地地层中掘进进，因盾构构机的阻力力和推力均均较小，如如何使盾构构机在掘进进过程中提提供足够的的侧向力，，使盾构机机能在软土土层中顺利利转弯？盾构机是一一个刚体，，在软土地地层中掘进进时，容易易出现整体体平移现象象，这使得得盾构机在在软弱土层层中掘进时时，同样须须预先制定定好相关措措施，使盾盾构机能顺顺利沿计划划曲线转弯弯。如若盾盾构机在软软弱土层中中无法转弯弯，将使盾盾构机远离离计划曲线线，施工失失败。难题4：如何使管管片受力尽尽量均匀，，以保护管管片？问题5：如何控制在侧侧向力的作用下下，不要产生过过大的偏移？隧道整体易因侧侧向分力向弧线线外侧偏移急曲线隧道每掘掘进一环，管片片端面与该处轴轴线的法线方向向在平面上将产产生一定的角度度，在千斤顶的的推力下产生一一个侧向分力。。管片出盾尾后后，受到侧向分分力的影响，隧隧道易向圆弧外外侧偏移从而可可能导致管片超超限。问题6：如何控制盾构构掘进的线形？？如何控制盾构构机姿态？出现现偏差怎么办？？在急曲线段，由由于盾构机本身身为直线形刚体体，不能与曲线线完全拟合。曲曲线半径越小、、盾构机身越长长，则拟合难度度越大。在急曲曲线段盾构机掘掘进形成的线形形为一段段连续续的折线，为了了使得折线与急急曲线接近吻合合，掘进施工时时需连续纠偏。。特别在缓和曲曲线段，每环甚甚至每米施工参参数都有所不同同，盾构机姿态态控制难度更大大。问题7：广州盾构施工工通用的环宽1.5m管片能否满足转转弯要求？问题8：管片如何选型型？要注意哪些些问题？如何使盾构机转转弯？盾构的急转弯主主要靠铰接装置置和千斤顶的选选用来实现盾构机的铰接装装置对于本工程最小小转弯半径为260m，若不开启铰接接是无法满足转转弯的。盾构机机启用铰接进行行曲线掘进，铰铰接的开启量于于曲线半径有关关，最理想的开开启量是：盾构构机在打开铰接接后，其前后体体均沿计划曲线线行走。根据这这一原则，可计计算本工程所采采用盾构机，在在打开铰接后，，其能转弯的最最小转弯半径为为163.95m，满足该转弯的的刀盘开挖的理理论超挖量为19.65mm。铰接开启量应该该是多少？刀盘盘开挖的超挖又又是多少？急曲线段铰接与与左右行程差使使用参数值参数缓和曲线段圆曲线段缓和曲线段R＝500m260m＜R≤500mR=260m260m＜R≤500mR＝500m铰接角度0.481°0.481°～0.925°0.925°0.925°～0.481°0.481°伸出量4.81cm4.81～9.25cm9.25cm9.25～4.81cm4.81cm左线环数433433～456457～728729～743744左右行程差14.4mm14.4~27.69mm27.69mm14.4~27.69mm14.4mm1)、使用铰接和彷行刀盾构机掘进进入入缓圆曲线后开开启盾构铰接装装置，配合开启启仿形刀进行超超挖，并依据设设计曲线半径及及盾构直径计算算铰接角度，开开启盾构铰接装装置，使得盾构构机前体与后体体的张角与曲线线吻合，预先推推出弧形趋势，，为管片提供良良好的拼装空间间。随着盾构进进入缓和曲线，，逐步减小水平平张角。急转弯段施工主主要技术措施2)、盾构掘进时预偏偏为了控制隧道轴轴线最终偏差控控制在规范要求求的范围内，盾盾构掘进时，考考虑给隧道预留留一定的偏移量量。将盾构沿曲曲线的割线方向向掘进，管片拼拼装时轴线位于于弧线的内侧，，以使管片出盾盾尾后受侧向分分力向弧线外侧侧偏移时留有预预偏量，预偏量量控制在40mm～60mm左右。3)、注意管片选型为满足急转弯施施工要求，在缓缓和曲线段内，，开始使用环宽宽为1.2m管片，其管片结结构形状均为通通用形式，楔形形量皆为41mm的双边楔形管片片。根据每环掘掘进完后盾构的的行程差来安排排F块的安装位置，，以此来保证管管片姿态跟着盾盾构姿态走。4)、控制掘进速度与与推力在常规隧道施工工时，为了保证证进度，盾构机机掘进速度往往往达到20～30mm/min左右，同时产生生的推力也较大大。因此，必须须适当地降低掘掘进速度，掘进进速度控制在10～15mm/min左右，降低千斤斤顶总推力，同同时也意味着降降低侧向分力，，有利于减少隧隧道向弧线外侧侧的偏移量。5)、加强注浆质量与管理理在急曲线段，注注浆采用双液浆浆，因双液浆为为瞬凝性浆液，，具有较高的早早期强度、良好好的流动性和填填充的均匀性，，可以在较短的的时间内将建筑筑空隙填充并达达到一定的强度度，与原状土共共同作用，有效效减小管片受侧侧向压力影响在在建筑空隙范围围内向弧线外侧侧的偏移量。在在注浆时，特别别注意加强对管管片外弧侧的注注浆，通过注浆浆防止或减少管管片向外弧侧的的偏移，并为盾盾构机转弯提供供足够的侧向力力。急转弯段管片与与计划轴线的偏偏差情况实施结果急转弯段管片偏偏移情况急转弯隧道施工工后情况结论：采用以铰接为主主，通过适当的的铰接开启量，，用千斤顶的选选用辅助调整，，是实现盾构机机在小曲率半径径曲线中顺利掘掘进的最好方法法，加强管片外外弧侧注浆，防防止管片侧移，，为盾构机转弯弯提供足够的侧侧向力，是盾构构机实现转弯的的保证。盾构吊装把LSD-200液压提升机安装装在钢结构吊装装架上，用64条Φ18mm×30m的高强钢索的两两端分别联接到到LSD-200液压提升机和320t的盾构机上，调调整好吊装重心心和用1t手拉葫芦把64条高强钢索的均均匀受力后，用用上锚锁锁紧高高强钢索，起动动LSD-200液压提升机缓慢慢吊起，每吊起起500mm后用下锚锁锁紧紧高强钢索，把把上锚锁松开并并回退500mm,重新锁好高强钢钢索，松开下锚锚锁，继续提升升盾构机，反复复进行。当高出出地面1100mm时，钢结构吊装装架进行平移，，平移到位后，，固定放置在预预先准备好的运运输车上，如右右图所示。上锚下锚吊装架盾构机油泵站油管盾构运输盾构机运输时，，运输车行驶速速度控制在5km/h以内。平路采用用1台拖头在前牵引引，通过较大坡坡度（>3％）纵坡时采用用2台拖头前拉后推推。驶入盾构场场地时，将后面面拖头解下，由由一个拖头拖入入场地内并进行行转弯，驶入停停放位置后，将将液压全挂车的的高度降低存放放，等待吊入盾盾构井。盾构运输通过厦厦滘村牌坊R260m急转弯段SEW工法始发上软下硬地层55‰大坡度段过广茂铁路约260m宽珠江河岸陡坡全断面硬岩工程实例隧道基本情况每个区间长度约约1000m覆土厚度：5～25m隧道直径：φ6000平曲线情况：大～中区间线路路线型以曲线为为主，有2个曲线段，占该该区间总长的58％，曲线最小转弯弯半径为左线R260m、右线R290m。最大下坡为55‰，最大上坡为21.785‰‰管片情况：环宽宽1.5m和1.2m，管片楔形量分分别为38mm和41mm地质情况【大坦沙南～中中山八站区间】】隧道洞身地层层统计比例图【中山八站～西西场站区间】隧隧道洞身地层统统计比例图

广东省基础工程公司【大坦沙南～西场站盾构区间】大坦沙南－中山山八站地质纵断断面图55‰下坡段、全断面面软土,江底覆覆土约5米隧道洞身主要穿穿越<3-2>砂层隧道洞身主要穿穿越上软下硬层层广茂铁路宽约160米珠珠江中山八站－西场场站地质纵断面面图隧道洞身主要穿穿越<7><8><9>风化岩层260米宽的珠江盾构过江312米宽的珠江三枝枝香水道（2005.3.30）505米宽的南珠江（（2005.3.30）泥水盾构越江基基本情况盾构隧道由西往往东下穿宽度约约260m的珠江。江中线线以西约100m范围内，江底隧隧道线间距13m，坡度55‰，覆土厚度最小小仅有5m，小于1倍的盾构直径。。在过江隧道的南南侧，有一条Φ800过江自来水管，，水管离隧道最最近的地方正好好在珠江西岸的的江堤处，距隧隧道约10m，因此盾构施工工通过该江堤段段时，存在一定定的风险。Φ800过江自来水管盾构隧道隧道与水管间距最近处过江段地质情况况：隧道过江段段的洞身地层主主要为<2-1A>淤泥、<2-2>淤泥质砂层和<3-2>中粗砂层。隧道道底部存在少量量的<3-3>卵石层、<7>、<8>红层岩的强、中中风化。隧道的的覆土层为<2-1A>淤泥层及<2-2>淤泥质砂层。地地表水与砂层及及岩体裂隙水水水力联系密切，，富水性强。左线右线珠江西岸江堤基基础为抛填石，，该基础底部与与盾构隧道间的的净距仅为4m；而在过江水管管与江堤相交处处，其基础为钢钢筋混凝土预制制沉箱基础，基基础底部有桩伸伸至持力层。在在盾构施工时，，应有效控制河河堤和自来水管管的沉降，特别别要绝对防止抛抛填石基础的块块石进入土仓。。江堤情况安全过江的原则则与过江风险1）安全过江原则则：连续掘进，，快速通过！2）过江风险分析析①切口压力：因隧隧道顶部覆土层层以淤泥、淤泥泥质砂层和中细细砂层为主，稳稳定性和抗击穿穿能力差。切口口压力太小会坍坍塌，太大会击击穿覆土层。必必须设定合适的的切口压力后，，还要保证压力力稳定。一旦切切口压力波动，，对覆土层扰动动是双向反复作作用，更容易造造成失稳坍塌，，坍塌后回填困困难，土仓堵塞塞，切口压力失失去控制，盾构构难以继续掘进进。②盾尾密封：如若若盾尾漏浆严重重，一方面导致致切口水压下降降，刀盘前方土土体失稳；另一一方面，隧道内内大量淤积泥浆浆，若抽排不及及时，将造成盾盾构机被淹没。。③③沉降监测测：掘进过程中中沉降监测是信信息法施工最重重要的基础，是是保证施工安全全的必要措施。。而河床的沉降降监测比陆地复复杂的多，一方方面是工作环境境，另一方面是是河床的动态特特征。过江风险分析过江堤段技术措措施盾构机过江堤段段施工措施1从地面情况分析析，江堤的地面面高度由高至低低分别是：混凝凝土路面→江堤堤斜坡段→珠江江江堤，因此，，从覆土厚度的的变化情况来看看是一个渐变的的过程，同时也也为过江堤段提提供了一个较好好的过渡段。2泥浆采用高浓泥泥浆，泥浆的粘粘度应在25s以上，泥浆比重重控制在1.15～1.20的范围内，同时时控制好切口水水压的波动性，，必要时可采用用逆推掘进。3盾构机采用快速速通过为原则，，掘进速度一般般控制在3.5cm/min，如条件允许可可增至4cm/min。4派测量人员随时时监测珠江潮位位的变化，并把把测得数据及时时反馈到中控室室以指导施工。。中控室人员应应根据数据，在在过江堤段时，，每环掘进需重重新设置切口水水压，以保证江江堤的安全和掌掌子面的稳定。。5盾构机过江堤段段时管片环数应应为71环～77环，根据江堤的的覆土厚度和珠珠江水位的变化化，拟定这几环环开始掘进时的的切口水压设定定值详见下表，，并根据下一环环的切口水压设设定值，在推进进过程中逐步均均匀调整切口水水压；其中第77环的切口水压须须根据潮水位情情况进行调整。。环数717274757677切口水压170160160155150140（高潮）130（低潮）过江的措施：在江堤河床底的地地段，在河床