绪论隧道施工工法

隧道施工机械主讲人：漆俐西南交通大学峨眉校区2012年8月当前1页，总共140页。

常用隧道施工工法当前2页，总共140页。浅埋暗挖法明挖法当前3页，总共140页。矿山法盾构法顶管法当前4页，总共140页。岩石掘进机沉管法当前5页，总共140页。Section1

隧道施工工法的对比序号施工方法环境场地要求优点缺点发展方向1明挖法市郊施工场地开阔，软岩和土体，如北京和天津地铁进度快，工作面大，便于机械和大量劳动力投入破坏环境生态，影响交通，带来尘土和噪声污染1）有效井点降水系统；2）可靠的支撑系统；3）大型土方机械，混凝土搅拌及运输机械2矿山法岩石和坚硬土体，如青岛和重庆地铁地面干扰小，造价低进度慢，劳动强度高，风险大1）多臂钻孔台车，自动装药引爆装置；2）光面爆破，喷锚支护，监控数据反馈指导设计和施工方法3暗挖法埋深较浅对土体进行冻结、注浆、深层搅拌桩加固地基，棚管法加固，浅埋车站，如北京、哈尔滨等城市地铁地面干扰小，造价低，便于土法上马机械化程度低，劳动强度高，环境恶劣，风险大1）发展可靠的浅地层地基处理技术；2）小型灵活的地下开挖机械；3）可靠的临时支护措施和机具表1当前6页，总共140页。序号施工方法环境场地要求优点缺点发展方向4盾构法和顶管法城市软地层、深埋隧道，如上海、广州、北京等城市地铁地面影响小，机械化程度高，安全，工人劳动强度低，进度快机械设备复杂，价格昂贵，施工工艺繁，专业施工队伍1）开发适用不同地质条件，自动更换刀盘的气压、土压泥水平衡盾构和顶管，超前探测排障技术；2）钢纤维挤压混凝土衬砌；3）三维仿真计算机管理系统，管理信息化，自动化；4）自动导向，中途对接异型盾构5沉管法(连续沉井)跨越江河湖海，软地基，如广州、宁波、上海过江隧道造价省，速度快，隧道断面大封锁江河水面，专门的驳运、下沉、对接的机具，水下作业，风险大大型涵管制作及驳运技术；2）地下定位对接、防水技术6凿岩机法（TBM）坚硬岩石地质，如广州地铁速度快，机械化程度高，安全，地面无干扰造价高，使用掌握复杂，刀具易磨损1）开发国产高性能凿岩机；2）改进高强合金刀具；3）完善后配套系统；4）超前不良地质探测系统续表1Section1

隧道施工工法的对比当前7页，总共140页。二、盾构法隧道的基本原理、技术现状和发展趋势当前8页，总共140页。1788年英国人提出了在伦敦地下修建隧道横贯泰晤士河的设想，后因竖井挖不到足够深度而受挫；4年后Torevix决定在另一处建造横断泰晤士河的隧道，但当工程掘进到最后30m时，开挖面急剧涌水，隧道被淹。1802年英国采矿工程师阿贝尔·马蒂厄提出了修建英吉利海峡隧道的设想，计划从英法两岸采用一种有掩体结构的挖掘机修筑隧道，并在海峡地下通道的中间设计一个人工岛，隧道照明由油灯提供，而烟囱将提供通风，如图所示。2.1盾构法隧道的起源当前9页，总共140页。1806年，法国工程师布鲁诺尔（Brunel）在伦敦从蛀虫在船板上钻孔并用分泌物涂在孔的四周中得到启示，最早提出了盾构掘进隧道的原理并注册了专利。Brunel注册专利的盾构（1806年）当前10页，总共140页。1825年，布鲁诺尔第一次在伦敦泰晤士河下用一个断面高6.8m，宽11.4m的矩形盾构修建第一条盾构法隧道，该隧道于1843年建成，目前为东伦敦铁道线的一部分，目前已营运160多年。1866年，莫尔顿申请“盾构”专利。盾构最初称为cell或cylinder，在莫尔顿专利中第一次使用了“盾构”（shield）这一术语。当前11页，总共140页。1874年，格瑞海德开发了液体支撑隧道工作面的盾构，通过液体流，土料以泥浆的形成排出。1869年，英国人格瑞海德首次开发了圆形盾构，并第一次采用了铸铁管片。格氏圆形盾构后来成为大多数盾构的模型。

格瑞海德泥浆盾构当前12页，总共140页。1886年，格瑞海德在伦敦地下施工中首次将压缩空气方法与盾构掘进相结合使用。1876年英国人荻克英森.布伦敦和姬奥基.布伦敦申请了第一个机械化盾构专利；1896年，德国人哈姬在柏林为第一台德国盾构申请了专利。当前13页，总共140页。1964年英国人摩特、安德森等申请了泥水加压平衡盾构的专利；1967年第一台用刀盘切削土体和水力出碴的泥水盾构在日本投入使用，这台盾构由三菱公司制造，其直径为3.1m。

1963年，日本SatoKogyo公司首先开发出土压平衡盾构。1974年第一台土压平衡盾构在日本东京使用。到20世纪80年代，盾构工法已经得到长足发展，形成并完善了圆形断面的各种平衡方式的盾构工法——挤压盾构（网格盾构）、压气盾构、土压盾构、泥土加压盾构、泥水盾构等，但以泥水盾构和土压盾构工法为主。当前14页，总共140页。

盾构机（ShieldMachine）（简称盾构）是一种用于软土隧道暗挖施工，具有金属外壳，壳内装有整机及辅助设备，在其掩护下进行土体开挖、土碴排运、整机推进和管片安装等作业，而使隧道一次成形的机械。盾构是一种既能承受地层压力、又能在地层中掘进的隧道专用工程机械，现代盾构集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。盾构已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程。以盾构为核心的一整套完整的建造隧道的施工方法称为盾构工法（简称盾构法）

，采用盾构法修筑的隧道称为盾构法隧道或盾构隧道。2.2盾构工法的概念及优缺点当前15页，总共140页。优点：（1）在盾构支护下进行地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响，能较经济合理的保证隧道安全施工。当前16页，总共140页。（2）盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实现自动化、智能化和信息化，掘进速度快，劳动强度低，安全性高。当前17页，总共140页。（3）地面人文自然景观受到良好保护，周围环境不受盾构施工干扰，在松软地层中开挖埋深较大的长距离、大直径盾构隧道，在经济、技术、安全等方面具有优越性。当前18页，总共140页。缺点：（1）盾构机械造价昂贵，地铁隧道用盾构机价格在4000元～5000万元左右，隧道较短时经济性较差。（4）隧道衬砌、运输、拼装、机械安装等工艺复杂，同时需要设备制造、衬砌管片预制、场地布置、盾构转移等不同施工技术的相互配合，系统工程协调复杂。（2）隧道曲线半径过小时施工较为困难。（3）隧道埋深太浅，则盾构法施工困难很大，地表沉隆很难控制。当前19页，总共140页。2.3

盾构施工工艺当前20页，总共140页。盾构工法的基本过程（1）在盾构隧道的始发端和到达端各修建一个竖井；（2）盾构机在竖井内安装就位；（3）依靠千斤顶推力（作用在已拼装好的衬砌环上），将盾构从始发竖井始发；（4）盾构在地层中沿着设计轴线掘进，同时不断出土和安装管片环，并及时向盾尾空隙内注浆，防止地层下沉；（5）盾构进入到达竖井后拆除。当前21页，总共140页。竖井当前22页，总共140页。盾构机组装当前23页，总共140页。盾构始发当前24页，总共140页。盾构掘进盾构机掘进主要包含：刀盘旋转掘削土体、渣土排出、管片拼装、脱环及盾尾注浆等过程。当前25页，总共140页。盾构到达竖井（或基坑）成都地铁当前26页，总共140页。西安地铁当前27页，总共140页。挖土运输系统土压平衡盾构当前28页，总共140页。挖土运输系统泥水平衡盾构当前29页，总共140页。拼装管片（1）：落地块位置千斤顶回缩，拼装落地块盾构推进：在保持正面压力平衡条件下，边推进边出渣，顶进一环拼装管片（4）：拼装封顶块拼装管片（2）：标准块位置千斤顶回缩，拼装标准块管片现场堆放：检查修补破损，粘贴止水橡胶条、传力衬垫拼装管片（3）：邻接块位置千斤顶回缩，拼装邻接块管片垂直运输：用龙门架将管片装运到电瓶车上管片水平运输（1）：用电瓶车将管片运至盾构机内千斤顶顶进：千斤顶顶进一环环宽距离泥浆注入：在保持正面压力一定的情况下，不断注入新鲜泥浆管片水平运输（2）：用单轨葫芦吊沿导梁将管片运至工作面泥浆运输：用泥浆排送管路将泥浆运送至泥浆处理设备,处理排放穿连接螺栓及嵌缝：将管片连成整体隧道衬砌,并做嵌缝堵漏处理.壁后注浆：用惰性或活性浆液填塞管片壁后空隙，并用以防水封堵手孔：用同色混凝土封堵手孔，防止穿孔螺栓生锈腐蚀二次紧固穿孔螺栓：将螺栓拧紧，增加隧道刚性铺设道轨及管路：盾构机前进同步铺设电瓶车及机架道轨以及相应管路二次注浆：对局部隧道渗漏点进行二次注浆防水预拌注浆浆液：在工作井附近拌制壁后注浆浆液壁后注浆浆液运输：用管路将浆液运至注浆桶盾构施工工艺流程图当前30页，总共140页。1、按照平衡开挖面的方式A、插板式B、挤压网格式C、土压平衡式D、泥水平衡式E、加泥式F、加水式2.4盾构机的种类当前31页，总共140页。2、按照机械化程度A、人工B、机械化C、全自动化3、按照施工过程中的运输方式A、皮带传送B、泥浆泵C、手工挖小车推当前32页，总共140页。4、按照掌子面敞开程度A、全敞口B、半敞口C、全封闭（面板式、条幅式、开口率）5、断面形式A、单圆B、双圆C、三圆D、矩形E、球形当前33页，总共140页。不同敞开程度的盾构全敞开式部分敞开式密闭式能直接看到全部掘削面状况的形式。在掘削面与内仓之间设有一层隔板，故无法直接观察掘削面状况，只能靠一些传感器间接地掌握掘削面状况。只能看到部分掘削面状况的形式。当前34页，总共140页。全敞开式盾构掘削面呈裸露状态，故掘削状态是干挖，出土效率高特点：根据机械化程度差异分三类：人工挖掘式、半机械式、机械式。适用地层：适用于掘削面自稳性好的地层（洪积层压实沙、沙砾、固结粉砂及粘土等），对于自稳性差的地层（冲积层中的砂层、粉砂层及粘土层）应辅以压气、降水、注浆加固等措施，以确保掘削面的稳定。当前35页，总共140页。当前36页，总共140页。部分敞开式盾构主要指网格挤压式盾构，又称为窗闸式盾构。适用范围：利用盾构切口的网格将正面土体挤压并切削为小块，同时以切口、封板及网格板与土体间的摩阻力来平衡正面地层侧向压力，达到开挖面的稳定。特征：因正面网格开孔出土面积较小，适宜在软弱粘土层中施工。在局部粉砂层可以辅以局部压气法来稳定正面土体。因对正面土体存在挤压扰动，较难有效地控制地表沉降，不宜在建筑物密集地方使用。当前37页，总共140页。上海排水隧道网格盾构上海打浦路越江隧道网格盾构Φ10.22m当前38页，总共140页。密闭式盾构泥水平衡式削土式土压平衡式加泥式气泡材矿物类添加材（膨润土）树脂材硅溶胶式。。。。。当前39页，总共140页。当前40页，总共140页。当前41页，总共140页。辐条形面板形刀盘由辐条及辐条上的刀具构成，特点为：刀盘扭矩小，排土容易，土仓压力可有效地作用在掘削面上。多用于土压盾构。刀盘由面板、刀具、槽口组成，特点为：面板直接支撑掘削面，即具有挡土功能，有利于掘削面稳定，但粘土易粘附在面板表面，妨碍刀盘选择，进而影响掘削质量。泥水盾构和土压盾构均可采用。2.5盾构刀盘的正面形状当前42页，总共140页。辐条形当前43页，总共140页。面板形当前44页，总共140页。TBM(TunnelBoringMachine)又称为隧道掘进机，主要应用于山岭隧道、引水隧洞等工程，盾构机（ShieldMachine)则主要应用于城市地铁隧道工程，而在越江海隧道工程等场合中，两者所指往往相同。TBM分为三类：无护盾TBM、单护盾TBM和双护盾TBM.2.6TBM与盾构的区别当前45页，总共140页。

TBM与盾构的区别有2点：一是TBM不具备平衡掌子面的功能，而盾构则采用土压力或泥水压力平衡开挖面的水土压力。二是TBM采用皮带机出碴，而盾构则采用螺旋输送机出碴或采用泥浆泵通过管道出碴。当前46页，总共140页。2.7泥水盾构的基本原理全敞开式盾构的局限性：应用于掘削面具有自立性的地层，对于自立性较差的软弱地层，必须辅以压气、降水、注浆等措施，以确保掘削面的稳定。但这些措施存在以下问题：1.当气压过大时，操作人员会患高压病，直接威胁人体健康；2.降水会引起地下水位下降，引发一系列的环境问题；3.全线注浆加固地层时，导致工程造价上升，而且采用有机浆液时还会使地下水遭受污染。挤压式盾构的局限性：适用土质范围较小。而且易引起地层较大的隆起或沉降。为了克服上述弊端，人们开发了泥水平衡式盾构、土压平衡式盾构等密闭式盾构工法。当前47页，总共140页。当前48页，总共140页。泥水平衡式盾构就是：在刀盘后方设置一道封闭隔板，使得隔板与刀盘之间形成一个密闭的空间，即泥水舱，将水、粘土及添加剂混合制成的泥水，经输送管道压入泥水舱，当盾构机向前推进时，推进力通过以泥水作为介质而传递到掘削面的土体上，及泥水对掘削面上的土体作用有一定的压力，该压力称为泥水压力。为了维持掘削面的稳定，通常该压力按下式设定：泥水压=地下水压+土压+预压当前49页，总共140页。刀盘掘削下来的土砂进入泥水舱，经搅拌后含掘削土砂的高浓度泥水，由泥浆泵送到地表的泥水分离系统，进行水、土分离后，再把泥水重新压回泥水舱，如此不断循环地掘削、排土、推进。由于是泥水压力使得掘削面稳定平衡，故称其为泥水加压平衡式盾构，简称泥水盾构。泥水盾构由于需要配套的泥水处理系统，相对于土压盾构而言，需要额外的占用地面资源，这对于建筑物密集的城市地铁而言无疑是十分苛刻的，这也是为什么城市地铁没有大量采用泥水盾构的主要原因之一。当前50页，总共140页。地面泥水处理系统当前51页，总共140页。泥水的作用形成泥膜及稳定掘削面运送掘削土砂★泥膜的形成过程由于泥水压大于掘削地层的间隙水压(即地下水压)，泥水中的细粒成分及水通过地层间隙流入掘削地层。其中，细粒成分填充地层间隙，使地层的渗透系数变小。随着时间的增加，地层间隙被细粒成分填充的越来越充分，地层的渗水系数越来越小,最后完全被填充。当前52页，总共140页。显然，泥膜生成后，泥水舱内的泥水再不能进入掘削地层(即杜绝了泥水损失，保证了泥水压力有效地作用在掘削面上)，与此同时掘削地层中的地下水也不能涌入泥水舱，这就是泥水的双向隔离作用，保证了掘削面的稳定，防止掘削面的变形、坍塌及地层沉降。另外，由于泥水中的粘土颗粒带负电荷，而地层土颗粒带正电荷，故泥水中的粘土颗粒吸附聚集在掘削面的表面，形成一层均匀的泥膜。综上所述，形成泥膜的因素有：渗透填充因素和表面吸附聚集因素。必须具备如下一些特性：物理稳定性好；化学稳定性好；泥水的粒度级配、相对密度、粘度要适当；流动性好；成膜性好。★泥膜的性能要求当前53页，总共140页。泥水压力可按下式设定：

泥水压=地下水压+土压+预压

①地下水压砂土地层中：为孔隙水压粘土地层中：计入土压力中②土压：指掘削面上的水平方向的作用土压力。浅埋：为静止水平土压力，计算式如下：深埋：为根据松动土压力计算而得的水平主动土压力。P0=K0·γ·H

p0——静止水平土压力；

K0——静止侧压力系数。Pa=Ka·pe

Pe——Terzaghi松弛土压力Ka——主动土压力系数当前54页，总共140页。2.8土压平衡式盾构的基本原理当前55页，总共140页。当前56页，总共140页。土压盾构与泥水盾构的差异是保持密封土舱内的承压介质不同：泥水盾构对应的介质为泥水；土压盾构对应的介质为泥土。但是稳定掘削面的基本原理是一致的。土压盾构推进时其前端刀盘旋转掘削地层、土体，掘削下来的土体涌入土舱，当掘削土体充满土舱时，由于盾构的推进作用，致使掘削土体即对掘削面加压。当该加压压力(削土土压)与掘削地层的土压+水压相等，随后若能维持螺旋输送机的排土量与刀盘的掘土量相等，把这种稳定的出土状态称为掘削面平衡，即稳定。泥土压的设定方法与泥水盾构的泥水压的设定方法相同。当前57页，总共140页。要想维持排土量与掘土量相等，掘削土必须具备一定的流塑性和抗渗性。有些地层的掘削土仅靠自身的塑流性和抗渗性，即可满足掘削面稳定的要求。这种利用掘削土稳定掘削面的盾构称为削土盾构。此外，多数地层土体的塑流性、抗渗性无法满足稳定掘削面的要求，为此须混人提高流塑性和抗渗性的添加材，实现稳定掘削面的目的。通常把注入添加材的掘削土(称为泥土)盾构称为泥土盾构。削土盾构和泥土盾构统称为土压盾构，两者的区别是前者不用添加材，后者使用添加材。土压盾构掘削面稳定的必要条件如下：①泥土压必须可以对抗掘削面上地层的土压和水压。②必须可以利用螺旋输送机等排土机构，调节排土量。③对必须混入添加材的土质而言，注入的添加材必须可使泥土(混入添加材的掘削土)的塑流性和抗渗性提高到满足掘面稳定要求的水准。当前58页，总共140页。20世纪80年代以来，盾构工法发展极快，代表性工程有：日本采用泥水平衡式盾构（Φ14.14m）东京湾横断公路隧道，该隧道采用双层衬砌，管片外径为13.9m，内径为12.6m，厚度为65cm，内侧现浇35cm厚的二次衬砌。英、法两国在汇聚了英、法、德、日、美等国先进盾构施工技术基础上，联合建造了英吉利海峡隧道，该隧道全长48.5km，海底段长37.5km，最大埋深100m，管片衬砌承受的最大水压为1.0MPa。2004年建成的格雷恩哈特隧道采用了当时世界上最大的泥水盾构（Φ14.87m

），该盾构由法国迈通公司设计制造。。。。。。2.9盾构技术的现在和发展趋势当前59页，总共140页。泥水、土压盾构工法得到全世界范围内的普及和推广，技术细节不断完善、改进和提高。特种盾构工法相继问世，如双圆盾构、三圆盾构、矩形盾构、马蹄型盾构、球体盾构、母子盾构、ECL盾构等。大深度、大口径、长距离、高速施工、高水压等各种施工措施及方法的成功应用。特种施工技术，如盾构地中对接技术、隧道竖井一体化施工技术、盾构直接进出井技术等。目前盾构工法的发展具有以下特点：当前60页，总共140页。2.10我国盾构技术概况1953年，我国首次采用手掘式盾构修建了直径2.6m的疏水巷道。1966年，首次采用直径10.22m网格挤压盾构，修建了第一条水底公路隧道——上海打浦路越江公路隧道工程主隧道。1986年，研制出半断面插刀盾构，并用于修建北京地铁复兴门折返线。1987年，研制成功了我国第一台4.35m加泥式土压平衡盾构。1996年，从日本引进了直径为11.22m泥水加压平衡盾构，并用于上海延安东路隧道南线工程。2004年，我国首台具有自主知识产权的国产地铁盾构“先行号”投入上海地铁工程建设。。。。。。。。目前，我国盾构技术主要应用于城市地铁隧道、越江海隧道，以及越岭隧道和引水隧洞。当前61页，总共140页。在城市地铁中的应用：北京地铁；上海地铁；广州地铁；深圳地铁；成都地铁；天津地铁；杭州地铁；西安地铁；在越江海隧道中的应用：重庆主城区排水隧道：采用Φ6.6m泥水盾构施工，已建成；南水北调穿黄工程引水隧道：采用Φ8.8.m泥水盾构施工，在建中；南京地铁；武汉地铁；沈阳地铁；。。。。。当前62页，总共140页。南京长江隧道（Φ14.96m泥水盾构）：长3.8km，双向六车道，已开工。上海崇明岛隧道:隧道外径达15.2m，长8.95km，双向六车道广深港高速铁路狮子洋隧道（Φ11.2m泥水盾构,隧道内径9.8m，长10.9km）杭州庆春路越钱塘江公路隧道（双向4车道，隧道外径12m，长5.37km)。。。。。武汉长江隧道（Φ11.38m泥水盾构）：2004年开工，为万里长江首条越江交通隧道。当前63页，总共140页。虽然我国积累了丰富的盾构隧道施工经验，但是由于我国制造业的发展长期滞后，目前尚未掌握盾构机制造的核心技术，国内的盾构机市场长期被德国、日本等盾构机生产厂商占据，这与我国大规模的土木工程建设是极不相称的，这也是我国盾构发展的一大遗憾!当前64页，总共140页。三、盾构机安全操作事项及常见问题分析当前65页，总共140页。安全事项都是为了认识和避免危险状况的发生，适用于人员的安全和设备的保护，任何和盾构操作有关的人员应严格遵守！3.1盾构机安全操作事项安全事项对操作者的要求安全保障设备危险区域当前66页，总共140页。对操作者的要求操作者必须有较强的责任心；经过安全知识培训；遵守安全规定；当前67页，总共140页。安全保障设备 紧急状态停止按钮警示灯、警报器紧急照明防火设备气体测定联络系统当前68页，总共140页。危险区域土仓人员舱管片吊运、安装区域碴土运输区域液压高压作业区高电压区域当前69页，总共140页。3.2盾构进、出洞常见问题盾构后靠支撑位移及变形盾构基座变形常见施工质量通病有：凿除封门时产生涌土盾构出洞段（出竖井）轴线偏离设计盾构进洞时（进竖井）姿态突变盾构进、出洞时洞口土体大量流失当前70页，总共140页。原因分析：洞口土体加固质量不好，强度未到达设计或施工要求而产生塌方，或者加固不均匀，隔水效果差，造成漏水、漏泥现象。在凿除洞门混凝土或拔出洞门钢板桩后，盾构面板为及时靠上土体，使正面土体失去支撑，造成塌方；洞门密封失效，造成水土流失；到达竖井时土压力未及时下调，致使洞门装置破坏，洞外土体踏入井内。。。。。洞口土体大量流失将会造成竖井外侧地表大量沉降，甚至造成事故。当前71页，总共140页。3.3土压盾构掘进常见问题正面阻力过大可能会造成推进困难和地面隆起变形原因分析：刀盘进土开口率偏低，进土不畅。正面地层土质发生变化刀盘正面遭遇较大块状的障碍物推进千斤顶漏油。。。。。当前72页，总共140页。平衡压力过量波动开挖面平衡土压力与理论压力值或设定压力值发生较大的偏差。原因分析：推进速度与螺旋出土器排土速度不匹配在砂土地层中，螺旋出土器摩阻力大或形成土塞而被堵住，使得出土不畅，引起开挖面平衡压力急剧上升盾构后退，使得平衡土压力下降土压力传感器故障。。。。。当前73页，总共140页。螺旋出土器出土不畅螺旋出土器内形成阻塞，负荷增大，甚至不能出土。原因分析：盾构开挖面平衡压力过低，无法在螺旋机内形成足够的压力，从而不能正常出土；在砂土地层或强度较高的黏性地层中，土与螺旋出土器间摩阻力大，使得电机负荷增大，造成出土困难；掘削土流塑性不高，进入螺旋出土器困难；大块的漂石、砾石进入螺旋出土器，卡住螺杆；。。。。。当前74页，总共140页。3.4泥水盾构掘进常见问题平衡压力过量波动开挖面平衡泥水平衡压力与理论压力值或设定压力值发生较大的偏差。排泥管堵塞，排泥不畅，导致开挖面泥水压力陡然上升泥水系统的各项施工参数设定不合理，泥水循环不能维持动态平衡管片拼装时的盾构后退、拆接泵管等也可使平衡土压力下降。。。。。原因分析：当前75页，总共140页。施工过程中地面冒浆在泥水平衡盾构施工过程中，盾构切口前方地表出现冒浆。原因分析：盾构穿越地层的地质条件发生突变盾构隧道覆土过浅开挖面泥水压力设定值过高泥水性能指标与地层不匹配同步注浆压力过高，引起地表冒浆。。。。。当前76页，总共140页。3.5壁后注浆中的常见问题沿隧道轴线地层变形量过大地层变形过大会引起地面建筑物和地下管线损坏。原因分析：盾构掘进后不能同步地进行注浆浆液质量不好，强度达不到要求，没有起到支护作用注浆过程不均匀，注浆压力时大时小、注浆量时多时少，甚至不注浆，造成对土体结构的扰动破坏，使地表沉降过大。。。。。当前77页，总共140页。3.6管片拼装常见问题管片碎裂指管片在拼装过程中产生裂缝甚至断裂现象。原因分析：管片环面不平整、管片环上翘下翻等，使得后拼管片在千斤顶反力作用下受力极不均匀，容易造成管片表明裂缝，甚至顶断管片；管片拼装时相互位置错动，管片间没有形成面接触，盾构推进时在接触点产生应力集中而产生角碎裂；邻接块开口量不够，在插入封顶块时间隙偏小，若强行插入容易导致封顶块或邻接块管片受挤压而角崩落或开裂。。。。。当前78页，总共140页。四、《盾构掘进隧道工程施工及验收规范》主要技术内容当前79页，总共140页。4.1总则1.0.1为了加强盾构掘进隧道工程施工管理，确保施工过程的工程安全、环境安全和工程质量，特制定本规范，以统一盾构隧道工程的施工技术和质量验收标准。1.0.2本规范适用于采用盾构掘进施工、预制管片拼装隧道结构的施工及验收。1.0.3本规范所指的盾构包括土压平衡、泥水平衡等各种预制管片成型隧道的盾构。1.0.4盾构掘进隧道工程的承包合同和工程技术文件对施工和质量要求不得低于本规范的规定。1.0.5盾构掘进隧道工程施工期间，应对邻近建（构）筑物、地下管网等进行监测，对重要或有特殊保护要求的建筑物，应根据需要采取必要的技术措施，以保证施工安全。1.0.6盾构掘进隧道工程的施工和质量验收除应执行本规范外，尚应符合国家现行有关标准的规定。当前80页，总共140页。4.2术语盾构（shield）：盾构是在钢壳体保护下掘进隧道的一种设备，按掘进方式分为人工、半机械和机械化形式。目前机械化盾构发展较快，应用较多，它由刀盘、刀具旋转切割地层，采用螺旋输送机或泥水管道运送碴土，在壳体内拼装预制管片，依靠液压千斤顶推进，形成掘进隧道的机电一体化高科技设备。盾构工作井（shieldworkshaft）系盾构组装、拆卸、吊运管片和出碴土等使用的工作井，包括盾构始发工作井、盾构接收工作井、中间井。盾构始发（shieldlanuching）系指盾构由始发井开始的施工。盾构接收（shieldarrival）系指盾构到达接收井的施工。管片（segment）隧道衬砌环的基本单元，管片的类型有钢筋混凝土管片、钢纤维混凝土管片、钢管片、铸铁管片、复合管片等。当前81页，总共140页。防水密封条（sealinggasket）用于管片之间保证隧道防水的密封材料。壁后注浆（backfilling）用浆液填充衬砌管片与土体之间空隙的施工方法。调头（turn-over）系指盾构施工完一条隧道到达竖井后调转掘进另一条隧道的过程。过站（station-crossing）盾构通过地铁车站的方法，一般是利用专用设备把盾构拖拉或顶推通过车站的过程；当无条件先建车站时，盾构隧道先施工后拆除衬砌管片再施工车站的过程。小半径曲线（curveinsmallradius）地铁隧道曲线半径300m以下、其它隧道40D以下的曲线。大坡度（biggradient）系指30‰以上坡度段。当前82页，总共140页。4.3施工准备前期调查工程地质及水文地质调查地下管线和地下构筑物调查地表地貌及建（构）筑物调查环境保护要求调查设备、设施准备盾构选型及配套设施盾构始发、接收井内设施的准备作业准备工作竖井施工工作竖井洞门外土体加固当前83页，总共140页。4.4盾构施工一般规定盾构施工时必须做到：盾构掘进中必须确保开挖面土体稳定；土压平衡盾构掘进速度应与进出土量、开挖面土压值及同步注浆等相协调；泥水平衡盾构掘进速度应与进排浆流量、开挖面泥水压力、进排泥浆、泥土量及同步注浆等相协调；当盾构停机时间较长时，必须有防止开挖面压力降低的技术措施，维持开挖面稳定；盾构掘进中应严格控制隧道轴线，发现偏离应逐步纠正，使其在允许值范围内。当前84页，总共140页。盾构前方发生坍塌或遇有障碍；盾构自转角度过大；盾构位置偏离过大；盾构推力与预计值相差较大时；管片发生开裂或注浆发生故障无法注浆时；盾构掘进扭矩发生较大波动时。盾构掘进遇到施工偏差过大、设备故障、意外的地质变化等情况时，必须暂停施工，经处理后再继续，这些情况包括：当前85页，总共140页。盾构机的现场验收盾构主机切削刀盘管片拼装机螺旋输送机皮带运输机泥水输送系统验收内容包括：盾构始发盾构始发前，对洞口经改良后的土体作质量检查；制定洞口围护结构拆除方案，保证始发安全。盾构始发时必须做好盾构的防旋转和基座稳定措施，并对盾构姿态作复核、检查。在始发阶段应控制盾构推进的初始推力。初始推进过程中，必须始终进行监测并对监测资料反馈分析，不断调整盾构掘进施工参数。当前86页，总共140页。盾构施工过程必须做到注浆与掘进的同步进行，及时根据信息反馈情况调整注浆参数。施工过程中，严禁出现盾构姿态突变，同时应尽早进行“蛇行”修正。为了保持开挖面的稳定性，要根据地层条件适当注入添加剂，确保碴土的流动性和止水性，同时要慎重进行压力仓压力和排土量的管理。土压平衡盾构的掘进施工中必须设专人对泥水性能进行监控，根据泥浆性能参数设置指令进行泥水参数管理。应严格进行开挖面泥浆压力和开挖土量的管理，确保开挖面的稳定。盾构暂停施工时，应根据施工情况制定专项措施。分离装置应适合开挖土砂粒度要求，进行碴土与泥浆、水的分离，并应尽量使分离出来的泥浆和水经过处理，循环到开挖面再利用。泥水平衡盾构的掘进当前87页，总共140页。盾构纠偏当盾构轴线偏离设计位置时，必须进行纠偏。实施盾构纠偏不得损坏已安装的管片，并保证新一环管片的顺利拼装。实施盾构纠偏必须防止盾尾漏浆而增大地面变形。盾构到达盾构到达前100m，必须对盾构轴线进行测量、调整。盾构切口离到达接收井距离小于10m时，必须控制盾构推进速度、开挖面压力、排土量，以减小洞口地表变形。当盾构全部进入接收井内基座上后，应及时做好管片与洞圈间的密封；刀具更换刀具磨损达到一定程度或由于地质变化时，必须进行刀具更换，宜分期分批进行。更换作业尽量选择在中间竖井或地质条件较好、地层较稳定的地段进行。如在较差的地层换刀时，必须采用带压更换或对地层进行预加固等措施，确保开挖面的稳定。当前88页，总共140页。4.5壁后注浆为控制地层变形，盾构掘进过程中必须对成环管片与土体之间的建筑空隙进行充填注浆。充填注浆分为同步注浆、即时注浆和二次补强注浆，可根据工程地质、地表沉降情况和环境要求选择其中一种或多种并用。壁后注浆过程中必须采取措施减少注浆施工对周围环境的影响。一般规定注浆作业应按规定连续进行，不得中途停止，并按规定标准结束。注浆施工时，要时刻观察压力及流量变化，并及时调整施工参数。注浆结束后应及时清洗注浆设备和管路。注浆作业当前89页，总共140页。注浆材料和施工参数应符合要求。施工过程中必须对注浆量、注浆压力、注浆时间、注浆部位等参数进行记录并保存为注浆盾量控制提供依据。注浆质量控制注浆压力应根据地质条件、注浆方式、管片强度、设备性能、浆液特性和隧道埋深综合因素确定。同步注浆或即时注浆的注浆量，根据地层条件、施工状态和环境要求，其充填系数一般取1.30～2.50。同步注浆的注浆速度应根据注浆量和掘进速度确定。当管片拼装成型后，根据隧道稳定、周边环境保护要求可进行二次补强注浆，二次补强注浆的注浆量和注浆速度应根据同步注浆或即时注浆效果确定。注浆参数的选择当前90页，总共140页。4.6隧道防水施工前应注意采用水膨胀橡胶防水材料时，运输和存放时须采取防潮措施，并设专门库房存放。管片防水密封条粘贴后，在运输、堆放、拼装前应有防雨、防潮措施，拼装时应逐块检查防水密封条（包括传力衬垫材料）确保完整、位置正确。管片采用嵌缝防水材料，槽缝应清洗干净，使用专用台架和工具填塞平整密实。盾构隧道防水以管片自防水为基础，以接缝防水为重点，辅以对特殊部位的防水处理，形成一套完整的防水体系。盾构隧道防水应注意和隧道防腐一并考虑。盾构隧道防水应满足环境保护的要求。一般规定接缝防水当前91页，总共140页。盾构施工过程如采用注浆孔进行注浆时，注浆结束后要对注浆孔进行密封防水处理。盾构隧道与工作井现浇混凝土施工缝宜采用缓膨型遇水膨胀止水条，应严格按照设计施作，确保其密封止水效果。盾构隧道与联络通道、取排水口等附属构筑物的接缝防水按设计要求选择防水材料和施工方法。特殊部位的防水当前92页，总共140页。4.7隧道施工运输水平运输宜采用轨道运输。长距离掘进时，宜每隔500m设置会车道或转辙装置。车辆配置应满足出碴、进料及掘进进度的要求。水平运输垂直运输方式应根据竖井深度、盾构施工速度等因素综合考虑。提升设备的提升能力应满足出碴、进料的需要。垂直运输可根据安全需要采用稳定设施。排送泥土、泥浆泵的参数及管道尺寸应满足出碴和掘进进度的要求。长距离掘进时，应每隔500m设置水平输送接力设备。垂直运输管道运输当前93页，总共140页。4.8盾构成型隧道验收主控项目1钢筋混凝土管片结构抗压强度、抗渗压力应符合设计规定。检查数量：全数检查。检验方法：检查试验验报告。2结构表面无裂缝、缺棱、掉角，管片接缝符合设计要求。检查数量：全数检查检验方法：观察检查；检查施工日志。3隧道防水施工、防水效果符合设计要求。检查数量：逐环检查。检验方法：观察检查；检查施工日志。4衬砌结构不得侵入建筑限界。检查数量：逐环检查。检验方法：经纬仪、水准仪测量。当前94页，总共140页。成型隧道其允许偏差值应符合下表的规定。序号项目允许偏差（mm）检验方法检查频率地铁隧道公路隧道水工隧道1衬砌环直径椭圆度±5‰D±6‰D±8‰D尺量后计算4点/环2隧道圆环平面位置±100±120±140用经纬仪测中线1点/环3隧道圆环高程±100±120±140用水准仪测高程1点/环4相邻管片的径向错台101215用尺量4点/环5相邻管片环向错台151720用尺量1点/环注：D指隧道的外直径，单位:mm。一般项目成型隧道允许偏差当前95页，总共140页。四、盾构隧道测量及信息化施工当前96页，总共140页。4.1盾构隧道施工测量盾构施工测量是指导盾构掘进和管片拼装符合设计要求而进行的测量工作，其主要内容包括：地面控制测量竖井联系测量盾构施工平面控制网一般分两级布设，首级为GPS控制网、二级为精密导线网；盾构施工高程控制网可采用精密水准等测量方法一次布设全面网；在盾构始发井和接收井间必须建立统一的施工控制测量系统，。。。。。。地面近井导线测量、近井高程测量；竖井定向测量和导入高程测量；地下近井导线和近进高程测量。当前97页，总共140页。地下控制测量地下施工导线测量施工控制导线测量地下施工水准测量施工控制水准测量掘进施工测量名称单位取位精度横向偏差mm1高程偏差mm1坡度‰1‰横向角′1′切口里程m0.01盾构姿态测量测量内容及取位要求当前98页，总共140页。竣工测量管片姿态测量盾构姿态测量的同时，应进行管片姿态测量。管片位置测量应在其脱离盾尾前、后分别进行。测量内容应包括管片中心、底部高程，水平直径、垂直直径和前沿里程。贯通测量隧道的纵、横向贯通误差方位角和高程贯通误差隧道横向偏差值高程偏差值水平直径、竖直直径、椭圆度及纵、横断面测量当前99页，总共140页。4.2信息化施工与智能管理盾构施工监控盾构施工监控系统是以计算机和网络通信技术为基础，配以传感器、仪器仪表和控制设备的实时远程计算机系统。泥水平衡压力或土仓平衡压力监控泥水输送或出土控制掘进监控（刀盘状态，盾构机姿态，推进参数，管片拼装，盾尾注浆等）数据显示、数据存储、数据处理、数据设定等功能。。。。。当前100页，总共140页。HK盾构机操作室NFM盾构机操作室小松盾构机操作室盾构机操作室外观当前101页，总共140页。智能化辅助决策即根据大量实测数据，借助计算机回归总结出一系列施工经验及经验公式，并利用实时施工数据采用神经网络等方法预测地面沉降和提出相应的施工参数匹配方案，使其以一个准专家水准处理盾构隧道的施工问题。根据施工经验、经典公式计算并绘制断面横、纵向沉降曲线（静态）利用施工参数实时修正经验公式，演绎地面沉降规律，或者运用神经网络实时预测地面沉降（动态）实时施工参数最佳匹配采用模糊自适应方案，提高轴线控制精度。。。。。功能：当前102页，总共140页。智能管理即基于分布式数据库、远程信息传输和人工智能分析等技术，对多个工地同时进行施工的盾构隧道工程进行全面有效的管理和技术支持。当前103页，总共140页。功能：同步实施多个项目的管理盾构施工参数监控隧道质量监控地面沉降监控盾构运行状态监控工程进度监控。。。。。当前104页，总共140页。五、地层移动的预测与防治当前105页，总共140页。盾构施工还是会不可避免地引起地层的扰动，引起地层变形及地面沉降，特别是在软土盾构隧道中尤甚。扰动导致的土体强度和压缩模量的降低将引起长时间内的固结和次固结沉降。当地层变形超过一定范围时，就会危及临近建筑物和地下管网的安全，引起一系列的环境岩土问题。5.1问题的提出第一个目的即是要事先预测盾构施工对施工环境和临近已建建筑的影响，并且提出满足周围环境和已建建筑要求的施工措施。而第二个目的是在现场对盾构施工过程进行监控，并依据监测结果判断施工措施是否合理，调整施工措施，提高工程质量。了解并掌握盾构施工对周围环境的影响主要有两个目的：预先掌握盾构施工对临近建筑物的影响，以采取适当的处理措施根据动态观测结果判断施工的优劣，并改进施工方法当前106页，总共140页。5.2引起地层移动的因素盾构掘进时，如果出土速度过快而推进速度跟不上，开挖面土体则可能出现松动和崩塌，破坏了原来地层应力平衡状态，导致地层沉降或隆起；盾构机的后退也可能使开挖面塌落和松动引起地层损失而产生地表沉降。综合国内外若干成功经验，可认为造成地表沉降的主要原因是盾构法施工过程中产生的地层损失引起地层移动。具体来说引起地层变位的有以下方面的因素。开挖面土体的移动当前107页，总共140页。盾构推进方向的改变、盾尾纠偏、仰头推进、曲线推进都会使实际开挖面形状偏大于设计开挖面，而引起地层损失。盾壳与地层间的摩擦和剪切作用土体挤入盾尾空隙刀盘超挖及盾壳楔形量的存在在水土荷载的作用下隧道衬砌产生变形当前108页，总共140页。

综合多年来的实践经验可以得出：盾构推进引起的地层移动因素有盾构直径、埋深、土质、盾构施工情况等，其中隧道线形、盾构外径、埋深等设计条件和土的强度、变性特性、地下水位分布等地质条件，属于客观因素；而盾构的形式、辅助施工方法、衬砌壁后注浆、施工管理等情况，则属于主观因素。用降水疏干措施时，土体有效应力增加，引起土体固结变形土体受盾构施工扰动后产生次固结沉降这种次固结沉降持续往往要几年，在软土中十分突出，它所占的沉降量的比例甚至高达35％以上。当前109页，总共140页。5.3地层移动发展阶段根据对地层的大量实测资料的分析表明，按地层沉降变化曲线的情况，大致可分为5个阶段，盾构通过时的地面变形；盾构通过后的瞬时地面变形；地表后期固结变形。盾构到达前的地面变形；盾构到达时的地面变形；当前110页，总共140页。第I阶段：盾构到达前的变形：它是指在盾构推进前方的土体滑裂面以外产生的沉降。早期沉降量较小，不是所有的盾构施工都会发生的，所以一般不被人们察觉。根据部分实测资料分析可以断定这部分沉降是由于固结沉降引起的，其中包括盾构施工引起的地下水（或孔隙氺）下降，而且与盾构掘进控制本身无关。当前111页，总共140页。第II阶段：盾构到达时的地面变形在开挖面靠近观测点并到达观测点正下方这个过程中所产生的沉降或隆起现象。这是由于盾构机的正面土压力偏小或者过大等导致开挖面土压失衡、开挖面压力又与盾构机的推进速度和出土量等施工参数密切相关。当盾构机的正面土压力等于开挖面静止土压力时，掘进对土体的影响最小；当盾构机推力不足，其正面土压力小于开挖面的静止土压力时，开挖面土体下沉；当盾构机推力过大则会引起开挖面土体隆起。第III阶段：盾构通过时的地面变形指从盾构机开挖面达到观测点到盾构机尾部通过观测点这一过程中所产生的沉降。这个沉降主要是由于盾构机的通过破坏了原来的土体状况，造成土体的扰动所致。引起该变形的原因包括：刀盘超挖、盾壳楔形量、曲线推进、盾壳剪切摩擦作用等。当前112页，总共140页。第IV阶段：盾尾通过后的地面变形指盾构机尾部通过观测点正下方时产生的沉降。由于盾尾通过时会产生一个盾尾间隙，这个盾尾间隙的上方及周围土体应力释放引发了弹塑性变形。目前通过盾尾同步注浆使浆液有效地填充在该盾尾建筑空隙中从而可以部分减少地层损失，也减少了盾尾通过时的地层变形。引起该变形的另外一个因素是管片结构在水土荷载作用下的变形。第V阶段：地层后期固结变形由于盾构通过时对地基土产生了扰动，再加上上面的各种残余影响，在相当长的一段时间内，地基将继续发生固结沉降和蠕变沉降。当前113页，总共140页。5.4地层移动形态特征横断面内的特征盾构隧道通过后，在地表形成一沉降槽，其形态具有正态分布特征。三维分布：分布形态及范围大小与盾构施工引起的地层损失、隧道所在土层的性质、隧道埋深、隧道半径等多种因素有关

在粘性地层中，盾构周围的土体如同一块土体一样是逐渐变形的，因而沉降在数直方向上的扩展速度是均匀的；而在砂性地层中，盾构周围的土体却是局部而又断续地塌落，因而沉降的扩展是突变的。当前114页，总共140页。5.5地表沉降的预测公式Peck(1969)在当时大量隧道开挖引起的地表沉降实测资料的基础上，系统地提出了地层损失的概念和估算隧道开挖引起地表下沉的实用方法，即Peck公式。此后，Peck本人及其他不少学者和工程技术人员针对Peck公式做了大量工作，使之成为目前应用最为广泛的预测隧道施工地表沉降的方法。Peck认为，在不排水条件下，隧道开挖引起地表沉降槽的体积应该等于地层损失的体积，并假定地层损失在隧道长度上均匀分布，且地面沉降的横向分布近似为正态分布曲线，提出了地表沉降分布的预测公式。当前115页，总共140页。其中：S(x)--距离隧道轴线为x处地表沉降值；Vi--施工引起的隧道单位长度上的地层损失；Smax-隧道轴线处地表最大沉降量；i--地表沉降槽宽度系数；Z-地面到盾构隧道中心深度；Φ-土的内摩擦角。当前116页，总共140页。六、特殊地段及特殊地质条件下盾构法施工当前117页，总共140页。覆土厚度小于盾构直径D的浅覆土层；曲线半径小于40D的小半径曲线；坡度大于30‰的大坡度地段；穿过地下管线地段；遇到地下障碍物的地段；穿越建（构）筑物的地段；平行盾构隧道净间距小于0.7D的小净距地段；穿越江河地段；砂卵石地层；下列情况属于特殊地段及特殊地质条件：当前118页，总共140页。为减少施工对环境影响，可采取地层加固、地面构筑物保