土压平衡盾构施工工法

土压平衡盾构施工工法前言随着近几年地铁和市政建设的大力发展，土压平衡盾构工法性应用的越来越广泛，它的基本原理是在钢外壳的保护下进行出渣、安装衬砌等工作，施工自动化、机械化程度高，对地面和周围环境的干扰小，并且施工中不需要采取降水，节约大量宝贵的地下水资源。盾构工法作为一项先进的施工技术，目前已在城市隧道建造中确定了其重要的地位。1特点1.1盾构施工为多工序程序化作业，其自动化程度高，施工速度快、质量好、安全性高。1.2盾构掘进不需降水辅助施工，且管片属工厂预制，有利于环境保护和减少施工对城市正常生活秩序的干扰。1.3通过建立并保持密封仓内土压与开挖面水土压力的动态平衡，减少了施工对土层的扰动，工作面稳定，能有效地控制地表隆陷。1.4与泥水盾构工法相比，其所需场地面积小，施工成本低。2适用范围2.1本工法能适应多种工程、水文地质条件及复杂环境条件,适宜地表建（构）筑物密集或穿越河道等特殊条件下的隧道工程施工；2.2可在粉细砂、中粗砂、粘土、卵砾石地层等软硬相间的地层中使用。3工艺原理土压平衡式盾构机的工作原理是随着盾构机的推进，刀盘切削下来的土体进入密封仓，利用该部分土体使仓内维持适当压力，使之与开挖面水土压力相平衡。同时，通过螺旋输送机及其排土阀门等排土机构的控制，实现排土量与盾构推进量的匹配，形成盾构推进的同时保持开挖面稳定的动态平衡。4施工工艺流程及操作要点4.1工艺流程施工准备生产设施盾构就位始发反力架布置盾构安装调试盾构基座安置盾构始发始发防水装置端头土体加固盾构推进测量轴线控制盾尾油脂压注施工监测壁后注浆送输浆液制备出土土方运输开启皮带输送机、螺旋输送机及排土口管片拼装管片运输管片生产盾构到达接收基座安装接收防水装置端头土体加固隧道完成隧道端部处理贯通测量拆卸盾构竣工验收图1盾构施工工艺流程图4.2操作要点盾构掘进施工过程中，应对操作的各个环节进行严密监控。随时注意盾构机的掘进状态、开挖面的状态、隧道中心线偏移量、管片拼装成环状况、隧道壁后注浆状况以及地表隆陷的情况。4.2.1盾构始发施工4.2.1.1土压平衡盾构机的始发，需进行洞口止水密封设施的安装及端头土体加固处理，以防止盾构始发时地层中泥砂及地下水的涌入造成工程事故。其质量是盾构始发成功与否的关键。4.2.1.2盾构始发时需在盾构施工井内设置始发基座，以固定、定位盾构机，基座的定位精确度是盾构始发轴线控制的关键。4.2.1.3盾构就位后，应进行负环管片的安装，为盾构掘进提供反力。负环管片一般可采用钢管片或砼管片制作。4.2.1.4当盾构机距离始发洞门0.7~1m左右时，凿除始发井洞门，进行盾构始发。4.2.1.5洞门清除后，在盾构机密封舱内填满粘土，盾构机在导轨上推进至贴近洞口掌子面，然后盾构机开始掘进切削土体。4.2.1.6在刚进洞施工时，推进速度不宜过快，在盾构机掘进的同时，可向切口注入舱内土体添加剂，以改良土体。4.2.1.7盾构机出加固区前，为克服地层土体强度的突变，防止地面沉降过大，必须将土压力的设定值逐渐提高到理论值，并根据反馈的信息对土压力设定值及时做出调整。4.2.2初始掘进段施工盾构始发开始后需要通过一段距离的试掘进，熟悉、掌握EPBS的性能和工作状况；确定适合于本工程管理的要素和盾构掘进各项施工参数的控制值；摸索出盾构施工中地表隆陷变化的一般规律。在试掘进的过程中需结合地表隆陷监测情况、工程质量和盾构设备的要求，反复对施工参数进行量测、分析和调整，进一步优化。对于土压平衡盾构机，主要有以下几项施工管理参数：盾构机姿态、仓内土压力、推进速度、总推力、刀盘扭矩、排土量、壁后注浆状况（注浆量、注浆压力等）、管片姿态、千斤顶行程等。4.2.3正常掘进段施工通过盾构机的初始掘进得出各项控制参数变化的一般规律以及有效的控制措施，盾构机转入正常掘进段的施工。结合环境条件，更深入具体地对地表沉降值、土压力、孔隙水压力、添加剂量和注浆状况等进行全面的监测和管理。4.2.3.1土压力管理仓内土压力一般通过装置在密封仓内的土压传感器进行检测，通常较为合适的土压力控制目标值（P0）范围是：主动水土压力<P0<被动水土压力。（P0）以相应的静止水土压力为中心在上述范围内波动。土压力控制目标值（P0）设定与管理的方法为：（1）理论计算、经验判断，确定一个土压力（P）值。（2）精心操作、认真量测，及时反馈信息，根据排土量与地表监测数据对P进行修正，取得（P0）。（3）对P0值进行动态管理，以适应盾构连续掘进施工。以土压力P0为控制目标，通过实测土压力值P1与P0值相比较，依此压差进行相应的土压管理，其控制流程图如下。降低螺旋输送机转速或提高推进速度土压力p0的设定p1<降低螺旋输送机转速或提高推进速度土压力p0的设定盾构推进盾构推进土压力实测值p1继续正常推进p1=p0土压力实测值p1继续正常推进降低螺旋输送机转速或降低推进速度降低螺旋输送机转速或降低推进速度p1>p0图2土压力控制流程图4.2.3.2仓内土体添加材料管理对于土压平衡盾构机需要在施工前详细了解并分析盾构所穿越地层的工程地质及水文地质条件，初步确定盾构推进过程中需在仓内加入添加材料的种类、浓度、数量。仓内土体添加材料主要包括泡沫和制泥材料等。泡沫的使用可按照表1来确定；制泥材料一般有粘土、膨润土等，其浓度及使用量可按照表2来确定。表1泡沫浓度及使用量土质类别浓度（%）使用量（m3//m3）粉质粘土粘质粉粉土3.8～40.25～0..4砂、粉土层4～50.3～0.55砂砾、卵石层50.4～0.66表2制泥材料浓度及使用量土质类别浓度（%）最大使用量（mm3/mm3）粉质粘土粘质粉粉土20～300.20砂层15～300.30砂砾、卵石层30～500.30砂质粉土层5～150.104.2.3.3排土管理（1）排土管理的核心是通过螺旋输送机及其排土阀门等排土机构控制，实现排土量与盾构推进量的匹配。（2）规范操作，有效控制排土机构，防止排土阀门处喷涌或堵塞现象的发生。（3）随盾构推进对排土量必须进行严密监控，在推进时间、进尺和排土量上应严格匹配，严禁超排。4.2.3.4壁后注浆管理盾构掘进中随着管片脱离盾尾，应及时对管片壁后间隙进行填充注浆。（1）壁后注浆的作用①防止成型隧道周边土体松弛和拱顶地层的塌落，控制地层变形；②保持成型隧道的早期稳定；③提高成型隧道的防水能力。（2）注浆材料1）根据隧道穿越的地层条件所选用的注浆材料应具备以下性能：①具有良好的地层适应性、长期稳定性及流动性，并能保证适当的初凝时间，以适应盾构施工以及远距离输送的要求；②具有良好的充填性能；③在满足注浆施工的前提下，尽可能早地获得高于地层的早期强度；④浆液在地下水环境中，不易产生稀释现象；⑤浆液固结后体积收缩小，泌水率小；⑥原料来源丰富、经济，施工管理方便，并能满足施工自动化的要求；⑦浆液无公害。2）一般常用浆液有：①水泥砂浆；②水泥、水玻璃双液浆；③惰性浆液（一般由水泥、粉煤灰、砂、膨润土等组成）。（3）注浆方法一般通过设置在盾尾上的注浆孔进行同步注浆，也可通过设置在管片上的注浆孔进行即时注浆（补浆）。注浆时应注意事项:①对称压注；②一般先填筑空隙大的部位；③注意保护盾尾密封材料，按要求压注盾尾密封油脂，定期检查,防止盾尾漏浆。（4）注浆压力和注浆量注浆压力以能填充建筑空隙为原则，一般根据相应部位的土压力、水压力以及衬砌的强度选择合适的压力，出浆口压力通常为0.1～0.3MPa。注浆量应考虑地层渗透和超挖等因素，多取为建筑空隙的150％～250％。对注浆的管理应结合地表沉降对注浆压力和注浆量进行综合控制。4.2.3.5管片选型与拼装（1）管片选型：根据管片和盾尾之间的相互位置关系及盾构纠偏施工的需要，对管片进行选型。（2）管片拼装：按确确定的顺序序进行拼装装一般宜先拼装底底部管片，然然后自下而而上左右交交叉安装，最最后拼装锁锁定块。在在拼装前应应在橡胶密密封垫表面面涂抹润滑滑剂，防止止橡胶密封封垫的拉伸伸变形。4.2.3.66盾构掘进进轴线控制制（1）盾构推进中千斤斤顶的行程程及推力，既既不应使开开挖面受到到过度扰动动，又不应应使管片衬衬砌等隧道道结构受到到损伤，并并保证盾构构掘进轨迹迹与设计轴轴线相一致致，其偏差差控制在规规范要求的的范围内。（2）掘进施工测量是是为了及时时掌握成型型隧道中线线的偏差情情况，在盾盾构推进时时控制盾构构姿态和拼拼装成型的的管片衬砌砌的姿态，使使成型隧道道中线偏差差控制在允允许范围内内，并保证证及时纠偏偏。每掘进进一环需对对盾构姿态态、管片姿姿态进行一一次测量，并并将结果在在下一环推推进之前反反馈给施工工管理人员员和盾构操操作手。4.2.4盾构构接收段施施工一般以隧道最后后10倍D（D为盾构直直径）左右右作为盾构构接收段，此此段掘进施施工需加强强测量，逐逐渐调整盾盾构掘进姿姿态，其轴轴线偏差控控制在±20mmm以内，高高程控制为为正值。严严格控制千千斤顶总推推力，防止止由于推力力过大对既既有盾构接接收井结构构产生不利利影响。逐逐渐降低掘掘进速度，当盾构机头距离接收井小于1.5倍D时，严格控制排土量；距离接收井30～50cm时停止掘进，凿除接收井洞门，进行盾构机接收。4.2.5盾构构接收施工工4.2.5.11土压平衡衡盾构机的的接收施工工，应提前进行行洞口止水水密封设施施的安装及及端头土体体加固处理理。当盾构构刀盘露出出洞门后，应应将洞口止止水密封装装置缩紧，以以防止盾构构接收时地地层中泥砂砂及地下水水的涌入造造成工程事事故。4.2.5.22盾构接收收应在盾构接接收井内设设置接收基基座，在盾盾构进入基基座前应铺铺设轨道及及垫块，以以防损坏盾盾构刀盘及及轴承。5材料与设备5.1材料隧道施工所使用用的材料及及制品应进进行试验和和检查，其其外形尺寸寸及各项物物理力学指指标应符合合规范、规规程及设计计要求或与与说明书、质质保书相符符合。5.1.1管片片：品种、规规格及外观观等级符合合《地下铁铁道工程施施工及验收收规范》GB500299——19999的相关规规定；强度度、抗渗等等级必须符符合设计要要求。5.1.2防水材材料：其物物理及化学学性能应符符合设计要要求。5.1.3仓内土土体添加材材料：一般般常用泡沫沫剂、粉土土、膨润土土、水。其其使用量需需在掘进过过程中根据据开挖面地地质情况确确定。5.1.4连接螺螺栓：管片片间的连接接螺栓应做做过力学测测试，表面面应进行防防腐处理。5.1.5油脂：：盾构掘进进施工中使使用的油脂脂主要有盾盾尾密封油油脂、主轴轴承密封润润滑油脂和和液压及循循环系统润润滑油脂。5.1.6壁后注注浆浆液：：主要有水水泥砂浆、水水泥水玻璃璃双液浆、惰惰性浆液。5.1.7其它辅辅助材料：：轨枕、轨轨道、步道道板、电缆缆、风管、水水管、照明明用具、吊吊带等。5.2设备盾构隧道工程的的机具设备备包括两大大部分：一一部分是盾盾构机械本本身及其附附属设备，另另一部分是是隧道施工工常用设备备。5.2.1土压压平衡式盾盾构机械及及附属设备备见表3所示。表3土压平衡式盾构构机及附属属设备序号名称性能规格备注1盾构主机土压平衡式盾构主机主要包包括以下机机械要素：：切削刀盘；刀具具；密封土土仓；盾构构千斤顶；；土压力计计；螺旋输输送机；管管片拼装机机；盾构千千斤顶行程程计；各种种搅拌翼等等()2盾构后配套油脂注入泵；导导向系统；；注浆泵；；各种管路路；仓内土土体改良添添加材料注注入泵；液液压组件；；电气组件件等5.2.1盾构隧隧道施工一一般设备见见表4所示。表4盾构隧道施工一一般设备设备类别设备名称数量备注隧道运输设备门式起重机1台竖井垂直运输，一般采用15t或40t电机车4辆隧道水平运输，一一般采用12t平板车5～10辆用于排土箱、管管片及材料料的轨道水水平运输，出土箱大小与数量视工工程而定Y型道叉0～3副数量视隧道长度度而定加泥设备高速搅拌机1套一般为1m3储浆桶1套储存能力根据施施工情况而而定充电设备充电机2套用于电机车电瓶瓶充电给排水设备水管2.5～5cmm钢管潜水泵或渣浆泵泵用于隧道内碴土土及污水的的排放照明设备防潮荧光灯220V，每110米1只左右，隧隧道内工作作面装在盾盾构内镝灯工作现场照明衬砌制作场门式行车1台10t或5t，用用于管片衬衬砌制作场场使用翻身架1只用于管片衬砌制制作场管片片翻身测量设备全站仪2台选用2秒全站仪程序计算机其他设备电话机5部通讯联络灭火机消防设备送、排风机通风设备注：1、由于盾构机械复复杂而且附附属设备很很多，故要要对其进行行仔细研究究后再确定定供电设备备的最大容容量；2、防止停电电，必须采采用双电源源或设备自自用的发电电设备。6质量控制6.1质量控制制标准盾构隧道工程根根据工程性性质执行相相关国家及及行业的质质量标准。地地铁隧道技技术难度高高，具有不不可返修性性，因此地地铁工程的的质量要求求应按照国标标《地下铁铁道工程施施工及验收收规范》GB500299--19999的要求进进行隧道施施工，土压压平衡盾构构掘进质量量检验标准准见表5。表5土压平衡盾构掘掘进质量检检验标准项目检查项目允许偏差检查方法主控项目1土压不小于开挖面土土压目标控控制值土压计2盾构机轴线直线段和半径不不小于5000m的曲曲线段：平平面±50mmm，高程±20mmm导向系统半径小于5000m的曲线线段：平面面±80mmm，高程±25mmm3管片拼装符合设计要求，无无推顶贯穿穿裂缝和大大于0.22mm宽的的裂缝及混混凝土剥落落现象直尺4连接螺栓质量和拧紧度符符合设计要要求，全部部穿进力矩扳手一般项目1回转角±0.1导向系统2盾尾间隙根据盾构机情况况设定直尺3地面隆沉隆起10mm全站仪沉降20mm4管片衬砌环中线平面和高程程偏差：直直线段和半半径不小于于500mm的曲线段±50mmm，半径小小于5000m的曲线线段±80mmm全站仪错台：每环相邻邻管片5mm，纵纵向相邻环环管片5mmm尺量椭圆度5‰尺量表面无缺棱、掉掉角，无贯贯穿和宽于于0.2mmm裂缝，无无剥落目测及尺量6.2质量控制制措施6.2.1施工工中严格控控制土压，以以维持开挖挖面的稳定定。6.2.2在掘掘进施工中中，应严格格控制千斤斤顶推力和和行程差，以以防管片被被挤裂。6.2.3为防防止轴线偏偏差过大，在在掘进过程程中应按照照“勤纠偏、小小纠偏”的原则进进行纠偏。6.2.4为防防止盾尾间间隙过小，导导致在盾构构掘进过程程中盾尾与与已拼装成成环的管片片发生挤压压、摩擦，进进而造成管管片及盾尾尾密封装置置的损坏，在在掘进过程程中应严格格控制盾尾尾间隙的均均匀性。盾盾尾间隙主主要应通过过管片的选选择来进行行调整，辅辅以盾构机机姿态的调调整。6.2.5拼装装中管片在在与相邻管管片贴近时时应放缓拼拼装速度，避避免因磕碰碰造成管片片及橡胶密密封垫的损损坏。6.2.6拼装装时应保证证管片纵向向、环向及及端部环面面高差在规规定范围内内，以防止止管片受力力不均而造造成管片破破损。6.2.7管片片在拼装时时，橡胶密密封垫不得得松脱，以以确保隧道道结构的防防水性能。6.2.9在管管片拼装时时千斤顶推推力应均匀匀，防止管管片因局部部受力过大大而导致破破裂。6.2.10管管片脱离盾盾尾后，应应及时进行行壁后注浆浆，并严格格控制注浆浆施工工艺艺，以防成成型隧道出出现位移或或变形。6.2.11在在隧道中铺铺设轨枕时时，应采取取措施，防防止轨枕损损伤管片。6.2.12在在隧道内铺铺设管路及及电缆需安安装支架时时，应尽量量利用管片片连接螺栓栓来进行固固定，严禁禁在管片上上打孔。6.2.13为为防止由于于超排出土土造成地层层松弛变形形，在掘进进前应根据据地质条件件计算出盾盾构机掘进进进尺与出出土量的匹匹配值，掘掘进过程中中应严格控控制进尺与与出土量的的匹配，严严禁超排。6.2.14掘掘进施工与与施工监测测密切配合合，实行信信息化施工工，将地面面沉降控制制在+10mmm和-20mmm范围内内。7安全措施7.1盾构施工工作业是机机械化高度度密集作业业的施工项项目。为了了保证施工工人员的安安全，操作作人员应熟熟悉所操作作机械设备备的性能和和工艺要求求，施工前前应先接受受岗位培训训，施工中中应严格遵遵守各专业业设备使用用规定和操操作规程。7.2必须遵循循安全第一一的原则。由由于盾构工工作区空间间狭小，因因此既要确确保作业人人员安全与与健康，还还应尽量创创造一个舒舒适的工作作环境。7.2.1各工工作区域应应分别设置置相应的标标识标牌。电电瓶车、吊吊车等大型型机械应配配有警示笛笛、警示灯灯。7.2.2应充充分考虑地地下作业的的特殊性，在在盾构施工工中，要确确保通风设设备、照明明设备、通通路的完整整和有效，以以保证工作作人员的健健康；7.2.3隧道道及施工区区内应设置置防滑步道道板，盾构构工作井四四周应设置置挡水墙和和护栏，以以保证井下下工作人员员的安全。7.3由于隧道道中具有相相对封闭的的特性，施施工中应做做好火灾、有有毒气体中中毒等事故故的防护工工作，各种种防火、防防毒设施应应齐备。7.4管片拼装装作业安全全措施7.4.1管片片拼装机必必须由专人人负责，严严格执行三三定制度（定定机、定人人、定岗位位）和操作作规程，其其他人员禁禁止操作。所所有动力设设备在接通通电源前，液液压控制阀阀的手柄必必须在中止止位置上。7.4.2在隧隧道内用管管片吊车运运输管片时时，必须保保证吊具与与管片连接接牢固。7.4.3在吊吊运管片时时要注意检检查吊具是是否完好，防防止吊具在在吊装或拼拼装时脱落落、断裂。应应定期对管管片吊具进进行检查，以以保证吊具具的安全性性。7.4.4管片片在运至拼拼装区过程程中，管片片运输区内内严禁站人人。7.4.5在拼拼装管片时时，非拼装装作业人员员应退出管管片拼装区区。拼装机机工作范围围内严禁站站人。7.5其它方面面安全措施施7.5.1施工井井吊运土箱箱、混疑土土管片及其其他材料时时，井下吊吊运活动范范围严禁人人员停留。7.5.2应做做好施工机机械设备日日常保养，保保证机械安安全使用性性能，严禁禁机械设备备带病超负负工作。7.5.3加强强电机车安安全管理；；井下电机机车严禁搭搭乘人员。7.5.4施工工人员上下下井采取实实时监控，及时了解施工人员信信息。7.5.5编制制施工应急急响应预案案,并进行演演练。8环保措施8.1施工前，对对工作井周周围及隧道道轴线沿途途建（构）筑物、地下下管线及地地下空洞情情况进行详细调查，以以便采取对对策;8.2防止噪音音，施工区区内应采用用低噪音设设备，音源源配置合理理或采用隔隔音设备；；8.3采用环保保型材料,,防止水质质污染。9劳动力组织土压平衡式盾构构施工技术术要求高，专专业性较强强，要求工工种多，现现场需配备备土建工程程师、机械械工程师、电电气工程师师和测量工工程师。单台盾构作业人人员考虑一一天24h连续作业业，每作业业班配备人人员如表55所示。表6盾构作业班人员员配备表序号工作项目人数备注1盾构操作手1（包括数据采集集）2管片衬砌拼装手手（含辅工工）33机械维修1辅助工人4电气维修25电焊16浆液制备27注浆28碴土运输29垂直运输210杂工411总计2010效益分析（与与泥水盾构构、暗挖）土压平衡式盾构构诞生和发发展的历史史过程，已已充分显示示出其无可可比拟的优优越性和社社会、经济济价值。目目前盾构工工法已在城城市隧道（如如地铁隧道道，污水排排放隧道，引引水、供水水隧道，江江河湖海底底隧道，电电力、电讯讯、供气及及共同沟工工程等隧道道）建造中中确立了绝绝对得优势势地位。随随着社会的的进步，尤尤其在发展展中国家，在在必要的地地方修建各各种隧道越越来越紧迫迫，适应较较为复杂的的地层、保保护既有地地面建筑物物、构筑物物和地下管管道管线、不不对环境产产生公害、施施工地面占占地面积小小征地费用用少、在大大深度、地地下水施工工时相对施施工成本低低的土压平平衡式盾构构已越来越越被人们喜喜爱和接受受。土压平衡盾构机机一般不需需要辅助施施工法，受受环境影响响少。能保持连连续均衡施施工，既缩缩短工期又又能保证高高质量。对对施工人员员来说，由由于其机械械化程度高高，隧道内内噪音低，减减轻了劳动动强度，有有利于施上上人员的健健康和安全全。土压平平衡盾构机机在今后城城市建设中中，将是最有前前途的地下下掘进设备备之一。11应用实例11.1工程概概况11.1.1工工程简介某市地铁某号线线角门北路路站~某市南站区区间工程，作为某市地铁某号线线工程一部