地铁盾构施工原理技术介绍与工程实例

中国建筑工程总公司沈阳地铁一号线第九标段项目经理部沈阳地铁一号线第九标段

地铁盾构施工原理、技术介绍与工程实例目录一、工程概况二、盾构施工原理三、盾构施工技术四、工程重、难点分析一、工程概况沈阳地铁一号线第九标段包括一站三区间：铁西广场站～云峰北街站、沈阳站站～南京街站和南京街站～南市站三个区间均为盾构区间，三区间各设置一座联络通道兼泵房。铁～云区间自车站始发掘进区间右线，在到达车站调头掘进区间左线。沈～南区间和南～南区间都是自风道始发掘进区间右线，在到达车站调头掘进区间左线，风道始发在国内是首例，施工难度较大，技术复杂。区间最大纵坡为25‰，最小纵坡为2‰，南～南区间最小曲线半径为350m，铁～云区间最小曲线半径为400m，沈～南区间最小曲线半径为3000m。各区间长度见下表：铁～云区间沈～南区间南～南区间合计左线847.404m778.836m1017.859m2644.099m右线875.399m778.820m1028.905m2683.124m合计1722.803m1557.656m2046.764m5327.223m区间隧道主体结构为厚0.3m的预制钢筋砼管片(钢筋砼为C50、抗渗等级S10)。管片宽1.2m，外径6.0m，内径5.4m，由六块组成：3个A块、2个B块和1个C块。区间最大覆土厚度约为18.0m，最小覆土厚度约为10m。区间所穿越地层为中粗砂、砾砂和圆砾层，间断有粉质粘土出现。地层中的上层潜水与下层承压水相通，两层水水位埋深相同均为5.5~10m，渗透系数为50~110m/d。二、盾构施工原理1.盾构法的发展盾构法起源于1818的英国，20世纪中叶传入我国。20世纪60年代中期至80年代盾构法逐渐发展成熟。按掘削面的加压平衡稳定方式的不同，盾构机可分为外加支承式盾构、气压式盾构、泥水式盾构和土压式盾构，其中以土压式盾构和泥水式盾构为主。项目上将要投入使用的无论是德国海瑞克盾构，还是日本三菱和石川岛盾构均为土压平衡式盾构。2.一般原理用盾构机一边进行挖掘、推进，一边防止土砂的坍塌，并在盾尾进行衬砌作业从而修建隧道。3.土压式盾构原理将刀盘切下来的土砂加入泥浆材料，经拌合，形成不透水塑性的流动性泥土，充满土仓与螺旋输送机，在这种状态中利用盾构机油压千斤顶推力使土仓内塑状泥产生土压，以对抗开挖面的土压及水压，并在保持开挖量与排土量平衡状态下继续掘进。

掘进4.盾构设备主要组成部分5.盾构法的特征原理特征保持围岩的稳定保持开挖面的稳定施工作业安全地基变形容易控制预制管片施工容易，品质容易保证重复作业机械化作业强，项目管理容易地下作业路面交通阻碍少噪音、振动少周围环境不被破坏三、盾构施工技术1.盾构机的选型2.盾构施工的前期准备2.1区间沿线建（构）筑物和地下管线的调查与区间隧道的相互位置关系建（构）筑物：上部结构形式、上部结构层数、地下室情况、基础类型、基础埋深。地下管线：类型、材质、大小、埋深。区间所穿越的风险点：铁~云区间是东环国际小区、沈阳油漆厂和沈阳鼓风机厂附近的货运铁路专用线；沈~南区间是太原街时尚地下广场；南~南区间是沈阳铝镁设计院。2.2盾构进出洞部位的地基加固目的：防渗、防塌。方法：高压旋喷注浆法、冻结法、化学注浆法和临时挡土墙法等，项目上采用高压旋喷注浆法兼辅助降水。加固范围：隧道上下左右各3.0m，加固长度进洞段7.0m（出洞段4.0m）；加固强度：加固后地基应具有良好的均匀性和自立性，其无限抗压强度为0.8～1.0MPa，渗透系数≤1.0×10-8cm/s。2.3区间图纸与区间相关车站图纸审查原则：满足并方便区间施工需要。2.4施工场地的布置地面场地布置是否顺畅：以管片和出土运输之间的相互干扰最小为原则，同时兼顾其它材料的运输和地面生产；一些主要地面设施布置是否合理和齐全：以集土坑、管片堆放、地面管理系统、浆液拌合系统、排水系统、防洪措施、污水沉淀设施、钢结构加工场地等互不影响为原则，并考虑现有场地、建（构）筑物及地下管线情况。井内及隧道内的生产与辅助设施的布置：以隧道水平运输和井内垂直运输流畅、相互转换自然为基本原则。2.5主要物资设备的采购管片采购；盾构机、龙门吊、浆液搅拌站、洞内水平运输列车等。2.6风险点分析与专项方案盾构施工风险源的确定盾构始发与接收、盾构的停机、开仓检查与换刀、穿越地面重要建（构）筑物、穿越地下建（构）筑物和管线、地下水丰富地区。风险点的具体分析根据不同风险源的实际情况，逐一进行分析，必要时辅之以计算，从而确定出风险点的位置、等级、发生的条件及其可能性等；编写专项方案根据风险源和点的分析，有针对性的编写专项方案。风险点汇总与报告应根据不同管线的实际情况，按照不同的要求分别报告，同时汇总出方便工地使用的警示图表。3.区间施工进度计划按照项目总体计划的要求，确定盾构区间的进度计划，根据目前的盾构施工水平和能力，实事求是、科学合理地制定盾构掘进计划。沈阳站南京街站南市站云峰北街站铁西广场站区间施工进度计划表4.盾构施工工艺流程工作井施工盾构下井盾构安装调试初始掘进拆除负环、调整进料、出土路线正常掘进贯通进入调头井盾构调头（或解体）初始掘进正常掘进贯通进入接收井盾构解体吊装洞门破除洞门密封圈安装接收基座安装洞门破除接收基座安装洞门破除隧道端头加固隧道端头加固负环管片安装始发基座、反力架安装始发基座、反力架安装洞门破除洞门密封圈安装负环管片安装洞门施工5.盾构施工旨过程管理投与控制5.1土压管降理根据区间仅沿线的实严际土质情浑况、隧道瞒埋深变化桌、水文情斯况、地面驻建筑物和细地下建筑照物现状及炒其抗变形鼻能力、地塌面动载情剧况和试掘致进的具体桥经验等进晌行土压设丹定和合理侵调整；每环掘汤进土压割波动范俘围：0.0哈2Mp初a（土体杂状态保怜持）；土压设绑定原则郑：维持村土仓架内的低土压然力与深设定言土压眨力相爸吻合休，保卫持开蔬挖面魄土体辞稳定盲，即恋设定胁值P尽量宪接近带自然淋土体棋侧向讲自重拜应力P0。P<犬P0，则预盾构煎前部欢土体传因应裕力松悔弛造西成地能层损膨失，丢地面静将发裳生沉夕降：P>冈P0，在迟软粘赛土中抢附加饿荷载卖作用愈将产药生超诵静水富压力敏，土肚体固顿结，药产生拦土体旅沉降酬，另临外如P值与P0值相差较杯大时，会灶造成土体塞的扰动，趟经扰动后辆的土体重圆新固结会链产生很大柜的变形。地面有厨建筑物揉或其它畏超载作逃用，应椅考虑地纸面超载抗在隧道萌埋置深存度处引杯起的地已基附加民应力。公根据地每面沉降蝴监测结萌果来判帝断土压篇力设定尤值是否挺合理及吸其与自热然土压顽力的吻棋合程度甘：一般情它况下，茶盾前地冒面隆起0－2m屈m之间是串相对合熄理的（膏此数值衔与土层与和隧道挤埋深等呀密切相弯关）。酿如隆起灵过大则携应适当租调低土并压力设怖定值，灯如发生过沉降则颜应适当貌调高土批压力设梦定值。盾构施啊工中的争土压及轰其管理农影响因粮素多、股涉及面指广、每吗个项目字甚至不石同的区而段都有墙很大的煤变化，晃需要综途合全面斯考虑方泽能取得饿一个合众理的初劫始值，朝并在实趴施过程条中逐步齿获得一宿个有效控的土压袍值。5.2出土管理止（协助土美压管理）出土速度统和出土量掏：每环出揭土量控何制在理第论值的1.2~1.涛5倍（考虑彼松散系）巴；满足土压甚管理下的缺合理出土娘速度，主跑要靠控制掠螺旋输送摔机的转速撕来调节。出土管理她是进行土侨压管理的双有效措施猫，合理的愚土壤改良苍也是十分雷必要的！5.3曲线掘进装与大角度谷纠偏盾构施令工就是屈前进中海的不断袖纠偏过碰程！纠偏伴随清盾构施工仇的全过程辞，盾构机灵调整角度顶后掘进方材向与原掘烦进方向存陪在一微小贝夹角，这律样开挖横区断面形成仍一椭圆形暖，截面面之积大于盾驼构机截面协，地层损锡失不可避齿免；同时盼纠偏过程略中会对土床体造成侧议面挤压，笋增大了土耗体的扰动战。如外径Φ6.芝25m，长6.躲00究m的盾竖构机裂而言争，每掉增加6′的纠贿偏角医，就价会造喂成0.0漠576变m3的地层损抛失，引起采的地表沉藏降，隧道甘（埋深15米）中雷心上方据地面沉时降量约始为δ=代3.性4m恼m。曲线掘进件尤其不可横避免！！尝！曲线种掘进垒和正排常纠璃偏角童度越悔大相扬应的闹地面撞沉降名就越鲁大。进所以挽在盾巨构掘杏进中袖常纠就偏、炭小角仓度纠起偏从倾而达常到减尊少地漂层扰甩动和亏地面滥沉降疮的效涉果。控制好掘盆进方向，创在曲线掘抄进时适当佳设置提前美量，尽量俗减少纠偏沉幅度。提盏前量的大顶小应在时储间中不断英总结，但构原则是：提前量伟应与隧瞒道稳定乔时的反汉方向偏甩移量相拒吻合！隧道盯曲线筑掘进机和大绍角度足纠偏尺的另煤一个写有害土副产咏品--引起管披片安装于的错台丹和整体衡隧道的雨偏移，然也应引停起高度蒜重视！应对址措施冶：错台--独-1减少大瓣角度纠敏偏和盾芝构蛇行乡丰掘进2慢速掘进戒、降低土迅压和推力3改良商土壤病、降寸低扭怎矩4加强同步辜注浆，尽个快稳固地皆层5预紧螺栓炸等隧道偏移---权1控制浆液劈燕配比和时三间2提前量（榨地层变化洲与数值确踩定）5.4注浆管理农（同步注讽浆与二次询补浆）a)同步注浆—原因：盾录构机外径移通常比衬留砌外径大锄十到数十张厘米，如俭不能及时豪地以适当陡材料加以爬充填，将烘引起隧道繁结构的不拣稳定和较买大地面沉沙降。杂为保证哪浆液能起窗到抵抗周梁围土体挤蜓压的作用拉，同时考因虑易于注湾入，选用然的浆液应湾具备以下前特性：①略沉低于肾或相辆当于香周围音土体巴的容雷重；②具有一符定的抗剪钻强度和压狡缩系数，惠浆液稳定僚后其C、Φ值高于周督围土体的凝相应指标劈燕；③静态下胁有一定自咬立性和强怨度，经扰蝴动后有一猫定的流动东性，可泵挖送性好，韵不堵塞管磨路，能均厌匀地充满恐各种间隙羽；④体积也收缩率谁小，压滤缩系数球、压缩胜指数小谜；⑤浆液不差易析水。⑥在迷振动灯荷载萌作用显下不牺发生灿振动隐液化差。同步注景浆b)二次补浆—补齐煮空隙风、稳它固地疮层、蠢有效惩防水损！惰性浆坚液：优点--满足充峡填空隙劲的要求经；对盾驾尾刷的什危害小难；缺点—凝固慢；赛稳定管片为作用差；均易造成隧敲道的偏移楼，尤其是速隧道纠偏尝和曲线掘暗进时。硬性浆液何：优缺点增与惰性浆旨液正好相柴反。c)注浆抛量是叙盾构进施工放控制胳重要罗指标正确闸确定醋注浆手量及夸注浆历压力考虑到裹纠偏引丈起的地祸层损失乞、盾构观机壳体支拖泥引保起的地尖层损失撕、浆液饼体积收伟缩和具版体的地激层特点就等因素柳，注浆返时实际皆注浆量右应为理委论空隙法体积的12罪0％－180％，通残常采用150％。实际施工怠中，应根絮据盾尾脱秃离衬砌处哨对应点的锅地面沉降金观测结果声，及时进司行注浆量距调整，该米点地面沉查降量控制配在0－2mm/天。注浆辫压力挑应为刮保证挖足够她注浆箩量的快最小思值，剂同时鸟应与幅土仓滴内的宗土压阔力相近匹配痕。通常晕，注液浆压伶力是纪孔隙嗓水压+2获00董kN相/m2（一般蚕，2～4×105Pa），如注津浆压力过本大，就有致可能损坏烂管片，盾射构机外壳形变形，如聪注浆孔压虑力达到4～6×105Pa，混浇凝土倚管片极的螺绩栓会倚发生量间断钱破坏娇。注浆速过度应是砌使浆液属充填速捎度与盾厚构掘进亏度一致谷。注浆速签度过快添，注浆闯压力必吊然上升宾，易造情成尾漏务浆；注浆障速度粘过慢炭，注恶浆充胁填效问果不岛易达帖到要化求，进引起恐地面半沉降周过大及时二次容补浆，减甲小后期沉呢降模盾构施工同后期沉降(盾尾墙后30今-4隐0米范茄围内)主要脆来自肥土体毅固结裙。虽融然沉蜘降发匆展速至度较包慢，卧但累扇计值辜占到剖总沉群降量丙的30-5雅0％左右傲。及时袍二次补偶浆的方脏法是减现少后期给沉降，猛避免影匪响建（月构）筑双物和管着线安全刊的必须蚊的手段缓且效果馆良好。5.5管片街拼装管片的现呢场验收—管片揭质量暂合格晚、管匆片型涛式正边确盾尾内的韵拼装—确保不葛发生错丛台，如均发生，惩调整重狐新安装识！错缝通缝管片强拼装5.6测量工接作与导探向控制导向液控制—确保控趣制点到便盾构始龄发位置叙导线测横量的准驻确并定甜期复核亮；隧道定向—确保定埋向准确圆并定期登复核；隧道膀内的陪导线司测量—及时偿，准怨确！5.7监控量测目前乏与普斤通的绍监控禾量测寒没有妈本质湿不同伴，仪捏器数盈字化蓝和精详度提蹄高，孙频率吉没变深；采用自起动监控貌量测系蜂统进行河。6.盾构隧瞧道防水防水章原则遵循“以防为拳主，刚株柔相济芦，多道阀防线，地因地制抱宜，综雨合治理”的原则岛，以管狸片结构子自防水协为根本卡，接缝糊防水为供重点，笋确保隧熟道整体械防水。主要志防水园技术贝措施管片然混凝脸土结树构自横防水垂：采朴用高潜性能谈防水障混凝愤土，闻并通呢过外放掺剂塌改性盾提高耀混凝厨土的评抗渗变性，偏管片悦抗渗棍等级馆≥S10。衬砌接缝寇设弹性橡饭胶密封垫解。弹性橡朱胶密封垫装与管片间弟用单组份康氯丁-酚醛胶烧粘剂粘葛结。嵌缝采献用聚合擦物水泥同或聚硫抢密封胶都密封。四、闷工程旷重、侧难点翠分析1.区间所穿冈越地层大各部分为中邪粗砂、砾骆砂、圆砾蜓层且地下痒水丰富，讯盾构始发妹、接收隧兆道防水是样本工程重慰点。2.区间斧所穿搂越地帽层为释砂性