隧道与洞室工程盾构施工的准备与推进.ppt

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1、盾构法施工是在盾构保护下建造隧道的一种施工方法其特点是掘进地层、出土运输、衬砌拼装、接缝防水和盾尾间隙注浆充填等主要作业都在盾构保护下进行同时需要随时排除地下水和控制地面沉降，因而盾构法施工是一项施工工艺技术要求高、综合性强的施工方法。,1 盾构施工前的准备工作,盾构隧道剖面图,1-进风道；2-进风口；3-排风口；4-排风道；5-路面（下拉杆）；6-天棚（上拉杆）；7-吊杆；8-照明灯；9-灭火器；10-消防栓；11-电缆；12-排水管；13-给水管；14-纵向螺栓；15-环向螺栓,盾构法施工的主要施工程序：（1）建造竖井或基坑，作为盾构施工的工作井；（2）盾构掘进机安装就位；（3）盾构出洞口

2、处的土体加固处理；（4）初推段盾构掘进施工，即包括推进、出土、运土、衬砌拼装、盾尾注浆、轴线测量等；,（5）盾构掘进机设备转换，即增加装有动力、电器、辅助工艺设备的后车驾；（6）隧道连续掘进施工；（7）盾构接收井洞口的土体加固处理；（8）盾构进入接收井，并运出地面。,一、盾构拼装和拆卸的工作井盾构施工段的始端和终端，要建造竖井或基坑，用以进行盾构安装和拆卸。如果盾构推进线路特别长时，还应设置检修工作井。这些竖井或基坑都应尽量结合隧道规划线路上的通风井、设备井、地铁车站、排水泵房、立体交叉、平面交叉、施工方法转换处等需要来设置。,作为拼装和拆卸用的竖井，其建筑尺寸应根据盾构装、拆及施工来确定。盾

3、构拆卸井要满足起吊、拆卸工作的方便，其要求一般比拼装稍低，但应考虑留有进行洞门与隧道外径间空隙充填工作的余地。,位于南京长江大桥和南京长江三桥之间，南起河西滨江大道，北至浦口新市区，全长三千零三十二米。利用江心洲，所以南北掘进的隧道都要在这个小岛上出洞，减少了整个隧道在水下的长度。号称中国“水下施工第一难”。深达六十五米的水下穿越长江，隧道每平方厘米所承受的水压高达六点五公斤。施工中击穿冒顶、江底沉降、透水坍塌等风险巨大。,二、盾构基座盾构基座在井内用作安装及稳妥地搁置盾构，更重要的是通过设在基座上的导轨使盾构在施工前获得正确的导向。因此，导轨需要根据隧道设计、施工要求定出的平面及高程位置进行

4、测量定位。,基座可以采用现浇钢筋混凝土或钢结构导轨布置在盾构下部，由两根或多根钢轨组成基座除受盾构自重外，还应考虑盾构切入地层后，进行纠偏时产生的集中荷载。,三、盾构进出洞技术盾构进出洞是盾构法施工的重要环节，涉及到竖井洞门的形式和盾构切口内设备的布置，对地面沉降及隧道的防水都有很大的影响。进出洞问题处理的好，能减少许多后患，保证施工速度和安全。,上海长江隧道直径15.43m盾构日前顺利出洞 2006-9,1.盾构进出洞方法a.临时基坑法b.逐步掘进法c.工作井进出洞法2.临时封门的构造形式a.钢结构封门b.砖石或混凝土封门,四、盾构后座盾构刚开始掘进时，其推力要靠工作井井壁来承担因此，在盾构

5、与井壁之间需要传力设施，此设施称为后座通常采用隧道衬砌管片或专用顶块与顶撑作后座。,后座衬砌与后座井壁之间的空隙，一般采用浇筑低标号混凝土来填平，使盾构推力均匀地传给后座壁，将来拆除后座衬砌也较方便。当盾构向前掘进达到一定距离，盾构顶力可由隧道衬砌与地层间摩阻力来承担时，后座即可拆除。,工作井,工作井盾构始发盾构接受盾构调头盾构过站站内过站、站外过站,工作井,洞门密封洞圈与盾构外径有一定的间隙防止盾构出洞时及施工期间土体及浆液从该间隙中流失在洞圈周围安装由橡胶帘布、扇形压板等组成的密封装置。,端头加固目的控制地下水压力防止盾构掘进时由超挖而引起的土砂流入。方式高压旋喷桩、搅拌桩、灌浆,工作井,

6、联络通道,联络通道设置距离间距不大于600 m方式独立联络通道联络通道与泵房合建,联络通道,特殊衬砌环特殊钢管片局部拆除钢筋混凝土管片 局部切割采用特殊的配筋设计,联络通道,施工方法矿山法施工地基加固 冻结法高压旋喷地面注浆,一、盾构开挖方法1.敞开式开挖手掘式及半机械式盾构均为敞开式开挖。这种方式适用于地质条件好，开挖面在掘进中能维持稳定或在有辅助措施时能维持稳定的情况。其开挖程序一般是从顶部开始逐层向下挖掘。若土质较差，还可以借助支撑千斤顶加撑板对开挖面进行临时支撑。根据其切口长度，每环可分几次开挖和推进。,2 盾构的推进,2.网格式开挖网格式开挖由网格梁与隔板将开挖面分成许多格子。开挖面

7、的支撑作用时由土的粘聚力和网格厚度范围内的阻力产生的。当盾构推进时，克服这项阻力，土体就从格子里呈条状挤出来。要根据土的性质，调节网格的开挖面积。采用网格式开挖时，在所有千斤顶缩回之后，会产生较大的盾构后退现象，导致地表沉降，因此施工时要防止盾构后退。,3.挤压式开挖全挤压式和局部挤压式开挖，由于不出土或只部分出土，对土层有较大的扰动，在考虑施工轴线时，应尽量避开地面建筑物。局部挤压施工时，要严格控制出土量，以减少和控制地表变形。全挤压施工时，盾构把四周一定范围内的土体挤压密，由于只有上部有自由面，所以大部分土体被挤向地表，部分则挤向盾尾及盾构下部，建筑空隙自然得到充填。,4.机械切削开挖使用

8、机械式盾构进行开挖，它适用于各类土层，尤其适用于极易坍塌的砂性土层的长隧道，可连续掘进挖土。由旋转刀盘切削产生的渣土经过刀盘上的预留槽口进入土舱，提升和流入漏斗后，在通过传送带运人出土车。目前采用的泥水加压盾构、土压平衡盾构是这种开挖方式的典型例子。,二、盾构始发技术盾构在初始阶段的施工难度很大。因此，盾构隧道始发技术是盾构法施工技术的关键，也是盾构施工成败的一个标志，必须要全力做好。始发阶段存在以下几种特殊情况：,1）始发推进前需凿除车站的围护结构（主要是处理钢筋砼结构），凿除围护结构后的土体在一定的时间段内必须保持自稳，不能有水土流失；2）始发阶段盾构机主体在始发导轨上不能进行调向；3）始

9、发阶段的姿态及地面沉降控制比正常推进阶段更困难；4）始发期间一些设备如管片小车、管片吊机，包括出渣都不能正常使用。有时也会存在盾构机因为车站结构的原因而不能整机始发。,始发技术包括洞口端头处理（在软土无自稳能力的地层中）、洞门砼凿除（主要针对钢筋砼围护结构）、盾构始发基座的设计加工、定位安装；始发用反力架的设计加工、就位；支撑系统、洞门环的安设、盾构组装、盾构始发方案、其他保证盾构推进用设备、人员、技术准备等，直到始发推进。,始发施工技术7点a)始发洞口的地层处理根据洞口地层的稳定情况评价地层，并采取有针对性的处理措施。地层处理一般采取如“固结灌浆”、“冷冻法”、“插板法”等措施进行地层加固处

10、理。选择加固措施的基本条件为加固后的地层要具备最少一周的侧向自稳能力，且不能有地下水的损失。,b)始发洞口维护结构的切除根据经验，一般在始发前至少一个月开始洞口维护结构的切除。整个施工一般分两次进行，第一次先将围护结构主体凿除，只保留维护结构的钢筋保护层，在盾构始发前将保护层混凝土凿除。在凿除完最后一层混凝土之后，要及时检查始发洞口的净空尺寸，确保没有钢筋、混凝土侵入设计轮廓范围之内。,c)洞口密封洞口密封是为盾构在始发时防止背衬注浆砂浆外泄所用，按种类分有压板式和折叶式两种，其中折叶式越来越被人们所认可。洞口密封的施工分两步进行施工，第一步是在车站结构的施工工程中，做好始发洞门预埋件的埋设工

11、作，要特别注意的是在埋设过程中预埋件必须与车站结构钢筋连接在一起；第二步在盾构正式始发之前，应先清理完洞口的碴土，再完成洞口密封的安装。,d)洞口始发导轨的安装在围护结构破除后，盾构始发台端部距离洞口围岩必然会产生一定的空隙，为保证盾构在始发时不致于因刀盘悬空而产生盾构“叩头”现象，需要在始发洞内安设洞口始发导轨。安设始发导轨时应在导轨的末端预留足够的空间，以保证盾构在始发时，不致因安设始发导轨而影响刀盘旋转。,e)反力架、始发台的安装反力架、负环管片位置、环数的确定等目的：确定反力架和始发台为盾构始发时提供初始的推力以及初始的空间姿态,f)盾构的始发（1）空载推进盾构在空载向前推进时，主要控

12、制盾构的推进油缸行程和限制盾构每一环的推进量。要在盾构向前推进的同时，检查盾构是否与始发台、始发洞发生干涉或是否有其他异常事件或事故的发生，确保盾构安全的向前推进。（2）始发时盾构姿态的控制主要通过盾构机推油缸行程控制姿态,（3）始发时盾构推进参数的控制在保证盾构正常推进的情况下，稍微降低总推力和刀盘扭矩。（4）洞口注浆在盾尾完全进入洞体后，调整洞口密封，进行洞口注浆。浆液不但要求顺利注入，而且要有早期的强度。注浆压力控制在1.5BAR以内。,g)反力架、负环管片的拆除反力架、负环管片的拆除时间根据背衬注浆的砂浆性能参数和盾构的始发掘进推力决定。一般情况下，掘进100m以上（同时前50环完成掘

13、进7日以上），可以根据工序情况和工作整体安排，开始进行反力架、负环管片拆除。,常见问题的预防或处理1）加固效果不好端头土体加固的效果不好是在始发过程中经常遇到的问题。采取的主要措施是必须根据端头土体情况选择合理的加固方法，而且要加强过程控制，特别是要严格控制一些基本参数。对于加固区与始发井间形成的必然间隙要采取其它方式处理。,2）开洞门时失稳开洞门时失稳主要表现为土体坍塌和水土流失二种，其主要原因也是由端头加固效果不好所致。在小范围的情况下可采用边破除洞门砼，边利用喷素砼的方法对土体临空面进行封闭。如果土体坍塌失稳情况严重时，只有封闭洞门重新加固。,3）始发后盾构机“叩头”始发推进后，在盾构机

14、抵达掌子面及脱离加固区时容易出现盾构机“叩头”的现象，根据地质条件不同有些可能出现超限的情况。为此，通常采用抬高盾构机的始发姿态、合理安装始发导轨以及快速通过的方法尽量避免“叩头”或减少“叩头”的影响。,4）密封效果不好洞门密封的主要目的也是在始发掘进阶段减少土体流失。当洞门加固达到预期效果时，对于洞门环的强度要求相对较低，否则要在盾构推进前彻底检查和确定洞门环的状况。在始发过程中若洞门密封效果不好时可即时调整壁后注浆的配合比，使注浆后尽早封闭，也可采用在洞门密封外侧向洞门密封内部注快凝双液浆的办法解决。,5）盾尾失圆在很多情况下，始发阶段由于自重及其他原因，盾尾一般都会出现失圆的情况，有些可

15、能达到10cm之多。可以采用盾构机自带的整圆器进行整圆，在必要的情况下，可采用错缝拼装以保证在管片拼至隧道内时管片自身的椭圆度控制在误差以内。,6）支撑系统失稳支撑系统在某些情况下由于盾构机推进中的瞬时推力或扭矩较大而产生失稳，这样将导致整个始发工作的失败。对于支撑系统的失稳只能从预防角度进行，同时在始发阶段对支撑系统加强监测。,7）地面沉降较大由于始发施工的特殊性，始发阶段的地面沉降值均较大因此在始发阶段需尽早建立盾构机的适合工况并严密注意出土量及土压情况同时加大监测频率，控制地面沉降值。,盾构机的始发成功主要由始发条件及始发施工技术中每一环节的处理决定。在前期的地质勘探、始发区域的建筑物及

16、管线情况进行调查，特别是对端头土体的液限、塑限、渗透系数、含水量等各种物理力学指标进行全面的调查及评估是相当有必要的；同时应对始发技术施工中的每一个环节加强全面、细致的控制，以确保各种处理措施达到预期效果。,因为始发技术与各个工程的始发条件息息相关，所以始发时每一个细节，如采用什么端头加固方式、连续墙破除方式、始发台及反力架的定位等均需根据现场条件选择最合适的方法。,三、施工管理1）.土压平衡式盾构土压平衡式盾构的施工管理是通过排土机构的机械控制方式进行，这种排土机构可以调整排土量，使之与挖土量保持平衡，以避免地面沉降或对附近构筑物造成影响。,2）.加泥式或加泥浆式盾构加泥或加泥浆式盾构为了确

17、保开挖面的稳定，在盾构推进时进行排土量管理和土压管理。排土量管理以使掘进量和排土量之间取得平衡为目的；土压管理以通过土压计测出密封舱内的泥土压力来保持土压力平衡为目的。,3）.加水式盾构 加水式盾构施工法的开挖面稳定管理有两种方式：一是不间断地掌握盾构掘进中的掘土量和排土量之间的关系，从而将密封舱内的切削土的积存量保持在最佳状态的排土率管理；二是保证同地下水压力取得平衡的附加水压力管理。,4）.泥水加压平衡式盾构泥水加压式盾构一面要保持泥水压力来平衡作用于开挖面的外部压力，一面又要向前推进，所以要对开挖面泥水压力、密封舱内的土压力，以及同掘土量平衡的出土量等进行必要的检测和管理。,四、盾构操纵

18、与纠偏1）.盾构的操纵与偏向盾构操纵，主要是使盾构运动轨迹始终在设计轴线容许偏差值范围内，达到隧道衬砌拼装在理想的位置上的目的。盾构在地层中推进时，导致偏向的因素很多，主要有以下三点a.地质条件的因素由于地层土质不均匀，以及地层有卵石或其它障碍物，造成正面及四周的阻力不一致。,b.机械设备的因素各千斤顶工作不同步，由于加工精度误差造成伸出阻力不一致，盾构外壳形状误差、设备在盾构内安置偏重于某一侧，千斤顶安装后轴线不平行。c.施工操作的因素部分千斤顶使用频率过高，导致衬砌环缝的防水材料压密量不一致，累积后使推进后座面不正，挤压式盾构推进时有明显上浮；盾构下部土体如有过量流失，引起盾构下沉。,2）

19、.盾构的纠偏a.千斤顶编组的调整通过调整千斤顶的编组，使其千斤顶合力位置与外力合力位置组成一个有利于纠偏的力偶，从而调整高程位置及平面位置。b.盾构纵坡的控制通过变坡法或稳坡法控制纵坡来调整盾构高程，以及盾构与已成管片端面间的间隙。,c.开挖面阻力的调整当利用千斤顶编组无法达到纠偏目的时，可采用调整开挖面阻力，也就是人为地改变阻力的合力位置，从而得到一个理想的纠偏力偶，来达到控制盾构轴线的目的。d.盾构自传的控制当盾构有少量自转时，可用盾构内的举重臂、转盘等大型旋转设备的使用地方来纠正；当自转量较大时，采用压重的方法，使其形成一个纠旋转力偶。,五、衬砌壁后压浆为防止地表沉降，必须将盾尾和衬砌之

20、间的建筑空隙及时压浆充填，压浆还可以改善隧道衬砌的受力状态，增强衬砌的防水效能，有利于盾构推进纠偏，因此是盾构施工的关键工序,1）.压浆方法 a.二次压注 当盾构推进一环后，立即用风动压注机通过衬砌管片的压注孔，向衬砌壁后的建筑空隙注入豆粒砂，防止地层的坍塌。继续推进58环后，再用压浆泵将水泥类浆体灌入砂间空隙，使之固结。,二次压注法施工繁琐，压注豆粒砂不易保证密实，尤其是拱顶部分，此外灌注水泥浆时也难填满。地表沉降略大，后期常需进行补充压浆，但对保护盾尾密封装置有利。,b.一次压注 若地层条件较差，盾尾空隙一出现就会发生坍塌时，则希望盾尾空隙内始终保持一定的压力。在这种情况下尾宜采取一次压注

21、法，即随着盾尾空隙的出现，立即压注水泥砂浆，并保持一定压力。一旦出现压浆故障，盾构也要暂停推进。这种工艺对盾尾密封装置要求较高，容易产生盾尾漏浆，须准备采取有效的堵漏措施。,2）.压浆材料压浆的常用材料拌制成浆体要满足下列要求：a.和易性要好b.凝结时间要合适c.要有一定的强度d.收缩率要小e.具有一定的抗渗能力,目前通常采用无水泥的压浆材料，它是以石灰、膨润土（或粘土）、磨细粉煤灰和砂配置而成。3）.压浆设备隧道内的压浆设备由压浆泵、软管、连接管片压浆孔的旋塞注浆嘴、管路接头、阀门等组成。目前施工压浆泵一般采用活塞式压浆泵或自吸式压浆泵。,3.1 稳定开挖面泥水加压盾构和土压平衡盾构自身有使

22、开挖面保持稳定的功能。采用开放型盾构、挤压网络盾构和半机械化盾构掘进隧道时，则常需采用气压法、降水法、化学注浆法或冰冻法等辅助施工方法，使开挖面保持稳定，防止产生涌水、涌砂和随之发生的土体坍塌及地表沉降。,3 盾构隧道的辅助施工方法,3.2 盾构进出洞一般采用高压旋喷法、深层搅拌法、化学注浆法或冰冻法等加固洞口周围的土体，或采用降水法提高进出洞段土体的强度，以免开启钢封门时发生涌水和土体倒塌现象，引起地表过量沉降和影响周围环境。,3.3 特殊情况A、二次压浆法这种方法是在盾尾同步注浆或及时注浆结束后，对衬砌环壁后进行补压浆，以充填第一次注浆后存在的空隙，其作用是，加固周围地层，控制地表沉降。主

23、要用于保护重要建筑物和地下管线。,B、基础托换盾构穿越建筑物或遇到基础桩时，需切断桩体，并在外围打入托换桩基承受转嫁的荷载。,C、承压板法盾构穿越建筑物前，先在建筑物下浇筑一层刚度较大的钢筋混凝土底板，在板上设置油压千斤顶支撑建筑物。盾构通过时需要经常监测建筑物发生的沉降，及时调整千斤顶高度。这类方法成本高、工期长，一般仅在遇到大型建筑物并对沉降控制有较高要求时采用。,D、地层加固地层加固有化学注浆和高压旋喷法等。一般在需要保护的建筑物近旁作业，或用于加固盾构隧道急曲线施工段和盾构对接施工地点周围的地层。,其他如盾构的盾构隧道衬砌，盾构施工监测问题，环境保护问题等，稍后还会有专门的章节讲述。,