盾构法施工技术在无水砂卵石地层中的应用.pdf

第 2 1卷第 4期 2 0 0 3年 7月 市 政 技 术 mu n i c i pa l eng i ne e r i n g te c h n o l o g y v0 1 2 1 no 4 j u l y 2 0 0 3 文章编 号 ：1 0 0 97 7 6 7一( 2 0 0 3 ) 0 4 o1 9 5 0 9 盾构法施工技术在无水砂卵石地层 中的应用 周秀普 ( 北京市政 集团第 四工 程处 ， 北京市宣武 区 ， 1 0 0 0 5 5 ) 摘 要：通过加泥式土平衡盾构在无水砂卵石地层 中， 在铁路不慢点不限速的条件下， 以 r 3 5 0 m曲线成功穿越永丰线 和京山线的工程实践 ， 详述了盾构法施工技术中的盾构选型、 盾构姿态控制以及地面隆沉控制技术等关键技术问题。 关键词：盾构选型盾构姿态盾构纠偏 地面隆沉砂卵石 曲线推进 中图分类号 ：4 5 5 4 3 文献标识码 ：d app l i c at i on o f s hi e l d m e t ho d i n no n- - w a t e r sa nd y co bbl e be d zh o u xi u pu 盾构法施工技术在北京 已经应用于排水管道工 程和地铁工程 ， 在北京 的地质条件下已经积累了相 当 丰富的经验， 尤其是我们工程处在凉水河南岸污水干 线工程 的无水砂卵石地层中 ， 在铁路不慢点不 限速的 条件下成功穿越 4条铁路 、 三环路右外大街 等重要干 线 ， 完成 了 5 0 0 0多 i n盾构掘进 。本文着重在这种特 殊地层 中以及特殊条件下 ，结合施工中集结的经验 ， 就盾构法施工 中的几个关键技术难点予 以论述 。 1 工程概 况 凉水河南岸污水干线工程 ( 上段)是凉水河水系 污水治理工程之一 ， 目的在于截流 目前直接排人凉水 河的污水 ， 同时接纳 已建凉水河北岸污水管 的部分污 水， 完善凉水河流域排水系统， 还清河道， 改善环境质 量。 1 1 土层地质概况 本工程管道沿线地形较平坦 ， 地势由西 向东逐渐 降低 。现况地面主要为树林 、 民房 、 公共用地及厂房 ， 沿线表层土为 0 3 0 i n5 8 0 i n厚度不等的人工堆积 层 ： 包括轻、 中亚粘土填土层 、 碎石填土 。 层 、 房 渣土 z 层 ， 细砂填土 ， 层 ； 其下为新 近沉积之轻亚粘土 、重亚砂土 。 层 ， 中、 重亚粘土 ， 层 ， 细砂 、 粉砂 z 层 ， 轻 、 中亚粘土 ， 层 ， 亚砂土 层 ， 局部为细砂 、 粉砂 层及圆 砾 6 层 ； 标高 3 5 3 4 i n一3 9 6 8 i n以下 为卵石、 圆砾层 ， 细砂 、 粉砂 ， 层 ， 标高 2 9 4 5 i n3 1 9 7 i n以下第 四 沉积的为卵石、 圆砾 。 层 ， 卵石层及细、 中砂 ， 层 。 污水 干线底标 高 3 2 1 i n3 3 5 1 i n ， 相应于该标高 处所分布 的持力层土质 主要为新近沉积的卵石 、 圆砾 层 ，细砂 、粉砂 ， 层 ( 见图 1 ) 。地基容许承载力 盯 。 =2 5 0 k p a 。 1 2 地下水概况 沿线钻孔实测地下水静止水位标高为 2 5 3 0 m 2 5 7 9 m( 埋深 1 7 2 0 m1 7 9 0 m) 。 地下水为潜水 、 承 压水 。管道 沿线 近 35年最 高 水位 为 2 9 7 0 m 3 0 3 0 m左右 。在盾构隧道推进断面内无地下水 。 1 3 工程特点 ( 1 ) 地质条件复杂 管线大部分位于砂卵石层 中， 管道周 围土层成拱 性 差 。 ( 2 ) 管道埋深大 ， 管顶在现况河水 水面以下 2 3 m， 距河岸较近 ( 3 ) 管线 曲线多 ， 转弯半径小 本工程管线共有 9段 曲线 ，累计长度 7 5 0多 i n ， 占管道总长 1 5 ，隧道直径 2 7 0 0 ln m段转弯半径为 5 0 0 1 1 1 ， 隧道直径 3 0 0 0 n l n l 段转弯半径为 3 5 0 m。 ( 4 ) 管道沿线穿越多条重要交通干线 重要城市干线道路： 京开路和南三环路； 一般城 维普资讯 1 9 6 市政技术 第 2 l 卷 l ，v j i 一 0 一 “囊0 0曩 0 囊0 圣 表层 ；人 工堆积之轻、中亚粘土等 臣 新 近 沉 积 层 之 重 亚 粘 土 、 轻 亚 粘 土 等 二 新 近 沉 积 卵 石 、 圈 砾 层 匡 第 四 纪 沉 积 层 之 卵 石 、 圈 砾 层 ： i f x 新 近 沉 积 细 砂 中 砂 层 ： l x z 新 近 沉 积 粉 砂 细 砂 层 l l l x z 新 近 沉 积 粉 砂 、 细 砂 层 图 1 管 道沿线地层 市道路 ： 右安 门路和马家堡东路 ； 铁路 ： 穿越京九铁路 复线一次 ， 穿越北京南站电气化铁路复线两次。 ( 5 ) 现况地面构筑物较多 2盾构选型 盾构掘进机 ( 以下简称盾构机)是隧道掘进施工 的大型专用设备 ，其在隧道施工 中应用效果 的好坏 ， 以及设备性 能是否充分发挥 ， 与拟应用工程 的具体条 件特别是地质条件和环境要求等方面 的因素十分密 切 。 对于盾构法隧道施工而言 ， 在施工技术方 面， 若盾 构机选型正确 ， 则隧道施工 的成功率可达 5 0 以上 ， 余下则可依靠施工企业的管理水平 、 掘进经验和技术 人员的智慧来保证工程的最终顺利完工 。 若盾构机选 型不正确 ，则必然在隧道实际施工 中碰到大量困难 ， 造成工程进展不顺利 。在工程施 工成本方面 ， 由于盾 构机购置费用庞 大 ，所选盾构机满 足工程项 目的程 度 ， 对地质适应性 的强与差 、 使用寿命 的长与短 以及 设备综合性价 比的优与劣等 ， 直接对施工成本产生很 大的影响。 因此 ， 盾构机 的选 型， 是盾构法隧道施工成 功 的关键 ， 必须高度重视 。 2 1 盾构机选型的基本原则 盾构机的选型就是针对工程地质 和环境的特点 ， 选择经济合理 的盾构机型式 ， 使之既能适应于工程 的 地质条件 、 环境要求和技术要求 ， 又能在复杂困难 的 地段中具有应变能力。 根据该工程概况 、 工程地质报告 、土层颗粒曲线 以及设计文件 ， 我们在盾构机选型中，着重考虑了以 下几个方面 ： 2 1 1 隧道穿越 上方 为大 面积 的单层 的老 旧民居 、 临建等 ， 对地层沉降的反应敏感 。 因此 ， 在盾构机选型 中， 控制沉降的能力是选型 的重要依据 。 2 1 2 隧道掘进 的地 层断面 内为砂层及砂 卵砾石 层 ， 需要盾构机具有很强 的控制姿态 的能力 。 2 1 3 砂 层 中石英 含量高且 卵砾 石层 中的卵砾石 的粒径大 ， 石英含量高的地质状况 ， 盾构机必须具备 较强的耐磨性 。 2 1 4 隧道全线穿越地层无地下水 ， 对加泡沫或加 泥的技术要求高 ， 并且含水量 的高低在北京地 区会大 大影响土 的力学性质。 2 1 5 本工程存在小半径 的平曲线 ， 盾构机 的转弯 及纠偏性能要强 。 2 1 6 盾构 机设备技术水 平先进可靠 ，并适 当超 前。 2 1 7 能够满 足浅埋或超浅埋 地铁 隧道施 工 以及 穿越大量房屋建筑之下施工的需要 ， 即要求盾构机对 控 制地表沉降配备足够 的功能和具有 良好 的操作性 能。 2 2 盾构机机型的确定 根据以上特点和施工设计要求 ， 并结合盾构施工 特点综合 国内、 外及本公 司以往 的盾构施工经验 ， 选 用 目前世界上技术先进的加泥式土压平衡盾构机 ， 并 维普资讯 2 0 0 3年第 4期 盾构法施工技术在无水砂卵石地层 中的应用 1 9 7 且对盾构机 的刀盘、螺旋输送机 、 密封土仓隔板等部 件的耐磨性 以及刀盘扭矩 ， 千斤顶的推力等作 了特殊 的要求。 使该盾构机不仅普遍适用于北方地 区大部分 的地质地层条件 ， 尤其更能适用于该工程的无水砂卵 石地层 。 2 3 加泥式土压平衡盾构机的主要设备要求 2 3 1 盾构机刀盘扭矩及刀具 ( 1 ) 刀 盘扭 矩 ： 对于盾构设备 ，影响盾构机刀盘扭矩 的因素较 多。根据 日本 隧道标准规范( 盾构篇 ) 及解释 ， 盾构 机刀盘装配扭矩 ： t= d 式 中： 为盾构机装备扭矩 ( k n m) ； 为扭矩 系数 ； d为盾构机外径 ( m) 。 对于加泥式土压平衡盾构机 ， 国外 的经验值为 82 3 。我公司根据对北京市地质条件 的调查和走访 调研 ，认为在砂土地层特别是在砂 卵石地层中盾构机 刀盘旋转切削围岩 ( 砂卵石时) ， 盾构机刀盘扭矩一般 较大， 而且施工 中常会出现刀盘扭矩瞬间过大的现象 ， 有必要对 值 进行调整。 经过与盾构机制造商交流和 协商 ， 决定把盾构机刀盘扭矩系数 值提高到 2 6 。实 践证明这样不但适应了北京市地层 的隧道施工 ，也间 接提高了盾构机 的使用寿命 ， 技术经济更为合理。 ( 2 ) 刀盘及其支撑体系的强度 ： 根据地 质勘察 报告 ，该工程盾构断面 内主要为 砂 、卵石土质 ，其 中石英含量较大 ，对刀具磨损较严 重 ， 因此对刀盘及其支撑体系的强度要求较高 。采用 优质耐磨及韧性好的矿用刀具材料 ， 除在刀具刃 口部 分嵌入超硬材料 ( 如碳化钨等 ) 外 ， 土砂 ( 卵石 ) 沿刀具 向后流动经过 的刀具表面也适 当给予加强 ， 提高刀具 及其支撑体 系的耐磨性 。 在施工过程 中， 所用的 日本原装进 口刀盘系统一 般每掘进 i 5 k m更换一次刀盘 ，每掘进 8 0 0 m更换 一 次刀具 。 这些都是需要在施工过程 中着重考虑的问 题 。 2 3 2 转弯及纠偏铰接机构 根据经验 ， 盾构机 的灵敏系数 ( 机长 外径) 不大 于 1 5时 ， 一般可不用铰接机构 ， 其转 弯和纠偏能力 能够满足曲线推进的要求。 但考虑到在城市里施工控 制地面沉降的要求较高 ， 并且施工 中有可能需要躲避 障碍物， 临时改变盾构原设计轴线， 以较小半径曲线 推进。基于这些考虑 ， 我公 司引进的盾构机配备 了转 弯及纠偏铰接机构。使用铰接机构， 可依据曲线隧道 的有关参数 ， 预先计算 出每段 曲线 中每环管片应该转 动的角度， 盾构机曲线推进前启动铰接机构， 使之符 合 曲线 前进方向的要求 ， 限定盾构机在设定 的曲线上 推进， 从而比较容易地实现转弯和减少对盾构机周边 土体的扰动 ， 对控制沉降有利。 3 加泡沫工艺 3 1 加泡沫与加泥浆的原理 ， 加泥式土压平衡盾构机的工作原理是向密封仓 内加入塑流化改性材料 ， 与开挖面切削下来 的土体经 过充分搅拌 ， 形成具有一定塑流性和透水性低的塑流 体 。 同时通过伺服控制盾构机推进千斤顶速度与螺旋 输送机 向外排 土的速度相 匹配 ， 经舱 内塑流体 向开挖 面传递设定的平衡压力 ， 实现盾构机始终在保持动态 平衡的条件下连续向前推进 。 由于加泥式土压平衡盾 构机可 以根据不 同地层 的地质条件 ， 设计和配制出与 之相适应的塑流化改性剂( 如泡沫等) ， 极大地拓宽了 该类机型的施工领域 ， 特别是在砂卵石地层中施工优 势最为明显 ，故近年来成 为盾构机应用的主流机型 ， 在隧道工程 中得到广泛应用。 本工程盾构穿越无水砂卵石地层 ， 盾构机在这种 地质环境 中掘进 时 ， 仅采用加泥措施 ， 改善切 削土体 流动性的能力有限 ， 土体离析严重 ， 盾构机经常堵塞 不能正常掘进 ， 而且加泥量过大 ， 费用增加。 为适应前 述地质环境的施工 ， 我们考虑在加 泥的基础上增加泡 沫系统， 利用加入泡沫改善土体粒状构造 ， 吸附在颗 粒之 间的气泡可 以减少土体颗粒与 刀盘 系统 的直接 摩擦 ，增加切削土体的粘聚力 ，同时降低土体渗透 性 。又因其 比重小 ， 搅拌负荷轻 ， 容易将 土体搅拌均 匀 ， 从而达到既能平衡开挖 面土压、又能连续 向外顺 畅排土的 目的。 3 2 工作原理及发生设备 工作原理： 将泡沫材料在地面进行混合 ， 经由管 路输送至盾构台车， 由盾构台车上的泡沫发生装置将 泡沫材料吹制成泡沫 ， 再通 过管路在刀盘处与泥浆进 行混合， 然后进入土仓中。因为泡沫是含有压缩气体 的气泡之聚合体 ， 且具有很好的稳定性 ， 可以承受较 大的地层压力。此外泡沫的体积极小 ， 混合了泡沫的 泥浆的扩散性也增强 了， 它可 以在刀盘的搅下迅速渗 透到土层 中， 将砂层 的砂砾颗粒包裹起来 ，降低 了土 体的密实度 ， 改善了土体的塑流性 。 加泡沫系统主要设备 ： 空压机 ， 储气罐 ， 储液罐 ， 压送泵 ， 泡沫发生器 。 3 3 材料配合比及参数 本工程中我们采用新型高浓度生泡剂 ， 根据工程 维普资讯 1 9 8 市政技术 第 2 1卷 积累的经验 ， 在施工时泡沫剂原液首先在储液罐和水 按 比例混合 ， 然后在泡沫发生器和压缩空气混合 ， 生 成泡沫。 3 4 单独加泥与混合使用泥浆 、 泡沫效果比较 为 比较在无水砂卵石地层 中单独加 泥和混合使 用泥浆 、 泡沫的效果 ， 在本工程前 2 0 0 m盾构掘进施 工时，我们对此进行了试验 ，试验参数及结果如表 1 所示 。由表可 以看出， 在无水砂卵石地层中盾构掘进 时 ， 加入泡沫能够降低刀盘油压 ， 减轻砂卵石对盾构 设备 的磨损 ， 提高设备使用寿命 。 表 1 单独加泥与混合使用泥浆 、 泡沫效果 比较表 序号 参数( 单位) 单独加泥 混合使用 备注 l 刀盘油压 ( mp a ) l 1 8l 0 2 推力 ( t ) 8 0 o 5 0 o一 6 5 0 3 螺旋输送机油压( mp a ) 9 5 7 4 加泥量( l ) 3 5 0 o l 5 0 0 5 加泡沫量( l ) 0 2 5 原液 6 地 面沉 降 ( m m) l 0 5l 0 7 刀盘磨损情况 较重 较轻 开挖后观察 8 刀盘抱死发生频率 较多 极少 在实际作业 中， 单独加泥浆时容易造成刀盘 “ 抱 死” 现象 ， 分析其原因为 ： 单独加泥盾构掘进时 ， 由于 刀盘油压过高 ， 在保证 土压的前提下 ， 增加加泥量可 以略微降低刀盘油压 ， 但是当加泥量过大时 ， 土仓内 较大的卵砾石会在重力作用下下沉至土仓底部 ， 土仓 内土体不能混合均匀 ， 产生“ 离析” 现象。当刀盘停止 一 段时间后重新启动时 ， 产生刀盘被 “ 抱死 ” ， 不会转 动的现象 ，解决办法为首先用螺旋输送机过量 出土 ， 降低土仓土压， 抽空刀盘下部土体， 然后反复正反转 动刀盘至运转正常为止。 4 衬背注浆工艺 盾构法施工， 为填充盾尾间隙引起的土体损失而 采用衬背注浆工艺 。同时 ， 衬背注浆 具有提高隧道 的 止水性能和确保管片衬砌 的早期稳定性 。 根据凉水河 盾构工程 的地质状况及其实际施工情况 ， 衬背注浆采 用盾尾 同步注浆和二次补注浆两种方式 。 其 中选用合 适 的注浆 材料及准确控制注浆参 数是保 证注浆效果 的关键。 5 曲线段盾构掘进的姿态控制 盾构姿态控制与纠偏就是指如何合理进行操作 ， 使盾构机在允许偏差范围内沿着设计隧道轴线前进 ， 当盾构轴线偏离设计轴线时又应如何操作使其尽快 回到设计轴线上来。曲线段 ( 尤其是小半径曲线) 施 工 ， 盾构易偏离轴线 ， 据 以往工程经验 ， 当盾构掘进曲 线半径小于5 0 0 m时仅靠控制掘进速度、 保持土压和 及时测量是很难保证盾构姿态 的， 特别是在像凉水河 这样阻力大 的砂 卵石层中掘进 。 针对本工程管线 曲线 段 多， 转弯半径小 的特点 ， 我们在实际施工 中注重实 践 ， 总结 出了以下方法进行姿态控制。 5 1 充分了解并利用盾构的特性 本工程所用 i h i 公 司的 3 6 4 0盾构机 的特性 ： 5 1 1 盾构外径 仍 6 4 ， 长8 9 1 5 m主体长 6 2 3 m 。 长细比大于 1 5推进方向不易改变 。 5 1 2 水平纠偏 时尾部易调 ，切 口难调 ；立 面纠偏 时上坡易压 ， 下坡难抬 。 5 1 3 每个千斤顶 的最大推力为 1 0 0 t 。 5 1 4 各区千斤顶 的油压不能单独调节 。 该盾构机设有专用于小半径曲线施工的 “ 铰接” 装置。具体施工方法是伸出仿形刀， 在曲线内侧进行 1 0 0 m i n左右的超挖 ， 再开启盾构 “ 铰接 ” 装置 ， 并辅以 合理的千斤顶 编组 。凉水河工程的实践证 明 ，i h i 公 司的 3 6 4 0盾构机能走出小于 3 5 0 m的曲线半径。 5 2 监测盾构掘进 中的姿态 控制盾构推进 ，主要 是控制盾构掘进过程 中的 姿态 。在盾构掘进过程 中 ，我们利用盾构机 头相对 于设计轴线 的偏差来描述盾构姿态 ，并设计 了专用 报表 ： ( 1 ) 水平位置 水平偏差值 ( ) 右偏为正 ， 左偏为负。 ( 2 ) 立面位置 高程偏差值 ( y ) ， 坡度上为正 ， 下为负。 ( 3 ) 旋转位置 盾构机身 自转角 ( ) ， 左转为负 ， 右转为正 。 测量人员须依照详细准确 的测量 导线 做到勤测 勤量， 且经过仔细核算填制专用报表盾构姿态报 表 。 5 3 严格控制推进的每一个技术参数 当盾构轴线偏离设计轴线时 ， 可采取 以下技术措 施 ： 5 3 1 严格控制盾构低速匀速掘进 ，以通过调整螺 旋输送机的转速等参数以保持前方土仓内的土压力 ， 给盾构机提供一个支撑点 ， 配以千斤顶 的推力使盾构 机体受到一个旋转力矩， 改变其推进方向。 5 3 2 根据测量数据 以及盾构 检测装置反 映 的数 据 ， 盾构操作人员进行千斤顶选用 ， 一般是盾构机偏 向哪一侧 ， 则选择另一侧的千斤进行推进 。拼装人员 每拼装完一环应及时测量管片的左 、 右、 上 、 下超前数 值( 相对于盾构机体) 以及盾构壳体与衬砌管片的左、 维普资讯 2 0 0 3年第 4期 盾构法施工技术在无水砂 卵石地层 中的应用 1 9 9 右、上 、下间隙的四个数值 ，以确定下一步的操作方 案 ，比如盾构机偏右量得管片为左超前 ， 左边间隙大 于右边间隙， 这时应视量得数据或数值差 的大小 ， 采 取选择粘贴传力衬垫亦或是选择使用左曲管片予以 调整 。 5 3 3 当偏离较多时 ，可以使用设备上的仿型刀与 中折装置 ， 即用仿型刀对轴线一侧 的土体进行超量挖 掘 ，通 常超挖 的距离为一个机身 的长度后再打开 中 折 ， 中折转折角度视偏离距离而定 ， 但不可过大 ， 否则 会造成衬砌管片拼装困难或出现碎裂。 另外 同步注浆 及二次补注浆 的位置选择在盾构偏离的一侧进行 ， 这 些措施都可 以减少衬砌管片偏离轴线 的数值。 当盾构 需要拐一个小半径的弯道时 ， 可采取提前拐弯的办法 以防止盾构偏离轴线 。 5 4 利用千斤顶纠偏 5 4 1 千斤顶编组 千斤顶的个数为 1 2个 ，每个千斤顶最大推力为 1 0 0 t ， 总吨位为 1 2 0 0 t 。 正常推进为 2 0 03 0 0 t ， 因此 一 般千斤顶编组不少于 4个 。 跟踪千斤顶因跟踪负荷 很小 ( 5 t ) ， 一般用于达到环面平齐的作用 。计测千斤 顶专指 4 , 9号千斤顶 ( 计测状态时为无负荷) ， 计测左 右两侧前进行程，控制盾构掘进长度，控制超前现 象。盾构千斤顶分布见 图 2 。 图 2千斤 顶分布 图 5 4 2水平纠编 控制水平偏移的两组千斤顶 ： 右偏情况下使用 ： ( 2 ) 、 ( 3 ) 、 ( 4 ) 、 ( 5 ) 。 左偏情况下使用 ： ( 8 ) 、 ( 9 ) 、 ( 1 0 ) 、 ( 1 1 ) 。 水平姿态类型 ( 如 图 3所示 ) 。 图 3 a类 ： 对称使千斤顶 ， 考虑纵坡高程进行编组 ， 4 、 9号千斤 顶计测 ，其他非选用 的千斤顶无负荷跟踪 ， 保证拼环质量 。 b类 ： 偏 差值 较 小 时 ，即盾 头 、盾尾 偏 离差 值 x 5 0 m m， 考虑使用 2 、 3 、 4、 5、 6 1 、 2、 3、 4、 5 1 2、 j、 2、 3、 4、 5 2、 3、 4、 5、 6、 7d c 类 ： 同 b类 ， 方向相反。 d类 ：首先控 制住机头 ，使其往 中线及 正值发 展。操作时严防盾构后退。 盾 头、 盾尾偏差小时 ， 左侧 顶镐力度小点 ； 偏差大时右侧顶镐力度大点 。考虑盾 构 的滞后性。 进入 曲线时要考虑盾构与轴线偏差值 。 其基本使用原则 ： 偏差小 时用 4 、 6 、 7 、 8 、 9 ； 5 、 6 、 7 、 8 、 9 ( 4计测 ) ； 3 、 4 、 9 、 1 0 、 1 1 。 偏差大时用 7 、 8 , 9 、 1 0 、 1 1 、 ( 4 计测) ； 9 、 1 0 、 1 1 、 1 2 、 1 。 e类 ：首先使用左侧千斤顶使其转换到 d类 ，考 虑使用 8 、 9 、 1 0 、 1 1 、 4 ； 8 、 9 、 1 0 、 1 1 、 4 、 5 ； 9 、 1 0 、 1 1 、 4 、 5 、 ； 7 、 8 、 9 、 1 0 、 1 1 ( 4计测) 。 同样的方法对 f 、 g 、 h 、i 类进行千斤顶编组 ， 注意 各种偏差值 以测量报表为准。 5 4 3立 面纠偏 采用上面相同的方法分析立面姿态类型， 并进行 合理的千斤顶编组 。 5 4 4旋转纠正 纠正办法 ： 刀盘反 向旋转 同时增大土压 。 维普资讯 维普资讯 2 0 0 3年第 4期 盾构法施工技术在无水砂卵石地层中的应用 2 0 1 6 2 3 盾尾空隙的发生和壁后注浆不充分 由于盾尾 空隙的发生使 受盾壳支承 的土体朝着 盾尾空隙变形而产生地基下沉 。 这是由应力释放 引起 的弹塑性变形 。 地基下沉 的大小受壁后注浆材料材质 及注入时间、 位置 、 压力 、 数量等影响 。 另外 ， 粘性土地 基中的壁后 注入 压力 过大是引起 临时性地 基隆起的 原 因 。 产生机理 ： 弹塑性变形 。 6 2 4 一次衬砌 的变形及变位 接头螺栓紧固不足时 ， 管片环容易变形 ， 盾尾空 隙的实际量增大 ， 盾尾脱出后外压不均等使衬砌变形 或变位 ， 从而增大地基下沉。 产生机理 ： 压缩和蠕变下沉 。 6 3 地面隆陷的控制方法 根据地面沉降的原因与发生机理， 本工程在施工 过程中采取合理有效的对策， 使地面隆陷控制在最小 范 围内。其中主要措施有 ： 6 3 1 开挖面稳定措施 防止开挖过程中的水 、 土压力不均衡就是为了要 保持开挖面的稳定 ， 它是控制地面沉降的关键 。加泥 式土压平衡盾构对开挖面稳定的控制详见表 2 。 这些开挖 面稳定 管理 的 内容之 间的联系是有机 表 2 开挖面稳定控制 控制内容 控制项 目 控制对象 控制方法 塑性流动化 塑性流动化材料流量 注 泵 注入适当添当剂 土压控制 螺旋输送机转速 螺旋输送机 调整整推进速度和排土器的转速 推进速度控制 千斤顶速度 千斤顶油泵 调节泵流量 的互动的， 其中塑性流动化控制和管理是基本， 而盾 构推进应尽量保持速度均匀稳定 ，以求均衡连续 推 进， 同时还要严格控制土压 ， 尤其是在砂卵石层中进 行盾构掘进施工时 。实践表 明通过协调控制推进速 度 、 螺旋输送机的转速及加泥加泡沫 的量 ， 在砂 卵石 中掘进可以把土压控制在一个较为稳定 的范围内。 6 3 2衬背注浆措施 做好盾尾间隙的充填压浆须加强以下工作 ： ( 1 ) 确保压注工作 的及时性 。尽可能缩短衬砌脱 出盾尾的暴露时间， 以防地层塌陷。 ( 2 ) 确保压浆数量 。 注浆材料会产生收缩 ， 因此压 浆量必须超过理论 间隙的体积 ， 但过量 的压浆会 引起 地表隆起及局部跑浆现象，对管片受力状态也有影 响 。 ( 3 ) 控制注浆压力 。由于盾构纠偏 、 局部超挖 、 地 层存在空隙等原 因，往往使实 际的间隙无法 正确估 计。因此 ， 还应控制注浆压力 ， 作为充填程度的标准 ， 当压力急骤升高时 ， 说明已充填密实 ， 可停止注浆 。 ( 4 ) 改进注浆材料的性能 。 施工时， 要严格掌握 注 浆材料的配合比， 对其凝结时间、 强度 收缩量要通 过实验不断改进 ， 提高注浆材料的抗渗性 ， 这样有利 于隧道防水 ， 相应也会减少地面沉降。 另外 ， 还要进一步降低由二次注浆 引起的下沉 。 但是 ， 特别是 冲积粘性 土时 ， 必须进行控制由二次压 力引起地基隆起或地基扰动。 6 3 3 曲线地段的辅助措施 本工程区间隧道曲线 的最小半径为 1 4 0 m，属于 小半径施工 。 小半径施工 由于其固有 的施工特点对地 面沉降有一定 的影响。 影响因素 ： ( 1 ) 小半径施工需要采用仿形刀超挖 ， 超挖容易 引起地基松动和增大地基的抗力， 使地层的稳定性降 低 。 ( 2 ) 超挖量的增大使得管片背面的空隙增大， 容 易导致管片主体及管片接头变形。 ( 3 ) 盾构机推进反力 的下降使隧道变形变大。 采取措施 ： 安装防止超挖的中间转弯机构 。 盾构机推进 的反力要平稳 ，并尽快传递到地 层 ， 以确保完成的线形 。 为防止管片主体及管片接头变形 ， 需要尽早实 施 注浆 。 材料方 面， 应选择限定范 围注浆可靠性大、 具 有受地下水稀释性低 的具有一定早期 强度 的瞬凝 型 或可塑材料 。 ( 线路测量 ， 为 了维持隧道 的设计线路 ， 应根据 需要增加测量频率 。 进行充分 的线路 管理 。 另外 ， 隧道 线路有时随着急曲线施工而移动 ， 所 以必须定期检测 隧道内基准点的变动 。 6 4 地面隆陷控制的实例施工 本 工程 在铁路不慢点不 限速 的条 件下分别穿越 京 山铁路 、永丰铁路 、柳西铁路 、京九铁路以及三环 路 、 右外大街 、 京开高速等重要交通干线 ， 穿越 时地面 沉降均控制在了允许范 围内。 下面以穿越京山铁路为 例就盾构施工 中的沉 降控制技术加以阐述。 维普资讯 2 0 2 市政技术 第 2 l 卷 6 4 1加强盾构掘进控制 盾构穿越铁 路设计轴 线大部分在 半径 为 3 5 0 m 的圆曲线上 ， 针对盾构 曲线施工的特点 ， 采取分阶段 控制掘进参数。 曲线穿越时按预定角度打开盾构中折 千斤顶 ， 使盾构推进千斤顶尽量左右平衡推进 以获取 较大总推力 ， 从 而使盾构机按设计轴线掘进 同时保证 推进土压 ， 控制地面沉降和铁路路基稳定 。具体控制 分 四个 阶段 ， 各阶段控制措施如下 ： ( 1 ) 从 1 4 # 井至京 山铁路东 1 5 m处 此 阶段施工控制轴线采用 r=5 0 0 m的圆曲线 ， 但在实 际控制中， 将盾构机姿态调整到轴线左侧 ， 离 设计轴线约 1 0 0 m m以内，且盾构机姿态为远离轴线 姿态 ， 机头机尾偏差在 5 0 mm以内。 ( 2 ) 穿越第一条铁路( 京山线) 阶段 在铁路下施工将全力控制地表沉降 ， 所 以此阶段 推进将尽量 多选用千斤顶 以提 高各项掘进参数 的稳 定性 ， 从而达到控制沉降的 目的， 具体的控制参数要 求 附后。由于调整 了盾构机推进千斤顶的编组 ， 对盾 构中折的使用将严格控制 ， 精确计算 ， 以保证盾构实 际掘进轴线按设计轴线前进 ， 避免产生太大的偏差。 ( 3 ) 穿越两铁路之间的地段 此段约为 2 3 0 m长 ， 在此范围内再次调整千斤顶 编组和中折角度 ， 使盾构机沿设计轴线掘进 ， 保证机 体在穿越永丰线之前具有 良好 的姿态 。 ( 4 ) 穿越第二条铁路 ( 永丰线) 阶段 穿越永丰线阶段盾构设计轴线为半径 r=3 5 0 m 的曲线 ， 施工时根据以往经验 ， 穿越时提前调整推进 千斤顶编组和 中折角度 ， 保证推进参数 的稳定性 。 6 4 2 加强盾构推进的各种操作 ( 1 ) 加强盾构推进时的土压平衡操作 盾构施工中根据土质和工况 的变化 ， 配合地 面沉 降监测信息的分析， 及时调整土压力值的设定， 以便 将轴线和地层变形控制在最佳状态下 。 同时要求推进 的左右偏差和高程偏差 ， 保持相对 的平稳 ， 控制一次 纠偏量 ， 减少土体 的扰动 ， 并 为管片拼装创造 良好的 条件 。 ( 2 ) 加强盾构推进时同步注浆和二次补压浆的操作 同步注浆和二次补压浆是盾构掘进施工 的一道 重要工序 ， 施工 中对注入位置、 注浆量 、 注浆压力值 等 均作详细记录，并根据地面变形监测信息及时调整， 确保注浆工序 的施工质量。 ( 3 ) 加强加泥和泡沫控制 合理 的控制加泥 和加泡沫 能有 效地降低刀盘和 螺旋输送机的压力 ， 在实际推进 中， 根据具体情况 ， 合 理地调整加泥和加泡沫的比例。 ( 4 ) 采取三次补浆 同步注浆和二次补注浆后 ， 土体 与管片间的空隙 基本 已被填实 ，但考虑到铁路对地面沉降的要求高 ， 在穿越铁路后进行三次补注浆 ，以防止地层后期变 形， 浆液为水泥浆 ( a液) 根据地层变形监测信息确定 其注入压力和注入量。 ( 5 ) 施工参数控制 综合 以上措施 制订过 铁路施工 中切实可行控制 参数如下 ， 以保证施工质量 ： 土压 ： 0 0 50 0 7 mp a ， 推进过程中保持土压平 稳 ； 刀盘油压 ： 61 0mp a ； 速 度 ： 1 5 m m m i n ； 加泥 ： 1 5 0 0 l 环 ( 流量 1 8 l mi n ) ， 均匀加入 ； 泡沫 ： 5 0 0 环 ， 与加泥同步进行 ； 注浆 ： 同步注浆 ： 1 5 0 0 环 ， 注浆压力 0 2 5 mp a ； 二次补浆 ： 8 0 0l 2环 ， 注浆压力 0 3 mp a ； 三次补浆 ： 5 0 0l 2环 ， 注浆压力0 3 5 mp a ； 数据监控 ： 地上 ： 数据采集 系统连续记录 ； 地下 ： 实测填写每环管片拼装成型记录。 6 4 3加强地面变形监测 凉水河南岸污水 干线 ( 上段)工程