盾构法施工

盾构法施工 1 盾构法施工 一 盾构概述 工法选择二 盾构监理的依据三 盾构施工入洞前的工作四 正常盾构施工的控制五 盾构到达六 特殊地段及地质条件下的监理 2 一 盾构概述 工法选择 盾构 是一种用于软弱地层隧道暗挖施工 具有金属外壳 壳内装有整机及辅助设备 在盾壳的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隧道施工机械 3 一 盾构概述 工法选择 盾构法就是用盾构修建隧道的方法 它使用盾构机在地下掘进 在四周防止开挖面坍塌和保持开挖面稳定的同时 同时在机内安全地进行隧道的开挖作业和衬砌作业 从而构筑成隧道的施工法 盾 保护 指盾壳 构 构筑 即管片拼装和同步注浆 4 一 盾构概述 工法选择 盾构施工主要由稳定开挖面 掘进及排土 管片衬砌及壁后注浆三大要素组成 盾构在地层中推进时 通过盾构外壳和管片来支承四周围岩防止坍塌进行隧道施工 闭胸式盾构是用泥土加压或泥水加压来抵抗开挖面的土压力和水压力以维持开挖面的稳定性 敞开式盾构是以开挖面自立为前提 否则需要采用辅助措施 下面谈到的盾构指的是闭胸式盾构 盾构是一种隧道掘进的专用工程机械 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 输送土渣 拼装隧道衬砌 测量导向纠偏功能 盾构已经广泛用于地铁 铁路 公路 市政 水电隧道工程 5 盾构机全景图 6 一 盾构概述 工法选择 盾构机按断面分类 盾构根据其断面形状可分为 单圆盾构 复圆盾构 多圆盾构 非圆盾构 其中复圆盾构可分为双圆盾构和三圆盾构 非圆盾构可分为椭圆形盾构 矩形盾构 马蹄形盾构 半圆形盾构 复圆盾构和非圆盾构统称为 异形盾构 盾构机按直径大小分类 盾构根据其直径的大小分为以下几类 0 2 2m直径称为微型盾构2 4 2m直径称为小型盾构4 2m 7m直径称为中型盾构7m 12m称为大型盾构12m以上为超大型盾构 7 复圆盾构 8 非圆盾构 9 多圆盾构 10 一 盾构概述 工法选择 主要介绍单圆盾构 盾构刀盘分为 面板式和辐条式两种 11 辐条式刀盘 12 面板式刀盘 13 一 盾构概述 工法选择 典型盾构工法主要分为两种 按地层渗透系数进行选择 泥水盾构法 地层渗透系数大于10 4m s时 宜选用 或者岩土中粉粒和黏粒的总量在40 以下 粉粒的绝对大小通常以0 075mm为界 土压盾构法 地层渗透系数小于10 7m s时 宜选用 或者岩土中粉粒和黏粒的总量在40 以上 主要适用粉土 粉质黏土 淤泥质粉土 粉砂层等黏稠土壤 渗透系数大于10 7m s 小于10 4m s时 二者均可选用 14 地层渗透系数与工法选择 15 一 盾构概述 工法选择 1 泥水平衡与气压平衡混合模式工法原理 送泥泵从设置在地面上的调浆池抽取泥水 水与膨润土的混合物 经送泥管送入泥水盾构的泥水仓 在泥水仓中 充满压力的泥水灌入地层若干厘米深 使膨润土嵌入到土颗粒间的缝隙里 形成一层蛋糕 从而使开挖面的土层变得较稳定和不透水 通过泥水盾构刀盘旋转 将开挖面形成的 蛋糕 状的土体切削下来 与泥水仓的膨润土浆液混合后 通过排泥泵和隧道内的中继泵经由排泥管道 泵送到地面上的泥水分离站 泥水分离站将开挖的渣土从膨润土浆液分离出来 分离出来的泥水进行质量调整后可循环使用 再通过送泥泵送入盾构的泥水仓 16 泥水盾构示意图 17 泥水气压平衡盾构机 18 一 盾构概述 工法的选用 2 土压平衡盾构结构与工作原理由刀盘切削下来的土体进入土仓后由螺旋输送机输出 在螺旋输送机内形成压力梯降 保持土仓压力稳定 使开挖面土层处于稳定 盾构向前推进的同时 螺旋输送机排土 使排土量等于开挖量 即可使开挖面的地层始终保持稳定 排土量通过调节螺旋输送机的转速和出土闸门的开度予以控制 从螺旋输送机出来的渣土通过皮带输送机转运 通过皮带输送机将渣土卸到停在皮带机下方的渣土车上 渣土通过电瓶车牵引到盾构隧道的竖井 通过地面上的门吊将渣土吊到地面 并卸到渣坑内 外运 19 20 土压平机衡盾构工作原理 二 盾构监理的依据 盾构监理的依据主要包括以下几个方面 设计图纸 施工蓝图 设计人签字盖章的 规范 国标 地标 北京现行的是 轨道交通盾构隧道工程施工质量验收标准 修订版 QGD 008 2005 会议纪要 包括专题会 专家论证会 施工组织设计 施工方案 专项施工方案 这些方案都经过领导审核 审批的 具有很强的指导性 来往文件及其他文件 21 三 盾构施工入洞前的工作 1 进场材料的验收凡是用于永久性结构工程的材料都必须经过验收 强条规定 并且经过试验检验合格后才能用于工程 包括管片 含钢筋 砼 外加剂 止水胶条等 螺栓 密封圈 密封垫 水泥 砂子 膨润土 粉煤灰 外加剂等 管片介绍 北京地区地铁管片每环外径6m 内径5 4m 包括1个封顶块 C型 2个邻接块 B型 3个标准块 A型 共6块组成 每片管片宽1 2m 管片厚30cm 管片检验 包括外观检查 出场合格证及质量证明文件 三环拼装试验 渗水试验 实测实量数据等 包含回弹试验 进场检验 盖检验章 管片运输 放置一般不超过4层 22 管片运输码放 23 24 盾构施工全景 三 盾构施工入洞前的工作 2 盾构的始发盾构始发前 端头加固必须符合要求 不仅有强度的要求 还要有抗渗透性的要求 具体方法不再说了 如旋喷 冷冻 化学注浆 深层搅拌等 盾构始发前必须按住建委文件 北京市轨道交通建设工程重要部位和环节施工前条件验收暂行办法 京建发 2010 746号要求进行条件验收 包括主控条件和一般条件 安装支座反力架 反力架主要检查强度与刚度是否满足要求 测量监控点布置完毕 特殊位置要加密 初始值采集完成 25 始发托架示意图 26 盾构反力架示意图 27 盾构反力架 28 三 盾构施工入洞前的工作 始发后洞门的破除 采用人工破除 第一步先凿除外层500mm砼并割除钢筋及预埋件 保留最内层的钢筋 第二步推进距洞门1 0 1 5m时凿出里层砼 一般的里层分为12块的施工方法 从最低层开始 记住口诀 中 左 右 分层破除 洞门要及时密封 防地下水渗出 盾构开始施工 开始拼装负环 负环管片要及时加固 推进50 70环后 管片的摩擦力足以大于盾构顶进的反力时 即可拆除 29 始发处围护桩 30 负环拼装示意图 31 负环俯视图 32 负环加固 33 四 正常盾构施工的控制 1 掘进掘进过程中 保持土仓的压力与作业面压力 土压 水压之和 平衡是防止地表沉降 保持建筑物安全的重要因素 控制出渣量 一般不宜开超挖刀 防止前方坍塌和沉降过大 做好渣土改良 保持土具有好的流塑性 合适的稠度 较低的透水性和较小摩阻力 关注推力及力矩情况 保持推进速度平稳合理 34 四 正常盾构施工的控制 2 拼装管片拼装前 再次检查管片外观 连接件是否为合格产品 防止鱼龙混杂 以次充好 管片安装须按正确的安装程序进行 管片拼装质量直接影响弹性密封垫的防水作用 拼装时应注意控制管片成环的椭圆度和管片环面的平整度 椭圆度过大会引起环缝张开量增大 易造成漏水 拼装后的初始椭圆度应按照规范要求控制 管片脱离盾尾后应尽量限制椭圆度的增大 应复紧管片联接螺栓 环面不平整度一般是因管片制作和拼装精度不够 推进油缸推力不均衡引起 环面不平整度应控制在5mm内 若超出应用垫片填平补齐 35 2 拼装管片安装必须从隧道底部开始 然后依次安装相邻块 最后安装封顶块 封顶块安装前 应对止水条进行润滑处理 安装时先径向插入 调整位置后缓慢纵向顶推 管片块安装到位后 应及时伸出相应位置的推进油缸顶紧管片 其顶推力应大于稳定管片所需力 然后方可移开管片安装机 管片每装一片 都要人工初紧 安装完一环 必须进行紧固 力矩一般在100N M 每拼装5环左右 应再次复紧 管片吊运时管片下严禁站人或人员身体某部位处于管片下方 管片安装时 安装区域下严禁站人或人员身体某部位处于管片下方 管片输送小车前移管片时移动区域不能有人员或设备 操作前的检查中发现任何不正常的问题 都必须经相关人员检查确认正常后才能进行工作 使用操作中 出现任何不正常问题 工作人员必须离开危险区域 在将管片等放到安全位置 经相关人员检修确认后 才能进行工作 具有电工特种作业操作证人员才能开箱进行电气检查 36 四 正常盾构施工的控制 管片拼装标准如下 37 38 掘进与拼装演示 四 正常盾构施工的控制 3 注浆管片壁后注浆按与盾构推进的时间和目的分为 同步注浆 二次补强注浆 堵水注浆 39 四 正常盾构施工的控制 3 注浆浆液包括 单液浆 可压送的流动性 能填充目标范围缝隙 在硬化前不发生材料的离析或凝固 和双液浆 能在指定范围内注浆 离析少不受地下水影响 调节硬化时间 根据需要尽早达到所需的强度 浆液的各种材料必须要经过试验合格后才能使用 特别膨润土要经过充分静止 浆液的配比施工单位必须报监理处备案 浆液的强度规范没有特别提出 根据北京地区的施工经验和参考文献 一般强度在4 10Mpa之间 40 3 注浆盾构推进过程中 应及时进行同步注浆 使管片衬砌尽早支承地层 防止地层沉降 同步注浆一般采用水泥砂浆 应注意控制管片背衬注浆部位 注浆量和注浆压力 每环推进前对同步注浆的浆液进行小样试验 严格控制初凝时间 在同步注浆过程中 合理掌握注浆压力 使注浆量 注浆速度与推进速度等施工参数相匹配 41 四 正常盾构施工的控制 注浆形成的固结体 42 四 正常盾构施工的控制 4 成型隧道一般由质检人员进行检验 有无表面缺棱 掉角 无贯穿裂缝 无大于0 2mm宽的裂缝及混凝土剥落 如果存在上述情况 监理要求施工单位报处置方案 不得擅自随意修补 43 成型隧道图 44 四 正常盾构施工的控制 5 防水工程监理人员主要检查防水密封条是否牢固 平整严密 位置正确 不得有起鼓 超长和缺口等现象 管片螺栓孔应按设计要求进行处理 变形缝处 柔性接头特殊结构的防水必须符合设计要求 所用的防水材料必须经检验合格 有合格证 进口的材料要有产品检疫合格证 材料合格证 所有的材料必须符合环保要求 45 四 正常盾构施工的控制 二次补浆 46 四 正常盾构施工的控制 补浆后的情况 47 五 盾构到达 盾构到达 监理人员应督促 检查施工人员做好以下工作 制定盾构接收方案 并通过审批 包括到达掘进 管片拼装 壁后注浆 洞门外土体加固 洞口围护拆除 洞门钢圈密封等工作安排 进行条件验收 到达端头土体地层加固及效果如何 必要做钻芯试验 在盾构贯通之前100m 50m处分别对盾构姿态进行人工复核测量 到达洞门位置及轮廓复核测量 根据前两项复测结果确定盾构姿态控制方案并进行盾构姿态调整 到达洞门拆除 盾构接受架准备靠近洞门10 15环管片拉紧 盾构接受架就位 加固 洞门防水装置的安装及盾构推出隧道 洞门注浆堵水处理 48 盾构机出洞 49 盾构机出洞 50 六 特殊地段及地质条件下的监理 1 浅覆土土层施工1 地层加固 地面构筑物保护措施2 制定相应的措施 以克服覆土小引起盾构机抬头2 小半径曲线施工1 必须根据地层条件 超挖量 壁后注浆 辅助工法等制定小半径曲线施工方案和安全措施 注意推进反力引起的隧道变形 移动 2 使用超挖装置时 应将超挖量控制在施工需要的最小范围内 壁后注浆应选择体积变化小 早期强度高 速凝型的注浆材料 3 应增施工中线 水平测量的频率 并定期监测洞内的控制点 4 在施工过程中采取措施防止后配套车架脱轨或倾覆 5 为了防止转弯部分超挖引起地层松动和增大地层抗力 可以考虑选择合适的辅助施工方法进行地层加固 6 注意把盾尾间隙的变化控制在允许的范围内 51 六 特殊地段及地质条件施工与监理 3 大坡度施工在大坡度进行盾构施工时 易造成成环隧洞浮动 盾构在上坡时容易发生 上抛 现象 盾构后配套容易发生脱落 运输车容易发生溜车事故 可采取以下措施 1 每环推进结束后 必须拧紧当前管片的连接螺栓 并在下环推进时复紧 避免作用于管片推力产生的垂直分力 引起成环隧道浮动 盾构上坡推进时 盾构横容易发生上抛现象 调整盾构向上纠偏0 2 左右 调整好土仓 泥水 压力值的设定 以切口土体不隆起或稍隆起为主 2 在选择运输设备和安全设施时 必须考虑大坡度区段的施工安全 对牵引机车进行必要牵引力计算 并考虑一定的余量 上坡时应加大盾构下半部推进千斤顶的推力 可以有效控制盾构的方向 对后台车 要采取防滑措施 52 3 大坡度施工3 同步注浆要及时 注浆宜采用收缩率小 早期强度高的浆液 在急上坡始发与到达时 基座应有防滑的安全措施 4 在急上坡到达时 为防止地层塌陷 漏水 事先必须制定相应的对策 5 大坡度区段 地层的水压力随着推进而时刻变化 开挖面压力也必须根据土水压力进行调整 特别是下坡时 由于压力仓内的开挖土 沙有可能出现滞留而不能充分取土 必须慎重管理开挖土量 53 六 特殊地段及地质条件施工与监理 六 特殊地段及地质条件施工与监理 4 地下管线区施工地下管线大致分为刚性管线和柔性管线两种 它们对隧道施工中不可避免的地层沉降的反应时不同的 对于刚性管线来说 当地层移动时主要考虑的是否会引起管道的断裂破坏 而对于柔性管线来说地层移动造成的影响主要是管线接头的断裂或泄漏引起的破坏 1 在施工前 必要详细查清沿线受施工影响范围内的各种地下管线的分布 管线类型 允许变形值等情况 分析预测地层沉降隆陷对管线的影响 并在施工中加强监测 针对不同的管线及其与隧道的不同位置关系采取合理的保护措施 2 对重要管线和施工中难以控制的管线施工前应根据不同情况采用迁移 加固措施 当施工前预测和施工中监测分析确认某些重要管线可能受到损害时 将根据地面条件管线埋深条件等采用临时加固 悬吊等保护措施 加强与有关管线单位的协同合作 顺利完成对管线的调查与保护工作 54 六 特殊地段及地质条件施工与监理 4 地下管线区施工3 盾构掘进时应及时调整掘进速度的出土量 从而减少地表的沉降和隆起 及时对环形空隙进行充填 并做好二次补浆工作 4 加强地面沉降监测 尤其要对重要的对沉降敏感的管线 如混凝土管 煤气管 上水等 要布点监测及时分析评估施工对管线的影响 并进行专家论证 并按专家论证方案进行施工 5 在盾构进入管线区以前 将已通过段所得到的地层变形实际监测成果为基础 再次对管线区内的地面沉降做出进一步预测 以期准备反映实际情况并据此做出正确的管线保护方案 55 六 特殊地段及地质条件施工与监理 5 地下障碍物及孤石处理地下障碍物处理前 必须查明障碍物的具体位置是实物 制定处理方案 以确保施工安全 1 地下障碍物的处理一般遵循提前从地面采取处理的原则 如确需在盾构施工过程中进行处理时 必须充分研究可行性与对策 2 从地面拆除地中障碍物时 可选择合适的辅助方法 拆除后要妥当的进行回填 3 在盾构掘进过程中拆除障碍物时 可选择带压作业或地层加固方法 4 在开挖面的狭窄空间内 安全地进行障碍物的切断 破碎 拆除 运出作业 应尽量控制地层的开挖量以确保开挖面的稳定 5 施工前 应根据孤石直径 含量和施工长度及出渣设备能力等因素 选择盾构的刀盘形式和刀具形式和刀具配制方式 数量 合理设计的盾构刀盘 确保刀盘有足够的强度和刚性 使之不会变形 并根据不同地质状况选用不同的布刀方式 设计宽大的并列式双室人仓 并考虑超前加固措施及盾构姿态控制措施 56 六 特殊地段及地质条件施工与监理 6 穿越建 构 物施工 房屋 高层 公路桥 铁路桥 在隧道施工过程中 由于开挖破坏了地层的原始应力状态 这将引起地层的移动 而地层移动的结果又将导致不同程度的地面沉降 当沉降差异过大时 建筑物就会遭到损坏 1 盾构施工前必须对可能穿越的建 构 物进行调查 并根据以往的工程经验 预计施工对建筑物的影响 必须有针对性的制定保护方案 采取保护措施 周密地进行管理 控制地表变形 尤其是位于隧道上方距左右线隧道断面15m范围内 业主未提供详细资料的建筑物要详细调查 对已有资料要进一步核实 未有资料要全面调查 2 施工对建筑物的影响主要取决于地层变形特征 根据不同地质和埋深条件 以及对施工引起的地层变形及其对建筑物的影响的不同 采取必要的加固与保护方案措施 3 监测点要加密 测量频率也要加密 57 六 特殊地段及地质条件施工与监理 7 小净距隧道施工施工前 应根据隧道所处的地层条件 盾构形式 隧道断面大小 两条隧道之间的相对位置与距离 预计施工对已建隧道的影响和平行隧道掘进时的互相影响 并采取相应的施工措施减少这些影响 1 施工过程中 应控制掘进速度 土仓压力 出土量 注浆压力等以减少对临近隧道的影响 2 可采取加固盾构隧道间的土体 加固已有建 构 物的地基和两条隧道应错开施工等辅助施工措施以防止地层的松动和盾构隧道的变形 58 六 特殊地段及地质条件施工与监理 8 穿越河 湖 地段1 穿越过河 湖 地段施工应特别重视详细查明地层条件和河流情况 制定可靠的施工措施 1 根据试掘进取得的技术参数 针对该地质特点进行施工交底编制与讨论 做好一切施工准备 2 合理选择掘进参数 降低刀盘转速 减小盾构掘进对地层的扰动 适当降低掘进速度 加强盾构姿态调整与控制 保证盾构掘进方向满足规范及设计要求 3 加强碴土改良 通过向土仓注入泡沫或添加膨润土泥浆加强碴土改良 降低细中砂对刀盘 刀具的磨损 4 加强螺旋输送机维护与维修保养 降低螺旋输送机转速 向螺旋输送机添加泡沫 泥浆 减小砂层对螺旋输送机的磨损 为避免因螺旋输送机震动造成故障频率升高 维修保养人员需加强对螺旋输送机的维修保养 5 调整注浆参数 适当加大注浆量 有效的填充开挖界限和管片外弧间空隙 并及时进行二次补充注浆 控制地表沉降 59 六 特殊地段及地质条件施工与监理 8 穿越河 湖 地段2 施工前详细调查水文气象的工程地质情况 重点调查河底隔水层的连续性 渗透系数 厚度等 以及各种地层的渗流情况 采用适合该地层的盾构设备 并配置必要的超前钻探和注浆设备 聚合物和膨润土注入设备 3 穿越河流底部时 如围岩顶板下沉会对河床产生危害甚至破坏 进而引发一系列不良后果 同时河水下渗也可能对隧道施工产生危害 4 控制盾构速度和总推力 采取较低的速度掘进 速度控制在小于20mm min 严格控制推进油缸总推力 减少土层扰动 以免破坏河底土体 60 六 特殊地段及地质条件施工与监理 8 穿越河 湖 地段5 盾构进入河底前预先调整盾构姿态 以较好的姿态下穿河底 在掘进过程中 盾构司机根据测量偏差及时调整盾构的掘进方向 尽可能减少偏差 特别是要杜绝大幅度偏差 减少对土体的扰动 从而保证盾构平稳的从河下穿越 6 由于河底值盾构拱顶间土层相对薄弱 注浆压力过大可能破坏水底隔水层 形成一条涌水通道 因此掘进过程中控制注浆压力在0 2 0 3Mpa范围内 控制注浆量为理论建筑间隙的150 200 7 掘进时定时 定量 均匀压注盾尾油脂 有效保护盾尾钢丝密封刷 如遇特殊情况 可按实际情况加大盾尾油脂的压注注量 控制好管片姿态 提高管片拼装质量 防止盾构与管片间隙过大形成透水通道 必要时在管品外侧粘贴海绵用于止水 封堵管片与盾构的间隙 采取上述措施后基本可控制盾尾渗漏 如果盾尾仍发生渗漏 可采取应急措施 从管片注浆孔向外压注聚氨酯 形成环圈 封闭涌水通道 管片接缝间出现渗漏 及时进行堵漏处理 防止渗漏水引起河底下沉而对河底产生的破坏 8 准备详尽的应急预案和完善的抢险物质 设备 人员 并且进行演练 61 六 特殊地段及地质条件施工与监理 9 砂卵石地层下施工1 砂卵层中建立土压平衡较困难 因砂卵石地层级配的变化 大颗粒卵石的存在而引起的可切削性能的随时改变 土仓内渣土的砂石和卵石的分离 以及螺栓输送机出土量的稳定性难以控制等原因 使得盾构在推进过程中往往难以建立真正的土压平衡 从而引起的对地层的较大扰动 2 盾构推进过程中中容易发生小坍塌 当盾构刀盘上方为砂层或级配单一的圆砾层时 盾构推进过程中易发生小坍塌而对地下管线产生不利影响或引起较大地表沉降 3 盾构推进姿态控制困难 因砂卵石地层级配变化 大颗粒卵石的存在因引起的可切削性能随时改变等原因 推进过程中盾构姿态控制往往较为困难 推进参数一旦掌握不好 盾构的姿态就会偏离设计轴线 另外还会出现盾构刀盘卡死等现象 5 在盾构推进施工时 地层为砂卵石 土层含水量低 土质较硬 一方面 当盾构刀盘切削土体时容易使刀盘过热 影响盾构的机械性能 另一方面 刀盘切削进来的土体须经螺旋输送机运出至皮带运输机 当遇到地层含水量低 较硬的情况下 螺旋输送机也会因工作扭矩过大而发热 影响其性能 严重时甚至停转 因此 必须通过往泥仓内加注改良后的泥浆的方式来改善土质 起到减摩的作用 满足螺旋机运输的性能 并起到冷却刀盘的作用 62 六 特殊地段及地质条件施工与监理 加泥 加泡沫的功效主要表