泥水盾构施工管理介绍

1、5.1盾构机选型5.1.1盾构机的选型原则和依据盾构机选型是盾构隧洞能否优质、安全、快速建成的关键工作之一，选型时主要遵照以下原则：（1）选择的盾构机机型和功能必须满足本标段线路条件、工期、施工条件和环境等要求。（2）选用的盾构机按本标段的地质条件，进行有针对性的设计与制造，要求其性能与本标段内的工程地质、水文地质条件相适应。（3）选用的盾构机应具有良好的性能和可靠性。（4）类似地质、施工条件下盾构选型、施工实例及其效果。（5）盾构机制造商的知名度、业绩、信誉和技术服务。（6）依据南水北调中线一期穿黄工程上游线隧洞土建及设备安装施工招标文件及第三卷图纸，为选用盾构机机型的重要依据。5.1.2盾

2、构隧洞线路条件及混凝土管片（1） 隧洞由邙山隧洞段和过黄河隧洞段组成，最大开挖直径9030mm，总长4250m的直线隧洞。（2）线路纵坡有三：邙山隧洞约4.91%，过河隧洞段有0.1%和0.2%两种，变坡点竖曲线半径为800m。见5.1-1南水北调中线穿黄隧洞示意图粘土岩Q2壤土Q41砂土Q42砂土图1 南水北调中线穿黄隧洞示意图（3）过河段隧洞围土有单一粘土结构、上砂下土结构和单一砂土结构三种。（4）主要地质问题有：砂层中石英颗粒含量高40%-70%，刀具磨损加剧；刀具检查地点和检查方式；换刀地点及加固方式选择；常压下换刀作业和气压下的换刀作业；遇到枯树和大孤石的处理；局部有抗压强度达16.

3、5MPa砂岩等。（5）隧洞外层采用通用环混凝土楔形管片衬砌，每环的楔形量为34.8mm。管环外径8.7m，内径7.9m，管片宽度1.6m，由7块管片组成，错缝拼装，每块管片所对应圆心角51.4286度。管片重量约6.2t。5.2土压平衡式盾构机与混合式盾构机的基本掘进构成5.2.1土压平衡式盾构机的基本掘进构成 盾构法施工从气压式盾构机开始到当今广泛使用土压平衡式盾构机，已有100多年的发展历史。泥水盾构从1964年问世以来，由于它施工占地大，泥浆污染环境等原因，十多年的兴衰，有被土压平衡式盾构法取代趋势。3种盾构的开挖仓中的土体平衡介质分别是压缩空气、泥浆和被改良的流塑性好的渣土。通过控制三

4、种介质的压力，达到开挖面止水和土体稳定的目的。图5-2土压平衡盾构机开挖仓中的设定土压与断面的土压+水压相平衡。通过螺旋输送机的排土量与掘进过程中的进土量保持平衡，来稳定开挖仓中的设定土压，从而达到稳定土体持续掘进的目的。5-2土压平衡式盾构机原理图混合式（泥水）盾构在掘进富水砂层时，具有独特优点，在远离城市的工程中存在一定市场。现将本标段选用的的混合式盾构基本构成和原理叙述如下：5.2.2混合式盾构机的基本掘进构成（1）混合式（泥水）盾构是一种先进泥水盾构（以下称混合式盾构）其系统构成框图如图5-3。掘进刀盘是稳定掘削面的重要因素，利用泥水稳定掘削面及刀盘面板挡土。与土压平衡盾构相比，由于混

5、合式盾构压力波动较大，万一发生掘削面坍塌，形成漏斗，很难期望泥水挡土。图2 混合式盾构基本构成图（2）混合式盾构将制备泥浆由泵（送泥泵）并通过一套管路送入开挖仓与掘削下的渣土搅拌混合后，再由排泥泵及一套管路排入地面泥浆处理系统，进行三次渣水分离和泥浆重复利用处理。如此往复循环：一次处理的功能是把渣浆泵送到振动筛，再利用湿式离心机等设备将0.074mm以上的大量渣土分离出来，渣土含水量控制在30%以下，以利清渣运输。余下泥浆经配制后，送入盾构掘进面再次利用。二次处理由凝聚沉淀和脱水设备构成，处理含颗粒为0.074mm以下的泥浆，达到排放标准的即可排放，否则需进行三次处理；三次处理主要对水进行PH

6、值调整和降浊处理并达到水的环保排放标准。5.2.3传统泥水盾构泥浆压力控制效果。（1）开挖仓的泥浆压力、泥浆制备质量和掘削渣量（判断掘削面稳定）管理是泥水盾掘进的控制重点，是稳定掘削面的核心。（2）传统泥水盾构开挖仓的泥浆压力变化较大(+/-1.0bar)，容易使隧洞开挖面不稳定及塌陷。见下图5-4。图3 传统泥水盾构泥浆压力变化图5.3混合式盾构机基本技术和气垫调节原理根据上述原则和隧洞的线路设计及工程地质条件，根据传统泥水盾构和混合式盾构对掘削面泥浆平衡压力的控制效果，拟选用针对穿黄隧洞工程条件而设计的混合式盾构机。5.3.1混合式盾构机的基本技术（1）混合式盾构机的基本构成与传统泥水平衡

7、式盾构没有多大差别，只是在开挖仓内泥浆压力调节方法上采用了气垫调节原理。（2）刀盘在泥浆中旋转挖掘的碴土与泥浆液在开挖仓中混合。开挖仓内的土压和水压被泥浆压力P平衡，保证了隧洞开挖面的稳定。（3）开挖仓被一个分隔钢板分隔成两个区域，即泥浆平衡区和气垫调压区，见图5-4。图4 开挖仓分区图5.3.2混合式盾构机气垫调节原理（1）泥浆通过气垫对隧洞开挖面施加压力实现支撑作用，支持压的力分布图见5-5。该压力的控制由压缩空气控制单元控制。施工工程师须把各掘进面的水平压力值及说明交给盾构操作者执行。隧洞开挖面支持压力的分布1膨润土Pl空气压力2膨润土液位Pso顶部悬浮液压力3压缩空气气垫Psu底部悬浮

8、液压力4压力挡板g悬浮液密度5分隔仓板D盾构直径6支撑区域hl承压仓高度7处于外界压力下的区域图5 混合式盾构支撑压力（2）气垫调节仓内的气垫产生支持压力传至泥浆后，泥浆的液位高度可调。由于掘削面水、土压力呈梯型，一般将液位高度稳定在机器轴线位置。图6 气压调节作用图（3）承压产生的支持压力传输到开挖仓，压力波动由气压调节组件控制见图5-6，由于气垫作用和空气调压组件反应灵敏，使泥浆的压力波动小。（4）在盾构机开挖仓内设置分隔钢板将仓分成两个室，其中设有一个气垫（压）室，目的是达到精确调节泥浆压力变化，精确率可达+/-0.05bar，平衡压力的变化很小，有利开挖面的稳定，见图5-7。图7 混合

9、式盾构泥浆压力变化图（5）空气压力能够在超过5.0bar 的高工作压力范围内自由调节，补偿泥浆液位压力的差值。（6）调节器无需电力，调节器安装了两个独立的单元来防止可能出现的干扰，并用于维保停机阶段和断电情况下（高压电缆延伸时）。可利用储存的气压暂时提供开挖仓中支持压力，等待电力恢复。5.3.3土压平衡盾构机与混合式盾构机的比较（1）当今的盾构机均采用开挖仓中的压力设定来平衡开挖面土体，达到稳定土体的目的。泥水盾构的平衡介质是泥浆，而土压平衡盾构机是采用改良好渣土，因此，两种盾构机刀盘、刀具、开挖仓和刀盘驱动系统等没有根本区别。但从这个系统的先进性、复杂性和可靠性是泥水盾构不可比拟的。掌握了它

10、就可以掌混合式盾构机。（2）相同直径的泥水盾构机主机比土压平衡盾构机的主机价值要底，其结构要简单。但是泥水盾构施工需要庞大的泥浆制备系统，该系统处理达2000立方/小时、占地面积大、环保要求高，国内设备和技术人材各单位都能找到并均可利用。5.3.3泥水盾构施工管理重点1、泥水盾构施工主要施工技术有：（1）稳定开挖面控制技术（2）防止土体坍塌控制技术（3）控制隧道上浮技术措施（4）防止泥浆泄露技术（5）保证盾构密封系统密封性措施2、泥水盾构主要施工管理（1） 盾构机掘进管理包括千斤顶的速度管理、千斤顶推力管理、掘削扭矩管理和搅拌荷载值管理。（2）流体输送的管理包括掘削泥水压、掘削偏差流量、掘削量

11、、干砂量及泵的电流值与转数管理。3、泥水盾构掘进参数管理（1）排浆泵流量和开挖面泥水压力的协调控制在操作过程中进、排浆泵的参数选择和掌子面压力的相互协调是泥水盾构的最大难点，也是保证盾构机在不同地质条件下平稳盾构姿态的根本保证。对于排浆泵，根据不同的隧洞布置位置设定不同的电压电流额定值。随泵位置的变化泵的参数也要随之相应调整，但始终要保证泥浆的平稳过渡，避免吸空和积压。在循环操作中，要先根据地质情况和盾构水压来选择开挖仓的泥水压力，避免超挖和强推。泥水压力一般根据渗透系数、开挖面松弛状况、渗水量决定。通过设置在地面上的送泥泵、设置在洞内的排泥泵转速变化来改变输入流量和输出流量，来控制泥水压力仓

12、中的泥水压力，使泥水压力与开挖面上的水、土压力保持平衡。本工程采用的混合式泥水盾构机，在管道系统中设置了旁通回路，当管道被堵塞或后续设备发生故障，需要排堵及维修、长时间停机时，由于泥水的渗漏，开挖面的泥水压力将下降，此时打开旁通回路，通过送泥泵向开挖面补充输送泥水，这样可以确保开挖面的泥水压力与水、土压力保持平衡。（2）开挖土量控制泥水式盾构开挖的泥砂随同循环泥水一起排出，不能直接测量开挖土量，所以要根据送排泥流量、送排泥密度、土工试验结果，计算排土量。（3）盾构机推力、刀盘压力、刀盘转速和掘进速度的协调控制（4）掘进速度的控制（5）逆洗时的压力控制逆洗是掘进过程中较为常用的防止和消除排泥管堵

13、塞的方法。在掘进过程中排泥不畅是吸口堵塞的前兆，如不及时采取措施将使盾构开挖仓吸口堵塞，将引起泥水压力突变。在掘进过程中如发现排泥不畅，应及时转换至“旁路”状态，中央控制室操作人员应及时、准确判断排泥管的堵塞部位，当发现排泥不畅是由于分流器堵塞所至时，应立即组织人员清除分流器中的障碍物。当发现吸口堵塞、必需进行逆洗清除障碍物时，应严格控制逆洗次数和逆洗时间，每次逆洗时间应控制在23min以内。在进入逆洗状态前，应首先转入“旁路”状态，然后进入逆洗状态，严禁从其它状态直接进入逆洗状态。（6）利用探测装置检查土体崩塌情况（7）合理使用补液装置5.4本工程重、难点分析及对策表7-1 本工程主要的重点

14、、难点及对策措施一览表序号重、难点问题关键技术工程技术对策1盾构在砂层掘进掘进面的稳定气压管理刀具使用 根据地层情况设定切口水压的上、下限值。在掘进施工过程，对切口水压进行适当调整。 根据地质条件，动态调整泥浆指标。泥浆密度控制在1.25g/cm3，粘度控制在25s左右。 通过设置在送、排泥管上的流量计和密度计，测量掘削土量，并评估掘削面的稳定状况。 加强对气压调节舱的管理，防止开挖面压力波动过大。 利用刀具磨损检测装置，及时掌握刀具磨损量，合理确定换刀施工，保护刀盘。 利用盾构机开挖面稳定探测装置，及时掌握开挖面稳定情况。2盾构掘进遇障碍物刀盘受力掘进方向控制带压作业当盾构掘进遇孤石时：对于

15、较小的孤石（能够通过刀盘开口进入开挖仓内），则利用排渣吸口处的破碎机，直接破碎排除。对于较大的孤石，则只能采用人工携带小型破碎机，带压进仓，进行破碎，使其能够进入开挖仓内，然后利用盾构机设置的破碎机再破碎排除。当盾构掘进遇枯木时： 对于在盾构轴线附近、与轴线平行的枯木，可利用盾构机刀盘直接破除。 对于枯木长度较长，部分在刀盘范围以内，部分在周围土体内，可利用盾构机刀盘直接破除。 对于在盾构机刀盘范围以内，与轴线不平行的枯木，由于枯木随刀盘转动、不能进入开挖舱，只能人工携带小型破碎机，带压进仓，进行破碎。3盾构掘进方向控制管片拼装预选系统 利用VMT导向系统的管片预选择功能，合理选择管片拼装位置

16、。 利用盾构机油缸分区、各分区油缸推力控制，及时对盾构机掘进方向进行纠偏。 盾构机设计、制造时，合理选择盾构机的灵敏度，保证盾构掘进纠偏时，有足够的盾尾间隙。 盾构掘进纠偏时，不宜过急、过猛；应严格控制油缸压力，防止管片损坏。4盾构始发掘进控制洞口密封止水始发参数端头加固 加强洞口密封钢环的加工质量，确保洞门预埋钢环安装质量。 准确选择盾构始发姿态、始发参数。 准确选择盾构始发托架、反力架的位置、结构刚度，保证为盾构始发提供足够的反力。 合理选择端头加固方式，加强端头加固施工质量，确保加固效果。 盾构始发前，准备必要的双液注浆设备及材料，一旦发生洞口漏浆时，及时进行注浆封堵。5.5 本工程盾构

17、施工风险分析根据我们对招标文件及设计图纸的认真研究、仔细分析，我们认为本工程在盾构掘进过程中，按照上述施工总体规划进行施工时，仍然存在如下施工风险，针对施工过程中存在的风险，我单位拟采用如下技术措施。（1）盾构掘进穿越黄河河底施工风险根据我们对招标文件及设计图纸的研究，本工程过黄河段隧道洞身地层主要为粘土、淤泥质粘土、古土壤及中砂。特别是黄河北岸附近，洞身地层除全断面中砂外，还有部分隧道洞身为上部中砂、下部粘土地层。在这种地层掘进过程中，存在河底冒浆的风险。为此，在盾构掘进此段时，采取如下措施： 严格控制切口水压波动范围，防止开挖舱内压力波动过大； 当发现江底冒浆时，如果是轻微的冒浆，在不降低

18、开挖面水压下向前推进，同时，提高泥水密度和粘度，防止冒浆范围扩散；适当加快推进速度，提高拼装效率，使盾构近早穿过冒浆区。 当冒浆严重不能推进时，采用洞内超前注浆加固刀盘前方土体。待土体加固完成、能够进行盾构推进后，检查掘削干砂量，确认有无超挖；掘进一段距离以后，进行充分的管片背后注浆。（2）盾构掘进过砂层的风险如本标书重、难点问题及对策中所述，在盾构掘进过砂层采取的相应措施外，盾构掘进过砂层还存在如下风险：我们虽然根据地质分析及类似工程施工经验，预先选择了换刀地点，并采取了加固措施，但是，在北岸竖井始发后800m左右全断面为砂砾石地层，若在此地层掘进刀具磨损较大，在没有到达预定换刀位置时，刀具既已磨损严重，则会给施工带来一定的风险。针对此风险，我们采取利用盾构机超前探孔，对刀盘前方土体洞内注浆加固，以保持开挖面的稳定，为换刀施工提供条件。通过有限元分析对注浆加固范围进行了研究。图7-1 盾构隧道推进过程变形云图 经