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、盾构施工工技术1.盾构机的选型型2.盾构施工的前前期准备2.1区间沿线建（（构）筑物和和地下管线的的调查与区间隧道的的相互位置关关系建（构）筑物物：上部结构构形式、上部部结构层数、、地下室情况况、基础类型型、基础埋深深。地下管线：类类型、材质、、大小、埋深深。区间所穿越的的风险点：铁铁~云区间是东环环国际小区、、沈阳油漆厂厂和沈阳鼓风风机厂附近的的货运铁路专专用线；沈~南区间是太原街街时尚地下广广场；南~南区间是沈阳铝铝镁设计院。。2.2盾构进出洞部部位的地基加加固目的：防渗渗、防塌。。方法：高压压旋喷注浆浆法、冻结结法、化学学注浆法和和临时挡土土墙法等，，项目上采采用高压旋旋喷注浆法法兼辅助降降水。加固范围：：隧道上下下左右各3.0m，加固长度度进洞段7.0m（出洞段4.0m）；加固强度：：加固后地地基应具有有良好的均均匀性和自自立性，其其无限抗压压强度为0.8～1.0MPa，渗透系数数≤1.0×10-8cm/s。2.3区间图纸与与区间相关关车站图纸纸审查原则：满足足并方便区区间施工需需要。2.4施工场地的的布置地面场地布布置是否顺顺畅：以管管片和出土土运输之间间的相互干干扰最小为为原则，同同时兼顾其其它材料的的运输和地地面生产；；一些主要地地面设施布布置是否合合理和齐全全：以集土土坑、管片片堆放、地地面管理系系统、浆液液拌合系统统、排水系系统、防洪洪措施、污污水沉淀设设施、钢结结构加工场场地等互不不影响为原原则，并考考虑现有场场地、建（（构）筑物物及地下管管线情况。。井内及隧道道内的生产产与辅助设设施的布置置：以隧道道水平运输输和井内垂垂直运输流流畅、相互互转换自然然为基本原原则。2.5主要物资设设备的采购购管片采购；；盾构机、龙龙门吊、浆浆液搅拌站站、洞内水水平运输列列车等。2.6风险点分析析与专项方方案盾构施工风风险源的确确定盾构始发与与接收、盾盾构的停机机、开仓检检查与换刀刀、穿越地地面重要建建（构）筑筑物、穿越越地下建（（构）筑物物和管线、、地下水丰丰富地区。。风险点的具具体分析根据不同风风险源的实实际情况，，逐一进行行分析，必必要时辅辅之以计算算，从而确确定出风险险点的位置置、等级、、发生的条条件及其可可能性等；；编写专项方方案根据风险源源和点的分分析，有针针对性的编编写专项方方案。风险点汇总总与报告应根据不同同管线的实实际情况，，按照不同同的要求分分别报告，，同时汇总总出方便工工地使用的的警示图表表。3.区间施工进进度计划按照项目总总体计划的的要求，确确定盾构区区间的进度度计划，根根据目前的的盾构施工工水平和能能力，实事事求是、科科学合理地地制定盾构构掘进计划划。沈阳站南京街站南市站云峰北街站站铁西广场站站区间施工进进度计划表表4.盾构施工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.盾构施工过过程管理与与控制5.1土压管理根据区间沿沿线的实际际土质情况况、隧道埋埋深变化、、水文情况况、地面建建筑物和地地下建筑物物现状及其其抗变形能能力、地面面动载情况况和试掘进进的具体经经验等进行行土压设定定和合理调调整；每环掘进土土压波动范范围：0.02Mpa（土体状态态保持）；；土压设定原原则：维持土仓内内的土压力力与设定土土压力相吻吻合，保持持开挖面土土体稳定，，即设定值值P尽量接近自自然土体侧侧向自重应应力P0。P<P0，则盾构前前部土体因因应力松弛弛造成地层层损失，地地面将发生生沉降：P>P0，在软粘土土中附加荷荷载作用将将产生超静静水压力，，土体固结结，产生土土体沉降，，另外如P值与P0值相差较大大时，会造造成土体的的扰动，经经扰动后的的土体重新新固结会产产生很大的的变形。地面有建筑筑物或其它它超载作用用，应考虑虑地面超载载在隧道埋埋置深度处处引起的地地基附加应应力。根据据地面沉降降监测结果果来判断土土压力设定定值是否合合理及其与与自然土压压力的吻合合程度：一般情况下下，盾前地地面隆起0－2mm之间是相对对合理的（（此数值与与土层和隧隧道埋深等等密切相关关）。如隆隆起过大则则应适当调调低土压力力设定值，，如发生沉沉降则应适适当调高土土压力设定定值。盾构施工中中的土压及及其管理影影响因素多多、涉及面面广、每个个项目甚至至不同的区区段都有很很大的变化化，需要综综合全面考考虑方能取取得一个合合理的初始始值，并在在实施过程程中逐步获获得一个有有效的土压压值。5.2出土管理（（协助土压压管理）出土速度和和出土量：：每环出土量量控制在理理论值的1.2~1.5倍（考虑松松散系）；；满足土压管管理下的合合理出土速速度，主要要靠控制螺螺旋输送机机的转速来来调节。出土管理是是进行土压压管理的有有效措施，，合理的土土壤改良也也是十分必必要的！5.3曲线掘进与与大角度纠纠偏盾构施工就就是前进中中的不断纠纠偏过程！！纠偏伴随盾盾构施工的的全过程，，盾构机调调整角度后后掘进方向向与原掘进进方向存在在一微小夹夹角，这样样开挖横断断面形成一一椭圆形，，截面面积积大于盾构构机截面，，地层损失失不可避免免；同时纠纠偏过程中中会对土体体造成侧面面挤压，增增大了土体体的扰动。。如外径Φ6.25m，长6.00m的盾构机而而言，每增增加6′的纠偏角，，就会造成成0.0576m3的地层损失失，引起的的地表沉降降，隧道（（埋深15米）中心上上方地面沉沉降量约为为δ=3.4mm。曲线掘进尤尤其不可避避免！！！！曲线掘进和和正常纠偏偏角度越大大相应的地地面沉降就就越大。所所以在盾构构掘进中常常纠偏、小小角度纠偏偏从而达到到减少地层层扰动和地地面沉降的的效果。控制好掘进进方向，在在曲线掘进进时适当设设置提前量量，尽量减减少纠偏幅幅度。提前前量的大小小应在时间间中不断总总结，但原原则是：提前量应与与隧道稳定定时的反方方向偏移量量相吻合！！隧道曲线掘掘进和大角角度纠偏的的另一个有有害副产品品--引起管片安安装的错台台和整体隧隧道的偏移移，也应引引起高度重重视！应对措施：：错台---1减少大角度度纠偏和盾盾构蛇行掘掘进2慢速掘进、、降低土压压和推力3改良土壤、、降低扭矩矩4加强同步注注浆，尽快快稳固地层层5预紧螺栓等等隧道偏移---1控制浆液配配比和时间间2提前量（地地层变化与与数值确定定）5.4注浆管理（（同步注浆浆与二次补补浆）a)同步注浆—原因：盾构构机外径通通常比衬砌砌外径大十十到数十厘厘米，如不不能及时地地以适当材材料加以充充填，将引引起隧道结结构的不稳稳定和较大大地面沉降降。为为保证浆浆液能起到到抵抗周围围土体挤压压的作用，，同时考虑虑易于注入入，选用的的浆液应具具备以下特特性：①略低于或或相当于周周围土体的的容重；②具有一定定的抗剪强强度和压缩缩系数，浆浆液稳定后后其C、Φ值高于周围围土体的相相应指标；；③静态下有有一定自立立性和强度度，经扰动动后有一定定的流动性性，可泵送送性好，不不堵塞管路路，能均匀匀地充满各各种间隙；；④体积收缩缩率小，压压缩系数、、压缩指数数小；⑤浆液不易易析水。⑥在振动荷荷载作用下下不发生振振动液化。。同步注浆b)二次补浆—补齐空隙、、稳固地层层、有效防防水！惰性浆液：：优点--满足充填空空隙的要求求；对盾尾尾刷的危害害小；缺点—凝固慢；稳稳定管片作作用差；易易造成隧道道的偏移，，尤其是隧隧道纠偏和和曲线掘进进时。硬性浆液：：优缺点与与惰性浆液液正好相反反。c)注浆量是盾盾构施工控控制重要指指标正确确定注注浆量及注注浆压力考虑到纠偏偏引起的地地层损失、、盾构机壳壳体拖泥引引起的地层层损失、浆浆液体积收收缩和具体体的地层特特点等因素素，注浆时时实际注浆浆量应为理理论空隙体体积的120％－180％，通常采采用150％。实际施工中中，应根据据盾尾脱离离衬砌处对对应点的地地面沉降观观测结果，，及时进行行注浆量调调整，该点点地面沉降降量控制在在0－2mm/天。注浆压力应为保保证足够注浆量量的最小值，同同时应与土仓内内的土压力相匹匹配。通常，注浆压力力是孔隙水压+200kN/m2（一般，2～4×105Pa），如注浆压力力过大，就有可可能损坏管片，，盾构机外壳变变形，如注浆孔孔压力达到4～6×105Pa，混凝土管片的的螺栓会发生间间断破坏。注浆速度应是使使浆液充填速度度与盾构掘进度度一致。注浆速度过快，，注浆压力必然然上升，易造成成尾漏浆；注浆速度过慢，，注浆充填效果果不易达到要求求，引起地面沉沉降过大及时二次补浆，，减小后期沉降降

盾构施施工后期沉降(盾尾后30-40米范围内)主要来自土体固固结。虽然沉降降发展速度较慢慢，但累计值占占到总沉降量的的30-50％左右。及时二二次补浆的方法法是减少后期沉沉降，避免影响响建（构）筑物物和管线安全的的必须的手段且且效果良好。5.5管片拼装管片的现场验收收—管片质量合格、、管片型式正确确盾尾内的拼装—确保不发生错台台，如发生，调调整重新安装！！错缝通缝管片拼装5.6测量工作与导向向控制导向控制—确保控制点到盾盾构始发位置导导线测量的准确确并定期复核；；隧道定向—确保定向准确并并定期复核；隧道内的导线测测量—及时，准确！5.7监控量测目前与普通的监监控量测没有本本质不同，仪器器数字化和精度度提高，频率没没变；采用自动监控量量测系统进行。。6.盾构隧道防水防水原则遵循“以防为主，刚柔柔相济，多道防防线，因地制宜宜，综合治理”的原则，以管片片结构自防水为为根本，接缝防防水为重点，确确保隧道整体防防水。主要防水技术措措施管片混凝土结构构自防水：采用用高性能防水混混凝土，并通过过外掺剂改性提提高混凝土的抗抗渗性，管片抗抗渗等级≥S10。衬砌接缝设弹性性橡胶密封垫。。弹性橡胶密封封垫与管