盾构常规掘进施工方法

盾构常规掘进施工方法1、盾构掘进流程盾构机掘进的总体流程具体见下图：图8.13盾构机掘进总体流程图2、盾构掘进工作制度工作制度：采用10-10-4三班制，10-为掘进时间，4-为设备维修保养时间，一天平均掘进时间16小时。图8.14每天掘进循环示意图3、运输及通风（1）水平及垂直运输①水平及垂直运输本工程采用双编组列车单线运输方式，洞口车站处设“Y”型道岔。隧道内采用45t电瓶车为牵引动力的轨道运输系统，每台电瓶车牵引8节拖车，主要运输管片、注浆液、碴土及其它材料。隧道碴土装入土斗后，由电瓶车拉至车站预留出碴口，再由地面45t龙门吊机提升至地面倒入碴土池内。两台45t龙门吊主要用于碴土吊装，16t龙门吊主要用于管片及其它材料的吊装。浆液由搅拌站拌制，浆液先由地面泵送到浆液运输车内，由运输车转至拖车上的储浆罐内使用。②隧道内运输轨道系统布置洞内运输采用有轨运输。铺设43kg/m单线轨道，钢轨中心距均为900mm。轨枕采用自制弧形轨枕，轨枕间距为1.0m，用压板螺栓固定钢轨，轨枕间用Φ10钢筋牵牢。为方便钢轨从工作井吊入和驳接，单根钢轨长6.25m。轨枕和钢轨的连接扣件采用螺栓扣板扣件。③运输设备的配置A、列车编组隧道每环掘进的土石方量按46m3计，碴土松散系数1.5，每环同步注浆量：6m3计。列车编组原则：每编组5个碴土车，1个浆液车，2个管片车。根据施工经验和工序循环时间，此编组能满足运输能力的要求。如下图所示：图8.15电瓶车编组示意图B、垂直运输设备配置垂直运输系统主要考虑管片、碴土、轨枕、轨道等材料的吊下及吊出。在盾构始发井内，沿隧道左右线各预留一个管片吊装井，在出土口位置平行隧道掘进方向布置2台45t的龙门吊，主要用于碴土、管片及其他材料的吊装作业。在盾构井端头位置安装一台16t的龙门吊，专门用于管片和小材料的吊装以及到场管片的卸车作业。每次吊重比较：一箱碴土为8t+32t=41t，小于40t，经验算选用45t龙门吊足以保证区间施工吊装需要。2、洞内通风根据长沙的气候条件和盾构施工特点，在施工过程中隧道内采用压入式通风来解决防尘、降温及人员、设备所需要的新鲜空气。故拟在左右线内各设1台2×37KW轴流风机压入式通风，采用直径为φ1000mm拉链式软风管，风机设在盾构井内。（1）掘进操作控制①掘进参数的选择主要掘进参数在下表范围内选取，并应在施工中不断优化调整。表8.3掘进模式的主要工作参数3、土压平衡式掘进技术措施(1)土仓内压力值P应略大于静水压力和地层压力之和P0，即P=KP0，K----介于1.0～1.3并在掘进中不断调整优化。(2)土仓压力通过采取调整掘进速度和螺旋机转速来控制，并应维持切削土量与排土量的平衡，避免超挖。(3)盾构机的掘进速度主要通过调整盾构推力、刀盘转速（扭矩）来控制，排土量则主要通过调整螺旋输送机的转速来调节。在掘进施工中，应根据地质条件、排出的碴土状态，以及盾构机的各种状态参数等动态地调整优化。(4)掘进时采取注入泡沫、泥浆或其他添加剂对碴土进行改良。盾构掘进方向与姿态控制4、掘进方向的控制(1)采用自动监测和辅助人工测量的手段进行盾构姿态监测盾构机配置了VMT导向系统，能够全天候在自动监测盾构机当前位置与隧道设计轴线的偏差以及趋势。据此调整控制盾构机掘进方向，使盾构机姿态始终保持在允许的偏差范围内。该系统的配置及导向原理见“测量施工方案”。随着盾构推进导向系统后视基准点需要前移，必须通过人工测量来进行精确定位。为保证推进方向的准确可靠，正常情况下每天进行一次人工测量，曲线段需要适量加密，以校核自动导向系统的测量数据的精确性，确保盾构掘进方向的正确。(2)采用分区操作盾构机推进油缸控制盾构掘进方向根据线路轴线变化、导向系统反映的盾构姿态信息，结合隧道地层情况，通过分区操作盾构机的推进油缸来控制掘进方向。①需要调整盾构机姿态时，分组调整盾构机推进油缸的压力即可；②在软硬不均的地层中掘进时，则应根据不同地层在断面的具体分布情况，硬地层一侧推进油缸的推力和速度适当加大，软地层一侧油缸推力和速度适当减少。5、盾构姿态的调整与纠偏在掘进施工中，盾构机推进方向可能会偏离设计轴线并超过管理警戒值，滚动角也可能会超限，此时就需要及时调整盾构机姿态、纠正偏差。①参照上述方法分区操作推进油缸来调整盾构姿态，将盾构机的姿态偏差控制调整到符合要求的范围内。②在曲线和变坡段，应提前进行预纠偏，必要时可利用盾构机的超挖刀进行局部超挖来纠偏。③当滚动角超限时，应采用盾构刀盘反转的方法纠正滚动偏差。④方向控制与姿态调整注意事项A、在切换刀盘转动方向时，应保留适当的时间间隔，切换速度不宜过快，切换速度过快可能盾构机部件受损或管片破损。B、根据地质情况应及时调整掘进参数，包括推力、扭矩、速度、注浆量等相关参数。C、纠偏时应缓慢进行，若纠偏过急反而容易形成蛇形线路。直线推进时应取盾构当前位置点与设计线上前方的一点作一直线，然后以这条线为新基准进行线形管理。曲线推进时应使盾构当前位置点与前方点的连线同设计曲线相切，并在曲线内弧侧前行。D、推进千斤顶油压调整不宜过快过大，否则会造成管片局部破损甚至开裂。E、正确选择管片类型，确保拼装质量与精度，使管片姿态尽量与盾构机姿态一致。6、掘进中的碴土改良（1）碴土改良的作用根据我方的盾构施工经验，对砂质粘性土和风化岩土进行碴土改良是保证盾构施工安全、顺利、快速的一项不可缺少的重要技术手段。碴土改良具有以下作用：①使碴土具有较好的和易性来保证土压平衡效果，利于稳定掌子面，控制地表沉降；②使碴土具有较好的止水性，以控制地下水流失；③使切削下来的碴土顺利快速进入土仓，并利于螺旋输送机顺利排土；④可有效防止碴土粘结刀盘而产生泥饼；⑤可有效降低刀盘扭矩，降低对刀盘和螺旋输送机的磨损；⑥可防止或减轻螺旋输送机排土时的喷涌现象。（2）碴土改良的方法碴土改良就是通过盾构机配置的专用装置向刀盘面、土仓或螺旋输送机内注入高粘度泥浆、膨润土、泡沫剂或者高分子材料等碴土改良添加剂，利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌或螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与碴土混合，使盾构切削下来的碴土具有较好的流塑性和较小的摩擦阻力，并降低粘土的粘性，以确保盾构机在不同的地质情况下都可以顺利推进。（3）碴土改良的技术措施根据本工程的特殊地质条件和以往盾构施工的经验，主要采取如下技术措施：①在易喷涌地层掘进中，拟采取向土仓内注入高粘度泥浆、高分子材料或膨润土的方法进行碴土改良，提高和易性降低碴土透水性。②拟向刀盘面、土仓内和螺旋输送机内注入高分子分散剂或泡沫剂，改良碴土，减少刀盘刀具的磨损和结泥饼的概率。7、管片拼装（1）管片拼装流程管片的拼装流程见下图：图8.16管片拼装流程（2）拼装前准备①管片在管片输送器上按拼装顺序堆放，并检查管片螺栓孔、止水条的完整性。②盾构推进完成后应符合拼装要求，主要检查以下三方面：A、距离：千斤顶行程满足拼装要求，对1.5m环宽管片而言，至少要推进至1700mm；B、盾尾间隙：检查上一环管片的盾尾间隙，结合盾构机姿态确定纠偏量及纠偏措施，并确定下一环管片的选型。C、盾构机姿态：根据平面和高程的偏差，决定后续管片的类型。D、清除前上环管片和盾尾间隙内杂物，检查上环管片防水材料是否完好，如有损坏应及时采取修补措施。E、检查管片拼装机的动力及液压设备是否正常。（3）拼装作业管片拼装一般均按照先下后上、左右交错、纵向插入、封顶成环的工艺进行。①拼装过程中按各块管片位置，缩回相应位置的千斤顶，形成管片拼装空间，使管片到位，然后伸出千斤顶完成一块管片的拼装作业，千斤顶操作人员在反复伸缩千斤顶时必须确保盾构机不后退、不变坡、不变向的要求，并要与拼装操作人员密切配合。②逐块拼装管片时要注意确保相邻两块管片接头的环面平正，内弧面平正，纵缝的管片端面密贴。③最后把封口块管片送到位，伸出对应的盾构千斤顶将封口块管片插入成环，作圆环校正，并全面检查所有螺栓。④在管片环脱离盾尾后对管片连接螺栓进行二次紧固，并随时紧固。⑤拼装过程中遇有管片损坏，应及时按规定进行修补。在拼装全过程必须保持已成环管片环面及拼装管片各个面清洁。（4）管片拼装时对盾尾刷的保护在盾构推进完成后，必须对管片拼装位置工作面进行清理检查，杜绝有颗粒性的杂物遗留在工作面内，特别要注意不能有管片连接螺栓、安装工具等遗留在工作面。遗留在工作面的螺栓等杂物在盾构推进过程中容易进入盾尾位置，将对盾尾密封造成致命的损害。（5）拼装成环验收标准①管片无贯穿裂缝，无大于0.2mm宽的裂缝及混凝土剥落现象。②管片拼装质量应以满足设计要求的隧道轴线偏差和有关规范要求的椭圆度及环、纵缝错台标准进行控制。8、渣土外运每环掘进完成后，渣土由电瓶车运出隧道至出土口，由45t门吊吊出倒入存渣池，最后由泥头车外运至渣土受纳场。9、管片输送与拼装（1）管片输送①管片防水将浆液装入竖井内的浆液车管片由生产厂家生产好之后运输到工地管片存放场地，在管片运输到井下之前，应把管片防水挤压式橡胶密封条材料在地面贴好，具体工艺见有关技术图纸说明。②地面管片运输通过16吨龙门吊用吊带把管片运输到井口。③管片下井管片通过16吨龙门用吊带从竖井吊入，放到管片车上。④管片运入隧道带管片车的电瓶车向前进入隧道，停在盾构1号和2号车架内。（2）管片拼装通常，一环管片由一套管片块一步步地由管片拼装机拼装而成。管片块之间由人工插入的螺栓连接在一起。成环管片通过纵向连接螺栓与相邻环连接。最小且最后安装的管片块为封顶块。①管片选择在进行拼装之前，首先要进行管片选择。在特定的情况下选择拼装何种形式的管片必须考虑多种不同的条件。由于各种条件越来越复杂，建筑限界要求越来越严，管片选择也越来难,操作手必须了解上一环拼装的管片的姿态。这些信息可以从以下几方面获得：—盾构主体和盾尾之间的铰接油缸的伸长量。—拼装好的管片与盾尾内径之间的间隙（盾尾间隙）—顶在上一环拼装好的管片上的主推进油缸的伸长量当以上所有测量工作都完成以后，可以开始选择管片长度及型号。②管片拼装前的起动顺序在管片拼装之前，首先需要在盾构机的中央操作室的控制面板上进行管片拼装前的起动控制，具体步骤如下：A、起动管片拼装机油泵B、起动推进系统油泵C、起动辅助系统油泵B、选择管片拼装模式③管片起吊、移动管片需要一片一片地由盾构机上的管片吊车卸下，管片一部分放在管片存放机上，另外一部分放在1号台车附近的管片存放区内。首先用管片吊机将管片从管片运输车上吊起，转90度移动送至管片存放机的堆放平台上，管片存放机前行至管片拼装机下方，每次一片管片吊放到管片存放机上以后，都将向前移动一步。具体操作步骤如下：A、在管片上装上吊装螺栓。B、降下管片吊车，锁住吊装螺栓。C、用管片吊车吊起管片，向管片存放机机方向前进。D、降下管片吊车，将管片放在存放机上。E、松开吊装螺栓，去吊运下一块管片。F、升起管片存放机。G、管片存放机将管片向前输送到管片准备拼装区域。H、降下管片存放机。I、收回管片存放机。以上管片存放机的动作可以通过管片拼装机操纵盒或者盾构操作室前方的控制盒进行控制。④管片拼装就位在管片拼装之前，要在以下位置进行3种形式的测量：—推进千斤顶4、8、12、16的伸长量。—铰接油缸伸长量。—盾尾间隙，即上一环管外皮与盾构盾尾内径之间的间隙。这些测量结果将记录在管片拼装报表中。拼装时，管片拼装机从下向上次序安装管片。待底部管片就位后，依次拼装两侧的标准管片和邻接管片，最后安装封顶管片，封顶块搭接其长度的1/2（进出洞处特殊环衬砌先搭接1/3），径向推上，然后纵向插入成环。安装机尽量居中安装，以减少接缝出现错台，保证拼装质量。管片就位后立即安装并拧紧管片弯曲螺栓，以固定管片位置，控制接缝张角。管片拼装成环后再拧紧一次，待推出盾尾至10环时再复紧一次。注意：应先穿纵向螺栓，后穿环向螺栓。 为了既能安装管片，又能保持千斤顶对工作面的推力，采取安装哪个部位的管片，就可以收回该部位的千斤顶，管片安好后，千斤顶立即顶紧该管片，其余千斤顶维持工作状态。这样可以保持工作面推力，盾构不致后退。具体的拼装顺序如下：A、当管片由管片存放机送到管片拼装机下后，降下管片拼装机，对准管片上的吊装螺栓。B、锁紧吊装螺栓。 C、将管片拼装区域的2个、3个或者4个千斤顶缩回。D、用管片拼装机缩住管片、提升、前移（推进方向），旋转并将管片放到要求的位置，E、在一个千斤顶顶上以后，通过调整拼装机头部的平板，可以使管片错台达到允许范围之内。管片由其他千斤顶顶住并穿上螺栓拧紧F、松开吊装螺栓并从管片上移出管片拼装机，将其转回提升管片的位置，准备安装下一块管片。吊装螺栓要卸下继续使用。G、重复1-6步，直到把3个标准块和2个连接块拼装完毕。H、最后进行封顶块的安装—封顶块与其他管片一样由管片拼装机进行安装—核实2块临接块内弧面前部的间距。—为使封顶块插入顺利，密封胶条应用肥皂擦（减小磨擦）—为避免管片损坏，在把封顶块完全插入之前，应将临接块上的纵向螺栓和千斤顶可以松开。I、管片拼装完毕之后，应测量千斤顶伸长量和4处盾尾间隙，并将结果填入管片拼装报表。当拼装好的管片脱离盾尾时，螺栓应进行二次复紧。⑤管片拼装的注意事项——在拼装机带着管片移动期间，在管片拼装机活动范围内不能有工人。——值班工程师或盾构操作手应在管片拼装前测量第n-1环管片的转动量。——管片拼装要在考虑螺栓周围允许间隙的同时，尽量将管片的转动量控制在±50mm之内。——各管片之间的环向接缝通过拼装机旋转的动作挤紧。——纵向接缝通过拼装机移动的力和千斤顶在拼装模式下的顶力挤紧。⑥检验方法和责任在管片拼装过程中，盾构操作手和管片拼装手有责任检查管片拼装的顺序，和位置是否正确。盾构操作手和管片拼装手应检查各块管片之间的错台和相邻环片之间的错台。隧道的转动量要密切注意，特殊情况时由值班工程师和隧道监理共同监控，通过安装一环不带纵向螺栓的管片来调整隧道转动量。⑦管片拼装质量控制A、拼装技术本工程区间管片环间拼装方式采用错缝拼装方式。对于盾构推进，第一环的拼装质量对于整条隧道的拼装具有基准面的作用，因此严格控制第一环管片的拼装质量使之达到规定的要求。第一环管片是在工作井内负环之后拼装，拼装工作在井内的盾构基座上进行，拼好的管片高程、方向、坡度均容易控制。保证管片和缓冲材料的质量符合拼装的要求。管片的强度、几何尺寸、纵向和横向螺丝孔的位置、直径都要保证满足质量标准。缓冲材料的质量要符合拼装工艺的要求，确保缓冲材料的强度、压缩性能、回弹性能、材料均匀性能、材料的厚度误差均满足要求。保证管片拼装的质量。管片的拼装质量符合质量标准的要求，保证施工符合设计规定、满足使用的要求，是顺利、安全、优质地完成盾构推进任务的最基本要求。加强螺栓的一次拧紧和多次复紧工作。整条隧道由数千块管片组合而成，靠纵向、环向螺栓连接，螺栓连接的质量是隧道衬砌整体性关键。螺栓拧紧不足，管片成环后容易造成在千斤顶作用下错位，降低了环面平整度，从而直接影响下一环拼装。拧紧和复紧可以提高成环的质量，尤其是多次复紧更有利于提高成环的圆度。每环拼装结束后及时拧紧纵、环向螺栓，在推进下一环时，在千斤顶顶力的作用下，复紧纵向螺栓。当成环管片推出车架后，再次复紧纵、环向螺栓。隧道贯通后，第四次复紧纵、环向螺栓。加强盾构姿态的控制。盾构姿态的控制与管片拼装质量的控制是相辅相成的，精确的盾构姿态控制可以为管片的精确拼装提供条件，是提高拼装质量的基础，也为盾构的推进创造有利的条件。管片表面不得出现裂缝、破损、调角等现象。在拼装过程中的破损进行修复，修复方案报监理工程师批准后执行。管片每生产100环利用专用拼装平台对管片进行试拼装，对管片制作质量进行检查，对生产工艺及时做出调整。B、管片拼装技术标准根据《市政工程施工及验收技术规程》中有关圆隧道验收标准并结合拼装的工艺特点，提出本隧道盾构施工管片质量标准如下：衬砌成环后直径允许偏差：12mm相邻环环面间隙：不大于1mm纵缝相邻块块间间隙：不大于2＋2mm对应的环向螺栓不同轴度：小于1mm相邻环管片的允许高差（踏步允许值）：4mm相邻管片肋面不平整度偏差：3mm螺栓联结穿进：环向螺栓和纵向螺栓，100%穿进盾构轴线控制：高程、平面控制均为50mm管片无贯穿裂缝，无大于0.2mm宽度的裂缝及砼剥落现象C、管片纠偏盾构轴线的纠偏首先是衬砌的纠偏，力争使衬砌的环面与设计轴线接近垂直。轴线的纠偏是一个过程，要连续几环才能得到控制。在出现偏离轴线趋势时，及时调整千斤顶的行程差，必要时加贴纠偏楔子进行纠偏。平面轴线纠偏采用左右千斤顶的行程差来控制。纠偏做到勤测勤纠，纠偏量每环控制在4mm以内，避免过量纠偏增加地层的扰动，增加地面沉降及对建筑物危害，同时使环缝加大而引起漏水。管片在拼装前查看前一环管片与盾尾间隙，结合前环成果报表决定本环纠偏量和措施。管片拼装防止出现内外张角、踏步和前后喇叭，保证管片拼装精度。D、拼装椭圆度控制管片拼装成环后，及时检查其椭圆度，方法是用钢卷尺或插尺量测管片外壁和盾壳内壁之间的间隙，每块管片测一次。根据测量成环管片的椭圆度来采取措施。利用拼装千斤顶对短轴向的管片施加压力进行整圆处理；紧固短轴和长轴向的环向螺丝。E、环向和纵向螺栓的多次紧固每环衬砌拼装完毕后，及时靠拢千斤顶，防止盾构后退。同时及时拧紧纵、环向螺栓，在推进下一环时，在千斤顶顶力的作用下，复紧纵向螺栓。当成环管片推出盾尾后，根据拼装后的圆环椭圆度，再次复紧纵、环向螺栓，以减少管片拼装的张角和喇叭口。本工程选用的连接件是Ｍ27弯螺栓，用于管片连接。连接件的属性、质量、类别、型号、供应或加工来源得到监理工程师的批准。每批连接件提供质量合格证。对连接件的质量按0.2％的比例进行抽查，主要是物理力学性能、外观尺寸和镀层厚度等。连接件进行防腐蚀处理。盐雾试验每个区间作两次。10、轨道安装、拆卸（1）轨枕严格按图纸加工制作，特别是固定钢轨用的螺栓孔定位加工精确。（2）钢轨、轨枕、轨排在运输过程中要固定牢靠，防止坠落。（3）在拆卸钢轨、轨枕时要密切注意列车的的运行情况，发现列车过来，要立即停止作业，避让列车。（4）管片吊车在吊钢轨、轨枕、轨排时，人要远离重物，不要站在重物下。（5）在盾体后部进行钢轨作业时，要注意管片吊车、管片输送机等机构的运行情况。（6）轨枕的铺设位置要准确，固定钢轨的压板、螺栓要坚固。（7）作业人员要服从指挥人员的指挥。11、背填注浆（1）背填注浆的方式背填注浆方式，根据其实施时期可进行如下分类：①同步注浆方式同步注浆与盾构掘进同时进行，通过同步注浆系统及盾尾的内置注浆管，在盾构向前推进盾尾形成空隙的同时，采用注浆泵同步注浆。注浆通过总量进行控制，确保其填充量。②即时注浆方式即时注浆是在每一环掘进完成后，从盾尾的管片注浆孔实施背填注浆。在特殊地段，如软弱土层和急转弯段，采用两套注浆系统同时进行盾尾同步注浆和管片即时注浆。③补充注浆方式根据工程实际情况（如管片渗漏、隧道沉降等），可采取在盾尾数环后的管片注浆孔进行二次（或多次）背填注浆，注浆通过压力进行控制，减少后续沉降。（2）背填注浆的目的盾构施工中背填注浆的目的：①填充盾尾脱离后形成的空隙；②在管片外侧形成一道防水层，提高隧道的防水效果；③确保管片的稳定性，防止管片上浮、侧移和错台。（3）注浆的材料及配比一般来说，对于围岩稳定性好的土质，往往没有必要在推进的同时进行背填注双液浆，用单液注浆施工的较多。但是对于围岩难以稳定的粘土层或易坍塌的砂层，则需要在推进的同时，注双液浆及时填充盾尾空隙稳定地层，根据本标段的工程地质条件，选定同步注单液浆。其材料配比如下表所示：表8.4单液注浆材料配比和性能指标表单液水泥砂浆水泥膨润土砂粉煤灰水100Kg50Kg600kg400kg450kg双液水泥砂浆水泥膨润土砂粉煤灰水280Kg50Kg600Kg350Kg550Kg（4）背填注浆技术参数①注浆压力注浆压力一般指注入口处的压力，通过地质条件、水土压力、隧道埋深、盾构形式和注浆材料种类综合决定，根据施工经验，一般在1～2.5bar的压力之间。②注浆量注浆量一般为理论填充量（从盾构外径面积扣除管片外径面积计算的量）的130～150%，每环注浆量控制在5.2～6.0m3左右。③注浆速度同步注浆速度应与掘进速度相匹配，按盾构每完成1环1.5m掘进的时间内完成该环注浆量来确定其平均注浆速度。④注浆结束标准同步注浆通过注浆量来控制，确保其填充量；二次注浆通过注浆压力来控制，避免压力过高，影响成型管片质量及地面情况。（5）注浆总体流程图8.17注浆总体流程图（6）注浆设备背填注浆设备因施工规模、注浆方式等呈现出各种各样的形式。本工程以同步注浆系统为主，二次注浆系统为辅，所需要的主要设备如下：①搅拌站：水泥浆搅拌站一座，搅拌能力25m3/h。②同步注浆系统：配备砂浆旋转搅动罐、注浆泵4台，4个盾尾注入管口及其配套线路。由专业注浆人员控制，根据盾构机掘进状况决定注浆速度和