复合地层小半径曲线盾构隧道施工工法

复合地层小半径曲线盾构隧道施工工法

2020年7月11日

目录

1前言.............................................................................1

1.1工法形成...................................................................1

1.2关键技术成熟性与可靠性.....................................................2

1.3鉴定结果....................................................................2

1.4获奖情况....................................................................2

2工法特点........................................................................3

2.1解决复合地层小半径曲线大断面隧道盾构推进时侧向分力问题..................3

2.2解决复合地层小半径曲线大断面隧道盾构选型问题.............................3

2.3解决复合地层小半径曲线大断面隧道盾构机地层适应性问题....................3

2.4解决小半径曲线管片拟合排版以降低错台问题.................................4

3适用范围........................................................................4

4工艺原理........................................................................5

5施工工艺流程及操作要点.......................................................5

5.1施工工艺流程..............................................................5

5.2操作要点..................................................................6

6材料与设备....................................................................25

6.1主要材料.................................................................25

6.2主要设备.................................................................26

7质量控制......................................................................27

7.1执行质量标准.............................................................27

7.2质量保证措施.............................................................28

1

8安全措施......................................................................32

8.1盾构机拆卸及吊装..........................................................32

8.2盾构掘进..................................................................32

8.3施工机械.................................................................32

8.4地面及地下构筑物.........................................................33

9环保措施......................................................................33

9.1防噪声扰民控制措施........................................................34

9.2水污染控制措施............................................................35

9.3大气污染控制措施.........................................................36

9.4固体废弃物管理措施.......................................................36

9.5防洒漏措施...............................................................37

10效益分析......................................................................37

11应用实例.....................................................................37

2

力状态与直线隧道差异较大，其设计方法和具体的设计参数较直线隧道有较大的不同,

必须对其进行深入分析。目前虽已有一些建成的小半径曲线盾构施工隧道，但对大断

面小半径曲线隧道的施工控制技术尚没有文献进行系统总结，单个工程的成功经验无

法得到推广应用。因此，有必要对大断面小半径曲线隧道施工技术进行研究，为国内

正在和将要实施的大断面小半径曲线隧道盾构法施工提供借鉴。研究盾构法小半径曲

线的隧道施工，尤其是大断面隧道，对于轨道交通线路设计具有很大参考价值，对以

后类似的大断面小半径曲线隧道盾构法施工具有重要的借鉴作用。

《复合地层小半径曲线盾构隧道施工工法》，依托于新建珠海市区至珠海机场城

际轨道交通项目，由中交四航局第六工程有限公司、中交第四航务工程局有限公司进

行研究开发。项目总合同额58.76亿元，包括桥梁2座、隧道12985双延米（其中盾

构15868m）、站房7座、凯道35K*四电、装修、机电安装等。

1.2关键技术成熟性与可靠性

该工法关键技术己在“新建珠海市区至珠海机场城际轨道交通”（1）1号工作井〜

湾仔北站区间、（2）湾仔北站区间〜湾仔站区间、（3）3号工作井〜金融岛站区间、（4）

金融岛站〜横琴站区间盾构隧道4个工程中得到成功应用。整个施工过程未发生安全

质量事故，2019年4月顺利通过盾构隧道单位工程验收，2019年10月通过静态验收，

2019年12月通过动态验收、安全评估具备开通运营条件，受疫情影响于2020年8

月18日正式开通运营。本工法的成功应用，有效解决了在小半径曲线盾构施工质量

差、大断面盾构无法适应500m以下小半径的难题，具有较好的社会、经济效益和推

广应用前景，得到了当地政府和业主的一致好评。

1.3鉴定结果

《复合地层小半径曲线盾构隧道施工工法》，于2020年8月21日，通过了中国

公路建设行业协会组织的会议评价，取得结论意见：该工法关键技术总体上达到了国

内先进水平。

2

1.4获奖情况

本工法研究过程中获得发明专利2项，实用新型专利1项；

本工法依托项目珠机城际获得珠海市优质结构奖1项、广东省优质结构奖1项、

广东省优秀建筑装饰工程奖1项、广东省建设工程优质奖1项、第十二届广东省土木

T程詹天佑故乡杯奖1项.

2工法特点

2.1解决复合地层小半径曲线大断面隧道盾构推进时侧向分力问题

小半径隧道每掘进一环，管片端面与线路轴线法线方向在平面上将产生一定角度，

在千斤顶的推力下产生一个侧向分力，隧道整体因侧向分力向弧线外侧偏移。考虑到

该分力对盾构推进及后续隧道的影响，尤其是对管片偏压和线型轴线控制的重大影响，

必须充分研究不同地质情况下小半径隧道掘进时的侧向分力规律，以期为盾构机的选

型和适应性配置提供可靠依据。

研究小半径曲线大断面隧道盾构推进时，全断面软土、全断面硬岩、软硬不均等

不同开挖面地质工况时的侧向分力规律，可为复合地层小半径曲线大断面隧道盾构选

型和适应性分析提供借鉴和参考。

2.2解决复合地层小半径曲线大断面隧道盾构选型问题

小半径曲线隧道施工，对盾构机最重要的技术指标之一是盾构机的灵敏度，而要

提高盾构机的灵敏度，最有效的措施是在盾构机的中部配置合理的中折装置，如增加

较接装置，缩短盾构机头的直线段长度，还可以配置有效的仿形刀。配置合理的中折

装置可减少弯曲段超挖量、使盾构机更容易转弯、减轻盾构机推进时的管片偏压；采

用仿形刀在曲线内侧位置进行超挖，有利于纠偏，仿形刀的使用效果将直接影响盾构

机较接装置的作用，超挖量过大将严重扰动土体，过小不能充分发挥校接装置的作用，

以至于达不到所要求设计轴线的半径。

仿形刀的使用主要考虑两个方面的因素,一是仿形刀的超挖范围；另一个是超挖

3

量。而超挖必须根据隧道的设计轴线，仿形刀的超挖易造成地层的稳定性降低，应防

止仿形刀开挖出的开挖面变形，并控制超挖引起的地基沉降，确保盾构机转弯、旋转

所需的超挖量。因此，在珠江三角洲这种复杂地质情况下采用盾构法进行小半径大断

面隧道掘进时，如何科学合理地配置中折装置、确定盾构机头的直线段长度，如何配

置仿形刀并控制超挖量等都是很重要的问题。

2.3解决复合地层小半径曲线大断面隧道盾构机地层适应性问题

本工程对盾构机在复合地层中的地质适应性提出了很高的要求，例如应对上软下

硬地层、全断面花岗岩等情况，刀盘、刀具的合理配置和非正常磨损；小半径曲线大

断面隧道盾构法施工中，在软硬不同的地质条件下如何优化盾构机的掘进参数以实现

有效地纠偏及线型控制；此外，由于小半径掘进过程中，受超挖和较大侧向力影响，

若在注浆材料未凝固条件下，大推力推进，将造成管片偏移，轻者破损，重者会造成

隧道超限。因此，注浆材料选择、推进时间与凝固时间的匹配、由于注浆材料的变化

而产生的注浆设备的改变等问题需深入研究，才能确保在小半径超挖情况下管片和隧

道的稳定。本文拟针对以上问题，对复合地层小半径曲线大断面隧道盾构机施工的地

层适应性进行综合研究，提出不同地层及半径曲线段盾构机适应性标准。

2.4解决小半径曲线管片拟合排版以降低错台问题

通过对通用管片的拟合排版进行分析，依照管片对隧道轴线的拟合偏差最小为最

优的原则，从起始环开始，按照求拟合目标点的算法和流程图，应用最小二乘法的原

理和方法设计出通用管用最佳拼装姿态选择的算法流程，实现了通用管片的最佳设计

排版。通过对盾构下穿建筑物沉降规律的理论分析，以及盾构施工对建筑级地表沉降

影响规律的监测与分析，提出小半径曲线盾构施工地面建筑沉降控制措施。

3适用范围

小半径盾构施工适用于各类软土地层，目前在煤矿、地铁等盾构隧道掘进施工等

方面会有广泛的应用。小半径盾构施工适用范围如下：

(1)所有小半径曲线盾构隧道。

(2)软土地层、复合地层。

(3)极端软土地层需提前进行地基加固处理，常规采用旋喷桩或搅拌站加固盾

构断面中轴线以下范围。

(4)地面附属物和管线应提前迁改或保护。

4工艺原理

小半径曲线隧道盾构推进时，通过研究成果提前解决盾构机长度和开挖直径与最

小掘进半径的相互影响、解决较接行程差和最大校接行程限值设定、解决仿形刀的超

挖范围及超挖量、解决小半径盾构掘进参数选取等。

进行小半径盾构掘进施工，硬件上采取合理配置的刀具、采取适当的盾构机长度，

软件上采取较接行程差和最大被接行程限值设定、掘进参数选取，进行盾构机通过小

半径曲线隧道的掘进施工。

通用管片能够较好地控制隧道的掘进轴线和管片的成环质量。对通用管片的拟合

排版进行分析，依照管片对隧道轴线的拟合偏差最小为最优的原则，从起始环开始，

按照求拟合目标点的算法和流程图，应用最小二乘法的原理和方法设计出通用管片最

佳拼装姿态选择的算法流程，实现了通用管片的最佳设计排版。

5施工工艺流程及操作要点

5.1施工工艺流程

盾构区间总体施工流程图5.1-1。

图5.IT盾构区间施工流程图

5.2操作要点

5.2.1管片的拟合排版

通过对通用管片的拟合排版，依照管片对隧道粕线的拟合偏差最小为最优的原则,

从起始环开始，按照求拟合目标点的算法和流程图，应用最小二乘法的原理和方法设

计出通用管片最佳拼装姿态选择的算法流程，实现了通用管片的最佳设计排版。

5.2.2土体加固

盾构工程的始发与到达施工，在盾构隧道施工中处于非常重要的位置。防止在盾

构出洞始发完全进入地层之前与防止盾构进洞到达完全脱出地层后其端头井塌方，水、

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砂涌现，需要考虑地层条件、水文条件、隧道埋深及周边环境等因素对盾构进出洞端

头进行相应加固处理。

(1)加固区设置降水井，在破除洞门前3〜5天实施降水。

(2)采取搅拌桩或旋喷桩进行地基加固，靠近车站端头的旋喷桩应与车站围护

结构搭接20cme

5.2.3始发托架安装

始发托架采用钢结构形式，主要承受盾构机的重力及推进时的摩擦力，当盾构机

在组装时还需要对盾体遂行前后移动，结构设计考虑盾构前后移动的便捷和结构受力

的可靠。由于盾构机重达871吨，始发托架必须具有足够的强度、刚度和稳定性。

施工盾构井底板时，按照测量放样的基线在盾沟井设置预埋件。在盾构安装过程

中托架采用“井”字形水平支撑进行加固，安装位置按照测量放样的基线，吊入井下

就位焊接，并设置支撑加固，准确定位后将始发托架与底板预埋钢板焊接连接；始发

托架底部要垫平稳，避免扭曲；盾构机盾体组装时，在始发托架的轨道上涂抹润滑油

以减小盾构机始发推进时的阻力。

托架安装流程如下：

第一步：测量放线后，利用吊车将托架分块吊下井，并在井下用高强度螺栓连接

组装。

第二步：根据测量提供的实际始发中线，对安装的托架的位置进行复测、调整,

保证始发托架中心线与实际始发中心线一致。

第三步：托架调整完毕后，托架支座与盾构始发井底板预埋钢板焊接，焊缝必须

饱满，没有漏焊、裂纹等。

第四步：〃井〃字形水平支撑进行加固。在托架与侧墙中间设置水平型钢支撑加

固托架。

第五步：对螺栓连接和焊缝进行强度、连接质量检查。

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图5.2.2T始发托架示意图

隧道始发段盾构机始发，当刀盘接近洞门时，始发托架与洞门钢环之间的空隙必

须延伸焊接临时导轨，保证盾构机顺利进入洞门。考虑到盾构机在始发掘进过程中，

由于盾构机自身的重心靠前，始发掘进时容易产生向下的“磕头”现象，故盾构机托

架安装时只需使盾构机轴线与隧道设计轴线保持平行，盾构中线可比设计轴线适当抬

高20-30mnio

盾构机始发托架安装的重点是控制托架的安装精度和结构强度。盾构机上架后，

不仅要保证盾构机轴线要与隧洞设计轴线重合，同时也要考虑到盾构出洞后轴线的变

化与盾构机进入加固区后的姿态控制。为保证始发架的结构强度，始发架就位后需进

行加固支撑，确保其强度和刚度。

托架安装为保证盾构机准确的按照设计轴线出洞，始发托架按以下原则安装：

1）考虑到盾构机的断面和重量都较大，在施工始发时遇到软土层容易下沉，所以

盾构就位后实际轴线应高于设计轴线20-30历。

2）钢制盾构托架吊入井下后按照测量放样的基线及标高进行安装定位，安装定位

完成后进行加固，托架底部与竖井底板预埋钢板焊接牢固，前后左右四侧用工字钢支

撑在竖井井壁上对托架更行加固，保证在盾构机在始发推进工程中不发生位移。

8

盾构机机座安装前，按照测量放样的基线在盾构始发位置浇注校平台，并设置预

埋件，在碎平台上安装盾构机座。在盾构安装过程中托架必须处于水平支撑状态，安

装位置按照测量放样的基线，吊入井下就位焊接，托架上的轨道按实测洞门中心居中

放置，并设置支撑加固。

5.2.4下井组装与调试

组装顺序严格按照盾构机组装次序依次进行。

(1)在地面先后进行后配套系统(6#台车、5#台车、4#台车、3#台车、2#台车、

1#台车和连接桥)的组装并进行管线安装。台车在地面组装和吊装井的托架轨道结束

后，按先后顺序把台车6-5-4—3—2-1一连接桥吊装下井并用电机车拖运到站体

内。

(2)刀盘在地面进行组装焊接。

(3)吊装前中盾的底块下井。

(4)吊装主驱动。

(5)组装前中盾的左部(面向盾构掘进方向，以下相同)并和前中盾下部相连。

(6)组装前中盾的右部并和前盾下部相连。

(7)H架、行走梁及其附件的组装。

(8)吊装前中盾上部并与前中盾左、右部连接。

(9)吊装管片拼装机。

(10)吊装刀盘并与主驱动相连接。

(11)吊装螺旋输送机。

(12)吊装尾盾左部、右部和上部，将尾盾拼装成环并与前中盾连接。

(13)安装盾尾密封装置。

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(14)吊装反力架在进行以上盾构机部件组装同时进行管线连接，拼装好后进行

负环吊运拼装。

5.2.5反力架及支撑系统的安装

(1)准备工作

依据结构设计图纸，在反力架安装前要进行如卜准备，作：在盾构始发井底板施

工时预埋钢板，预埋钢板与底板连接牢固，且尺寸略大于反力架底座。

(2)反力架安装流程：

测量放线一反力架下井组装一位置粗调一复核测量一位置细调一托架支座与盾

构井底板预埋钢板焊接固定一后靠支撑型钢加固反力架。

5.2.6洞门破除

洞门凿除施工时，在盾构机与掌子面之间搭建脚手架，利用人工进行凿除围护结

构碎施工，凿除按照〃先拉槽;再破除、后修边〃，从上往下的顺序进行，凿除的范

围为预留洞门轮廓线内的围护结构。破除工作保证围护结构钢筋全部切断，以避免盾

构刀盘被围护结构的钢筋挂住。

凿除施工完毕后拆除脚手架，快速拼装负环管片，使盾构机抵拢掌子面，避免掌

子面暴露太久发生失稳坍塌。

洞门凿除施工时，在盾构机与掌子面之间搭建脚手架，利用人工进行凿除围护结

构碎施工，凿除按照“先拉槽、再破除、后修边”，从上往下的顺序进行，凿除的范

围为预留洞门轮廓线内的围护结构。破除工作保证围护结构钢筋全部切断，以避免盾

构刀盘被围护结构的钢筋挂住。

凿除施工完毕后拆除脚手架，快速拼装负环管片，使盾构机抵拢掌子面，避免掌

子面暴露太久发生失稳毋塌。

5.2.7洞门密封的安装

为了防止盾构始发掘进时泥.1.、地下水从盾体和洞门的间隙处流失，以及盾尾通

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过洞门后管片壁后注浆浆液的流失，在盾构始发时需安装洞门密封装置，本工程中盾

构始发洞门密封采用折叶式压板，密封装置由帘布橡胶板、圆环板、折页翻板、固定

板、垫片和螺栓等组成。

为了保证在盾构机始发时快速、牢固地安装密封装置，在盾构工作井内衬墙结构

施工时在预留洞门处预埋环状钢板，洞门预埋钢环的内径为。9300mm,与内衬墙结构

一同施工。

盾构机进入预留洞门前在外围刀盘和帘布橡胶板外侧涂润滑油以免盾构机刀盘

挂破帘布橡胶影响密封效果。

安装注意事项：

(1)洞门预埋钢环在车站主体结构施工过程中预埋，洞门橡胶帘布及折页压板

的安装为始发前2天，安装时•间为1天。

(2)为防止盾构机推进时，刀盘损伤帘布橡胶板，在盾构向前推进前应在帘布

橡胶板外侧及边刀上涂抹黄油；

(3)在盾构机刀盘进入洞门圈后，要密切关注密封装置，首先要检查螺栓是否

紧固，如果发现帘布橡胶板受损，要及时采取措施，使得折页压板压好布布橡胶板，

以保证能起到良好的密封效果。

5.2.8盾构始发

5.2.8.1盾构始发总体方案

首先，在土方开挖前，进行端头土体加固；其次，组装后配套台车，并将其拖入

矩形段结构再次，组装盾构主机并将主机和后配套台车连接，完成盾构机整机调试，

同时完成垂直运输系统和水平运输系统、搅拌站等安装调试。在上述工作期间可交叉

作业，完成洞门破除、洞门密封，最后完成反力架支撑并开始拼装负环管片后形成盾

构始发状态，开始盾构始发掘进。

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5.2.8.2始发掘进施工工艺及流程

盾构始发掘进流程见图5.2.8-1

图5.2.8-1盾构始发流程图

5.2.8.3始发施工准备

(1)为保讦进洞施T的安全和质量,准备T作必须细致.施T方案必须周密到值.

施工设施准备工作

1)地面生产设施准备工作

在盾构推进施工前，按常规进行施工用电、用水、通风、排水、照明等的安装工

作以及地面行车的安排工作，并验收通过。

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2）施工必要的材料、设备、机具准备，并准备好相应的办公、库房等生活用房,

以满足本阶段施工要求。管片、螺栓等有足够的备货，管片必须按技术要求生产，经

监理验收确认，方可进入工地使用。如在运输中管片有碰撞破碎，由管片厂专人按规

定尺寸修复后，经现场监理认可，方可使用，否则一律退回管片厂不得使用。

3）井上、井下测量控制网的建立，并经复核、认可。

4）洞门土体加固。

5）盾构机托架下井组装、定位。

6）安装盾构机始发反力架。

⑦洞门凿（破）除。

洞门凿除的主要目的是割掉盾构机通过范围内的钢筋，使盾构机顺利进入端头围

岩。

洞门破除分两次完成，先凿除围护结构至桩体外侧钢筋，外侧钢筋及保护层留下

以保证掌子面安全；当盾构机组装、调试完成后，准备始发时，割除围护结构外侧钢

筋，盾构机迅速推进至土体。

洞门凿除施工时，在盾构机与掌子面之间搭建脚手架，利用人工进行凿除围护结

构碎施工，凿除按照〃先拉槽、再破除、后修边〃，从上往下的顺序进行，凿除的范

围为预留洞门轮廓线内的围护结构。拆除工作保证围护结构钢筋全部切断，以避免盾

构刀盘被围护结构的钢筋挂住。

凿除施工完毕后拆除脚手架，快速拼装负环管片，使盾构机抵拢掌子面，避免掌

子面暴露太久发生失稳坍塌。

（2）具体各岗位做好以下准备工作：

1）施工技术人员：熟悉工程地质，对隧道所处地层土质应加强认识，并到现场对

各地层样本实体作逐一的认识。对工程作详细的了解、分析，熟悉施工图纸。

2）盾构机操作手：检查各液压系统运较是否正常；将各液压泵油压调试到设定员

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力；油路及接头无渗漏；油泵运输无异常声音；盾尾密封油脂充填密实。

3）电工：保证工地各部位供电正常；保证盾构机内各马达运转正常；盾构机内各

传感器工作正常；电瓶车正常充电，运行。

4）起重工：保证龙匚吊运行正常；配备好各种起吊钢丝绳；

5）拼装手；做好清除门洞内混凝土的准备；熟悉拼装机的操作。

6）测量工：安装好盾构机内的测量系统，做好轴线控制点的投放工作，测量盾构

机的初始状态。

7）浆液工：安装好供浆设备和下井管路，并保证其运转正常，根据泥浆配合比进

行试拌和试送。

5.2.8.4盾构机调试

盾构机拼装完毕后，在我公司与设备供应商双方有关专家的指导下，进行盾构机

的现场调试工作。

（1）调试前认真阅读盾构机的操作手册

认真阅读操作使用说明书，熟悉和掌握盾构操作流程，包括：盾构机运转程序；

每个机械的运作和注意事项；每个机械的手动、自动和联动操作方法；每个矶械的保

养和维修常识；每个机械的应急处理方法和措施；每个机械的润滑和减磨措施；每个

系统的工作原理和工作方法。

（2）现场调试

盾构机连接好后进行各项功能调试。

（3）盾构机的检测调试内容

D刀盘转动情况：转速、正反转；2）刀盘上刀具：安装牢固性；3）较接油缸的工

作情况：左、右伸缩；4）推进千斤顶的工作情况：伸长和收缩并记录时间；5）管片拼

装机：转动、平移、伸缩；6）油泵及油压管路、润滑系统、冷却系统、泡沫系统、盾

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尾油脂系统；7）过滤装置；8）配电系统；9）测量系统；10）操作控制盘上各项开关装

置、各种显示仪表及各种故障显示灯的工作情况。

盾构机在完成了上述各项目的检测和调试后（具体应遵照盾构机制造厂家提供的

操作手册进行），即可判定该盾构机已具备工作能力。

5.2.8.5盾构组装盾尾油脂的正确使用

（1）最为关键的是盾构机始发前手抹油脂的正确使用。手抹油脂一定要抹到部位,

而且用量足够，确保起到密封以及保护盾尾钢丝刷的作用。

（2）掘进时油脂要起到完好的保压作用，在盾构机的掘进过程中时刻跟踪注脂，

注脂用量要根据奥村提供的数据参数进行压注，机打油脂的保压目的主要是保护盾尾

密封，防止物体从盾尾侵入，盾构机的良好运行一定要保证盾尾密封的完好。

5.2.8.6盾构始发

⑴盾构始发前满足以下条件：

1）储蓄管片准备就绪；至少达到两个月盾构掘进的管片使用储量；2）管片运输设

备准备就绪；3）渣土运输准备工作就绪；4）端头加固效果良好；5）地面监测点已布设

完毕并获得初始成果；6）盾尾密封刷已涂满密封油脂。

⑵盾构始发

在现场及井内设备布置完成及盾构机调试完后，依靠反力架和负环管片进行盾构

始发。开始安装负环管片并加固。盾构向洞门土体逐渐靠拢，使盾构机头部切入土体，

再经刀盘旋转切削土体，充满盾构机土仓，开始建立正面土压力以平衡盾构正面上压，

确保土体的位移量降至最小值。推进时，注意观察反力架和后面斜撑是否产生变形,

防止位移量过大而造成破坏。为减少盾构的推进阻力，推进前，在盾构托架面上涂抹

润滑油。

当盾尾完全进入土体后，洞门密封扇形板顺着掘进方向收紧，此时通过管片注浆

孔均匀地向管片外部压注水硬性浆液充填外界土体和管片外环的空隙，开始浆液灌注。

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5.2.8.7负环管片的正确安装

盾构机盾体组装前在始发托架导轨上涂抹润滑脂，盾构机调试就绪之后，组装负

环管片，开始盾构机试运转。

拼装第一环负环管片前.，在盾尾管片拼装区域下部140。范围内设6根长2米、

厚30亳米的槽钢（盾尾内侧与管片外弧面的间隙为30亳米），在拼装第一环负环时，

在盾尾管片拼装区上部180。范围内，当管片拼装机每安装固定一块管片时，就要用

已经焊接成L形状槽钢焊接在筒体内部来保护拼装的管片不会侧翻，在第一环负环成

环之后将其拆除。

拼装时先将第一块管片拼好，待位置调正后在前后两端面各用两根钢筋焊接定位

以防拼装其余管片时该管片移位，拼装其余标准块、邻接块管片前要在其前后侧的盾

构壳体上焊好吊环，拼装时每块管片定位后立即拧好环向连接螺栓并在两侧用10mm

直径的钢丝绳穿过管片纵向连接螺栓孔与预先焊好的吊环相连，通过手拉葫芦紧固定

位，以防管片转动和倾覆。该环管片拼装完成经检查质量符合要求后，将第一块管片

的定位钢筋割除，并打磨平整，同时解除其余标准块和邻接块管片的侧向定位连接，

割除吊环将其打磨平整。

当继续拼装负环管片时，盾尾内的负环管片将陆续移出，管片外侧与始发托架钢

轨之间将会产生155亳米的间隙，该间隙使用木楔子进行填充，在每环管片推出盾尾

后，在管片外的轨道上用木制楔子及时进行支垫，将管片压力均匀的传递到托架，同

时使用钢丝绳将整环管片箍紧，钢丝绳与托架两侧连接。

5.2.8.8导向轨道安装

由于工作井结构的厚度及槽壁结构的厚度，使现在盾构托架上的导向轨道与掘进

面之间有约1米的距离，为保证盾构安全、正确出洞，在始发托架前端与端墙之间安

装二根导向接长钢轨道，安装角度、位置应顺延盾构托架上的轨道。导向轨道与原盾

构托架必须焊接固定。

5.2.8.9盾构机进入洞门

完全清除洞门佐后，为防止端头加固体的失稳，应尽快安装好导向轨道，并尽快

使用推进千斤顶使盾构机进入洞门。

5.2.8.10调整洞口止水装置

当盾构机刀盘进入洞口后，止水装置的活动压板自动向掘进方向收紧，起到密封

效果，检查紧固螺栓。

5.2.8.11盾构掘进

压板调整及螺栓上紧固定后，即可对土舱进行保压，然后进行掘进。始发时的掘

进速度应比较缓慢(10〜20nlm/min),橡胶止水布帘内层与盾构的筒体之间封闭也需

要在掘进中产生的小颗粒物填充压实空间，使密封更为牢固。

5.2.8.12盾尾通过洞门密封后进行回填注浆

当盾尾通过洞门密封后，进行同步注浆，必要时可以注入双液浆以缩短凝固时间。

要注意控制注浆压力不要过大以免浆液冲破洞门密封。

5.2.8始发掘进技术要点

(1)始发前的技术交底、人员上卤培训。在盾构施工前，对参加施工的全体人员

分阶段进行详细的技术交底，按工作进行岗位培训，考核合格后方可上岗操作。

(2)在进行盾构机托架、尾盾支撑、基准环及首环负环管片的定位时，要严格控

制盾构机托架、后盾支撑、基准环及首环负环管片的安装精度，确保盾构始发姿态与

隧道设“线形符合。

(3)首环负环管片定位时，管片的后端面应尽量与线路中线垂直。负环管片轴线

应与线路的切线重合。负环管片采用错缝拼装方式c

(4)始发前托架定位时，盾构机轴线与隧道设计轴线保持平行，盾构中线可比设

计轴线适当抬高。

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(5)盾构机在托架上向前推进时，通过控制推进油缸行程使盾构机基本沿托架向

、

,刖AX.推r/»-进44,。

(6)始发初始掘进时，盾构机处在托架上，因此需在托架及盾构机上焊接相对的

防扭转支座，为盾构机始发掘进提供反扭矩。

(7)在始发阶段，由于设备处于磨合阶段，要注意推力、扭矩的控制，同时也要

注意各部位油脂的有效作用。掘进总推力应控制在反力架支撑承受能力以下，同时确

保在此推力下刀具切入地层所产生的扭矩小于盾构机托架提供的反扭矩。

(8)盾构在始发段推进时，主要控制盾构的推进油缸行程和限制盾构每一环的推

进量。同时，检查盾构是否与托架、洞门发生干涉或是否有其他异常事件或事故的发

生，确保盾构安全的向前推进。

(9)盾构在托架上向前推进时，一般通过控制推进油缸行程使盾构机基本沿托架

向前推进。如盾构出现较大的偏差时，可以通过适当的调整推进油缸行程进行合理的

纠偏。

(10)开始推进时，要密切关注洞门扇形压板与盾壳之间的间隙，防止冒浆。

(11)盾构位于托架上时尽量不要进行姿态调整。

5.2.9盾构掘进施工

5.2.9.1盾构机试掘进

盾构试掘进时根据理论和经验选取各项施工参数，通过监控量测数据及反馈信息

对施工参数适时进行调整。

第一阶段掘进长度约40m,分别采用几组不同的密封仓土压力、刀盘转速及压力、

推进速度、千斤顶顶力、注浆压力及注浆量等施工参数进行试验掘进，通过分析隧道

沉降、地表沉降的监测数据，确定合理的施工参数。盾构始发时掘进速度宜缓慢，同

时加强后盾支撑观测，控制盾构姿态，防止盾构上浮。

第二阶段掘进长度约30叫采用第一阶段确定的较优施工参数进行掘进，同时根

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据地层条件、地下管线、地表结构物情况，并结合监控量测数据，对施工参数进行更

加细微的调整，以获取最佳施工参数。

第三阶段掘进长度约30m,为正式掘进施工的准备阶段，应以控制地面沉降、保

护构筑物及地下管线为原则，并总结施匚参数动态调整经验。

5.2.9.2盾构机正常掘进

在完成初始掘进段后，根据试验反馈参数确定出施工的最优参数，同时对始发设

备进行调整，开始正常掘进，调整工作包括：

(1)拆除负环管片；

(2)在盾构始发井内铺设轨道；

(3)安装道岔，对电瓶车重新编组。

5.2.10负环拆除

根据国内大断面盾构隧道施工经验，当盾构始发掘进88环、同步注浆压力在

0.2Mpa时，即可拆除反力架及负环管片。

负环管片拆除步骤如下：

(1)在拆除负环管片前准备好所需的各种机具，并对60t龙门吊进行检查；对

1〜20环管片进行二次注浆，使负环拆除能安全、顺利进行。

(2)检查反力架背部支撑上的应力，确保应力值接近零，先将反力架后面的钢

支撑与顶板、底板预埋钢板之间的焊缝割除，支撑割除的顺序按从上至下的顺序，然

后用龙门吊拆除钢支撑。反力架利用现场350t吊车整体起吊。

(3)将负环部位的水管、部分轨道拆除。

(4)负环管片的拆除。

5.2.11盾构掘进控制

5.2.11.1掘进管理

盾构机在完成试掘进后，根据初始掘进段施工参数的分析总结，确定正常掘进施

工参数选取。为保证工程施工的顺利进行，加强盾构在正常段的掘进管理，主要内容

包括：

(1)根据地质条件、覆土厚度和试掘进过程中的经验结果进一步优化掘进参数。

(2)推进过程中，严格控制好推进方向，将施工测量结果不断地与计算的三维坐

标相校核，及时调整。

(3)盾构操作人员应根据当班工程师指令设定的参数推进，推进与管片背后注浆

同步进行，不断完善施工工艺。

(4)盾构掘进过程中，坡度不能突变，隧道轴线和折角变化不能超过0.4%。

(5)盾构掘进施工全过程须严格受控，工程技术人员根据地质变化、隧道埋深、

地面荷载、地表沉降、盾构机姿态、刀盘扭矩、千斤顶推力等各种数据信息，正确下

达每班掘进指令，并即忙跟踪调整。盾构机操作人员须严格执行指令，谨慎操作，对

初始出现的小偏差应及时纠正，应尽量避免盾构机走“蛇”形，盾构机一次红偏量不

超过4mm/环，以减少对地层的扰动。

(6)做好施工记录，盾构推进压力、盾构掘进速度、盾构刀盘压力、刀盘转速、土

仓压力、注脂压力、注浆压力、盾构竖直及水平偏差及盾构机各设备运行状态等。

(7)掘进速度管理

正常掘进条件下，掘进速度应设定为30mm/niiri以上；在盾构机通过软硬不均地

层时，掘进速度应控制在5〜25mm/min。

盾构掘进速度设定时，注意以下几点：

1)盾构启动时，盾构司机需检查千斤顶是否顶实，开始推进和结束推进之前速度

不宜过快，每环掘进开始时，应逐步提高掘进速度，防止启动速度过大冲击扰动地层。

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2)每环正常掘进过程中，掘进速度值应尽量保持衡定，减少波动，以保证土压稳

定和螺旋机出土的畅通。在调整掘进速度时.，应逐步调整，避免速度突变对地层造成

冲击扰动和造成土仓压力摆动过大。

3)推进速度的快慢必须满足每环掘进注浆量的要求，保证同步注浆系统始终处于

良好工作状态。

4)掘进速度选取时，必须注意与地质条件和地表建筑物条件匹配，避免速度选择

不合适对盾构机刀盘、刀具造成非正常损坏和造成隧道周边土体扰动过大。

(8)同步注浆管理

根据注浆目的的要求，要充分充填盾构施工生产的地层空隙，避免由此引起的地

表沉陷；同时，注浆压力受管片压力、土压力、水压力等因素影响，避免压力过大引

起地表有害隆起或破坏管片衬砌。避免影响地表建筑物和地下管线的安全。所以要求

注浆压力控制在0.2〜0.5Mpa,必要时需进行二次注浆。二次注浆控制在0.2”

0.6Mpa,二次补充注浆量由现场试验确定(以压力控制)为原则。

(9)掘进控制

盾构掘进由操作手在中央控制室内进行，由技术人员经计算初设正面土压力值。

土压力值根据隧道埋深、土层性质和地面载荷计算，设定值约为计算值的1.05〜1.1

倍。开始施工时，在盾构机的正面及盾构体的上下方设置土压传感器监控平衡系统，

在盾构机中盾安装有超前探测孔，用于对掌子面土体的勘察或超前注浆。打开出土闸

门，依次开启皮带输送机，螺旋输送机和刀盘，推进千斤顶，调整好各千斤顶的工作

油压。此时刀盘切削土体，盾构机向前掘进。盾构机根据设定的正面土压力自动控制

出土速度或掘进速度。盾构机的行程、上下左右四个区域千斤顶压力、螺旋机转速、

盾构扭转、俯仰等参数，将显示在显示屏上，盾构机操作手及时做好参数记录，并参

照仪表显示以及其它人工测量和总结的施工经验调整盾构机姿态和各项参数，使盾构

始终按设计的轴线推进。

(10)盾构直线段推进和地层变形的控制

21

土压平衡式盾构机掘进是利用土仓内压力来平衡开挖面的土体，达到对盾构正前

方开挖面支护的目的。因此平衡压力的设定是土压平衡式盾构施工的关键，维持和调

节设定的压力值又是盾构推进操作中的重要环节，这里面包含着推力、推进速度和出

土量三者的相互关系，对盾构施工的轴线和地层变形量的控制起主导作用，所以在盾

构施工中要根据不同土层和覆土深度，地面建筑物、配合监测信息的分析及时调整土

压力值的设定。同时要求推进坡度保持相对稳定，控制偏移量，减少对土体的扰动，

并为管片拼装创造良好的条件在这基础上再根据推进速度，出土量和地层变形的信

息、数据的反馈及时调整初始设定的土压力值和注浆量，进而达到对轴线和地层变形

在最佳状态下的控制。

(11)盾尾刷管理

利用管片注浆孔对盾尾油脂进行彻底检查，以后定期检查，平均每10环全面检

查一次，正常状态掘进中(在没有发生水漏窜浆状态下)，2环后正常补脂一圈；在发

生漏窜浆状态下，补充油脂时间由平常的6秒/孔改为1分钟/孔。油脂压力保持在

0.4Mpa以上。

5.2.11.2盾构油脂压注

盾构机尾部与已拼装的管片外部的空隙靠盾尾密封刷和密封刷之间充填的盾尾

油脂分隔。在盾尾的钢板中预埋盾尾密封油脂注入管。盾尾油脂的注入可使盾尾密封

刷和密封刷间的油脂与管片外弧面紧密结合，能阻止地下水及同步注浆浆液进入盾构

机内部，防止地下水和同步注浆浆液的损失。盾尾油脂采用自动、半自动或手动控制

系统操作。

5.2.11.3添加剂的加入

本工程区间隧道部分地段地质条件复杂，为了改良土体、保护刀盘以及保证盾构

机正面良好的隔水效果，推进过程中需加入添加剂，主要的添加剂是泡沫剂和膨润土。

(1)加注泡沫剂顺序：

向泡沫剂箱中加入泡沫剂，打开泡沫剂输送泵及添加剂注入装置，同时打开水泵，

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将稀释后的泡沫剂注入输送管道。泡沫剂到达连接桥后，向泡沫管路中注入水和压缩

空气，制成的泡沫分别由螺旋输送器、刀盘、密封仓隔板的喷头注入土体中。

⑵加膨润土顺序：

向加泥设备中加入膨润土，泵水入加泥设备中，压缩空气由管路进入加赤设备对

膨润土进行充分搅拌。打开膨润土输送泵，将搅拌好的膨润土浆通过泡沫剂管路由螺

旋输送器、刀盘、密封仓隔板的喷头注入土体中。

5.2.11.4隧道内盾构机掘进测量

(1)盾构机掘进测量的目的

盾构机的掘进测量直接控制盾构机的姿态，计算出每环管片的安装位置，并将各

种测量参数传达给盾构机操作手。

(2)盾构机掘进测量的依据：铁路工程测量规范

(3)仪器设备及人员组成

1)仪器设备：彳来卡全站仪、VMT公司SLS-TTBM导向系统(演算工坊测量系统)、

ELS激光标靶、陀螺仪、计算机一台。

2)人员组成：由一名测量主管工程师和7名测量技工以及6名盾构机操作手组成。

(4)盾构机掘进测量

1)盾构机的导向系统

盾构机的导向系统可以把在挖掘过程中TBM的位置随时显示在驾驶室的计算机荧

屏上，通过荧屏上数据来操作控制千斤顶及管片拼装。测量员随时检测激光仪上的激

光束，使其总是能射到标靶上。当距离较远或激光不能射到标靶上时，需移动后视基

准点及全站仪。所有的数据均存入计算机，并将需要提供的数据打印出来，提供给监

理工程师。

2)掘进测量

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掘进测量数据全部由演算工房导向系统通过与机器上的PLC(Stored

ProgrammableConerol)联接显示于计算机。演算工房隧道掘进软件它包含计算隧道轴

线、TBM的定位、管片的位置、管片的拼装等。演算工房软件自动记录数据并以数字、

图形及图表显示于计算机荧屏，使测量人员及操作手掌握和了解当前掘进情况，而无

需人工进行测量。这些数据每分钟向计算机传送两次，可将所需数据自动记录及存储，

并随时打印出来。

(5)资料提交

测量员及盾构操作手共同将每天管片的拼装环数、基准点的平面坐标及高程，以

及衬砌的施工图表等所需数据整理归档、打印并提交监理工程师。

5.2.11.5盾构掘进方向的控制与调整

由于盾构表面与地层间的摩擦阻力不均匀，地层软硬不均、隧道曲线和坡度变化

以及操作等因素的影响，盾构推进不可能完全按照设计的隧道轴线前进，而会产生一

定的偏差，开挖面上的士压力以及刀盘切削地层所引起的阻力不均匀，也会引起一定

的偏差。在盾构推进过程中由于不同部位推进千斤顶参数设定的偏差易引起推进方向

的偏差。当这种偏差超过一定限界时就会使隧道衬砌侵线、盾尾间隙变小使管片局部

受力恶化，并造成地层损失增大而使地表沉降加大。因此，盾构施工中必须采取有效

技术措施控制掘进方向，及时有效纠正掘进偏差。

(1)盾构掘进方向控制

结合本工程线路及地质的具体情况，采取以下方法控制盾构掘进方向：

1)采用盾构机上的自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测。

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性，拟每周进行两次人工测量，以校核自动导向系统的测

量数据并复核盾构机的位置、姿态，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

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根据线路条件所做的分段轴线拟合控制计划、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。

在上坡段掘进时，适当加大盾构机下部油缸的推力；在下坡段掘进时则适当加大

上部油缸的推力；在左转弯曲线段掘进时，则适当加大右侧油缸推力；在右转弯曲线

掘进时，则适当加大左侧油缸的推力；在直线平坡段掘进时，则应尽量使所有油缸的

推力保持一致。

在均匀的地质条件时，保持所有油缸推力一致；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，遵循硬地层一侧推进油缸的推力适当加大，

软地层一侧油缸的推力适当减小的原则来操作。

（2）盾构掘进姿态调整与纠偏

在实际施工中，由于地质突变等原因盾构机推进方向可能会偏离设计轴线并达到

管理警戒值；在稳定地层中掘进，因地层提供的滚动阻力小，可能会产生盾体滚动偏

差；在线路变坡段或急弯段掘进，有可能产生较大的偏差。因此应及时调整盾构机姿

态、纠正偏差。根据可视化界面的姿态进行全方位的调整。

1）姿态调整

参照上述方法分区操作推进油缸来调整盾构机姿态，纠正偏差，将盾构机的方向

控制调整到符合要求的范围内。

2）滚动纠偏

当滚动超限时，盾构机会自动报警，此时应采用盾构刀盘反转的方法纠正滚动偏

差。允许滚动偏差＜1.5°,当超过1.5。时，盾构机报警，提示操作手必须切换刀盘旋

转方向，进行反转纠偏。

3）竖直方向纠偏

控制盾构机方向的主要因素是千斤顶的单侧推力，当盾构机出现下俯时，可加大

下侧千斤顶的推力，当盾构机出现上仰时，可加大上侧千斤顶的推力来进行红偏。

25

4）水平方向纠偏

与竖直方向纠偏的原理一样，左偏时应加大左侧千斤顶的推进压力，右偏时则应

加大右侧千斤顶的推进压力。

（3）方向控制及纠偏注意事项

1）在切换刀盘转动力向时.，应保留适当的时间间隔，推进油缸油压的调整不宜过

快、过大，切换速度过佚可能造成管片受力状态突变，而使管片损坏。

2）根据掌子面地层情况应及时调整掘进参数，调整掘进方向时应设置警戒值与限

制值。达到警戒值时就应该实行纠偏程序。

3）蛇行的修正应以长距离缓慢修正为原则，如修正得过急，蛇行反而更加明显。

在直线推进的情况下，应选取盾构机当前所在位置点与设计线上远方的一点作一直线，

然后再以这条线为新的基准进行线形管理。在曲线推进的情况下，应使用使盾构当前

所在位置点与远方点的连线同设计曲线相切。

4）正确进行管片选型，确保拼装质量与精度，以使管片端面尽可能与计划的掘进

方向垂直。

5）严格控制纠偏力度，防止盾构机发生卡壳现象。

6）盾构始发到达时方向控制极其重要，应按照始发、到达掘进的有关技术要求，

做好测量定位工作。

5.2.11.6掘进模式的选择

木线选用的盾构机为复合式盾构机，具有敞开式、半敞开式和土压平衡式三种掘

进模式，每一种掘进模式具有不同的特点和适用条件。

5.2.12管片安装

采用错缝拼装通用楔形管片，即通过旋转调整管片位置，满足隧道设计轴线要求，

同时使隧道纵向连接缝不在同一直线上。错缝拼装具有圆环管片接缝刚度分布趋于均

匀、圆环整体刚度高、接缝及整体结构变形小等优点。采用通用楔形管片通过管片的

26

精确定位，提高了管片的拼装质量。整个拼装工序由盾构操作手、拼装机操作员和拼

装工等三种特殊工种配合完成。

5.2.13壁后注浆

为了减小和防止地面沉降，在盾构掘进中，要尽快在脱出盾构后的衬砌背面环形

建筑空隙中充填足量的浆液材料。其工作原理是：在盾构机推进过程中，保持一定压

力（综合考虑注入量）不间断地从盾尾直接向壁后注浆，当盾构机推进结束时，停止

注浆。这种方法是在环形空隙形成的同时用浆液将其填充的注浆方式。根据地质条件，

确定浆液配比、注浆压力、注浆量及注浆时间对同步注浆能否达到预期效果起关键作

用。

管片注浆的位置选在出盾尾第一环管片的11点和5点、1点和7点的位置，具体

注浆的顺序根据对管片监测的结果来确定。当注浆充填量＜130%时，采用二次补压注

浆的措施，注浆范围5〜8环。二次（或多次）压浆是弥补同步注浆的不足，减少地

表沉降保持隧道真圆度的有效辅助手段，可使盾构在穿越建筑物、地下管线时，大大

降低地面沉降。

6材料与设备

6.1主要材料

S6.1-1主要盾构材料表

序号名称规格单位数量

管片拼装消耗材料

管片环

11.6m通用楔形管片18116

2管片螺栓M30*519个303789

3橡塑定位棒PVC/50*800nn条53531

4弹性密封垫米544258

5遇水膨胀剂密封圈42*30*10个303789

27

序号名称规格单位数量

6海绵橡胶条40*4mm米547440

7橡胶自粘薄板70*75mm块107160

8橡胶自粘薄板150*70mm块107160

9丁晴软木胶板B1/B2/L1/L2/F环158550

盾构掘进消耗材料

1泡沫剂Kg208500

2膨胀剂吨4000

3润滑油脂Kg155000

4盾尾密封油脂Kg1091300

5主驱动密封油脂Kg157000

6盾尾密封油脂（初装）Kg10000

周转材料

—•

1轨枕（大）4.4mX20cm根

2轨枕（小）1.4mX17cm根

3台车轨枕180X25X25cm根

钢轨

46m(P43Kg/m)米

块

5夹板（连接板）800X80X20mm

6.2主要设备

表6.2-1主要设备表

序号设备名称型号规格数M产地制造年份备注

1盾构机海瑞克2台德国2010

盾构机

2铁建重工3台中国2015

盾构机中交天和2台中国

32014

电瓶车

415套中国2014

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序号设备名称型号规格数量产地制造年份备注

5电瓶车充电设备275V/100A15套中国2009

渣土车中国

616m370辆2009

中国

7运浆车6m314节

中国

8管片车35节2009

龙门吊10台中国

960T/40T2014

10冷却塔80m37套中国

11浆液搅拌站7台中国

中国

12风机7套2009

中国

13盾构机始发托架7套自制

14反力架7套中国自制

挖掘机7台中国

15PC2002010

7质量控制

7.1执行质量标准

盾构施工充分总结类似的盾构施工的经验和教训，合理提出施工组织设计和稳妥

的施工方案，最大限度的运用新技术、新工艺、新设备等。主要质量标准如下：

(1)《盾构法隧道施工与验收规范》(GB50446-2008);

(2)《盾构法隧道防水技术规程》(DBJ08-50-96)

(3)《地下工程防水技术规范》(GB50108-2008);

(4)《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》(TB107532010);

(5)《地下防水工程质量验收规范》(GB50208-20H);

(6)《预制混凝土衬砌管片》(GB/T22082-2008);

(7)《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB50204-2015);

(8)《铁路工程测量规范》(TB10101-2009);

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(9)《城市轨道交通测量规范》(GB50308-20