盾构机改造方案

1、 盾构机改造方案中铁十三局集团公司现有S266、S267两台盾构机的基本功能可满足区-杨区间施工需要。但是，为了适应该区间200m曲线半径掘进和改良砂土的止水能力，特提出对上述两台盾构机及其配套设备的初步技术改造方案，该方案正在与海瑞克公司协商过程中，最终改造方案由我方与海瑞克公司共同制定。初步改造方案如下：（1） 要使S266、S267两台盾构机满足掘进隧道的曲线半径为200m的要求，必须使两台盾构具备掘进160m曲线半径的能力，才能保证在掘进200m曲线半径时具备一定的纠偏能力，该盾构机的铰节转角设计值为1.5。，按转弯1.2。与盾体尺寸作图校核结果，可以满足掘进160m曲线半径要求；（2

2、） 将两台盾构机现有的扩挖刀换为液压驱动的仿形扩挖刀，以适应在掘进小曲线半径时，采用不同位置的不同扩挖量来扩大洞径，以防止因扩挖量过大而严重地扰动土体，而扩挖量过小又不能充发挥盾构机铰节装置的转弯功能；（3） 将现有盾尾长缩短400mm并适当加大盾尾内的最小直径至6070mm，以增加盾构机转弯灵敏度和管片拼装时间隙量，必要时另做一副盾尾；（4） 另采购一套生产管片宽度为1200mm的管片模具，该套模具由标准环、左弯环和右弯各2副组成；（5） 改为两台胶带送输接力传送渣土，既满足曲线上渣土输送要求，又可提高胶带输送机的寿命；（6） 增加一套膨润土注入系统，使其在掘进砂土层时，可向土仑中注入膨润土

3、以提高砂土改良后的密水性和流动性能；（7） 盾尾内径与管片外径间隙验算（按160m曲线半径）曲线开挖时要求的盾尾间隙计算如下： 仑大区间盾构的设计参数盾尾最小内径D16060mm管片外径D6000mm管片宽度W1200mm 曲线半径R160m盾尾覆盖管片的长度L2000mm 盾尾间隙理论值XX1+2X2其中：X1为拼装管片方便并考虑管片安装误差及偏移所取的间隙裕量。通常，X1的按下表选择，取X130mm。X2曲线施工和修正盾构机蛇行所需的间隙。D4m4mD6m6mD8m8DMax（OG，OH，OD）的关系如能得到满足，盾构机便可以掘进。这相当于模式（a）。这种情况，属于绞接角度不足，土体超挖量

4、过多，盾构机后端的外侧点D和土体之间有缝隙，超挖量一旦增大，就会有盾构机位置不稳定的倾向。图1模式（b），OA=Max(OG，OH，OD)的情况下，最适合绞接状态中的刀盘前部外端（A点）和前筒后端（G点）、后筒后端（D点），其中任意一点在同一圆弧上，其余二点在此圆弧之内。此时的绞接角度称为界限绞接角度cr,此界限绞接角度cr如果能给出曲线半径和盾构机的尺寸，便可计算出。作为盾构机的构造，全部用此cr值进行绞接的话，是最为理想的。此时，盾构机的外侧全体都接触到土体，施工上最为稳定，并且超挖量为最小值。模式（c），为过度绞接状态，OA （2）仿形刀的使用铰接装置作为一种辅助手段，需要与仿形刀的超挖

5、、锥形管片、曲线内外侧千斤顶的不同推力等施工措施配合在一起使用。仿形刀的使用效果将直接影响盾构机铰接装置的作用，超挖量过大将严重地扰动土体，过小将不能充分发挥铰接装置的作用，以至达不到所要求设计轴线的半径。因此，急曲线隧道施工时，应该选择模式如图1（b柚梅滦蔚缎谐碳敖陆咏嵌冉芯蚪谡庵帜较碌姆滦蔚兜某诹考扑闳缦隆?/DIV 超挖量计算（见图2）：（基于组装完成后的刀盘一侧的管片端面和盾构后筒呈垂直的条件下进行分析） 超挖量 （D：盾构外径 ：中折角 Ro：曲线半径）2.2 难点之二：隧道整体因侧向分力向弧线外侧偏移急曲线隧道每掘进一环，管片端面与该处轴线的法线方向在平面上将产生一定的角度（见附图

6、3），在千斤顶的推力下产生一个侧向分力。管片出盾尾后，受到侧向分力的影响，隧道向圆弧外侧偏移。一般在圆曲线半径取定时，已验算侧向作用力对原状土体的影响，管片在侧向作用力下，不足于使原状土体发生塑性破坏，即土体处于弹性变形范围。因此研究侧向分力形成原因和规律就可以有效控制土体的弹性变形范围。侧向分力计算：（见附图3：侧向分力示意图）式中：F总盾构千斤顶作用力F纵垂直于管片环面的反作用力F侧平行于管片环面的侧向反作用力RC圆曲线半径；D管片外径；L管片宽度；由此可以看出，侧向压力F侧的大小，取决于F总及，而取决于L及RC、D，当D一定时， L越小、RC越大，则越小。因此设计管片尺寸时，应选择使用宽

7、度较小的管片。在工程施工阶段，进入圆曲线后，L、 RC为定值，侧向压力F侧的大小取决于盾构千斤顶作用力F总。为减小土体的弹性变形量，应考虑尽量减小盾构千斤顶作用力F总。另外，由于盾构机外壳与管片外壁存在建筑空隙，在施工过程中，掘进产生的空隙与同步注浆的浆液填充量两者间不可能做到完全同步、完全符合一致。如果存在空隙或同步注浆浆液早期强度不够的现象，则管片在侧向压力作用下将向弧线外侧发生偏移。如果不考虑土体的弹性变形，则隧道最大偏移量为（D1-D2）/2（D1为盾构外径、D2为管片外径）。见附图4。从这个角度分析，笔者认为，同步注浆的浆液宜采用双液浆，因为双液浆为瞬凝性浆液，具有较高的早期强度、良

8、好的流动性和填充的均匀性，可以在较短的时间内将建筑空隙填充并达到一定的强度，与原状土共同作用，有效减小管片受侧向压力影响在建筑空隙范围内向弧线外侧的偏移量。2.3 难点3：盾构掘进时，纠偏量较大，对土体扰动的增加易发生较大沉降量。急曲线隧道的施工与直线段施工相比，除直线段隧道施工原有的地层变形因素外，还将增加以下三个因素的影响：(1）由于沿急曲线掘进，盾构机处于纠偏状态，仿形刀也处于开启状态进行超挖，实际掘进面为一椭圆形，实际挖掘量超出理论挖掘量。(2）在采用适当技术和良好操作的正常施工条件下，急曲线掘进将增加地层损失，地层损失达0.51%8L2R/（R+RC）。（L为盾构长度；R盾构外半径；

9、RC盾构掘进曲线半径）(3）纠偏量较大，对土体的扰动亦大，容易造成较长时间的后期沉降。相应的解决对策为进行动态管理和信息化施工，控制好同步注浆的注浆时间及注浆量。视具体情况，必要时进行二次补浆。3 工程实例3.1工程概况上海市轨道交通明珠线二期宜山路停车场区间隧道，隧道总长462.64m，是通往蒲汇塘停车场的一条出入段线。由于受明珠线一期高架轻轨桩承台及中山西路高架道路等诸多客观因素的限制，隧道线路设计选择在两高架众多深桩群桥墩中穿越。该区间隧道水平方向呈“U”字型，最小曲率半径只有250m，曲线段占总长度的87.02%。而该隧道后接R150m明挖隧道，圆缓点在盾构工作井内，因此出洞处隧道位于

10、连接R150m的缓和曲线段上，此处隧道的当量曲率半径仅为178.3m。该区间隧道垂直方向呈倒“V”字型，先上坡再下坡，最小竖曲线半径2000m。平曲线250m与竖曲线2000m交汇，形成一条立体空间的长距离急曲线地铁隧道。见附图5。由此该工程的难度成为上海地铁盾构法施工“两个第一”：一是第一次用6340盾构掘进真正意义上的长距离急曲线隧道，曲率半径R只有250m，曲线段占总长度的87.02%；二是盾构机第一次圆曲线超近距离斜穿明珠线一期桩承台，盾构距承台最近平面距离仅为1.35m。该区间隧道采用预制装配式钢筋混凝土衬砌结构，衬砌用管片环宽1012mm，外径6200mm，内径5500mm，壁厚3

11、50mm，混凝土设计强度C55 ，抗渗强度1.0MPa。隧道衬砌采用通缝方式拼装。3.2 工程地质情况根据工程地质勘察报告，盾构主要在1层淤泥质粘土中掘进，该土层属高灵敏度、高塑性、高压缩性、低强度、低渗透性饱和软土，该土层含云母、有机质，夹薄层粉砂，土质较均匀。在该土层中，一般盾构掘进施工较容易，但应注意该土层蠕变量大，易粘着盾构设备。1层淤泥质粘土物理力学性质指标见表1。3.3 主要施工技术措施3.3.1解决轴线难控制的技术措施 3.3.1.1 选用带选铰接装置及仿形刀的盾构机 该工程选用日本三菱公司的6340铰接式土压平衡式盾构机，盾构机头部长度约为8625，铰接处离刀盘端面的长度为49

12、90，水平张角1.5，垂直张角为0.5。该机设计定位的隧道最小半径为200m，但利用盾构的铰接装置，辅以仿形刀的使用，能够完成出洞处缓和曲线段最小当量半径R为178m的隧道施工任务。经过明珠线二期宜山路停车场区间隧道实践证明，该盾构机是一台技术先进，性能良好的盾构法隧道施工机械。该盾构机的缺点为同步注浆系统不能使用双液浆浆液施工。3.3.1.2 开启盾构铰接装置，预先推出弧线态势根据设计曲线半径及盾构直径计算铰接角度，开启盾构铰接装置，使得盾构机的前筒与后筒张角与曲线吻合，预先推出弧形趋势，为管片提供良好的拼装空间。在宜山路停车场区间隧道工程中，盾构机在出洞处就处于当量半径为178m小半径缓和

13、曲线范围，所以盾构机在洞门加固区45m的掘进行程中，开启盾构铰接装置，铰接水平张角须达到约1.5（配合开启仿形刀进行超挖）。随着盾构进入缓和曲线，逐步减小水平张角，直至直线段处，张角完全闭合，进入直线段掘进。 在宜山路停车场区间隧道掘进过程中，在掘进R=250m曲线段时，实际中折角为0.8（见表2），与理论计算值0.703相符。 表2 铰接角度3.3.1.3 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主要须考虑两个方面的因素，一是仿形刀的超挖范围。仿形刀通过设置，可以在圆周任意区域位置进行超挖，该工程将采用仿形刀在曲线内侧位置进行超挖，以有利于纠偏。二是超挖量。根据公式（1）计算

14、：R=250m, 理论超挖量为21mm；在缓和曲线段，它是不断变化的一个函数值。在宜山路停车场区间隧道掘进过程中，R=250m时,实际超挖量为8mm左右（参见表3），小于理论超挖量。笔者分析，由于上海的地基较软，即使不使用仿形刀，在急曲线段，盾构在开启铰接装置后掘进时对内侧土体的挤压，亦能使盾构沿轴线掘进，故实际施工中，实际超挖量要小于理论超挖量。因此实际超挖时，超挖量必须根据隧道的设计轴线、铰接装置的设置值、盾构机的姿态、管片的拼装状态等因素综合考虑后确定。表3：仿形刀行程3.3.2 解决隧道受侧向分力的影响向圆弧外侧偏移的技术措施宜山路停车场区间隧道曲线半径为250m，在千斤顶的推力下产生

15、侧向分力为 （参见公式2）。由于该工程采用的同步注浆浆液为惰性浆液（该工程盾构机不能采用双液浆作为同步注浆施工），早期强度较低，在承受侧向压力后会产生流动，不能满足抵抗要求，管片将向弧线外侧偏移。根据宜山路停车场区间隧道初期掘进的实际测量，在圆曲线段，管片出盾尾后的偏移量在4080mm之间,符合土体的弹性变形假设及管片建筑空隙内偏移量分析（理论偏移量为（6340-6200）/2=70mm）。见表4。表4：管片出盾尾后收侧向分力影响产生的位移在该工程施工过程中，主要采取了以下措施进行控制：3.3.2.1 盾构掘进时走向的预偏为了控制隧道轴线最终偏差控制在规范要求的范围内，盾构掘进时，考虑给隧道预

16、留一定的偏移量。将盾构沿曲线的割线方向掘进，管片拼装时轴线位于弧线的内侧，以使管片出盾尾后受侧向分力向弧线外侧偏移时留有预偏量。而预偏量的确定往往须依据理论计算和施工实践经验的综合分析得出，同时需考虑掘进区域所处的地层情况。在宜山路停车场区间隧道掘进过程中，预偏量4060mm。3.3.2.2 控制盾构千斤顶掘进速度与推力在常规隧道施工时，为了保证进度，盾构机掘进速度往往达到50mm/min左右，与之匹配的推力较大。而在急曲线隧道施工中，根据成熟的施工经验，必须适当降低掘进速度，即降低千斤顶总推力，同时也意味着降低侧向分力，有利于减少隧道向弧线外侧的偏移量。因此在急曲线隧道施工时，必须确定一个合

17、理的推力和掘进速度。这个合理的掘进速度必须不额外的增加推力，从而达到减小侧向分力的目的，同时尽可能少扰动土体。必须指出的是这个掘进速度也不是一成不变的，随着施工条件、地质状况、线形等的变化，也须即时调整，从而达到最好的施工效果。值得注意的是，在盾构掘进启动时，掘进速度要以较小的加速度递增，这样可以避免千斤顶起始推力过大的问题。在宜山路停车场区间隧道施工过程中，掘进总推力控制在10000KN左右，见表5。3.3.2.3 有针对性地选用同步注浆及二次注浆相结合地施工措施由于宜山路停车场区间隧道工程所采用的盾构机不能采用双液浆作为同步注浆施工，在该工程选择所采用的同步注浆浆液时，考虑了两个因素：一是

18、及时充分地填充管片外的环状空隙，避免地表沉降；二是提高浆液早期强度，抵抗侧向分力的影响。在实际施工过程中，采用了同步注浆（浆液为惰性浆）及二次注浆（浆液为双液浆）相结合的施工措施。1）同步注浆：在施工期间，随着盾构掘进，脱出盾尾的管片与土体间出现“建筑空隙”，即通过设在盾尾的压浆管予以同步充填浆液。同步注浆压注要根据施工情况、地质情况对压浆数量和压浆压力二者兼顾。一般情况下，每环压入量控制在“建筑空隙”的130-180（要注意急曲线隧道的注浆量要大于直线隧道注浆量），注浆压力约0.30.5Mpa。压浆速度和掘进保持同步，即在盾构掘进的同时进行注浆，掘进停止后，注浆也相应停止。施工时，加强对盾构

19、尾部地面的沉降监测，通过信息化施工，及时调整同步注浆量，确保地面不下沉，也不能出现过大的隆起。惰性浆液我们选用以下配比：表6(2） 二次注浆：为了减少惰性浆液早期强度低、隧道受侧向分力影响大的问题，在管片出盾尾56环后，通过管片注浆孔向管片外周进行二次注浆，来抵抗侧向分力。浆液为瞬凝性的具有较高的早期强度的双液浆。双液浆配比：见表7：表7施工技术要点：先将特制球阀作为防喷装置安装好，用冲击钻或凿子将预留孔疏通，随即关闭特制球阀（防止地下水或浆液渗漏），并将注浆管接在特制球阀上，以便注浆。二次注浆时根据监测情况调整注浆量和压力，注浆结束后，拆除注浆管，封闭孔口。二次注浆压力控制在0.3Mpa以下；注浆流量控制在1015L/min。在该工程中，通过二次注浆后，隧道的轴线基本稳定，未发生较明显的偏移。同时也解决了急曲线施工土体超挖多、扰动大，地表沉降大的问题。4施工效果在