盾构机掘进与管片拼装施工方案

南京地铁二号线TA04标盾构区间盾构掘进与管片拼装施工方案
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中铁三局南京地铁二号线TA04标项目经理部
二ОО七年二月
盾构施工在经过前100米的初始掘进后，就转入到正常掘进施工阶段。

一个完整的掘进循环，包括如下作业：盾构机设备系统的维护检查；盾构机掘进并出土；浆液运输和同步注浆；管片输送及拼装就位。

一、盾构掘进施工
1 盾构机设备系统的维护检查
在盾构机掘进之前，对盾构机进行维护检查工作，主要是清洁、润滑、检查、养修。

维修保养严格遵守说明书。

维护人员通过自诊断软件系统显示的信息分析出各机构的工作状态，进而有针对性的特别维护。

2 盾构机掘进与出土
2.1 盾构机正常掘进前的参数设定
在掘进之前，根据初始掘进的相关数据，在控制室的PC上进行设定。

具体设定项目如下：
1）输入推进参数
2）输入温度参数
3）输入压浆注入参数
4）输入刀盘参数
5）输入盾尾密封参数
6）输入铰接油缸参数
7）输入泡沫系统参数
8）输入土压和螺旋输送机参数
2.2 盾构机的操作顺序(启动、停机顺序)
2.2.1 盾构掘进启动顺序
1）启动通风系统
2）启动冷却水系统
3）启动滤清器系统
4）启动润滑系统
5）启动推进油泵
6）启动辅助系统油泵
7）启动主轴承润滑
8）启动刀盘1号、2号驱动油泵
9）启动螺旋输送机油泵
10）启动盾尾密封油脂
11）选择刀盘转速1或2，选择刀盘的旋转方向
12）启动皮带机
13）通过电位器启动刀盘（并确定转速）
14）打开螺旋输送机闸门（根据舱内土压而定）
15）选择推进模式
16）启动螺旋输送机
17）启动泡沫系统或膨润土系统（必要时）
2.2.2 盾构掘进停止顺序
1）停机顺序与开机顺序相反。

2）需要特别确认螺旋输送机闸门、泡沫系统或膨润土系统已关闭。

2.3 盾构机掘进
2.3.1姿态控制
1）应用VMT系统对盾构机姿态进行即时监控。

2）合理编组千斤顶，大体如下：
要将盾构向左转动，A组千斤顶伸长量要大于其它三组千斤顶。

要将盾构向右转动，C组千斤顶伸长量要大于其它三组千斤顶。

要将盾构向上转动，B组千斤顶伸长量要大于其它三组千斤顶。

要将盾构向下转动，D组千斤顶伸长量要大于其它三组千斤顶。

3）根据VMT显示的盾构机转动方向，调整盾构机刀盘的旋转方向：要将盾构机顺时针转动，刀盘应逆时针转动。

要将盾构机逆时针转动，刀盘应顺时针转动。

2.3.2 土压力控制
在盾构机正常掘进时应设置适宜的土压，并维持土压力稳定，保证正常掘进时附近的地表沉降控制在要求范围内。

本工程区间隧道上层土质自立性较差，容易被扰动，所以施工时的土压控制尤为重要。

施工时主要从以下几方面来控制：
1）螺旋输送机转数控制，最大为19rpm。

2）千斤顶推进速度控制，一般控制在2～4cm/min。

3）两者的组合控制。

4）取土量、超挖量的控制（每环理论方量为38.6m3）。

5）地面沉降监测数值。

掘进前，按照地质情况、水文情况、隧道的埋深测算出理论土压值，以理论土压值控制土仓内的压力，随着推进时产生的地面沉降、排土状况、刀盘扭距等情况及时修正土压值，做到信息化施工。

盾构司机要严格按照推进指令上的数据控制土压，发现问题，及时与技术部门联系。

2.3.3 正常掘进推力控制
盾构机正常掘进的推力主要由下述因素决定：盾构外周（盾壳外层板）和土体之间的摩擦阻力或粘附阻力、盾构正面阻力、管片和盾壳内侧钢板之间的摩擦阻力。

盾构司机应根据施工中具体情况合理控制掘进推力。

2.3.4 盾构千斤顶的推进速度及刀盘转速的控制
盾构千斤顶的推进速度及刀盘转速与盾构机的性能密切相关，同时也受工程地质及水文地质条件的影响。

始发伊始，对参数设定首先要依据理论计算值进行设定，在始发完成后的正常掘进阶段可对各种参数进行对比优化，调整推进速度与推力、刀盘转速与扭矩的关系式，定出推进速度和转速的范围。

2.3.5盾尾注浆压力分析与取值
盾尾注浆压力主要是受地层的水土压力的影响，注浆压力的设定以能填满管片与开挖土层的间隙为原则。

注浆压力的计算参考规范中的公式并在施工过程中通过测试和试验来确定和优化参数。

2.3.6泡沫添加剂的使用
泡沫添加剂可以改良土体，改变开挖面土体的各项性能，保证土仓内土压力的稳定性和出土的顺畅。

2.3.7盾构掘进轴线控制
为保证隧道轴线的方向，建立一套严密的人工测量和自动测量控制系统，严格控制测量的精度，合理布设洞内的测量控制点和导线，根据工程中的实际情况合理控制测量和复核的频率。

在直、曲线施工时采取如下措施：
1）直线段掘进施工
盾构掘进施工过程中的轴线控制是整个盾构施工过程中的一个关键环节，盾构在施工中大多数情况下不是沿着设计轴线掘进，而是在设计轴线的上、下、左、右方向上摆动，因此在盾构掘进中要采取一定的控制程序来控制隧道轴线的偏离。

在掘进过程中关键是要严格控制千斤顶的行程、油压，根据测量结果调整盾构机及管片的位置和姿态，按“勤纠偏、小纠偏”的原则，通过严格的计算合理选择和控制各千斤顶的行程量，从而使盾构和隧道轴线沿设计轴线在容许偏差范围内平缓推进。

切不可纠偏幅度过大，以控制隧道平面与高程偏差而引起的隧道轴线折角变化不超过0.4%。

2）曲线段掘进施工
由直线段进入缓和曲线段或圆曲线段时，应根据地层情况（其决定盾构机的转向难易程度）在直线段末端10～20m范围内提前转弯。

内转幅度可根据曲线半径和盾构机的转向性能综合确定，一般控制在20～30mm范围内；在本区间中，有三个曲线段，最小曲线半径为R=370m。

在小曲线半径施工时需要在技术上采取一定的措施，保证隧道中心线与设计轴线偏差在合理范围内。

施工中要特别注意以下事项：
①盾构掘进时，应尽量将盾构机的位置控制在施工设计曲线的内侧，这样有利于盾构机方向的控制和纠偏。

②在进入曲线之前不可通过在外侧超挖的手段来实现转弯施工，这样往往造成盾构机偏离出外侧曲线。

③在曲线段施工时，为保持设计曲线线形，要合理分区地使用千斤顶，在掘进时要尽量维持施工参数的平稳，要尽量利用盾构机本身能力进行纠偏。

④曲线段推进时，衬砌结构单侧偏压受力，因而容易造成衬砌结构变形，此时壁后充填注浆显得尤其重要。

3）盾构掘进穿越河沟对桩基影响范围内施工
在盾构近距离穿越桩基附近的过程中，一是充分掌握盾构掘进引起周围地层的变化情况；二是对桩基的结构现状进行充分的调查。

分析盾构施工对桩基的影响，从两个方面着手，即诱发因素和承受因素。

诱发因素主要是指由于盾构掘进施工而引起周围土层变化，包括土体原始位移应变场的重分布以及土体原始应力场的重分布，从而引起桩基受力条件变化的各种作用。

承受因素是指桩基本身的结构尺寸等条件而决定的桩基承受外力的能力。

当盾构近距离穿越桩基时，盾构土压力与一般条件下的土压力不同，应将桩基上部的建、构筑物形成地面超载进行折叠计算。

为确保桩基及建、构筑物的稳定，盾构施工前，在地面沿盾构推进方向设置沉降观测孔。

盾构推进时，根据地面沉降监测信息的反馈，精
确测定地层的变形与盾构机密封仓土压力设定值、盾构掘进速度、刀盘转速的实际值，并采用数理统计的原理，找出上述参数之间的关联，及时调整土压和出土量，从而科学合理地设置土压力值及相宜的推进速度等参数，同时可根据地面荷载的情况，重新计算土压平衡设定值，并根据地面隆陷值加以调整，使盾构匀速推进，防止超挖和欠挖，以减少对土体的扰动。

4）上下坡段掘进施工
对推进油缸实行分区操作（将全部推进油缸分为A、B、C、D四个区域），每组油缸设一电磁比例减压阀，用来调节该组推进油缸的工作压力，借此控制或纠正盾构掘进机的前进方向。

在每组推进油缸中，有一个油缸装有位移传感器，用于标示该区域的行程，从而显示整个盾构机的推进状态。

当上坡时,可以适当调节A区及C区油缸压力，即将C区油
2.3.8出土
1）工艺流程
2）出土注意事项
①出土时要严格控制推进速度和螺旋输送机的出土量，以保证开挖面及土仓的土压平衡。

②注意检查皮带机的皮带张紧力，如果松驰要及时进行调节。

③当发现土体状况不良时，可通过加入泡沫或膨润土来进行调节。

④土斗装土时密切关注摄像头的情况和土车满载/空载信息，以便及时停止螺旋输送机。

⑤在装土时，矿车可以稍前后移动一下，以便能装满整个土斗。

2.3.9掘进过程中的有关注意事项
1）盾构在掘进过程中应严格控制中线平面位置和高程，其允许偏差为±50mm。

发现偏离应逐步纠正，不得猛纠硬调。

2）掘进中开挖出的土体应填满土仓，并保持盾构掘进速度和出土量的平衡。

3）如果在掘进过程中，刀盘和螺旋输送机压力过高，或者土体不容易传送，可以注入膨润土。

注入膨润土溶液根据施工实际需要确定.
4）当掘进由于某种原因停止或结束时，也应停止膨润土溶液注入，以免浸泡土层，给掘进带来负面影响。

5）刀盘旋转方向取决于VMT显示的盾构机的偏转方向。

6）推进速度和螺旋输送机转速由盾构司机通过电位计控制。

这两者
之间应达到动态平衡，以保持相应稳定的土压力。

土压力是由地下水压力、土体性质和隧道覆土厚度决定的。

7）在掘进过程中要注意排除盾尾积水，防止浸泡管线和液压部件。

8）为防止地下水喷涌，螺旋输送机闸门在必要时可以充气关闭，以防止地下水通过盾构进入隧道；停电情况下可通过人工启动液压蓄能器，也能关闭闸门。

9）掘进中要经常查看铰接油缸的伸长量，避免长度差别太大。

10）盾构在掘进过程中必须保证正面土体稳定，并根据地质、线路平面、高程、坡度等条件，正确合理编组千斤顶。

11）遇到异常情况要及时停止掘进，待查清原因处理后再进行掘进。

12）要及时、准确填写各种掘进报表。

3 浆液运输和同步注浆
3.1 总体流程图
3.2 注浆液的生产与运输
盾构机在推进过程中，在盾构机尾部管片外壳与地层之间会形成一个环状间隙。

当盾构机在直线段掘进时，环状间隙宽度理论上均匀地沿管片外侧分布，且宽度为10cm。

当不论是在水平或者竖直曲线段，或者在使用超挖刀的时候，环状间隙都会发生变化，变得并不对称。

3.2.1浆液生产
1）注浆材料及浆液性能
①注浆材料
采用水泥砂浆作为同步注浆材料，该浆材具有结石率高、结石体强度高、耐久性好和能防止地下水的特点。

水泥采用32.5普通硅酸盐水泥，以提高注浆结石体的耐腐蚀性，使管片处在耐腐蚀注浆结石体的包裹内，减弱地下水对管片混凝土的腐蚀。

②浆液的性能
在施工中，根据地层条件、地下水情况及周边条件等，通过现场试验优化确定。

a、粘度：35-60s；
b、沉析率 :在2h内为5%；
c、结石强度：通常为12-15MPa
2）浆液生产
人工配合机械上料，强制搅拌机搅拌，搅拌时间不少于90s。

3.2.3注浆液的运输
1）将浆液装入竖井内的浆液车
浆液车挂在列车的前端、管片输送车的后面。

竖井内的工人应通知地面的浆液站泵送人员什么时候开始，什么时候停止泵送浆液。

竖井内的工人应检查浆液车内浆液的高度，确保罐车装满，同时避免罐车装得过多。

地下与地上此时应保证正常的通讯。

2）将浆液运送到隧道内
电瓶车带着装好浆液的罐车向前进入隧道，停在盾构1号车架下。

在此处，浆液罐车可以与电瓶车脱开。

在泵送浆液的时候，要采取措施防止罐车溜车，保障人员、设备的安全。

3）从浆液车将浆液泵送到盾构机
盾构机注浆操作手起动罐车上的电动泵，同时开始将传输泵的入口与罐车连接。

罐车内浆液被搅拌均匀，注浆操作手起动传输泵开始将浆液从罐车泵送到盾构机上的浆液罐内。

在浆液泵送期间，注浆操作手从浆液罐上方检查盾构机浆液罐内浆液高度。

注浆操作手必须记录输送过来的浆液的体积。

3.3 同步注浆
同步注浆的作用是在盾构推进过程中，管片与地层之间的间隙将随
着盾构推进不断地被浆液填充，以保证管片脱离盾尾时有一定的约束，同时也避免在地层不稳定时地层坍塌及增强防水和限制管片变形的作用。

3.3.1同步注浆的主要技术参数
为保证浆液能以稳定的压力及时填充空隙，注浆时的流量应根据推进的速度进行调节。

1）注浆压力
注浆压控制在2.0～4.0bar范围内。

考虑到水土压力的差别和防止管片大幅度下沉和浮起的需要，各点的注浆压力将不同，并保持合适的压差，以达到最佳效果。

在最初的压力设定时，下部每孔的压力比上部每孔的压力略大0.5～1.0bar。

2）注浆量
根据刀盘开挖直径和管片外径，可以按下式计算出一环管片的注浆量。

V=π/4×L×（D2-D22）=π/4×1.2×（6.42-6.22）=2.375m3/环
注浆量取环形间隙理论体积的1.2～1.5倍，则每环注浆量Q=2.85～3.56m3。

3）注浆时间和速度
在不同的地层中根据需不同凝结时间的浆液及掘进速度来具体控制注浆时间的长短。

做到“掘进、注浆同步，不注浆、不掘进”，通过控制同步注浆压力和注浆量双重标准来确定注浆时间。

注浆量或注浆压力达到设定值后才停止注浆，否则仍需补浆。

同步注浆速度与掘进速度匹配，按盾构完成一环掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度。

4）注浆结束标准及注浆效果检查
采用注浆压力和注浆量双指标控制标准，即当注浆压力达到设定值或注浆量达到设计值时，即可认为达到了质量要求。

注浆效果检查主要采用分析法，即根据压力-注浆量-时间曲线，结合管片、地表及周围建筑物量测结果进行综合评价。

对拱顶部分采用超声波探测法进行检查，对未满足要求的部位，进行补充注浆。

3.3.2同步注浆方式
1）手动模式
该模式主要在始发和到达时采用，也可以在特殊情况下采用，具体根据实际需要决定。

手动模式要从注浆控制面板上选择。

注浆时，注浆操作手选择从哪条管路注浆，然后启动注浆泵以开始注浆。

如果注浆操作手取消了某条管路的注浆，或者最高限制压力达到了5bar。

那么管路上的注浆将停止。

注浆操作手可以通过数字显示掌握注浆压力和注入的体积。

2）自动模式
这是通常采用的注浆模式。

这种模式由中央控制面板控制。

不达到设定的压力值和体积，浆液会不停地注入4条管线。

3）报表
盾构操作司机要在报表中记录4条管线的注浆冲程数和压力值。

3.3.3同步注浆后的检查及调整注浆参数
1）注浆后，管片间隙是否漏水。

如有漏水必要时进行注浆量的调整，加大注浆量，可将注浆量由120％~150％提高到150％~180％。

2）通过观测注浆后的地表沉降，来检查注浆效果。

如果地表下沉比较明显，则表明注浆压力不够或注浆不饱满，浆液的收缩性过大。

要及时在0.2～0.4MPa之间调整注浆压力，并监测注浆量，进行双项控制。

调整配合比，减小浆液的收缩性。

3.4停工的清洗程序
当最后一环管片的注浆完成时（或一班结束，周末，故障时），盾构注浆手将剩余的浆液泵入土斗，同时搅拌约200升膨润土浆液注入储浆
罐。

将膨润土浆液泵入4条注浆管路取代管路中的浆液，以避免堵管。

当浆液初凝以后，盾尾的4条管路应用带回转喷头的高压清洗机清洗。

3.5 注意事项
1）注浆装置根据压力控制注浆量的大小，但必须保证盾尾密封装置不被破坏，避免管片受到过大压力，对周围土层压力要尽量小。

2）注浆过程中，密切注意注浆系统的运行情况，注意冲程数和压力值的变化，由此判断是否堵管以及堵管的位置。

3）根据现场情况计算注浆量，并与实际注浆量相比较，分析注浆效果，及时调整注浆参数。

同时结合地面沉降观测结果，必要时采用二次补压浆措施。

4）为保证浆液能以稳定的压力及时填充空隙，注浆时的流量应根据推进的速度进行调节。

二管片输送及拼装
1 总体施工流程图
2 管片输送
2.1 管片准备
管片由力高构件公司堆放场地用汽车运输到车站管片存放场地，16T 龙门吊卸车，堆放高度不超过2块，管片之间的间距不小于1m，对管片进行外观检查，合格后按管片防水方案进行管片防水施工。

2.2 管片下井
管片通过16T龙门吊移位到45T龙门吊作业范围，45T龙门吊用吊带从竖井吊入，按拼装顺序放到管片车上。

2.3 管片运入隧道
电瓶车牵引管片车向前进入隧道，停在盾构1号车架内。

3 管片拼装
一环管片由6块按一定的顺序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，最后安装的管片块为封顶块。

3.1管片选择
在进行掘进之前，首先要进行管片选择。

掘进完毕，管片已按要求准备好。

在特定的情况下选择拼装何种形式的管片必须考虑多种因素。

选择管片，操作手必须了解盾构、已成环管片的姿态。

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
——拼装好的上一环管片外径与盾尾内径之间的间隙（盾尾间隙）——推进完成时推进油缸的伸长量
以上准备工作完成以后，可以选择下一环管片（系统可预测3~5环）。

3.2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，其中3块管片放在管片输送器上，其他3块在管片输送器后、台车轨道前放置。

首先用管片吊机将管片按拼装顺序从管片运输车上吊起，转90度移
动送至管片输送器上，管片输送器前行至管片拼装机下方，每次一片管片吊放到管片输送器上以后，管片输送器都会利用自身的顶升、平移系统将待拼装向前移动至拼装机能拿得到的范围。

具体操作步骤如下：
1）在管片吊装孔上拧上吊装螺栓。

2）管片吊车靠近并锁住吊装螺栓。

3）用管片吊车吊起管片，向管片输送器方向前进，
在离开1号台车后转90度。

4）到达管片输送器上方，管片吊车将管片放下。

5）重复以上步骤，吊运下一块管片。

6）升起管片输送器顶升油缸。

7）管片输送器将管片向前输送到管片准备拼装区域。

8）降下管片输送器顶升油缸。

9）收回管片输送板。

以上管片输送器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。

3.3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，即上一环管片外径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，管片拼装机一般按从下向上的次序安装管片。

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，封顶块搭接长度为700mm，径向推上，然后纵向插入成环。

拼装机尽量居中安装，以减少接缝出现错台，保证拼装质量。

管片就位后立即拼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压力，采取安装哪个部位的管片，就可以收回该部位的千斤顶。

管片定位好后，千斤顶立即顶紧该管片，其余千斤顶仍然维持顶紧管片面的工作状态。

这样可以避免工作面压力减少过多、盾构机后退。

具体的拼装顺序如下：
1）管片由管片输送器送到管片拼装机范围。

2）拼装机机械手靠近并锁住吊装螺栓。

3）将待拼装区域的千斤顶缩回。

4）用管片拼装机机械手抓住管片、提升、前移（推进方向），旋转并将管片放到待拼装的位置。

5）通过调整拼装机机械手的角度（6个自由度），可以将管片拼装达到要求范围之内。

伸出刚才缩回的千斤顶压紧该块管片并穿上
螺栓拧紧。

6）机械手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，准备拼装下一块管片。

吊装螺栓要卸下继续使用。

7）重复1-6步，直到把3个标准块和2个连接块拼装完毕。

8）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。

——测量并核对2块邻接块之间的间距是否与封顶块尺寸一致。

——为使封顶块插入顺利，拼装时先搭接700mm径向推上，然后再纵向插入。

——为避免管片损坏，在把封顶块完全插入之前，必要时将邻接块上的靠近封顶块的1~2个千斤顶松开。

9）管片拼装完毕之后，应测量千斤顶伸长量和盾尾间隙，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。

3.4管片拼装的注意事项
1）在拼装机带着管片旋转期间，在管片拼装机转动范围内不能有人。

2）值班工程师或盾构操作手应在管片拼装前、后测量管片的盾尾间隙。

3）各管片之间的环向接缝通过拼装机旋转的动作挤紧。

4）纵向接缝通过千斤顶的顶力挤紧。

3.5管片的选型
在标准环缺乏，左、右转弯环多出时，还可以用左、右转弯环组合成标准环使用。

但这种情况宜在直线段采用，不宜在曲线段采用。

圆曲线及缓和曲线采用转弯环和标准环组合拟合，曲线半径越小，转弯环的比例越大，通过调整转弯环和标准环的组合比例及转弯环内封顶块的位置，可以有效地拟合不同特点的曲线。

3.6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错台。

隧道的转动量要密切注意，特殊情况时可改变管片拼装顺序、控制盾构偏转等措施。

4 管片拼装质量控制
4.1拼装技术
本工程区间管片拼装方式采用错缝拼装方式。

1）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、坡度均要求严格控制。

2）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、直径都要保证满足设计要求的质量标准。