盾构施工相关知识介绍

盾构施工相关知识
1、盾构施工概念、发展历史及现状
盾构：是主要用来开挖土砂围岩的隧道机械，由切口环、支承环、及盾尾三部分组成。

盾构法：用盾构一边防止土砂的坍塌，一边进行开挖推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止土砂崩溃进行隧道施工，并在盾尾进行衬砌作业从而修建隧道的方法。

发展历史：18世纪末，英国人提出在化敦地下修建横贯泰晤士河隧道的构想，并对具体的掘削工法和使用机械等问题做了讨论。

1818年Brunel观察小虫腐蚀木船底板成洞的经过，从而得到启示，在此基础上提出的盾构工法。

采用此工法横穿泰晤士河的隧道工程于1825动工，隧道长458m，断面为11.4mX6.8m 的方型。

隧道于1841年贯通。

而圆型断面隧道盾构出现在1869年建造横穿泰晤士河的第二条隧道。

19世纪末到20世纪中叶，盾构工法传到许多国家，并得到不同程度的发展。

20世纪60~80年代，盾构工法继续发展完善，成绩显著。

1990~2003年这一段时间里盾构工法的技术进步极为显著，并有以下特点：盾构隧道长距离化、大直径化：日本东京湾隧道直径为14.14m，长度15.1Km 盾构断面的多样化：方型、圆型、双圆型、马蹄型
施工自动化：自动导向系统、PLC控制系统、远程信息传输系统
技术现状：
完善近年推出的新工法、新工艺的技术细节，使之提高并达到成熟，加速盾构工法的自动化进程。

为适应大深度、高地下水压、大口径化、长距离化、施工自动化、施工高速化、断面多样化等需求，开发新概念的工法、工艺、材料、管理系统。

盾构机的类型：
根据不同的地质条件，盾构分为以下类型：
闭胸式盾构：是用泥土加压或泥水加压来抵抗开挖面的土压力和水压力以维持开
挖面的稳定性，通常包括：
泥水式平衡盾构：适合于在河底、海底等高压水压力条件隧道的施工。

土压平衡盾构：适用于含水量与粒度适中的土层，适用范围广泛。

敞开式盾构：以开挖面自立为前提，通常包括：
手掘式盾构：开挖面暴露，可以自立稳定，以盾壳为支护条件，采用人工开挖。

半机械掘进盾构：开挖面暴露，可以自立稳定，以盾壳为支护条件，采用人工配合机械开挖。

机械掘削式盾构：开挖面暴露，开挖面自稳定，以盾壳为支护条件，采用机械开挖。

网格式盾构：挤入掘进方式，适用于冲积形成的粉质砂土层。

2、盾构施工中的主要施工参数
盾构施工中，主要涉及的施工参数为：推力、刀盘扭矩、土仓压力、推进速度、注浆量及压力、盾尾密封、发泡济用量等
推力：F=0.25πD2P j D-盾构机外径P j-单位面积上的经验推力，取值为700~1300Mpa
刀盘扭矩：T e=αD3确良D-盾构机外径α-扭矩系数，（土压式：α=14~23KN/m2；泥水式：α=9~18KN/m2；敞开式：α=8~15KN/m2 土仓压力：受地下土压力、地下水压力、调整压力影响
即：σ
土仓=σ
土压力
+σ
水压力
+σ
调整
深埋隧道土压力（≥12m）：
静止土压力：σz=k0rz
主动土压力：σa=k0
被动土压力：σp=k0rz+2c kp
c-土的粘聚力；φ-土的内摩擦角；ka=tan2(45°-
2
ö) r-土体比重
水压力：
σw
刀盘前=qrh q水压力系数，砂性土取0.8~1.0，粘性土中取0.3~0.5
(盾尾水压力：σw 盾尾后=q 砂浆rh ， 砂浆的渗透系数q 砂浆取值为0.5~1.0
施工调整压力：σ调整为10~20Kpa 。

注浆压力控制：背后注浆的最佳期注入时期，应在盾构推进的的是时时行注入或者推进后立即光洁度入，注入的宗旨是必须保证尾隙完全填充。

地层的土质条件是确定注入工法的先决条件，对易坍塌的砂质土，含粘性土少的帮派，必须在尾隙产生的同进对其进行背后注浆。

在地层土质坚固、尾隙维持时间较长的情况下，可以短时滞后。

注浆的几种形式：同步注浆、后方注入式（管片注浆）
注浆压力：通常先用的值为地层压力强度与光洁度注入条件（浆液的性质、喷出量及注入工法等）决定的附加项的和、一般为0.2~0.4Mpa ，注浆压力较高时，应谨慎，砼管片，当浆压力大于0.4Mpa 时，K 块管片的螺栓易剪断。

注入量：Q=4
π[D 12-D 22]m а m —盾构机推进长度存 а—充填系数，通常为1.35~2.15 D1、D2分别为管片内外径
发泡剂使用：
为解决砂性土的塑流，在开挖土仓中注入泡沫并充分搅拌，改变土的成分，以保证土的流动性和减少土的透水性，使开挖面保持稳定。

同时加注泡沫还可减少刀盘与土体的摩擦，降低扭矩，减少壳体与刀盘上粘土的粘着力，有利于排土机构出土，所需的驱动功率就可减少。

泡沫的发泡原理和工艺流程：
发泡原理：发泡系统由泡沫发生器、空压机、储料罐和各种管道泵组成，将发泡剂、聚合物与水混合后，人压缩空气将液体膨胀产生泡沫，通过刀盘上的4个性人口注人开挖仓内。

泡沫制造工艺流程见下图：
泡沫的膨胀率和注入比：
(1)泡沫的膨胀率(FER)：FER=(液体的流速1／mm)：(空气的流速1／mm)；FER越大说明泡沫越“稀”或越“湿”，—般取值在1：6～1：15之间。

(2)泡沫的注入比(FIR)：FIR=(泡沫加注速率)／(土壤的开挖速率)x100％；—般取值在40％～100％之间。

泡沫剂用量、FER、FIR是泡沫系统的三个重要参数。

盾尾密封：
盾尾密封是为了防止地层的土砂、地下水、背后注入浆液、开挖面上的泥水从盾尾间隙流入的装置，通常采用钢丝刷、或尿烷橡胶。

尾刷一般为三道，高压地下水时，设为四道。

为使盾尾有较好的密封效果，始发阶段，采用人工涂抹粘度较高的密封油脂，施工阶段，采用油脂泵分四个点位注入。

注意事项：盾尾的密封受盾尾油脂的注入量影响外，还与盾构机的姿态、管片背面注浆填充程度也有一定的关系。

施工中，通常会因以下原因而导致盾尾渗漏。

管片变形：管片拼装后要求形成一个标准的圆,管片之间采用错缝拼装,但由于操作不熟练而往往拼装成椭圆形,实际施工中由于自重等因素影响,横向椭圆较为多见,这就增大了管片之间止水条外缘纵缝的宽度(理论设计值为6mm),实际在管片拼装过程中将出现两腰的管环之间的外缘纵缝开口度d>6mm,上下部纵缝d<6mm。

管片错台：由于管片拼装操作不熟练,造成管片错台严重,特别是在纵缝错台产生后,使得盾尾刷无法紧密包裹整环管片,很易形成渗水通道,虽然盾构推进时盾尾仓内有盾尾油脂填充纵缝,但在较高的注浆压力和泥水压力等作用下,极有可能将油脂冲脱而击穿盾尾刷,造成管片渗漏。

管片碎裂：在轴心线未产生较大偏差的状态下,组装工艺不合理或野蛮施工,K块管片安装时没有足够的空间,采用盾构千斤顶强行顶进,造成相邻管片外壁处(尤其螺栓孔、角根部)在千斤顶高压状态下顶裂或破碎,而带进盾尾舱,损坏盾尾刷,形成渗水通道而造成漏浆。

防治措施：
①加强拼装施工培训,提高拼装人员的技术水平,要求管片不拼成椭圆形,且一环管片安装后必须使用整圆器进行整圆,以减少椭圆和纵缝、环缝错台的现象。

②在每次管片安装前,应清除盾体内的渣土,避免安装管片时难以对位,造成错台现象。

③封顶K块拼装前,必须调整好开口尺寸,使封顶块能顺利插入到位。

④管片构造可减小管环纵缝沿止水条外缘的构造缝宽度和高度(原设计分别为33.2mm和6mm),建议高度<20mm,以减少渗漏水力通道。

注浆压力局部升高：
盾构机在掘进过程中,由于操作人员技术不熟练或双液浆配比不合理,使浆液凝固时间过短,造成浆液不能充分填充管片后空隙,而是堆积在注浆口附近,造成注浆通道受限制,后续浆液压力(一般控制在切口压力+(0.6~1.0)kg)必然剧增,当浆液压力高于盾尾刷和油脂的抗压力时,就会击穿盾尾刷和油脂衬背而造成窜浆。

因此在施工中必须严格控制双液浆的配比,经常进行试验和现场抽检,确保其凝固时间为12～14s,另在注浆压力剧增时应立即停止注浆,查明原因或者更换孔位后再进行注浆。

盾尾密封损坏
其原因如下:①盾尾刷密封装置受偏心管片过度挤压后产生塑性变形而失去弹性,密封性能下降,在压力作用下导致浆液渗漏;②泥水盾构停止掘进时,土舱内有泥水的压力作用,管片组装时很易导致盾尾后退,造成盾尾刷与管片间发生刷毛方向相反的运动,使刷毛反卷,盾尾刷变形,密封性能下降而造成渗漏。

防治措施包括:①严格控制盾构推进的纠偏量,尽量使管片四周的盾尾间隙均
匀一致,减轻管片对盾尾刷的挤压程度;②控制盾构姿态,严格控制管片组装时的千斤顶伸缩量,避免盾构产生后退;③在条件允许的情况下,可更换第3道即最里面一道盾尾刷,以保证盾尾刷的密封性。

3、管片选型与拼装
线路特征、推进千斤顶的行程差、盾尾间隙、
管片选型、管片拼装
4、隧道防水施工
隧道防水及防蚀
防水标准：区间隧道及连接通道等附属的隧道结构防水等级应为二级，顶部不允许滴漏，每昼夜任意100m2渗水量≤10L，结构侧面可有少量湿渍。

总湿渍面积不应大于总防水面积的2/1000；任意100m2防水面积上的湿渍不超过2处，单个湿渍面积不大于0.2m2，衬砌接头不允许漏泥砂和滴漏，拱底在嵌缝作业后不允许有渗水。

隧道接头间隙注浆(水平注浆)两种属壁后注浆；即压至土层，于衬砌外背堵止渗漏通道，其它几种主要是注入环、纵缝和螺孔间隙，堵漏止水。

前两种难度较高，多用于严重渗漏时。

结构自防水及防蚀
① 结构自防水是本，应采取有效措施增强混凝土抗渗、抗裂性，减小地下水对混凝土的渗透性。

防水混凝土抗渗等级，应根据工程埋深，按《地下工程防水技术规范》(GB50108-2001)确定。

盾构管片的抗渗等级不小于1 9 MP。

② 防水混凝土的保护层厚度、裂缝宽度、最小衬砌厚度，应满足《地下工程防水技术规范》中的有关规定。

接缝及孔洞防水
◆管片间纵、环缝必须采用耐久性好、性能优良的防水弹性密封垫。

一般
至少有l-2道框形弹性密封垫和内侧嵌缝两道防水措施，根据地质条件及地层透水量，必要时可在衬砌中部加设注浆孔，作为补救防水措施。

◆盾构出洞时，为防止泥沙及水的涌人，需设置帘布橡胶圈。

帘布橡胶由
模具分块压制，然后连成一整框。

◆嵌缝范围：进出洞20-30m，联络通道两侧各10m处衬砌环段进行整环嵌
填，其余区段则在拱顶45°范围和拱底90°范围内嵌填。

嵌缝材料可采用与基层黏结性好的材料。

如氯丁胶乳水泥或其它半柔性聚合砂浆。

◆螺栓孔宜采用氯丁胶与遇水膨胀橡胶复合的密封圈进行密封，并对螺栓
采用混凝土填实保护或涂刷防锈材料。

◆吊装孔在管片安装就位后，必须用密封材料进行密封处理。

二次注浆：一次注入中未填充到的部份的完全填充；一次注入浆液的体积缩减部分的补充注入；为了提高结构的抗渗透效果，注入材料为水泥浆与水玻璃盾构施工隧道常见通病及预防：
管片出现错台漏水、管片姿态超限、注浆不饱满、管片选型不合理，造成管理脱离盾尾时错台（详见管片相片）
盾构施工中地面变形控制与沿线建（构）筑物保护
5、地面变形控制
土体变形的影响因素：掘削面土体受到挤压、超挖，盾壳前移时带到土体移位，注浆压力和充填不足或过量
土体变形分为5个阶段：
盾构到达前（3~20m）：盾构掘进引起地下水位降低从而产生影响
盾构到达（0~3m）：土仓内土压过大、推力较大、出土量小于理论出土量时，产生隆起；土仓内土压值较小，推力小，出土量大于理论出土量时地面会产生沉降。

盾构通过时：盾构超挖，纠偏引起蛇行
盾尾通过（0~5m）：注浆量偏差引起
后续沉降：盾构施工扰到土体后，土体重新固结产生的变形
变形范围：
横向：粘性土：D+htan45°；砂性土：D/4+hcot60°
沿线建筑物保护：
采取必要的监测和必要的加固保护技术措施。

施工监测：沉降、倾斜、裂缝监测
地基土体监测：土体变形、水土压力监测
盾构施工参数监测：盾构推力、出土率、注浆充填率、盾构机姿态
6、邻近施工的技术措施
对建筑物进行加固（结构加固、基础托换）对施工参数时行控制
建筑物基础加固措施：
加固盾构周围的土体，防止土体扰动、控制盾构上部地层的变形。

隔离因盾构掘进而引起的地基变形，可在建筑物与盾构之间施工隔离帷幕排桩。

加固建筑特的地基，提高地基强度和承载力，控制沉降。

（通常采用注浆加固、搅拌村、旋喷桩等加固方法）
直接保护法：基础手托换法、承压板法
间接保护法：地层加固法、截止法、管排保护法
7、长距离、大埋深盾构隧道施工中易出现的问题及对策
运输、尾刷磨损、盾尾渗漏、通风、排水、
盾构施工中其全辅助施工法
稳定地层、沿线建筑物保、压气盾构、降低地下水、注浆施工法、高压喷射搅拌工法，冻结法
8、隧道内设备维护及文明施工管理
设备的正常维护、修理、工作清洁、轨道铺设、走道板铺设、隧道照明、隧道通风、运输机车的维护使用，等等看似细节，却对施工有一定程度的影响。