复合式盾构施工

复合式盾构的掘进施工
盾构法一般适应于比较均一的软土、软岩地层或砂层及其互层，其掘进方式及掘进模式相对简单单一、掘进参数相对稳定、因此其技术也比较简单；但在软硬不均、变化频繁、复合交互，且岩石强度差异大的地层中应用盾构法修建城市地铁隧道就复杂得多。

在此环境下，对复合式盾构施工技术的研究就显得尤为重要。

现将复合式盾构在硬岩及软硬不均地层中，掘进模式分为敞开式、半敞开式或土压平衡模式掘进，且各种掘进模式能够进行快速转换。

1掘进模式简介
1.1敞开式掘进模式
盾构机切削下来的渣土进入土仓后即被螺旋输送机排出，土仓内仅有极少量的渣土，土仓基本处于清空状态，掘进中刀盘和螺旋输送机所受反扭矩较小。

由于土仓内无压力，所以不能支撑开挖面地层和防止地下水渗入，该模式适用于能够自稳、地下水少的地层。

1.2半敞开掘进模式
半敞开式又称为局部气压模式。

掘进中土仓内的渣土未充满土仓，尚有一定的空间，通过盾构保压系统向土仓内输入压缩空气与渣土共同支撑开挖面和防止地下水渗入。

该掘进模式适用于具有一定自稳能力和地下水压力不太高的地层，其防止地下水渗入的效果主要取决于压缩空气的压力。

1.3土压平衡模式
土压平衡模式是将刀盘切削下来的渣土充满土仓，通过推进操作产
生与掌子面土压力和水压力相平衡的土仓压力来稳定掌子面地层和防止地下水的渗入。

该模式主要通过控制盾构推进速度和螺旋输送机的排土量来产生压力，并通过测量土仓内的土压力来随时调整盾构推进速度和螺旋输送机的转速，控制出渣量。

该掘进模式适用于不能自稳的软土和富水地层。

2不同掘进模式的掘进参数选择
根据不同地段的工程水文地质情况，确定掘进推力（P）、掘进扭矩（T）、刀盘转速（R）以及由此控制的掘进速度（V），确定满足掘进速度下的螺旋输送机的转速（r）、注浆速度（q）和注浆压力（P）等掘进参数。

在施工期间，对掘进参数进行动态管理，结合地面监测反馈信息及时进行分析总结，再对掘进参数进行优化。

2.1 稳定地层的盾构掘进参数
在稳定地层中盾构掘进可采用敞开式。

为控制因地下水的流失造成较大的地表沉降，有时要建立局部气压，这时则采用半敞开式模式掘进。

⑴主要掘进参数的选择
推力的大小决定刀具的贯入度，推力越大，刀具的贯入度越大，刀刃间破裂的岩块就大。

刀具的贯入度不宜大于15mm，推力800～1200t。

对于脆性岩石（如花岗岩、砾质砂岩、大理石等）高转速破岩更为有利，刀盘转速一般为3～5rpm，而对于韧性岩石（如页岩、粉质砂岩等）刀盘转速不宜太高，刀盘转速一般为2～3rpm。

在中等风化岩、微风化岩地层施工中，采用的刀盘转速为1.8～2.6rpm，扭矩为300～400t.m左右，掘进速度可达到20～30mm/min。

在工作面能够自稳，但节理裂隙发育而地下水不丰富的不均质岩层中掘进，一般采用较低的转速和较大的贯入度。

在泥质、粉质砂岩中，如节理裂隙较发育，掘进时刀盘转速宜控制在1.0～1.5rpm，推力可达到800～1000t，掘进扭矩可维持在400t.m左右，掘进速度可达到30～40mm/min。

在节理裂隙发育的岩层中掘进，如果地下水比较丰富，此时应采用半敞开模式掘进或土压模式掘进。

半敞开模式的掘进参数中，渣仓内压力依据地下水压而确定。

在隧道上覆岩土层厚度大于9m、地下水位位于地表以下1.0～2.0m时，上部压力一般为1.2～1.5bar，推力调整为1000～1300t，其它掘进参数如扭矩、刀盘转速、排渣速度、注浆压力与此类地层中敞开式掘进一样。

⑵螺旋输送机转速
在敞开模式掘进中，螺旋输送机的转速的调节是依据掘进速度和渣仓内压力传感器显示的压力进行调整。

在半敞开模式掘进中，螺旋输送机的转速的调节也是依据掘进速度和渣仓内压力传感器显示的压力进行调整，主要是要达到与掘进速度相匹配的出渣速度，同时要保证螺旋输送机出料口处不发生喷涌现象。

⑶同步注浆参数
同步注浆的主要作用是尽早充填管片与围岩间的间隙，确保管片环获得早期稳定，改善管片环的受力条件，防止管片局部破损，有利于盾构掘进方向的控制。

在稳定岩层中，盾构施工同步注浆的注浆压力控制在2.0～2.5kg/cm2。

为了保证注浆的连续性，每环掘进前期的注浆压力宜
稍低一点，后期注浆压力再提高到设计压力值。

同步注浆的速度q（L/min）应与盾构掘进速度相匹配。

如盾构开挖直径为 6.3m，管片环的外径为6.0m，在稳定地层的每延米环形间隙注浆量为3.5m3/m，由此可根据盾构掘进速度确定同步注浆的速度。

2.2不稳定地层的盾构掘进参数
⑴主要掘进参数
在不稳定地层中掘进，必须采用土压平衡模式掘进。

该模式的掘进参数关键是渣仓内土压力值的确定。

掘进推力的确定主要取决于破岩方式以及为稳定地层所需的土压力。

在越三盾构工程中，不稳定地层掘进建立的土压力为1.6～2.2 kg/cm2，掘进推力约为1200～1600t之间。

不稳定地层掘进的扭矩约为320～412t.m，刀盘的转速为 1.6～2.2rpm，在实际施工过程中需要进行不断调整。

在不稳定地层中盾构掘进的扭矩与转速的关系和在稳定地层中掘进一样，只能通过不断地调整刀盘转速达到使驱动扭矩满足掘进要求。

⑵渣土改良
渣土管理是土压平衡掘进模式的关键管理要素。

在掘进过程中，必须经常检查掘进速度与螺旋输送机出渣速度是否匹配。

在土压平衡模式掘进中，渣土的性状（流动性和止水性）对盾构掘进影响很大，掘进中必须使用泡沫剂进行渣土改良，防止刀盘前方和渣仓内形成泥饼。

每延米掘进的泡沫剂消耗量为24L/m。

其中：在中等风化岩、微风化岩地层掘进时泡沫剂的消耗量稍低，约为18L/m；在残积土硬塑层、全风化岩、强风化岩地层的泡沫消耗量约为28L/m。

渣土稠度小于8cm时会形成泥
饼。

渣土稠度控制在12～20cm时出渣效率较高，渣土稠度大于25cm时容易产生喷涌现象。

⑶同步注浆
在不稳定地层中的掘进施工，壁后注浆的质量对盾构隧道的影响较大。

施工中采用非惰性浆液同步注浆技术，浆液为水泥砂浆，并掺加了粉煤灰和稳定剂等材料。

浆液初凝时间在4～8小时内可调，终凝强度大于5Mpa。

为了防止过大的注浆压力造成管片局部错台和损坏，非惰性水泥系砂浆的同步注浆压力不宜大于5 kg/cm2，注浆压力一般控制在2～3 kg/cm2。

在管片安装过程中，为保持注浆管路的畅通，可以适当地提高注浆压力，但注浆压力不得超过4 kg/cm2，由此可以保证注浆量不低于理论量的1.3倍。

施工证明，采用上述参数进行非惰性浆液同步注浆对抑制地层下沉效果明显。

2.3 软硬交错（互层）地层的盾构掘进参数
在软硬互层地层中施工掘进参数变化较大，必须控制转速、适时地调整掘进推力。

为了防止刀盘振动和刀具受力的过大波动，一般宜采用较低的转速1.0rpm左右，且贯入度不宜超过5mm。

3掘进模式的转换
3.1 敞开模式与半敞开模式的相互转换
敞开式向半敞开式转换主要要确保渣仓内能够保住气压，确保压缩空气不会通过渣土沿着螺旋输送机逃逸。

渣仓内的渣土高度应高出螺旋输送机进料口的上部2～3m，即渣土高度应略为低于人仓密闭门的底部。

掘进中需要不断地向渣仓内补充压缩空气，以稳定土仓压力。

半敞开模式向敞开模式转换主要是要尽快地降低渣仓内的压力，同时降低渣仓内的渣土高度。

因此，要加大螺旋输送机的转速，并将螺旋输送机出料口的开启度加大，以利于渣土的排出。

即使是在敞开模式下掘进，也应在渣仓内保留一些渣土，否则螺旋输送机的出渣效率极低，通常应保持渣仓内的渣土高出螺旋输送机进料口约1m的高度。

3.2 敞开模式与土压平衡模式的相互转换
敞开掘进模式向土压掘进模式转换的过程主要是要尽快建立所需的土压。

一般先停止螺旋输送机出渣，使掘进切削下来的渣土尽快填充敞开模式掘进时渣仓内的空间，并使渣仓内的渣土受到挤压而形成土压支撑工作面，以保持工作面及地层的稳定。

当渣仓内的土压达到掘进设计土压值后，再开启螺旋输送机进行排土出渣，并使出渣速度与土压掘进模式的掘进速度所切削下来的渣土量相平衡，以保持土压的稳定。

土压平衡掘进模式向敞开掘进模式转换的关键是尽快降低渣仓内的土压力。

主要技术措施为加大螺旋输送机的转速，以加大出渣速度而降低渣仓内的压力，同时有利于掘进切削下来的渣土能顺利地进入渣仓。

3.3 半敞开模式与土压平衡模式的相互转换
半敞开掘进模式向土压平衡掘进模式转换的主要目的是防止地下水渗入渣仓。

在地层不稳定时，要提供足够的平衡压力，必须将渣仓内压缩空气所占住的空间用渣土替换。

转换过程中，减小螺旋输送机的出渣速度，用增加的渣土来加大渣仓内的压力，使渣仓内的空气以逃逸的方式进入地层，从而建立土压平衡掘进模式。

模式转换中如果发生喷涌现象，必须注意控制出料口的开启度，同时协调好螺旋输送机的转速，必
要时可以停止螺旋输送机的转动进行掘进。

土压平衡模式向半敞开模式转换主要是将压缩空气置换出渣仓上部的渣土，一般是缓慢加大螺旋输送机的转速以加大出渣速度，从而降低渣仓内渣土的高度。

同时，向渣仓内注入压缩空气，以使渣仓内的最小压力不低于设计值，在空气与渣土的置换过程中，出渣速度要与掘进速度所切削下来的渣土量和注入压缩空气的量之和相匹配。

4、方向的控制与调整
4.1 采用VMT隧道自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测
该系统配置了导向、自动定位、掘进程序软件和显示器等，能够适时显示盾构机当前位置与隧道设计轴线的偏差以及趋势。

随着盾构推进，导向系统的测量仪器及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，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。

4.2 采用分区调整盾构推进油缸推力来控制盾构掘进方向
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。

但每环掘进时对盾构竖直和水平方向姿态的调整量不得超过6mm，以避免管片受力不均匀而产生错台。

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，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。