28-盾构始发施工技术概论

3-2-28盾构始发（含试掘进）施工技术
1.前言
1.1概述
盾构始发是指在盾构机组装完成后,放置在符合设计轴线的基座上,具备掘进、管片安装、背衬注浆条件,利用负环管片、反力架等承受反作用力的设备,将盾构机贯入出洞口进入地层沿所定线路向前推进,直至盾构机完全进入隧道，拆除洞口负环管片、反力架等辅助设施的一系列作业。

由于在始发阶段存在以下几种特殊情况：
（1）始发推进前需凿除车站的围护结构（主要是处理钢筋砼结构），凿除围护结构后的土体在一定的时间段内必须保持自稳，不能有水土流失；
（2）始发阶段盾构机主体在始发导轨上不能进行调向；
（3）始发阶段的姿态及地面沉降控制比正常推进阶段更困难；
（4）始发期间一些设备如管片小车、管片吊机，包括出渣都不能正常使用。

有时也会存在盾构机因为车站结构的原因而不能整机始发。

综上所述，盾构在初始阶段的施工难度很大。

因此，盾构隧道始发技术是盾构法施工技术的关键，也是盾构施工成败的一个标志，必须要全力做好。

同时还应确保盾构连续正常地从非土压平衡工况过渡到土压平衡工况，以达到控制地面沉降，保证工程质量等目的。

1.2适用范围
适用于土压平衡式盾构机始发段施工。

2.盾构始发（含试掘进）施工工艺
2.1盾构始发施工工艺流程图
盾构始发施工工艺流程如图2-1所示
图2-1 盾构始发施工工艺流程图
2.2洞门结构形式选择
2.2.1洞门结构形式选择原则
盾构进出洞施工中要确保洞口暴露后正面土体的稳定，必须对洞口状况进行调查，然后采取有效的技术措施，使洞口处的土体不流失、不坍塌。

工作井一般用沉井法施工，但建筑物密集地区或大型结构的工作井是采用地下连续墙、钻孔灌注桩、SMW工法等建造的，围护结构的不同，洞口的封门形式也不同。

洞口的封闭方法与盾构出洞口是否方便、安全、可靠的关系极大。

2.2.2常见洞门结构形式
（1）外封门
当工作井采用沉井法施工时，洞门封门一般采用钢板桩（常用槽钢组合），一种方法是在沉井下沉施工时，将封门安装在洞门（封门板桩与沉井洞口的固定连接均设于井内的洞圈内，出洞施工时要能方便拆除)然后与沉井一起下沉到位,封门安置要牢固，不应在沉井施工时遭到破坏；另一种方法是待沉井下沉井到位后再紧贴井处壁打入封门板桩，但沉井预留洞口在沉井下沉沉施工时须临时封闭，待洞门板桩打入后再拆除临时封闭。

盾构出洞时先进入井壁洞圈内，安装好推进施工时的洞口密封装置，然后拔除封门板桩，盾构出洞。

外封门形式一般用于出洞施工,其因受到钢板桩长度、构造及拔桩等影响，当洞口埋深较深时不宜采用。

（2）内封门
盾构进洞的封门一般采用内封门形式。

封门可用型钢组合（有竖封门及横封门两种形式），固定在井内壁洞口处（在沉井下沉施工时，洞圈内用粘土填封密实），当盾构最前端离封50mm停止推进
施工，拆除封门，尽快将盾构推入并内的接收基座上，并及时封堵管片与洞圈之间的空隙，防止泥水从间隙处渗漏。

当洞口埋深较深、洞口处土质较好，自立性能强或洞口土体进行加固处理，内封闭形式，也可用于出洞施工中，但洞圈内必须用粘土夯填密实，使洞圈内土体起到一个土塞作用，用以平衡井外的侧向压力。

（3）特殊封门（井内外封门）
当工程埋深深、井外砂性土渗透系数大、地下水位高、要平衡地下水压力较为困难时，则盾构出洞时可采用另一种“外”封门形式，即在井内筑一定长度的筒套（采用钢筋混凝土在结构或钢结构），内径与井壁预留洞口相同，筒套与井壁连成一体，筒套后端设有密封装置，进入筒套与井壁内面间有密排竖向钢板桩封闭洞口，沉井下沉前在井壁洞圈内填粘土，盾构先进入筒套内）。

出洞施工时，逐根拔除钢板桩，每拔除1根，须及时封住上开口。

1）盾构出洞前已建立正面平衡体系，在出洞过程中能较好地控制正面平衡压力，使洞口外土体流失能控制在允许范围内，有效地保护环境；
2）井壁洞口内及筒内均用粘土填充，土塞效应长度大，洞口间隙密封效果好，土体不易流失；
3）洞口封门板桩由于设在井内，板桩长度略大于洞口直径，只需用推进施工用的行车即可方便、迅速拔除，不需另行配置大型设备；
4）通套构造设计时，考虑了出洞时可能够出现的问题，降低了施工难度。

（4）SMW工法施工洞口封门
当工作井采用围护开挖施工工艺时，可在工作井出洞处用SMW工法作结构施工围护，在进出洞施工时，先拔除SMW桩内的H型钢，利用掘进设备刀盘切削SMW桩的水泥土，逐步完成进出洞施工。

（5）地下连续墙施工洞口封门
当工作井采用地下连续墙围护，在进出洞施工时，先行凿除地下连续墙，逐步完成进出洞施工。

所谓地下连续墙的施工方法，即在地面上用一种特殊的挖槽设备，沿着工程周边（地下结构的边墙），开挖一定槽段长的沟槽，并用泥浆来支护槽壁土体，然后将预制好的钢筋笼（钢筋骨架），放入槽内。

采用导臂在充满稳定液体的沟槽内进行混凝土浇筑。

混凝土是由沟底逆向上筑高，直至充满沟槽，即在浇捣施工时稳定泥浆置换出来。

相邻的槽段由特殊街头连接，这样把分段的槽壁连成一整体成为埋于地下的一条钢筋混凝土墙。

（6）钻孔灌注桩施工洞口封门
隧道工作井洞门前方土体围护也可采用钻孔灌注桩施工，在进出洞施工时，先行凿除钻孔灌注桩，逐步完成进出洞施工。

2.3盾构端头地基加固
2.3.1盾构端头地基加固要求
盾构进出洞时需采取土体稳定措施。

洞门外土体能稳定自立相当长一段时间后，可安全拆除封门，盾构即可进出洞，但在施工时必须对加固处理后的土体实际性能作检测，确认其达到施工所规定的要求，方可拆洞口封门。

当前常用的土体稳定技术有SMW工法，高压旋喷桩、深层搅拌桩、降水法、分层注浆法、冻结法等。

2.3.2常见盾构端头地基加固技术
深层搅拌桩:利用深层搅拌机机械，用水泥作为固化剂与地基土进行原位的强制粉粹拌和,待固化后形成不同形状的桩、墙体或块体等。

其计算理论按重力坝式刚性挡土墙计算，同时按刚性挡土墙计算方法验算变形。

高压旋喷桩高压旋喷桩法有单管法、二重管法、三重管法以及今年出现的多重管法。

它在地基加固、提高地基承载力、改善土质进行护壁、挡土、隔水等方面起到了很好的作用。

利用工程钻机钻孔到设计深度，将一定压力的水泥浆液和空气，通过其端部侧面的特殊喷嘴同时喷射，并强制与喷射出来的浆液混合，胶结硬化。

喷射的同时，旋转并一定速度提升注浆管，即在土体中形成直径明显的拌和加固体。

桩间叠合就成了隔水、挡土的护壁隔墙。

SMW工法（深层搅拌桩+H型钢）：SMW工法是指通过深层搅拌机器搅拌，使水泥类悬浊液在原地地层中与土体反复均匀混合，并根据一定的间隔插入H钢或板桩等作为加强基材，待水泥土固结后，形成复合的连续挡土墙的技术。

降水法：在软土的含水地层中建造隧道，用降水法排除地下水，稳定开挖面的土体，是防止地下施工流砂产生的有效措施，与其他疏干水方法比较最经济的。

人工降低地下水位是在施工范围内埋设一定数量的滤水管（井），用抽水设备抽其井内水，降低地下水位到有利工程施工，而在施工过程中仍保持不断抽水，使工作面土体始终保持干燥，从根本上防止流砂现象的发生，同时，由于抽去土中水后，动水压减少或消除，土体竖直面更为稳定。

采用降水法一般为地面向下打井点，所以其使用的范围、地区受到了限制，但是在盾构施工进出洞阶段，这是一个主要方法，并经常使用。

用人工降低地下水位方法有：轻型井点、喷射井点、管井井点、深井井点等。

而具体采用哪一种方法应根据图的渗透系数，要求降低水位的深度、工程特点、设备条件及现场施工条件而选择。

冻结法：当用其他方法难以达到稳定开挖面土体时，采用冻结法可取得较好的效果.冻结法的主要功能：使不稳定的含水地层能形成强度很高的冻土体；能够形成完整的防水屏蔽，起到隔水作用；能起到良好的挡土墙作用，以承受外来荷载。

（1）依其冷却地层的方式，可以分为直接冻结和间接冻结两大类。

1）直接冻结方式
这是一种低温液化气方法。

从工厂将低温液化气（液氮193℃）直接运达到工地，输入到预先埋设在地层中的冷冻管内，液氮在冷冻管中气化而使冷冻管周围地层的土壤冻结，气化后的氮气放入大气中。

液氮冻结温度极低，冻结速度快，时间短。

一般适用于暂时性的小规模工程施工，常用在一些地下的危急工程。

2）间接冻结方式
通常采用盐水冻结法。

盐水冻结法是利用氨压缩调节制冷，并通过盐水媒介热传导原理进行冻结。

一般是在工地现场冷冻设备，冷却不冻液（一般为盐水）至20℃～30℃，然后盐水进入冻结管内使地层土壤冻结，温度升高后的盐水回流到冷冻机再冷却。

这样，盐水就在热交换过程中循环不息，冻结管周围地层的冻土圆柱体直径不断扩展变大，并与相邻冻土圆柱体相交，在工程施工范围内形成完整的屏蔽，成为具有一定厚度和强度的又能防渗的挡土墙或拱形体。

盐水冻结法一般适用于规模较大的冻结工程。

（2）冻结法依其冷却位置的方式，可以分为水平冻结和垂直冻结两大类。

1）水平冻结
水平冻结是采用水平圆筒体冻结加固方式，即在盾构进出洞的工作井内，在洞口周围布置一定数量的水平冻结孔，经冻结后，在洞内形成封闭的冻土帷幕，起到盾构破壁时抵御水土压力、防止土层塌落、地表沉降和泥水涌入工作井内的作用。

洞口冻结孔一般布置成圆形，为了有利于施工，冻结孔也有布置成方形的。

根据冻土帷幕所需厚度、强度及工期安排，可采用单排孔、双排孔或多排孔冻结，以形成所需要的冻土帷幕厚度和强度。

一般设计水平冻结深度为5～10cm，冻结孔布置圈位比洞口直径大1.6～2m，采用水平钻孔机施工。

2）垂直冻结
垂直冻结是采用板状冻结加固理论设计的，对盾构进出洞口上体布置一定数量的垂直冻结孔，经冻结后，在洞门处形成板状冻土帷幕来抵御盾构进出洞破壁时的水土压力，防止土层塌落和泥水涌入工作井内。

垂直冻结可分为全深冻结和局部冻结，全深冻结是对所需要的冻结深度全部冻结，而局部冻结是一种只对盾构穿逶的土层范围进行局部冰冻加固，其他土体不进行加固的局部加固方法。

2.4盾构始发基座安装
盾构发射架为钢结构，位置按设计轴线准确放样，焊接成整体吊入井下就位。

钢轨中心与隧道洞门中心位于同一竖直面内，纵坡比设计坡度大0.3‰，底面的工字钢与预埋的钢板焊接，并对两侧加设支撑加固，防止盾构推进时发生侧移。

安装时按照测量放样的基线吊入井下就位、固定。

始发台水平轴线的垂直方向与反力架的夹角偏差＜±2‰，盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差＜2‰，水平趋势偏差＜±3‰。

2.5反力架安装
在盾构主机与后配套连接之前，开始进行反力架的安装。

安装时，反力架与始发井连接部位的间隙要垫实，以保证反力架脚板有足够的抗压强度。

安装反力架时，用经纬仪双向校正两根立柱的垂直度，使其形成的平面与推进轴线垂直。

然后，在反力架上，测出最后一环负环管片的位置，弹好控制线，确认高程及左右位置与始发环管片一致后，用螺栓将其与反力架固定。

由于反力架和始发台为盾构始发时提供初始的推力以及初始的空间姿态，在安装反力架和始发台时，反力架左右偏差控制在±10mm之内，高程偏差控制在±5mm之内。

2.6洞口密封装置
2.6.1洞口密封装置设计
为了防止盾构机始发掘进时土体或水从间隙处流失，车站（中间风井）内衬墙施工时在洞圈预埋环状钢板，在盾构出洞前安装止水装置。

盾构穿越各阶段止水装置如图2-2所示。

盾壳
管片
帘布橡胶板 环板 翻板
帘布橡胶板 环板
翻板
图2-2 盾构穿越各阶段止水装置图
2.6.2洞口密封装置安装
安装前须对帘布橡胶板上所开螺孔位置、尺寸进行复核，确保其与洞圈上预留螺孔位置一致，并用螺丝攻清理螺孔内螺纹。

安装顺序为帘布橡胶带→环形钢板→扇形铰链板，自上而下进行。

安装时环形钢板的压板螺栓应可靠拧紧，使帘布橡胶带紧贴洞门，防止盾构始发后同步注浆浆液泄漏。

盾构机在盾尾通过洞门后立即进行背衬填充注浆。

2.7负环管片拼装
负环管片一般采用与正线隧道相同的混凝土管片，根据端头井和场地的尺寸，确定负环管片的数量。

负环管片开口环与闭口环的数量根据现场是否预留出土口确定。

负环管片的0环伸入洞内0.4～0.8m ，在洞门施工前再将这环管片凿除。

管片安装顺序为：先就位底部管片，再左右安装，每环相邻管片应控制环面平整度和封口尺寸。

负环管片安装如图2-3
图2-3 负环管片安装图
为防止负环管片破坏盾尾刷密封，在盾壳内安设厚度不小于盾尾间隙的方木；负环管片按在盾壳内的正常安装位置进行拼装，并采取措施防止控制盾构机的旋转。

第一环负环管片拼装成圆后，用下部千斤顶完成管片的后移。

千斤顶总推力控制在1000t以内，推进时用下部千斤顶，推力增加要遵守循序渐进的原则，保持各组千斤顶受力均匀。

管片在后移过程中，严格控制每组推进油缸的行程，保证每组推进油缸的行程差小于10mm。

负环管片在脱出盾尾的过程中，为保证负环管片的位置安装正确，在管片与托架间采用垫塞方木楔来实现，方木楔间距50cm安设一块。

2.8洞门墙拆除
2.8.1洞口土体加固情况检查
盾构调试完成，在确保盾构运转状态良好，并通过验收的情况下开始凿除洞门。

洞门凿除前，在洞门中心及周边布置6个观察孔（具体分布见图2-4），以测定土体加固和渗水情况。

图2-4 观察孔布置示意图
2.8.2洞门墙拆除工艺
采用人工凿除，洞门凿除时，先凿除井格下的混凝土，最后一排钢筋暂不切割，对洞门混凝土进行井字形分格，待盾构机安装调试完毕具备始发条件后，在盾头与洞圈之间搭设工作平台，准备起重设备，由下而上切割洞门井格上的钢筋，切割一块并快速吊除，待洞门混凝土拆除完毕，盾构机迅速靠上洞门土体，以防土体因暴露时间过长引起坍方、涌水现象。

洞门混凝土凿除分块如图2-5所示。

图2-5 洞门混凝土凿除分块图
2.8.3注意事项
洞门凿除要连续施工，尽量缩短作业时间，以减少正面土体的流失量。

整个作业过程中，由专职安全员进行全过程监督，杜绝安全事故隐患，确保人身安全，同时安排专人对洞口上的密封装置做跟踪检查，监护密封装置是否完好。

2.9盾构穿越土体加固区掘进
在盾构切入土体前利用螺旋机向盾构平衡仓内灌注粘性土，使其土压力达到一定数值以平衡盾构正面土压，确保土体的位移值降至最小值。

盾构出洞阶段的土压力设定值根据土体加固的情况而定。

在盾尾进入井壁前必须再次灌满盾尾油脂。

当盾构机进入洞圈后马上进行洞圈帘布橡胶板的整理工作，固定铰链挡板。

为避免刀盘上的刀头损坏洞口密封装置，在刀头和密封装置上涂抹黄油以减少摩擦力。

在盾尾脱离洞口加固区后，通过管片的注浆孔均匀地向外部压注水硬性浆液，以提高洞口的密封性能。

初出洞时，由于盾构处于土体加固区域，正面的土质较硬，为控制好推进轴线、保护刀盘，在这段区域施工时，土压力设定值应略低于理论值，推进速度不宜过快，盾构坡度可略大于设计坡度。

待盾构出加固区后，为防止由于正面土质变化而造成突然磕头，必须将土压力的设定值调整至略高于理论值，必须保证盾构的出土量，根据地层变形量信息反馈，及时对土压力设定值、推进速度等施工参数作及时调整。

在此期间，通过出土孔用龙门吊进行弃土和管片等材料的垂直运输。

2.10盾构试掘进
2.10.1试掘进阶段划分及目标
盾构初始掘进是从理论和经验上选取各项施工参数，施工过程中根据测量数据及反馈信息调整施工参数。

盾构机始发可分为三个阶段：
第一阶段掘进长度40m，该段为出洞段掘进。

对密封仓土压力、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诸项，分别采用三组不同施工参数进行试验掘进；通过对隧道沉降、地表沉降的测量和数据反馈，确定一组适用的施工参数。

盾构刚始发时，掘进速度宜缓慢，同时加强后盾支撑观测，防止盾构上飘。

第二阶段掘进长度30m，采用已掌握、适用的各项参数值，通过施工监测，根据地层条件、地表管线、结构物情况，对施工参数作慎密细微的调整，取得最佳施工参数。

第三阶段掘进长度30m，为正式掘进施工的准备阶段，强调以服从地面沉降，结构物管线保护为原则。

2.10.2始发参数计算
（1）土仓压力
根据地质情况及隧道埋深、地下水等情况，进行理论计算切口平衡压力：正面平衡压力：P=k0gh （P平衡压力，g土体的平均重度，h隧道中心埋深，k0土的侧向静止平衡压力系数）。

盾构在掘进施工中均可参照以上方法来取得平衡压力的设定值，初次可按1.03～1.10 P设定。

具体施工设定值根据盾构埋深、所在位置的土层状况以及监测数据进行不断的调整。

（2）出土量
每环理论出土量V＝π/4×D2×L。

式中 D2—盾构开挖直径
L—为管片环宽
盾构推进出土量控制在98％～100％之间。

（3）注浆参数
1）注浆压力：p=γh/980+（0.12～0.13），式中：p浆液出口压力（MPa）、h隧道上部覆土厚度（m）、γ覆土层的平均容重（KN/m3）。

注浆压力可取大于静止水土压力0.1～0.2MPa，并避免浆液进入盾构机的土仓中，在实际掘进中将不断调整。

由于是从盾尾圆周上的几个点同时注浆，上部每孔的压力应比下部每孔的压力略小0.05～0.10 MPa。

根据地质和隧道的覆土厚度情况，注浆压力控制在0.2～0.5MPa间。

2）注浆量
盾构机在推进过程中，除了排出洞身断面上的土体外，还存在着其它方面的土体损失如超挖、纠偏和蛇形运动等。

这些土体损失是通过同步注浆来获得补偿平衡的。

每环同步注浆量计算如下： Q=K×п×（D2-d2）×L/4（K为注浆率（1.5～2.0）、D为盾构机的切削外径、d为管片外径）隧道掘进过程中，注浆量应根据不同的地质情况和地表隆陷监测情况进行调整和动态管理。

一般情况下以满足控制地表隆陷降为原则。

盾构通过建筑物时，将注浆率调高至1.5～2.5，注浆压力渐近增加以满足注浆量为上限值。

3）注浆速度：压浆速度和推进速度保持同步，即在盾构机推进的同时进行注浆。

2.10.3盾构施工参数优化
控制盾构掘进的土压平衡是盾构施工的关键，可通过设定推进速度、调整排土量或设定排土量调整推进速度两个途径，以将地层土压力与土仓土压力差值控制在较小的范围内。

盾构施工参数优化如图2-6所示。

土
压
力
设
定
土
压
力
控
制
掘
进
速
度
控
制
监
视
图2-6 盾构施工参数优化程序图
3劳动力组织
劳动组织人员配置如表3-1所示
表3-1 劳动组织人员配置表
4机具设备配置
机具设备配置如表4-1所示
表4-1 主要机具设备配置表
5质量控制要点
5.1洞口密封装置质量控制要点
（1）端头井洞门上预留有72只螺栓孔。

在安装前，应测量螺孔的位置偏差，如发现偏差过大
的，应相应调整帘布橡胶板上孔的位置，同时，用丝攻逐个清理螺孔内螺纹，在其内侧均匀地涂上黄油。

安装时，先安装帘布橡胶板，后圆形扇形板，压板螺栓应尽可能拧紧，使帘布橡胶板紧贴洞门，然后将扇形板向洞内翻入，防止盾构出洞后同步注浆浆液泄漏。

（2）洞门上予留螺孔，帘布橡胶板送到现场后，必须复核螺孔中心距离尺寸，确认满足设计要求后方可安装。

5.2负环管片拼装质量控制要点
（1）管片运输中要轻吊轻放，避免碰撞。

（2）安装前专人检查管片是否有不合要求的裂缝、破损等缺陷，管片的类型是否正确，管片的标志是否齐全，是否已达龄期。

（3）根据高程和平面的测量报表和管片间隙，及时调整管片拼装的姿态，并严格控制管片成环后的环、纵向间隙。

安装管片时要缓慢、均匀，对好位置后才能上螺栓，如果插入螺栓困难时，要分析原因，仔细调整位置，切忌大幅度移动，强行插入；另应避免损坏止水条，避免管片间有较大错台。

（4）对衬砌连接螺栓采取一次紧固，五次复紧的工艺。

分别为：管片拼装完成后、盾构推进过程中、管片脱离盾尾、管片进入后续车架、管片脱离后续车架。

5.3盾构出洞质量控制要点
5.3.1盾构过量自转防治
现象：
盾构推进中盾构发生过量的自转，造成盾构与车架连接不好，设备运行不稳定，增加测量、封顶块拼装等困难。

原因分析：
（1）盾构内设备布置重量不平衡，盾构的重心不在竖直中心线上而产生了旋转力矩；
（2）盾构所处的土层不均匀，两侧的阻力不一致，造成推进过程中受到附加的旋转力矩；
（3）在施工过程中刀盘或旋转设备连续同一转向，导致盾构在推进运动中旋转；
（4）在纠偏时左右千斤顶推力不同及盾构安装时千斤顶轴线与盾构轴线不平等。

预防措施：
（1）安装于盾构内的设备作合理布置，并对各设备的重量和位置进行验算，使盾构重心位于中线上或配置配重调整重心位置于中心线上；
（2）经常纠正盾构转角，使盾构自转在允许范围内；
（3）根据盾构的自转角，经常改变旋转设备的工作转向。

治理方法
（1）可通过改变刀盘或旋转设备的转向或改变管片拼装顺序来调节盾构的自转角度；
（2）网格盾构、挤压盾构可调节胸板的开口位置和大小、调整千斤顶的编组等来调整盾构的旋转角度；
（3）盾构自转量较大时，可采用单侧压重的方法纠正盾构转角。

5.3.2盾构始发基座变形防治
现象：。