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1、土压平衡盾构施工工艺,刘鹏军 中国铁建重工集团 2015年3月,1、总则,1.1 适用范围 适用于采用土压平衡式盾构机修建隧道结构的施工。 1.2 编制参考标准及规范 1.2.1 地下铁道工程施工及验收规范(GB 50299-1999)。 1.2.2 地下铁道设计规范（GB 50157-92）。 1.2.3 铁路隧道设计规范（TB10003-2001）。 1.2.4 盾构掘进隧道工程施工验收规范。 1.2.5 公路隧道施工技术规范(JTJ04294)。 1.2.6 公路工程质量检验评定标准(JTGF80/1-2004)。,2 、术语,ZTE系列复合式土压平衡盾构机是中国铁建重工集团通过吸收、消
2、化国外先进技术，根据中国铁建长期盾构施工经验，自行研发具有自主知识产权的大型隧道施工设备，是国务院16项重大技术装备之一，适用于粘土、砂土、砂砾、岩石等地层。土压平衡盾构机由刀盘旋转刀具切削土体，切削后的泥土进入密封土舱，通过螺旋输送机出渣调节土舱压力，土舱内的土压主要是由螺旋输送器的出土量来控制的，出土量多则平衡土压下降，反之则上升，同时还要密切配合刀盘的切削速度和油缸推进速度，使土舱内始终充满泥土而不致挤得过密或过松，达到稳定开挖面的效果。有效控制地表沉降，由螺旋输送机和皮带输送机进行出碴，管片机进行管片衬砌支护，实现隧道全断面一次成形。 土压平衡盾构机是一种集机、电、液压、控制、传感、信
3、息技术于一体的隧道施工成套设备，也可称为隧道加工中心，使得隧道施工变成了工厂化、智能化特点，具有掘进快速高效、安全环保可靠、施工质量高等特点，被广泛应用于水利、电力、交通、市政管道等隧道工程。,2.1土压平衡盾构,铁建重工土压平衡盾构,土压平衡盾构工作原理,各种刀盘,2.2 端头加固,为确保盾构始发和到达时施工安全，确保地层稳定，防止端头地层发生坍塌或涌漏水等意外情况，根据各始发和到达端头工程地质、水文地质、地面建筑物及管线状况和端头结构等综合分析，确定对洞门端头地层加固形式。 端头土体横向加固最小尺寸表,端头加固,防止地层不能自稳，加固一：是保证始发时围护结构凿除后掌子面土体能够保持自稳；加
4、固二：是在盾尾进入洞口防水装置前防止洞口地层涌砂涌水。,加固目的,盾构始发,端头加固长度,端头加固,加固范围,加固范围以包裹盾构主机并预留一定的封堵渗漏通道的区域为原则。 结合上海、南京、苏州等软土地层的加固实例，加固范围确定为隧道纵向。方向为9米，横向为隧道轮廓线外3m。,盾构始发,凿除洞门,在检查端头土体加固满足要求后，同时在盾构组装后对洞门进行破除： 第一步：先凿除围护结构保护层，并将外层的钢筋全部割除取出，并凿除至剩余内排钢筋； 第二步：待盾构机始发时抵拢掌子面和到达时盾构机抵拢围护结构时，割除围护结构内层钢筋，再开始掘进。,盾构始发,始发设施安装,始发基座安装,始发基座,始发基座（发
5、射架）起导向和支撑盾构的作用。在洞门凿除完成之后，依据隧道设计轴线定出盾构始发姿态空间位置，然后反推出始发基座的空间位置，并固定牢固。,盾构始发,2.3 始发架及帘布安装,2.4 反力架,盾构刚开始掘进时，其推力要靠工作井井壁来承担。因此，在盾构与井壁之间需要设传力设施，此设施称为反力架。,反力设施安装,反力架是为盾构机前进提供反推力，在安装反力架时，反力架端面应与始发基座水平轴垂直。对反力架固定前应按设计对其进行精确的定位。反力架与工作井结构连接部位的间隙用型钢垫实，以保证反力架脚板有足够的受力面，负环砼管片紧靠在反力架上。以保证混凝土负环管片受力均匀。,始发设施安装,盾构始发,反力架,负环
6、管片,负环管片,后部型钢支撑,2.4 添加剂,采用土压平衡盾构掘进时，为改善土体的流动性防止其粘附在盾构机上而注入的一些外加剂。添加剂的功能是：辅助切削面的稳定（提高泥土的塑流性和止水性）；减少切削刀具的磨耗；防止土舱内的泥土压密粘附；减少输送机的扭矩和泵的负荷。 土舱内的碴土必须具有：良好的塑性和流动性、良好的粘稠度、低的内摩擦力、低的透水性。 一般情况下刀盘切削下来的碴土不一定具有这些特性，造成刀盘扭矩大，碴土流动困难，在土压力作用下易压实固结，容易产生泥饼或泥团。 根据地层情况，向开挖土舱内注入泡沫、粘土或添加剂，进行强制搅拌，使碴土具有可塑性和不透水性，螺旋机排土顺畅，土舱内的压力容易
7、控制和稳定。,土压平衡盾构施工场地布置主要有：盾构机、出碴列车、门吊、管片供应、砂浆搅拌站、始发井、弃碴坑、风水电供应系统等系统组成。,3 施工准备,3.1 技术准备 3.1.1 根据隧道外径、埋深、地质、地下管线、构筑物、地面环境、开挖面稳定及地表隆陷值等的控制要求，经过经济、技术比较后选用盾构设备。 3.1.2 认真熟悉工程设计文件、图纸，对工程地质、水文地质、地下管线、暗渠、古河道以及邻近建筑等调查清楚，并将上述内容汇总表示在工程纵剖面总体图上，然后提出针对性的技术措施，以确保工程进展顺利和邻近范围内原建筑物的安全。 3.1.3 进行工程环境的调查和实地踏勘，为制订施组提供足够的依据，进
8、行核实的主要项目有： （1）土地使用情况根据报告和附图，实地踏勘调查各种建筑物的使用功能、结构形式、基础类型及其与隧道的相对位置等； （2）道路种类和路面交通情况； （3）工程用地情况主要对施工场地及材料堆放场地、弃土场地、运土路线等做必要的调查； （4）施工用电和给排水设施条件； （5）有关环境保护的法律和法规； （6）地下障碍物及管线。,3.1.4 根据工程特点、施工设备的技术性能及操作要领，对盾构司机及各类设备操作人员进行上岗前的技术培训并持证上岗。 3.1.5 建立完整的测量和监控量测系统，以便施工时控制隧道位置，对地层沉降及结构的变形进行监测，并及时反馈信息。 3.1.6 根据工程特
9、点、工程目的、隧道结构、环境条件及其保护等级、施工设备的性能、工程所处地质条件编制施工组织设计，经审批后作为指导施工的依据。 3.2 材料准备 3.2.1 盾构掘进时的添加材料：粉末粘土、膨润土、发泡剂、高吸水性树脂、增粘剂等。 3.2.2 注浆材料：砂浆、水泥浆、速凝剂。 3.2.3 衬砌材料：钢筋混凝土管片。,3.3 主要设备及机具,3.3.1 隧道掘进机械：土压平衡盾构机及其配套设备、备用刀具。 3.3.2 材料与管片运输机械：门式吊车、机车、管片车、砂浆车、碴车。 3.3.3供电系统、供排水系统、砂浆搅拌设备、通风设备、充电设备。 3.3.4碴土外运设备 3.3.5测量仪器：全站型经纬
10、仪、精密水准仪、铟钢尺、倾斜仪、压力计。,3.4 作业条件,3.4.1 弃碴场地、管片堆放场地、注浆材料堆放场地等工作施工场地已布置妥当。 3.4.2 盾构始发井工程已经施工完毕。 3.4.3 盾构机在始发井内安装调试完毕，运转正常。 3.4.4 操作人员经培训合格，具备上岗资格。 3.4.5 各项监测系统已设置妥当。 3.4.6 施工组织计划经监理部门审核批准。 3.4.7 衬砌管片已开始批量生产。,3.5 劳动力组织,盾构施工总流程,盾构安装始发,盾构始发模式,条件要求：车站站台层结构施工完成的长度能够容纳车架摆放的空间，一般须84米（整机的长度）。另外离端头84米左右处预留出土口。地面提
11、供管片堆放和出土吊机行走的场地。,整机始发指盾构机主机和车架均放在车站底板上组装并连接，始发掘进时车架和主机一起整体向前移动的方式。始发阶段管片、材料、渣土均从出土口吊运。,整机始发和分体始发两种模式：,盾构始发模式,分体始发掘进阶段管片、材料、渣土均从盾构井吊运。施工效率低，费用高，在没有整机始发的条件时采用。,分体始发模式：将全部（或部分）后配套车架放在地面，主机吊放到井下，主机与台车之间通过延长管线提供主机掘进。待掘进约70米距离后，拆除延长管线、负环管片，将后配套车架和连接桥吊放到洞内与主机连接，并进行整机调试后，恢复正常掘进状态。,分体始发（延长管线始发）,盾构掘进分为四个阶段,1、
12、负环掘进：由于盾构需要调试，参数需要调整，掘进始发加固区，因此盾构负环掘进速度非常慢。 2、始发段掘进：始发段掘进时，掘进参数需要调整，后配套管路需要转接，出碴效率低，掘进速度慢。 3、正常段掘进：盾构进入正常段掘进后，设备进入正常状况，运输系统也处于正常状态，盾构进入快速掘进阶段，掘进速度高。 4、到达段掘进：盾构进入到达段掘进，需要调整姿态，掘进速度开始放慢。,掘进： a、设备处于始发、磨合阶段，掘进注意刀盘转速、扭距、推力等参数的控制及油脂使用。 掘进总推力反力架承受力 刀盘扭矩盾体与始发架的摩擦力+防扭块的阻力+主机的重力等,36,b、防止盾构侧滚、低头； 盾体易侧滚，可采用刀盘低转速
13、、低扭矩、正反转来调整； 盾构刚始发掘进时，控制掘进速度，刀盘切削土体可加添加剂降低刀盘扭矩力，防止盾构低头，同时加强盾尾支撑观测，尽量完善负环钢支撑。,c、注意控制土舱压力； d、根据控制土舱压力的大小，来调节螺旋输送机的出土量、出土速度及推进速度，进而来保证土仓内土压力与开挖面土压力的相对平衡； e、前期掘进（前100m）是掘进摸索阶段，此段摸索与掘进有关的参数及设备的属性，同时要加强维修保养及部分实操培训。,负环管片、始发架及反力架的拆除： 为了后期站台工作的延续及完成电瓶车的编组等因素，故对负环管片、始发架及反力架进行拆除： a、在拆除负环前，先将反力架斜撑割除、后移； b、拆除负环，
14、先将紧挨反力架的第一环拆除；,c、拆除两环负环环间管片的连接螺栓，用龙门吊将其吊出，按上述方法依次拆除全部负环； d、吊出拆除的反力架及始发托架； e、完成轨道铺设。,4、施工工艺和控制要求,4.1 技术要求 4.1.1 盾构在厂内制造完工后，必须进行整机调试，检查核实盾构设备的润滑系统、液压系统和电气系统的状况，调试机械运转状态和控制系统的性能，确保盾构出厂就具备良好的性能，防止设备的先天不足给工程带来不必要的困难。 4.1.2 盾构掘进施工对上部所需的覆土层的厚度，应满足下列要求： （1）在控制地面变形要求高的地区，各种盾构的最小覆土厚度一般均不宜小于隧道直径的1倍； （2）当实际覆土厚度
15、不能满足上述规定时，应选用下列措施： 水底隧道覆土厚度不足时，应选用合适工艺来增加覆土厚度或加固措施； 在陆地上施工点厚度不足时，可在设计允许情况下调整隧道埋设深度，也可选用合适粘性增加覆土厚度或采用井点降低地下水位，使盾构使用的气压值能与覆土厚度相适应，或用注浆方法减少土的透气性。,4.1.3 平行双线应有足够的线间距，隧道与隧道、隧道与其它建（构）筑物之间所夹土体（岩体）加固处理的最小厚度为水平方向1.0m，竖直方向1.5m。 4.1.4 两条隧道平行或立体交叉施工时，应根据地质条件、土压平衡盾构的特点、隧道埋深和间距，以及对地表变形的控制要求等因素，合理确定两条盾构推进前后错开的距离。
16、4.1.5 土压平衡式盾构掘进时，工作面压力应通过试掘进50100m后确定，在掘进中应及时调整并保持稳定。 4.1.6 掘进中开挖出的碴土应填满土仓，并保持盾构掘进速度和出土量的平衡。,4.1.7 盾构掘进中遇有下列情况之一时，应停止掘进，分析原因并采取措施： （1）盾构前方发生坍塌或遇有障碍； （2）盾构自转角过大； （3）盾构位置偏离设计轴线过大； （4）盾构推力较预计的值有较大出入时； （5）管片发生裂缝或注浆发生故障时； （6）盾构掘进扭矩发生较大波动时； （7）壳体卡住隧道衬砌环； （8） 盾构上飘或磕头，推进方向难以掌握。,4.2 材料质量要求 4.2.1 工程所使用的各种原材料、半成品或成品都必须符合国家现行有关标准和设计要求，特别是防水材料在使用前必须按规定抽查检测。 4.2.2 盾构掘削时使用的添加材应满足表16.3.2.1的功能要求。 4.3 职业健康安全要求 4.3.1 盾构工作竖井地面设防雨棚，井口周围应设防淹墙和安全栏杆。 4.3.2 更换刀具的人员必须经过培训，刀具的吊装和定位必须使用吊装工具。
