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1、土压平衡盾构 施工技术 培训,上海斯美科汇建设工程咨询有限公司 2017年3月,目录,土压平衡盾构施工技术,现代盾构机主要分为土压平衡式、泥水平衡式、硬岩式、复合式等类型。传统的盾构施工法大多有赖于气压、降水、注浆加固等措施来对付不稳定地层的局面, 而土压平衡式盾构是对盾构正面的土加压，确保开挖面的稳定, 即在切削刀盘后面的密封腔内充满开挖下来的土砂，并保持一定土压力，能较好地稳定开挖面和防止地表隆陷, 是当今一种成熟的盾构新技术。,一、土压平衡盾构施工技术,1、原理 2、适用条件 3、功能组成 4、施工工艺流程,一、土压平衡盾构施工技术1、原理,土压平衡式盾构机是利用安装在盾构最前面的全断面
2、切削刀盘，将正面土体切削下来进入刀盘后面的贮留密封仓内，并使舱内具有适当压力与开挖面水土压力平衡，以减少盾构推进对地层土体的扰动，从而控制地表沉降，在出土时由安装在密封仓下部的螺旋运输机向排土口连续的将土碴排出。,一、土压平衡盾构施工技术2、适用条件,土压平衡盾构工法采用泥土加压平衡刀盘切削面, 能使开挖面保持稳定, 确保隧道施工安全, 具有对地层扰动小和沉降小等优点。 特点：施工中基本不使用土体加固等辅助施工措施，节省技术措施费，并对环境无污染；根据土压变化调整出土和盾构推进速度，易达到工作面的稳定，减少了地表变形；对掘进土量能形成自动控制管理，机械自动化程度高、施工速度快。,一、土压平衡盾
3、构施工技术3、功能组成,土压平衡盾构机主要由五大系统组成: (1)盾构掘进系统; (2)控制系统; (3)管片拼装系统; (4)出土系统; (5)壁后注浆系统。,6760 土压平衡式盾构机主体结构简图,一、土压平衡盾构施工技术3、功能组成,(1) 盾构掘进系统 掘进系统包括土压平衡盾构掘进部分和使其运转的动力设备、装载动力设备以及与掘进机同时前进的后方车架。土压平衡盾构掘进部分由刀盘、盾壳、刀盘动力驱动马达、推进千斤顶和铰接千斤顶等设备组成。,先行刀切削刀仿形刀,推进油缸推力、速度、行程控制,一、土压平衡盾构施工技术3、功能组成,(1) 盾构掘进系统 （铰接装置） 对于小曲线段的掘进或需要姿态
4、纠偏时，预先使用铰接调整盾构机前部的角度是一种很有效的方法，盾构机配置铰接装置也是掘进小曲线段的一种保证。 盾构机铰接油缸安装在中盾壳体上、铰接处有防水密封，由16只行程230mm的油缸组成。可使前后盾体最大左右弯曲1.5度、上下弯曲1.0度，具有300米半径的小曲线掘进能力。,一、土压平衡盾构施工技术3、功能组成,(2)控制系统（含自动导向系统） 控制系统包含刀盘转速，推进油缸和铰接油缸的压力、行程、速度，出土螺旋输送机的转速，同步注浆和盾尾油脂的压注等等设备的自动控制和手动控制。盾构的控制管理系统, 不是单纯的信息中心, 而是作为整体运转所不可缺少的一个体系。将这些信息集中在一起并迅速作出
5、反应的某一处理称为中央控制, 操作人员的操作技能是兼下达土木、电气、机械等综合判断指令的技术于一体, 并在数据分析中起到显著的作用。,一、土压平衡盾构施工技术3、功能组成,(2)控制系统（含自动导向系统） 自动土压控制装置，通过装在盾构机土仓隔壁上的土压计对掘进中的土压进行常时监视，利用装在控制室操作盘上的PLC计算出实际值与目标值的差值，通过PID控制，自动调整螺旋机转速的控制指令值。,一、土压平衡盾构施工技术3、功能组成,(2)控制系统（含自动导向系统）,一、土压平衡盾构施工技术3、功能组成,(2)控制系统（含自动导向系统） 小松盾构机配置的自动导向系统为日本演算工房出品的ROBOTEC测
6、量系统，配置的主要仪器为Trimble5603全站仪和倾斜仪。每隔50s就能就进行一次高精度的位置计算，并能够实时显示盾构姿态，为操作人员提供图像姿态和数据，通过对隧道设计轴线和盾构机姿态的比较，指导盾构参数的调整。,一、土压平衡盾构施工技术3、功能组成,(2) 控制系统 （含自动导 向系统） 左图为小松 盾构机控制屏,一、土压平衡盾构施工技术3、功能组成,(2) 控制系统 （含自动导 向系统） 右图为小松 盾构机控制屏,一、土压平衡盾构施工技术3、功能组成,(3)管片拼装系统 由管片拼装设备和管片吊运、输送等设备组成,一、土压平衡盾构施工技术3、功能组成,(3)管片拼装系统 管片吊运、输送装
7、置。,一、土压平衡盾构施工技术3、功能组成,(4)出土系统 由出土螺旋输送机和皮带输送机组成。,一、土压平衡盾构施工技术3、功能组成,(5) 盾尾壁后注浆系统 盾尾壁后注浆的主要目的是控制地面沉降, 防止向管片内漏水, 使土压力作用均匀以及使管片组成的衬砌环早期稳定, 防止管片上浮、侧移和错台。 背填注浆方式, 根据其实施时期可进行如下分类: a) 同步注浆方式 同步注浆与盾构掘进同时进行, 通过同步注浆系统及盾尾的内置注浆管, 在盾构向前推进盾尾形成空隙的同时, 采用螺杆泵二管路( 四注入点) 同时注浆。注浆可根据需要采用自动控制或手动控制方式。,一、土压平衡盾构施工技术3、功能组成,一、土
8、压平衡盾构施工技术3、功能组成,(5) 盾尾壁后注浆系统 b) 即时注浆方式 即时注浆是在每一环掘进完成后, 从盾尾的管片注浆孔实施背填注浆的, 以尽量缩短尾部空隙的发生和尾部填充时间的延迟。在特殊地段, 如软弱土层和急转弯段, 采用两套注浆系统同时进行盾尾同步注浆和管片即时注浆。 c) 补充注浆方式 根据工程实际情况( 如管片渗漏、隧道沉降等) , 可采取在盾尾数环后的管片注浆孔进行二次( 或多次) 背填注浆, 控制滞后沉降, 减轻隧道防水压力。,一、土压平衡盾构施工技术 4、施工工艺流程,二、土压平衡盾构机操作,1、盾构机姿态控制 2、盾构机参数控制 3、其他操作,二、土压平衡盾构机操作,
9、土压平衡盾构机操作的基本原则是：在控制切口环压力在要求范围内稳定和盾构机姿态在设计要求范围内的前提下，实现盾构机正常掘进。,二、土压平衡盾构机操作 1、盾构机姿态控制,1）影响盾构机姿态的原因： （1）地层变化； （2）掘进参数不合理（主要原因）； （3）设备存在缺陷（如刀具配置不合理）。,二、土压平衡盾构机操作 1、盾构机姿态控制,2）在正常掘进过程中应当保持盾构机水平和垂直姿态在30mm，经验表明垂直姿态控制在0 -30mm更理想，这样的姿态无论对于超限和隧道上浮都有一定的帮助。在上软下硬的复合地 层中，盾构机保证一定的俯角（-2-5）推进，在沙层中保持+2+4的仰俯角推进，这样更有利于姿
10、态的控制。,二、土压平衡盾构机操作 1、盾构机姿态控制,3）滚动角应当控制在-6+6间，根据滚动角的变化随时更换刀盘转向，一环中有需要的话可以多次转变刀盘转向。这样可以防止由于滚动角大造成隧道管片扭转和预防刀盘结泥饼。 4）在曲线掘进时，在盾构机进入缓和曲线前，做好盾构机姿态调节，常规下一般姿态向曲线内侧偏移-10-25mm比较合适，弯转半径小时取大值。,二、土压平衡盾构机操作 1、盾构机姿态控制,5）推进油缸行程控制原则上推进至1330mm至1360mm的时候应停止掘进，除非特殊情况下推进油缸行程可以适当多走一点（如需接驳管线）但不宜走太多。 推进油缸行程差不宜超过20mm，行程差过大，则盾
11、尾刷容易碰擦管片，管片脱离盾尾较多，变形较大，管片姿态变差，甚至造成管片开裂；如果 推进油缸行程差比较大时，应当合理的进行管片选型，通过管片来调整推进油缸的行 程差。,二、土压平衡盾构机操作 1、盾构机姿态控制,纠偏过头，推进油缸行程差过大，造成的管片碎裂,二、土压平衡盾构机操作 1、盾构机姿态控制,纠偏造成管片碎裂 的情况,二、土压平衡盾构机操作 1、盾构机姿态控制,6）铰接油缸伸出的长度，直接影响到掘进时盾构机的姿态，应减少铰接油缸的行程差，尽量将行程差控制在20mm以内，铰接油缸行程差加大，盾构机推力增大，同时造成管片选型困难。将铰接油缸的总行程控制在4060mm之间为宜， 7）管片选型
12、要合理，其实在管片选型上，不能光凭盾尾间隙草率选定管片，应当以盾尾间隙为原则，结合铰接油缸行程和盾构机走向趋势来进行综合选型。,二、土压平衡盾构机操作 2、盾构机参数控制,严格按要求控制盾构的推进参数，其中包括千斤顶的油压控制、土仓压力的设定值、掘进速度、出土量、自转控制、刀盘扭距等。应根据地质变化、隧道埋深、地面荷载、地表沉降、盾构机姿态、刀盘扭矩、千斤顶推力等各种勘探、测量数据信息，谨慎操作。 主要注意：土压力、掘进速度、出土量、纠偏量等；,二、土压平衡盾构机操作 3、其他操作控制,1）盾构进出洞土体加固 为了在拆除盾构工作井的盾构端头临时墙时保持地层的稳定，防止盾构进出洞始发或接收时，在
13、盾构完全进入地层之前与盾构到达后完全脱出地层时，其周围流出地下水和泥沙造成端头失稳，则需要根据地层条件、水文条件、隧洞埋深及周边环境等因素对盾构进出洞端头进行加固处理。可采用搅拌桩、高压旋喷桩结合压密注浆加固，或采用化学注浆加固，以及冻结加固等 。,二、土压平衡盾构机操作 3、其他操作控制,2）洞口密封装置安装 盾构在进出洞过程中，切口水压较高，洞口与盾构壳体形成环形的建筑空隙，为防止出洞时压力较高的泥水大量从洞门处通过此建筑空隙窜入井内，影响开挖面泥水压力的建立，造成开挖面土体的不稳定，必须设置性能良好的密封装置。洞口密封可采用钢翻板、钢套筒、帘布橡胶和油脂压注等多道密封装置，确保泥水平衡建
14、立。,二、土压平衡盾构机操作 3、其他操作控制,3）洞门混凝土凿除 盾构工作井围护结构为地下连续墙结构，出洞前需凿除洞圈内钢筋混凝土。最后一层凿至外层钢筋，暴露内、外排钢筋，割去外排钢筋，保留内排钢筋。一般采用风镐将洞门作粉碎性分层凿除处理。 为确保高压旋喷桩加固效果，应严格控制每次凿除深度，一般为每层20cm。洞门混凝土凿除外层钢筋后，应在洞门上下左右及中部各开一孔，用来观察外部正面土体的加固效果，确认效果良好后，继续凿除剩余混凝土。对洞门内的外、内排钢筋依次作割除处理。整个凿除作业应密切注意外侧土体加固效果，根据实际情况，最终安全地将洞门凿除。,二、土压平衡盾构机操作 3、其他操作控制 3
15、）洞门混凝土凿除,洞门打探洞,二、土压平衡盾构机操作 3、其他操作控制,3）洞门混凝土凿除,二、土压平衡盾构机操作 3、其他操作控制,4 ）导向轨道的接长 盾构出洞时，由于基准导轨与前方土体之间有一段的距离(即洞门到连续墙的距离)，为保证盾构安全及准确出洞，在洞门内与凿除围护结构处安装二根导向接长轨道，安装倾角位置与基准一致。并在导轨下方作加固处理。,三、质量控制,（一）管片选型控制 （二）管片拼装控制 （三）注浆控制,三、质量控制（一）管片选型控制,管片选型的两个原则。 第一，管片选型要适合隧道设计线路； 第二，管片选型要适应盾构机姿态。,三、质量控制,（二）管片拼装控制 管片破碎现象在隧道
16、衬砌的内外两侧均有发生。衬砌外侧，一般发生在管片与盾构机外壳的接触部位(以拱底块、标准块与邻接块接缝处、封顶块居多)；内侧一般发生在管片的角部（以标准块、邻接块和封顶块居多），管片中部少有发生。,三、质量控制（二）管片拼装控制,1、管片拼装过程中的问题（破碎） 1)圆环管片环面不平整 2)拼装时工人的操作问题 拼装中出现的管片破碎不是技术问题，是最不应该发生的。,三、质量控制（二）管片拼装控制 拼装中止水条损坏 管片拼装,三、质量控制（二）管片拼装控制,三、质量控制（二）管片拼装控制,2、管片破碎的防治措施 管片破碎常常是以上一种或一种以上因素综合作用的结果，经过仔细分析再采取针对性措施进行处理，可以减少管片破碎现象的发生： 1）搬运堆放时的针对性措施 （1）在搬运过程中轻吊慢放，着地时要平稳；堆放时不宜超过3层，并正确摆放垫木。 （2）吊放管片的钢丝绳上缠橡胶条等，在起吊时，能起到缓冲作用，或者选用尼龙绳来代替钢
