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1、盾构始发与到达端头加固理论与实践,中铁隧道集团有限公司技术中心李建华,主要内容,一、前言二、主要问题及对策三、端头处理理论四、盾构始发技术五、盾构到达技术六、工程实例七、认识与体会,一、前言,随着盾构施工技术的日益成熟，盾构法在城市地铁及公路、水下隧道等市政工程和城际轻轨、铁路等工程中得到广泛的应用，如何规避盾构施工的风险，特别是规避重大事故，是施工中重点关注的问题。,盾构始发和到达作业是盾构掘进施工中最容易产生事故的两道工序，也是最关键的两道工序。,一、前言,据近年来盾构法施工事故统计，盾构施工重大事故多发生在始发、到达阶段，特别是在软弱富水饱和粉砂层地质中，涌水涌砂等重大事故更容易发生，发
2、生事故除工程本身受损以外，对周边环境造成的影响及损失也十分巨大。,一、前言,南京地铁某区间盾构始发事故,大股涌水涌砂，右线隧道外侧地面塌陷，左线隧道发生沉降和水平位移，严重开裂渗水。,一、前言,广州地铁珠江新城盾构始发事故,硐门密封下部出现较大涌水涌砂渗漏，30分钟涌水量达300多方，夹带涌砂量160余方。,二、主要问题及对策,二、主要问题及对策,盾构始发与到达的土工问题,二、主要问题及对策,主要技术措施,合理进行地层加固，提高地层的强度、止水性、均匀性、整体稳定性,通过降水，提高土体的强度,采用双层洞门密封装置，减少从盾壳外圈漏浆,合理控制掘进参数，减少对土体的扰动,三、端头处理理论,盾构始
3、发、到达以及盾构穿越已建风道、联络通道等既有建（构）筑物时，由于地层土体自稳能力较差而采取相应辅助工法对始发与到达端头区域工作井周围一定范围的土体进行改良加固处理的过程。,端头处理的概念,三、端头处理理论,端头处理的意义,在盾构始发与到达掘进时，随着竖井挡土墙的拆除，端头土体的结构、作用荷载和应力将发生变化，必须进行端头处理,盾构法隧道施工中，端头处理是始发、到达技术的一个重要组成部分，端头处理的成功与否直接关系到盾构能否安全始发、到达,合理选择端头处理施工工法和必要的监测手段，是保证盾构法隧道顺利施工的非常重要的环节,三、端头处理理论,防止因压力不足引起的掘削面坍塌,使地层自稳及防止地下水流
4、入,防止地表沉陷或对埋设物的影响,消除构筑竖井时造成的周围土体松动,防止拆除临时挡土墙时振动的影响,端头处理的目的,始发端头加固长度不小于6m； 到达端头在地质条件较差时加固长度不小于3m。,盾构,三、端头处理理论设计基本要求,土体纵向加固范围（无水：粘土层）,三、端头处理理论设计基本要求,土体纵向加固范围（有水：砂砾、粉砂层）,盾构,L=盾构长度+（23）B其中，B为管片宽度,三、端头处理理论,端头土体加固主要方法,计算模型(注浆施工法),惯用的计算方法，是以加固后地层的抗剪阻力对抗拆除临时墙有可能进入竖井的土块的计算模型进行研究的。,三、端头处理理论,注浆加固,三、端头处理理论,注浆加固,
5、高压旋喷注浆法可作为混凝土墙之类的一般临时建筑物的施工方法，它通过土质和结构力学计算，确定加固厚度。,三、端头处理理论,高压旋喷注浆,在高压旋喷注浆的加固地层，随着始发时临时墙的拆除，主要承受土压和水压力。 水平土压力考虑为静态土压力或主动压力，水压以调查结果为主，而在砂质地层多看成是土水分离的荷载，在透水性差的粘土看作是土水一体的荷载进行评价。,三、端头处理理论,高压旋喷注浆计算方法,计算模型(高压喷射注浆法),三、端头处理理论,高压旋喷注浆计算方法,粘土地层,砂质地层,将加固层看作是用竖井挡土墙支承的圆板来进行结构计算，确定加固宽度,假定为拆除临时挡土墙时形成的圆弧滑动面来确定加固范围,高
6、压旋喷注浆采用的是地层土颗粒与固结材料的混合物置换的形态，故加固地层的设计强度要根据土质和固结材料的品种进行分类。土体容重和内摩擦角取原地层值。安全系数(Fs)一般取1.5。,三、端头处理理论,高压旋喷注浆设计强度和安全系数,加固断面的计算与注浆工法相同，可根据挖掘隧道时，断面周围产生的塑性范围进行确定。 塑性范围(R)可按隧道上部松动的方法推求，即挖掘地层的情况下，地中土应力失去平衡，在掘削断面的周围将产生附加应力。,三、端头处理理论,高压旋喷注浆加固断面尺寸的确定,高压喷射注浆法所形成的直径，随施工地层的性质和施工深度而变化，一般根据地层的N值进行设定。 砂砾地层和粘聚力大的粘土层，有时不
7、能形成满意的加固桩。另外，在施工深度超过40m时，应谨慎设定。,三、端头处理理论,高压旋喷注浆有效直径的设定和配置,三、端头处理理论,高压旋喷注浆效果图（效果好）,三、端头处理理论,高压旋喷注浆效果图（搭接一般）,三、端头处理理论,高压旋喷注浆效果图（无搭接）,三、端头处理理论,高压旋喷注浆,三、端头处理理论,冻结法,冻结法是将自然状态下不均匀的地层通过冻结变成具有均匀力学性质的冻土,竖井前造成的冻土，是止水性好、强度高的加固层。作用于冻土的垂直荷载按总土、水压力考虑，水平荷载按静态土压和水压考虑。,三、端头处理理论,冻结法计算方法,冻土的强度取决于土质、温度及盐分浓度。在地下水中含盐量较多的
8、海岸沿线和填筑地设计中，应预先调查盐分浓度，然后按相应的强度进行设计。作为设计标准，砂质冻土的抗压强度为6MPa。该设计标准因使用屈服值或承载力，所以需要设定安全系数。作承重墙时取安全系数Fs2.0，但需根据其重要程度和有效尺寸，按2Fs3的范围进行设计。冻土墙温度分布不一样，故强度也不一样，但可按壁厚方向的平均温度对应的强度作为均匀结构物来对待。,三、端头处理理论,冻结法设计强度或安全系数,在冻土圆板模型试验和解析中，若孔径f D/5，则认为满足周围固定条件，但在实际设计中，考虑到竖井墙背面地层扰动，临时墙施工时对竖井墙体有加热影响等，所以对冻土厚度T，取fT/2，冻结长度取f2.5m。,三
9、、端头处理理论,冻结法加固断面,考虑到钻孔直径和施工性冻结管直径采用8.9cm或10cm；埋设间距兼顾到施工性和成本因素一般定为80cm。,三、端头处理理论,冻结法冻结管直径及埋设间距,用冻结法进行始发保护，多采用从地面竖直冻结的方式。到达处多采用从竖井水平冻结的方式，加固强度大且稳定。 存在流动地下水时，因推进速度不可能达到12m/日，因此要注意地下水状况和竖井内的漏水情况。 形成冻土需要的时间，因条件而异，一般需4060日。 冻土会产生冻胀和解冻沉降，特别是在粘性土层场合下，对此应采取必要的措施也很重要。 冻结法是一种不得已的办法，需充分考虑盾构设备本身的要求。,三、端头处理理论,冻结法施
10、工及注意事项,在预先建造好的盾构工作井内，将盾构机准确地搁置基座上，待盾构组装调试完毕后，向地层内沿设计轴线掘进。,四、盾构始发技术,盾构始发的定义,四、盾构始发技术,始发作业流程,盾构机始发基座,基座必须具有足够的刚度、强度。安装前测量放样，准确定位始发基座，轨道上涂抹硬 质润滑油，减少推进阻力基座坡度（盾构机中心坡度）略大于隧道设计轨道坡度,四、盾构始发技术,盾构始发准备盾构基座安装,施工步序：在车站结构的施工工程中，做好始发洞门预埋件的埋设工作，在埋设过程中预埋件必须与车站结构钢筋连接在一起；在盾构正式始发之前，先清理完洞口的碴土，再完成洞口密封的安装。洞门密封形式：压板式和折叶式，其中
11、折叶式越来越被人们所认可。在泥水盾构的使用过程要采用密封水箱的方式进行洞口密封加强。,四、盾构始发技术,盾构始发准备洞门密封设备安装,a、扇形压板式洞口密封,四、盾构始发技术,盾构始发准备洞门密封设备安装,b、折页式洞口密封,四、盾构始发技术,盾构始发准备洞门密封设备安装,c、武汉过江隧洞泥水盾构洞口密封,四、盾构始发技术,盾构始发准备洞门密封设备安装,d、成都地铁泥水盾构洞口密封,四、盾构始发技术,盾构始发准备洞门密封设备安装,d、成都地铁泥水盾构洞口密封,四、盾构始发技术,盾构始发准备洞门密封设备安装,反力架、负环管片位置的确定依据 反力架的位置确定主要依据是洞口第一环管片的起始位置、盾构
12、的长度以及盾构刀盘在始发前所能到达的最远位置。最少负环管片环数N的确定 N=（Dls-Df+LTBM）/Ws D1s：设计第一环管片起始里程，m； LTBM：盾构长度，m； Df：洞口维护结构在完成第一次凿除后的里程，m； Ws：管片环宽，m；,四、盾构始发技术,盾构始发准备安装反力架,盾构机始发反力支撑系统,反力架、负环钢管片位置的确定 在确定完始发最少负环管片环数后，即可直接定出反力架及负环管片的位置。 反力架端部里程DrD1sNWs反力架、始发台的定位与安装在盾构主机与后配套连接之前，安装反力架。安装时反力架与车站结构连接部位的间隙要垫实，保证反力架脚板有足够的抗压强度。偏差控制：反力架
13、左右偏差10mm之内，高程偏差5mm之内，上下偏差10mm之内。始发台水平轴线的垂直方向与反力架的夹角2，盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差2，水平趋势偏差3。,四、盾构始发技术,盾构始发准备安装反力架,施工步骤 凿除砼保护层，将外层钢筋焊割掉；盾构推进至洞门时，将剩余钢筋焊割掉，凿除剩余维护结构，凿除完毕后快速拼装负环管片注意事项凿除最后一层混凝土后，及时检查始发洞口净空尺寸；确保无钢筋、混凝土侵入设计轮廓范围之内。,四、盾构始发技术,切除始发洞口维护结构,技术难点盾尾长度长，第一环无支撑设备刚调试好，无拼装经验管片容易推偏，损坏尾刷不能及时固定，管片椭变操作难度大，安全风险高,四、盾构始发技术
14、,负环管片安装,四、盾构始发技术,盾构始发掘进施工步骤,维护结构切除后，立即推进盾构,盾构贯入地层后，对掘削面加压，监视导口密封垫圈状况的同时缓慢提高压力，直到预定压力值,盾构尾部通过密封垫圈时，密封垫圈易成反转状态，应密切监视，同时降低推进速度,盾构通过导口后，进行壁后注浆，稳定洞口,四、盾构始发技术,注意事项,整体始发,管片定位,如果有条件尽量采取盾构机与拖车整体始发的方式，整体始发的好处是工序衔接紧凑，快速完成始发段掘进，降低始发阶段的风险，同时也有利于控制盾构机的姿态和隧道的线型,根据管片的盾尾间隙在盾尾壳体内安装管片支撑垫块，垫块可以选用20的螺纹钢直接焊在盾尾内弧面的两侧，为管片在
15、盾尾内的定位做好准备,四、盾构始发技术,注意事项管片定位,四、盾构始发技术,注意事项负环加固,盾构始发时负环管片周围没有约束，必须在管片四周尽可能地加上各种支撑，保证盾构机向前推进时负环管片不会失稳。,四、盾构始发技术,注意事项管片拉紧,由于洞口的几环管片在负环和反力架没拆除之前管片之间有一股预紧的压力，该压力是在盾构推进过程中，推进油缸作用在管片上提供的，如果不将洞口的几环管片拉紧，在拆除负环和反力架后，洞口的几环管片发生松弛，而环缝间隙变大漏水。管片拉紧的可以采用5mm厚的钢板带，连接相邻两环的纵向螺栓，每个环缝4处，钢板带连接好后用木楔子楔入钢板带内侧，增加预紧力，防止连接钢板和管片松弛
16、。,四、盾构始发技术,注意事项管片拉紧,四、盾构始发技术,注意事项拆除负环,每环负环顶部的3片管片同时起吊，先用吊车吊好管片，吊稳后，拆掉所有的连接螺栓，再以门吊缓慢匀速的将管片吊起；顶部管片拆除时，先安装好吊装螺栓，用门吊将管片吊稳后，拆掉纵向螺栓，松开环向螺栓，缓慢的将管片提起一定的高度，必要时以手拉葫芦逐步调整管片的姿态。,四、盾构始发技术,注意事项拆除负环,（1）端头土体加固效果不好根据端头土体情况选择合理的加固方法，加强过程控制，要严格控制一些基本参数。对于加固区与始发井间形成的必然间隙要采取其它方式处理。,四、盾构始发技术,常见问题预防及处理,主要措施,（2）开洞门时失稳土体坍塌和水土流失端头加固效果不好1）小范围的情况下可采用一边破除洞门砼，一边利用喷素砼的方法对土体临空面进行封闭。2）土体坍塌失稳严重时，封闭洞门重新加固。,
