盾构法施工简介.docx

盾构法施工简介
第一节 盾构法概述
盾构法是暗挖隧道的专用机械在地面以下建造隧道的一种施工方法。盾构是与隧道形状一致的盾构外壳内，装备着推进机构、挡土机构、出土运输机构、安装衬砌机构等部件的隧道开挖专用机械。采用此法建造隧道，其埋设深度可以很深而不受地面建筑物和交通的限制。近年来由于盾构法在施工技术上的不断改进，机械化程度越来越强，对地层的适应性也越来越好。城市市区建筑公用设施密集，交通繁忙，明挖隧道施工对城市生活干扰严重，特别在市中心，若隧道埋深较大，地质又复杂时，用明挖法建造隧道则很难实现。而盾构法施工城市地下铁道、上下水道、电力通讯、市政公用设施等各种隧道具有明显优点。
盾构法是一项综合性的施工技术。盾构法施工的概貌如图5－1所示。构成盾构法的主要内容是：先在隧道某段的一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁预留孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计预留孔洞推进。盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制衬砌，再传到竖井或基坑的后靠壁上。盾构是一个能支承地层压力，又能在地层中推进的圆形、矩形、马蹄形及其他特殊形状的钢筒结构，其直径稍大于隧道衬砌的直径，在钢筒的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段周圈内安装顶进所需的千斤顶，钢筒尾部是具有一定空间的壳体，在盾尾内可以安置数环拼成的隧道衬砌环。盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向盾尾后面的衬砌环外周的空隙中压注浆体，以防止隧道及地面下沉，在盾构推进过程中不断从开挖面排出适量的土方。
盾构是进行土方开挖正面支护和隧道衬砌结构安装的施工机具，它还需要其它施工技术密切配合才能顺利施工。主要有：地下水的降低；稳定地层、防止隧道及地面沉陷的土壤加固措施；隧道衬砌结构的制造；地层的开挖；隧道内的运输；衬砌与地层间的充填；衬砌的防水与堵漏；开挖土方的运输及处理方法；配合施工的测量、监测技术；合理的施工布置等。
第二节 本工程基本概况
本标段盾构施工范围是南京南站站～岔路口站区间隧道，起止里程为：K6+048.417～K8+108.711,全长4079.76米。其中设中间风井一座及联络通道二座，里程为：中间风井K6+950、联络通道K6+600、K7+545.5。
我标段从岔路口站始发，向南京南站掘进，区间主要从大片新近砌建的厂房、仓库，宁南工业园厂区、工厂、住宅小区及商铺下穿行。拟建场地地形稍有起伏，总体中部稍高，场地吴淞高程9.23~13.34m。线路线间距在13m～34m之间。线路最大坡度为25.093‰，最小坡度为2‰，线路埋深在10m～20m之间。隧道断面均为标准的单线单洞区间隧道。
南京南站站～岔路口站区间隧道通过的围岩为②-2b4淤泥质粉质粘土层、②-3b2-3粉质粘土层、③-3-1b1-2粉质粘土层、J3 x-1强风化泥质粉砂岩层、J3 x-2中风化泥质粉砂岩层。隧道断面内大部分都附存③-3-1b1-2粉质粘土层、J3 x-1强风化泥质粉砂岩层、J3 x-2中风化泥质粉砂岩层，岩层所占比例较大。概括来讲，盾构掘进断面大部分在泥质粉砂岩层中。
本区间场地地下水主要为孔隙潜水，赋存于①层填土和②层新近沉积土中，而③层粘性土为相对隔水层，水位埋深标高约为8.70～9.00m，所以本段区间盾构断面内基本无地下水。区间平面图1-1：

图1-1南京南站站～岔路口站区间平面图
第三节 盾构机型号及组成
根据隧道所经过的地层地质及地面构筑物情况、施工进度、经济性等条件进行盾构选型，我标段采用新购置的二台德国海瑞克公司生产的铰接型复合式土压平衡盾构机分左右线掘进，该型号盾构机配备了泡沫及泥浆注射系统，可以有效地处理淤泥质粉质粘土及中风化泥质粉砂岩等软硬变化较大的不良地质，同时还配备了自动导向系统和同步注浆系统，施工中可较好的控制掘进方向并减少地层沉陷。刀盘切削刀具及开口率适用于淤泥质粉质粘土、中风化泥质粉砂岩层、可～硬塑状粉质粘土等地层，扭矩及推力也有较大储备。
1、该型号盾构机基本介绍：
刀盘： 开口率28%、滚刀19把、铲刀68把、边刮刀8把、泡沫孔5个、超挖刀1把。
前盾：刀盘驱动马达及减速箱8组、主轴承、人闸、齿轮油散热器等。
中盾：推进油缸、控制阀、拼装机等。
盾尾：交接油缸、注浆孔、盾尾密封装置等。
桥架：泡沫发生器、管线、皮带输送机前端、管片吊机等。
1号车架：控制室、砂浆箱等。
2号车架：液压泵站、膨润土箱等。
3号车架：配电柜、盾尾及主轴承油脂泵等。
4号车架：空压机、水泵、变压器、电缆卷盘等。
5号车架：水管卷盘、皮带输送机后端出土口等。
2、 盾构机主要单件的重量尺寸表
序
号
名称
数量
尺寸
重量（T）
长（mm）
宽（mm）
高（mm）
1
刀盘
1
6420
6420
2600
57
2
前盾
1
6390
6390
1790
80
3
中盾
1
6380
6380
2795
90
4
盾尾
1
6370
6370
3575
24
5
螺旋输送机
1
10000
1250
1500
20
6
管片拼装机
1
5500
4200
3650
22
7
连接桥与管片输送机
1
13500
4500
3455
18
8
车架1
1
11500
4750
3500
28
9
车架2
1
11500
4550
3500
37
10
车架3
1
11500
4500
3500
27
11
车架4
1
11500
4900
3500
23
12
车架5
1
8200
4750
3500
19
13
车架5（尾部框架）
1
5000
4750
4100
3
第四节 盾构掘进施工准备
1、始发井土建结构完成
盾构的始发井土建结构完成后方可进行盾构施工，始发井内须预留盾构出洞的洞门，洞圈一般为钢结构，以便安装盾构出洞的止水装置。盾构出洞前洞门须由钢板、钢板桩或地下连续墙围护。本区间岔路口北端头地层加固原设计采用φ850三轴搅拌桩结合φ800高压旋喷桩方式加固。由于加固区右线在原设计三轴搅拌桩第22排进行过试桩，只能施工至地表下16米处，不能满足设计18.266米的要求，且第3排和第9排都做过试桩，不能达到设计要求，故将右线原设计调整为素混凝土桩加高压旋喷桩的方式加固，以确保在盾构始发时，凿除车站围护桩后前方土体自稳和很好的防水性能。洞门凿除分两次进行，首先第一步：在后配套拖车下井完成后、盾构机吊装下井前，先破除洞圈范围内围护桩桩身钢筋混凝土，破除砼直到露出靠外侧围护桩主筋为止；然后第二步：在盾构机组装完成，具备始发条件后，割除围护桩剩下的钢筋，钢筋割除后，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。负环管片采用错缝拼装，封顶块选择安装在11点位位置，每环管片脱出盾尾后采用木楔与立架紧固。
2、管片生产
根据管片设计图纸及技术要求，设计出制造管片钢模的图纸，加工钢模，然后进行管片生产。由于管片钢模，加工工艺复杂，故加工周期较长。我标段委托南京力高管片厂生产管片，内径为5500毫米，外径6200毫米，宽1200毫米。在盾构出洞之前，必须生产一定数量的管片，以满足施工需要。
3、熟悉施工图纸和有关的设计资料
学习工程建设单位提供的工程图纸设计和有关的地质资料、施工验收规范和有关的技术规定，通过学习充分了解和掌握设计人员的设计意图、结构特点和技术要求，在开工前或分项工程实施前应有设计单位进行设计交底。
4、了解隧道沿线的地下管线、构筑物及地质情况
对地下管线及地下构筑物，需要了解管线种类结构、类型、埋深等，与隧道的相互关系等情况，对于地面建筑物，需要了解建筑物的种类、结构、基础埋深与隧道的相互关系等情况，然后采取相应的保护措施。
5、编制施工组织设计
编制施工组织设计是施工准备工作的重要组成部分，隧道施工的施组编写要求根据隧道施工的特点，确定各个关键工序的施工技术，合理地布置施工场地，科学地制定施工方案。在隧道施工的施组中，以下工序必须明确：
（1）施工现场总平面布置；
（2）盾构基座及后靠布置形式；
（3）盾构出洞时洞门密封的方式；
（4）盾构出洞地基加固方式；
（5）材料垂直、水平运输的方式及隧道断面布置；
（6）盾构推进的方案、工艺流程；
（7）隧道注浆方法及控制地面沉降的技术措施；
（8）经过特殊路段的施工技术措施；
（9）盾构进洞地基加固方案及盾构进洞方案；

（10）测量方法等。
编写规范的施组还应包括以下内容：
（1）组织管理体系；
（2）质量标准及质量保证措施；
（3）安全生产措施；
（4）文明施工措施；
（5）工程用料及施工用料使用计划；
（6）劳动力使用计划；
（7）施工进度计划。
6、生产物资的准备
生产物资主要包括材料、构件、施工机械。
材料的准备主要是根据图纸和施组的有关要求，并按施工进度、材料名称、规格、数量、使用时间、消耗量编制出材料需要量计划，组织货源、运输、仓储、现场堆放及运输，保证施工顺利进行。构件的准备主要指管片的预生产，并落实运输、堆放，保证按时按量供应。
施工机械的准备，根据所采用的施工方案、施工进度，确定施工机械的类型、数量、进场时间、运输安装方式、放置的位置等，编制施工机械的需要量计划，保证施工顺利进行。
7、劳动力的准备
根据施组中所确定的劳动力使用计划，组织劳动力进场，根据需要对施工人员进行相关的技术培训，同时进行安全、消防和文明施工等方面的教育，安排好职工的生活，向施工人员进行技术交底和质量交底，保证施工质量和进度。
8、施工现场准备
（1）、盾构拼装式拆卸的工作井
作为拼装式拆除盾构的井，其建筑尺寸应满足盾构拼装、拆除的施工工艺要求，一般井宽应大于盾构直径1.6～2.0m，井的长度：盾构推进方向，主要考虑到盾构设备安装余地，以及盾构出洞施工所需最小尺寸。
（2）、盾构基座
盾构基座设置于工作井的底板上，用作安装及搁置盾构，更重要的是通过设在基座上的导轨，使盾构在出洞前就有正确的导向。因此导轨要根据隧道设计轴线及施工要求定出平面、高程、坡度来进行测量定位。
盾构基座可采用钢筋混凝土结构(现浇或预制)或钢结构。导轨夹角一般为60～90°，图4－1所示为常用的钢结构基座。盾构基座除承受盾构自重外，还应考虑盾构切入土层后，进行纠偏时产生的集中荷载。

图4－1盾构基座示意图
(3）、盾构后座（后盾）
在工作井中盾构向前推进、其推力要靠工作井后井壁来承担，因此在盾构与后井壁之间要有传力设施，此设施称为后座，通常采用隧道衬砌、专用顶块、顶撑等组成。
后座不仅要作推进顶力的传递，还是垂直水平运输的转折点。所以后座不能正环，应有开口以作垂直运输通口，而开口尺寸需按盾构施工的出进设备材料尺寸决定，第一环闭口环在其上部要加有后盾支撑，以保盾构顶力传至后进壁。
由于工作井平面位置的施工误差，影响到隧道轴线与后井壁的垂直度，为了调正洞口第一环管片与井壁洞口的相交尺寸，所以后盾管片与后井壁之间产生一定间隙，这间隙采用混凝土填充，可盾构推力均匀地传给后井壁，也为拆除后盾管片提供方便。
（4）、人行楼梯和井内工作平台搭设
在盾构出洞阶段施工期内，还没有形成长隧道，盾构设备无法按正常布置，有一个施工转换过程，在此过程中设备需放在井内，需在井内设置施工平台以放置各种设备。并应在合理位置安装上下楼梯，以供施工人员上下作业面工作。
（5）、盾构施工地面辅助设施
为了确保盾构正常施工，根据盾构的类型和具体施工方法，配备必要的地面辅助设施：
a、做好施工场地的控制网测量，保证施工质量；
b、做好三通一平，根据施工组织设计中的平面布置，设计施工围墙、场区道路、管片堆场，铺设水管、电缆、排水设施、布置场地照明等；
c、要有一定数量管片堆放场地，场内应设置行车或其它起吊和运输设备，以便进行管片防水处理，并能安全迅速地运到工作面。还可根据工程或施工条件，搭设大型工棚或移动式庶雨棚，还应设置防水材料仓库和烘箱；
d、拌浆间：拌制管片壁后注浆的浆体，并配有堆放原材料的仓库；
e、配电间：应由两个电源的变电所供盾构施工用电且两路电源能互相迅速切换，以免电源发生故障而造成工程的安全事故；
f、充电间：负责井下电机车的蓄电池充电，要配有电瓶箱吊装的设备，充电量要满足井下运输电箱更换所需，对充电间地坪等设施应防硫酸处理；
g、空压机房：若采用气压施工，应设置提供必要用气量的空气压缩机和储气筒管路系统要安置有符合卫生要求的滤气器、油水分离器等设备。并由两路电源以保证工作面安全；
h、水泵房：若采用水力机械掘进，或水力管道运土、进行井点降水措施的施工工程，应设水泵房，泵房应设于水源丰富处；

i、地面运输系统：主要通过水平垂直运输设备，将盾构施工所需材料、设备、器具运入工作井的井底车场。还应包括供车辆运输的施工道路，整个系统的组成形式较多；如：垂直运输可采用行车、大吊车、电动葫芦等起重设备，地面水平运输由铲车、汽车、电瓶车等。
根据施工现场的实际条件，结合所配备的起吊机械、运输设备组成合适的盾构施工地面运输系统较理想的形式。将工作井、管片防水制作场地、拌浆间、充电间等布置连成一线，并合理确定行车的数量，实现水平和垂直运输互为一体的系统；
j、盾构出土的配套：盾构法施工掘进是其主要工序之一，所以出土系统设施对盾构施工是至关重要的。
干出土可采用汽车运输，并配有集土坑来确保土体外运，不影响井下盾构施工。水力机械掘进运土，需要有合适的排放容量的沉淀池。对泥水盾构还应考虑泥浆拌制及泥水分离等设施；
k、其它生产设备：一般包括油库、危险品仓库、设备料具间、机械维修间等；
l、通讯设备：为了确保盾构施工安全，隧道施工特点为线长，所以各作业点之间通讯必不可少的，目前通讯采用电话，井下使用的电话必须是防潮、防爆的，在气压施工闸墙内外还须有信号联系；
m、隧道断面布置
隧道断面布置主要考虑隧道内的水平运输，水平运输包括车架的行走以及管片、土箱等的运输，隧道内通常采用轨道运输，在断面布置时要确定轨枕的高度、轨道的轨距等主要尺寸，轨道的安装必须规范，压板、夹板必须齐全，防止轨距变化引起车辆出轨。对于水力机械出土的盾构来说，隧道断面布置还必须考虑进出水管的布置及接力泵的安装部位，布置时要考虑管路接头方便，便于搬运和固定，上述装置不得侵入轨道运输的界限。人行通道所用的走道板宽度要大于50cm，与电机车的安全距离大于30cm，净空高度大于1.8m。隧道断面还要布置隧道的照明及其供电、盾构动力电缆、通风管路及接力风机、隧道内清洗及排污的管路等；
n、车架转换
对于工作井空间较小，车架不能一次到位环境，则需要采取车架转换措施，即盾构出洞阶段车架与盾构分离，通过转换油管、电缆等连接车架与盾构，待盾构推进一段距离，隧道内能容纳车架长度时，再拆除转换管路，将车架吊入隧道与盾构相连，达到正常施工的状态；
o、井底车场的布置
待盾构出洞，推进一定距离后，管片与土体的摩擦力能平衡盾构的推进反作用力时，即可拆除后盾支撑和后盾管片，充分利用井内的空间，在井底形成一个井底车场，通过搭建平台，铺设双轨等措施来提高水平运输的能力，加快施工进度。
第五节 盾构的进、出洞技术
盾构的出进洞是盾构法施工的重要环节，涉及到工作井洞门的形式、盾构内设备的布置、隧道出、进洞施工土体加固方法、防止及减少地面沉降等技术方案。所以出、进洞的施工技术、方法、措施合理，能减少许多“后患”保证了施工的速度和安全。
应根据施工条件、方法选择相应的出、进洞的方法。有临时基坑法、逐步掘进法、工作井进出洞法。我标段在本区间采用的是工作井进出洞法，在车站的端头壁上预留洞及临时封门，盾构在井内安装就位。所有掘进准备工作结束后，即可拆除临时封门，使盾构进入地层。同样，在掘进快到达终点时，提前拆除端头临时洞门，使盾构出洞。
1、盾构出洞
（1）盾构出洞准备工作

a、井内的盾构后盾管片布置及后座混凝土浇筑
盾构后盾由负环管片组合而成，根据施工情况确定开口环、闭口环的数量。在开口环后部用56#工字钢3榀及细石混凝土嵌实，在3榀工字钢后用Φ609mm钢支撑撑紧，盾构掘进的轴向力由其传递至站台。
b、洞口止水装置的安装
井壁洞口内径与盾构外径存在环形建筑空隙，为了防止盾构出洞时土体从间隙处流失，洞圈内安装橡胶帘布环状板、扇形板等组成的密封装置，作为施工阶段临时防泥水措施。
c、洞门混凝土凿除
洞门混凝土凿除，先凿除洞圈内大部分钢筋混凝土，外壁留20cm混凝土，并把它分9块，凿出外排钢筋，在盾构与槽壁之间搭设脚手架，进行施工作业。
（2）盾构出洞
a、出洞口加固土体达到强度；后盾负环拼装；盾构调试完成后，拉去洞圈内钢筋混凝土网片；盾构靠上加固土体；调整洞口止水装置为防止盾构出洞时正面土体的流失,在盾构切口前端距离洞口加固土体一定距离时，利用螺旋机反转法向盾构的正面灌注粘土，建立土压力达施工要求。
b、盾构推进前,为减少盾构的推进阻力,在盾构基座轨道面上涂抹牛油；避免刀盘上的刀头损坏洞门密封装置,在刀头和密封装置上亦涂抹油脂；盾尾钢刷填满密封油脂。
c、盾构后盾支撑
当第一环闭口环管片脱出盾尾后,立刻进行后盾支撑的安装。用56#工字钢设置p字支撑,并用f609的钢支撑轴向传力至井壁。这样,盾构出洞推进时千斤顶的油压及位置有较大的选择范围,以便控制盾构出洞时的轴线。后盾支撑完善后,在盾构推进时,要密切观察后靠的变形情况,以防止形变过大而造成的破坏。

图5－1盾构出洞施工工艺示意图

2、盾构进洞
（1）盾构接收井的准备
盾构接收井施工完成后，对洞门位置的中心坐标测量确认，安装盾构接收基座(参照出洞盾构基座安装形式)，接收井内混凝土洞门凿除和洞门封堵材料等各项工作全部准备就绪。
（2）盾构姿态的复核测量
盾构进洞前100m作隧道贯通测量，进洞口中心坐标测量，该项复测要求两次。根据测量数据及时调整盾构推进姿态，确保盾构顺利进洞。
（3）盾构进洞
a、洞门混凝土拆除
当盾构逐渐靠近洞门时，要在洞门混凝土上开设观察孔加强对其变形和土体的观测，并控制好推进时的土压值。在盾构切口距洞门20～50cm时,停止盾构推进，尽可能掏空平衡仓内的泥土使正面的土压力降到最低值，以确保混凝土封门拆除的施工安全。混凝土封门拆除的方法与出洞时基本相同。
b、在洞门混凝土吊除后，盾构应尽快连续推进并拼装管片，尽量缩短盾构进洞时间。
c、洞圈特殊环管片脱出盾尾后，将用弧形钢板与其焊接成一个整体，并用水硬性浆液将管片和洞圈的间隙进行充填，以防止水土流失。
3、盾构过中间风井技术
我标段因区间较长，中间设风井一座，因此有通过中间风井的掘进控制。在施工中间风井时，已经将盾构过中间风井考虑其中，包括设置临时洞门、砼导台（供盾构过站基座铺设使用），负环管片拼装方式采取一整环一半环间隔拼装,需要两组半环（A型）管片，既保证盾构安全过站，也方便以后负环管片的拆除。见图5-2。

图5-2 管片排列示意图