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1、富水砂卵石地层土压平衡盾构施工工法中铁隧道股份有限公司章龙管、杨书江、罗松一、前言盾构施工以其安全、快速、高效在国内外地下工程，尤其是城市地下铁道建设中得到越来越广泛的应用。但是，在富水砂卵石地层中还没有采用过。在使用盾构法进行城市地铁隧道修建中，不可避免的要对线路沿线地面建（构）筑物造成一定程度的影响，要求在盾构施工时既要保证盾构施工隧道本身的安全，还要解决好盾构穿越地层时对邻近既有建（构）筑物的影响问题。成都地铁一号线四标区间隧道沿成都市南北城市交通主干道人民南路下放穿行，沿线建（构）筑物众多，管线密集，盾构隧道全长4878.9m，埋深915米,隧道洞身地层基本为全断面砂卵石层，国内尚无在
2、该地层中盾构掘进施工的工程实例。在施工中，需要防止由于盾构隧道施工引起的地层移动和地表沉降，避免地表及周边既有建（构）筑物发生过量变形与破坏，是一具有相当难度的技术难题。如何解决盾构设备配套、碴土改良和同步注浆等，将成为盾构隧道施工成败的关键，也为以后国内类似工程提供经验和参考。因此，开发此工法非常重要和必要。结合隧道局科研课题“富水含大漂石砂卵石地层盾构施工关键技术研究（隧研合2006-26）”，中铁隧道集团成都地铁项目部开展了科技创新，取得了“富水砂卵石地层土压平衡盾构施工技术”这一新成果。形成了富水砂卵石地层土压平衡盾构施工的施工工法。该工法由于在处理成都特有富水砂卵石地层盾构掘进进度，
3、施工质量以及盾构施工对既有建筑物、管线影响方面效果均较明显，技术先进，故有显著的社会效益和经济效益。二、工法特点富水砂卵石地层土压平衡盾构施工工法具有施工质量高、施工进度快、施工安全对地面影响小的特点。（一）、施工质量高该工法在成都特有的富水砂卵石地层中施工效果好，施工质量高。成型隧道各方面指标均符合国家规范要求，管片错台、破损、渗漏均和少发生。（二）、施工进度快该工法在成都特有的富水砂卵石地层中还体现出施工进度快的特点。盾构机于2007年9月8日在现场组装完成并顺利始发，2008年1月29日完成火桐区间945.1米的掘进，区间顺利贯通。2月1日至2月28日盾构机过桐梓林站，2月28日在桐梓林
4、站始发，截至4月26日桐倪区间已掘进494.5米。左线最新最高月进度2008年3月1日3月31日掘进234环，共357米，创造了在成都特有富水砂卵石中盾构掘进新记录。（三）、施工安全对地面影响小该工法施工不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响，地面人文自然景观也受到良好的保护，周围环境不受施工干扰；土压力平衡盾构在施工过程中对地表影响与浅埋暗挖等其他施工方法比较较小，且更易控制，地表相对安全。按欧美和日本的施工经验，地层渗透系数与盾构选型关系示意图，则应选择泥水盾构，但通过实践证明，针对成都地铁的水文地质条件，该盾构选型示意图并不是唯一条件，还有砂卵石的含量、粒径，地层的富水等
5、条件。在做好针对本水文地质在刀盘设计、刀具布置、刀盘开口率、推力主驱动能力配置的情况下，土压力盾构是完全能够满足成都特有水文地质条件下的施工要求的。三、适用范围富水砂卵石地层中，临近建（构）筑物、管线密集、地面条件限制、地层构造复杂的土压平衡盾构地下工程施工。四、工艺原理盾构法隧道的基本原理是用一件有形的钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体而向前推进。这个钢质组件在初步或最终隧道衬砌建成前，主要起防护开挖出的土体、保证作业人员和机械设备安全的作用，这个钢质组件被简称为盾构。盾构另一个作用是能够承受来自地层的压力，防治地下水或流沙的入侵。土压平衡盾构属封闭式盾构。盾构推进时，其前端刀盘旋转掘削地层土体
6、，切削下来的土体进入土舱。当土体充满土舱时，其被动土压与掘削面上的土、水压基本相同，故掘削面实现平衡(即稳定)。示意图如图4.1所示。由图可知，这类盾构靠螺旋输送机将碴土(即掘削弃土)排送至碴斗，运至地表。由装在螺旋输送机排土口处的滑动闸门或旋转漏斗控制出土量，确保掘削面稳定。图4.1 土压力平衡盾构工作原理图五、工艺流程及操作要点（一）、施工工艺流程施工准备盾构选型盾构组装调试盾构始发试掘进盾构正常掘进盾构到达施工。（二）、施工操作要点1、砂卵石地层盾构隧道土压平衡盾构选型（1）、选型依据和选型原则盾构机的性能及其与地质条件的适应性是盾构隧道施工成败的关键。本标段盾构选型主要依据成都地铁1号
7、线一期工程【火车南站站桐梓林站倪家桥站省体育馆站】招标设计、岩土工程勘察报告和设计图纸，参考国内已有盾构工程实例及相关的盾构技术规范，结合我公司多年来地铁工程实际施工中积累的盾构施工经验，按照适用性、可靠性、先进性、经济性相统一的原则进行盾构机的选型。（2）、本工程盾构机的设计特点针对工程条件及工程地质特点，盾构机应具备以下功能特点：基本功能要求盾构具有开挖系统、出碴系统、碴土改良系统、管片安装系统、注浆系统、动力系统、控制系统等基本功能。对特殊地质的适应性盾构在本标段地质条件下长距离掘进时应重点考虑以下功能： 足够的刀盘驱动扭矩和推力； 合理的刀盘及刀具设计，刀盘开口率、开口位置合理，刀具数
8、量和配置、刀具硬度足够； 能够对较大的漂石进行破碎； 盾构能有效地防止喷涌； 出碴系统能满足输送大粒径的卵石； 人舱设计合理，能够在高水压的情况下更换刀具；精确的方向控制本工程在500m的曲线半径及较长的盾构区间施工，要求盾构的导向系统具有很高的精度，以保证线路方向的正确性。盾构方向的控制包括两个方面：一是盾构本身能够纠偏、转向，二是采用先进的激光导向技术保证盾构掘进方向的正确。环境保护盾构法施工的环境保护包括两个方面：首先是盾构施工时对地面沉降满足设计要求，无大的噪声、震动；再者要求盾构施工时使用的辅助材料如油脂、泡沫、泥浆添加剂等不能对环境造成污染。掘进速度满足计划工期要求考虑本工程地质特
9、点以及区间附属工程、盾构过站等因素，工期安排比较紧张。这要求盾构机要具有较高的掘进速度指标，良好的碴土输送、处理能力，按业主要求完成隧道施工。设备可靠性、技术先进性与经济性的统一盾构的可靠性是工程施工的重要保障，在进行盾构选型及设计应该遵循可靠性第一，技术先进性第二，经济性第三的原则。（3）、盾构的可靠性针对本工程的重、难点，盾构机的可靠性主要表现在以下几个方面：对地质的适应性a合理的刀盘及出碴系统的设计，同时加注辅助材料如泡沫、膨润土、聚合物等进行碴土改良，在有效地控制掌子面及地表稳定的同时减少了刀盘、刀具及螺旋带的磨损，防止了碴土喷涌；b根据国内外类似工程及我公司在成都地铁一号线的施工经验
10、，合理选取掘进参数及施工方案，有效地延长刀具的寿命，降低换刀风险；c局部气压平衡系统及人员舱的使用，有效地降低了换刀的风险，并避免了地面加固带来的不必要的麻烦；设备本身的可靠性选用世界知名盾构厂商的产品，并进行合理的配置，无论从性能、质量、使用寿命等方面均能满足本工程的要求。（4）、盾构机型式的确定根据本标段的工程地质条件、工期及施工要求，结合国内外类似工程盾构的选型及我公司地铁施工的经验，认为土压平衡盾构能够满足本标段施工。盾构选型应该按照适应工程绝大部分地层施工的原则来进行。土压平衡盾构能够适应较大的地质范围与地质条件，既能用于粘结性、非粘结性、有水或无水的软土、硬岩或卵石土层等多种复杂的
11、地层；同时又具有土压平衡盾构的功能，施工速度较高，能有效的控制地表沉降。经过采取适当的辅助措施如加泥（膨润土）、加泡沫、聚合物等，可以在松散的砂、卵地层中很好地稳定开挖面，增强不透水性，从而可靠安全地掘进；特别是双螺旋的采用，即使土仓内的碴土处于液态状态，仍能连续出碴而不会发生喷涌，保证含水较高地层施工的安全可靠。另外土压平衡盾构的作业设备人员仓加压系统、碴土报警系统及盾构良好的密闭性能也为工程提供了可靠的保障。（5）、选定盾构机概况用于本工程的盾构具有开挖系统、出碴系统、碴土改良系统、管片安装系统、注浆系统、动力系统、控制系统、测量导向系统等基本功能。盾构在土压平衡模式下工作时，应具备以下功
12、能特点： 盾构必须具有土仓土压监测功能，以便对土仓内的土压进行监控和调节； 刀盘一定要适应软岩、卵石土开挖的需要，特别是刀盘开口率、刀盘开口的布置以及配置的刀具必须适应于软岩、卵石土层的开挖； 由于成都地铁是富水砂卵石地层，螺旋输送机的叶片能够满足进入土仓内的卵石在螺旋输送机内顺畅排出； 盾构必须具有泡沫、膨润土、聚合物等添加剂和压缩空气注入系统； 盾体本身必须具有一定的密封防水性能，铰接密封和盾尾密封必须具有一定的防水性能； 刀盘的主轴承密封必须能承受一定的土压力； 用于在压力模式下人员进出土仓的人舱； 螺旋输送机的出碴速度可以控制，可以随时关闭，并具有防喷涌的功能，螺旋输送机的叶片能满足进
13、入土仓内的卵石在螺旋输送机内顺畅排除；2、盾构始发试掘进（1）、盾构始发盾构机始发包括延长洞门安装、洞门凿除、始发台安装等一系列工作，始发流程见图5.1。图5.1 始发流程框图始发端头地层加固盾尾通过洞口密封后进行注浆回填安负环管片、盾构负载调试安装始发基座盾构机组装、空载调试安装反力架、洞口洞门密封盾构掘进与管片安装延长洞门安装、洞门凿除在成都地铁特有富水砂卵石地层中施工中，端头采用了玻璃纤维筋围护，因此在始发掘进时需要配合使用延长洞门装置。洞门延长装置见图5.2。图5.2 洞门延长装置图盾构始发掘进技术要点如下：在盾尾壳体内安装管片支撑垫块，为管片在盾尾内的定位做好准备。负环管片安装前在盾
14、尾内侧标出第一环负环管片的位置和封顶块的偏转角度，管片安装顺序与正常掘进时相同。安装拱部的管片时，由于管片支撑不足，要及时垫方木进行加固。第一环负环管片拼装完成后，用推进油缸把管片推出盾尾，并施加一定的推力把管片压紧在反力架上，即可开始下一环管片的安装。管片在被推出盾尾时，要及时进行支撑加固，防止管片下沉或失圆。同时也要考虑到盾构推进时可能产生的偏心力，因此支撑应尽可能的稳固。在始发阶段要注意推力、扭矩的控制，同时也要注意各部位油脂的有效使用。总推力不超过反力架承受能力，同时确保在此推力下刀具切入地层所产生的扭矩小于始发台提供的反扭矩。（2）、盾构试掘进盾构开始掘进的90m称为试掘进段。完成本
15、段掘进后拆除负环管片，通过试掘进段拟达到以下目的：对盾构进一步调试，摸索适应于本标段地层的掘进参数和掘进模式。了解和认识本工程的地质条件，掌握在该地质条件下盾构机的施工方法。收集、整理、分析、归纳总结掘进参数，制定正常掘进时的操作规程，实现快速、连续的掘进。熟悉管片拼装的操作工序，提高拼装质量，加快施工进度。加强对地面变形情况的监测分析，及时反映盾构试掘进过程中对周围环境的影响，掌握盾构推进参数及同步注浆量。摸索出在本标段地层中盾构姿态的控制方法。盾构始发掘进中破玻璃纤维筋桩与在原状土中掘进参数对照如表5.1。表5.1 盾构掘进参数对照表掘进施工参数工程地质土仓压力（bar）刀盘转速（rpm）
16、推力（t）掘进速度(mm/m)刀具贯入量(mm/r)0.60.60.8800t1095%，即固结收缩率5%。浆液稠度：812cm浆液稳定性：倾析率（静置沉淀后上浮水体积与总体积之比）小于5%。（2）、同步注浆施工技术注浆工艺注浆工艺流程见图5.12。图5.12 注浆工艺流程图注浆方式选择注浆开始管理基准值监 视制浆、现场试验注浆压力、注浆量图表与计划值注浆完毕注浆效果检查判 定变形监测分析判 断二次补强注浆不合要求符合要求情况正常情况异常情况异常情况正常计划值同步注浆同步注浆采用设备配置的2台双活塞注浆泵在盾尾分4路同时注入。a注浆模式注浆可根据需要采用自动控制或手动控制方式，自动控制方式即预
17、先设定注浆压力，由控制程序自动调整注浆速度，当注浆压力达到设定值时，自行停止注浆。手动控制方式则由人工根据掘进情况随时调整注浆流量，以防注浆速度过快，而影响注浆效果。一般不从预留注浆孔注浆，以大大降低从管片渗漏水的可能。b注浆设备配制搅拌站：在洞外施工场地配置自行设计建造的砂浆搅拌站一座，搅拌能力30m3/h。同步注浆系统：配备KSP液压注浆泵2台，注浆能力210m3/h，4个盾尾注入管口及其配套管路，并预留4个盾尾注入管。c主要参数注浆压力：同步注浆时要求在地层中的浆液压力大于该点的静止水压及土压力之和，做到尽量填补而不劈裂。注浆压力过大，隧道将会被浆液扰动而造成后期地层沉降及隧道本身的沉降
18、，并易造成跑浆；注浆压力过小，浆液填充速度过慢，填充不充足，会使地表变形增大。同步注浆压力设定为0.20.4MPa，并根据监控量测结果作适当调整。注浆量：同步注浆量为建筑间隙的130%180%，即为5.3m37.3m3/环。注浆时间及速度：盾构机掘进的同时，进行同步注浆，同步注浆的速度与盾构机推进速度相匹配。注浆顺序：采用4个注浆孔同时压注，在每个注浆孔出口设置压力检测器，以便对各注浆孔的注浆压力和注浆量进行检测与控制，从而实现对管片背后的对称均匀压注。d注浆结束标准和注浆效果检查采用双指标标准，即注浆压力达到设计压力或注浆压力未达到设计压力，但注浆量达到设计注浆量，即可停止注入。注浆效果检查
19、主要采用分析法，即根据P-Q-t曲线，结合掘进速度及衬砌、地表与周围建筑物变形量测结果进行综合分析判断。必要时采用无损探测法进行效果检查。8、施工中出现问题的及时处理（1）、土压力不稳定且不易保持成都特有的富水砂卵石地层中，盾构掘进时土压力不稳定且不易保持，时常出现波动。原因分析由于成都地层的特殊性，富水砂卵石地层由大中粒径卵石、砾石及小微粒径沙砾组成，成份具有不均一性，在盾构土压力仓内不能形成均一的流塑体，因此盾构在该地层中掘进时表现出土压力不稳定且不易保持，时常发生波动。处理措施a从碴土改良出发，加入泡沫剂、膨润土等改变碴土的性状，增强其流塑性，达到稳定土压力保持掌子面稳定的目的。b土压平
20、衡盾构掘进中以总推力为指导，作为与掌子面平衡的一项参考指标，来保证开挖面的土压力平衡。（2）、出碴量不易控制成都特有的富水砂卵石地层中，盾构掘进时除碴量不易控制，易发生超欠挖。原因分析成都特有富对砂卵石地层，在富水饱和条件下是极不稳定的。盾构掘进时，若碴土改良存在问题，掌子面极易发生坍塌，使得出碴量不易有效控制，造成超挖，严重时发生地表塌陷。处理措施a加强碴土改良，使出碴量可控，防止发生掌子面坍塌。b盾构机不连续掘进时，掌子面易发生坍塌，造成超挖塌陷。加强掘进控制，尽量减小由于机械故障等原因引起的停机，提高掘进的连续性。（3）、刀盘、刀具磨损严重成都特有的富水砂卵石地层，掘进时砂卵石对盾构机刀
21、盘、刀具磨损严重。原因分析成都地层砂卵石中石英含量高，硬度大，在该地层中掘进，刀盘、刀具磨损严重。处理措施a盾构耐磨设计刀盘正面及侧边缘焊接碳化铬超硬耐磨板，同时采用加压油式刀具磨损监控系统，可分别在刀具磨损达到8mm和16mm以及刀盘耐磨板到达磨损极限前给予提醒。b从碴土改良入手，在盾构掘进中，适量加入泡沫剂、膨润土等，可有效降低刀盘、刀具的磨损，延长使用时间。六、材料与设备（一）、材料本工法采用主要材料见表6.1。表6.1 主要材料供应计划表序号材料名称单位数量1隧道掘进膨润土m3238022泡沫剂Kg952083同步注浆材料水泥T42844砂m3209465膨润土T14286粉煤灰T99977隧道材料管片环32538连接螺栓（纵向）根390369连接螺栓（横向）根3253010遇水膨胀橡胶付325311密封垫套325312施工材料钢管（80）M476013钢管（100）M952114钢轨（43Kg/m）T40715轨枕根479016人行踏板M476017电缆（0.4Kv）M1904218通风管（1000）M4760（二）、设备本工法采用
