富水砂卵石地层土压平衡盾构施工工法#图文丰富#内附表格#排列工整

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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：Ø 足够的刀盘驱动扭矩和推力；Ø 合理的刀盘及刀具设计，刀盘开口

8、率、开口位置合理，刀具数量和配置、刀具硬度足够；Ø 能够对较大的漂石进行破碎；Ø 盾构能有效地防止喷涌；Ø 出碴系统能满足输送大粒径的卵石；Ø 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、

9、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

10、，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，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

11、，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

12、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，应具备以下功能特点：Ø 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；Ø 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；Ø 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；Ø 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；Ø 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；Ø 刀盘的主轴承密封必须能承

13、受一定的土压力；Ø 用于在压力模式下人员进出土仓的人舱；Ø 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

14、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

15、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

16、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）推力（t）掘进速度(mm/m)刀具贯入量(mm/r)0.60.60.8<800t<10<16玻璃纤维筋围护桩1.01.01.29001000t15201216砂卵石、粉细砂原状地层3、盾构正常掘进（1）、盾构掘进流程及操作控制程序土压盾构施工洞内水平运输采用编组列车进行，两列编组配置相同，每掘进一环使用一列编组列车。具体编组为：35t机车+4节18m3碴车+1节6m3砂浆车+2节管片车。编组列车如图5.3所示。

17、图5.3 编组列车示意图3、18 m3矿车1、15t管片车2、6m3砂浆车4、35t电机车盾构掘进作业流程如图5.4。图5.4 盾构掘进作业工序流程图开始设置管理基准1号编组列车进洞开挖掘进同步注浆是否掘进至1.5米管片拼装延伸轨排是否1号列车出洞2号列车进洞下一循环是否开挖是否达到6米（2）、正常掘进主要施工掘进参数盾构正常掘进主要掘进参数见表5.2。表5.2 盾构正常掘进主要参数表掘进施工参数工程地质土仓压力（bar）刀盘转速（rpm）推力（t）掘进速度(mm/m)刀具贯入量(mm/r)0.91.31.01.212001500t40604050砂卵石、粉细砂原状地层（3）、正常掘进质量控制

18、措施盾构机在完成试掘进后，将对掘进参数进行必要的调整，为后续的正常掘进提供条件。主要内容包括：根据地质条件和试掘进过程中的监测结果进一步优化掘进参数。正常推进阶段采用90m试掘进阶段掌握的最佳施工参数。通过加强施工监测，不断地完善施工工艺，控制地面沉降。推进过程中，严格控制好推进速度，不断将人工测量结果地电子测量系统的数据进行比较，发现问题及时调整，将偏差控制在误差范围内。根据技术交底设定的参数推进，推进出土与衬砌背后注浆同步进行。不断完善施工工艺，控制施工后地表最大变形量在+10-30mm之内。掘进过程中平稳调整盾构姿态，隧道轴线和折角变化控制在0.4%范围内。盾构掘进施工过程中严格受控，工

19、程技术人员根据地质变化、隧道埋深、地面荷载、地表沉降、盾构姿态、刀盘扭矩、千斤顶推力等各种勘探、测量数据信息，正确下达每班掘进指令，并即时跟踪调整。盾构操作人员严格执行指令，谨慎操作，对初始出现的小偏差应及时纠正，应尽量避免盾构机走“蛇”形，盾构机一次纠偏量不宜过大，以减少对地层的扰动。做好施工记录，记录内容有如表5.3所示。表5.3 施工记录项目表序号隧道掘进同步注浆测量1施工进度注浆压力盾构倾斜度2油缸行程注浆量隧道椭圆度3掘进速度浆液性质推进总长度4刀盘、螺旋输送机转速浆液配比本环轴心坐标5盾尾间隙/4、盾构到达施工(1)、盾构到达施工流程盾构到达施工流程见图5.5盾构到达工艺流程图。图

20、5.5 盾构到达工艺流程图接收基座的安装与固定洞门凿除端头加固碴土清理到达段的掘进贯通后步进上接收基座洞门密封的安装掘进参数的调整掘进方向的控制（2）、盾构到达段掘进施工主要掘进参数盾构到达段掘进主要施工掘进参数见表5.4。表5.4 盾构到达段掘进主要施工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）推力（t）掘进速度(mm/m)刀具贯入量(mm/r)1.01.01.28001000t152012.520砂卵石、粉细砂原状地层0.60.60.8700800t510817玻璃纤维筋围护桩（3）、盾构到达施工技术要点与措施到达前200m要进行导线和高程测量多层复测，并报监理审核

21、，同时应对到达洞门进行测量，以精确确定其位置。以50m为起点，结合洞门位置，参照设计线路，制定严格的掘进计划，落实到每一环。到达前30m掘进成为到达段施工，在本段施工中主要采取辅助措施加强管片环间连接，以防盾构掘进推力的减少引起环间松动而影响密封止水效果，并且注浆浆液必须密实饱满。到达前6环的掘进参数制定施工计划，以确保到达端墙的稳定和防止地层坍塌。到达端头前6环对注浆材料配合比进行调整，必要时可通过盾构壳体设置的孔向盾壳外注入特殊的止水材料，以防涌水、涌泥而引起地层坍塌。5、盾构刀盘、刀具管理（1）、刀盘盾构刀盘见图5.6。图5.6 S401土压力平衡盾构刀盘图刀盘结构形式刀盘为焊接结构，其

22、上焊接了各种刀座。刀盘和主驱动通过法兰盘连接，用于传递扭矩和推力。刀盘采用双向旋转。刀盘和承压隔板的相对运动以及搅拌棒的安装可以很好地搅拌碴土。刀盘的中央敞开设计可以避免碴土在该处堵塞，也可以限制刀盘结构的磨损。在刀盘开口背面焊接挡板支座，在刀具更换时能有效地防止碴土涌入土仓内，保证人员的安全和换刀的顺利进行。为了保证刀盘整体结构的强度和刚度，刀盘的中心部位采用整体铸钢铸造，周边和中心部件时采用先栓接后焊接的方式连接。刀盘的强度和刚度均满足本标段施工的要求。碴土改良注入口设计刀盘面板上共设计有8个泡沫注入口，隔仓壁上预留4个泡沫注入口备用。泡沫注入口也可以用来加注水、膨润土和添加剂。刀盘的开口

23、形式刀盘有多个开口槽，以利于中心部位碴土的流动；刀盘开口部分加焊隔栅及粒径限制器，把300mm粒径以上的卵石阻止在土仓以外，只允许300mm以下粒径的碴块通过以利于螺旋机的安全输送。耐磨设计刀盘结构的保护是通过在刀盘开口部分和外缘焊接硬化表面。在刀盘每个进碴口的周圈进行硬化处理并堆焊耐磨材料；在刀盘的中心和外缘进行硬化处理并堆焊耐磨材料；在刀盘外圈设有保护刀具。盾构机刀盘的周边焊有两道耐磨条，刀盘的面板用进口焊条焊接有格栅状的耐磨材料，充分保证刀盘在岩层掘进时的耐磨性能。刀具排列的设计也能保护刀盘结构和刀座防止磨损。刀座设计盾构机刀盘上的滚刀刀座、撕裂刀刀座均可以满足互换性要求。刀盘驱动及支撑

24、形式刀盘驱动采用液压驱动，由九个液压马达通过九个减速箱来驱动刀盘。整个液压驱动系统采用闭式系统。刀盘采用中间支撑方式。盾构刀盘主轴承外径3000mm，密封系统由五道密封构成，密封保护通过3种注射实现，主密封的设计寿命为5000h，主轴承的设计寿命为10000h。（2）、刀具刀具形式刀具是根据本标段地层的不同抗压强度和地质特点，根据刀具在该地层中不同的破岩机理来进行设计和选择的。刀盘上可以安装不同类型的刀具以适应不同地层的开挖，主要刀具类型为滚刀、撕裂刀、刮刀、方齿刀，其中滚刀和撕裂刀的刀座形式相同，根据不同的地质类型刀具可以互换。刀具形式见表5.5。表5.5 盾构刀具形式表盾构机刀具配置双刃滚

25、刀用于软、硬岩掘进，卵石、大漂石的破碎，刀刃距刀盘面140mm，可以换装撕裂刀。单刃滚刀用于软、硬岩掘进，卵石、漂石的破碎，刀刃距刀盘面140mm，掌子面与刀盘面间碴土空间大，利于流动，可换撕裂刀。弧形刮刀刀盘弧形周边软土刀具，斜面结构，利于碴土流动。同时在岩层掘进下可用作刮渣，可磨损15mm。撕裂刀用于卵石的破碎，刀刃距刀盘面160mm。方齿刀用来切割软岩地层，并把切削土刮入土仓中，可磨损20mm。刀具布置对刀具的保护不同类型的刀具设计，考虑了全断面卵石土层掘进时对滚刀的保护，而采用撕裂刀距离刀盘面板比滚刀距离刀盘面板高20mm，滚刀距离刀盘面板比刮刀距离刀盘面板高50mm，从而达到保护刀具

26、的目的。不同粒径的卵石的处理粒径低于300mm的卵石可通过刀盘开口直接进入土仓并通过螺旋输送机输出。图5.7 图5.8粒径大于300mm的卵石进行破碎。对较小的卵石，滚刀破碎过程是以其通过线为起点，逐渐产生拉伸力，最终实现卵石破碎。对大直径卵石则从表面出现细小的剥落开始，然后逐渐累积，根据切割连带效果和滚刀的连续运转带来的冲击，以刀尖为起点开始出现裂痕，最后实现破碎。如图5.7、5.8所示：大漂石破碎过程如图5.9所示。图5.9 大直径砾石的破碎过程刀具、刀盘的布局特点对地质的适应性刀盘合理的刀具布局，每把刀可以承受25t的推力，刀盘刀具对于本标段的卵石层是完全适应的。当遇到刀盘的扭矩比较大时

27、，可以通过向掌子面和土舱内加注泡沫、膨润土以及聚合物等添加剂来降低刀盘的扭矩，以实现刀盘的较高转速。在长距离砂卵石地层中掘进要密切注意扭矩变化，及时发现刀具、刀盘的异常情况，适当调整刀盘的扭矩上限设定值，有效地保护刀盘和刀具不受异常损耗。刀具在刀盘背后换装，并配备开口挡板，从而保证安全、高效地更换刀具。（3）、刀具磨损情况及换刀作业刀具磨损情况a中心滚刀本区间中心滚刀的磨损主要是滚刀支架磨损造成刀具的漏油、进砂、弦磨，如图5.10。图5.10 中心滚刀磨损情况图从我们检修情况来看主要是支架的材料硬度不够高，为了防止此类情况的发生我们在新刀与修理的刀具支架及滚刀刀体上都堆焊了耐磨层，如图5.11

28、。从使用情况来看这种防护措施是能够延长刀具支架使用寿命的。图5.11 刀具刀体堆焊耐磨层图b正滚刀滚刀是盾构的主要刀具，从使用情况看，滚刀的失效形式主要有刀圈磨损、刀圈断裂、浮动密封损坏及漏油和轴承损坏。在探索能代替滚刀使用的刀具方面，我部在施工过程中在部分刀位上试装正面羊角刀（强力齿刀），经使用检查发现其完全能够代替滚刀使用，但是在刀盘上同时安装的数量不宜太多，否则会造成刀盘扭矩过大。对于单头羊角刀的使用我部仍在不断摸索、实验，寻找最合适的结构、工艺、材质，一旦有理想使用效果的刀具必然能够在节约刀具成本上向前迈出一大步。c刮刀和齿刀在刮刀、齿刀的选择上我部早已以国产刀具为主，从目前的使用效果

29、来看，国产的刮刀、齿刀已经达到甚至超过进口刀具的使用寿命，且刮刀、齿刀的修复价值不高，用完后基本报废。刀具更换情况S-401盾构机在【火车南站-桐梓林站】区间共掘进630环，累计掘进945.1米。换刀次数6次，平均换刀距离147米。其刀具损耗详情见表5.6。根据对刀具消耗的统计，土压盾构每米刀具消耗成本为2804.17元。表5.6 S-401盾构刀具更换统计表名称中心滚刀中心羊角刀单刃滚刀刮刀正面切刀单头羊角刀刀盘布置数量403216280更换数量1048842564报废数量20942560S401的刀具磨损情况属正常的分散型磨损，有时刀盘中心半径为1710mm的范围内结泥饼造成滚刀偏磨，这种

30、情况一般从掘进参数的变化可以看出，能够及时处理。（4）、换刀加固方案的选择就成都特有的富水砂卵石地层而言，换刀相当频繁。根据本工程前几次换刀经验认识到，在富水砂卵石地层开仓换刀，掌子面土体稳定性差，砂卵石地层遇水易坍塌。在该地质条件下，必须对换刀位置进行降水并辅以注浆、旋喷、人工挖孔桩或灌注桩等加固措施，否则难以保证换刀处掌子面的稳定。目前我项目采用了降水、注浆、旋喷、人工挖孔桩等多种加固方法进行了换刀位置的加固，基本保证了刀盘修复和刀具更换作业的顺利进行。但加固效果仍然有待加强，施工过程中安全风险相对较大，而且部分换刀位置没有地表加固条件。在没有地表加固条件的情况下，我项目部已成功实现带压进

31、仓更换刀具工作。但带压进仓不能动火切割、焊接，且更换进度较加固常压开仓慢，因此存在一定的缺陷。所以在具有加固条件的情况下，首先选用加固后常压开仓换刀。6、砂卵石地层土压平衡盾构碴土改良和开挖面稳定技术（1）、碴土改良碴土改良的目的是：降低碴土的内摩擦角，降低刀盘的扭矩，增加碴土的流动性、渗透性，从而达到堵水、减磨、降扭及保压的效果。在本标段施工中，盾构机配有两套碴土改良系统：泡沫系统、膨润土（泥浆）系统。两者共用一套输送管路，所有管路经旋转接头均可到达刀盘面板。泡沫系统泡沫系统主要由泡沫泵、水泵、电磁流量阀、泡沫发生器、压力传感器和管路组成。泡沫系统在刀盘和螺旋输送机共设置14路泡沫孔，其中刀

32、盘面八路、土仓隔板预留四路、螺旋输送机设置2路。土仓隔板预留四路泡沫孔又兼作膨润土等的注入孔。其工作原理如图5.11所示。图5.11 泡沫及膨润土系统示意图膨润土（泥浆）系统在确定不使用泡沫剂的情况下，关闭泡沫输送管道，同时将膨润土（泥浆）输送管道打开，通过膨润土（泥浆）输送泵将泥浆或者膨润土压入刀盘、土仓和螺旋输送机内，达到改良碴土地目的。聚合物注入系统聚合物可以和泡沫一起注入以改善泡沫的使用性能，也可以根据情况单独注入。当地层存在喷涌的危险时，在螺旋输送机中很难形成土柱，注入的泡沫容易被螺旋输送机里的水冲掉，用泡沫的方法难以维持机器前端的泥土压力。此时采用添加聚合物的方法有利于形成土塞的，

33、注入的泡沫就能保持刀盘前部泥水压力。通过泡沫、膨润土及聚合物系统同时对碴土进行改良，系统性能良好，完全能够满足本工程的需要。（2）、开挖面稳定对成都特有的富水砂卵石地层，海瑞克盾构做出了如下针对性设计：加入约10的膨润土以及粘土组成的泥浆用以改良碴土。在螺旋机入口的两侧备有纯聚合物溶液注入口，胶化稀碴以进一步加强“土塞”作用，防止喷涌。旋转接头有各自独立的膨润土和泡沫通路，并均能注入刀盘前面，保证与碴土的充分混合和搅拌，形成非渗透性和塑流性的碴土。主轴承芯部的隔板是固定的并有搅拌棒，以加强土仓内的整体搅拌效果。螺旋输送机采用双螺旋。经过采取如加泥（膨润土）、加泡沫、聚合物等措施，可以在松散的砂

34、、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。合理的刀盘及出碴系统等设计，同时加注辅助材料如泡沫、膨润土、聚合物等进行碴土改良，有效地控制了开挖面及地表稳定。7、同步注浆浆液配制及施工技术（1）、浆液配制注浆配比由于盾构隧道穿越卵石土层，同步注浆采用水泥砂浆，浆液的初步配比如表5.7。表5.7 同步注浆材料配比表水泥（kg）粉煤灰（kg）膨润土（kg）砂（kg）水（kg）黄粘土（kg）外加剂12618072720480216据试验加入浆液主要性能指标胶凝时间：一般为31

35、0h，根据地层条件和掘进速度，通过现场试验加入促凝剂及变更配比来调整胶凝时间。固结体强度：一天不小于0.2MPa，28天不小于2.5MPa。浆液结石率：>95%，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

36、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2×10m3/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

37、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，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，

38、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

39、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

40、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

41、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）、设备本工法采用的机械设备见表6.2。表6.2 拟投入的设备表序号设备（仪器）名称规格及型号数量用途1土压平衡盾构机6280mm1台掘进2交直变频电力机车JXK-

42、352台运输3电瓶车蓄电池组540V4组机车供电4砂浆运输车SJ-72台砂浆运输5管片车GP124节管片运输6门式起重机45T1台垂直运输7门式起重机16T1台垂直运输8砂浆搅拌站HZ-251套砂浆加工9通风机SFD（c）10#1台隧道通风10潜水泵Q4型3台排水11钢筋切断机BX3-3003台钢筋加工12钢筋弯曲机DW-4503台钢筋加工13钢筋弯孤机自制1座钢筋加工14弧焊机管片厂供1座钢筋加工15钢筋骨架部件定位焊台管片厂供2个钢筋加工16钢筋笼定位焊接台管片厂供1台钢筋加工17混凝土储料斗管片厂供1台砼运输18移动式混凝土浇注机2V1-(0.6)/71台砼浇筑19管片翻转机管片厂供2台

43、管片翻转20空压机管片厂供1套模具清理21内燃空压机VY-1271台开挖22风镐G016把开挖23挖掘机PC2001台倒碴24自卸车10m37台运碴25电焊机BX4004台机加工26柴油发电机250KW1台备用电源27箱式变电站2000KVA2台引入高压电28精密水准仪DSZ-21台测量监控29全站仪TCA11031台测量监控30全自动测量系统盾构机配备2套测量监控31铟钢板尺TSG5-32把测量监控32水位观测仪SWJ-901台测量监控33水准仪SY-12台测量监控七、质量控制（一）、工程质量控制标准1、钢筋混凝土管片制作（1）、钢筋骨架制作混凝土管片的钢筋骨架采用焊接并在靠模上制作成型。钢

44、筋骨架制作允许误差应符合表7.1的规定。表7.1 钢筋骨架制作允许误差项目允许偏差（mm）主筋间距±10箍筋间距±10分布筋间距±5骨架长、宽、高+5-10环、纵向螺栓孔畅通、内圆面平整（2）、成型管片钢筋混凝土管片制作应符合下列规定：混凝土抗压强度和抗渗压力应符合设计要求。表面应平整，无缺棱、掉角、麻面和露筋。尺寸允许偏差应符合表7.2的规定表7.2 钢筋混凝土管片尺寸允许偏差值项目检查点数允许偏差(mm)宽度测3个点±1弧弦长测3个点±1厚度测3个点+3-12、钢筋混凝土管片拼装管片拼装后，应进行记录，并进行检验，其质量应满足盾构法隧道施工

45、与验收规范（GB51446-2008）的要求，具体规定如下：管片拼装过程中应对隧道轴线和高程进行控制，隧道轴线和高程允许偏差值为±50mm；施工过程中，管片拼装允许误差为：管片的径向错台5mm，管片环面错台6mm，衬砌环直径椭圆度小于±5D。环向及纵向螺栓应全部安装，螺栓应拧紧。（二）、工程质量保证措施1、盾构隧道成型质量保证措施加强盾构机掘进控制，保持良好的盾构机姿态；掘进前，根据图纸、地质情况，拟定盾构机的掘进姿态，包括盾构机的走向、速度等，指导施工；掘进时，主司机和值班工程师根据实际掘进的情况，及时调整盾构机的掘进方向和速度，以适应地层、线路情况的变化；施工与监测紧密

46、配合，发现异常，及时采取必要的措施；掘进后，根据收集的掘进信息，分析、整理、归纳，反馈信息，指导下一步施工并积累经验。2、加强管片生产质量控制，确保管片制造精度模具精度控制在允许误差之内，要有足够的强度、防水密封性；对管片的钢筋、混凝土、粗细骨料、粉煤灰、外加剂的质量严格控制，选择适时的配比，派专人负责生产，严把管片生产质量关；管片堆放要符合要求，养护结束前，不许叠放；每块管片必须经过严格的质量检验，并须逐块填写好检验表，检验合格后的管片应在规定部位进行标识，合格的管片才能运出，管片运到工地后，须经盾构施工单位验收合格后，方可认为管片出厂。3、做好管片选型，合理拟合设计线路并与盾构机当前姿态相

47、符提高管片拼装精度；选用熟练的技术工人进行拼装，定时检修，养护管片安装机，加强二次紧固，确保安装质量。4、合理选取同步注浆参数，确保管片受力均匀并尽早获得稳定注浆前进行配合比试验，选出最佳配合比，并根据不同地质情况，适时调整配合比，严格控制砂浆的搅拌质量；注浆饱满，必要时采用二次补强注浆；同步注浆速度应与掘进速度相匹配，按盾构完成一环1.5m掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度。5、做好管片缺陷修补管片拼装后对其缺陷进行修补，所用材料为胶皇、水泥、微膨水泥和水，保证隧道衬砌良好的外观质量。6、管片安装质量保证措施管片防水材料质量保证措施粘接剂应涂刷均匀饱满、防水橡胶条和泡沫衬垫粘贴平

48、整牢固，腻子片嵌贴严密稳固，位置准确，不得有起鼓、超长和缺口现象；螺栓衬垫应严密，不得有裂隙，使用前检查，发现损坏立即更换，不得使用；嵌缝之前将槽内清理干净，无杂质碎屑，嵌缝材料的种类、规格和质量符合设计和规范要求，并通过监理检验后方可实施。加强管片运输过程保护，运输前制定切实可行的方案和各种预备工作，采用专用运输车运输，确保管片在运输和吊运途中不受损或毁坏；正确进行管片选型作业前根据掘进情况对管片正确选型。规范管片安装操作拼装时应先底部就位，然后自下而上左右交叉安装，每环相邻管片摆布均匀并控制环面平整度和封口尺寸，最后插入封顶块。严格进行管片螺栓复紧连接螺栓先初步拧紧，脱出盾尾后复紧。当后续

49、掘进至每环管片拼装前，对相邻已成环的3环范围内管片螺栓进行全面检查并复紧。合理选取同步注浆参数注浆前进行配合比试验，选出最佳配合比，并根据不同地质情况，适时调整配合比，严格控制注浆量及注浆压力，时间充分，保证同步注浆速度与掘进速度相匹配。注意调整盾尾间隙，控制推进油缸的伸缩和同步注浆压力，拼装精度控制在设计要求之内，防止管片移位、错台。八、安全措施（一）、施工准备安全保证措施根据隧道功能、隧道内径以及穿越地层、地面建筑物、地下构筑物等条件，进行盾构机选型；为确保盾构施工的安全，必须在各作业点之间设有便捷可靠的通讯设备；盾构施工前应编制施工组织设计，其主要内容应包括：工程地质概况；盾构掘进施工方

50、法和程序；进出洞、联络通道等特殊段的技术措施；工程质量指标及保证措施；施工安全和文明施工要求；施工进度网络计划；主要施工设备和材料使用计划等；做好环境调查，并对下列环境条件调查内容实地勘察核实：a土地使用情况根据报告和附图，实地勘察调查土地利用情况、各种建筑物和构筑物的使用功能、结构形式、基础类型与隧道的相对位置等；b工程用地情况主要对施工场地及材料堆放场地、弃土场、运土路线等做必要的调查；c地下障碍物调查报告中，对隧道经过地区有无相遇阻碍物或位于施工范围内的各种设施必须进行详细调查，其内容应包括：地下构筑物的结构形式、基础形式及其埋深，以及与隧道的相对位置等；煤气管道、上下水电力和通讯电缆等

51、位置、管道材质及接头形式，被侵蚀程度；及其与隧道的相对位置等；地下废弃构筑物、管道及临时工程残留物等；盾构施工前应由工程技术负责人和生产负责人向施工管理人员、作业班长、盾构司机等作全面的安全、技术交底。作业班长应向作业人员进行操作交底；箱变、配电间设有两路电源，且相互切换应迅速、方便、安全。垂直运输设施的运输能力应与盾构施工所需的材料、设备供应量相适应。所有的起重机械、机具要按安全规程要求定期检查维修与保养。（二）、盾构始发、推进安全要求端头地层加固后，检查确认土体无侧限抗压强度和渗透系数达到设计要求，方可开凿洞壁砼和开始盾构推进；负环管片应与反力架密实贴紧，其环面应与掘进轴线垂直。在负环管片

52、开口段应有足够的开口尺寸和稳固的支撑系统；盾构开始破玻璃纤维筋桩后必须尽快将盾构推入洞内，使盾构切口环切入土层，以缩短正面土体暴露时间；在盾构始发段的推进中，根据控制地面变形要求在地面上沿盾构轴线和与轴线垂直的横断面上，布设地表位移测量标志点，在隧道中线上每5m布设一个地表沉降观测点，每50m布设一个地表沉降槽；在每环推进中跟踪测量地表隆陷变化，并通过调整推力、推进速度、盾构正面压力、推进坡度、注浆压力、注浆数量等施工参数，以使地面沉降位移尽量减少；从而为下一步盾构推进取得施工参数和施工操作经验；在掘进过程中应掌握和记录好实际平衡土压力、推进速度、出土量、千斤顶工作油压或各区域千斤顶工作油压等

53、施工参数。隧道衬背注浆要与掘进同步；并认真做好注浆位置、注浆量、注浆压力等记录；根据工程对隧道变形及地表变形的控制要求选用同步注浆、二次补强注浆的工艺，注入的浆液应按地层性质、地面超载条件、变形控制要求合理选定。（三）、注浆安全保证措施注浆人员必须经过专门培训，并熟练掌握有关作业规程；严禁在不停泵的情况下进行任何修理；注浆泵及管路内压力未降至零时，不准拆除管路或松开管路接头，以免浆液喷出伤人；注浆泵由专人负责操作，未经同意其他人不得操作；注浆人员在拆管路、操作注浆泵时应戴防护眼镜，以防浆液溅入眼睛；保持机械及隧道内整洁，工作结束后必须对设备清洗保养，并清理周围环境。 （四）、盾构换刀安全保证措

54、施建立健全安全质量责任制，进仓、检查刀盘及换刀、减压作业、运输严格按规程操作。进行必要的岗前培训，对作业人员上岗前针对进仓、检查刀盘及换刀、减压作业的特点进行安全教育，树立起安全作业的意识。公司领导实行24小时现场值班制度。保证现场材料供应，确保作业过程的有效运转。值班工程师现场24小时值班，并在值班过程中做好带压进仓更换刀具作业的各种记录并收集、整理，第二天及时上报公司。带压作业过程中，加强仪表检测、空压机、气路电路的观测，如发现空压机故障或发现停电，应立即启动备用的内燃空压机；如发现管路漏气，应立即汇报并及时处理。以防意外情况发生。并将监测及时的上报值班经理。每班作业时，电工应加强用电管理

55、，确保施工安全。人仓、自动保压系统及减压仓由专人负责操作，同时做好各项记录。人员作业时应佩戴好个人防护用品，防止意外伤亡事故的发生。（五）、垂直运输作业安全保证措施起重安装作业前应清除工地所经道路的障碍物，做到工地整洁、道路畅通；使用新机具或采用新工艺时，必须经过技术鉴定；各种起重机械起吊前，应进行试吊；各种起重机械在使用和行走时，应有良好的道路；起重工在工作时集中精力，明确分工，服从指挥；起吊重物时，起重机下不得有人停留或行走，吊机停止作业时，应安止动器，收紧吊钩和钢丝绳；起重工必须熟悉施工方法、起重设备的性能、所起重物的特点和确切重量以及施工安全的要求；采用两台吊机同时起吊重物时，应在现场施工负责人的统一指挥下进行，在起吊过程中，两台吊机必须均衡起落重物，使各自分担的起重量