地铁区间隧道盾构法施工技术

中国矿业大学力学与建筑工程学院《地铁与轻轨》课程报告第1页地铁区间隧道盾构法施工技术（中国矿业大学力学与建筑学院地下11-08班刘甲翔）摘要：随着人类向地下空间的开发，为了能够高效，安全，经济的开发地下空间。根据工程所处的位置以及其安全等级和对周围环境影响的大小因素，相继出现诸多地下空间开挖的施工方法，比如明挖法，暗挖法，盖挖法以及盾构法。而因为地铁的区间隧道大多数位于城市下面，为了减少对地面建筑及交通的影响，对于地表的沉降有严格的要求。而盾构法因其安全，高效以及对地面沉降影响较小，逐渐成为城市地铁主要的施工方法。关键字：盾构法，施工工艺一.定义采用盾构为施工机具，在地层中修建隧道和大型管道的一种暗挖式施工方法。施工时在盾构前端切口环的掩护下开挖土体，在盾尾的掩护下拼装衬砌（管片或砌块）。在挖去盾构前面土体后，用盾构千斤顶顶住拼装好衬砌，将盾构推进到挖去土体空间内，在盾构推进距离达到一环衬砌宽度后，缩回盾构千斤顶活塞杆，然后进行衬砌拼装，再将开挖面挖至新的进程。如此循环交替，逐步延伸而建成隧道。二.历史及发展用盾构法修建隧道已有150余年的历史。最早进行研究的是法国工程师M.I.布律内尔，他由观察船蛆在船的木头中钻洞，并从体内排出一种粘液加固洞穴的现象得到启发，在1818年开始研究盾构法施工，并于1825年在英国伦敦泰晤士河下，用一个矩形盾构建造世界上第一条水底隧道(宽11.4米、高6.8米)。在修建过程中遇到很大的困难，两次被河水淹没，直至1835年，使用了改良后的盾构，才于1843年完工。其后P.W.巴洛于1865年在泰晤士河底,用一个直径2.2米的圆形盾构建造隧道。1847年在英国伦敦地下铁道城南线施工中，英国人J.H.格雷特黑德第一次在粘土层和含水砂层中采用气压盾构法施工，并第一次在衬砌背后压浆来填补盾尾和衬砌之间的空隙，创造了比较完整的气压盾构法施工工艺，为现代化盾构法施工奠定了基础，促进了盾构法施工的发展。20世纪30～40年代，仅美国纽约就采用气压盾构法成功地建造了19条水底的道路隧道、地下铁道隧道、煤气管道和给水排水管道等。从1897～1980年，在世界范围内用盾构法修建的水底道路隧道已有21条。德、日、法、苏等国把盾构法广泛使用于地下铁道和各种大型地下管道的施工。1969年起，在英、日和西欧各国开始发展一种微型盾构施工法，盾构直径最小的只有1米左右,适用于城市给水排水管道、煤气管道、电力和通信电缆等管道的施工。中国矿业大学力学与建筑工程学院《地铁与轻轨》课程报告第2页中国于第一个五年计划期间，首先在辽宁阜新煤矿，用直径2.6米的手掘式盾构进行了疏水巷道的施工。。在上海地区用盾构法修建的隧道，除水底道路隧道外，还有地铁区间隧道、通向河海的排水隧洞和取水管道、街坊的地下通道等。三.施工工艺：上图是盾构法的施工工艺布置图，盾构法从大的方向来说主要分为三部分：盾构法(出洞)阶段；盾构试掘进和正式掘进阶段；盾构接收（进洞）阶段1.盾构法(出洞)阶段盾构始发（出洞）阶段是控制盾构掘进施工的首要环节。在盾构始发（出洞）前、后各项准备工作中监理需监督承包单位做好充分的技术、人员、材料、设备准备，并对盾构是否具备出洞条件予以审查，确保盾构在安全可靠的前提下能顺利出洞。1.1盾构出洞土体加固为了确保盾构出洞施工的安全和更好地保护附近的地下管线和建（构）筑物，盾构出洞前需对出洞区域洞口土体进行加固。土体加固的方法较多（如水泥搅拌桩加固、旋喷桩加固等），但无论采用何种加固方法，对土体加固的效果检验始终应作为监理重点控制的内容。在确保加固效果满足设计要求前提下，才能同意盾构出洞，否则应督促承包方及时采取补救措施。1.2盾构始发基座设置盾构始发前需将盾构机准确的搁置在符合设计轴线的始发基座上，待所有准备工作就绪后，沿设计轴线向地层内掘进施工。因此，盾构出洞前盾构始发基座中国矿业大学力学与建筑工程学院《地铁与轻轨》课程报告第3页定位的准确与否，直接影响到盾构机始发姿态好坏。1.3后盾支撑系统安装盾构前进的动力是通过千斤顶来提供，而盾构始发时千斤顶顶力是作用在后盾支撑系统之上。一般后盾支撑体系是由钢反力架、钢支撑、临时衬砌（负环管片）等组成，监理在监督过程中应重点关注后盾支撑系统是否满足其技术要求，即后盾支撑系统必须有足够的刚度和强度，确保在顶力作用下不发生变形。1.4盾构始发出洞盾构出洞准备工作就续后，为减少正面土体暴露时间，盾构从始发基座导轨上应及时向前推进，使盾构切口切入土层直至盾构壳体进入洞口的过程称为“盾构始发出洞”。该关键环节监理应进行旁站监督，并重点做好以下工作：（1）察割除围护结构迎水面钢筋后盾构机应迅速靠上洞口正面土体。（2）观察盾构出洞期间洞口有无渗漏的状况，发现洞口渗漏督促承包单位及时封堵。（3）检查前仓土压力设置是否合适，观察土仓有无砼块，发现后督促承包单位及时清除。（4）一环正环拼装前检查最后一环负环管片的拼装位置。（5）检查千斤顶使用状况，防止盾构出洞后出现姿态“上飘”现象。2.盾构试掘进和正式掘进阶段根据盾构法施工工艺的特点，盾构安全出洞后需通过前100环试推进寻求最佳施工参数，为全线的正常推进提供符合实际土层特点的技术参数。不论在试掘进还是正式掘进阶段，监理可以通过观察盾构机控制室内仪器仪表显示的数据、审查承包单位上报的盾构掘进施工报表、通过监测数据分析隧道及地面沉降情况等手段进行动态监控，及时掌握和分析施工技术参数变化，检查盾构掘进中的姿态、管片拼装的质量、注浆作业的效果等，督促承包单位采取相应的措施确保盾构掘进施工质量和周边环境的安全。2.1土压力土压平衡式盾构机掘进的原理是建立开挖面前后水土压力平衡。在盾构掘进不同阶段，盾构机工况是从非土压平衡通过在初始出洞阶段逐步过渡到土压平衡，再到进洞阶段由土压平衡逐步过度到非土压平衡，即土压力设定是变化的（在理论数值上它与土体容重、覆土深度、侧向土压力系数有关），施工中需要不断通过不同的土质、覆土厚度、结合环境监测的数据进行调整。因此，平衡土压值的设定是土压平衡式盾构施工关键，监理应予以重点关注，并通过计算理论土压力与实际设定土压力进行比较，判断实际设定土压力是否满足施工的需要，督促承包方合理的设定土压力。2.2出土量土压平衡式盾构是以切口环作为密闭土仓，盾构推进中切削后土体进入密闭土仓，随着进土量增加建立一定的土压力，再通过螺旋输送机完成排土，而土仓压力值是通过出土量来控制的。因此，出土量的多少、快慢与设定的土压力值中国矿业大学力学与建筑工程学院《地铁与轻轨》课程报告第4页密切相关，监理人员可通过计算每环理论出土量与实际每环出土量相比较，判断出土量是否正常。2.3掘进速度盾构掘进的速度主要受盾构设备进、出土速度的限制，若进出土速度不协调，极易出现正面土体失稳和地表沉降等不良现象。因此，监理应重点督促承包方均衡连续组织掘进作业，当出现异常情况时（如遇到阻碍、遇到不良地质、盾构姿态偏离较大等），应及时停止掘进，封闭正面土体，查明原因后采取相应的措施处理。2.4千斤顶推力盾构是依靠安装在支撑环周围的千斤顶推力向前推进的，推力的大小与盾构掘进所遇到的阻力有关，正确的使用千斤顶是盾构是否能沿设计轴线（标高）方向准确前进的关键。因此，在每环推进前，监理应根据前面几环承包方申报的盾构推进的现状报表，分析盾构趋势，督促承包方正确的选择千斤顶的编组，合理地进行纠偏。2.5盾构纠偏量盾构在推进过程中不可能一直处于理想状况（尤其是在曲线段），会产生不同程度的偏向。影响盾构的偏向的因素很多，也很复杂（如地质条件的因素、机械设备的因素、施工操作的因素等等），施工中一般可通过调整千斤顶编组或纠偏材料（粘贴在管片上）进行纠偏。监理工程师不仅应做到及时根据盾构姿态测量数据，分析盾构姿态，督促承包商控制好掘进方向，平稳地控制盾构推进的轴线。而且在每环管片拼装前对盾构姿态进行复查，发现偏差，督促承包方合理的制定纠偏方案和纠偏量，及时采取纠偏措施，避免误差累积。2.6管片拼装控制根据盾构法施工工艺管片成环的特点：管片是盾壳的保护下在盾尾拼装成环形成隧道的。它是盾构法施工的关键工序，管片拼装的质量好坏直接影响到隧道结构的安全和使用功能。2.7注浆作业监控盾构法工艺施工隧道，由于盾构壳体与拼装管片之间存在“建筑空隙”，如不及时填充，势必产生土层扰动变形，造成地面变形（严重的危及到地面建筑和地下管线的安全使用）或隧道结构变形。注浆作业是盾构法隧道施工控制地面和隧道结构变形主要技术措施之一，通过压浆填充“建筑空隙”控制变形量。施工中的注浆工艺分为同步注浆、衬砌后补注浆，无论采用哪种工艺，监理在监督过程中应通过分析监测资料（以控制地面和隧道结构变形为原则）、审查拌制和注浆施工记录、对每作业班拌制注浆液试块制作见证送检等手段来综合分析注浆作业的效果，判断注浆作业是否达到控制变形的成效，并重点监督浆液配合比、注浆量、注浆压力等主要技术指标。3．盾构接收（进洞）阶段盾构接收（进洞）阶段掘进是盾构法隧道施工最后一个关键环节。盾构能中国矿业大学力学与建筑工程学院《地铁与轻轨》课程报告第5页否顺利进洞关系到整个隧道掘进施工的成败。在盾构进洞前后监理需监督承包单位做好充分的盾构接收的准备工作，确保盾构以良好的姿态进洞，就位在盾构接收基座上。3.1盾构进洞土体加固盾构进洞区域土体加固一般与出洞区域土体加固是同时进行，对盾构进洞土体加固效果的检验可参照对盾构出洞土体加固。3.2盾构接收基座设置盾构接收基座用于接收进洞后的盾构机，由于盾构进洞姿态是未知的。在盾构接收（进洞）前监理仍需复核接收井洞门中心位置和接收基座平面、高程位置（一般以低于洞圈面为原则），确保盾构机进洞后能平稳、安全推上基座。3.3进洞前盾构姿态监控在盾构进洞前100环监理对已贯通隧道内布置的平面导线控制点及高程水准基点做贯通前复核测量，是准确评估盾构进洞前的姿态和拟定进洞段掘进轴线的重要依据。监理复核数据应通过与承包方复核数据的比较，分析误差是否在允许偏差之内，从而正确的指导进洞段盾构推进的方向。3.4洞门围护结构凿除（进洞侧）盾构进洞前需对接收井内围护结构背水面钢筋进行割除及砼凿除，通过打探孔实际验证盾构进洞区域土体加固的效果。监理在洞门围护结构凿除后同样需对其后土体自立性、渗漏等情况进行观察，判断进洞区域土体的实际加固效果是否满足盾构安全进洞的要求，否则应督促承包方采取补救措施。3.5盾构接收进洞盾构接收（进洞）准备工作就续后，盾构机向前推进，在前端刀盘露出土体直至盾构壳体顺利推上接收基座的过程称为“盾构接收进洞”。该关键环节监理应进行旁站监督，并重点做好以下工作：⑴观察进洞洞口有无渗漏的状况，发现洞口渗漏督促承包单位及时封堵。⑵督促承包方及时安装洞口拉紧装置，并检查其牢固性。盾构法作为目前最为安全有效、品质兼优的城市轨道施工工艺，已经被绝大多数市政工程所青睐，在21世纪中国社会、经济高速发展的时代，全国范围内各大中型城市都倾向于城市地铁及类似的市政工程的修建，因此盾构法施工在目前国内的市场不可估量。盾构法施工糅合了传统和现代的各项技术革新，有着固定的施工工艺流程，包含了诸多施工环节，每一个环节或工序都必须有技术含量较高的专项方案指导施工，并辅以经验丰富的管理操作人员，才能充分发挥盾构法施工的优越性，实现工程的最大收益。现将盾构法地铁施工工艺流程总结如下，各分部、分项工程施工应参考专项方案。参考文献：[1]张风祥，朱合华，博德明.盾构隧道.北京：人民出版社，2004中国矿业大学力学与建筑工程学院《地铁与轻轨》课程报告第6页[2]《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-1999）[3]周晓军、周佳媚，《城市地下铁道与轻轨》交通西南交通大学出版社，2008[4]乐贵平，《盾构法修建地铁地铁区间隧道施工技术及安全管理》北京市地铁新线工程施工技术培训教材[5]张庆贺,朱合华,庄荣《地铁与轻轨》人民交通出版社[6]郭陕云论我国隧道和地下工程技术的研究和发展隧道建设第24卷