盾构法施工工艺综合分析

盾构法施工工艺综合分析摘要目前，城市地铁隧道施工主要是采用盾构法。本文依据现有的文献资料对盾构法施工的发展史、盾构的分类、盾构的基本构造、盾构施工工艺、盾构的选型等进行了全面的论述，并针对盾构法施工的成本价格分析、盾构施工引起的地面沉降对环境的影响以及盾构施工的风险评价、特殊盾构类型、盾构未来发展等方面进行了探讨。关键词：隧道工程，盾构法施工，地面沉降，盾构施工价格，盾构风险，特殊盾构1引言随着我国城市轨道交通建设的发展，各地大力兴建地铁，使我国地铁施工技术不断发展和提高。在城市中实施大规模地下工程建设，由于受到施工场地、地面道路交通、市政公共设施、隧道间相互交叉以及地下结构物的穿插重叠等城市环境因素的制约，传统的施工方法难以普遍适用。为适应这一实际条件，安全、快速、高质量的盾构新技术应运而生，现已成为我国城市地铁隧道的主要施工方法。盾构机是一种既能支承地层的压力，又能在地层中掘进的施工机具。其外壳尺寸比隧道外形稍大，该外壳及壳内各种作业机械，作业空间的组合体积称为盾构机，以盾构机为核心的一整套完整的建造隧道的施工法称为盾构施工法。盾构机的掘进是靠盾构前部的旋转掘削土体、掘削土体过程中必须始终维持掘削面的稳定，掘削不出现明塌；靠舱内的出土器械出土；靠中部的推进千斤顶推进，盾构前进；由后面的拼装机拼装成环（初砌）；随后再由尾部的背后注浆系统、向初砌与地层的缝隙中注入填充浆液，以便防止隧道和地面的下沉。地下铁道盾构法施工是在闹市区或水底的软弱地层中进行的，是修建地下铁道较好的施工方法之一。近年来盾构机械设备和盾构法施工工艺的不断发展，适应大范围的工程地质和水文地质条件的能力大为提高。各种断面形式和具有特殊功能的盾构机械(急转变盾构、扩大盾构法、地下对接盾构等)的相继出现，其应用在不断扩大，由于盾构法施工具有作业在地下进行，不影响地面交通，减少对附近居民的噪音和振动影响；施工费用不受埋深的影响，有较高的技术经济优越性；盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，易于管理，施工人员较少；穿越江、河、海时，不影响航运；施工不受风雨等气候条件影响等有利特点，将对地下铁道的施工技术的发展起到有力的推进作用。盾构法施工具有以下主要优点：1)盾构施工时所需要顶进的是盾构机本身，故在同一土层顶进时顶力基本不变,因此盾构法施工不受顶进长度限制。2)操作安全，可在盾构的支持下挖土和衬砌。3)盾构法施工时对环境影响小，因施工速度快,较少影响交通及扰民，保护绿化环境,改善了工人作业环境。4)盾构法施工时经济损失小、无噪音、空气、振动污染问题,成本较低。5)如采用平衡式盾构施工可不降低地下水施工，避免了因降水造成地面下沉，再加上合理调整盾构施工参数，能控制正面土体稳定，另外可加强衬砌背面空隙的填充，可控制地表的沉降。6)穿越河底或海底时，施工不影响航道，也不受气候的影响。7)自动化程度高，劳动强度低，施工速度较快。2盾构施工技术的发展1818年，法国工程师布鲁诺（M.I.Brunel）从食船虫在船身上打洞一事中受到启发，最早提出了用盾构法建设隧道的设想，并在英国取得了专利，这可以说是敞胸式手掘盾构机的原型。1823-1841年，布鲁诺首次在伦敦泰晤士河下修建了一条全长458m的世界上第一条盾构施工的隧道。1887年，英国人格雷特海德（Greathed）在南伦敦铁路隧道工程中组合使用盾构和气压施工法进行施工，奠定了现代盾构施工法的基础。我国自20世纪50年代开始引进盾构法修建隧道工程。1970年，由上海隧道工程公司承建的第一条穿越黄浦江的过江通道的完工，实现了中国用盾构法修建隧道“零”的突破。1988年完工的另一条黄浦江水下隧道—延安东路北线隧道，是用我国自行设计和制造的直径为11.3m网格式水力机械盾构机修建的。隧道除穿越黄浦江外，还要在高层建筑群和地下管线等重要环境保护地段通过。进入20世纪90年代，上海地铁一号线采用法国FCB公司设计的盾构机，其车架、拼装机、螺旋机、皮带机、搅拌机等设备在上海配套制造，完成了总长18.5km的单线圆形区间隧道施工。尽管盾构法施工在我国起步很晚，由于利用成熟技术，注意参考别国成功的经验、总结失败的教训，所以发展势头很猛。特别是金融危机以来，城市地铁项目的大量建设，盾构施工将经历又一轮大发展。盾构施工方法问世至今已近200年的历史，从世界范围内来看，盾构法隧道施工技术正在朝长距离、大直径、大埋深、复杂断面和高度自动化的方向发展，在这方面处于领先地位的是日本和欧洲。近50年来，通过对土压平衡式、泥水式盾构机中的关键技术，如盾构机的有效密封、确保开挖面的稳定、控制地表隆起及塌陷在规定范围之内、刀具的使用寿命以及在密封条件下的刀具更换、对一些恶劣地质如高水压条件的处理技术等方面的探索和研究，使盾构施工技术更加成熟。3盾构的分类盾构的分类方法很多，可按盾构开挖面的形状、盾构机自身构造的特征、盾构半径尺寸的大小、稳定掘削面的加压方式、适用土质的状况等多种方式分类。笔者按照开挖面支撑方式以及施工方案组合进行分类。3.1全敞开式盾构机全敞开式盾构机的特点是挖掘面全部袒露，适用于地质状况较好、挖掘面自稳能力强的地层，对于自稳能力差的风化岩地层，应当采用压气平衡、注浆加固、锚杆支撑等方式进行加固，并辅以其他措施，降水确保施工安全。按照掘进及出土方式不同可分为手掘式盾构机、半机械式盾构机、机械式盾构机三种。3.2部分敞开式盾构机部分敞开式盾构机即挤压式盾构机，通过盾构机的推进向前挤压土体进行挖掘，其结构简单、成本低。部分敞开式盾构机常用于流塑性强、自问能力弱的软粘土层和粉砂层。部分敞开式盾构机切口环的开挖工作面通过胸板进行封闭，将水土封闭于盾构机外，不至于发生地层坍塌和水土涌入盾构内部的危险。千斤顶向前顶进，盾构机切口环向前推挤，胸板挤压土层，流塑性土体从胸板开口处流进盾构机内，通过出土装置运出隧道。不需人工开挖，劳动条件改善，掘进效率提高。部分敞开式盾构按胸板开口大小分为挤压式和网格式。3.3封闭式盾构机封闭式盾构机是相对于敞开式盾构机而言的，是指开挖面封闭进行挖掘的一种盾构机。按照平衡土体压力方法的不同，闭胸式盾构机可分为局部气压式盾构机、泥水式盾构机、土压式盾构机、复合式盾构机四种。3.4复合式盾构机复合式盾构机是具有多种功能的盾构机。刀盘上既布置有开挖软土的切割刀，还布置有硬岩开挖的盘形滚刀。不仅可以开挖软土，还可以在岩层中掘进。复合式盾构机的开挖模式随着地层的不同而改变，如根据开挖面的稳定性质、水压大小及涌水量大小情况，可构成一台泥水加压式盾构、气压式盾构或土体平衡是盾构。4盾构机的基本构造盾构是隧道施工时进行地层开挖及衬砌拼装时起支护作用的施工设备。其基本构造有壳体系统、掘进系统、衬砌拼装系统四个部组成。4.1盾构壳体一般为钢制圆筒体。其功能是承受盾构上部的土压和水压，并作为盾构主承系统和部件的安装基础。盾构壳体由切口环、支撑环和盾尾三部分组成。切口环位于盾构的最前端，施工时切入地层，并掩护开挖作业。切口环前端制成刃状，以减少切土阻力和对地层的扰动，切口环的长度取决于工作面的支撑形式、开挖方法及人员活动和挖土机具所需的空间等因素。支撑环是盾壳的主体，所有地层的土压力，千斤顶的推进力、切口、盾尾、衬砌系统的施工荷载均传至支撑环并由其承担、盾尾由盾壳外壳钢板延伸构成，主要用于掩护隧道衬砌的安装工作，其内部设置衬砌拼装机，尾部有盾尾密封刷，同步注浆管和盾尾密封油膏注入管等。4.2盾构掘进系统盾构掘进系统设于切口环中，主要有刀盘和螺旋输送机构成。刀盘用来开挖土体，同时搅拌泥土，以改善土体的流动性。螺旋输送机用来将密舱内的流塑状土体盾构外，是把渣土从部的渣土舱输送到后部的渣土运输专用设备。对于土丫平衡盾构机，螺旋输送机的另一个重要功能是通过调节其转速控制出渣的速度和出闸量，使排土量和刀盘切削下来的土量保持平衡，进而达到控制盾构舱内压力的目的。4.3推进系统盾构的推进系统由液压设备和千斤顶组成。推进系统决定了盾构的推进速度，刀盘转数、刀盘每转切深等重要技术参数，以及转向、纠偏等供能的实现。其工作原理是：启动输油泵，将由供给高压泵，使油压升至要求值；启动控制油泵，待控制油压升至额定压力后，将电磁控制阀门将总管内高压油输入千斤顶，使其按要求伸出或缩回，驱动盾构。4.4衬砌拼装系统衬砌拼装就是采用专用拼装设备，随着盾构的推进在盾尾将预制管片依次拼装成环，由无数个衬砌环纵向依次连接而成的衬砌结构。预制的管片按结构内型分为：平板式、中子式，箱型等。常用的衬砌拼装系统是杠杆式拼装器。由动力部分、举重钳、举重臂、回转环等几个部分组成，在拼装衬砌时，由发动机驱动大转盘，控制环向旋转，其径向及纵向旋转移动由液压千斤顶控制。5盾构施工工艺盾构施工步骤复杂，流程繁多。按照工作分解结构原理，本文将盾构施工过程按进展顺序分为六步，分别是：施工准备阶段、修建始发井阶段、盾构机拼装阶段、盾构始发阶段、盾构掘进阶段、盾构出洞吊装阶段。盾构施工流程见下表3-1盾构施工流程图所示：5.1施工准备：5.1.1端头土体加固检测。由于水文地质因素，工程盾构施工前应当对工程始发段进行土体加固，土体加固材料一般采用钢筋混凝土、SWM、素混凝土等。施工方法有旋喷桩、钻孔灌注桩、搅拌桩等。5.1.2盾构施工场地准备。施工前应当将施工场地准备好。材料堆放、车辆进出、人员生活等场地应当按照施工组织设计中施工平面图的计划进行布置，确保施工安全便捷。五通一平按照施工方案进行准备，做到功能分区合理、材料堆放整齐、道路干净便捷等。5.1.3管片准备就绪。管片应提前做好准备，签订管片生产计划，严把管片质量，做好管片供应保障。如若管片采用商业购买，则应尽早签订合同，做好采购计划，确保管片按时按质按量的供应。跟管片同时施工的防水材料包括涂层、垫片也应有保障。5.1.4碴土运输准备工作就绪。盾构中大量渣土外运，需要众多工程车辆相互配合，通力合作。施工前必须做好渣土车、挖掘机等的检查工作，确保工程机械工作状态良好。同时办好渣土车辆的运营证、渣土外运证等工作。做好机械人员的安全教育工作，尤其是渣土司机的教育工作，渣土车撞人这类事件长期出现，杜绝此类事件发生。5.1.5地面砂浆搅拌站调试完毕。盾构掘进过程中，砂浆使用频繁，而且用途多样，有用于注浆的，有用于砌筑的，同样有用于抹面的。工地一般现场搅拌砂浆，工程施工前必须将搅拌站安装完成，并调试完毕，能够按照施工方案提供合乎规范的建筑砂浆。5.1.6初始掘进范围内的地面监测点已布设完毕并获得初始的数据。监测方案在施工前准备，并对建设单位提供的施工坐标进行复测，确认。其次按照施工方案对监测点进行布置，确保施工需要和测量便利，这些监测点有用于测斜的，有用于沉降的，有用于测内力的。布置完成后应当进行初值测量，并保证测量的准确，这是施工基础。5.2修建始发井：盾构掘进前，应当修建始发井，一般情况下，该空间即是地铁的地下车站，同时用作盾构拼装、附属设备和后续车架以及出渣运料等功能。修建始发井，根据不同的地形地质条件、施工方案等，可分别采用明挖法、暗挖法、逆作法、沉井法、冻结法、矿山法等修建。最常用的方法是在盾构掘进始终点的路线中线上方，由地面向下开凿一座直达未来区间隧道地面以下的竖井，其底端即可作为盾构拼装室。盾构始发井的平面形状多为巨型，平面净空尺寸要根据盾构直径、长度、需要同时拼装的盾构数目以及运营的功能而定。盾构正式掘进时此竖井即可作为出渣、进料、和人员进出的孔道；运营时可用作通风井。在此不做重点介绍。3.2.3盾构机拼装：5.2.1始发架下井、定位及加固。在地面的施工场地准备工作完成后，进行始发架的下井工作。始发架为钢结构装置，在地面上拼装完成后，由吊车吊入端头井口的底板上。始发架下井前在端头井内测设隧道中线及里程，以此调整始发架的中线与结构中线一致，测量始发架的高程，通过垫钢板的方法调整高程与设计高程一致。始发架在盾构始发时要承受纵向、横向的推力以及约束盾构旋转的扭矩，在盾构始发之前，必须对始发架两侧进行必要的加固。5.2.2车站轨道铺设。在车站底板上安