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盾构法隧道1概述1.1类型:1.2盾构对环境条件的适应性不同类型盾构对地层条件的适应性分析。盾构有很多种不同的类型，如手掘式、半机械式、机械式、挤压式、泥水平衡式和土压平衡式盾构等。手掘式盾构适用于开挖面自稳性强的地层，包括洪积层砂、砂砾、固结粉砂和粘土等。对于开挖面不能自稳的冲积层、软弱砂层、粉砂和粘土，施工时必须采取稳定开挖面的辅助工法。目前，手掘式盾构一般用于开挖面有障碍物、巨砾石等特殊场合，而且应用逐年减少。半机械式盾构适用的地层以洪积层的砂、砂砾、固结粉砂和粘土为主，当用于软弱冲积层时，需采用压气施工法，或采取降低地下水位、改良地基等辅助措施。机械式盾构用于自稳性好的洪积层时，其地层条件与手掘式盾构机、半机械式盾构机一样。如应用于冲积层，则必须采用压气施工法以及地层改良等辅助工法。挤压式盾构适用于自稳性很差、流动性很大的软粘土和粉砂质地层，而不适用于含砂率高的地层和硬质地层。若液性指数过高，则流动性过大，不能获得稳定的开挖面。泥水平衡式盾构具有地层适应性广、对周围环境影响小、施工机械化程度高等优点。适用于从软弱砂质土层到砂砾层的各种地层，而且可用于地层中水压很大的情况。根据工程的实践情况，在砂层中进行大断面、长距离掘进的隧道，大多采用泥水平衡式盾构修建。土压平衡式盾构适用范围也很广，可用于冲积粘土、洪积粘土、砂质土、砂砾、卵石等土层，以及这些土层的互层，有软稠度的粘质粉土和粉砂是最适合使用土压平衡式盾构的地层。随着盾构隧道施工技术的发展，土压平衡式盾构的应用越来越广泛1.3按地层条件选择合适的盾构一般来说，一条隧道沿线穿越地层的地质条件是各不相同的，在选择盾构时，要选择能适用沿线大部分地层的机型•冲积粘土如果冲积粘土的自然含水率接近或超过液限，切削面不能自稳，则应选择闭胸式盾构。当整个切削面和施工沿线都是N（N为贯入度）值为0-5的软弱粉砂及粘土地层时，宜采用挤压式盾构。在选用时要注意，挤压式盾构适用的地层范围极窄，在应用时必须对地层进行充分的调查研究。如果出现冲积粘土层含砂量大、有软硬交错层、液限指数过大并含有砾石的情况时，挤压式盾构就不再适用，应该采用泥水平衡式或土压平衡式盾构。•洪积粘土洪积粘土一般N值大，含水量低，切削面能够自稳。此外，因抗剪力大，变形小，故可无需采用挡土隔板。在洪积粘土中，可采用全敞开式盾构或闭胸式盾构，视不同情况而定。在切削面可以长时间自稳的情况下，根据切削地层的强度、隧道断面、长度，并结合切削能力、施工效率和省力等因素，宜采用手掘式盾构、半机械式盾构、机械式盾构等全敞开式盾构，并且通常辅以压气工法。在采用压气工法且气压压力较高的情况下，应与泥水平衡式盾构和土压平衡式盾构进行对比，以便择优选取。•砂土在砂土中修建盾构隧道，可以选用泥水平衡式盾构或土压平衡式盾构。泥水平衡式盾构通过排泥管将切削土体从泥水舱内输送到地面，安全性好，特别适用于高水压下掘进，且对周围地层的扰动小。但是，若含水砂性地层具备以下条件：渗水系数K≥10-2cm／s、74μm以下的微细颗粒含量低于10％、匀粒系数Uc＜10，在采用泥水盾构时，开挖面易坍塌，很难保持稳定。这种情况下不宜使用泥水平衡式盾构。另外，在覆土层浅且渗水系数大的砂土中掘进时，容易出现地表割裂现象，应引起重视。在粘土含量少的砂土中掘进时，土压平衡式盾构是最适用的。但是，必须充分注意土舱充填是否密实、均匀以及对切削面土压的正确检测，另外还要注意切削刀具、搅拌机械等机械的选择。•砂砾及巨砾地层砂砾及巨砾地层的渗水系数大，故必须选择闭胸式盾构。切削这种地层主要需要考虑以下几个问题：①该地层中含有较多的大直径砾石，排出比较困难，所以应考虑相应的碎石措施，以保证施工的顺利进行。②该地层的渗水系数大，注入普通泥浆容易出现喷涌现象，为此要考虑使切削面稳定的措施。③该地层砾石所占比例很大，在掘进时对刀具的磨耗很大，因此需要考虑减少刀具磨耗的措施。•泥岩泥岩是指堆积的粉砂、粘土，经压实、脱水固结而成的土层，根据粒径的差异可分为粉砂岩和粘土岩两种。泥岩的无侧限抗压强度在0.5-1.0MPa以上，N值在50以上，切削面自稳。在选择盾构机型时，水压小的地层，选用开放式盾构比较经济；在有承压地下水的泥岩层或在含水砂层、砂砾层的交错层中掘进时，由于存在喷涌问题，所以，应选择闭胸类的泥水平衡式或土压平衡式盾构1.4盾构法施工步骤：①在盾构隧道的始发端和到达端各修建一个竖井。②盾构在始发竖井内安装就位。③依靠千斤顶，将盾构从始发竖井内始发。④盾构在地层中沿着设计轴线掘进，同时不断出土和安装衬砌管片环，并及时向盾尾空隙内注浆，防止地层下沉。⑤盾构进入到达竖井后拆除。•竖井竖井是用于盾构设备的运入、运出、转向、组装、解体，出碴，以及设备、材料的运入运出，施工人员的出入，供电、给排水、通风等的作业坑道。•衬砌衬砌是承受盾构隧道周围的土压力、水压力以确保隧道净空的结构物。衬砌分为一次衬砌和二次衬砌。在盾构隧道中，一次衬砌通常采用的是装配式管片环，二次衬砌是在一次衬砌内侧现浇的混凝土，一般而言，盾构法隧道中，管片衬砌为隧道的主体结构，用于承受外部荷载，而二次衬砌多用于管片衬砌防蚀、防渗、校正中心线偏离、使表面光洁和隧道内部装饰等。壁后注浆壁后注浆是指在盾构隧道的管片衬砌与围岩之间的空隙（盾尾空隙）内注入填充材料的施工过程。壁后注浆的目的为防止地层变形、防止管片漏水确保管片环的早期稳定及防止隧道的蛇行等。二次注浆二次注浆是对壁后注浆的补充注浆。有三种情况需要进行二次注浆：一是一次注浆后未完全填充；二是一次注浆的体积缩减部分的补充注入；三是为了提高抗渗透等施工效果而进行的二次注浆。1.5辅助工法1.5.1压气法•压气法分类压气法是通过在隧道内设置隔墙,把普通的大气压区与压气区隔离开来。根据隔墙设置位置的不同可将压气法分为三种：把隔墙设置在始发竖井附近，对整个隧道加压，称为全隧道压气法；把隔墙设置在隧道中的某一地点，只对隔墙至盾构切削面的隧道区段加压，称为部分隧道压气法；把隔墙设置在盾构机的切口环和支承环之间，使整个切口环部位形成一个密封的气压舱（即闭胸式盾构），对该密封舱加压，称为局部压气法。•压气法作用利用气压阻止切削面涌水，防止切削面坍塌；气压自身具有较好的挡土作用，可使切削面稳定；压气可使地层脱水，充分发挥土体的固有强度，使土体的抗剪强度提高，从而提高切削面土体的自稳性。•压气法中气压的设定采用压气法时，随着压力的增加，开挖面稳定效果越好，但从作业效率和隧道工作人员的健康方面考虑，压力则越低越好。因此，必须综合研究上述情况，选择最合适的压力。通常，压力的选择以开挖面的地下水压力为基准，再考虑其他因素来确定。但是，当隧道顶部与底部的水压和土压不同时，对所有的位置都给予相同的气压是非常困难的。选择气压压力的方法，因覆土厚度、地质以及隧道直径而异，一般多取压力等于从盾构隧道顶部算起D/2-D/3位置的地下水压力（D为隧道外径）。对于小直径隧道，一般多取D/2。但是，对于粘性土，其透气性较小的情况，在施工中气压压力可取小值。•防止漏气的措施及停气注意事项考虑到压气空气的喷发和对水井的污染，需要调查距盾构推进部位半径为１km以内的水井和地下室。施工地区附近有其他地下工程正在施工时，气压压力有可能会影响到这些地下工程，所以互相要密切配合协商，采取必要的措施。另外，开挖面附近有既建的建筑物时，事前应充分调查，特别是在已完工的工程，由于施工造成地基松动，有可能产生漏气和喷发的危险，因此，必须采取相应的措施。一般多用化学加固来防止漏气和喷发。停气不要急速进行，应在停气过程中仔细观察地基的动态，特别是地表的下沉、涌水的增加状况等。如果发现上述征兆，则需重新压气并采取必要的措施，再慢慢降低气压来停气。已经预测到由于停气会造成开挖面涌水时，应在实施化学加固或降低地下水位后再停气。•压气法适用范围压气法是敞开式盾构稳定切削面的主要措施。在下列情况下，压气法占有主导地位：①对于长距离掘进必须人工更换刀具的隧道。②必须人工进入舱室拆除障碍物的隧道。③河底、湖底、海底覆盖土层较薄和土质复杂等风险性大的隧道工程。④大深度和高水压盾构隧道。•压气法的缺点①压气法的气压不能过大，以免对作业人员的身体造成伤害。②工作效率低。③与注浆等其他辅助工法相比，设备规模大、工序复杂、成本高。④有时只用压气法稳定切削面较为困难，必须辅以其他工法（如注浆、降水等工法）一起使用才能使切削面稳定。1.5.2降水法•从地表施工的方法从地表施工的方法又分为浅井点和深井点两种。盾构的下部距地表面浅于6-7m时，从地表面施工的浅井点降水效果比较好。隧道埋深大于10m时，一般应采用深井点降水法。如果采用敞开式盾构，为了防止由涌水引起的开挖面坍塌，降低后的水位最好设计在盾构下部以下。开挖面出现难透水层时，往往无法使水位充分下降，这时必须采取局部性措施。另外，高水压下的闭胸式盾构的出发和到达，也采用降低地下水位法。•从隧道内施工的方法受地表条件的限制，有时不可能从地面抽水。在这种情况下，对敞开式盾构，应采用从隧道内施工的井点降水法，或利用水平钻孔、导洞等来降低地下水位。从隧道内部实施井点降水施工时，向隧道下方或斜前方设置井点进行抽水。因为从开挖面进行水平钻孔时必须停止推进作业，所以这时推进速度会受到限制。实施降低地下水位法时的注意事项降低地下水位施工，必须注意围岩条件和施工环境等因素，而且还要充分考虑该施工法的特点，以满足加固围岩的目的。由于土质不同，有时会发生地基下沉或水井水位下降等现象，所以事先必须就地下水位下降对周围地基等产生的影响进行周密的调查研究。另外要注意，在城市中采用该工法时因排水量大且无法隔离处理，所以易发生土质脱水压密沉降和水井枯竭等问题。1.5.3注浆法•注浆法在盾构施工中的应用①盾构出发及到达时，由于切除竖井挡土墙而使开挖处于暴露状态，常用注浆法来增加围岩的强度和止水性。②盾构掘进中需从重要的结构物或埋设物的附近或下面通过时、近接或穿越河流湖海时以及近接其他地下工程而危及其工程安全使用时，需实施注浆加固达到防护目的。③在浅覆土部位、地中接合部位或刀头交换部位以及地中扩挖部位等，为了加固围岩、防止压气施工时的漏气、防止由于掘进带来的围岩松动等，也需实施注浆加固。•注浆浆液分类注浆浆液的种类极其繁多，目前工程中应用较多的有水泥浆液、水玻璃浆液和高分子浆液等。水泥浆又包括一般纯水泥浆液、膨润土水泥浆液、带填料的水泥浆液、特殊水泥浆液以及超细水泥浆液等；水玻璃浆液又分为溶液型浆液和悬浊型浆液。•注入方式①从地表进行注入，不妨碍施工，不影响盾构掘进。②从隧道内注入，必须停止盾构施工。③利用导洞注入，必须先进行导洞施工。•注浆法的优点注浆法是盾构隧道施工中使用最多的辅助工法，与其他辅助工法相比，它主要有以下优点：施工设备简单；规模小，耗资少；占地面积小，对交通影响小；工期短，见效快；施工中产生的噪声和振动小，对环境影响小；狭窄的场地、矮小的空间均可施工；加固深度可深可浅，易于控制。注浆加固工法不仅在隧道工程中应用较多，在建筑、市政工程、水利电力、交通能源，地铁、矿井、地下建筑等许多领域中也有着广泛的应用。1.5.4冻结法•冻结法在盾构施工中的应用:①盾构始发或到达竖井时竖井外侧的地层加固；②两条平行隧道间连接通道施工时的地层加固；③盾构隧道分岔、汇合施工时的地层加固；④两台盾构对接施工时的地层加固；⑤盾构隧道掘进路线旁结构物的保护施工；⑥大深度竖井修建中形成临时止水墙•应用冻结法的注意事项①必须根据地中温度的测定来确定地层的冻结状态，必要时，需要对冻结地面采取保冷措施。②必须注意由冻结管损坏等引起的盐水泄漏。冻结管铺设后应进行耐压试验，开挖冻结管附近的冻土时，应在确认冻结管的位置后再进行。③地下水的流动（流速在１～５m／d以上）会妨碍冻结的进行。地下水丰富且透水性好的砂及砂砾层中，要注意地下水流的存在。可根据情况采用化学加固方法来截断地下水或降低其流速。④冻土接触地中结构物时，地中结构物成了妨碍冻结的热源，所以必须研究