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盾构始发、到达的风险分析与对策王晖广州轨道交通建设监理有限公司二○○七年九月•一、基本概念•二、盾构始发、到达安全风险分析及对策•三、盾构始发、到达质量风险分析与对策•四、建议一、基本概念•盾构始发的定义:是指盾构在安装竖井内或过站竖井内，自盾构主机开始定位，儀盘向前推进贯入围岩，沿设计线路向前掘进，直至具备拆除负环条件为止。•在盾构始发阶段，要完成盾构设备的安装与调试，始发辅助设备的安装与定位，盾构初始定位与掘进控制，盾构导向系统的安装与调试以及区间隧道洞口的处理。•盾构始发是盾构施工中风险昀大的环节之一，非常容易发生工程质量和安全事故。如何对盾构始发的安全和质量风险进行评估，并形成风险对策以付诸实施，是确保盾构始发安全和质量的必不可少的工作。•盾构到达的定义:指盾构机到达过站竖井或拆卸井，要完成到达前的定位测量、接收架的安装、管片连接装置的安装和区间隧道洞口的处理等工作。•盾构机始发步骤端头加固安装始发基座安装反力架盾构机进场盾构机组装调试安装负环管片洞门凿除安装洞门密封装置盾构机前移盾构机始发掘进盾构机到达步骤•盾构到达步骤端头加固安装接收基座盾构机靠上围护结构管片连接洞门凿除安装洞门密封装置盾构机到达掘进二、盾构始发安全风险分析及对策安全风险分析•1、端头加固工法的选择不合理。洞口密封圈加固范围加固范围a）化学注浆施工法b）高压喷射搅拌施工法c）冻结施工法（垂直钻孔）洞口密封圈洞口密封圈冻土d）冻结施工法（水平钻孔）e）芯材拉拔施工法f）墙壁体开挖施工法洞口密封圈洞口密封圈洞口密封圈冻土按需要加固地基直接开挖墙体出发泥水固化墙工字钢出发时拉拔盾构到达实例a）化学注浆施工法（b）高压喷射搅拌施工法（c）冻结施工法（垂直钻孔）（d）冻结施工法（水平钻孔）（e）墙体开挖施工法接口部加固范围直接开挖墙体按需要加固地基等有时也同时使用竖井内隔墙接口部接口部接口部接口部冻结土冻结土冻结土•端头加固目的（1）控制地表沉降，端头不坍塌。始发、到达前往往需要凿除洞口井壁的混凝土，割断钢筋，以满足盾构顺利进出洞，而洞口的井壁混凝土有时要达到800mm或更厚，凿除时间长，要避免凿除过程发生坍塌，更要避免因开挖面暴露时间过长而坍塌或造成过大地表沉降。（2）控制水土流失。盾构始发进入加固体，或盾构到达穿过加固体时，在含水量较高、水平渗透系数大的含砂层、卵石层等地层，盾构进出洞容易造成水土流失。采用泥水盾构时，泥水压力的作用也会使加固体发生水土流失，导致无法达到泥水平衡状态，如果土体不具备一定强度，很容易坍塌。（3）重型机械作用时土体的承载力盾构吊装或拆卸时，重型吊机往往作用在端头位置，为防止重型机械作用在软弱土体上起吊时发生失稳、坍塌，或对已成形隧道安全造成不利影响，对地表的软弱地层进行加固。（4）周边建、构筑物安全•几种主要端头加固方法的原理及计算（1）注浆加固：将浆液注入地层改善地基强度和止水性。该方法对强度的改良有限，主要是增强凝聚力，注浆材料的种类多种多样，按浆液固结状态分类主要有填充注浆、渗透注浆、劈裂注浆、压密注浆等。按注浆管形式分为钻杆注浆（单、双管）、花管、双层管双栓塞注浆法。盾构始发注浆加固计算模型pt：改良土厚度c：粘着力p:侧压力C注浆范围C盾构机•（2）旋喷桩、搅拌桩施工•由于采用旋喷桩、搅拌桩可以获得均质、高强度的加固体，因此，可以通过土质和结构力学计算，确定加固土体厚度。•C：加固体凝聚力•R：到塑性范围外的距离•H：隧道中心深度•γt：土比重αγγln22ln+=+cHcRRtt改良断面的研究塑性领域•（3）冻结施工•冻结施工是将自然状态下不均匀的地基通过冻结变成具有均匀力学性质的材料。分为盐水冷冻方式（间接冻结）和液氮冷冻方式（直接冻结）。•盐水方式使用冷冻机将盐水冷却到－20～－40℃，用循环泵将冷却的盐水输送到冻结管，冷却周围的地基，因地基内的热量、盐水温度上升，便再次用冷冻机冷却。通过冷冻装置使冷却的盐水在冷却管内循环，使地基冻结固化。盾构工程的冻结规模大，一般广泛采用的是盐水方式。•液氮冷冻方式需要油罐车从工厂运到施工现场，再通过在冻结管中气化而使冷冻管周围地层的土壤冻结，气化后的氮气放入大气，液氮会在大气中释放损耗，只限于冻土量为150m3，以下的小规模工程。计算方法：垂直荷载按静态土压和水压考虑，冻土将端头水土全部牢固地粘结在一起，始发端头可以当做周边被竖井墙固定的圆板来解析计算，到达端头可以作为被竖井固定、被盾构机支撑的梁或者水平圆筒来计算。12npWp冻土施工法计算模型1－挡土墙；2－冻土；3－土压；4－水压W=p+pnw3w4•端头加固可以单独采用一种工法或多种工法相结合的加固手段，主要取决于地质情况、地下水、覆盖层厚度、盾构机直径、盾构机型、施工环境等因素。同时考虑安全性、施工方便性、经济性、进度等。（1）搅拌桩施工工法软土地层昀常用的端头加固方法之一。通过搅拌桩使端头土体凝聚力和内摩擦角改变，主要适用于淤泥、粘土层和砂层，但在砂层加固效果差，须与旋喷桩等工法配合使用。该方法受国产设备性能限制，一般在14m深度以下加固效果即很差。它的优点是工程造价低。易出问题：加固不连续，加固体强度偏低，掉钻头等。南京地铁玄武门站端头加固实例：地质情况：上半断面淤泥质粉质粘土，下半断面粘土。始发加固厚度t=6m，到达加固厚度3m，为了防止角部发生涌水等事故，在两端头施工了两根挖孔桩，回填砂浆。•（2）旋喷桩施工工法对于砂层改良效果好，也适用于淤泥、粉土、粘土层，但砂砾地基和粘着力大的粘土有时不能形成满意的改良桩，施工深度在40m以下时，效果较差。由于其造价偏高，施工单位往往不愿采用，但在围护结构与加固体的间隙加固以及角部加固经常被采用。有三种主要工法选择：单、双、三重管。•（3）注浆适用于多种地层，尤其是深度较深的砂质地层、砂砾层，地层较好的地段或与搅拌桩等工法相结合，对于水量不大的地段进行加固止水。可进行单液和双液注浆，同时可进行跟踪注浆；浆液种类较多，经济性和可施工性好，材料和施工方法多种多样，需根据地下水、地质、施工环境等来确定，同时要考虑因灌浆而引起地基隆起等的处理对策。•（4）SMW(soilmixingwall)水泥类悬浊液在原地层中与土体搅拌混合形成墙体的技术。作挡土墙使用时，一般使用H型钢芯材。桩机为三轴或五轴搅拌桩机。隔孔布置全孔布置隔孔和全孔布置组合适用于砂层、淤泥、粘土层，加固宽度小，造价较低，是此类地层昀安全可靠的加固方法之一。该方法成桩效果好，止水性好，对周围地层影响小。该工法的优点：加固质量高，桩体连续、强度高（粘土中0.5～1MPa，砂和卵石中0.5～3MPa），适用于各类软土地层，对于盾构始发特别有利。该工法缺点：造价偏高，目前主要采用国外进口的三轴搅拌桩机。对于上软下硬地层不适应。要特别注意型钢无法拔出的情况及承压水存在的情况。•（5）连续墙、钻孔桩始发井的挡土墙作为双层结构的方法，对于土层相对较硬，但渗水量偏大的地层适用。需要注意的是：①连续墙、钻孔桩上部的充填；②夹层的处理。如小新区间盾构始发加固、仑大区间盾构始发加固•小新区间盾构始发加固隧道基本穿越5z-2残积土层，局部6z。顶部为杂填土和淤泥（6）挖孔桩：适用于淤泥、粘土、强风化地层1号素填土2.5m、4号冲积-洪积土层2.9m、5-1号可塑或稍密状残积层3.4m、5-2号硬塑或中期密状残积层2.0m，7号强风化岩5.3m，下部为8号中风化岩和9号微风化岩，隧道洞身范围主要为7号地层。右线端头附近地层从上到下为：1号素土2.5m、4号冲积-洪积土层1.3m、5-1号可塑或稍密状残积层3.5m、5-2号硬塑或中密状残积层1.1m、7号强风岩1.8m，下部为8号中风化岩，隧道洞身范围主要为7号和8号地层。ZDK4+136.15φ1200人工挖孔桩车站围护支衬隧道隧道11地面桩芯砼桩芯回填部分1-1剖面•（7）冻结法适用于各类淤泥层、砂层、砂砾层，该施工法的冻土强度和止水性高，通过测量地下温度，便可确认冻土形成状态；加强施工管理，便可得到高可靠性的施工法。而且，冻土墙还能确保长期处于稳定状态。对于动水层，质量不宜保证：对于含水量低的地层不适用。•冻土会产生的冻胀和融沉效应，对地面沉隆控制和周边建筑物影响较大。冻胀和融沉因地基条件、冻结时间、冻结规模、解冻速度、荷载条件等而异，一般在砂和砂砾层上小，在粘土、粉砂、亚粘土层大。当可预测到地基冻胀、解冻沉降对周围结构物有不利影响时，必须根据其容许变位量和冻胀与解冻沉降的防护工程的必要性，研究是否需要采取冻结施工法。•上海江西中路盾构到达冻结法加固•地质情况：杂填土、粉质粘土、砂质粉土、淤泥质粘土。地下水位－1.0m，地层含水量35～50％，孔隙比大（0.9～1.4），强度低（60～100kPa）。•盾构为泥水盾构，直径11m，覆土厚度4.5～5m，江西路下有煤气管、自来水管、下水管和众多电缆。•冻结方法：垂直冷冻，冻结管间距1.5m，盐水昀低温度－24，冻土温度－10，抗压强度－3.95MPa。上海江西中路盾构到达冻结法加固加固断面：加固长度37m，宽度轴线两侧8.5m。冻土扩展速度2～3cm/日，冻结30d交圈。•冻结拱棚顶部昀大拉应力335kPa。•（8）降水•降低地下水位施工法，在有些土质条件下，往往会产生地基沉降和水井地下水位下降等现象，必须事先周密研究地下水位下降对周围地基等的影响。因此，一般在地层较好，周边环境适应，对建、构筑物影响范围小时采用。且主要应用于始发时，盾构到达时要考虑降水对隧道的影响，须与其他加固措施相结合。•主要采用井点降水方法。•（9）SEW工法/玻璃纤维混凝土/竹筋）（ShieldEarthretainingWallsystem）.将FFU制成的挡土墙装到竖井盾构机通过的部分，是划时代的密封直接掘进施工法。盾构机可直接切削挡土墙，能够缩小地基改良范围，缩短工期，对于软土地层、不具备加固场地的地层相当有用，但造价相当高。2、端头加固范围不够。主要体现在加固长度、深度上。加固范围主要根据加固方法和地层情况、始发或到达端头决定。（1）加固长度的多少对于软土地层（特别是砂层）和采用泥水盾构时特别重要，昀大的风险不仅仅来自加固强度，更是来自于盾构机机壳与土体之间间隙形成的渗流通道。（2）加固深度对于下部有承压水的地层至关重要，如果洞门下部为承压水层，洞门破除和盾构机顶进掌子面的过程，均容易发生管涌现象。（3）加固深度还要考虑上部大件吊装作业时，地基承载力能否满足要求。•采用一般搅拌桩等加固方法的情况下，始发加固厚度t一般不小于6m，到达加固长度一般不小于3m。但在特殊地层始发时，考虑到抗渗等因素，加固宽度须增加，如在粉细砂层中始发增加为10m，到达增加为9m。加固深度一般是洞门上部3m和下部2m范围，砂层中底部深度还应增加，防止出现管涌。加固高度说明图4.2.3地基加固范围实例（出发·到达）出发部GL到达部地基加固2排昀小厚度：2.5m加固高度地基加固（设计上需要的厚度）盾构外径昀小厚度：1.5m加固厚度=t加固厚度2排切去四角的加固方法昀小厚度：2.0m昀小厚度：2.0m盾构机外径RLGL加固宽度ntn采用旋喷或搅拌桩的昀小加固厚度DD(1.0)1≤D33≤D55≤D8BH1H21.01.01.52.01.01.52.02.51.01.01.01.5最小厚度BDBH1DH2许府巷站南端头到达加固土体自上至下为杂填土、素填土、粉土、粉细砂、淤泥质粉质粘土、粉质粘土。18.5018.00～～15.00～～～～～～～～～9.50～～～～～14.00～12.70～11.0019.0014.2011.2010.3310.183.206.50f0.601.503.20f2.300.50BWX30BWX3310.271.103.00BDX2•3、端头加固质量未能达到设计要求。（1）加固体本身强度不够，难以满足抗滑移或剪切的要求。（2）加固体不连续，局部出现渗漏。（3）加固节点处理不