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《城市地下工程施工技术与工程实例》第五讲盾构法隧道施工技术与工程实例25地铁隧道泥水平衡盾构施工技术一、泥水盾构产生与发展二、泥水平衡盾构适用范围三、泥水平衡盾构原理四、泥水平衡盾构施工技术五、工艺设计和控制要求六、质量标准与成品保护七、安全环保措施八、工程实例一、泥水盾构产生与发展1896年Haag在柏林为第一台德国泥水式盾构申请了专利，该盾构以液体支撑开挖面，其开挖室是有压和密封的。由于高透水性地层用压缩空气支撑隧洞开挖面非常困难，1874年，Greathead开发了用流体支撑开挖面的盾构，开挖出的土料以泥水流的方式排出。1959年E.C.Gardner成功地将以液体支撑开挖面应用于一台用于建造排污隧洞的直径为3.35m的盾构。一、泥水盾构产生与发展1967年第一台有切削刀盘并以水力出土、直径为3.1m的泥水盾构在日本开始使用。在德国，第一台以膨润土悬浮液支撑开挖面的盾构由Wayss&Freytag开发并投入使用。1960年Schneidereit引进了用膨润土悬浮液来支撑开挖面，而H.Lorenz的专利提出用加压的膨润土液来稳固开挖面。泥水式盾构机的发展有三种历程，即日本历程、英国历程和德国历程。到目前则只有日本和德国两个主要的发展体系。日本的发展历程导致当今的泥水盾构，德国的发展历程导致水力盾构。一、泥水盾构产生与发展德国和日本体系的主要区别是，德国式的在泥水舱中设置了气压舱，便于人工正面控制泥水压力，构造简单；日本式的泥水密封舱中全是泥水，要有一套自动控制泥水平衡的装置。1967年三菱公司制造了第一台为泥浆开挖面支护的试验盾构，直径为3.10m的样机取得经验后,1970年建造了第一台大型泥水盾构,直径为7.20m,用于建设海峡下的Keiyo铁路线。自此以后,日本的很多制造商生产了此型盾构。与欧洲相比,泥水盾构在日本使用很多。在欧洲,英国的Markham,法国的NFM及FCB公司等采用日本许可证,也制造了泥水盾构。一、泥水盾构产生与发展由于泥水平衡盾构具有在易发生流沙的地层中能稳定开挖面，泥水传递速度快而且均匀，开挖面平衡土压力的控制精度高，对开挖面周边土体的干扰少，地面沉降量控制精度高，用泥浆管路可连续出渣，施工进度快，刀盘、刀具磨损小，适合长距离施工等优点。因此，泥水平衡盾构适用于含水率较高、软弱的淤泥质粘土层、松散的砂土层、沙砾层、卵石层和硬土的互层等地层。特别适用于地层含水量大的上方有水体的越江隧道和海底隧道，以及超大直径盾构和对地面变形要求特别高的地区施工。二、泥水平衡盾构适用范围泥水式盾构机施工时稳定开挖面的机理为：以泥水压力来抵抗开挖面的土压力和水压力以保持开挖面的稳定，同时，控制开挖面变形和地基沉降；在开挖面形成弱透水性泥膜，保持泥水压力有效作用于开挖面。三、泥水平衡盾构原理在开挖面，随着加压后的泥水不断渗入土体，泥水中的砂土颗粒填入土体孔隙中，可形成渗透系数非常小的泥膜（膨润土悬浮液支撑时形成一滤饼层）。而且，由于泥膜形成后减小了开挖面的压力损失，泥水压力可有效地作用于开挖面，从而可防止开挖面的变形和崩塌，并确保开挖面的稳定。因此，在泥水式盾构机施工中，控制泥水压力和控制泥水质量是两个重要的课题。为了保持开挖面稳定，必须可靠而迅速地形成泥膜，以使压力有效地作用于开挖面。为此，泥水应具有以下特性：三、泥水平衡盾构原理(1)泥水的密度。为保持开挖面的稳定，即把开挖面的变形控制到最小限度，泥水密度应比较高。从理论上讲，泥水密度最好能达到开挖土体的密度。但是，大密度的泥水会引起泥浆泵超负荷运转以及泥水处理困难；而小密度的泥水虽可减轻泥浆泵的负荷，但因泥粒渗走量增加，泥膜形成慢，对开挖面稳定不利。因此，在选定泥水密度时，必须充分考虑土体的地层结构，在保证开挖面的稳定的同时也要考虑设备能力。三、泥水平衡盾构原理(2)含砂量。在强透水性土体中，泥膜形成的快慢与掺入泥水中砂粒的最大粒径以及含砂量（砂粒重/粘土颗粒重）有密切的关系，这是因为砂粒具有填堵土体孔隙的作用。为了充分发挥这一作用，砂粒的粒径应比土体孔隙大而且含量适中。三、泥水平衡盾构原理(3)泥水的粘性。泥水必须具有适当的粘性，以收到以下效果：1)防止泥水中的粘土、砂粒在泥水室内的沉积，保持开挖面稳定；2)提高粘性，增大阻力防止逸泥；3)使开挖下来的弃土以流体输送，经后处理设备滤除废渣，将泥水分离。2、泥水盾构正常掘进四、泥水平衡盾构施工技术1、泥水盾构的始发（出洞）3、掘进参数的控制4、泥浆制备5、泥水盾构到达（进洞）管理1、泥水盾构的始发（出洞）泥水盾构始发的主要内容包含：封门、土体加固、临时支撑、洞门密封等，也有采用辅助工法进行始发的（冻结法）。泥水盾构始发方法多种多样，有利用现有空间组装好后利用临时支撑始发的（如地铁工程利用车站始发）、有利用竖井始发的、有开挖始发隧道始发的（始发隧道有长有短）。1)现浇钢筋混凝土封门。封门2)钢板桩封门。3)装配式封门。4)其他。1、泥水盾构的始发（出洞）洞口周围土体加固包括注浆加固、深层搅拌桩、旋喷桩等化学加固方法和井点降水疏干、冻结加固等物理加固方法。土体加固1)土体加固原则。具体采用哪一种加固方法，应根据实际情况作出选择，在砂质土层不宜使用注浆加固；埋深较深的进出洞口不宜用井点降水疏干等。2)土体加固厚度。砂性土体中盾构出洞加固范围为盾构机长度加上3环管片的长度；1、泥水盾构的始发（出洞）临时支撑临时支撑是盾构始发是盾构法施工的根本，是重要工序。要有足够的稳定性，确保盾构始发时推力均匀地传递到各支撑上。临时支撑包括基座、导轨、支撑等。还有些泥水盾构利用钢管片、安装负环管片始发。1、泥水盾构的始发（出洞）洞门密封为了防止盾构始发时泥水、地下水从盾壳和洞门的间隙处流失，以及盾尾通过洞门后背衬注浆浆液的流失，在盾构始发时需安装洞门临时密封装置，临时密封装置由帘布橡胶、扇形压板、垫片和螺栓等组成。密封装置安装前对帘布橡胶的整体性、硬度、老化程度等进行检查，对圆环板的成圆螺栓孔位等进行检查，并提前把帘布橡胶的螺栓孔加工好。盾构机进入预留洞门前在外围刀盘和帘布橡胶板外侧涂润滑油以免盾构机刀盘挂破帘布橡胶板影响密封效果。1、泥水盾构的始发（出洞）2．泥水盾构正常掘进在泥水平衡模式下掘进时，操作人员必须时刻注意各种掘进参数的变化并迅速分析、判断并对变化的参数进行合理的调整。一般来说，掘进时应对以下项目进行控制和测量：盾构机切削刀盘与掌子面压力的控制和测量切削刀盘的扭矩（驱动压力）的控制和测量盾构机开控舱泥水压力的控制和测量盾构机顶部泥水压力的测量同步注浆及注脂的控制盾构机推进压力的控制和测量进排浆系统压力及流量的控制和测量掘进方向的控制和测量3、掘进参数的控制推进速度排碴量同步注浆和补强注浆盾构姿态控制及方向调整泥水处理及质量控制4、泥浆制备作泥量需考虑以下因素混入泥水中的粉砂、粘土使泥水成分增加（砂质土几乎全部，硬质粘土有10~15%左右的细粒混入）；在作业面的损失量；泥水处理时的损失量；在加长配管时的损失量等；从配管、泵向洞内泄漏的损失量等。4、泥浆制备作泥设备泥水的比重和粘度是泥水主要控制指标。在充分把握开挖前后泥水成分的增减和查明对于不同地质的泥水损失量及泵的规格的基础上，设置能应付预想的泥水性能变化的设备容量为。作泥设备主要包含剩余泥水槽、粘土溶解槽、清水槽、调整槽、CMC（增粘剂）贮备槽、搅拌装置等。4、泥浆制备泥水制作流程调整槽内泥水不足时，粘土或膨润土被送入粘土溶解槽，经过搅拌装置充分搅拌后，送入调整槽；剩余泥水槽内的粘稠泥浆与来自清水槽的水混合，经过搅拌后，送入调整槽。泥水粘度不足时，向泥水中添加CMC（增黏剂）增加泥水粘度。调整槽内的泥水经搅拌后由送泥泵送入送泥管道。5、泥水盾构到达（进洞）管理盾构到达是盾构推进施工的最后一道工序，也是关系工程成败的关键工序之一。盾构到达施工要保证隧道贯通、防止靠近洞口若干环管片纵向移位、防止基座出现姿态突变而影响成环管片变位等，还需要在洞门封门拆除、洞门缝隙处理等方面采取相依的技术措施、施工工艺和方法，确保盾构顺利到达。5、泥水盾构到达（进洞）管理(1)到达前姿态控制在盾构离洞口50-100米处，作最后一次传递测量，从而复核盾构的位置是否在到达要求的范围之内。从三个方面控制盾构姿态：盾构轴线与隧道轴线夹角控制；盾构切口中心高程偏离值宁正勿负；盾构切口中心平面偏离值控制在允许范围内。(2)管片拉紧每环管片拼装后及时拧紧、复紧。对前若干环管片全部连接在一起，采取纵向拉杆或其它材料。5、泥水盾构到达（进洞）管理(3)洞门封门如为钢板封门，应在盾构距离20-30cm时停止掘进，拆除封门后，盾构快速掘进进入接收基座上，并立即进行洞口缝隙密封处理。如为钢筋混凝土封门，须在盾构到达前进行拆除。(4)接收导轨安装根据测量出的盾构进洞姿态作为接收基座安装的依据，使盾构进洞后产生的姿态突变尽量小，并尽量较少对管片变位的影响。(5)土体加固地质情况较差时的土体加固方法与始发施工类似。2、材料质量要求五、工艺设计和控制要求1、技术要求3、职业健康安全要求4、环境要求1、技术要求(1)盾构在厂内制造完工后，必须进行整机调试，检查核实盾构设备的供油系统、液压系统和电气系统的状况，调试机械运转状态和控制系统的性能，确保盾构出厂就具备良好的性能，防止设备上的先天不足给工程带来不必要的困难。(2)盾构掘进施工对上部所需的覆土层的厚度要求。(3)平行双洞应有足够的线间距，洞与洞及洞与其它建（构）筑物之间所夹土（岩）体加固处理的最小厚度为水平方向1.0m，竖直方向1.5m。1、技术要求(4)两条隧道平行或立体交叉施工时，应根据地质条件、土压平衡盾构的特点、隧道埋深和间距，以及对地表变形的控制要求等因素，合理确定两条盾构推进前后错开的距离。(5)泥水平衡盾构掘进时，工作面压力应通过试推进50～100m后确定，在推进中应及时调整并保持稳定。(6)盾构掘进中遇有下列情况之一时，应停止掘进，分析原因并采取措施：1)盾构前方发生坍塌或遇有障碍；2）盾构自转角过大；3）盾构位置偏离过大；4）盾构推力较预计的增大；5）可能发生危及管片的防水、运输及注浆遇有故障等。2、材料质量要求（1）工程所使用的各种原材料、半成品或成品都必须符合国家现行有关标准和设计要求，特别是防水材料在使用前必须按规定抽查检测。（2）泥水要具有物理稳定性好，化学稳定性好，泥水的粒度级配、相对密度与粘度适当，流动性好，成膜性好。（3）泥水的最佳特性参数是：可渗比n=14～16、相对密度为1.2、漏斗粘度为25～30s、界面高度＜3mm(24h静置后)，pH浓度7～10。3、职业健康安全要求（1）盾构工作竖井地面设防雨棚，井口周围应设防淹墙和安全栏杆。（2）更换刀具的人员必须系安全带，刀具的吊装和定位必须使用吊装工具。在更换滚刀时要使用抓紧钳和吊装工具。所有用于吊装刀具的吊具和工具都必须经过严格检查，以确保人员和设备的安全。(3)隧道施工时应进行机械通风，保证每人每分钟需供应新鲜空气3m3；最小风速不小于0.15m/s。隧道内气温不得高于28℃；隧道内噪声不得大于90dB。(4)带压作业人员必须身体健康，并经过带压作业的专业培训，制定并执行带压工作程序。4、环境要求(1)针对盾构施工在特定的地质条件和作业条件下可能遇到的风险，在施工前必须仔细研究并切实采取防止意外的技术措施。(2)应特别注意防止瓦斯爆炸、火灾、缺氧、有害气体中毒和涌水情况等，预先制定和落实发生紧急情况时的对策和措施。1)水平方向控制标准：±50mm2)垂直方向控制标准：±50mm六、质量标准与成品保护盾构掘进水平与垂直方向控制标准六、质量标准与成品保护盾构推进时地表沉降控制标准，见表：地表最大沉降量控制标准隧道掘削面地层隧道上方地层最大沉降量(mm)冲积层软粘性土层冲积层30～100洪积层砂性土层洪积层且厚度小于隧道直50～8010～30粘性土层洪积层或冲积层301、盾构推进后，应及时对衬砌背后实施注浆，尽可能