盾构施工主要技术环节与流程

1目录1.前言2.盾构施工主要技术环节与流程3.施工准备环节主要内容4.盾构施工环节主要技术5.结语1.前言盾构的工作原理就是在盾壳的保护下，通过刀盘切削土体，利用千斤顶等推进系统驱使设备向前方土壤掘进的一种工法。盾壳对未衬砌（拼装管片）的隧道段起着临时支护的作用，承受周围的土压、水压以及屏蔽地下水。掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。1.前言按照盾构掘进过程中开挖面稳定的原理分类，盾构施工主要分为土压平衡式盾构与泥水加压平衡盾构。1.前言与土压平衡盾构相比较，泥水盾构在以下三个方面具有明显优势：一是适用范围更广，特别是对于地下水发育、穿越地质条件复杂的隧道；二是压力控制精准度更高；更利于沉降控制及沿线建构筑物安全保护；三是更利于环境保护。因此目前国内大直径隧道，尤其是穿越江海湖泊、地处城市核心区的大直径盾构隧道都以泥水复合式平衡盾构做为首选。而铁路隧道由于断面大、覆土深、地质条件复杂，目前采用盾构法修建的隧道均选用的是泥水盾构，如广深港什字洋隧道、湘株谭客运专线、北京地下直径线、天津地下直径线以及即将开工的京沈、京张和天津机场线等项目。2.盾构施工主要技术环节及流程工作井施工盾构下井盾构安装调试负环掘进出洞段掘进正常掘进洞门破除洞门密封圈安装接收基座安装洞门破除隧道端头加固隧道洞口加固泥水系统安装进洞段掘进盾构拆除吊出施工调查施工场地盾构、泥水设备选型与配置盾构制造3.施工准备环节主要内容与控制盾构施工准备环节主要的工作内容有：（1）详细的工前调查。包括施工场地、沿线建构筑物、工程地质与水文地质。（2）施工场地规划与布置、施工用水、用电、污水排放等临时设施规划与布置。（3）盾构机及泥水处理设备、泥水输排送等主要设备的选型与配置。（4）管片生产车间（工厂）准备。（5）工程进度、安全、质量等各种管理计划制定，工程技术方案的编制与完善等相关内容。控制重点是施工场地规划布置及设备选型与配置。3.施工准备环节主要内容与控制3.1.盾构机及泥水处理设备的选型与配置盾构法作为地下工程修建的一种施工方法，其成败关健系之于设备本身。工程能否顺利实施实际就是“能否掘得动、排得走、稳得住”。核心就是进、出两个途径是否畅通，进即为盾构刀盘刀具与地层是否适应，刀盘的使用寿命、切削效果、出土状况、掘进速度和施工效率是否满足施工计划需求，出即为泥水处理效率与效果是否与掘进速度相匹配、排污是否满足城市环保控制标准。3.1.盾构机及泥水处理设备的选型与配置序号系统名称主要组成部分投资占比1主驱动系统主轴承、主轴承内外密封、主驱动电机等35－40%2泥水循环系统包括进浆泵、排浆泵及控制单元20－25%3供电系统刀盘驱动变压器、辅助变压器、功率补偿器等8%4推进系统包括推进油缸、压力传感器及相关控制单元5－6%5刀盘刀具刀具、刀盘法兰及刀盘本体结构、旋转接头5－7%6管片安装系统真空吸盘机、管片安装机及结构梁等5%7同步注浆系统注浆泵、管路、储浆罐等2.5%8盾构掘进导向系统2.5%9空气供应系统空压机、储气罐及控制仪表、电气元件等2%10水循环系统包括冷却、排污2%11盾体包括前盾、中盾、尾盾及连接桥1%12注脂系统包括主轴承润滑注脂、主轴承密封注脂（HBW）及盾尾密封注脂的注脂泵、吊机等1%13控制系统控制室、PLC控制、数据采集等0.7%刀具刀盘刀盘刀具的选择与应用刀盘形式比较项目面板式幅条式砂、土适应性（粒径＜15cm）由于开挖面土体受面板开口影响，渣土进入渣舱不顺畅，易粘结，易堵塞。仅有几根幅条，同时幅条后均设有搅拌叶片，土、砂流动顺畅，不易堵塞。砂卵石适应性（粒径＞15cm）适应性强，必要时可加滚刀。不能加滚刀，刀头形式及数量较少。刀盘扭矩刀盘扭矩阻力大，需增加设备能力，造价高。适用于硬土与岩石地层刀盘扭矩阻力小，设备造价低，适用于淤泥质地层与砂层。隧道内刀头更换安全性由于有面板，在隧道内更换刀头时安全可靠性相对好。在隧道内更换刀头时安全性差，加固土体费用高。刀盘特性比较换刀功能的配置冲刷功能的配置泥水处理设备泥水处理设备的配置取决于盾构掘进地层的颗粒组成、掘进进度、场地、排放等众多因素影响。一般的泥水处理分为三级，即筛分、旋流（除砂除泥）、沉淀三级处理模式。但在细颗粒含量较多的情况下，泥水处理应考虑增加至四级甚至五级，以满足进度及排放要求。3.2施工场地规划与布置盾构施工场地需求主要包括：（1）泥水工厂及渣土堆放场地。包括泥浆制备、调整、沉淀、处理及渣土堆放。关健在于泥水处理场地需求较大，因为计划进度要求越高、泥水循环处理设备配置越多，一般要求泥浆的沉淀、调整部分场地不小于3000m2。（2）管片堆放场地：一般现场堆放管片数量应不少于2天掘进数量。（3）其它场地包括：加工场地、同步注浆拌和站、电力变电所、材料堆放场地等。对于直径大于10米的盾构，要求整体始发时，施工场地应仅量不小于7000m2。4.盾构施工环节主要技术4.1盾构始发出洞技术4.盾构施工环节主要技术安装始发基座端头土体加固盾构组装调试加固效果检验安装反力架凿除洞门安装洞门密封拼装负环管片始发掘进，盾尾通过洞门压板加固，壁后注浆第23页共62页4.1.2始发或到达端头加固主要方法：深层搅拌、旋喷桩、SMW、注浆、降水、冻结。第24页共62页基座安装始发基座进场→基座吊装下井→始发基座安装始发轨道安装→轨道调整→始发基础加固4.盾构施工环节主要技术第25页共62页G2拖车进场组装→G2拖车下井→G2拖车井下组装G1拖车地面组装→G1拖车下井→G1拖车井下组装盾构组装4.盾构施工环节主要技术第26页共62页G0拖车地面组装→G0拖车下井→G0拖车井下组装真空吸盘井下组装→前盾吊装下井→前盾组装4.盾构施工环节主要技术第27页共62页中盾下部吊装下井→主驱动吊装下井→主驱动井下组装米字梁安装→人仓吊装下井→尾盾井下安装4.盾构施工环节主要技术第28页共62页设备梁试安装→设备梁地面组装→设备梁井下安装走行平台组装→设备梁吊装下井→走行平台组装4.盾构施工环节主要技术第29页共62页盾尾上部下井组装→刀盘吊装下井→刀盘下井组装刀盘焊接→刀盘耐磨焊焊接→盾构组装成型4.盾构施工环节主要技术第30页共62页管片拼装机调试→负环管片安装→盾构试掘进泥水系统控制→掘进参数控制→盾构姿态控制盾构调试4.盾构施工环节主要技术洞门破除顺序图刀盘与洞门破除后砼位置关系凿除面预留连续墙（厚度40）洞门破除效果图洞门凿除4.盾构施工环节主要技术第32页共62页洞门密封↑洞门密封安装流程洞门密封进场洞门密封安装4#井盾构始发洞门临时密封采用双道密封装置，其中每道密封由帘布橡胶、扇形压板、止水箱、注浆管和螺栓等组成，两道密封间隔400mm。4.盾构施工环节主要技术第33页共62页反力架安装←发力座横梁←横梁安装←横撑架设↑反力架整体结构4.盾构施工环节主要技术4.盾构施工环节主要技术盾构隧道始发技术是盾构法施工技术的关键，也是盾构施工成败的一个重要标志。要认识到端头加固的重要性，特别是大直径盾构出问题就是大问题。控制重点在于：加固范围、始发基座、负环拼装、洞门密封及泥水压力设定。而影响始发费用高低的控制关健在于：始发场地的大小、始发的方式如是分体始发还是整体始发。刀盘驱动背填注浆建立泥浆循环启动推进油缸管片安装缩回顶进油缸刀盘掘进泥浆分离处理排浆泵排浆管片生产运输进浆泵导向系统方向调整4.2.盾构掘进4.盾构施工环节主要技术4.2.1工艺流程4.2.2盾构掘进参数盾构掘进过程的主要控制参数包括：（1）泥水压力：根据静压力并结合沉降控制要求设置。盾构机推进、逆洗和旁路三种状态切换时的切口泥水压力偏差值均控制在±0.05bar。（2）推力、扭矩：根据盾构掘进地层条件、泥浆比重与粘度、刀盘贯入度确定。（3）掘进速度。（4）泥浆指标。包括送浆指标与排浆指标。包括比重、粘度、析水量等。（5）盾构掘进姿态。主要包括纠偏量的控制。不同的掘进参数对于盾构掘进过程的材料消耗影响差异性非常大。盾构掘进过程的主要消耗材料包括前端、后端的密封油脂，刀具、泥浆等。4.盾构施工环节主要技术调整槽B作业面DV2E盾构CCV1V1P3P2V3处理设备P1AIF图9.3.17泥水输送基本程序图HMT6,65FDPPPPPPPPPPVersusinedetraitementdeboueToslurrytreatmentplantDepuisl'usinedeproductiondeboueFromthebentoniteplantLFMP.3MMPFDPPMPPMP.2.iP.1.1P.2.1P.1.iV01V03V02V04V05V06V07V09V11V12V08V10V13V17V15V16V14V20V19V18V21V24V23V224.3泥浆的输送与排放泥水环流系统包括泥水输送与泥水排放，刀盘切削下来的土砂和泥水舱中的泥水合成的泥浆，通过排泥泵与排泥管道送往地面的泥水处理分系统进行分离，分离并经过调整后的泥浆通过输送系统再送回盾构泥水舱。泥水输送分系统主要由送排泥泵、阀、送排泥管道及配套部件等组成，通过泥水监控分系统进行自动化操作。设备投入的多少主要受掘进距离、地层的影响确定。4.4泥浆分离混和开挖碴土后的泥浆通过泥浆排放系统输送至泥水处理工厂后，通过泥水分离系统实现碴浆分离，碴土直接弃运，处理后的泥浆调整合格后再输送到盾构泥水舱。泥水处理系统根据地层颗粒级配进行设备配置。一般的砂卵石地层以及排放标准要求不高的项目，泥水处理系统由筛分-旋流（除砂除泥）-沉淀三级处理组成即可满足施工需求。但对于细颗粒含量（＜74μm）含量较多、排放标准要求高的项目，泥水处理容量需进行扩容、升级以满足进度需求。五级泥水处理技术泥水处理泥浆泥浆——一级筛分——二级筛分——旋流——清水压滤——沉淀——离心——清水泥水处理第46页共62页4.5盾构壁后注浆同步注浆流程图作用：（1）控制隧道周边地层松动，防止较大地层位移及坍塌；（2）稳定已拼装成型的管片，使作用于管片上的油缸推力顺利传至地层中；（3）作为隧道防水系统的第一道屏，防止地下水渗流到隧道内部；（4)作为隧道衬砌结构的加强层,使其具有耐久性和一定的强度。4.5.1同步注浆后部油脂注入孔前部油脂注入孔注浆孔管片浆液体盾尾密封钢丝刷4盾尾盾尾密封钢丝刷3盾尾密封钢丝刷2盾尾密封钢丝刷1作用：二次注浆、二次深孔注浆主要是考虑到同步注浆在凝结后体积收缩，为避免地层损失及控制周边建筑物风险而进行的回填、加固注浆。注浆二次注浆根据不同的作用可分为堵漏注浆、加固注浆、分段注浆三种。施工主要是：在预制管片上预留二次注浆孔，在管片脱出盾尾一定距离后，进行注浆施工。4.5.2二次注浆隧道内的二次补强注浆第49页共62页管片拼装程序如下：掘进→掘进完→测量盾尾间隙→启动PPS系统管片拼装程序→输入盾尾间隙→按管片计算→记录下K块拼装点位→保持管片拼装界面进行管片拼装→拼装完再次测量盾尾间隙→输入盾尾间隙→按保存→启动PPS测量程序→开始掘进。4.6管片拼装盾构姿态控制→盾尾间隙输入→管片选型→管片拼装第50页共62页进场管片检查→管片运输→洞内管片卸载盾构掘进→拼装机检验→管片拼装4.6管片拼装4.7盾构换刀技术盾构掘进过程刀具磨损后必须及时更换，通过实施主动换刀能确保盾构掘进参数的稳定，保证施工的安全。换刀方式有常压换刀及带压换刀两种方式。常压换刀即通过一定加固措施能够实现地层能够自稳的条件下，开仓常压更换磨损刀具。带压换刀指地层不能实现自稳、也无法通过其它辅助措施实现常压开仓时，通过带压进仓更换磨损刀具的方式。第52页共62页进仓加压→补气量观测→边刮刀检查带压进仓准备→泥水系统控制→人员进仓第53页共62页进仓加压→吸氧减压→减压出仓泥膜检查→滚刀检查→更换刀具4.8风险控制主要通过沉降数据分析，掌握大直径泥水盾构在不同埋深、地层情况下的沉降规律及主要影响因素，根据盾构掘进各阶段的沉降占比确定工艺控制措施。如根据直径线施工地表沉降统计，先行沉降、开挖面前沉降、通过沉降、盾尾空隙沉降五个阶段占总沉降