盾构施工工艺及相关知识

盾构施工工艺是市政工程常用工艺之一，盾构法采用了特殊的施工工具盾构机。盾构机是根据施工对象“量身定做”的，盾构机制造所依据的对象，称之为施工环境，它是基础地质、工程地质、水文地质、地貌、地面建筑物及地下管线和构筑物等特征的总和。由此可以看出，如果不详细研究施工环境，也就造不出适应性强的盾构机，也就谈不上顺利地进行盾构施工。在施工环境的诸多因素中，基础地质和工程地质特征是最重要的，因为它们是盾构机选型及采用盾构施工工艺最重要的先决条件。在实践当中，对地质特征的研究往往被忽视。殊不知，没有什么盾构施工技术不是与地质特征有关的，尤其是在复合地层中的盾构施工。1、盾构的外形盾构的外形就是指盾构的断面形状，有圆形、双圆、三圆、矩形、马蹄形、半圆形或与隧道断面相似的特殊形状等。例如：将人行隧道筑成矩形，最大地利用了挖掘空间；将水利隧道筑成马蹄形，使流体的力学性能达到最佳状态；将穿山隧道筑成半圆形，可以使底边直接与公路连接等等。但是，绝大多数盾构还是采用传统的圆形。2、制造盾构的材料盾构在地下穿越，要承受水平载荷、垂直载荷和水压力，如果地面有构筑物，筑龙网还要承受这些附加载荷，盾构推进时，还要克服正面阻力，所以，要求盾构具有足够的强度和刚度。盾构主要用钢板单层厚板或多层薄板制成，钢板一般采用A3钢。钢板间连接可采用焊接和铆接两种方法，大型盾构考虑到水平运输和垂直吊装的困难，可制成分体式，到现场进行就位拼装，部件的连接一般采用定位销定位，高强度螺栓联接，最后焊接成型。二、盾构的基本构造盾构的基本构造主要分为盾构壳体、推进系统、拼装系统三大部分，见简单的手掘式盾构的基本构造图5－2。1、盾构壳体从工作面开始可分为切口环、支承环和盾尾三部分。(1)切口环切口环位于盾构的最前端，起开挖和挡土作用，施工时最先切入地层并掩护开挖作业，部分盾构切口环前端还设有刃口以减少切入地层的扰动。切口环保持工作面的稳定，并作为把开挖下来的土砂向后方运输，因此，采用机械化开挖、土压式、泥水加压式盾构时，应根据开挖下来土砂的状态，确定切口环的形状、尺寸。切口环的长度主要取决于盾构正面支承、开挖的方法，就手掘式盾构而言，考虑到正面施工人员、挖土机具有回旋的余地等。大部分手掘式盾构切口环的顶部比底部长，犹如帽檐，有的还设有千斤顶控制的活动前沿，以增加掩护长度；对于机械化盾构切口环内按盾构种类安装各种机械设备。盾构直径必须根据管片外径、盾尾空隙和盾尾钢板厚度等设计要素确定，而盾尾空隙应根据管片的形状尺寸、隧道的平面形状、纠偏、盾尾密封结构的安装等进行确定。盾构直径是指盾壳的外径，而与刀盘、稳定翼、同步注浆用配管等突出部分无关。所谓盾尾空隙，是指盾壳钢板内表面与管片的外表面的空隙。盾构法施工技术方案盾构法是暗挖隧道的专用机械在地面以下建造隧道的一种施工方法。盾构是与隧道形状一致的盾构外壳内，装备着推进机构、挡土机构、出土运输机构、安装衬砌机构等部件的隧道开挖专用机械。采用此法建造隧道，其埋设深度可以很深而不受地面建筑物和交通的限制。近年来由于盾构法在施工技术上的不断改进，机械化程度越来越强，对地层的适应性也越来越好。城市市区建筑公用设施密集，交通繁忙，明挖隧道施工对城市生活干扰严重，特别在市中心，若隧道埋深较大，地质又复杂时，用明挖法建造隧道则很难实现。而盾构法施工城市地下铁道、上下水道、电力通讯、市政公用设施等各种隧道具有明显优点。此外，在建造水下公路和铁路隧道或水工隧道中，盾构法也往往以其经济合理而得到采用。盾构施工技术盾构施工技术在盾构施工的过程中，围岩岩土力学、基础地质和工程地质等特征的各向均匀性直接影响盾构机的选型、盾构施工工艺的选择等关键性问题。从这个意义上讲，可以宏观地将围岩地层区分为两类：均一地层和复合地层。1.2.2复合地层盾构施工的主要特点（1）经常变换盾构施工模式。在软土地层或以软土地层为主的“上软下硬”地层施工时，一般要采用“闭胸模式”，而在以岩石地层，特别是自稳性较好的（包括风化程度不一）岩石地层施工时则可采用半开胸式（欠土压平衡模式）或开胸模式；在以砂层或以砂层为主的“上软下硬”地层中采用土压平衡模式施工时，可能需要通过加注膨润土等工艺转化为“泥水平衡”模式等等。经常根据地层结构来转换盾构机模式，是在复合地层中施工的一大特点。（2）盾构机的配置需要做出适当的调整。在硬岩段施工时，通常要采用全断面滚刀破岩模式，采用的刀盘开口率会较小；当掘进在软岩或软土地段时，通常都要将部分或全部滚刀换成适应软岩或软土的刮刀，此时的开口率也相应增大。（3）采用的施工工艺和施工参数也要根据地层的变化而变化。这些变化主要表现在不同地层需要的添加剂的种类和数量的不同；需要的辅助设备（比如破岩机、超前钻机）的不同；盾构机姿态控制的不同等等。（4）某些特殊的复合地层，可能需要一些辅助工法。采用辅助工法的主要原因是由于盾构机本身的设计功能的局限性造成的，而这种局限性在目前的技术发展阶段还较难以克服。比如，广州地区白垩系红层的粉砂岩、砂岩一般的单轴抗压强度最大为30~45MPa，但有时在这些区间会碰到几十米或几百米长的坚硬的花岗岩，或花岗岩的球状风化体，其强度一般达到80MPa以上，甚至会超过120MPa。在这种条件下，以软岩为主设计的刀盘和刀具，显然不能适应硬岩的要求，在无法更换新刀盘的情况下，采用其它可行的辅助工法，比如先采用矿山法，开挖通过坚硬岩石段，之后，用盾构机拼装管片完成隧道，事实证明，这将是一种比较好的辅助选择。2复合地层的分类及其对盾构施工技术的影响复合地层的组合是极其复杂的，仅以在广州、深圳地区常见的几种形式说明其对盾构施工的影响。2.1以第四系淤泥质土层（工程地层编号为<2>）或易液化的粉细砂层为主与其它松散地层的组合广州地铁一号线黄沙～长寿路区间最北端约80m地段，盾构机全断面通过<2>地层（见图6），这是广州地铁已建和在建盾构工程中唯一的一段盾构隧道下部有淤泥层的地质剖面。隧道建成后不久，下沉了近100mm。2.1.1在类似地层的盾构施工过程中应密切注意和预防的主要问题有：（1）建筑物和构筑物的沉降。隧道断面上部为<2>地层时，应注意土仓中土（水）压平衡的问题，因为<2>地层大部分呈软塑或流塑状态，有些还具有液化特性，对盾构机密封仓内的土压反映非常灵敏，而土仓内压力是否保持动态平衡，直接关系到地面及其建筑物是否发生沉降的问题。（2）隧道的后期沉降。盾构隧道下部如果有一定厚度的淤泥或液化层<2>，一旦由于某种原因造成失水发生淤泥层的重固结或液化，就会使已建好的隧道出现沉降，位移或变形。2.2以第四系砂层(工程地层编号为<3>)为主与风化岩层的组合第四系砂层有二种成因，一是陆相冲洪积形成的，一种是海陆交互相沉积形成的，其特点是在河床及河漫滩内十分发育，其形态多呈透镜状，有些地段厚度大。此层粉粒和粘粒成份低，渗透系数大，是盾构施工过程中也应十分重视的地层。以隧道上部断面或隧道上方为<3>砂层的问题为例，这类围岩情况在广州地区的盾构施工过程中经常碰到，尤其是下部为较硬岩石的情况下会给施工造成较多的问题。典型的例子是广地铁一号线盾构施工在长寿路～中山七路区间横通道地段时，干砂量变化发生异常，由于砂层流失很快，造成了较大的地面沉降，使三幢三层楼塌方（见图7、8）。广州地铁二号线海珠广场站—市二宫区间采用的土压平衡盾构机的刀盘（见图10），41把滚刀。而地层是白垩系上统三水组东湖段的泥岩和粉砂质泥岩。工程地层为残积粘性土层<5>，全风化和强风化<6>和<7>地层。由于过江施工时多次严重结泥饼（见图11），平均日进不足2m，掘进速度仅达到0-5.0mm／min。地铁四号线琶～仑区间过涌段与海～江区间是同一时代的地层，盾构施工过程中碰到了与海～江区间相同的问题。