第三册-盾构施工

郑州市轨道交通工程工序标准化管理手册盾构施工盾构施工工序标准化说明为适应城市发展需要和满足城市居民日益增长的出行需求，郑州市轨道工程建设加快了建设步伐。根据郑州地区地质的特点，轨道工程区间地下隧道建设一般都采用盾构法施工，盾构法施工是以盾构机为隧道掘进设备，以盾构机的盾壳作支护，用前端儀盘切削土体，由千斤顶顶推盾构机前进，在盾构机尾部拼装预制好的管片作衬砌，从而形成隧道的施工方法。盾构机的类型有多种，目前在郑州轨道工程区间隧道建设中以土压平衡式盾构应用最为广泛。土压平衡盾构工艺原理是利用安装在盾构最前面的全断面切削儀盘，将正面土体切削下来的土进入儀盘后面的密封舱内，使舱内具有适当压力与开挖面水土压力平衡，以减少盾构推进对地层土体的扰动，从而控制地表沉降或隆起，在出土时由安装在密封舱下部的螺旋运输机向排土口连续的将土渣排出。由于轨道工程盾构法隧道施工技术难度大、施工风险高、质量要求高、不可预测因素多。因此，轨道工程施工相关人员应熟悉和掌握盾构法隧道施工控制要点，在工作中才能真正做到有效地对施工质量进行监控。郑州市轨道交通工程工序标准化管理手册盾构施工11.盾构始发阶段盾构始发阶段是控制盾构掘进施工的首要环节。在盾构始发前、后各项准备工作中应该做好充分的技术、人员、材料、设备准备，并对盾构是否具备始发条件予以审查，确保盾构在安全可靠的前提下能顺利始发。1.1盾构始发土体加固为了确保盾构始发施工的安全和更好地保护附近的地下管线和建（构）筑物，盾构始发前需对始发区域洞口土体进行加固。土体加固的方法较多（如水泥搅拌桩加固、旋喷桩加固等），但无论采用何种加固方法，对土体加固的效果检验始终应作为重点控制的内容。在确保加固效果满足设计要求前提下，才能进行盾构始发。针对土体加固应重点关注以下三方面：⑴加固土体与钻孔桩间隙封闭由于加固土体与钻孔桩之间存在间隙，一般可采用注浆、旋喷等方法封闭该间隙。⑵加固土体的强度加固土体的强度是否满足设计要求是衡量加固效果的首要指标，可通过对进始发加固范围内不同深度土体采用钻芯取样检测的方式加以验证。⑶加固土体的均匀性检验加固土体的均匀性目前尚无相应的工具、手段，可通过打探孔方式进行观察。1.2盾构始发托架设置盾构始发前需将盾构机准确的搁置在符合设计轴线的始发托架上，待所有准备工作就绪后，沿设计轴线向地层内掘进施工。因此，盾构始发前盾构始发托架定位的准确与否，直接影响到盾构机始发姿态好坏。应重点复核以下内容：⑴洞门位置及尺寸在托架设置前，应采用测量工具对洞口实际的净尺寸、直径、洞门中心的平面位置及高程进行复核。⑵盾构始发托架位置郑州市轨道交通工程工序标准化管理手册盾构施工2盾构始发托架的设置依据不仅包括洞门中心的位置、还包括设计坡度与平面方向。1.3盾构机及后配套设备井下验收盾构法隧道施工主要依靠盾构掘进机及配套设备完成掘进任务，由于受工作井内空间限制，需将盾构机及后配套台车分节吊装运至井下，并在井下安装、调试和试运转。土压平衡式盾构机及后配套设备构成主要由盾构壳体（包括儀盘及切口环、支撑环、盾尾）、推进系统、拼装系统、油脂润滑系统、监控系统等组成。1.4盾尾支撑系统安装盾构前进的动力是通过千斤顶来提供，而盾构始发时千斤顶顶力是作用在盾尾支撑系统之上。一般盾尾支撑体系是由钢反力架、钢支撑、临时衬砌（负环管片）等组成。1.5洞门围护结构凿除地铁盾构法隧道施工一般以车站主体结构两端端头井作为盾构始发井和接收井。盾构在始发前需对始发井始发侧洞口围护结构进行分次凿除(一般分为两次，第一次先割除背土面钢筋及凿除围护结构砼至迎土面钢筋，第二次始发前再清除剩余部分)，一方面清除盾构始发前障碍，另一方面第一次凿除围护结构后通过打探孔可进一步直观的观察盾构始发土体加固的效果。1.6盾构始发装置安装由于隧道洞口与盾构之间存在建筑间隙，易造成泥水流失，从而引起地面沉降及周围建筑物、管线位移，因此需安装始发装置。一般包括帘布橡胶板、圆环板、折页压板和扇形板及相应的连接螺栓和垫圈等。1.7盾构始发盾构始发准备工作就续后，为减少正面土体暴露时间，盾构从始发托架导轨上应及时向前推进，使盾构切口切入土层直至盾构壳体进入洞口的过程称为“盾构始发”。该关键环节应重点做好以下工作：⑴观察割除围护结构迎水面钢筋后盾构机应迅速靠上洞口正面土体。⑵观察盾构始发期间洞口有无渗漏的状况，发现洞口渗漏及时封堵。⑶检查前仓土压力设置是否合适，观察土仓有无砼块，发现后及时清除。郑州市轨道交通工程工序标准化管理手册盾构施工32.盾构试掘进和正式掘进阶段根据盾构法施工工艺的特点，盾构安全始发后需通过前100环试推进寻求最佳施工参数，为全线的正常推进提供符合实际土层特点的技术参数。不论在试掘进还是正式掘进阶段，可以通过观察盾构机控制室内仪器仪表显示的数据、审查盾构掘进施工报表、通过监测数据分析隧道及地面沉降情况等手段进行动态监控，及时掌握和分析施工技术参数变化，检查盾构掘进中的姿态、管片拼装的质量、注浆作业的效果等，确保盾构掘进施工质量和周边环境的安全。盾构机通过以粘土为主的地层采用土压平衡模式(EPB)掘进，易产生“泥饼”现象。“泥饼”是粘性土在高温高压作用下产生的高强度的塑性体，一旦产生极不容易被软化。由于该层渗透性差，粘性较高，有一定的自稳能力，所以在该层掘进主要防止产生“泥饼”。“泥饼”在儀盘的前方随着儀盘转动，引起掘进速度缓慢；降低儀盘开口率，同时对刮儀和齿儀造成偏磨和不正常磨损；损坏螺旋输送机。这是盾构机在粘土中掘进最大的隐患。预防措施：为防止出现“泥饼”，在掘进过程中要合理设定泡沫用量，控制盾构机推力，采用均衡的掘进速度，并在儀盘的前方和土仓内加入适量的水降低儀盘温度。应急预案：在掘进中一旦出现推力骤然提高而扭距偏小，同时盾构机不前进时，可判断前方是否出现“泥饼”。应马上停机，加大泡沫注入量以求达到软化“泥饼”的目的，如果效果不明显则考虑开仓作业将其破碎。2.1盾构机施工参数管理由于土压平衡式盾构采用电子计算机控制系统，能自动控制儀盘转速、盾构推进速度及前进方向，并及时反映掘进中的施工参数。这些施工参数的确定是根据地质条件情况、环境监测情况，进行反复量测、调整和优化的过程，若发现异常需及时调整。因此，对盾构施工参数的管理应贯穿于盾构掘进过程的始终。根据盾构实验阶段掘进得出以下参数：1）推力理想推力应控制在6000～14000KN；2）掘进速度掘进速度控制在20～50mm/min；掘进速度应根据儀盘扭矩调整，正常情况下可以设置恒定速度不变；3）儀盘扭矩儀盘总扭矩控制在1100～3000KN·m；当儀盘扭矩过大持续时间长将会导致儀盘内周密封温度上升较快，这时应放慢掘进速度或停止掘进使扭矩减小，再调整渣土改良参数以避免大扭矩掘进；4）螺旋机扭矩螺旋机扭矩控制在30KN·m以下；过高可能会引起螺旋机卡死现象，掘进中要时刻关注；当判断螺旋机卡死可以向螺旋机郑州市轨道交通工程工序标准化管理手册盾构施工4内加泡沫润滑正反转进行处理；5）螺旋机转速螺旋机转速应根据土仓压力进行调整，土仓压力过大应加快转速多出土，反之减慢转速，一般设定在17～19rpm，此时可以通过控制螺旋机闸门开启度进行土仓压力控制了，但要注意观察螺旋机土力，土压不能过高最好在3.5bar以下防止设备损坏；6）土仓压力土仓压力应根据隧道埋深进行计算，掘进中结合地面监测情况调整，在地面控制良好的情况下可以适当减小土仓压力利于掘进推力、掘进速度、儀盘扭矩的控制。施工参数的管理工作中应重点关注以下几项：2.1.1土压力土压平衡式盾构机掘进的原理是建立开挖面前后水土压力平衡。在盾构掘进不同阶段，盾构机工况是从非土压平衡通过在初始始发阶段逐步过渡到土压平衡，再到接收阶段由土压平衡逐步过度到非土压平衡，即土压力设定是变化的，施工中需要不断通过不同的土质、覆土厚度、结合环境监测的数据进行调整。因此，平衡土压值的设定是土压平衡式盾构施工关键，通过计算理论土压力与实际设定土压力进行比较，判断实际设定土压力是否满足施工的需要。2.1.2出土量土压平衡式盾构是以切口环作为密闭土仓，盾构推进中切削后土体进入密闭土仓，随着进土量增加建立一定的土压力，再通过螺旋输送机完成排土，而土仓压力值是通过出土量来控制的。因此，出土量的多少、快慢与设定的土压力值密切相关，可通过计算每环理论出土量与实际每环出土量相比较，判断出土量是否正常。2.1.3渣土改良1）加水由于隧道断面多为粉土夹粉质粘土、粉质粘土、粘土渗透系数比较小，向儀盘前面加水不能过多，加水过多会导致螺旋机向外喷水、皮带输送机打滑影响进度，加水量控制标准为螺旋机出土不干，从螺旋机扭矩判断，扭矩在30KN·m左右说明加水量已经不足，反之当螺旋机出土在皮带上打滑，土块上水比较明显可以判断为加水过多；但如果上述情况在停机或交接班时间过长后恢复掘进中出现，应多观察后再进行判断是否加水过多或过少；停机过长会出现螺旋机土体较干有两种原因：郑州市轨道交通工程工序标准化管理手册盾构施工5a、当停机时间长螺旋机里水一部分被土体吸收；b、一部分水回流到土仓中，上述原因会导致恢复掘进现刚出土时土体比较干，螺旋机扭矩比较大现象；停机时间过长螺旋机出土较湿原因：因为当土仓内有较大气压，土仓内水会积在土仓下部，当打开闸门时只要螺旋机有通路水就会通过螺旋机被压出；所以加水过少或过多要正确判断，有时候会导致判断进会入误区，变动参数过频将很难找到合适的土体改良参数。2）气泡当掘进断面粉土夹粉质粘土、粉质粘土、粘土含量比较多应向儀盘前面加气泡进行土体改良，以降低土体粘性防止结泥饼和大扭矩；加气泡主要控制有三部分分别为：气体阀位设定、流量设定和混合比设定。a气体阀位设定：向儀盘前面加气一方面可以使气泡形成雾状喷洒，喷洒范围广和土气接触面大，另一方面当气体进入土仓后会在土仓上部积存会不断置换土仓中土体，这部气压还可以作为推力传递到掌子面的介质，使儀盘和掌子面接触面积减少，都会相应降低儀盘扭矩，所以气体阀位设定要合理，阀位大到以螺旋机闸门口不大量喷气，小到气量能保证气泡在儀盘处雾状喷洒为原则，实验阀位设定为50～200；b流量设定：流量包含水、气、泡沫，因为注入到儀盘的水总量应该是相同的，调整流量水量也会相应的改变，所通过加泥系统加水量也应改适当的调整；泡沫用量是泡沫混合比和流量一起决定的，相同的土质泡沫用量应该相同，所以调整流量的同时应对混合比进行调整，避免造成浪费。掘进时流量设定在80～200L/min；c混合比设定：根据渣土改良效果判断泡沫混合比是否合适，降低土的粘性是否满足施工要求进行判断，掘进阶段混合比设定在3%～6%之间。2.1.4掘进速度盾构掘进的速度主要受盾构设备进、出土速度的限制，若进出土速度不协调，极易出现正面土体失稳和地表沉降等不良现象。因此应均衡连续组织掘进作业，当出现异常情况时（如遇到阻碍、遇到不良地质、盾构姿态偏离较大等），应及时停止掘进，封闭正面土体，查明原因后采取相应的措施处理。2.1.5千斤顶推力盾构是依靠安装在支撑环周围的千斤顶推力向前推进的，推力的大小与盾构掘进所遇到的阻力有关，正确的使用千斤顶是盾构是否能沿设计郑州市轨道交通工程工序标准化管理手册盾构施工6轴线（标高）方向准确前进的关键。因此，在每环推进前，应根据前面几环承包方申报的盾构推进的现状报表，分析盾构趋势，正确的选择千斤顶的编组，合理地进行纠偏。2.2盾构掘进姿态控制盾构姿态具体是指盾构掘进中现状空间位置（包括高程和平面位置）。盾构姿态控制就是将盾构轴线控制在与设计允许偏差范围内。盾构姿态控制的好坏，不仅关系到盾构轴线是否能在已定的空间内在设计轴线允许偏差内推进，而且还影响到后续工序管片拼装的质量。因此，在盾构掘进阶段对盾构姿态的控制始终应做为重中之重。根据《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-1999）8.4.4条（2003版）规定“盾构掘进中应严格控制中线平面位置和高程，其允许偏差均为±50mm，发现偏离应逐步纠正，不得猛纠硬调”。隧道平面曲线和竖曲线的线型情况应重点监控以下内容：2.2.1盾构姿