地铁盾构施工质量控制

盾构施工质量管理浅析1.盾构施工技术发展简述2.盾构施工准备3.施工工艺及控制要点4.施工测量与监控量测5.质量通病及预防措施6.主要风险及预防措施目录1.盾构施工技术发展简述1.1盾构及其工作原理1.2盾构分类1.3盾构的开发与应用1.4北京地铁盾构选型盾构（英文名称为“shieldmachine”），是一种用于软土隧道暗挖施工，具有金属外壳，壳内装有整机及辅助设备，在其掩护下进行土体开挖、土渣排运、整机推进和管片安装等作业，而使隧道一次成型的机械。盾构是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。盾构已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程。盾构的工作原理就是一个钢结构组件沿隧道轴线边向前推进边对土壤进行掘进。这个钢结构组件的壳体称“盾壳”，盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道段起着临时支护的作用，承受周围土层的土压、承受地下水的水压以及将地下水挡在盾壳外面。掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。1.1盾构及其工作原理（1）按断面形状分类盾构根据其断面形状可分为：单圆盾构、复圆盾构（多圆盾构）、非圆盾构。其中复圆盾构可分为双圆盾构和三圆盾构；非圆盾构可分为椭圆形盾构、矩形盾构、马蹄形盾构、半圆形盾构。复圆盾构和非圆盾构统称为“异形盾构”（2）按支护地层的形式分类按支护地层的形式分类，主要分为自然支护式、机械支护式、压缩空气支护式、泥浆支护式、土压平衡支护式五种类型。1.2盾构分类（3）按开挖面与作业室之间隔板的构造分类按开挖面与作业室之间隔板的构造可分为全敞开式、部分敞开式及闭胸式三种。1.2盾构分类全敞开式盾构1.2盾构分类初期开放型手掘式盾构开挖面盾构管片1.2盾构分类敞开式盾构部分敞开式盾构（网格挤压式盾构）1.2盾构分类闭胸式盾构1.2盾构分类泥水加压平衡盾构1.2盾构分类土压平衡盾构复合盾构（混合盾构）1.2盾构分类第一台德国盾构的开发：1896年，德国人哈姬（Haag）在柏林为第一台德国盾构申请了专利。这是一台用液体支撑隧道工作面并把开挖仓密封作为压力仓的盾构。泥水加压盾构的开发与应用：1964年英国摩特·亥(Mott·Hay)和安德森（Anderson）及约翰·巴勒特（John·Bartlett）申请了泥水加压平衡盾构的专利。1967年第一台用刀盘切削土体和水力出渣的泥水盾构在日本投入使用，这台盾构由三菱公司制造，其直径为3.1m。土压平衡盾构的开发：1963年，日本SatoKogyo公司首先开发出土压平衡盾构。1974年第一台土压平衡盾构在日本东京使用，用于掘进长1900m的隧道，该盾构由日本IHI（石川岛播磨）公司制造，其外径为3.72m。复合盾构的开发：1985年，Wsyss&Freytay公司和海瑞克公司申请了复合盾构的专利。1953年，东北阜新煤矿用直径2.6m的手掘式盾构及小混凝土预制块修建疏水巷道这是我国首条用盾构法施工的隧道。1989年，上海地铁施工采用土压平衡及泥水平衡盾构机。1995年，广州地铁一号线施工采用土压平衡及泥水平衡盾构机。1999年，北京在亮马河污水工程首次采用现代盾构技术施工。2001年，北京地铁五号线在雍和宫段进行盾构施工试验。1.3盾构的起源与发展为了满足在城市繁华地区及一些特殊工程的施工，大量的盾构法施工新技术应运而生。这些新型盾构技术不仅解决了一些常规技术难以解决的施工问题，而且使得盾构技术的效率、精度和安全性都大大提高。这些新技术主要反应在以下三个方面：（1）施工断面的多元化，从常规的单园形向双圆形、三圆形、方形、矩形及复合断面发展。（2）施工新技术，包括进出洞技术、地中对接技术、长距离施工、急曲线施工、扩径盾构施工法、球体盾构施工法等。（3）隧道衬砌新技术，包括压注混凝土衬砌、管片自动化组装、管片接头等技术。1.3.1盾构法施工新技术双圆盾构1.3.1盾构法施工新技术三圆盾构1.3.1盾构法施工新技术子母式盾构1.3.1盾构法施工新技术扩径盾构小半径曲线（急曲线）1.3.1盾构法施工新技术1.4.1隧道所穿越地层的地质水文条件1.4.2隧道所穿越区域地表条件1.4.3盾构选型原则1.4北京地铁盾构选型粘性土及粉土层（粉质粘土、粘质粉土）；砂性土层（粉细砂、中细砂、中砂、中粗砂，部分石英含量大）；砂卵石地层（一般粒径3～5mm,西部5～15mm,最大超过40cm以上）;粘质粉土、粘质粉土、中细砂互层；中砂、粉质粘土、砂卵石互层；局部会碰到强风化岩；上层滞水;潜水;浅层承压水;城市特殊水。1.4.1隧道所穿越地层的地质水文条件典型地层：砂砾石/砂卵石地层1.4.1隧道所穿越地层的地质水文条件典型地层：砂砾石、沙层与粘土/粉土互层典型地层：粉细沙～粉土～粘土地层北京市地下建有大量的各种管线，特别是城市中心地区，旧有管道因年代久远，损坏严重，实际存在大量的渗漏。城市残余水的存在，导致地层中土体已含水达到饱和，并且存在大小不一、形状不规则的空穴，盾构施工中往往会出现突发性和大面积的沉陷，危害较大。商业繁华地带；房屋密集及旧有民房；多处于交通要道；既有构筑物众多.1.4.2隧道所穿越区域地表条件盾构机技术水平先进可靠并适当超前，符合我国国情；所选盾构机应满足北京市地铁规划各条隧道所穿越地层不同地质与水文条件的施工需要；能够满足浅埋或超浅埋地铁隧道施工以及穿越大量房屋建筑之下施工的需要，即要求盾构机对控制地表沉降配备足够的功能和具有良好的操作性能；盾构机能够适应北京地下构筑物众多的特点，必要时，可实现隧道（盾构机）内清除或撤换障碍物的施工；盾构机在设计方面应考虑北京地铁隧道施工需要多次拆卸、多次组装和可能应用于多项隧道工程的实际特点。1.4.3盾构选型原则1.4北京地铁盾构选型目前北京地铁盾构施工均采用土压平衡盾构，刀盘形式有面板式和辐条式两种。辐条式刀盘1.4北京地铁盾构选型开挖面土、水刀盘千斤顶管片刀盘驱动土仓螺旋输送机管片拼装机134576891011121314215刀盘盾体管片台车1台车2台车3台车4台车5皮带运输机土压平衡原理示意图1.4北京地铁盾构选型土压平衡盾构是指在推进时靠由刀盘切削下来的土体使开挖面地层保持稳定的一类盾构。盾构推进时，向土仓内注入添加剂（塑流化改性材料），与开挖面切削下来的土体在土仓内充分搅拌，形成具有一定塑流性和透水性低的塑流体。依靠控制和调节推进速度、螺旋输送机转速，控制土仓内泥土形成的压力，与开挖面上的土、水压力相抗衡，同时一边掘进一边出土，排土量等于开挖量，使开挖面地层始终保持相对稳定，从而实现盾构机始终在保持动态平衡的条件下连续向前推进。土压平衡盾构工作原理实现的关键在于土仓内切削下来的土体，必须具有适当的塑性流动性和较低的透水性。因而针对不同地质条件，向土仓内添加材料以调整土仓内弃土的塑流性和透水性，保证螺旋输送机排土顺畅，是实现土压动态平衡的关键。2.1技术准备阶段2.2物资准备阶段2.3人员准备阶段2.4场地布置阶段2.盾构施工准备阶段的监理了解工程条件审批施工组织设计收集地面建筑物与地下管线调查资料进行分析风险源识别与分析，审批专项方案审批项目进度计划审查盾构施工辅助工程（包括进出洞、联络通道和其它附属工程、盾构防水等）专项施工方案检查质量保证体系与绿色、环保和文明施工体系2.1技术准备阶段审查盾构机及大型运输、吊装设备状态检查盾构施工配套垂直运输设备、水平运输设备（龙门吊、电瓶车、管片车、渣土车等）检查浆液制备与泵送设备（搅拌站、浆液输送泵、浆液车）审查盾构始发、过站、接收用钢结构（反力架、反力环、基座、过站小车）检查盾构服务管线及运输通道（供水管、排水管、盾构机供电电缆、隧道内照明、轨道、枕木、走道板、管钩等）了解盾构配件及耗材（刀具、配件、盾尾密封脂、泡沫、膨润土、润滑油脂等）检查现场临时用电、临时用水材料，应急发电设备状况。检查场地内装载、搬运设备（装载机、叉车、挖掘机）工地通用机械（空压机、电焊机、切割机等）的检查2.2物资准备阶段检查组织机构检查岗位职责资料检查管理人员安全教育、业务培训检查作业工人安全教育、业务培训检查上岗持证状态检查人员劳动合同，工伤等各项保险等资料2.3人员准备阶段盾构施工场地布置应统筹考虑，协调合理，绿色施工。主要包括：垂直运输系统、拌浆系统、临时水电系统、冷却系统、排水系统、消防系统、弃土坑、管片堆场及其他设施等。沉淀池冷却塔弃土坑搅拌站管片堆场充电间50吨龙门吊始发井2.4场地布置箱变2.4场地布置龙门吊冷却塔浆液搅拌站塔吊2.4场地布置箱变充电间弃土坑管片堆场3.施工工艺及控制要点3.1工艺流程3.2下井组装3.3联动调试3.4初始掘进3.5正常掘进3.6到达接收3.7解体吊装3.8盾构过站3.9管片生产盾构施工工艺流程图3.1工艺流程盾构下井组装调试流程图3.2下井组装3.2.1组装调试流程3.2下井组装（二）轨道铺设（一）始发基座安装3.2下井组装（四）电瓶车吊装下井（三）台车吊装下井（六）中体吊装下井3.2下井组装（五）螺旋机吊装下井（八）中、前体连接（七）前体吊装下井3.2下井组装（九）刀盘吊装下井3.2下井组装（十）管片拼装机吊装下井3.2下井组装（十一）盾尾吊装下井（十二）螺旋机安装（十二）螺旋机安装说明：盾尾与螺旋机根据竖井情况安装顺序可以互换。（十三）反力架安装（竖井内）3.2下井组装（十三）反力架安装（车站内）吊装作业前，吊装方案必须经专家论证批准。盾构吊装由具有资质的专业队伍作业，每班作业前按起重作业安全操作规程进行安全技术交底，严格按有关规定执行。根据盾构机部件重量及场地条件确定吊车的吊装能力，经过验算选择合适的吊车。吊装作业区应做地基承载力检测，且保证作业区内地下无空洞，并铺设钢板，防止地层不均匀沉陷。探明吊装作业区地面架空线与地下管线情况，对影响范围内的管线进行保护和监测。盾体吊装前应对始发基座进行精确定位和固定牢固。大件吊装时应对始发井进行严密的观测，掌握其变形与受力状态。盾构吊装时，在大型部件上加4根缆绳，严格控制被吊部件的旋转、摆动，确保准确到达指定位置。3.2.2控制要点3.2下井组装盾构机组装和连接完毕后，即可进行空载调试。主要调试内容为:液压系统、润滑系统、冷却系统、配电系统、注浆系统、以及各种仪表的校正。着重观测刀盘转动和端面跳动是否符合要求。空载调试证明盾构机具有工作能力后即可进行负载调试。负载调试的主要目的是检查各种管线及密封的负载能力，使盾构机的各个工作系统和辅助系统达到满足正常生产要求的工作状态。通常试掘进时间即为对设备负载调试时间。3.3.1调试内容3.3联动调试3.3.2控制要点检验盾构机供电系统、液压系统、弱电控制系统、同步注浆系统、泡沫系统、管片运输拼装系统等是否能够正常工作。不仅对各个系统做单独调试，还必须做整机试运转，尤其注意刀盘能否正常转动。联动调试必须由专业人员或在厂家指导下进行。3.4初始掘进整体始发3.4.1始发方式：整体始发与分体始发分体始发端头加固在盾构始发和到达之前，一般要根据洞口地层的稳定情况评价地层，并采取有针对性的加固处理措施。加固区地层应满足强度和渗透性的要求，加固完成后要对地层进行取芯并进行强度试验。常用的加固方法有搅拌桩、旋喷桩、注浆法、SMW工法、冷冻法等。加固后土体旋喷桩加固3.4初始掘进3.4.2始发准备取芯检测在围护结构破除后，为保证盾构在始发时不致于因刀盘悬空而产生盾构“低头”现象，需要在始发洞口内安设始发导轨。洞口破除根据经验，一般在盾构始发和到达前一个月左右开始洞口围护结构的破除。3.4初始掘进3.4.2始发准备洞口破除始发导轨安装洞门密封装置的安装洞口密封装置是为盾构在始发和到达时防止浆液和泥水外泄所用，常用的有压板式和折页式两种。3.4初始掘进3.4.2始发准备压板式密封装置折页式负环管片安装准备：一般情况下，负环管片在盾壳内的正常安装位置进行拼