盾构施工调研报告
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第一章盾构法发展
盾构法(Shield)或掩护筒法是在地表以下土层或松软岩层中暗挖隧道的一种施工方法。自1818年法国工程师布鲁诺尔(Brunel)发明盾构法以来，经过一百多年的应用与发展，从气压盾构到泥水加压盾构以及更新颖的土压平衡盾构，已使盾构法能适用于任何水文地质条件下的施工。盾构法受启发于蛀虫挖洞，20世纪初日本引进盾构施工技术，并使其得以较大发展。上世纪60年代该技术引入中国。目前，日本及欧洲处于盾构技术的领先地位。随着盾构机制造业的发展和施工工艺的不断改进，逐步形成了比较完善的盾构系列施工工法。近年来随着城市建设的发展，地下空间得到广泛的开发利用，盾构设备的自动化程度越来越高，其适用性得以拓展，能够适用于多种地质条件和复杂环境条件。已在城市地铁、市政管道、地下公路、越江隧道等基础设施建设中得到广泛应用。
第二章地铁盾构区间施工实例
2.1地铁盾构区间工程概况
角门北路-南站区间左线全长1321.687m（其中盾构法施工1161.488m，矿山法施工139.199m），右线全长1382.858m（其中盾构法施工1231.434m，矿山法施工130.424m）。南站-陶然亭站区间左线全长1462.619m（其中盾构法施工821.05m，矿山法施工604.569m），右线全长1481.079m（其中盾构法施工864.05m，矿山法施工584.629m）。盾构隧道结构采用单层预制拼装式管片衬砌，隧道外径6000mm，衬砌厚度300mm，管片环宽1200mm，每环管片分为6块，管片间防水采用预制弹性密封橡胶条。
2.2所用盾构机的主要技术性能参数
所用盾构机为日本三菱重工业株式会社生产的土压平衡式盾构机，外径Ф6140mm，机长约71m，总体重量400T（含后续台车），总推力37840kN，开口率39%。考虑到沿线砂卵石地层对刀具的磨损，特增加了刀具磨损检测装置。本盾构机主体为圆筒状，由前体、后体构成。该机刀盘由98把刮刀、40把先行刀、1把中心刀、2把仿形刀、3个刀具磨损监测刀组成。22个推进千斤顶均匀的分布在盾构机机身内侧的环梁部位，作为盾构机的推进系统。16台铰接千斤顶组成的铰接装置可以使盾构机在曲线段中比较容易的进行推进作业。另外设置了4套可以从机内进行回填注入的同步回填注入装置。3道盾尾密封刷设于盾构机体的尾端作为盾尾密封装置，防止地下水、土沙、背填浆液等从环片与主体之间的缝隙渗入机体内部。
2.3盾构掘进施工控制
盾构施工是以掘进、碴土排运、管片衬砌为基础进行的。盾构施工控制主要包括三个方面，即开挖控制、填充控制、轴线控制；其中包含7个要点，主要为开挖面稳定、掘进出渣、盾构掘进参数、注浆参数、注浆材料、盾构姿态及位置、管片选型。下面重点谈论开挖面稳定控制、盾构掘进参数控制和注浆材料选用:
（1）开挖面稳定控制
施工参数和开挖面稳定控制的好坏直接影响地表沉降大小、地下管线和地表建筑物的安全。因此施工中应对开挖面的稳定进行严格控制。为了保证盾构机顺畅排土，需对掘削下来的土砂加泥或加化学泡沫等添加剂以控制土仓内土砂的塑性、流动性处于适当的范围内，以保证盾构机能够顺畅排土。
（2）盾构掘进参数控制
盾构施工类似工厂流水线作业，因此施工中要求各环节紧密衔接，任何一道工序发生滞后，都将直接影响施工工效，或导致施工停止。因此应进行信息化施工管理，收集各阶段的施工参数，通过分析、归纳，在施工中不断对各种参数的设定进行优化，将会提高施工的质量、效率。
（3）注浆材料选用
壁后注浆浆液分为单液砂浆和双液化学浆液，单液砂浆浆液应具备以下性能：具有良好的长时间稳定性及流动性，并能保证适当的初凝时间，以适应盾构施工以及远距离输送的要求；具有良好的充填性能；在满足注浆施工的前提下，尽可能早地获得高于地层的早期强度；浆液在地下水环境中，不易产生稀释现象；浆液固结后收缩率小，泌水率低；原料来源丰富、经济，施工管理方便，并能满足施工自动化技术要求。
第三章施工中遇到的问题及处理
3.1盾构始发时盾构机头扎头
（1）产生的原因
始发推进后，在盾构抵达撑子面及脱离加固区时由于盾构下半部土体受到扰动，承载力降低容易出现盾构叩头现象。应抬高盾构始发姿态，盾构机机头在安置时应设置一个仰角。
产生原因：盾构机在推进过程中，由于泥土仓实际土压力值低于理论值，使盾构机头部周期性地下降。造成盾构机“磕头”。
（2）处理方法
实际操作中，应使泥土仓土压力值略高于理论值，并在推进时按工况条件和地质情况在盾构机正面加入发泡剂、膨润土和水等改良土体的添加剂，改良开挖面的土体。施工过程中要根据隧道的埋深、所在位置的土层状况和地层变形量等信息的反馈，对土压力设定值、推进速度和注浆量等施工参数及时地进行调整。
3.2盾构过程中产生泥饼
（1）产生的原因
盾构机在粘性土层中施工时，由于粘性土具有内摩擦角小、粘性大和流动困难等特点，使得粘性土体粘附在刀盘上。被刀盘从开挖面上切削下来的粘土，通过刀盘渣槽进入泥土仓后，在泥土仓上压力的作用下容易被压实固结，首先将刀盘支撑臂中心充满填实，并很快地堵死了刀盘中心的渣槽，使刀盘中心正面的土体不能通过中心刀渣槽进入泥土仓，而是在刀盘挤压力的作用下从刀盘四周的渣槽进入泥土仓。逐渐地，整个泥土仓内全部被压实固结的土体充满并堵塞。当刀盘继续旋转切削土体时，固结土体的刀盘和开挖面土体之间产生很大的摩擦力，相互摩擦产生大量的热量，刀盘温度不断升高，使刀盘和泥土仓内的土体不断地被烧结固化，最终在刀盘和整个泥土仓内形成坚硬的“泥饼”。“泥饼”形成后，刀盘扭矩和盾构机推进阻力均迅速增大，螺旋输送机无法出土，盾构机不能往前推进。泥土仓内过高的温度会缩短刀盘主轴承的使用寿命，加速主轴承的损坏，甚至会出现主轴承“烧结、抱死”的严重后果
（2）处理方法
适量增加泡沫的注入量，减小碴土的黏附性，降低泥饼产生的几率。刀盘背面和土仓压力隔板上设搅拌棒，以加强搅拌强度和范围，并通过土仓隔板上搅拌棒的泡沫孔向土仓中注射泡沫，改善渣土和易性，增大渣土流动性。必要时螺旋输送机内也要加入泡沫，以增加碴土的流动性，利于碴土的排出。控制循环睡的温度由于刀盘温度高造成的泥饼问题。一旦产生泥饼，可空转刀盘使泥饼在离心力的作用下脱落。确保开挖面稳定的情况下也可采用人工进仓清除。
3.3螺旋输送机循环“喷涌”泥水
（1）产生原因
盾构机在高水砂层进行施工时，由于开挖面土体充水裂隙，含水量丰富，而且已成型的盾构隧道同步注浆量没有完全充实衬背空隙，以致留下流水通道，开挖面土体裂隙的水不断地流入泥土仓，泥土仓内不停地积水。当螺旋输送机工作时，首先吸入泥土仓内的水，然后从其出土闸门迅速喷出，形成“喷涌”。泥土仓内的水被暂时吸干后，螺旋输送机才能出渣排土，很快地泥土仓内又积水较多，螺旋输送机又必须先吸水后出土。造成盾构机无法正常工作，螺旋输送机不停地喷涌—停机—喷涌……，如此恶性循环，盾构机推进缓慢。
（2）处理方法
当遇到此情况时，关闭螺旋输送机，停止出土，保持盾构机继续往前推进，增加泥土仓内的土压力，让刀盘切削下来的土体将泥土仓内的水不断地挤出，减少泥土仓内的含水量。同时要防止土仓压力过高，造成盾构机前方隆起、冒浆，以及击穿盾尾密封等现象的发生。向泥土仓内加入高浓度泥浆或泡沫，改善泥土仓内土体的和易性，使土体中的颗粒、泥浆成为一整体，使土体具有良好的可塑性、止水性及流动性，便于螺旋输送机顺利出土。在进入富水砂层前，盾构机提前采用气压平衡模式进行推进，但要防止发生漏气事件。
3.4螺旋输送机出料口形成大土堆
（1）产生原因
在粘性土层中，由于土体粘性大，由刀盘切削下来的粘土与土仓内的水难以均匀地混和，造成泥水分离。在螺旋输送机出土时，整团泥土从螺旋输送机出土闸门排出至胶带输送机的胶带上。由于泥和水呈分离状态，所以泥和胶带之间的摩擦力较小，而且胶带向上运转，使泥土在胶带上打滑而不能被及时运走。随着螺旋输送机不停地出土，皮带上的泥土越积越多，土堆越来越大，逐渐被胶带两侧的挡上板支撑住。土堆底部的泥土因受土堆重压而被胶带运走，被胶带两侧挡土板支撑住的泥土堆和胶带不接触，不能被胶带运走，滞留在胶带的上方，结果在螺旋输送机出料口形成大土堆。
（2）处理方法
当形成大土堆后，螺旋输送机应停止出土，继续运转胶带输送机，采用人工方法进行清除，并通过胶带运走。禁止操作人员为了减少麻烦试图通过螺旋输送机继续出土，增加土堆土方的泥土重量将其压塌，使土堆塌落在胶带上而被运走。若此时螺旋输送机继续出土，大量泥土将从土堆的上方滑落至胶带输送机前端的支撑架上，结果不但不能将土堆压塌，反而会使支撑架上的泥土越积越多，可能造成整个支撑架被压塌的后果。
所以当遇到粘土地层时，在盾构机推进过程中，应使泥和水在泥土仓内尽可能地均匀混和，避免泥水混和不均；同时通过摄像仪观察螺旋输送机的出土情况，当发现有整团泥土在胶带上打滑，滞留在胶带上不能被胶带及时运走时，应减小螺旋输送机出土速度，或停止出土，以防止胶带上的泥土越积越多而形成大土堆，待滞留在胶带上的泥土被运走后，再继续出土。
3.5泥土仓土压大幅度突降
（1）产生原因
这是由于泥土仓内空气和水的含量较多，泥土仓的土压主要是由空气压力组成的。压力空气容易穿过泥水层进入螺旋输送机，从其出土闸门迅速地喷出，泥土仓内压力空气瞬时大量释放，造成泥土仓内土压大幅度突降；在较松软的地质中，泥土仓内压力空气有时会通过盾构机外壳的松软土层向盾尾方向移动，击穿尾盾密封向盾构机内部释放压力空气，也会造成泥土仓内土压大幅度突降。
（2）处理方法
当遇此情况时，立即关闭螺旋输送机及其出土闸门，停止出土。盾构机继续往前推进，使泥土仓土压尽快恢复至正常值，以保持开挖面土层的稳定，防止由于泥土仓压力的突降而引起地层发生变化，引起地表面出现较大幅度的沉降。同时，在操作中应根据土质情况和刀盘扭矩的大小，减少注水量，调整泡沫系统中空气的比例，并减小泡沫量，降低泥土仓内水和空气的含量。
