盾构施工相关知识1、盾构施工概念、发展历史及现状盾构：是主要用来开挖土砂围岩的隧道机械，由切口环、支承环、及盾尾三 部分组成。盾构法：用盾构一边防止土砂的坍塌，一边进行开挖推进，通过盾构外壳和 管片支承四周围岩防止土砂崩溃进行隧道施工，并在盾尾进行衬砌作业从而修建 隧道的方法。发展历史：18 世纪末，英国人提出在化敦地下修建横贯泰晤士河隧道的构 想，并对具体的掘削工法和使用机械等问题做了讨论。1818 年 Brunel 观察小虫 腐蚀木船底板成洞的经过，从而得到启示，在此基础上提出的盾构工法。采用此 工法横穿泰晤士河的隧道工程于1825动工，隧道长458m，断面为ll.4mX6.8m 的方型。隧道于1841年贯通。而圆型断面隧道盾构出现在1869年建造横穿泰晤 士河的第二条隧道。19世纪末到 20 世纪中叶，盾构工法传到许多国家，并得到不同程度的发展。 20世纪 6080年代，盾构工法继续发展完善，成绩显著。19902003年这一段时间里盾构工法的技术进步极为显著，并有以下特点： 盾构隧道长距离化、大直径化：日本东京湾隧道直径为14.14m，长度15.1Km 盾构断面的多样化：方型、圆型、双圆型、马蹄型 施工自动化：自动导向系统、 PLC 控制系统、远程信息传输系统 技术现状：完善近年推出的新工法、新工艺的技术细节，使之提高并达到成熟，加速盾 构工法的自动化进程。为适应大深度、高地下水压、大口径化、长距离化、施工自动化、施工高速 化、断面多样化等需求，开发新概念的工法、工艺、材料、管理系统。盾构机的类型：根据不同的地质条件，盾构分为以下类型： 闭胸式盾构：是用泥土加压或泥水加压来抵抗开挖面的土压力和水压力以维持开 挖面的稳定性，通常包括： 泥水式平衡盾构：适合于在河底、海底等高压水压力条件隧道的施工。 土压平衡盾构：适用于含水量与粒度适中的土层，适用范围广泛。 敞开式盾构：以开挖面自立为前提，通常包括：手掘式盾构：开挖面暴露，可以自立稳定，以盾壳为支护条件，采用人工开 挖。半机械掘进盾构：开挖面暴露，可以自立稳定，以盾壳为支护条件，采用人 工配合机械开挖。机械掘削式盾构：开挖面暴露，开挖面自稳定，以盾壳为支护条件，采用机 械开挖。网格式盾构：挤入掘进方式，适用于冲积形成的粉质砂土层。2、盾构施工中的主要施工参数 盾构施工中，主要涉及的施工参数为：推力、刀盘扭矩、土仓压力、推进速 度、注浆量及压力、盾尾密封、发泡济用量等推力：F=0.25n D2Pj D-盾构机外径Pj-单位面积上的经验推力，取值为7001300Mpa刀盘扭矩：T =a D3确良D-盾构机外径 a -扭矩系数，（土压式：ae=1423KN/m2；泥水式：a =918KN/m2；敞开式：a =815KN/m2土仓压力：受地下土压力、地下水压力、调整压力影响即：o =a+o+o土仓 土压力 水压力 调整深埋隧道土压力（12m）：静止土压力：o =k0rzz0主动土压力：o =kjz-2cjkaa 0被动土压力：o p=k0rz+2c /kpc-土的粘聚力；申-土的内摩擦角；ka=tan2（45-&） r-土体比重2水压力：o =qrhq水压力系数，砂性土取0.81.0,粘性土中取0.30.5w 刀盘前（盾尾水压力：a =q rh,砂浆的渗透系数q 取值为0.51.0w 盾尾后 砂浆砂浆施工调整压力： a 为 1020Kpa 。调整注浆压力控制： 背后注浆的最佳期注入时期，应在盾构推进的的是时时行注入 或者推进后立即光洁度入，注入的宗旨是必须保证尾隙完全填充。地层的土质条 件是确定注入工法的先决条件，对易坍塌的砂质土，含粘性土少的帮派，必须在 尾隙产生的同进对其进行背后注浆。在地层土质坚固、尾隙维持时间较长的情况 下，可以短时滞后。注浆的几种形式：同步注浆、后方注入式（管片注浆） 注浆压力：通常先用的值为地层压力强度与光洁度注入条件（浆液的性质、 喷出量及注入工法等）决定的附加项的和、一般为0.20.4Mpa，注浆压力较高 时，应谨慎，砼管片，当浆压力大于0.4Mpa时，K块管片的螺栓易剪断。n注入量：Q= Dd-Dma4 1 2m盾构机推进长度存a充填系数，通常为1.352.15 D1、D2分别为管片内外径发泡剂使用：为解决砂性土的塑流，在开挖土仓中注入泡沫并充分搅拌，改变土的成分， 以保证土的流动性和减少土的透水性，使开挖面保持稳定。同时加注泡沫还可减 少刀盘与土体的摩擦，降低扭矩，减少壳体与刀盘上粘土的粘着力，有利于排土 机构出土，所需的驱动功率就可减少。泡沫的发泡原理和工艺流程：发泡原理：发泡系统由泡沫发生器、空压机、储料罐和各种管道泵组成，将 发泡剂、聚合物与水混合后，人压缩空气将液体膨胀产生泡沫，通过刀盘上的 4 个性人口注人开挖仓内。泡沫制造工艺流程见下图：泡沫的膨胀率和注入比：（1）泡沫的膨胀率（FER）： FER=（液体的流速1 / mm）：（空气的流速1 / mm）；FER越大说明泡沫越“稀”或越“湿”，一般取值在1： 61： 15之间。（2）泡沫的注入比（FIR）： FIR=（泡沫加注速率）/（土壤的开挖速率）x100%；般 取值在40%100%之间。泡沫剂用量、FER、FIR是泡沫系统的三个重要参数。盾尾密封：盾尾密封是为了防止地层的土砂、地下水、背后注入浆液、开挖面上的泥水 从盾尾间隙流入的装置，通常采用钢丝刷、或尿烷橡胶。尾刷一般为三道，高压地下水时，设为四道。为使盾尾有较好的密封效果， 始发阶段，采用人工涂抹粘度较高的密封油脂，施工阶段，采用油脂泵分四个点 位注入。注意事项：盾尾的密封受盾尾油脂的注入量影响外，还与盾构机的姿态、管 片背面注浆填充程度也有一定的关系。施工中，通常会因以下原因而导致盾尾渗漏。管片变形：管片拼装后要求形成一个标准的圆,管片之间采用错缝拼装,但由 于操作不熟练而往往拼装成椭圆形,实际施工中由于自重等因素影响,横向椭圆较 为多见，这就增大了管片之间止水条外缘纵缝的宽度（理论设计值为6mm）,实际在 管片拼装过程中将出现两腰的管环之间的外缘纵缝开口度d6mm,上下部纵缝 d6mm。管片错台：由于管片拼装操作不熟练,造成管片错台严重,特别是在纵缝错台 产生后,使得盾尾刷无法紧密包裹整环管片 ,很易形成渗水通道 ,虽然盾构推进时 盾尾仓内有盾尾油脂填充纵缝,但在较高的注浆压力和泥水压力等作用下,极有可 能将油脂冲脱而击穿盾尾刷,造成管片渗漏。管片碎裂：在轴心线未产生较大偏差的状态下,组装工艺不合理或野蛮 施工,K块管片安装时没有足够的空间，采用盾构千斤顶强行顶进，造成相邻管片外 壁处（尤其螺栓孔、角根部）在千斤顶高压状态下顶裂或破碎,而带进盾尾舱,损坏 盾尾刷,形成渗水通道而造成漏浆。防治措施： 加强拼装施工培训，提高拼装人员的技术水平，要求管片不拼成椭 圆形,且一环管片安装后必须使用整圆器进行整圆,以减少椭圆和纵缝、环缝错台 的现象。 在每次管片安装前， 应清除盾体内的渣土， 避免安装管片时难以对 位， 造成错台现象。 封顶K块拼装前,必须调整好开口尺寸，使封顶块能顺利插入到 位。 管片构造可减小管环纵缝沿止水条外缘的构造缝宽度和高度（原 设计分别为33.2mm和6mm）,建议高度20mm,以减少渗漏水力通道。注浆压力局部升高：盾构机在掘进过程中, 由于操作人员技术不熟练或双液浆配比不合 理,使浆液凝固时间过短, 造成浆液不能充分填充管片后空隙,而是堆积在注浆口 附近，造成注浆通道受限制,后续浆液压力（一般控制在切口压力+（0.61.0）kg） 必然剧增,当浆液压力高于盾尾刷和油脂的抗压力时, 就会击穿盾尾刷和油脂衬 背而造成窜浆。因此在施工中必须严格控制双液浆的配比,经常进行试验和现场 抽检，确保其凝固时间为1214s,另在注浆压力剧增时应立即停止注浆,查明原 因或者更换孔位后再进行注浆。盾尾密封损坏 其原因如下:盾尾刷密封装置受偏心管片过度挤压后产生塑性变 形而失去弹性，密封性能下降，在压力作用下导致浆液渗漏;泥水盾构停止掘进 时,土舱内有泥水的压力作用, 管片组装时很易导致盾尾后退,造成盾尾刷与管片 间发生刷毛方向相反的运动,使刷毛反卷, 盾尾刷变形,密封性能下降而造成渗 漏。防治措施包括:严格控制盾构推进的纠偏量，尽量使管片四周的盾尾间隙均 匀一致，减轻管片对盾尾刷的挤压程度;控制盾构姿态，严格控制管片组装时的 千斤顶伸缩量，避免盾构产生后退;在条件允许的情况下，可更换第3道即最里 面一道盾尾刷，以保证盾尾刷的密封性。3、管片选型与拼装 线路特征、推进千斤顶的行程差、盾尾间隙、 管片选型、管片拼装4、隧道防水施工 隧道防水及防蚀防水标准：区间隧道及连接通道等附属的隧道结构防水等级应为二级，顶 部不允许滴漏，每昼夜任意100m2渗水量0L，结构侧面可有少量湿渍。总湿 渍面积不应大于总防水面积的 2/1000；任意 100m2 防水面积上的湿渍不超过 2 处，单个湿渍面积不大于0.2m2，衬砌接头不允许漏泥砂和滴漏，拱底在嵌缝作 业后不允许有渗水。隧道接头间隙注浆(水平注浆)两种属壁后注浆；即压至土层，于衬砌外背堵 止渗漏通道，其它几种主要是注入环、纵缝和螺孔间隙，堵漏止水。前两种难度 较高，多用于严重渗漏时。结构自防水及防蚀 结构自防水是本，应采取有效措施增强混凝土抗渗、抗裂性，减小 地下水对混凝土的渗透性。防水混凝土抗渗等级，应根据工程埋深，按地下工 程防水技术规范(GB50108-2001)确定。盾构管片的抗渗等级不小于1 9 MP。 防水混凝土的保护层厚度、裂缝宽度、最小衬砌厚度，应满足地 下工程防水技术规范中的有关规定。接缝及孔洞防水 管片间纵、环缝必须采用耐久性好、性能优良的防水弹性密封垫。一般 至少有1-2道框形弹性密封垫和内侧嵌缝两道防水措施，根据地质条件及 地层透水量，必要时可在衬砌中部加设注浆孔，作为补救防水措施。 盾构出洞时，为防止泥沙及水的涌人，需设置帘布橡胶圈。帘布橡胶由 模具分块压制，然后连成一整框。 嵌缝范围：进出洞20-30m,联络通道两侧各10m处衬砌环段进行整环嵌 填，其余区段则在拱顶45范围和拱底 90范围内嵌填。嵌缝材料可采用 与基层黏结性好的材料。如氯丁胶乳水泥或其它半柔性聚合砂浆。 螺栓孔宜采用氯丁胶与遇水膨胀橡胶复合的密封圈进行密封，并对螺栓 采用混凝土填实保护或涂刷防锈材料。 吊装孔在管片安装就位后，必须用密封材料进行密封处理。 二次注浆：一次注入中未填充到的部份的完全填充；一次注入浆液的体积缩减部分的补充注入；为了提高结构的抗渗透效果，注入材料为水泥浆与水玻璃 盾构施工隧道常见通病及预防： 管片出现错台漏水、管片姿态超限、注浆不饱满、管片选型不合理，造成管 理脱离盾尾时错台（详见管片相片）盾构施工中地面变形控制与沿线建（构）筑物保护5、地面变形控制 土体变形的影响因素：掘削面土体受到挤压、超挖，盾壳前移时带到土体移 位，注浆压力和充填不足或过量土体变形分为 5 个阶段：盾构到达前（320m）：盾构掘进引起地下水位降低从而产生影响盾构到达（03m）： 土仓内土压过大、推力较大、出土量小于理论出土量时， 产生隆起；土仓内土压值较小，推力小，出土量大于理论出土量时地面会产生沉 降。盾构通过时：盾构超挖，纠偏引起蛇行盾尾通过（05m）：注浆量偏差引起后续沉降：盾构施工扰到土体后，土体重新固结产生的变形 变形范围：横向：粘性土： D+htan45 ；