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第一章盾構(gòu)法發(fā)展

盾構(gòu)法(Shield)或掩護(hù)筒法是在地表以下土層或松軟巖層中暗挖隧道的一種施工方法。自1818年法國(guó)工程師布魯諾爾(Brunel)發(fā)明盾構(gòu)法以來(lái)，經(jīng)過一百多年的應(yīng)用與發(fā)展，從氣壓盾構(gòu)到泥水加壓盾構(gòu)以及更新穎的土壓平衡盾構(gòu)，已使盾構(gòu)法能適用于任何水文地質(zhì)條件下的施工。盾構(gòu)法受啟發(fā)于蛀蟲挖洞，20世紀(jì)初日本引進(jìn)盾構(gòu)施工技術(shù)，并使其得以較大發(fā)展。上世紀(jì)60年代該技術(shù)引入中國(guó)。目前，日本及歐洲處于盾構(gòu)技術(shù)的領(lǐng)先地位。隨著盾構(gòu)機(jī)制造業(yè)的發(fā)展和施工工藝的不斷改進(jìn)，逐步形成了比較完善的盾構(gòu)系列施工工法。近年來(lái)隨著城市建設(shè)的發(fā)展，地下空間得到廣泛的開發(fā)利用，盾構(gòu)設(shè)備的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，其適用性得以拓展，能夠適用于多種地質(zhì)條件和復(fù)雜環(huán)境條件。已在城市地鐵、市政管道、地下公路、越江隧道等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。

第二章地鐵盾構(gòu)區(qū)間施工實(shí)例

2.1地鐵盾構(gòu)區(qū)間工程概況

角門北路-南站區(qū)間左線全長(zhǎng)1321.687m（其中盾構(gòu)法施工1161.488m，礦山法施工139.199m），右線全長(zhǎng)1382.858m（其中盾構(gòu)法施工1231.434m，礦山法施工130.424m）。南站-陶然亭站區(qū)間左線全長(zhǎng)1462.619m（其中盾構(gòu)法施工821.05m，礦山法施工604.569m），右線全長(zhǎng)1481.079m（其中盾構(gòu)法施工864.05m，礦山法施工584.629m）。盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)采用單層預(yù)制拼裝式管片襯砌，隧道外徑6000mm，襯砌厚度300mm，管片環(huán)寬1200mm，每環(huán)管片分為6塊，管片間防水采用預(yù)制彈性密封橡膠條。

2.2所用盾構(gòu)機(jī)的主要技術(shù)性能參數(shù)

所用盾構(gòu)機(jī)為日本三菱重工業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，外徑Ф6140mm，機(jī)長(zhǎng)約71m，總體重量400T（含后續(xù)臺(tái)車），總推力37840kN，開口率39%?？紤]到沿線砂卵石地層對(duì)刀具的磨損，特增加了刀具磨損檢測(cè)裝置。本盾構(gòu)機(jī)主體為圓筒狀，由前體、后體構(gòu)成。該機(jī)刀盤由98把刮刀、40把先行刀、1把中心刀、2把仿形刀、3個(gè)刀具磨損監(jiān)測(cè)刀組成。22個(gè)推進(jìn)千斤頂均勻的分布在盾構(gòu)機(jī)機(jī)身內(nèi)側(cè)的環(huán)梁部位，作為盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)。16臺(tái)鉸接千斤頂組成的鉸接裝置可以使盾構(gòu)機(jī)在曲線段中比較容易的進(jìn)行推進(jìn)作業(yè)。另外設(shè)置了4套可以從機(jī)內(nèi)進(jìn)行回填注入的同步回填注入裝置。3道盾尾密封刷設(shè)于盾構(gòu)機(jī)體的尾端作為盾尾密封裝置，防止地下水、土沙、背填漿液等從環(huán)片與主體之間的縫隙滲入機(jī)體內(nèi)部。

2.3盾構(gòu)掘進(jìn)施工控制

盾構(gòu)施工是以掘進(jìn)、碴土排運(yùn)、管片襯砌為基礎(chǔ)進(jìn)行的。盾構(gòu)施工控制主要包括三個(gè)方面，即開挖控制、填充控制、軸線控制；其中包含7個(gè)要點(diǎn)，主要為開挖面穩(wěn)定、掘進(jìn)出渣、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、注漿參數(shù)、注漿材料、盾構(gòu)姿態(tài)及位置、管片選型。下面重點(diǎn)談?wù)撻_挖面穩(wěn)定控制、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制和注漿材料選用:

（1）開挖面穩(wěn)定控制

施工參數(shù)和開挖面穩(wěn)定控制的好壞直接影響地表沉降大小、地下管線和地表建筑物的安全。因此施工中應(yīng)對(duì)開挖面的穩(wěn)定進(jìn)行嚴(yán)格控制。為了保證盾構(gòu)機(jī)順暢排土，需對(duì)掘削下來(lái)的土砂加泥或加化學(xué)泡沫等添加劑以控制土倉(cāng)內(nèi)土砂的塑性、流動(dòng)性處于適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，以保證盾構(gòu)機(jī)能夠順暢排土。

（2）盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

盾構(gòu)施工類似工廠流水線作業(yè)，因此施工中要求各環(huán)節(jié)緊密銜接，任何一道工序發(fā)生滯后，都將直接影響施工工效，或?qū)е率┕ねＶ?。因此?yīng)進(jìn)行信息化施工管理，收集各階段的施工參數(shù)，通過分析、歸納，在施工中不斷對(duì)各種參數(shù)的設(shè)定進(jìn)行優(yōu)化，將會(huì)提高施工的質(zhì)量、效率。

（3）注漿材料選用

壁后注漿漿液分為單液砂漿和雙液化學(xué)漿液，單液砂漿漿液應(yīng)具備以下性能：具有良好的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性及流動(dòng)性，并能保證適當(dāng)?shù)某跄龝r(shí)間，以適應(yīng)盾構(gòu)施工以及遠(yuǎn)距離輸送的要求；具有良好的充填性能；在滿足注漿施工的前提下，盡可能早地獲得高于地層的早期強(qiáng)度；漿液在地下水環(huán)境中，不易產(chǎn)生稀釋現(xiàn)象；漿液固結(jié)后收縮率小，泌水率低；原料來(lái)源豐富、經(jīng)濟(jì)，施工管理方便，并能滿足施工自動(dòng)化技術(shù)要求。

第三章施工中遇到的問題及處理

3.1盾構(gòu)始發(fā)時(shí)盾構(gòu)機(jī)頭扎頭

（1）產(chǎn)生的原因

始發(fā)推進(jìn)后，在盾構(gòu)抵達(dá)撐子面及脫離加固區(qū)時(shí)由于盾構(gòu)下半部土體受到擾動(dòng)，承載力降低容易出現(xiàn)盾構(gòu)叩頭現(xiàn)象。應(yīng)抬高盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)，盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭在安置時(shí)應(yīng)設(shè)置一個(gè)仰角。

產(chǎn)生原因：盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過程中，由于泥土倉(cāng)實(shí)際土壓力值低于理論值，使盾構(gòu)機(jī)頭部周期性地下降。造成盾構(gòu)機(jī)“磕頭”。

（2）處理方法

實(shí)際操作中，應(yīng)使泥土倉(cāng)土壓力值略高于理論值，并在推進(jìn)時(shí)按工況條件和地質(zhì)情況在盾構(gòu)機(jī)正面加入發(fā)泡劑、膨潤(rùn)土和水等改良土體的添加劑，改良開挖面的土體。施工過程中要根據(jù)隧道的埋深、所在位置的土層狀況和地層變形量等信息的反饋，對(duì)土壓力設(shè)定值、推進(jìn)速度和注漿量等施工參數(shù)及時(shí)地進(jìn)行調(diào)整。

3.2盾構(gòu)過程中產(chǎn)生泥餅

（1）產(chǎn)生的原因

盾構(gòu)機(jī)在粘性土層中施工時(shí)，由于粘性土具有內(nèi)摩擦角小、粘性大和流動(dòng)困難等特點(diǎn)，使得粘性土體粘附在刀盤上。被刀盤從開挖面上切削下來(lái)的粘土，通過刀盤渣槽進(jìn)入泥土倉(cāng)后，在泥土倉(cāng)上壓力的作用下容易被壓實(shí)固結(jié)，首先將刀盤支撐臂中心充滿填實(shí)，并很快地堵死了刀盤中心的渣槽，使刀盤中心正面的土體不能通過中心刀渣槽進(jìn)入泥土倉(cāng)，而是在刀盤擠壓力的作用下從刀盤四周的渣槽進(jìn)入泥土倉(cāng)。逐漸地，整個(gè)泥土倉(cāng)內(nèi)全部被壓實(shí)固結(jié)的土體充滿并堵塞。當(dāng)?shù)侗P繼續(xù)旋轉(zhuǎn)切削土體時(shí)，固結(jié)土體的刀盤和開挖面土體之間產(chǎn)生很大的摩擦力，相互摩擦產(chǎn)生大量的熱量，刀盤溫度不斷升高，使刀盤和泥土倉(cāng)內(nèi)的土體不斷地被燒結(jié)固化，最終在刀盤和整個(gè)泥土倉(cāng)內(nèi)形成堅(jiān)硬的“泥餅”?！澳囡灐毙纬珊螅侗P扭矩和盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)阻力均迅速增大，螺旋輸送機(jī)無(wú)法出土，盾構(gòu)機(jī)不能往前推進(jìn)。泥土倉(cāng)內(nèi)過高的溫度會(huì)縮短刀盤主軸承的使用壽命，加速主軸承的損壞，甚至?xí)霈F(xiàn)主軸承“燒結(jié)、抱死”的嚴(yán)重后果

（2）處理方法

適量增加泡沫的注入量，減小碴土的黏附性，降低泥餅產(chǎn)生的幾率。刀盤背面和土倉(cāng)壓力隔板上設(shè)攪拌棒，以加強(qiáng)攪拌強(qiáng)度和范圍，并通過土倉(cāng)隔板上攪拌棒的泡沫孔向土倉(cāng)中注射泡沫，改善渣土和易性，增大渣土流動(dòng)性。必要時(shí)螺旋輸送機(jī)內(nèi)也要加入泡沫，以增加碴土的流動(dòng)性，利于碴土的排出?？刂蒲h(huán)睡的溫度由于刀盤溫度高造成的泥餅問題。一旦產(chǎn)生泥餅，可空轉(zhuǎn)刀盤使泥餅在離心力的作用下脫落。確保開挖面穩(wěn)定的情況下也可采用人工進(jìn)倉(cāng)清除。

3.3螺旋輸送機(jī)循環(huán)“噴涌”泥水

（1）產(chǎn)生原因

盾構(gòu)機(jī)在高水砂層進(jìn)行施工時(shí)，由于開挖面土體充水裂隙，含水量豐富，而且已成型的盾構(gòu)隧道同步注漿量沒有完全充實(shí)襯背空隙，以致留下流水通道，開挖面土體裂隙的水不斷地流入泥土倉(cāng)，泥土倉(cāng)內(nèi)不停地積水。當(dāng)螺旋輸送機(jī)工作時(shí)，首先吸入泥土倉(cāng)內(nèi)的水，然后從其出土閘門迅速噴出，形成“噴涌”。泥土倉(cāng)內(nèi)的水被暫時(shí)吸干后，螺旋輸送機(jī)才能出渣排土，很快地泥土倉(cāng)內(nèi)又積水較多，螺旋輸送機(jī)又必須先吸水后出土。造成盾構(gòu)機(jī)無(wú)法正常工作，螺旋輸送機(jī)不停地噴涌—停機(jī)—噴涌……，如此惡性循環(huán)，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)緩慢。

（2）處理方法

當(dāng)遇到此情況時(shí)，關(guān)閉螺旋輸送機(jī)，停止出土，保持盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)往前推進(jìn)，增加泥土倉(cāng)內(nèi)的土壓力，讓刀盤切削下來(lái)的土體將泥土倉(cāng)內(nèi)的水不斷地?cái)D出，減少泥土倉(cāng)內(nèi)的含水量。同時(shí)要防止土倉(cāng)壓力過高，造成盾構(gòu)機(jī)前方隆起、冒漿，以及擊穿盾尾密封等現(xiàn)象的發(fā)生。向泥土倉(cāng)內(nèi)加入高濃度泥漿或泡沫，改善泥土倉(cāng)內(nèi)土體的和易性，使土體中的顆粒、泥漿成為一整體，使土體具有良好的可塑性、止水性及流動(dòng)性，便于螺旋輸送機(jī)順利出土。在進(jìn)入富水砂層前，盾構(gòu)機(jī)提前采用氣壓平衡模式進(jìn)行推進(jìn)，但要防止發(fā)生漏氣事件。

3.4螺旋輸送機(jī)出料口形成大土堆

（1）產(chǎn)生原因

在粘性土層中，由于土體粘性大，由刀盤切削下來(lái)的粘土與土倉(cāng)內(nèi)的水難以均勻地混和，造成泥水分離。在螺旋輸送機(jī)出土?xí)r，整團(tuán)泥土從螺旋輸送機(jī)出土閘門排出至膠帶輸送機(jī)的膠帶上。由于泥和水呈分離狀態(tài)，所以泥和膠帶之間的摩擦力較小，而且膠帶向上運(yùn)轉(zhuǎn)，使泥土在膠帶上打滑而不能被及時(shí)運(yùn)走。隨著螺旋輸送機(jī)不停地出土，皮帶上的泥土越積越多，土堆越來(lái)越大，逐漸被膠帶兩側(cè)的擋上板支撐住。土堆底部的泥土因受土堆重壓而被膠帶運(yùn)走，被膠帶兩側(cè)擋土板支撐住的泥土堆和膠帶不接觸，不能被膠帶運(yùn)走，滯留在膠帶的上方，結(jié)果在螺旋輸送機(jī)出料口形成大土堆。

（2）處理方法

當(dāng)形成大土堆后，螺旋輸送機(jī)應(yīng)停止出土，繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)膠帶輸送機(jī)，采用人工方法進(jìn)行清除，并通過膠帶運(yùn)走。禁止操作人員為了減少麻煩試圖通過螺旋輸送機(jī)繼續(xù)出土，增加土堆土方的泥土重量將其壓塌，使土堆塌落在膠帶上而被運(yùn)走。若此時(shí)螺旋輸送機(jī)繼續(xù)出土，大量泥土將從土堆的上方滑落至膠帶輸送機(jī)前端的支撐架上，結(jié)果不但不能將土堆壓塌，反而會(huì)使支撐架上的泥土越積越多，可能造成整個(gè)支撐架被壓塌的后果。

所以當(dāng)遇到粘土地層時(shí)，在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中，應(yīng)使泥和水在泥土倉(cāng)內(nèi)盡可能地均勻混和，避免泥水混和不均；同時(shí)通過攝像儀觀察螺旋輸送機(jī)的出土情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有整團(tuán)泥土在膠帶上打滑，滯留在膠帶上不能被膠帶及時(shí)運(yùn)走時(shí)，應(yīng)減小螺旋輸送機(jī)出土速度，或停止出土，以防止膠帶上的泥土越積越多而形成大土堆，待滯留在膠帶上的泥土被運(yùn)走后，再繼續(xù)出土。

3.5泥土倉(cāng)土壓大幅度突降

（1）產(chǎn)生原因

這是由于泥土倉(cāng)內(nèi)空氣和水的含量較多，泥土倉(cāng)的土壓主要是由空氣壓力組成的。壓力空氣容易穿過泥水層進(jìn)入螺旋輸送機(jī)，從其出土閘門迅速地噴出，泥土倉(cāng)內(nèi)壓力空氣瞬時(shí)大量釋放，造成泥土倉(cāng)內(nèi)土壓大幅度突降；在較松軟的地質(zhì)中，泥土倉(cāng)內(nèi)壓力空氣有時(shí)會(huì)通過盾構(gòu)機(jī)外殼的松軟土層向盾尾方向移動(dòng)，擊穿尾盾密封向盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部釋放壓力空氣，也會(huì)造成泥土倉(cāng)內(nèi)土壓大幅度突降。

（2）處理方法

當(dāng)遇此情況時(shí)，立即關(guān)閉螺旋輸送機(jī)及其出土閘門，停止出土。盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)往前推進(jìn)，使泥土倉(cāng)土壓盡快恢復(fù)至正常值，以保持開挖面土層的穩(wěn)定，防止由于泥土倉(cāng)壓力的突降而引起地層發(fā)生變化，引起地表面出現(xiàn)較大幅度的沉降。同時(shí)，在操作中應(yīng)根據(jù)土質(zhì)情況和刀盤扭矩的大小，減少注水量，調(diào)整泡沫系統(tǒng)中空氣的比例，并減小泡沫量，降低泥土倉(cāng)內(nèi)水和空氣的含量。