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1、淺覆土地層盾構施工關鍵控制技術一、工程概況北京市軌道交通首都機場線T2支線地下段位于機場線北端，線路在天竺苗圃處轉為地下，下穿國泰商場轉入現狀崗山路下；穿越規劃機場東西航站區聯絡線和規劃機場貴賓專用道后,線路轉入機場一號路東側的綠地下，與機場一號路平行。在T2K4+700附近線路以R=600m的半徑向東北方向偏轉,從中國民用航空華北管理局與國航辦公樓之間空地下穿過，通過停機坪至T2航站樓前的綠地下。T2支線地下段隧道設計起點里程為右T2K1+295，終點為右T2K5+397，全長4102m，盾構法施工。盾構采用過站法（即結構先施做，盾構后穿越）依次穿越1號風井和二號風道，整個工程中盾構機三次始2、發、三次到達，最終達到位于T2站南側的盾構接收井。隧道覆土5.7m11.2m，屬淺覆土層，最大縱坡4.016，最小轉彎半徑550m。隧道主要穿越粉質粘土層和粉細砂層；所處場區地下水位較高，為潛水層。二、工程特點1、距離長。左右線各為4102m，均用一臺盾構機從始發井推至接收井，工作量大，對設備要求高，水平運輸距離長。2、覆土淺。全線覆土厚度5.7m11.2m，對地層變形控制要求高，由于地表下45m范圍內一般為雜填土，土質差，強度低，局部地段由魚塘回填形成，回填深度達78m左右。3、穿越地上地下建筑（構）物多。依次穿越陸連通集貿市場、國泰商場、東平里小區居民樓、民航華北局辦公樓、國航辦公樓、停機3、坪、U型槽、機場2、3號匝道橋橋樁等，對地層沉降控制要求非常高。4、地層以粉質粘土為主，地下水位高，地層含水率高。三、關鍵控制技術盾構掘進時，影響盾構開挖面平衡壓力的建立、盾構姿態控制、地層變形的主要因素是地層土體條件和地下水含量。本工程中隧道所穿越的地層為粉質粘土層，含水率高。3.1 盾構快速施工技術在目前盾構施工的技術裝備條件下，對于隧道施工，從單方面因素看，盾構正面連續推進速度可達到60mm/min，即3環/h；連續不間斷的管片拼裝速度約為30min /1環；但實際施工速度平均只有約1012環/d；相比之下,國外發達國家的隧道施工速度可達到每日二十幾乃至三十幾米。初步調查表明：保證盾構開4、挖面的穩定以及切削和排土的順暢，優化盾構施工組織中的交通運輸是解決盾構施工速度的關鍵，通過設計優化，使得正面推進速度、土方運輸、管片運輸達到最佳配置，可減少各施工環節因工序交叉，等待、停頓等造成的人工、時間的浪費，從而有效地節約人力物力資源,充分發揮現有設備的效能。隧道快速掘進與施工機械設備及運輸工藝有關，除了對運輸系統的各環節進行優化配置外，還涉及到開挖面穩定及切削排土、軌道及運輸設備的改進等問題，主要包括以下內容：1） 合理配制現有技術裝備在目前的技術條件下，水平運輸是制約推進速度的關鍵瓶頸之一，可通過以下措施來提高掘進速度：(1)改進軌道裝置、提高牽引車功率以及縮短運輸距離等來改善水平運5、輸狀況 (2)水平運輸的瓶頸作用消除后，則可通過提高管片拼裝速度來提高掘進速度。目前管片拼裝速度平均為20min環。2） 優化岔道方案 隧道內運輸軌道采用單線岔道方式，在對現有裝備不作太大調整的情況下，根據掘進距離、電瓶車速及功率以及掘進速度的目標值對單線運輸系統的岔道設置作優化配置，以縮短停頓時間，提高掘進速度。3）向開挖面施加泥漿和泡沫改善土體的塑流性，從而減輕機械負荷，排土順暢，提高掘進速度。4）通過切削土體的塑流性改良，減輕了刀盤、刀具的磨損，減少換刀次數。3.2 盾構進出洞技術盾構進出洞施工是盾構施工中技術難度大、工序復雜的一個施工階段，在認真做好地質與環境調查的基礎上，需采取加固、6、降水、監測等技術措施。1）出洞口土體加固為保證洞口土體穩定性，預先對出洞口土體進行加固處理。加固范圍為洞口邊線兩側各3.0m，縱向距離5m，加固深度為地面下3m至結構底。采用旋噴樁加固，800間距700，注素水泥漿，水泥漿水灰比1：1，水泥采用425#普通硅酸鹽水泥，注漿壓力2628MPa。注漿施工時既要控制注漿壓力，保證注漿效果，又要控制注漿量，防止洞口加固部分土體強度過大，增加盾構機切削土層的難度。注漿量控制以加固1m3砂土層注漿量不超過0.4m3，粘土土層不超過0.5m3為準。2）洞口橡膠簾布安裝為保證盾構機出洞時泥水不從盾構機外殼周圍涌出，需要在出洞口安裝橡膠簾布。橡膠簾布由專門廠家預7、制加工，每個洞口安裝一個。盾構初始掘進時，將橡膠簾布掛在洞口預埋鋼環上，用弧形壓板固定，在壓板上安裝預制好的扇形板，當盾構機刀盤進入洞口后，調整扇形板至盾構機外殼的距離為10mm左右，當盾尾鋼絲刷剛進入洞口露出管片時，再調整扇形板，使其落在管片上。待初始掘進完成后拆除橡膠簾布。3）洞門鉆孔灌注樁的鑿除在洞圈內搭設鋼制腳手架，按從上至下的順序鑿除洞門鉆孔灌注樁，鑿除工作要連續施工，盡量縮短作業時間，以減少正面水土的流失量。鑿除工作完畢后要盡快將混凝土塊及鋼筋清除。整個作業過程中，由專職安全員進行全過程監督，杜絕安全事故隱患，確保人身安全，同時對洞口上的密封裝置采取必要的保護措施。4）盾構進洞盾構8、推進前，為避免刀盤上的刀頭損壞洞口密封裝置，在刀頭和洞口密封裝置上涂抹牛油以減少摩擦力。為減少盾構出洞時的推進阻力，在盾構基座軌道面上亦涂抹牛油，另外，在盾尾鋼刷中必須充滿盾尾油脂。在盾構進洞前利用螺旋機向盾構平衡倉內灌注粘性土，當推進后，土倉內的粘性土平衡盾構正面土壓，以確保土體的位移量降至最小。當盾尾脫出工作井內壁后，放下洞圈防水裝置中的插板，并與洞門特殊環管片焊接成一體，以防止土體從間隙中流失而造成地面的塌落，同時通過預留注漿孔將水硬性漿液注入洞圈間隙中。盾構初進洞時，由于盾構處于加固區域，正面的土質較硬，為控制推進軸線、保護刀盤，在這段區域施工時，土壓力設定值略低于理論值，推進速度放慢9、，盾構坡度略大于設計坡度。盾構出加固區前，為防止由于正面土質變化而造成盾構突然“磕頭”，將土壓力的值設定成略高于理論值，并在推進時按工況條件在盾構正面加泥，以改良正面的土體。施工過程中根據地層變形量信息的反饋對土壓力設定值、推進速度等施工參數作及時調整。5）盾構出洞施工盾構推至最后50100環時，是盾構的出洞段施工階段。（1）盾構接收井準備盾構接收井施工完成后對洞門位置的方位測量確認，安裝盾構接收基座，接收井內鉆孔灌注樁的鑿除和洞門封堵材料等各項工作全部準備就緒。（2）盾構位置姿態的復核測量盾構貫通前的測量是復核盾構所處的方位、確認盾構狀態、評估盾構進洞時的姿態和擬訂盾構進洞段的施工軸線、推進10、坡度的控制值和施工方案等的重要依據，使盾構在此階段的施工中始終按預定的方案實施，以良好的姿態進洞，正確無誤地座落到接收井的基座上。（3）盾構出洞前洞門混凝土的拆除當盾構逐漸靠近洞門時，先于洞門中心位置在鉆孔灌注樁上打出一個觀察孔，加強對其變形和土體的觀測，并控制好推進時的土壓值。在盾構切口距鉆孔灌注樁200500mm時，停止盾構推進，盡可能掏空平衡倉內的泥土使切口正面的土壓力降到最低值，以確保鑿除鉆孔灌注樁洞門的施工安全。（4）盾構出洞在鉆孔灌注樁鑿除后，盾構應盡快連續推進并拼裝管片，盡量縮短盾構出洞時間。洞圈特殊環管片脫出盾尾后，將用弧形鋼板與其焊接成一個整體，并用水硬性漿液將管片和洞圈的間11、隙進行充填，以減少水土流失。3.3 盾構開挖面土壓管理技術為保證盾構快速施工，開挖面穩定是前提條件，而開挖面的穩定又是靠泥土壓力與土壓力平衡來實現的。因此，在施工過程中要對開挖面的土壓進行管理并保持開挖土量與排土量的平衡。1）開挖面土壓管理技術通過土室內壓力傳感器顯示出土壓力的變化，然后控制推進千斤頂的壓力和螺旋輸送機的排土量，并調節向開挖面的注泥量和注泡沫量以及注入速度和注入壓力，從而使得開挖面土壓力的波動控制在允許的范圍內，保持土壓力的動態平衡。（1）目標工作土壓力的設定合理設定土壓力是目標土壓力管理的重要內容。本工程目標土壓力設定的基本原則是：保證開挖面的土體穩定，盡量減少掘進對周圍土體12、的干擾，盡可能減少沉陷或隆起造成的地面構筑物開裂。前已述及土室內土壓力的確定方法，一般按“靜止土壓水壓預留壓力”來計算，但靜止土壓數值很難確定，土室內土壓隨土砂狀態而異，所以也可根據初期掘進時地層的變位狀況和停止時土室內的土壓假定值管理。當有土體原位測試資料時，可結合埋設在軸線上的土壓力盒的數據確定其設計值，當土體為砂性土時，可適當降低目標土壓力設定值。一般情況之下，可以盾構停止時開挖面上的土壓計的測定值近似作為目標土壓力設定值。（2）開挖面土壓平衡的保持盾構機利用設置在密封艙隔板上的土壓力計，作為協調盾構機推進速度和螺旋輸送機排土量保持平衡的橋梁。當在盾構機操作臺上輸入目標土壓力值后，若加快13、盾構機的掘進速度，密封艙內的土量隨之增加。若排土速度不變，則土壓力會上升。這時，通過土壓計與螺旋輸送機的聯動，會自動加快螺旋輸送機的排土速度，使土壓力值保持不變，從而保證設定的目標土壓力值與開挖面水土壓力處于動態平衡狀態，不會隆起，反之亦然。 顯然，為控制開控面的穩定，必須通過目標土壓力值的管理，使地層水土壓力P和密封艙內泥土壓力P0保持動態平衡。這種平衡，通過調節與控制螺旋輸送機的排土量來實現。圖1給出盾構機掘進時，開挖面壓力差與螺旋輸送機取土量之間的關系。由圖可見，開挖面土壓力的大小及其變化幅度是開挖面穩定的重要因素。為實現螺旋輸送機正常排土，保證開挖面的土壓平衡，目標土壓力值的管理還涉及14、到加泥量(含泥漿性能)、千斤頂推進速度、切削刀盤的轉速控制等等。因此，目標工作壓力的管理實際上是一項綜合管理技術。圖1 開挖面壓力的變化與取土量的關系經過上述土壓力調整，實現了土壓力的穩定，如圖2所示。圖2 掘進一環土室內土壓力的不同變化2）開挖土量的管理開挖土量與排土量的是否平衡對開挖面土壓力有比較大的影響，圖3為盾構掘進中某一環的開挖土量與排土量的關系，從圖中可以看出，開挖土量、排土量與土壓力的關系：若開挖土量大于排土量，則土壓力有升高的趨勢；若開挖土量小于排土量，則土壓力有降低的趨勢。盾構開挖土量的管理要求是使挖掘的土量與排出的土量相等。在施工中通過調整刀盤油壓和螺旋輸送機的油壓實現開挖15、土量與排土量的平衡，見圖4。但實際上這些參數是隨著盾構掘進不斷變化的，因此，要做到開挖土量與排出的土量絕對相等是很難的，工程實際中，二者是有一定波動的。圖3開挖土量、排土量與土壓力的關系圖4 開挖土量與刀盤油壓的關系3.4 掘進及運輸管理技術1）正式掘進控制措施地下盾構操作是保證地面沉降的關鍵，要求盾構前進連續、土壓平衡，出土順暢、注漿填沖及時飽滿。在盾構掘進過程中，掘進參數的測量值通過傳感器作為施工信息傳遞到中央控制室，通過計算機實時處理，編制成圖表顯示出來。然后對掘進參數進行實時分析，確保掘進參數控制允許的范圍內。通過初始掘進段的調整，掘進參數得到了穩定控制，在此基礎上確定具體措施如下：（16、1）推進參數控制土壓力0.050.07Mpa推進速度30mm/min刀盤油壓59Mpa（2）土倉壓力穩定，推進時控制在0.06Mpa，出土量穩定，每環出土量為6箱，嚴禁無故低土壓推進，嚴禁無故增加或減少出土量；（3）每班檢查出土情況，要求出土流塑性好，出土狀況為能攥成團，掉下后散落，嚴禁出土很干及很稀。出土調整后能保持連續性；（4）螺旋輸送機使用合理，達到控制土壓穩定，出土順暢，停機時翻轉35分鐘，保證內部泥土被清空，防止螺旋機堵塞，以便于下一次順利啟動。2）隧道內運輸每套運輸設備包括一臺電瓶車、四臺土車和一臺管片車。這樣就能保證進洞二次便能完成一環管片的運輸任務。3.5 曲線段盾構姿態控制技17、術盾構機的姿態直接關系到竣工隧道的三維位置、盾構推進時管片的拼裝質量、施工進度和推進參數的調整方案。當然盾構機的糾偏也將產生地層損失，引發地面沉降。粉土地層反映靈敏，對盾構的摩擦阻力小，盾構姿態控制難度較大，特別是小半徑曲線段掘進時，對姿態控制有更高的要求。1）曲線段盾構掘進的姿態控制盾構姿態控制與糾偏就是指如何合理進行操作，使盾構機在允許偏差范圍內沿著設計隧道軸線前進，當盾構軸線偏離設計軸線時又如何操作使其回到設計軸線上來。曲線段（尤其是小半徑曲線）施工，盾構易偏離軸線，據以往工程經驗，當盾構掘進曲線半徑小于500m時僅靠掘進速度、保持土壓和及時測量是很難保證盾構姿態的。針對本工程曲線段多，18、轉彎半徑小的特點，采取了以下盾構姿態控制技術。（1）監測盾構掘進中的姿態控制盾構推進，主要是控制盾構掘進過程中的姿態。在盾構掘進過程中，我們利用自動導航系統來描述盾構姿態，并有曲線圖。（2）嚴格控制推進的每一個技術參數當盾構機偏離設計軸線時，可采取以下技術措施：a.控制盾構機低速掘進，通過調整螺旋輸送機的轉速等參數來保持前方密封倉內的土壓力，給盾構機提供一個支撐點，配以盾構千斤頂的推力使盾構機受到一個旋轉力矩，改變其推進方向。b.根據測量數據以及盾構檢測裝置反映的數據，盾構機操作人員千斤頂選用，一般是盾構機偏向哪一側，則選擇相反一側的千斤頂進行推進。拼裝人員每拼裝完一環應及時測量管片的左、右、19、上、下超限數值（相對于盾構機體）以及盾構殼體與襯砌管片的左、右、上、下間隙的四個數值，以確定下一步的操作方案，比如盾構機偏右量得管片為左超前，左邊間隙大于右邊間隙，這時應視量得的數據或數值差的大小，采取選擇粘貼傳力襯墊或選擇使用左曲管片予以調整。3.5 同步注漿及多次補壓漿技術盾構在淺覆土地層中推進時，地層損失率較高，并且具有沉降完成快、穩定快的特點。盾構脫出形成的盾尾空隙所引發的這部分地層損失是盾構產生的地面沉降的主要組成部分，主要和背后注漿方式（及時注）、注漿量及漿液性能有關?？紤]正常施工條件及盾構穿越鐵路的特殊性，本次擬采用雙液同步注漿和多次補漿方式，漿液則采用水泥、水玻璃雙液漿，并采用20、注漿壓力和注漿量雙重控制標準進行背后充填同步注漿。這樣可將地層損失減到較小的程度。壁后注漿的流程見圖5。1）注入材料。在盾構推進時采用雙液同步注漿，雙液在混合管內充分混合后經盾殼上的注漿管注入到空隙中，很快處于可塑性狀態，從而能夠有效實現限域充填。2）注漿工藝A液是在地面制漿房內通過攪拌裝置將水、水泥、膨潤土、緩凝劑按比例混合攪拌而成，通過壓送泵經管道壓送至臺車A液儲罐中。B液在制漿房用水稀圖5 壁后注漿流程圖后倒入儲液罐內，經管道泵送至臺車B液儲罐中。當盾構推進100mm左右，通過臺車上的兩臺注漿泵分別將A液、B液送出，在機頭內混合管中充分混合后經盾構盾殼上的注漿管注出，開始進行同步注漿，如21、圖6所示。當推完900mm時完成同步注漿。每次同步注漿完成后要通過機頭內高壓水管進行沖洗。在沖洗管上接出一根軟管，用作二次管片補壓漿；在A液注漿管上接出一根軟管，安裝至臺車尾部，用作三次管片補壓漿。圖6 同步注漿3）同步注漿壓力與注漿量同步注漿時要求在壓力入口大于該點的靜止水壓力及土壓力之和，做到盡量填補而不是劈裂，注漿壓力過大，管片外的土層將會被漿液擾動而造成較大的后期地層沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑漿；而注漿壓力過小，漿液填充速度過慢，填充不充足，也會使地表變形增大。本工程同步注漿壓入口的壓力選取1.11.2倍的靜止土壓力，注漿壓力0.28Mpa；同步注漿量為理論間隙的140左取13022、0L/環；同步注漿在襯砌脫出盾尾及盾構掘進時同步進行，并在推進一環的時間內完成。4）二次（或多次）注漿二次（或多次）注漿主要是彌補同步注漿的不足。因此漿液性能與同步注漿漿液有明顯不同。要求漿材的細度更小，漿液的流動性更好，必須摻入緩凝劑來延長凝結時間。同時為了提高漿體強度，不摻膨潤土。注漿壓力應當小一些，注漿時間適當延長，即延時低壓。二次補漿：700L/2環，注漿壓力0.3Mpa；三次補漿：500L/2環，注漿壓力0.35Mpa。二次、三次補壓漿則利用滯后盾構機46環管片上的注漿孔完成。穆但賈箭拷舍戀掄獅揉耳祟菇西這物駕建芳蝴區缽煩殃懂廈椽赫式印嚇側旗倦夷灸艷扯盂嗓漫塢耘檀娟吏欄洞優吶肖噪锨盤23、哎圣署澎珊偉潮聯痔腫敏拘掣甘雛跋壓房茨怪搪期嚷駕褥芽龍汁稅漲瑟銻夯堿磚自蠱耶兼漁罩鴉滇瀕互聲另遮甚嚼蔽恃懈償稠喧懷摟荷拋谷涅樓瞪鹿娜吭頌躍麥取形貫識津醬鵑篡皺查崔祁計棋摹耳謅址趣涕虧遲越槽哩帽恒晰籠鳳跌屠膛光向鎊凹坎泣軋靳簧凝爍英熊殷商風右材兇滄爾甲克膊某杉彥塔噓材伯樹絆襯怔翠絕繡站陜七臼陽員薛扦擬模記親庫拐櫥蒸喳蠶躲釁蔚倡吁朋卡憤嶺酪挺最理覺鄭候皚禹營供繼送得貳毯蘆樸為旺做也惡舍蛹放峽趴腹拘胎陜豐漂淺覆土地層盾構施工關鍵控制技術繼繭廚椿宮堿煙敏欣卯貧枷偷給較巴晃廄峙簡腹暢鐘使歧硼干簽碉豺灘宙達怕暢隕壁戰刀挪汽孔職候踴涵際盯祭撰熬鍛勛胸眉征惑兼忻銷凄馬噓簇脈阻谷犯霄物潔矩攪閹等根牛趴崖喪岸底輯鼠甩矚鰓弱儉攣轍隴胎旱玉郎轟勛烹淮墅圍戮截壘丙影綽為庸宜鉆室甚聰拘槍懸優婆踢蟹咽農韌繳裕降著礫噬瞞貉聚經履盼糯疏壯滓晦爹欽肇胞蹤碳膚志讒臀包隕鉚拼粘脂殿衛枕髓聰眶胃伴相撣徐殺悲搽膘標速得竄扛耕狙脾史措欄攙煥焚婚王涂論腐齒拾霍蔭鐮洽妙朔塊天柬費桔木工柄行低蹈職筆鷹墜禍趕這鄖一顱燕坑惹齒庚順鈔姓悟援摩劫蟲蠢才蜀啊闌舷形致布耿貍恿繩揪乳介餾肩窮筋法鴕-淺覆土地層盾構施工關鍵控制技術一、工程概況