1K413030 盾构法施工

1K413031 盾构机选择要点

一、盾构机的选择

(三)选择的主要原则

  1. 适用性原则
  2. 技术先进性原则
  3. 经济合理性原则

三、盾构选型的基本程序

(二)盾构选型的基本流程

策划→调查→设计条件→可行性分析→初步选择→措施研究→比选→综合评价→选定

1K413032 盾构施工条件与现场布置

一、盾构法施工条件

(二)盾构法施工适用条件

  1. 盾构法施工隧道应有足够的埋深,覆土深度宜不小于1D(洞径)。
  2. 隧道之间或隧道与其他建(构)筑物之间所夹土(岩)体加固处理的最小厚度为水平方向1.0m,竖直方向1.5m。
  3. 从经济角度讲,连续的盾构施工长度不宜小于300m。

(三)城镇施工注意事项

  1. 工作井的选择

工作竖井位置选择要考虑不影响地面社会交通,对附近居民的噪声和振动影响较少区域;且能满足施工生产组织的需要。

  1. 工作井断面尺寸确定

井的宽度一般应比盾构直径大1.6~2.0m。井口长度除了满足盾构内安装设备的要求外,还要考虑盾构推进出洞时,拆除洞门封板和在盾构后面设置后座,以及垂直运输所需的空间。

  1. 施工环境条件限制

在城镇内选择盾构法施工前提条件:

(1)必须掌握隧道穿过区域地上和地下建(构)筑物的详尽资料,并做好处理保护方案。

(2)必须采取严密的技术措施,把地表沉陷限制在允许的限度内。

(3)选择泥水式盾构必须设置封闭式泥水储存和处理设施。

二、盾构施工现场布置

(一)施工组织设计

  1. 在建设方提供的施工用地范围内,对施工现场的道路交通、材料仓库、材料堆场、临时房屋、大型施工设备、集土(泥)坑、拌浆系统、临时水电管线、消防器材等做出合理的规划布置。

(二)施工现场平面布置与施工设施设置

  1. 施工现场平面布置

主要包括盾构工作竖井、竖井防雨棚及防淹墙、垂直运输设备、管片堆场、管片防水处理场、拌浆站、料具间及机修间、两回路的变配电间等设施以及进出通道等。

  1. 施工设施设置

(1)工作井施工需要采取降水措施时,应设相当规模的降水系统(水泵房)。

(2)采用气压法盾构施工时,施工现场应设置空压机房,以供给足够的压缩空气。

(3)采用泥水平衡盾构机施工时,施工现场应设置泥浆处理系统(中央控制室)、泥浆池。

(4)采用土压平衡盾构施工时,应设置电机车电瓶充电间等设施。

1K413033 盾构法施工阶段划分及始发与接收施工技术

一、盾构施工阶段划分

盾构施工一般分为始发、正常掘进和接收三个阶段。

始发是指盾构自始发工作井内盾构基座上开始掘进,到完成初始掘进(通常50~100m)止,亦可划分为:洞口土体加固段掘进、初始掘进两个阶段。

接收是指自掘进距接收工作井一定距离(通常50~100m)到盾构落到接收工作井内接收基座上止,亦可划分为:到达掘进、接收两个阶段。

二、洞口土体加固技术

(一)洞口土体加固必要性

  1. 由于拆除洞口围护结构会导致洞口土体失稳、地下水涌入,且盾构进入始发洞开始掘进的一段距离内或到达接收洞口前的一段距离内难以建立起土压(土压平衡盾构)或泥水压(泥水平衡盾构)以平衡开挖面的土压和水压,因此拆除洞口围护结构前必须对洞口土体进行加固,通常在工作井施工过程中实施。

(二)洞口土体加固目的

洞口土体加固的主要目的:

(1)拆除工作井洞口围护结构时,确保洞口土体稳定,防止地下水流入。

(2)盾构掘进通过加固区域时,防止盾构周围的地下水及土砂流入工作井。

(3)拆除洞口围护结构及盾构掘进通过加固区域时,防止地层变形对施工影响范围内的地面建筑物及地下管线与构筑物等的破坏。

(四)洞口土体加固方法

常用加固方法主要有:注浆法、高压喷射搅拌法和冻结法。

  1. 注浆法

按其原理分为两种:不改变土颗粒排列、注入材料渗透到土颗粒间隙并固结的渗透注浆法;沿注浆层面地层形成脉状裂缝,利用注浆材料使土颗粒间隙减小、土体被挤密的挤密注浆法(或劈裂注浆法)。前者适合于啥、卵石层,后者适用于粉砂等土层。

  1. 冻结工法

对含地下水土层实施冻结,冻结的土体具有高强度和止水性,特别适合于软弱地层大断面盾构施工和地下水压高的场合。

三、盾构始发施工技术

(二)初始掘进长度的确定

决定初始掘进长度有两个因素:一是衬砌与周围地层的摩擦阻力,二是后续台车长度。

(三)洞口土体加固段掘进技术要点

  1. 盾构基座、反力架与管片上部轴向支撑的制作与安装要具备足够的刚度,保证负载后变形量满足盾构掘进方向要求。
  2. 拆除洞口围护结构前要确认洞口土体加固效果,必要时进行补注浆加固,以确保拆除洞口围护结构时不发生土体坍塌、地层变形过大、地下水涌入,且要保证盾构始发过程中开挖面稳定。
  3. 加强监测工作井周围地层变形、盾构基座、反力架、临时管片和管片上部轴向支撑的变形与位移,超过预定值时,必须采取有效措施后,才可继续掘进。

(四)初始掘进的主要任务

初始掘进的主要任务:收集盾构掘进数据(推力、刀盘扭矩等)及地层变形量测量数据,判断土压(泥水压)、注浆量、注浆压力等设定值是否适当,并通过测量盾构与衬砌的位置,及早把握盾构掘进方向控制特性,为正常掘进控制提供依据。因此,初始掘进阶段是盾构法隧道施工的重要阶段。

四、盾构接收施工技术要点

(一)盾构进入到达掘进阶段前,暂停掘进,准确测量盾构机坐标位置与姿态,确认与隧道设计中心线的偏差值。

(四)掘进至接收井洞口加固段时,确认洞口土体加固效果,必要时进行补注浆加固。

(六)拆除洞口围护结构前要确认洞口土体加固效果,必要时进行注浆加固,以确保拆除洞口围护结构时不发生土体坍塌、地层变形过大或地下水涌入。

1K413034 盾构掘进技术

一、盾构法施工掘进控制的目的

目的是:确保开挖面稳定的同时,构筑隧道结构、维持隧道线形、及早填充盾尾空隙。因此,开挖控制、一次衬砌、线形控制和注浆构成了盾构掘进控制四要素。施工前必须根据地质条件、隧道条件、环境条件、设计要求等,在试验的基础上,确定具体控制内容与参数;施工中根据包括量测监控的各项数据调整控制参数,才能确保实现施工安全、施工质量、施工工期与施工成本预期目标。

密闭式盾构掘进控制内容构成 表1K413034

开挖控制的根本目的是确保开挖面稳定。二、开挖控制

(一)土压(泥水压)控制

  1. 土压式盾构,以土压和塑流性改良控制为主,辅以排土量、盾构参数控制。

泥水式盾构,以泥水压和泥浆性能控制为主,辅以排土量控制。

  1. 开挖面的土压(泥水压)控制值,按地下水压(间隙水压)+土压+预备压设定。

(2)土压有静止土压、主动土压和松弛土压,要根据地层条件区别使用。

  1. 为使开挖面稳定,实测的土压(泥水压)变动要小。

(二)土压式盾构泥土的塑流化改良控制

  1. 土压式盾构掘进时,理想地层的图特性是:

(1)塑性变形好;

(2)流塑至软塑状;

(3)内摩擦小;

(4)渗透性低。

  1. 塑流化改良控制是土压式盾构施工的最重要要素之一。

(三)泥水式盾构的泥浆性能控制

泥浆性能控制是泥水式盾构施工的最重要要素之一。

泥浆性能包括:比重、黏度、PH、过滤特性和含砂率。

(四)排土量控制

  1. 我国目前多采用容积控制方法。
  2. 泥水式盾构排土量控制

泥水式盾构排土量控制方法分为容积控制与干砂量(干土量)控制两种。

Q3=Q2-Q1 (1K413034-2)

Q3–排土体积(m3);

Q2–排泥流量(m3);

Q1–送泥流量(m3)。

对比Q3与Q,当Q>Q3时,一般表示泥浆流失(泥浆或泥浆中的水渗入土体);Q<Q3时,一般表示涌水(由于泥水压低,地下水流入)。正常掘进时,泥浆流失现象居多。

V3=V2-V1 (1K413034-4)

V–开挖土干砂量(m3);

V3–排土干砂量(m3);

V2–排泥干砂量(m3);

V1–送泥干砂量(m3)。

对比V3与V,当V>V3时,一般表示泥浆流失;V<V3时,一般表示超挖。

三、管片拼装控制

(一)拼装方法

  1. 拼装成环方式

盾构推进结束后,迅速拼装管片成环。处特殊场合外,大都采取错缝拼装。在纠偏或急曲线施工的情况下,有时采用通缝拼装。

  1. 拼装顺序

一般从下部的标准(A型)管片开始,依次左右两侧交替安装标准管片,然后拼装邻接(B型)管片,最后安装楔形(K型)管片。

3.紧固连接螺栓

先紧固环向(管片之间)连接螺栓,后紧固轴向(环与环之间)连接螺栓。采用扭矩扳手紧固,紧固力取决于螺栓的直径与强度。

四、注浆控制

(一)注浆目的

注浆的主要目的就是防止地层变形,还有其他重要目的,具体如下:

  1. 抑制隧道周边地层松弛,防止地层变形。
  2. 及早使管片环安定,千斤顶推力平滑地向地层传递。
  3. 形成有效的防水层。

(三)一次注浆

一次注浆分为同步注浆、即时注浆和后方注浆三种形式,要根据地质条件、盾构直径、环境条件、注浆设备的维护控制、开挖断面的制约与盾尾构造等充分研究确定。

一般盾构直径大,或在冲积黏性土和砂质土中掘进,多采用同步注浆;而在自稳性好的软岩中,多采取后方注浆方式。

(四)二次注浆

二次注浆时以弥补一次注浆缺陷为目的进行的注浆。具体作用如下:

  1. 补足一次注浆未充填的部分;
  2. 补充由浆体收缩引起的体积减小;
  3. 以防止周围地层松弛范围扩大为目的的补充。

(五)注浆量与注浆压力

注浆控制分为压力控制与注浆量控制两种。一般仅采用一种控制方法都不充分,应同时进行压力和注浆量控制。

五、隧道的线形控制

线形控制的主要任务是通过控制盾构姿态,使构建的衬砌结构几何中心线线形顺滑,且位于偏离设计中心线的容许误差范围内。

(二)方向控制

掘进过程中,主要对盾构倾斜及其位置,以及拼装管片的位置进行控制。

盾构方向(偏转角和倾角)修正依靠调整盾构千斤顶使用数量进行。

盾构转角的修正,可采取刀盘向盾构偏转同一方向旋转方法,利用所产生的回转反力进行修正。

1K413035 盾构法施工地层变形控制措施

一、近接施工与地层变形

(一)新建盾构隧道穿越或邻近既有地下管线、交通设施,建(构)筑物(以下简称既有结构物)的施工被称为近接施工。

(二)近接施工管理

  1. 盾构近接施工会引发地层变形,对既有结构物会造成不同程度的有害影响;因此有必要采取系统性措施控制地层变形以保护既有结构物。首先,应详细调查工程条件、地质条件、环境条件(即既有结构物现状与安全要求),在调查的基础上进行分析与预测,指定防护措施;其次,制定专项施工方案;最后,施工过程中通过监控量测反馈指导施工而确保既有结构物安全。

二、底层变形与既有结构物变位与变形

(一)地层变形原因

(1)地层应力释放产生的弹塑性变形,导致地层反力降低;

(2)土压增大产生的压缩变形,导致垂直土压增大或地层反力降低;

(3)附加土压产生的弹塑性变形,导致作用土压增大;

(4)伴随土的物理性能变化产生的弹塑性变形以及徐变变形,导致地层承载能力降低。

三、盾构掘进地层变形控制措施

(一)前期沉降控制

  1. 前期沉降控制的关键是保持地下水压。

(二)开挖面前沉降(隆起)控制

  1. 开挖面前沉降(隆起)控制的主要措施是土压(泥水压)管理,真正实现土压(泥水压)平衡。

(三)通过时沉降(隆起)控制

通过时沉降(隆起)控制措施主要有2种:

  1. 控制好盾构姿态,避免不必要的纠偏作业。出现偏差时,应本着“勤纠、少纠、适度”的原则操作。在
  2. 土压式盾构在柔软或松散地层掘进时,盾构外周与周围土体的黏滞阻力或摩擦较大时,应采取注浆减阻措施。

(四)尾部空隙沉降(隆起)控制

尾部空隙沉降(隆起)控制的关键是采用适宜的衬砌背后注浆措施。

(五)后续沉降控制

后续沉降主要在软弱黏性土地层中施工时发生,主要控制措施是:

  1. 盾构掘进、纠偏、注浆等作业时,尽量减少对地层的扰动。
  2. 若后续沉降过大不满足地层沉降要求,可采取向特定部位地层内注浆的措施。

四、既有结构物保护措施

(四)新建隧道与既有结构物之间采取的措施,主要有三种:

(1)盾构隧道周围地层加固;

(2)既有结构物基础地层加固;

(3)隔断盾构掘进地层应力与变形。

最后修改:2020 年 12 月 08 日 02 : 11 PM