地铁施工工序工艺规范化作业控制要点
第三册 盾构施工
城轨公司工程部
二O一三年九月
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盾构施工工序与工艺标准控制要点
为适应城市发展需要和满足城市居民日益增长的出行需求，地铁区间地下隧道建设一般都采用盾构法施工，盾构法施工是以盾构机为隧道掘进设备，以盾构机的盾壳作支护，用前端刀盘切削土体，由千斤顶顶推盾构机前进，在盾构机尾部拼装预制好的管片作衬砌，从而形成隧道的施工方法。盾构机的类型有多种，土压平衡盾构工艺原理是利用安装在盾构最前面的全断面切削刀盘，将正面土体切削下来的土进入刀盘后面的密封舱内，使舱内具有适当压力与开挖面水土压力平衡，以减少盾构推进对地层土体的扰动，从而控制地表沉降或隆起，在出土时由安装在密封舱下部的螺旋运输机向排土口连续的将土渣排出。
由于地铁盾构法隧道施工技术难度大、施工风险高、质量要求高、不可预测因素多。因此，地铁施工相关人员应熟悉和掌握盾构法隧道施工控制要点，在工作中才能真正做到有效地对施工质量进行监控。 下面谈一下土压盾构施工中的控制要点： 1.盾构始发阶段
盾构始发阶段是控制盾构掘进施工的首要环节。在盾构始发前、后各项准备工作中应该做好充分的技术、人员、材料、设备准备，并对盾构是否具备始发条件予以审查，确保盾构在安全可靠的前提下能顺利始发。
1.1盾构始发土体加固
为了确保盾构始发施工的安全和更好地保护附近的地下管线和建（构）筑物，盾构始发前需对始发区域洞口土体进行加固。土体加固的方法较多（如水泥搅拌桩加固、旋喷桩加固等），但无论采用何种加固方法，对土体加固的效果检验始终应作为重点控制的内容。在确保加固效果满足设计要求前提下，才能进行盾构始发。针对土体加固应重点关注以下三方面：
⑴加固土体与地墙间隙封闭
由于加固土体与地墙之间存在间隙，一般可采用注浆、旋喷等方法封闭该间隙。 ⑵加固土体的强度
加固土体的强度是否满足设计要求是衡量加固效果的首要指标，可通过对进始发加固范围内不同深度土体采用钻芯取样检测的方式加以验证。 ⑶加固土体的均匀性
检验加固土体的均匀性目前尚无相应的工具、手段，可通过打探孔方式进行观察。
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1.2盾构始发托架设置
盾构始发前需将盾构机准确的搁置在符合设计轴线的始发托架上，待所有准备工作就绪后，沿设计轴线向地层内掘进施工。因此，盾构始发前盾构始发托架定位的准确与否，直接影响到盾构机始发姿态好坏。应重点复核以下内容：
⑴ 洞门位置及尺寸
在托架设置前，应采用测量工具对洞口实际的净尺寸、直径、洞门中心的平面位置及高程进行复核。 ⑵ 盾构始发托架位置
盾构始发托架的设置依据不仅包括洞门中心的位置、还包括设计坡度与平面方向。 1.3盾构机及后配套设备井下验收
盾构法隧道施工主要依靠盾构掘进机及配套设备完成掘进任务，由于受工作井内空间限制，需将盾构机及后配套台车分节吊装运至井下，并在井下安装、调试和试运转。土压平衡式盾构机及后配套设备构成主要由盾构壳体（包括刀盘及切口环、支撑环、盾尾）、推进系统、拼装系统、油脂润滑系统、监控系统等组成。
1.4 盾尾支撑系统安装
盾构前进的动力是通过千斤顶来提供，而盾构始发时千斤顶顶力是作用在盾尾支撑系统之上。一般盾尾支撑体系是由钢反力架、钢支撑、临时衬砌（负环管片）等组成。
1.5洞门围护结构凿除
地铁盾构法隧道施工一般以车站主体结构两端端头井作为盾构始发井和接收井。盾构在始发前需对始发井始发侧洞口围护结构进行分次凿除(一般分为两次，第一次先割除背水面钢筋及凿除围护结构砼至迎水面钢筋，第二次始发前再清除剩余部分)，一方面清除盾构始发前障碍，另一方面第一次凿除围护结构后通过打探孔可进一步直观的观察盾构始发土体加固的效果。
1.6盾构始发装置安装
由于隧道洞口与盾构之间存在建筑间隙，易造成泥水流失，从而引起地面沉降及周围建筑物、管线位移，因此需安装始发装置。一般包括帘布橡胶板、圆环板、折页压板和扇形板及相应的连接螺栓和垫圈等。
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1.7盾构始发
盾构始发准备工作就续后，为减少正面土体暴露时间，盾构从始发托架导轨上应及时向前推进，使盾构切口切入土层直至盾构壳体进入洞口的过程称为“盾构始发”。该关键环节应重点做好以下工作：
⑴观察割除围护结构迎水面钢筋后盾构机应迅速靠上洞口正面土体。 ⑵观察盾构始发期间洞口有无渗漏的状况，发现洞口渗漏及时封堵。 ⑶检查前仓土压力设置是否合适，观察土仓有无砼块，发现后及时清除。 2.盾构试掘进和正式掘进阶段
根据盾构法施工工艺的特点，盾构安全始发后需通过前100环试推进寻求最佳施工参数，为全线的正常推进提供符合实际土层特点的技术参数。不论在试掘进还是正式掘进阶段，可以通过观察盾构机控制室内仪器仪表显示的数据、审查盾构掘进施工报表、通过监测数据分析隧道及地面沉降情况等手段进行动态监控，及时掌握和分析施工技术参数变化，检查盾构掘进中的姿态、管片拼装的质量、注浆作业的效果等，确保盾构掘进施工质量和周边环境的安全。
盾构机通过以粘土为主的地层采用土压平衡模式(EPB)掘进，易产生“泥饼”现象。“泥饼”是粘性土在高温高压作用下产生的高强度的塑性体，一旦产生极不容易被软化。由于该层渗透性差，粘性较高，有一定的自稳能力，所以在该层掘进主要防止产生“泥饼”。“泥饼”在刀盘的前方随着刀盘转动，引起掘进速度缓慢；降低刀盘开口率，同时对刮刀和齿刀造成偏磨和不正常磨损；损坏螺旋输送机。这是盾构机在粘土中掘进最大的隐患。预防措施：为防止出现“泥饼”，在掘进过程中要合理设定泡沫用量，控制盾构机推力，采用均衡的掘进速度，并在刀盘的前方和土仓内加入适量的水降低刀盘温度。应急预案：在掘进中一旦出现推力骤然提高而扭距偏小，同时盾构机不前进时，可判断前方是否出现“泥饼”。应马上停机，加大泡沫注入量以求达到软化“泥饼”的目的，如果效果不明显则考虑开仓作业将其破碎。
2.1盾构机施工参数管理
由于土压平衡式盾构采用电子计算机控制系统，能自动控制刀盘转速、盾构推进速度及前进方向，并及时反映掘进中的施工参数。这些施工参数的确定是根据地质条件情况、环境监测情况，进行反复量测、调整和优化的过程，若发现异常需及时调整。因此，对盾构施工参数的管理应贯穿于盾构掘进过程的始终。
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根据盾构实验阶段掘进得出以下参数：
1）推力 理想推力应控制在850～1500t；
2）掘进速度 掘进速度控制在2～4cm/min；掘进速度应根据刀盘扭矩调整，正常情况下可以设置恒定速度不变；
3）刀盘扭矩 刀盘总扭矩控制在2000～3500KN·m；当刀盘扭矩过大持续时间长将会导致刀盘内周密封温度上升较快，这时应放慢掘进速度或停止掘进使扭矩减小，再调整渣土改良参数以避免大扭矩掘进；
4）螺旋机扭矩 螺旋机扭矩控制在30 KN·m以下；过高可能会引起螺旋机卡死现象，掘进中要时刻关注；当判断螺旋机卡死可以向螺旋机内加泡沫润滑正反转进行处理；
5）螺旋机转速 螺旋机转速应根据土仓压力进行调整，土仓压力过大应加快转速多出土，反之减慢转速，一般设定在17～19 rpm，此时可以通过控制螺旋机闸门开启度进行土仓压力控制了，但要注意观察螺旋机土力，土压不能过高最好在0.35MPa以下防止设备损坏；
6）土仓压力 土仓压力应根据隧道埋深进行计算，掘进中结合地面监测情况调整，在地面控制良好的情况下可以适当减小土仓压力利于掘进推力、掘进速度、刀盘扭矩的控制。
施工参数的管理工作中应重点关注以下几项： 2.1.1土压力
土压平衡式盾构机掘进的原理是建立开挖面前后水土压力平衡。在盾构掘进不同阶段，盾构机工况是从非土压平衡通过在初始始发阶段逐步过渡到土压平衡，再到接收阶段由土压平衡逐步过度到非土压平衡，即土压力设定是变化的，施工中需要不断通过不同的土质、覆土厚度、结合环境监测的数据进行调整。因此，平衡土压值的设定是土压平衡式盾构施工关键，通过计算理论土压力与实际设定土压力进行比较，判断实际设定土压力是否满足施工的需要。
2.1.2出土量
土压平衡式盾构是以切口环作为密闭土仓，盾构推进中切削后土体进入密闭土仓，随着进土量增加建立一定的土压力，再通过螺旋输送机完成排土，而土仓压力值是通过出土量来控制的。因此，出土量的多少、快慢与设定的土压力值密切相关，可通过计算每环理论出土量与实际每环出土量相比较，判断出土量是否正常。
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盾构施工工序管理与工序标准 - 图文
