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1、塔里木大学毕业论文 第14届毕业生毕业论文塔里木大道地铁隧道工程综合设计说 明 书学生姓名 学 号 3041210233 所属学院 水利与建筑工程学院 专 业 土木工程 班 级 土木14-3 指导教师 日 期 2014年05月10日 塔里木大学教务处制目 录中文摘要1ABSTRACT2前 言31 地铁隧道盾构法施工11.1 地铁盾构机分类及组成11.2 盾构技术的新发展21.2 盾构施工技术基本原理21.3 盾构的外形和材料21.4 盾构施工技术21.5 高水压条件下深基坑盾构进洞施工技术92 隧道与地铁浅埋暗挖工法172.1 适用范围172.2 工法特点172.3 关键技术172.4 施工原
2、则172.5 施工程序172.6 施工方法182.7 机械设备222.8 劳动组织242.9 安全技术措施242.10 经济技术指标253 明挖法修建地铁隧道技术263.1 明挖法修建地铁隧道优、缺点263.2 明挖法的关键工序263.3 明挖法三种基本类型273.4 明挖法辅助工作274 明挖法地铁隧道结构设计分析294.1 明挖法地铁隧道结构类型294.2 明挖法地铁隧道围岩坚固与分级294.3 明挖法地铁隧道结构设计与验算分析304.4 明挖法地铁隧道结构施工设计图405 明挖法地铁隧道基坑设计分析425.1 基坑工程等级确定425.2 基坑设计控制原则425.3 基坑维护方案设计425
3、.4 基坑支撑方案设计44结 论47致 谢48参考文献49第1页中文摘要为全面完善自己在大学所学知识并对其进行综合性训练，特进行源于工程实际的隧道设计。与此同时，由于交通事业的发展及人类生产、生活的不断需求，世界各国所建交通隧道的里程得到迅速延长,隧道工程建设已经成为社会发展和人类生活中非常重要的内容。通过对隧道施工设计等方面进行一次全面的、系统的训练，了解隧道施工设计所包括的工作内容、工作程序。本设计研究是根据阿拉尔市塔里木大道现状，运用所学的专业知识对其进行地铁隧道综合设计研究，设计主要讲述了地铁隧道不同的施工方法、地铁设计结构设计及基坑设计分析等方面进行了综合研究。本设计研究对地铁隧道工
4、程各个方面做了详细介绍，并对施工中存在的问题做出了相应的防治措施。关键词：明挖法暗挖法；理正软件；基坑开挖支护；结构设计第3页ABSTRACTTo fully improve their knowledge at the university and its comprehensive training, special projects carried out from the actual tunnel design. At the same time, due to the development of transport services and human production, t
5、he constant demand of life, the worlds mileage traffic tunnel built by the rapid extension of tunnel construction and social development has become very important in human life content. Design of tunnel construction and other aspects of a comprehensive training system to understand the design of the
6、 tunnel construction work content included in the work program adopted. This design study is based on the status of the Tarim Avenue Alar, apply the expertise of its integrated design research subway tunnels, subway tunnel design focuses on the different construction methods, structural design and e
7、xcavation subway design and other aspects of design analysis a comprehensive study. This design study of all aspects of the subway tunnel project made a detailed presentation, and construction problems in making the appropriate control measures.KeyWords: Open-cut method of tunneling method; Lizheng
8、software; excavation support; structural design前 言地铁作为城市轨道交通的一种重要形式，对大城市的客运交通正在发挥越来越大的作用，不仅改善了我国城市公共交通普遍存在的矛盾和结构的欠合理，也对城市的社会经济发展起到了巨大的推动作用。地铁隧道工程是土木工程的重要研究领域，目前世界上的隧道设计方法经过几十年的完善，已经提出了比较成熟的设计方法，世界上大多采用的施工方法主要有新奥法、地下连续墙法、台阶法、盾构法、全断面法等。其中新奥法是采用最多的方法。我国的隧道及地下工程在施工技术上居于世界先进水平的行列。但是目前我国的隧道建设还存在许多应该解决的问题，
9、如地下空间的利用与开发还属于粗放型，配套设备的国产能力低，施工效率低，环境差。施工超前地质预报水平低，不良地质条件的综合技术水平不高等不利因素。但是随着施工技术的不断发展，这些问题将在不久的将来得到有效的解决。本设计研究说明书主要包括如下：地铁隧道盾构法施工研究；隧道与地铁浅埋暗挖法研究；明挖法地铁结构设计分析；明挖法基坑设计分析本设计分析对上述各个环节进行了详细的论述，完成了毕业设计要求的内容。在设计研究过程中，得到了指导老师的详细指导和同学的悉心帮助，在此表示感谢。由于设计时间和本人能力有限，难免有错误和疏漏之处，望老师给予批评指正。塔里木大学毕业论文1 地铁隧道盾构法施工盾构法施工是一种
10、机械化和自动化程度较高的隧道掘进施工方法，从20世纪60年代开始，西方发达国家大量将这种技术应用于城市地铁和大型城市排水隧道施工。我国近年来也开始在城市地铁隧道、越江越海隧道、取排水隧道施工中采用此项技术，以替代原来落后的开槽明挖或浅埋暗挖等劳动密集型施工方法。1.1 地铁盾构机分类及组成地铁盾构机根据其适用的土质及工作方式的不同主要分为压缩空气式、泥浆式，土压平衡式等不同类型。盾构机主要由开挖系统、推进系统排土系统管片拼装系统、油压、电气、控制系统、资态控制装置、导向系统、壁后注浆装置、后方台车、集中润滑装置、超前钻机及预注浆、铰接装置、通风装置、土碴改良装置及其他一些重要装置如盾壳、稳定翼
11、、人闸等组成。海瑞克公司在广州地铁使用的典型土压平衡式盾构机为主机结构（盾体及刀盘结构）断面形状：圆形、用钢板成型制成，材料为：S335J2G3。主要由已下部分构成：刀盘、主轴承、前体、中体、推进油缸、铰接油缸、盾尾、管片安装机。主机外形尺寸：7565mm（L）F6250（前体）F6240（中体）F6230（盾尾），见图1-1。图1-1 地铁盾构机 压缩空气式盾构1886 年Greatbhad 首次在盾构掘进隧道中引了这种工法，该工法利用压缩空气使整个盾构都防止地下水的侵入，它可在游离水体下或地下水位下运作。其工作原理是利用用压缩空气来平衡水压和土压。传统的压缩空气式盾构要求在隧道工作面和止水
12、隧道之间封闭一个相对较大的工作腔，大部分工人经常处于压缩空气下，这会对掘进隧道和衬砌造成干扰，为了解决这些问题，又出现了用无压工作腔及全断面开挖的压缩空气式盾构和带有无压工作腔及部分断面开挖压缩空气式盾构等。 土压平衡式盾构20世纪70年代日本就开发土压平衡式盾构，不用辅助的支撑介质，切割轮开挖出的材料可作为支撑介质。该法用旋转的刀盘开挖地层，挖下的渣料通过切割轮的开口被压入开挖腔，然后在开挖腔内与塑性土浆混合。推力由压力舱壁传递到土浆上。当开挖腔内的土浆不再被当地的土和水压固化时就达到平衡。如果土浆的支撑压增大超过了平衡，开挖腔的土浆和在工作面的地层将进一步固化。与泥浆式盾构相比优点在于:无
13、分离设备在淤泥或粘土地层中使用，覆盖层浅时无贯穿浆化的支撑泥浆泄露的危险。 泥浆式盾构1912年，Grauel首次建造了泥浆式盾构。该法可以适用于各种松散地层，有无地下水均可，在稳定的地层中使用该法优点很多。使用该法隧道工作面由泥浆支护，泥浆液被注入隧道工作面前封闭的开挖腔，有压力的悬浮液进入地层，封闭地层并形成滤饼，滤饼上开挖腔中有压的悬浮液能平衡土压及水压。用作支护的液体同时又作为运输介质。由开挖工具开挖的地层在开挖腔中与支护液混合。然后悬浮液的混合物被泵送到地面，在地面的分离场中支护液从地层中分离出来。1.2 盾构技术的新发展20世纪进入80年代后，盾构技术发展的主流大致从以下两个方面延
14、伸：（1）日本人注重的开发不同几何形状的盾构技术。近十多年来日本不仅科技水平在世界上处于领先地位，而且城市的地下空间利用率已经达到相当高的程度，如何在有限的地下空间中建造更多的隧道已经摆到了日本地下工程工作者的议事日程上。此外，地面建筑物的高度拥挤又迫使日本人构想诸如竖井隧道一体化的施工模式，从而使日本人研究出了各种类型的盾构。（2）欧洲诸国（特别是德国）致力于研究能适合不同地层的多功能盾构技术（Combined Shields）。幅员辽阔，地层条件复杂多变，于是就产生了各种各样的多功能盾构。1.2 盾构施工技术基本原理盾构法是暗挖隧道的专用机械在地面以下建造隧道的一种施工方法。先在隧道的一端
15、建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁预留孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计预留孔洞推进。盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制衬砌、再传到竖井或基坑的后靠壁上。盾构是进行土方开挖、正面支护和隧道衬砌结构安装的施工机具；盾构是一个既能支承地层压力，又能在地层中推进的钢筒结构；钢筒的前面设置各种支撑和挖土装置；钢筒的中段周圈内安装顶进千斤顶；钢筒的尾部可安置数环隧道衬砌；盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向盾尾后面的衬砌环外周的空隙中压注浆体，以防止隧道及地面下沉，在盾构推进过程中不断从开挖面排出适量的土方。1
16、.3 盾构的外形和材料1.3.1 盾构的外形指盾构的断面形状，绝大多数采用传统的圆形，少数采用矩形。1.3.2 制造盾构的材料 盾构主要用钢板(单层厚板或多层薄板)制成，A3钢。钢板间连接可采用焊接和铆接为运输和吊装方便，可制成分体式，现场拼装。1.4 盾构施工技术1.4.1 土压平衡盾构穿越建筑群施工控制技术以杭州某盾构隧道穿越建筑群为背景，通过理论分析和数值模拟分析穿越过程中的盾构施工参数，主要是土仓压力、推进速度和同步注浆量。研究表明，穿越段土仓压力的设置取为静止土压的1.21.3倍；推进速度保持在2cm/min匀速通过；同步注浆率需达到250%以上。在城市轨道交通建设中，针对长距离区间
17、隧道需设置中间风井。本文结合杭州地铁1号线滨江站富春路站区间隧道工程实例，介绍了盾构高水压条件下深覆土穿越风井技术，并着重阐述了盾构进洞冻结加固、井点降水、水中进洞、安装洞门止水装置等措施。采用盾构法修建隧道应当是目前地铁建设普遍采用的方法,因为该方法不需要地面开挖施工,对周边环境及构建筑物影响较小,造价也较低1,2。但由于该施工方法在施工过程中不可避免扰动土体，必然会造成隧道周边围岩不同程度的变形，如果是浅埋隧道，其上部土体的变形会更严重，上部土体的变形就会造成相应构建筑物的变形和沉降，这种变形和沉降超过一定的值就会造成构建筑物的损毁，并可能发生事故3,4。因此，做好盾构施工时有关参数的控制
18、及有关的准备工作，避免构建物过多沉降和变形，防止事故发生就显得非常重要。（1）工程背景本穿越工点位于杭州地铁某区间，盾构隧道外径6.2m，管片厚度0.35m，采用错缝拼装。隧顶埋深9.211.5m，盾构机下穿民居所穿越的土层为：2淤泥质粘土、1淤泥质粉质粘土。穿越范围内民居有25幢之多，这些民居多为2、3层，砖混结构，条形基础，建设年代从二十世纪三十年代到本世纪初不等。盾构穿越区平、剖面图如图1-2和图1-3所示。 图1-2 盾构穿越建筑平面示意图图1-3 盾构穿越建筑剖面示意图（2）盾构掘进参数的确定盾构下穿建筑物施工时，相关参数的控制尤为重要，主要包括土仓压力、盾构推进速度、同步注浆参数等
19、。现从数值模拟、理论分析对盾构主要施工参数进行分析确定，以对施工进行指导。土仓压力分析土仓压力值的设定对地层变形控制影响较大，根据经验一般设定为理论值（静止土压+水压）的105%至115%5，但由于各地土层性质差异，需对该系数进行适当的修正。通过有限元模拟，分析不同土仓压力值对上部建筑物沉降的影响6。选取一计算断面，隧定埋深为9.5m，利用岩土工程软件PLAXIS三维隧道建立有限元模型，有限元网格基于15节点楔形单元。计算土层区域横向取60m，纵向24m。模型中土体采用Mohr-Coulomb弹塑性屈服准则，隧道衬砌与土体的相互作用则是通过在模型隧道表面设置古德曼接触面单元并选取合理的虚拟厚度
20、因子及强度折减因子模拟。模型底部施加完全固定约束，在两侧施加竖直滑动约束，模型表面则取为自由边界。计算中先开挖右线，后开挖左线。模型中土层参数及结构物参数分别如表1-1和表1-2所示。表1-1 土层参数参数土层sat/（kN/m3）Eref/（kN/m2）Cref/（kN/m2） 素填土180.370007.4302粘质粉土18.60.2918110725.62淤泥质粘土17.40.3180408.36.91淤泥质粉质粘土17.60.3388808.712.12淤泥质粉质粘土17.60.3388801110.3表1-2 结构物参数参数结构EA/（kN/mEI/（kNm2/m）d/m衬砌1.41
21、071.431050.350.15基础1.21071.61050.40.2楼板610621040.40.15在数值模拟中分别选取土仓压力为1.1P0、1.2P0、1.3P0三种工况进行计算（P0为静止土压力），分析在不同的土仓压力设定下，盾构隧道开挖对于上部建筑物的影响。由于本工程所涉建筑物均为浅基础，因此可以方便的认为基础底部变形与地表变形一致5，本文取不同工况下地表沉降作为分析对象。计算模型如图1-4所示。图1-4 计算模型经计算，得到不同土仓压力下盾构推进引起地表沉降如图1-5所示。图1-5 地表沉降曲线通过上述计算可见，随着土仓压力的逐步加大，地表沉降量相应减小，但两者非线性关系变化。
22、因此，在盾构穿越民居时适当增大土仓压力，可减小开挖引起的地表沉降，相应的，可减小建筑物的变形。因此，在盾构穿越过程中土仓压力设置为静止土压的1.21.3倍。1.3.2 推进速度穿越区推进速度的选取，并不是单一因素的确定，而是与刀盘转速、盾构机推力、扭矩、螺旋输送机转速等多个控制参数有关，甚至与线路条件、地质条件等有关7。穿越建筑物时，推进速度是快或是慢对上部建筑物有利，尚无定论。但在穿越过程中保持推进速度的稳定，避免波动过大，可降低施工风险。推进速度的确定，不能简单参照其他穿越工程的经验，必须根据本工程所处地层条件、线路条件及盾构机性能而定。为得到合理的推进速度，在盾构穿越民居前选取一定长度（
23、近100m）作为试验段。该段内将推进速度保持在22.5cm/min，观测该区段内盾构推进过后地表沉降，如图1-6所示。图1-6 试验段地表沉降注：图中环号取试验段起始为0，沿推进方向递增。通过试验段推进发现，当盾构推进速度保持在22.5cm/min掘进时，地表沉降较小，在可控范围内。因此，确定盾构隧道穿越民居过程中，推进速度尽量保持在2cm/min，匀速通过。1.3.3 同步注浆量同步注浆量理论上为衬砌和周围地层之间的空隙体积，本工程中刀盘外轮廓直径6.340m，管片外径6.2m，理论上每环空隙体积1.6546m3。考虑到施工中必然存在的超挖量以及浆液流失等因素，实际常采用理论计算值的1.4至
24、2.0倍5。笔者根据杭州盾构隧道施工经验来看，盾构所穿越土层大都含砂性土，本地区同步注浆量采用1.4至2.0倍理论值偏少。以杭州某盾构隧道施工为例，隧道外径6.2m，隧顶埋深约15m，穿越砂质粉土、淤泥质粉质粘土。根据施工记录，整理近700环的推进数据，如图1-7所示。图1-7 某盾构隧道注浆量和注浆率由上述施工纪录可以发现，该区段盾构推进时平均注浆量为3.68m3，为理论空隙值的224%。类似的，收集整理杭州若干施工区段的施工纪录，包括隧道埋深、穿越土层、注浆率以及盾构施工推进过后发生的最大工后沉降量，如表1-3所示。表1-3 施工参数整理埋深（m）穿越土层注浆率最大沉降（mm）区段1131
25、5粉砂和淤泥质粉质粘土层280%19.2区段212砂质粉土224%10区段39.317.3砂质粉土、粉砂夹砂质粉土260%15区段4919.5m粉土及砂土240%15通过上述数据，可以发现在不同标段中盾构隧道施工的同步注浆量，均超过理论值的2.0倍，注浆率达到220%280%。但考虑到本工程盾构隧道所穿越土层为淤泥质粘土，同步注浆量设置较其他区段小，建议取为200%左右，并根据施工监测进行调整。盾构于民居下方穿越，整理盾构穿越期间施工参数，并结合监测数据分析本次穿越工程的施工效果。1.3.4 盾构推进实施情况（1）施工参数选定将盾构推进过程中的土仓压力、推进速度、同步注浆等参数进行整理，如表1
26、-4所示。表1-4 穿越区盾构施工参数土仓压力/MPa推进速度/（cm/min）同步注浆量（m3/环）0.240.31232.82.9同步注浆压力/MPa总推力/t刀盘扭矩/（KNm）0.30.4140016001900从实际施工参数可以发现，土仓压力的设定约为静止土压的1.34倍；同步注浆量约为170%。（2）其他施工措施同步注浆材料。为充分填充管片外部建筑空隙，并形成早期强度，抑制隧道成型管片变形及房屋沉降，选取可硬性浆液作为同步注浆浆液，配合比见表1-5。表1-5 同步注浆材料配合比浆液投料量/（kg/m3）水泥膨润土粉煤灰砂水稠度/cm60143175400380911二次注浆。为减小
27、盾构通过后房屋的后期沉降，我们在下穿房屋段隧道内进行了二次注浆，通过每环6个注浆孔进行压注，具体配合比为水泥:水玻璃:水=0.8:0.04:1；注浆压力为0.31.0MPa。1.3.5 盾构推进引起房屋沉降盾构推进阶段以及推进过后对地表隆沉、房屋沉降情况进行监测。测点布置如图1-8所示。通过对监测数据的整理，得到盾构到达时刀盘前方土体的隆沉情况、盾构推进过后地表及建筑物的沉降情况。并选取一个建筑物典型测点，分析该点位在盾构施工过程中随时间变化过程。图1-8 测点布置图（1）盾构刀盘前方隆沉图1-9 刀盘前方隆沉由监测数据可以发现，刀盘前方始终保持有一定的隆起量（0.21.2mm）。这在一定程度
28、上有利于保护建筑物。（2）盾构推进过后沉降盾构推进过后，地表发生沉降，整理得到盾构通过后12、48h后的地表沉降，以及通过半个月后的建筑物沉降情况。图1-10 盾构通过后地表沉降图1-11 盾构通过后建筑物沉降通过上述数据可以发现，盾构推进过后12h累计沉降小于1mm，48小时内累计沉降不超过3mm。而工后的建筑物沉降小于10mm。可见盾构推进对建筑物的影响在可控范围内。（3）变形时程曲线为观测建筑物变形的时程曲线，选取F14点整理其变形数据。该点工况：2009年9月3日23:00，盾构机开始下穿F14点；至9月4日下午15:00，盾构机盾尾完全脱离F14点。该时程曲线如图1-12所示。图1.
29、12 建筑物变形时程曲线可见，盾构通过后沉降变化速率较快，10d后基本趋于稳定。该点最大沉降量为9.2mm。盾构隧道穿越水底浅覆土施工技术对策。从盾构开挖面平衡状态及隧道水底抗浮平衡条件着手，推导了土压平衡盾构开挖工作面水土压力与密封舱内压力动态平衡公式，得到了盾构穿越水底浅覆土保持土体及隧道稳定所需的最小覆土厚度。1.4 全断面掘进机（TBM）与地铁盾构机的区别全断面掘进机（TBM）与地铁盾构机的区别全断面掘进机（TBM）和盾构机笼统的说，都是一样，都是隧道全断面掘进。只是不同的工作环境应用不用的机械罢了。主要区别如下：适用的工程不一样，TBM用于硬岩，盾构机用于土层的挖掘。两者的掘进，平衡
30、，支护系统都不一样。TBM比盾构技术更先进，更复杂。工作的环境不一样。TBM是硬岩掘进机，一般用在山岭隧道或大型引水工程，盾构是软土类掘进机，主要是城市地铁，及小型管道，见图1-13。图1-13 TBM是硬岩掘进机1.4.1 地铁盾构施工原理地铁盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时文撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。1.4.2 地铁盾构施工特点地铁盾机施工主要为稳定开挖面、挖掘及排土、衬砌（壁后灌浆）三大部分。地
31、铁盾构机施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响、水下开挖不影响水面交通等特点，在隧洞较长、埋深较大的情况下，用地铁盾构法施工更为经济合理。1.4.3 地铁盾构技术地铁盾构施工风险源及典型事故的研究尽管盾构施工中的事故难以百分之百地避免，但这绝不是人们在问题面前无所作为的借口，正相反，因为有难度，才要去研究。本书无意给出切实可行的具体办法，但提供了一些思路。地铁盾构法隧道衬砌接缝防水施工技术通过对盾构法隧道渗漏质量通病的分析，结合广州地铁二号线赤2鹭区间隧道盾构工程的施工情况，对当前国内常用的两种衬砌接缝防水设计及材料进行对比，
32、认为管片衬砌块接缝防水材料，B%C 弹性止水条具有良好的发展前景。某城市地铁盾构施工组织设计按照业主提供的招标文件，在认真学习、领会业主工期、造价、质量以及设计文件中安全稳妥维护环境稳定意图的基础上，把与施工组织设计密切相关的内容进行概述，它被作为进行施工组织设计编制的最重要基础材料。1.4.4 盾构测量技术盾构机姿态参数测量技术研究根据三点决定一个平面的原理，通过在盾构机中体上布置测量控制点，对其三维坐标进行测量：根据空间解析几何原理，推导出盾构机刀盘中心三维坐标以及俯仰角、横摆角、扭转角的计算方法。地铁区间隧道盾构法施工中的测量技术阐述并实施了影响贯通的3个主要环节的测量技术，及在盾构推进
33、过程中盾构和管片姿态的若干测量手段和计算方法，比较详细地介绍了盾构姿态测量的三点法和标尺法。1.5 高水压条件下深基坑盾构进洞施工技术一般城市内的地铁区间隧道长度为8001500m左右的居多，而区间长度超过1500m的则相对较少。区间隧道长度超过1500m以后，若因隧道长度关系不能满足通风需要，按照设计规范要求就要在隧道中间设计风井来满足地铁运营期间通风的需要。风井结构一般选择在隧道施工之前完成，在风井内衬墙上预留洞门，盾构从风井内穿越，穿越过程包括盾构进洞、风井内推进和风井内出洞等环节。一般由于线路纵坡设计因素导致风井处隧道覆土都比较深，受潜水和承压水影响较大，在高水压、深覆土条件下进行盾构
34、进、出洞施工，存在较大的困难和风险，如技术措施采取不当，易引起盾构机和成型隧道受损的严重后果。1.5.1 工程概况杭州地铁1号线一期工程是浙江省重点工程，工程线路为Y型设计，从江南的萧山区湘湖站起，在滨江区穿越钱塘江，连接杭州城站火车站及市中心区后沿钱塘江方向往东北方向延伸，在九堡东分成Y型两个方向，其中一条继续沿钱塘江方向东进到下沙的文泽路站，另一条北上到余杭区的世纪大道站。工程沿途共设车站30座，线路总长48km。本工程为滨江站富春路站区间（1、2号盾构），即从钱塘江南岸的滨江区滨江站开始、穿越钱塘江后抵达钱塘江北岸的上城区富春路站止，中间在钱塘江南岸和北岸各设中间风井1座。按照施工安排，
35、由2台加泥式土压平衡盾构机先后从滨江站始发、穿越江南风井、钱塘江、江北风井后抵达富春路站，本文主要介绍的是2台盾构机穿越江南风井施工技术。江南风井位于滨江区江陵路和闻涛路路口，风井的平面尺寸为41.0m16.0m。其中主井（盾构进出洞位置）平面尺寸为25.0m16.0m，开挖深度为29.3m；附属井平面尺寸为16.0m14.8m，开挖深度为16.6m。盾构穿越风井段轴线平面为直线、纵坡为2.7。江南风井平面位置见图1-14，江南风井平面结构及横剖面见图1-15。图1-14 江南风井平面位置图图1-15 江南风井平面结构及横剖面图1、2号盾构须先后在江南风井处进洞，在江南风井进行盾构检修、刀具安
36、装、盾尾刷更换等工作后再次始发穿越钱塘江。江南风井周边环境较为简单，风井结构位于江陵路上，北侧30m为闻涛路，两侧是未开发的商业楼盘用地。1.5.2 地质条件和环境情况1.5.2.1 地质条件风井处隧道顶覆土厚度20.476m，进出洞施工时隧道主要埋置于5粉砂夹砂质粉土、7砂质粉土夹淤泥质粉质粘土、3淤泥质粉质粘土、2淤泥质粉质粘土中。风井处各土层的地基土物理力学性质见表1-6。表1-6 各土层物理力学指标统计表层号土层名称含水量W（%）湿重度（g/cm3）孔隙比e液限WL（%）塑限WP（%）塑性指数IP液性指数IL直剪固快峰值强度压缩系数（a 0.12.2MPa-1）压缩模量Es0.10.2
37、（MPa）内聚力C（kPa）内摩擦角（0）5粉砂夹砂质粉土29.41.900.8405.631.30.188.187砂纸粉土夹淤泥质粉质粘土31.91.870.90434.921.613.31.089.227.50.226.903淤泥质粉质粘土43.41.761.22638.723.215.51.3518.311.10.702.812淤泥质粉质粘土411.771.17438.023.214.81.2418.813.10.652.991.5.2.2 水文地质情况场地地下水主要为第四系松散岩类孔隙潜水和孔隙承压水。（1）潜水：江南风井场地浅层地下水属孔隙性潜水，主要赋存于表层填土及18层粉土、粉砂
38、中，由大气降水和地表水径流补给，地下水位受季节以及钱塘江地表水的影响较大。钱塘江南岸在工程勘探期间测得钻孔静止水位埋深4.957.60m，相应高程0.412.02m；盾构进出洞施工阶段实测静止水位埋深为3.84.0m，相应高程为2.752.95m。（2）孔隙承压水本施工场区有两层承压水。第一承压水含水层分布在3粉砂层中，水量小中等，该层位于盾构隧道底板以下约为3.0m，对盾构掘进基本无影响；第一承压水对江南中间风井底板稳定影响也较小。第二孔隙承压水含水层主要分布于深部的层细砂、圆砾层中，水量较丰富，隔水层为上部的淤泥质土和粘土层（、层）。承压含水层顶板高程为-38.02-37.20m，隔水层顶
39、板高程为-15.25-16.00m；2007年3月至4月1日勘察时实测承压水位埋深在地表下6.257.45m，相应高程为-1.53-2.73m；盾构进出洞施工阶段实测承压水位高程为2.0m。江南风井处地质剖面及风井纵剖结构见图1-16。图1-16 江南风井纵剖结构及地质剖面图1.5.2.3 周边环境情况江南风井位于滨江区江陵路和闻涛路交叉口，将江陵路封闭围场施工，闻涛路为新建道路，近邻钱塘江边，交通流量较小。施工场地北侧为闻涛路，东侧为尚未开发的商业用地，西侧为苗圃林地，南侧为项目经理部办公生活区。江陵路上管线较少且尚未投入使用。总体施工环境较好。1.5.3 盾构穿越前的准备工作1.5.3.1
40、 进洞地基加固盾构进洞地基加固工序是保证盾构进洞施工安全的重要措施。本次盾构在江南风井处进洞时，盾构覆土深度达到了20.5m，根据地基加固设计要求，常规搅拌桩施工设备不能满足本次加固施工的深度要求，高压旋喷工艺亦不能保证地基加固质量，故盾构进洞采用水平冻结加固。本次盾构进洞加固采用水平冻结加固，在洞门圈外侧布置1圈、洞门圈内部布置2圈、中心布置1根水平冻结管，同时每个洞门圈布置9个测温孔。冻结加固区外环半径为4m，沿盾构推进方向有效厚度为0.9m，满足凿洞门要求。加固施工盾构进出洞之前约30d进行。盾构进洞冻结加固方式见图1-17。图1-17 盾构进洞冻结加固图1.5.3.2 井点降水 由于江
41、南风井处潜水水位和承压水水头高度对盾构进洞影响非常大，因此在江南风井进洞侧打设了9口潜水降水井，另外继续采用风井施工时的4口承压降水井，以便盾构进、出洞施工期间适当进行降水，降低洞门渗漏的风险。井点管布置见图1-18和图1-19。图1-18 盾构进洞降水井平面布置图图1-19 盾构进洞降水井剖面图在盾构进洞过程中，根据盾构进洞的工序安排，合理选择需要使用的降水井，在盾构进洞区域实现降低承压水头8.010.0m的目的，同时将降水产生的周围地面沉降控制在允许范围内。所以，将正式降水前的抽水试验数据进行分析总结，制定出最合理的抽水时机是非常必要的。1.5.3.3 测量复核 在盾构推进至距江南风井约1
42、00环时，进行盾构进洞前的定向测量工作，并根据测量结果修正盾构测量报表。并对风井内的4个洞门进行复核测量，测出洞门中心的偏差值，为盾构进洞段掘进提供轴线控制依据。1.5.3.4 井内准备工作盾构进洞之前，进行盾构基座安放、洞圈止水装置安装、槽壁样洞开凿等工作。（1）盾构基座根据洞门复测的数据进行放样定位，并在基座就位后进行轨道面的复测，确保盾构基座能满足盾构进洞与出洞的要求。（2）出洞洞门上采用双道绞链板和橡胶止水圈体连接成两道止水装置。盾构出洞时，在盾构推进的不同阶段2道圆止水装置可有效的箍在盾壳或管片上，可有效地阻止水土流失。（3）在冻结设计加固时间和加固区的测温孔温度达到设计要求后，进行
43、钻孔取芯验证，开凿位置取洞门上、下、左、右、中9处，分别观察加固效果。若样洞开凿后，样洞内渗漏严重，说明加固区内存在渗漏通道，必须进行补强加固措施，封堵渗漏通道。1.5.4 盾构进洞施工1.5.4.1 盾构进洞施工流程按照盾构穿越风井专项方案设计，拟安排1号、2号盾构先后在江南风井进洞，2台盾构机在江南风井检修后先后出洞。盾构进洞采用水平冻结加固配合井点降水（降潜水），如果进洞过程中出现涌水、涌砂情况，则采用水中进洞方案。总体安排为1号盾构先行进洞，1号盾构进洞完成后再进行2号盾构进洞，单台盾构进洞施工流程安排见图1-20。在1号盾构推进至冻结加固区时，发现有螺旋机喷水现象，经分析，认为是由于
44、盾构机刀盘半径比盾壳半径大1cm，潜水从盾尾方向跟入到盾构前方的土仓而致。根据1号盾构施工情况，综合考虑施工风险，决定启动应急预案，调整盾构进洞流程安排，采用水中进洞方式。考虑到灌水、抽水等工序时间较长，故安排2台盾构同时进行水中进洞，调整后的施工流程安排见图1-21。即1号盾构和2号盾构在江南风井同时完成洞门凿除和2号盾构洞门圈内冻结管拔除后先填土至盾构机上3m高度，再灌水至潜水层标高（第一道钢筋混凝土围檩下沿），将1号盾构和2号盾构推进至设计位置后，进行环形液氮冻结和注浆填充封堵管片与地连墙之间空隙，确认封堵效果良好后进行抽水、清理填土，盾构机露出后及时进行洞门圈弧形钢板封堵，将剩余盾尾割
45、除后将盾构机推进至检修位置，盾构进洞结束。图1-20 盾构进洞流程图图1-21 盾构水中进洞流程图1.5.4.2 补充冻结加固因为1号在穿越加固区过程中发生了螺旋机喷水情况，在盾构刀盘靠上地下连续墙以后，采用水平液氮补充冻结，确保盾构周边土体与盾壳之间冻结牢固，保证洞门凿除安全。1.5.4.3 洞门凿除江南风井槽壁厚度为120cm，在盾构靠上槽壁之前，已经预先凿除了近80cm厚的槽壁混凝土，留下40cm槽壁混凝土和最外排钢筋。当盾构靠上槽壁后，尽量多地排出土仓内的土体，然后立即开始剩余混凝土凿除作业，并尽快完成钢筋割除施工。1.5.4.4 冻结管拔除由于调整为水中进洞，2号盾构推进至冻结加固区前约1环暂停推进，进行洞门凿除和冻结管拔除后进行灌水至设计标高。洞门圈内部的冻结管拔除时间安排在1号盾构割除外排钢筋同时进行，采用热盐水循环、手拉葫芦拔除。1.5.4.5 盾构穿越加固区盾构靠上槽壁之前，须穿越4.5m的冻结加固区。该区段施工必须降低盾构掘进速度，将刀盘油压和扭矩控制在允许范