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1、地铁隧道施工方法概述1.1 盾构隧道施工方法本区间拟使用盾构法施工，该法适宜在松软含水地层或城市地下管线密布，施工条件困难地段进行。盾构法施工即在盾构机钢壳体的保护下，依靠其前部的刀盘或挖掘机开挖地层，并在盾构机壳体内完成出碴、管片拼装、衬砌背后注浆，再向前推进等作业；由于盾构管片安装精度高、衬砌质量可靠、防水性能好、地表沉降小、占用场地少，因此盾构法施工具有振动小、噪音低、施工进度快、作业安全可靠，对沿线居民生活、地下地面构筑物或建筑物及地面交通影响小等优点。随着盾构法的不断应用，盾构的类型也由早期单一的型式发展为如今多种型式并存的格局。除了基本的圆形盾构，各种异型盾构也正不断出现，如已经研
2、究成功的水平或竖向双圆盾构、矩形盾构、多圆形以及任意断面型盾构，从而使盾构法施工能够适应各种条件下的使用，如单圆盾构的单线区间隧道、双圆盾构的双线区间隧道。根据不同的工程地质、水文地质条件以及施工环境与工期的要求，合理地选择盾构机类型，对保证施工质量，保护地面与地下建（构）筑物安全和加快施工进度是至关重要的。根据杭州市地质情况，区间隧道大体都坐落在第四纪松散软弱土层中，且含水量丰富，宜采用土压平衡式或泥水加压式盾构，该盾构机对不同地层有较强的适应能力，在维持开挖面稳定、开挖土体的排出及环境保护方面较其它类型盾构机有较强的优势。盾构衬砌类型一般有单层、双层装配式衬砌和挤压式混凝土衬砌等。单层装配
3、式衬砌具有施工工艺单一、操作简单、施工周期短、工程投资小、质量容易保证等特点，同时也能满足刚度、变形控制及防水的要求，因此，本工程中拟采用钢筋混凝土管片单层装配式衬砌。单圆盾构衬砌：根据单圆区间隧道建筑限界为5200mm，考虑隧道的施工误差100mm及后期的不均匀沉降50mm，隧道内径为5500mm。衬砌厚度为350mm，衬砌环全环由六块组成，即一块小封顶F、两块邻接块L和三块标准块B构成。环间采用错缝拼接方式。为了减少对管片有效高度的削弱，环与环、块与块间均采用弯螺栓连接。环宽为1200mm。1.2 穿越河道施工技术措施1)盾构穿越河道的风险分析本隧道区间工程穿越珊瑚沙河，主要存在以下几点风
4、险：（1）土压力设定不合理导致河底覆土过度隆起或下沉形成渗水通道；（2）盾构纠偏过大，对土体局部挤压过度形成错缝渗水通道。2)穿越河道的风险应对措施（1）防止切口冒顶措施严格控制出土量，原则上按理论出土量出土，可适当欠挖，保持土体的密实，以免河水渗透入土体并进入盾构。若出现机械故障或其它原因造成盾构停推，应采取措施防止盾构后退。每环推进结束后，关闭螺旋机闸门方可进行拼装。在螺旋机的出口设置防喷涌设施，在发生漏水情况时关闭螺旋机出口，将水堵在盾构外。控制壁后注浆的压力，在注浆管路中设置安全阀，以免注浆压力过高而顶破覆土。（2）防止隧道上浮及保持纵向稳定措施河底段，隧道上部负载相对较轻，可能造成隧
5、道上浮的现象，对于隧道的稳定不利。为了减少隧道的上浮量，使隧道尽快稳定，施工期间严格控制隧道轴线，使盾构尽量沿着设计轴线推进，每环均匀纠偏，减少对土体的扰动，并加强隧道纵向变形的监测，并根据监测的结果进行针对性的注浆纠正。如调整注浆部位及注浆量，配制快凝及提高早期强度的浆液。（3）螺旋机防喷措施为了确保施工安全，防止紧急情况下螺旋机闸门由于被异物卡住或机械原因无法正常启闭，因此在螺旋机外加设一道闸门，与原有闸门组成双保险，在河中段施工时，一旦发生喷涌现象，立即关闭闸门。（4）盾尾发生泄漏应急措施为防止盾尾发生漏泥、漏水，定期、定量、均匀地压注盾尾油脂。控制壁后注浆的压力，以免浆液进入盾尾，造成
6、盾尾密封装置被击穿，引起土体中的水跟着漏入隧道，盾尾密封性能降低。管片尽量居中拼装，以防盾构与管片之间的建筑空隙过分增大，降低盾尾密封效果，引发盾尾漏泥、漏水。在河中段推进过程中，将根据情况，在管片拼装时，在盾尾整圈垫放海绵用以止水，封堵管片与盾构间的间隙，根据实际情况，每隔一定的距离压注聚氨酯止水保护圈。当盾尾发生泄漏时，针对泄漏部分集中压注盾尾油脂，利用堵漏材料进行封堵，并配制初凝时间较短的双液浆进行二次注浆。根据实际情况停止推进，在特殊位置进行聚氨脂压注，进行封堵。3)穿越前的准备工作在盾构机穿越河道前前，对其及周边环境进行详细的调查。重点摸清河底和河岸防汛墙等的结构情况、水深、河底实际
7、标高、淤泥层厚度等等。对机械设备，特别是盾构机进行维修保养，确保在穿越施工中，机械设备的情况良好。尤其是盾尾密封装置和螺旋机闸门等要确保能够随时有效发挥作用。为了更好地减小盾构机穿越的影响，建立试推阶段，检索相应数据，更好地控制施工。4)盾构掘进参数的选择（1）土仓土压力的选择盾构机过河时的土压力参考制计算按水土合算进行计算，即：P=P土= k0土h土。施工过程中，实际土压力控制根据计算理论值控制在理论值的0.10.2bar范围内。（2）推进速度的选择在穿越河道的过程中，盾构推进速度不宜过快，以12cm/min为宜，避免由于推进速度过快造成对土体的过分挤压，从而导致盾构切口与河底贯穿。盾构推进
8、过程速度保持稳定，确保盾构均衡、匀速地穿越，减少盾构推进对前方土体造成的扰动，减少对河底及其防汛墙结构的影响。（3）刀盘转速的选择刀盘转速应小于1.0r/min。（4）同步注浆配比及注浆参数的选择同步注浆浆液采用硬性水泥砂浆，配比如下： 硬性水泥砂浆配比（每1.25方）水泥粉煤灰细砂水125kg1150kg260kg400kg盾尾注浆压力主要是受地层的水土压力的影响，注浆压力的设定以能填满管片与开挖土层的间隙为原则。注浆压力的计算可参考规范中的公式并在施工过程中通过测试和试验来确定和优化参数，浆液及其注入的效果直接关系到地面沉降，因此对注浆材料及注浆压力要严格控制。注浆量计算：V=1.2（D/
9、2）2-（d/2）2）盾尾同步注浆理论量为每环1.65m3，根据经验注浆时每环应按2.48m33.3m3控制（150200）。同时要求同步注浆速度必须与盾构推进速度一致。5)过河道段的监测技术（1）地表监测点布设：河道两岸前后距离河边30米、15米、5米处各布设一条横向监测断面，横向断面布点为推进轴线中心处布一点，左右各布3点，测点间距为距轴线2、4、7米。（2）布设沉降监测点时，视不同环境地质情况宜采用不同的布设方法。除了按常规布置沉降观测点外，在河岸及其附近的盾构轴线外侧布置深层测点，在盾构机穿越前、穿越中和穿越后对土体的变形进行监测，并根据监测数据对施工参数进行合理的调整。1.3 含圆砾
10、地层盾构施工技术难题及其控制措施根据提供的工可阶段勘察报告中，本标段区间隧道穿越地层主要为2-5砂质粉土、1-1粉质粘土、1淤泥质粉质粘土以及3-2圆砾。其中圆砾层侵入隧道深度最大达1 m左右，侵入区域长度约整个区间范围。圆砾层与软土地层相比，因圆砾层具有卵石直径大、强度高、流动性差、摩擦系数大、黏聚力小等特点，施工中面临大直径卵石排出困难、刀具磨损严重、刀盘扭矩过大和掘进效率低等问题。其中，刀具磨损问题尤为突出。成都地铁和北京地铁圆砾层施工实践经验表明，一般在掘进150200m左右就需要进行开仓换刀。开仓换刀易造成掌子面坍塌和地表塌陷等问题，实施风险大。圆砾石天然极限抗压强度最高达130 M
11、Pa，若盾构刀具配置不合理、施工控制不当，则会造成盾构刀具磨损严重。磨损达到一定程度，就必须进行换刀作业，如果刚好在穿越河流时换刀则可能导致隧道工作面塌方、河水倒灌、隧道淹没、人员伤亡等事故，其风险极大，必须避免发生。因此必须降低刀具在圆砾层的磨损。主要需从盾构圆砾层适应性选型、施工中土体改良及盾构施工控制等三方面来进行综合控制。1）盾构适应性选型：采用刀盘开口率约为40%的土压平衡盾构，其中刀盘正面的开口尺寸可满足较大粒径的砾石进入土仓经由螺旋机排出；在刀盘中心、外缘和每个进渣口周圈进行硬化处理并堆焊有耐磨材料，同时在刀盘外圈设置保护刀具。2）土体改良：盾构在圆砾层段施工时通过刀盘上的4个加
12、泥孔注入膨润土，对刀盘前方的土体进行改良，降低土体的摩擦系数，增加土体的流动性，以减小刀具的磨损。3）盾构施工控制：采用偏低的土仓压力，较慢的推进速度（1015 mmmin）来进行掘进。1.4 盾构始发与到达端头处的处理盾构进出洞是盾构施工中技术难度大，工序较复杂的施工阶段，一旦处理不当，洞门外土体易坍方或流失，甚至使盾构失去控制。为了保证隧道进出洞的安全，需要在靠近出发口处设置密封圈或浇注洞口混凝土，同时在盾构始发或到达的端头部位采用围护结构或者进行地基加固或改良。结合本标段端头井所处的工程地质和水文地质条件，以及国内相似地铁成功经验（地质条件与本标段地质类似），建议采用地基加固。图1.5-
13、1 盾构井端头平、剖面示意图用于盾构进出洞端头地基加固的方法主要有注浆法、高压旋喷、搅拌法以及冻结法等。在软土地层，加固方案主要考虑地层的工程地质条件和水文条件进行选取，对于加固范围内地层主要为砂性地层的，一般采取旋喷桩或注浆法进行加固，对于粘性土地层，一般采取搅拌桩进行加固。高压旋喷及搅拌桩法成本低、加固效果稳定，应优先考虑旋喷桩或搅拌桩法。本区间工程两端车站为标准地下两层车站，车站基坑深度约1718m，在盾构井施工范围内有地面交通导改和地下管线改迁的条件。因此推荐采用旋喷桩进行地面加固，盾构端头加固范围与已建地铁盾构进出洞加固范围相同，即区间隧道顶部及两侧外扩3m、底部以下3m，加固长度按
14、照9m的长度考虑。1.5 盾构施工地表沉降控制及对周边环境的影响1） 盾构推进时地表沉降的原因分析采用盾构法在软土地层中建造隧道，会引起周围地层移动，即使采用当前最先进的盾构技术，也难以完全防止这些移动。地层移动一方面直接引起地下结构物的变位，影响其使用，当变位不均匀时还会产生附加应力；另一方面，地层移动在地表引起沉降，这种沉降往往是不均匀的，当不均匀沉降过大时就会对地面建筑物产生影响。采综合国内外若干成功经验，可以认为造成地层移动的主要原因是盾构法施工过程中产生的地层损失。盾构掘进时地层移动的表现方式因盾构直径、覆土情况和地基状况的现场条件及盾构施工状况而不同，具体来说盾构法施工对地层位移的
15、影响主要体现在下面八个方面：（1） 开挖面土体的移动。盾构掘进时，若出土速度过快而顶进速度跟不上，开挖面土体则可能出现松动和崩塌，导致地层向隧道内移动，在地表产生沉降；相反，若顶进速度快而出土速度跟不上，开挖面土体将会承受较大顶进压力，破坏了原来地应力平衡状态，导致地层向前方移动，在地表产生隆起；盾构机的后退也可能使开挖面塌落或松动，引起地层损失和地表沉降。（2） 土体挤入盾尾空隙。盾尾通过时会产生一个空隙，由于盾尾注浆不及时，或注浆压力不当，其上方及周围土体的应力释放引发了弹塑性变形，引起地层移动。目前，通过同步注浆技术，可以使浆液及时并有效地填充该空隙，可以部分减少地层损失。（3）采用降水
16、疏干措施时，土体有效应力增加，再次引起土体固结变形。（4）盾构机推进方向的改变、盾尾纠偏、仰头推进、曲线推进等都会使实际开挖面形状偏大于设计开挖面，而引起地层损失。（5）盾构机移动时，壳体对周围土体的摩擦和剪切作用，引起地层移动。（6）盾构隧道周围受扰动或受剪切破坏重塑土的再固结引起的地层移动。由于盾构通过时对地基产生了扰动，加上上面因素的残余影响，在相当长的一段时间内，地基将持续发生固结沉降和蠕变沉降，在软土中它所占沉降量的比例甚至高达35%以上。（7）随盾构机推进而移动的正面障碍物，使地层在盾构机通过后产生空隙而又未能及时注浆。（8）在水、土压力作用下隧道衬砌产生变形，也会引起小量的地层损
17、失。归纳起来看,地面沉降的基本原因是盾构掘进时所引起的地层损失和隧道周围地层受到扰动或剪切破坏的再固结。其中，地层损失和隧道开挖应力释放引起的地面沉降，是因盾构机土体间相互作用，导致了土体应力状态以及位移场的改变，由此引起的地面沉降，大都在施工期间会呈现出来。而再固结引起的地面沉降，主要发生在施工之后，通常称为后续沉降，在砂性土中呈现较快，但在粘性土中则要延续较长时间。2）控制地表沉降的措施（1）保持盾构开挖面的稳定盾构开挖面的稳定可以通过优化掘进参数控制。掘进参数主要有：刀盘和土舱压力、排土量、推进速度、旋转机转速、千斤顶总推力、注浆压力与时间、注浆量方式、浆体性能、盾构坡度、盾构姿态和管片
18、拼装偏差等。为施工参数优化，必须熟练掌握盾构机的操作，根据地面变形曲线进行实测反馈，以验证选择施工的合理性或据以再调整优化施工参数。通过设定推进速度、调整排土量或设定排土量调整推进速度，以求得舱压力与地层压力的平衡。（2）同步注浆和二次注浆为了减少和防止地面沉降，在盾构掘进中，要尽快在脱出盾构后的衬砌背面环形建筑空隙中充填足量的浆液材料。根据地质条件，确定浆液配比，注浆压力、注浆量及注浆的起止时间同步注浆能达到预期效果起关键作用。在盾构后约10环处再向衬砌背面进行二次注浆，二次注浆是弥补同步注浆的不足，减少地表沉降的有效辅助手段，可使盾构在穿越建筑物、铁道股道、地下管线时，大大降低地表沉降。（
19、3）地层加固法地层加固法分为注浆法和高压喷射搅拌法两种。前者是向周围地层注入固结性浆液；后者是向地层喷射注浆的同时搅拌地层使土体与浆液混合在一起然后固结。两者的目的都是固结地层，提高地层的强度和防渗性能。进而抑制盾构通过时的松动范围，从而防止地层变位。（4）控制偏差量严格控制盾构施工的偏差量，盾构施工偏差量增大，不但影响地铁隧道线路、限界等使用要求，还会过多扰动地层而导致地面沉降量的增加。3）地表沉降控制标准为了减少地表沉降对地面及地面建筑物的危害，必须对土体变形进行施工监测。通过施工监测可以诊断增加沉降的施工问题；为下一段的地表沉降做出可靠预测。土体变形的观测项目可以包括如下项目：（1）地表变形（2）地下土体沉降（3）地表水平位移及应变观测（4）地下土体水平位移量测（5）土体回弹观测（6）隧道各衬砌环自脱出盾尾后的沉降观测（7）盾尾空隙中坑道周边向内位移的观测通过以上各项目的观测，并考虑地表沉降对影响范围内的房屋建筑、各种构筑物、公用设施、地下管线等的影响制定地表沉降的标准。一般认为地表沉降为10-30mm，即地表下沉最大值不大于30mm，地表隆起不大于10mm。1.6 其它方面盾构施工措施本标段区间还建立专题分析了盾构隧道纵向不均匀沉降分析及应对措施、隧道施工风险评估及对策措施。