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1、隧道盾构施工技术研究 第一节 概 述 一、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
2、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。二、国外盾构施工技术发展概述 1.人工开挖盾构的发明 世界上第一条人工开挖盾构隧道是由 Mare Brunel 和他的儿子起在伦敦泰晤士河下建成的。该盾构呈矩形（11.6m 宽，7m 高），总共只有 366m 长的隧道耗时 20年左右，曾经历很大困难，出现过五次以上涌水。1869 年，James Henry Greathhead 采用圆形敞开式盾构在泰晤士河下再建了一条外径为 2.18m 的行人隧道，该隧道衬砌是铸铁管片，隧道在不透水的粘土层中掘进，无地下水威胁，因此进展
3、相当顺利。1886 年，Greathead 在建造伦敦地铁时首次使用了压缩空气盾构，解决了在含水地层中修建隧道的问题。2.机械化盾构的问世 1876 年：第一台机械化盾构的专利出现。第一台机械化盾构的设想是用由几块板构成的半球状刀盘旋转切削土体，然后靠径向转动的土斗将切削下来的土体运到皮带输送机上。1896 年，JPrice 的专利比第一台盾构有较大改进，刀盘由若干轮辐构成，电动驱动由长轴传递，其外形也与现代盾构较为接近。早期的盾构技术在英国发明并得到发展并不是偶然的事件，由于 19 世纪和 20世纪上半叶，英国是全球最强盛的工业化国家，而对隧道掘进来讲，伦敦的粘土可说是地球上较理想的土层，因
4、此，由当时最发达的国家率先在较理想的土层中发展盾构技术是合乎技术发展的逻辑的。3.削土密封式压力平衡盾构的出现 1965 年，日本首先制造了泥水盾构（Slurry Shield），其基本原理是用液体(水或加膨润土的水)平衡开挖面的土体。与压缩空气盾构相比，泥水盾构不需要人员在压缩空气条件下工作，但泥水处理系统比较复杂，泥水盾构虽然也可用于粘土地层，但绝大多数情况是在含水砂层中使用。1974 年，日本的 Sato kogyo 有限公司发明了土压平衡盾构（Earth Pressure Balanced Shield）。在此之前，虽然压缩空气盾构和泥水盾构已能克服含水层中的施工问题，但压缩空气对人体
5、的危害和泥水对环境的不利影响促使日本的隧道专家寻找一个更好的解决问题的办法，土压平衡盾构便应运而生了。泥水盾构和土压平衡盾构同属削土密封式压力平衡盾构。日本能够在现代盾构技术的发展中独领风骚也有其客观原因，首先，日本从 60 年代中期开始步人现代化国家行列，其科学水平已逐步接近欧美国家，这为日本发展现代盾构技术提供了强有力的技术支持。其次，人口众多、土地贫乏、多岛，不得不开发地下空间。再次，一些大城市（如东京）的软弱地层条件又给日本隧道专家带来了很多困难，激励着日本隧道专家寻找理想的隧道建造技术，构成了日本隧道施工技术进步的动力。4.盾构技术的新发展 20 世纪进入 80 年代后，盾构技术发展
6、的主流大致从以下两个方面延伸：（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）。欧洲幅员辽阔，地层条件复杂多变，于是就产生了各种各样的多功能盾构。三、中国盾构施工技术发展简述 1950 年，我国在第一个五年计划期间，
7、辽宁阜新煤矿用直径 2.6m 盾构及小型混凝土预制块建造了疏水巷道。1957 年，在北京下水道工程中也用过直径为 2.0m 及 2.6m 的盾构。1963 年，上海隧道公司开始系统地开发我国的盾构技术，1964 年，隧道公司开发了网格式盾构；1966 年，用可封闭式网格盾构建造了直径为 l0m 的上海第一条黄浦江越江隧道（打浦路隧道）；19701973年，大屯煤电公司徐庄风井，首次用盾构（5.1m）施工了表土段（142米），1978 年在地铁试验段使用了自己生产的高精度管片；1980年，上海地铁 1 号线试验段用 6.1m的盾构。1984 年，上海隧道工程公司用日本进口的 4.33m 小刀盘土
8、压平衡盾构，建造了内径为 3.6m 的下水道总管；1988 年，上海隧道公司设计和使用了加泥式土压平衡盾构。经过工程实践，得到适合上海地层的加泥材料宜为粘土或膨润土类的结论；1990 年，上海隧道公司设计了刀盘削土土压平衡盾构；1990年，上海地铁 1 号线全线开工，用 7 台盾构机 1991 年，上海隧道公司使用以法国 FCB 公司为主制造的土压平衡盾构施工了上海地铁一号线的大部分区间隧道；1995 年，上海隧道公司使用以日本为主制造的 11.22m 泥水盾构建造了上海黄浦江下的延安路南线隧道。1998 年至今，上海隧道公司掌握了国际最新盾构施工技术，成为一家国际隧道界认可的盾构隧道施工专业
9、公司，标志着20 世纪末在总体上代表中国盾构施工技术 预测：20002009年国内种类盾构机的需求量在 180台左右(含隧道掘进机)土压平衡盾构的产品化、系列化、国产率化达70%发展既适合软岩且又适合于土层的复合式盾构。(深圳、广州有这种地层)，国内尚无此种盾构 异形断面盾构机的研究：椭圆形、矩形、马蹄形等 第二节 盾构构造、分类及适用范围 一、盾构的外形和材料 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。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 二、盾构的基本构造
10、盾构壳体 推进系统 拼装系统 1.盾构壳体 从工作面开始可分为切口环、支承环和盾尾三部分。切口环 作用：掩护开挖作业，保持工作面的稳定，把开挖下来的土砂向后方运输 长度：主要取决于盾构正面支承、开挖的方法 内部装置：土压平衡：有刀盘、搅拌器和螺旋输送机 网格式：有网格、提土转盘和运土机械的进口 水力机械盾构，安置有水枪、吸口和搅拌器 支承环 作用：承受于盾构上的全部荷载，结构：紧接于切口环，刚性圆形。外沿布置有千斤顶 中间布置拼装机及部分液压设备、动力设备、操纵控制台。盾尾 作用：掩护管片的安装工作。结构：盾尾末端设有密封装置 长度：要满足上述各项工作的要求。必须根据管片宽度及盾尾的道数、盾尾
11、密封的结构来确定 厚度：应尽量薄，以减小建筑空隙、压浆量、地层扰动范围也小，有利于施工 密封材料：要有弹性、耐磨、防撕裂等 止水形式：常用的是多道、可更换的盾尾密封装置，道数一般取 23 道。钢丝束加油脂式 图 63 盾尾密封示意图 1盾壳；2弹簧钢板；3钢丝束；4密封油脂；5压板；6螺栓 2.推进机构千斤顶 千斤顶的选择和配置 经久耐用，易于维修保养和掉换 采用高液压系统，机构紧凑 均匀配置，使管片受力均匀 千斤顶的数量 中小型盾构：每只推力 6001 500kN，大型盾构：每只推力为 20002500kN。千斤顶的行程 通常取管片宽度加上 100200mm 的富余量。千斤顶的速度 一般取
12、50mmmin 左右，且可无级调速。回缩速度要求越快越好。3.管片拼装机 俗称举重臂，常以液压为动力。拼装机能沿径向伸缩、前后平移和 360旋转 拼装机的形式一般常用环型拼装机。是一个可自由伸缩的支架，能够转动的机械手。三、盾构基本参数 （一）盾构直径 盾构直径是指盾壳的外径 根据隧道限界和结构尺寸要求，在确定衬砌外径之后，可按施工要求或经验确定盾构直径。第 1 种确定方法：D=d+2（x+）式中 D盾构外直径（mm）；d隧道外径（mm）；x盾尾空隙，一般取 2030mm；盾尾钢板厚度（mm）。通常采用经验公式或类比法相近选取。=0.02+0.01（D-4），m 第 2 种确定方法：D=d内+
13、2（十 x 十 T+T+e）式中 d内隧道内径（mm）；T隧道衬砌厚度（mm）；T隧道内衬厚度（mm）；e最小富余量（mm）；，x 意义同前。（二）盾构灵敏度和长度 灵敏度:盾壳总长 L 与外径 D 之比.经验数据：小型盾构（D=23m）（L/D）=1.50 中型盾构（D=36m）（L/D）=1.00 大型盾构（D6m）（L/D）=0.75 长度 L：L=切口环 L W +支承环 L0 +盾尾 Lt 1.切口环长度 LW 机械化盾构仅考虑能容纳开挖机具即可。在手掘式盾构中要考虑到人工开挖的方便，LW可以较长些 2支承环长度 L0 取决于千斤顶、刀盘的轴承和驱动装置、排土装置等所需的空间 千斤顶
14、的长度：衬砌环宽度+200300mm 3盾尾长度 L t 盾尾长度取决于管片的形状和宽度：（三）盾构的推力 盾构的总推力：FF1F2F3F4F5F6 1盾构外壁周边与土体之间的摩擦力或粘结力 F1 砂性土 F1=1 DL（Pm+W）（kN）粘性土 F1=C DL（kN）式中 1 钢与土的摩擦因数；D盾构直径（m）；L盾构长度（m）；Pm作用在盾构上的平均土压（kPa）;W盾构重量（kN）；C粘聚力（kPa）。2 推进中切口插入土壤的贯入阻力 F2 F2=ltKpPm （kN）式中 l工作面周边长度（m）；t刃脚贯人深度（m）；Kp被动土压力系数；3工作面正面阻力 F3 F3=Pt D2/4 （
15、kN）式中 Pt工作面正面压力（支护千斤顶反力、作用在隔墙上的土压力、泥浆压力等）（kPa）。盾构在人工开挖、半机械化开挖时为工作面支护阻力。盾构采用机械化开挖时，为作用在切削刀盘上的推进阻力。4管片与盾尾之间的摩擦力 F4 F4=2G2（kN）式中 2钢与钢或混凝土的摩擦因数；G2管片（成环）重量（KN）；5变向阻力（曲线施工/纠偏等因素的阻力）F5 F5=RS（kN）式中 R地层抗力（承载力、被动土压力等）（kPa）；S抵抗板在推进方向的投影面积（m2）。6后方台车的牵引阻力 F6 F6=3G1（kN）式中 3车轮与钢轨之间的摩擦因数；G1后方台车重量（KN）；实际使用：Fj2（F1F2F
16、3F4）经验公式：Fj=Pj D2/4 式中 Pj开挖面单位截面积的推力（kN）。人工开挖、半机械化开挖盾构，机械化开挖盾构：Pj=7001l00kPa 封闭式盾构、土压平衡式盾构、泥水加压式盾构：Pj=10001300kPa 四、盾构的分类及其适用范围 种类：按结构特点和开挖方法可分为四大类：手掘式 挤压式 半机械式 机械式（一）手掘式盾构 开挖面可全部敞开：敞开式 或用正面支撑开挖，一面开挖一面支撑：支撑式 或将开挖面分为几层：棚式 主要优点：（1）可以观测地层变化情况，及时采用应付措施（2）比较容易处理桩、大石块等地下障碍物（3）容易进行盾构纠偏，也便于曲线施工（4）造价低，结构设备简单
17、，易制造，加工周期短。主要缺点：（1）在含水地层中，当开挖面出现渗水、流砂时，必须辅以降水、气压等地层加固措施；（2）工作面若发生塌方时，易引起工程安全事故；（3）劳动强度大、效率低、进度慢，但由于简单易行，在地质条件良好的工程中仍广泛应用。（二）挤压式盾构 特点：开挖面用胸板封起来，把土体挡在胸板外，比较安全、可靠，没有塌方的危险。不用人工挖土，劳动强度小，效率高。类型：全挤压、局部挤压式、网格式 适用：松软可塑的粘性土层，适用范围较狭窄。对地层扰动较大，地面易隆起变形，只能用在空旷的地区或江河底下、海滩处等区域 网格式盾构是一种介于半挤压和手掘之间 在开挖面装有钢制的开口格栅，称为网格。网
18、格式盾构示意图 2开挖面支撑千斤顶；3举重臂；4堆土平台（盾构下部土块由转盘提升后落入堆土平台）；5刮板运输机；8开挖面钢网格；9转盘；当盾构向前掘进时，土体被网格切成条状，进入盾构后被运走；当盾构停止推进时，网格起到支护土体的作用，从而有效地防止了开挖面的坍塌。网格盾构对土体的挤压作用比挤压式盾构小，因此引起地面变形的量也小一些。（三）半机械式盾构 在手掘式盾构正面装上机械来代替人工开挖。适用范围：同手掘式，优点：可减轻工人劳动强度，其余与手掘式相似。（四）机械式盾构 结构：在手掘式盾构的切口部分装上一个大刀盘 型式：开胸式 闭胸式：局部气压式、泥水式、土压平衡式 1.局部气压式盾构 结构原
19、理：在切口环和支承环之间装上隔板，使切口环部分形成一个密封舱，舱中输入压缩空气，以平衡开挖面的土压力，保证正面土体自立而不坍塌。主要技术问题：漏气，影响到正面压力舱内的压力控制。还有对人体的健康问题 故目前该类盾构使用已不多。2.泥水式盾构和泥水加压平衡盾构 原理：在密封舱内用泥水或泥浆来代替压缩空气 利用泥水压力来支撑开挖面土体 切削下来的土用泵通过管道输送到地面 缺点：辅助配套设备多 一套自动控制的泥水输送系统，一套泥水处理系统，设备费用较大。但是；辅助设备可重复利用，经济上还是可行的 3.土压平衡式盾构 所谓土压平衡，就是盾构密封舱内始终充满了用刀盘切削下来的土，并保持一定压力，平衡开挖
20、面的土压力。前端也是一个全断面切削刀盘，在盾构中心或下部有一个长筒形螺旋输送机的进土口，其出口在密封舱外。目前，土压平衡盾构与泥水加压平衡盾构，已成为比较成熟、可靠的新型设备，广泛地应用。适用：含水饱和软弱地层 五、盾构选型 选择盾构的种类要求掌握不同盾构的特征，还要逐个研究以下项目：（1）开挖面有无障碍物；（2）开挖面能否保持自立稳定；（3）对地面的影响程度；（4）经济性。第三节 施工准备 技术准备 前期工程准备 生产物资的准备 劳动力的准备 施工现场准备 一、技术准备 1熟悉施工图纸和有关的设计资料 工程设计图纸 充分了解和掌握设计人员的设计意图、结构特点和技术要求 有关的地质资料 地质报
21、告、地质剖面图、钻孔柱状图、水文情况 施工验收规范及有关的技术规定 2了解沿线的地下、地下情况 地下管线布置情况 种类、结构、类型、埋深等 与隧道的相互关系等情况 地下构筑物情况 污水隧道、人防工事、地下室、桩基础等 地面建筑物情况 建筑物的种类、结构、基础埋深与隧道的相互关系等情况。3熟悉施工用机械的特点 熟悉盾构机的主要施工参数 相应的盾构施工工法 掌握施工要领 4编制施工组织设计 正确地确定各个关键工序的施工技术 科学地制定施工方案 合理地布置施工场地 必须明确：（1）施工现场总平面布置（2）盾构基座及后靠布置形式（3）盾构出洞时洞门密封的方式；（4）盾构出洞地基加固方式；（5）材料垂直
22、、水平运输的方式及隧道断面布置；（6）盾构推进的方案、工艺流程；（7）隧道注浆方法及控制地面沉降的技术措施；（8）经过特殊路段的施工技术措施；（9）盾构进洞地基加固方案及盾构进洞方案；（10）测量方法等。编写规范的施组还应包括以下内容：（1）组织管理体系；（2）质量标准及质量保证措施；质量保证体系（3）安全生产措施（4）文明施工措施（5）工程用料及施工用料使用计划；（6）劳动力使用计划；（7）施工进度计划。二、前期施工准备 1 完成始发井土建结构 对于地铁隧道：一般是车站先施工，盾构施工提出始发井的设计要求，车站施工单位配合。对于过江公路隧道：需要单独施工始发井。始发井内须预留盾构出洞的洞门
23、洞门须由钢板、钢板桩或地下连续墙围护 2盾构选型 根据地质及地面构筑物情况、施工进度、经济性等条件进行盾构选型，确定所用的盾构类型。3管片生产 三、生产物资的准备 1.材料 计算各种材料的规格、数量、使用时间、消耗量 按施工进度编制出材料需要量计划 组织货源，运输、仓储、现场堆放 2.构件 主要指管片的预生产，并落实运输、堆放。3.施工机械 根据施工方案、施工进度，确定施工机械的类型、数量、进场时间、运输安装方式、放置的位置等，编制施工机械的需要量计划，保证施工顺利进行。四、劳动力的准备 确定的劳动力使用计划 组织劳动力进场 技术培训，安全、消防和文明施工教育 技术交底和质量交底 五、施工现场
24、准备 1盾构拼装或拆卸的工作井 一般井宽应大于盾构直径 1.62.0m 井的长度主要考虑盾构设备安装及出洞要求 2盾构基座 盾构基座置于工作井的底板上，用作安装及搁置盾构，以及导向。基座结构：钢筋混凝土 钢结构 3盾构后座（后盾）后座:在盾构与后井壁之间要的传力设施 通常由隧道衬砌、专用顶块、顶撑等组成 4人行楼梯和井内工作平台搭设 5地面辅助设施（1）做好三通一平、二堂一舍 设计施工围墙、场区道路、管片堆场，铺设水管、电缆、排水设施、布置场地照明等。（2）设置行车或其他起吊和运输设备 （3）拌浆间及材料库。拌制管片壁后注浆的浆体 （4）配电间、充电间（5）空压机房（若采用气压施工）（6）地面
25、运输系统：运输方式、道路施工 垂直运输可采用行车、大吊车、电动葫芦等 水平运输有铲车、汽车、电瓶车等。实现水平和垂直运输互为一体的系统（7）盾构出土的配套。干出土：汽车运输，集土坑；水力掘进运土：沉淀池。泥水盾构：浆拌制及泥水分离等设施。（8）其他生产设备。油库、危险品仓库、设备料具间、机械维修间等 6.隧道断面布置 确定轨枕的高度，轨道的轨距等 人行通道道板宽度要大于 50cm，与电机车的安全距离要大于 30cm，净空高度要大于 1.8m。管线：通风管路及接力风机 清洗及排污管路 第四节 盾构的出、进洞技术 一、盾构出、进洞方法 1.临时基坑法 在大开挖的基坑内，先完成盾构安装、后座施工及垂
26、直运输出入通道的构筑，然后把基坑全部回填。此法没有洞门拆除等问题，一般只适用于埋置较浅的盾构始发端。2.逐步掘进法 适用于：纵坡较大的、与地面有直接连通的斜隧道施工，后座：可依靠己建敞开式引道来承担，盾构由浅人深进行掘进，直至盾构全断面进入土层，该法并没有盾构出、进洞的技术问题 3.工作井进、出洞法 挖掘垂直工作井，盾构在井内安装就位、出洞 这是目前使用较多的方法。后盾由负环管片（开口环、闭口环）组成 在闭口环后部用 56#工字钢 3 榀 3 榀工字钢后用 609mm 钢支撑撑紧 利用专门构筑的工作井出洞 盾构出洞 准备工作（1）后盾管片布置及后座混凝土浇筑（2）安装洞口止水装置、洞门混凝土凿
27、除。出洞（1）出洞口加固土体达到强度，后盾负环拼装；（2）涂抹油：基座轨道面、刀头和密封装置、盾尾钢刷等（3）盾构后盾支撑、推进 盾构进洞（1）接收井的准备：接收井施工，洞口加固 安装盾构接收基座（2）盾构姿态的复核测量 盾构进洞前 100m 作隧道贯通测量，根据测量数据及时调整盾构推进姿态 （3）混凝土洞门凿除（4）盾构切口距洞门 2050cm 时，停止盾构推进，尽可能掏空平衡仓内的泥土 二、临时封门的构造形式 1.钢结构封门 横向钢板梁封门：由横向钢梁与梁间钢封板组成 竖向钢板梁封门 由型钢和钢板或全部用型钢组成。整块圆钢板封门等。2砖石或混凝土封门 用砖石砌体作封门，也可以直接在井壁（地
28、下墙）上凿孔出洞，拆除可用凿岩机或爆破的方法。3.洞口加固 直径大、埋深大、土质差时还应考虑降水、地基加固、局部冻结等辅助措施，以稳定洞口土体和防止泥水涌入。出洞口加固 第五节 盾构推进 一、盾构正面开挖方法 四种开挖方法：敞开、机械切削、网格、挤压 1敞开式挖土 手掘式及半机械式盾构都属于敞开开挖形式。2机械切削 目前常用的以液压或电机为动力的、可以双向转动的切削刀盘。这种掘进方法对正面的障碍排除及盾构超挖纠偏显得有些困难 3网格式开挖 土体就从格子里呈条状挤进来 4挤压式开挖 全挤式和局部挤压。对地层扰动较大 可以不压浆 盾构上浮趋势明显，在浅埋施工时，盾构轴线较难控制，严重时单用千斤顶编
29、组已无法纠偏，在这种情况下，用调整挤压程度（即增大进土面积或调整进土孔位置）来控制。二、施工管理和掘进管理 排土量与工作面压力的平衡问题 1.土压平衡式盾构 通过排土机构的机械控制方式调整排土量，使之与挖土量保持平衡，以避免地面沉降或对附近构筑物造成影响。控制方法：先设定推进速度，再根据容积计算控制螺旋输送机的转速。先设定推进速度，再根据密封舱内的土压计数值和切削扭矩值调整螺旋输送机的转速 将设定的土压力 P 和切削扭矩 T 作为基准值，同盾构推进时发生的土压P、切削扭矩 T的数值作比较：PP、TT时，降低排土速度 PP、TT时，提高转速，增加排土量 2.加泥式或加泥浆式盾构 泥土、泥浆管理
30、目的：通过向切削土内注入制泥材料并进行搅拌，将切削土改变成与开挖面土质相适应的泥浆土。应根据切削扭矩、掘进速度、排出的泥土状态等对制泥材料的使用量作相应的增减。排土量管理：使掘进量和排土量之间平衡（1）重量管理。通过测定隧道出土车运出的土的重量来调节 不太准确，不能反映出掘进情况，可作参考。（2）掘进量和螺旋输送机转速之间的控制 根据螺旋输送机的转速很难求出准确的排土量，掘进量和排土量之间也很难保持平衡。土压管理 以土压计测出的泥土压力来保持土压力平衡。通常土压力P 的范围是：主动土、水压力 P 被动土、水压力 方法：根据土质情况求出控制土压力的上、下限，再在这一范围内设定基准土压力，控制盾构
31、千斤顶的推进速度和螺旋输送机的转速，使实际土压同基准土压取得一致。3.加水式盾构 排土率的管理 不间断地掌握掘土量和排土量之间的关系，将密封舱内的切削土的积存量保持在最佳状态 附加水压力的管理 保证同地下水压力取得平衡的附加水压力管理。管理标准：根据土体条件、掘进状况等设定出最佳加水压力，以地下水压力为基准，在其上下设定容许变动值，将压力控制在这一范围内。4.泥水加压平衡式盾构 开挖面上泥水压力的管理 开挖面上泥水压力的管理，是通过设定泥水压力和控制推进时的开挖面泥水压力等环节实施的。（1）计划泥水压力的设定 计划泥水压力=开挖面水、土压力+变动压力 一般将计划泥水压力的上限值设定为：Pj=P
32、d+2H 式中：Pj计划泥水压力（Mpa）；Pd地下水压力（Mpa）；H隧道埋深（m）；泥水重度；g重力加速度。（2）盾构推进时的开挖面泥水压力控制 通过设于挡土板上的开挖面水压力检测装置测出泥水压力，并通过自动控制回路将其控制为设定泥水压力。三、盾构控制 1.盾构偏向的判定 盾构偏向的原因（1）地质条件 地层土质不均匀，正面及四周的阻力不一致（2）各千斤顶工作不同步、加工精度误差造成伸出阻力不一致（3）施工操作的因素。衬砌环缝的防水材料压密量不一致 盾构下部土体如有过量流失，引起盾构下沉；管片拼装质量不佳 盾构偏向的反映与测定 目前施工技术手段是通过对盾构现状位置的测量后报出的盾构现状报表来
33、反映盾构真实状态。图 614 盾构现状测量报表图 具体测量 由人工进行测量。（1）坡度板。直接读出盾构纵坡、转角的值。（2）量两腰千斤顶活塞杆伸出长度估计平面纠偏效果。（3）用水准仪、激光经纬仪测量 2.盾构的操作 了解土质对盾构施工的影响 砂性土透水性较好，在地下水压力差作用下砂粒易产生流动，如不采取必须的防范措施是难以正常施工的。粘性土的透水性差，但具有较大的可塑性。虽是最适宜盾构施工的土质，但施工时对土体有过大扰动，则带来的“后患”也大。盾构的操作方法（1）千斤顶编组 千斤顶的只数应尽量多 管片纵缝处的骑缝千斤顶一定要用 纠偏数值不得超过操作规程的规定值（2）千斤顶区域油压调整 目前多数
34、盾构将千斤顶分为上、下、左、右四个区域，每一区域为一个油压系统。通过区域油压调整，起到调整千斤顶合力位置的作用，使其合力与作用于盾构上阻力的合力形成一个有利于控制盾构轴线的力偶。（3）盾构的纵坡控制 变坡法。在每一环推进施工中，用不同的盾构推进坡度进行施工，最终达到预先指定的纵坡。稳坡法，盾构每推一环用一个纵坡，以符合纠坡要求：但要做到稳坡，具有相当高的技术难度，用这方法，盾构在推进中对地层扰动最小。（4）调整开挖面阻力 敞开式挖土盾构可采用超挖；挤压式盾构可调整其进土孔位置和扩大进土孔。盾构自转的纠正（1）产生自转的原因 土质不均匀、纠正不当 大的旋转设备顺着一个方向使用过多 由于盾构制作误
35、差、千斤顶位置与轴线不平行（2）纠正方法 a在盾构有少量自转时，用大型旋转设备反转法 b当自转量较大时，则采用压重的方法。第六节 管片拼装及防水 一、管片拼装 1.管片的类型及特点 球墨铸铁管片 强度高，重量轻，搬运安装方便 精度高，外形准确，防水性能好 加工设备要求高、造价大 钢管片 型钢或钢板焊接加工而成 强度高、延性好、运输安装方便 精度稍低于球墨铸铁管片 易变形，易锈蚀 钢筋混凝土管片 有一定强度，制作较容易 耐腐蚀，造价低 较笨重，在运输、安装过程中易损坏 2.管片形状、尺寸及连接 形状：箱形、板形 厚度：(0.050.06)隧道直径 宽度：7501200mm，多数为 1.0m左右
36、管片的接头 螺栓连接：2436mm弯栓、直栓、斜栓、弯直结合等 管片块数 最少 4 块 D 6m 时，4 6 块 D 6m 时，8 10 块 每环（或圈）管片有三种规格形状：标准块：矩形 邻接块：半梯形 封顶块：梯形 3.管片的拼装 拼装方式 通缝拼装 定位容易，螺栓容易穿 容易产生环面不平，导致环向螺栓难穿 环缝压密量不够 错缝拼装 一般错开 1213 块管片弧长 整体性较好，施工应力大易使管片产生裂缝 纵向穿螺栓困难，纵缝压密差 环面较平整，环向螺栓比较容易穿 拼装工艺 先环后纵 先将管片拼装成圆环，拧好所有环向螺栓，而穿进纵向螺栓后再用千斤顶整环纵向靠拢，然后拧紧纵向螺栓，完成一环的拼装
37、工序。适用于：用敞开式或机械切削盾构，盾构后退量较小，则可采用先环后纵的拼装工艺。先纵后环 缩回一块管片位置的千斤顶（不是将所有千斤顶全部同时缩回），使管片就位，立即伸出缩回的千斤顶，这样逐块拼装，最后成环。用挤压或网格盾构施工时，其盾构后退量较大，为不使盾构后退，减少对地面的变形，则可用先纵后环的拼装工艺。先下后上 用举重臂拼装是从下部管片开始拼装，逐块左右交叉向上拼，这样拼装安全，工艺也简单，拼装所用设备少。先上后下 小盾构施工中，可采用拱托架拼装，即先拼上部，使管片支承于拱托架上。此拼装方法安全性差，工艺复杂，需有卷扬机等辅助设备。目前所采用的管片拼装工艺可归纳为：先下后上、左右交叉、纵
38、向插入、封顶成环、先环后纵 4.拼装通病 环面不平整 环面不平整是指相邻两块管片环面不平 纵缝质量不符合要求 有前后喇叭、内外张角、内弧面平整度、两管片相对旋转及纵缝过宽等五项表现。圆环环面不正 整个环面与隧道轴线的垂直度有误差，即上下超前及左右超前。螺栓拧紧不足 管片旋转 由于管片旋转，施工车架同时伴随倾斜，对管片成环带来不同程度的困难。管片的缺角、掉边及断裂 二、管片接缝防水 1.防水内容及措施 密封垫防水 嵌缝防水 螺栓孔防水 单层衬砌防水主要措施 管片采用多道防线防水，一般设 l2 条防水槽 防水槽内设橡胶防水密封垫 双层衬砌（内衬）防水措施 在隧道内壁上粘贴卷材防水层 喷涂或刷涂防水
39、层。如环氧沥青涂料等 喷射混凝土防水层 钢筋混凝土内衬 管片螺孔防水 当工程有特殊防水要求时，则对螺孔也应采用以沥青、橡胶、塑料为材料的专门环形垫圈来防水。2.防水密封垫 密封垫种类 焦油合成树脂体系 天然（或合成）橡胶 泡沫橡胶复合密封垫 异型橡胶复合密封垫 密封垫施工（1）全断面浇涂环氧煤焦油砂浆，要求在施工现场配置，在制作后 12 小时内结束拼装（2）焦油聚氨脂弹性体，这种密封垫与已成环管片接触面之间无粘接力，主要是依靠压密防水。（3）齿槽型密封垫 在地面上将齿槽型氯丁橡胶密封垫粘贴到管片的防水槽内，当拼装时，在千斤顶顶力作用下，使其产生弹性变形填充了管片的防水槽。3.嵌缝材料及施工 填
40、嵌到拼装后的管片嵌缝槽内 依靠填塞力和粘接力达到密封防水的作用 嵌缝材料应具有足够的粘接力、稳定性和强度 材料要有弹性，能够适应隧道的变形 嵌缝作业应在盾构千斤顶及盾构推进影响范围外的区域进行 在嵌缝施工前，必须清理嵌缝槽 在漏水部位施工时应先引流、封堵 4.堵漏技术 基本措施 主要表现为明显的滴漏：每点530ml/h 之间 （1）单层衬砌在管片接缝发现漏水后，可松动该部位的连接螺栓，将漏水从孔内引出，然后进行堵漏，最后堵螺孔。（2）双层衬砌管片接缝的一般性滴漏，主要采用水泥胶浆修堵。情况严重时考虑用灌浆堵漏。管片的防水堵漏方法 接缝出现渗漏，可从预留孔或螺栓孔注浆 管片注浆沟槽示意1钢筋混凝
41、土管片；2橡胶密封垫；3承压垫板；4嵌缝槽；5预留注浆沟槽；6预留注浆管 灌浆堵漏施工方法（1）将裂缝两侧混凝土凿成槽并处理干净（2）灌浆孔要布置在水源和纵横裂缝交叉处，埋没方法 第七节 隧道注浆 衬砌壁后注浆：同步注浆：一边推进，一边注入 即时注浆：推进后立即注入 一、注浆的作用 1防止地表变形 2减少隧道的沉降量 3增加衬砌接缝的防水性能 4改善衬砌的受力状况 5有利于盾构推进纠偏 若要使盾构向右纠偏，可选择右侧压浆，使管片外周单侧有压力，迫使衬砌向左移动，靠足左面盾尾部，右侧盾尾内衬砌与盾壳之间的间隙加大，盾构向右侧纠偏余量就大了。二、注浆工艺 分次注：在土质条件好、一般先压骨料填充空隙
42、，然后注水泥浆 一次注：软土层，地下水位高，饱和土质 注入时间：盾尾后空隙一形成，立即进行压浆 压浆量：一般为理论空隙的 150250范围 压浆压力：根据地面建筑物的特点及隧道埋深而定 1.同步自动注浆 采用注浆压力自动控制系统，一面使压力保持不变，一面直接向盾尾建筑空隙注浆。另外，通过电磁流量计在监测流量的同时进行自动注浆。2.聚氨酯注浆 预制泡沫层注浆施工法 预先在管片背面粘贴软质聚氨酯泡沫塑料，再在在通过管片环后的注浆孔注入水玻璃或水泥膨润土。空隙处发泡注浆施工法 使用硬质聚氨酯泡沫塑料。在空隙处将主剂和发泡剂两种溶液混合起来，在空隙内发泡。三、压浆材料 1.原材料 黄砂：骨料；水泥：胶
43、结剂；石灰膏：增加浆体的润滑性；粘土浆：可用膨润土或原状土拌制，作为填充料；粉煤灰：填充料；水玻璃：凝结剂。2.材料的要求（1）和易性要好 要易搅拌，易压送，流动性（2）凝结时间要合适 初凝要快，使浆体不易流失，保证压浆质量 终凝要慢，使浆体在较长时间内应具有塑性 （3）要有一定的强度 有一定的早期强度，而凝固后的强度要略高于原状土；（4）收缩率要小 减少地表变形；（5）来源充足，价格低廉 3.配合比 根据土质、施工环境选择使用。有时还要结合试验数据来确定 表 62 常用压浆材料配合比（体积比）序号 石灰膏 粘土 磨细粉煤灰 黄砂 原状粉煤灰 水玻璃 1 1 12 34 45 0.040.08
44、 2 1 45 45 3 1 0.6 2.6 2 0.125 表 63 普通砂浆类材料配合比（每 m3重量比，单位：kg）序号 水 泥 粉煤灰 膨润土 黄 砂 混合材料 水 1 250 140 1200 401 2 191 46 920 572 3 163 1118 366 352 4 250 150 100 1330 2 300 四、压浆方法和设备 1.拌浆 地面拌浆:一般隧道施工在地面设有拌浆站，主要设备有：（1）拌浆机：一般用强制式灰浆拌和机；（2）材料起吊输送设备：电动葫芦、斗车、运输车辆；（3）气压式压浆装置，用罐式气压压浆机压注豆粒砂或轻骨料；（4）浆体质量测定仪器、稠度仪；（5）
45、磅秤。工作面拌浆：将以上仪器、设备安置在车架上，在工作面拌浆。该法一般用于后期补压浆或局部压浆 2.压浆设备 压浆泵：活塞泵（目前多用）、柱塞泵、单轴螺旋泵、挤压泵等 软管、阀门等 第八节 隧道内衬施工 一、概述 一次衬砌：最初施工的衬砌 二次衬砌或内衬：把其后施工的衬砌 内衬形式：浇筑底板混凝土 浇筑 120下拱混凝土 浇筑 240下拱混凝土 浇筑 360全内衬混凝土 二、全断面内衬施工方法 1.普通法（1）先打底板混凝土（如下图阴影部分）；（2）立模浇捣 240的左右两腰侧壁的混凝土；（3）最后对隧道的拱顶部分压注砂浆 该法施工进度与施工质量不理想，工艺较复杂，劳动强度也较大。2.钢拱模板
46、台车法 现在多采用。用特殊的钢拱模板作为成型胎模的模芯 用泵送混凝土连续不断地压力灌注。由混凝土泵、混凝土搅拌车、输送管道等机具设备配套，组成混凝土灌注作业系统。模板分块和进行浇捣的施工分界面如下图：优越性：在结构强度、浇筑速度、混凝土表面质量以及可操作性、安全性、经济性等各方面均较优越。不足：需进行两次浇筑：先浇筑底板砼，并辅设轨道，再浇注其余部分。三、内衬施工工艺 1隧道底板钢筋混凝土浇筑的工艺流程 清刷底板、测量、放样 配筋，成型、扎筋 设置混凝土泵车及输送管道敷设 混凝土地面搅拌，垂直和井下运输 混凝土泵送灌注，震捣 安插预埋件：铺轨筋，牵引吊钩等 混凝土表面收水抹面 拆集水槽、清理
47、模板向下一个作业循环工位移动。2隧道全内衬钢筋混凝土浇筑的工艺流程 井下台模安装，铺设轨道、进入指定地段 地面配筋，成型、隧道内上拱扎筋 台模在浇筑段定位，装封头板 安装预埋件，插入混凝土输送管 连接混凝土泵车 地面拌料，垂直和水平运输（搅拌车）泵送混凝土 边浇捣，边拔出泵管，直至浇筑密实后封口 养护 6 小时，同时下一作业循环段扎筋 拆模、台模进入下一个作业循环。四、施工要点 1全内衬台模定位立模 必须重视台模定位立模的正确性 台模就位后，利用台模上的千斤顶将模板伸到设计的直径位置，保证达到要求的内衬壁厚 台模模板必须与已浇混凝土相叠 20cm 在台模的另一端安装好封堵模板 台模定位后，在台
48、模中间部位的上部和左右两帮加设定位撑杆，以防浇注砼时模板移动 最后对台模缝隙之间填上密封材料，防止漏浆。2准备浇筑工艺设备 现场搅拌：把混凝土搅拌机设置在隧道井口，拌好的熟料可用溜管直接注入井下储料斗；使用商品混凝土：用搅拌车输送到井口卸料 用溜管注入井下储料斗或 3m3搅拌车再运入台模浇筑点 泵送混凝土：地面混凝土用溜管注入混凝土泵车 采用 130mm 专用混凝土压送钢管输送砼 3预埋件设置 有给排水管线、电缆支架、照明、通信线等。对有规律分布的预埋件：可在台模上开孔，用螺栓固定在台模模板背面，对无规律的预埋件：在扎筋时固定在钢筋上 4混凝土 强度等级：C20C30，按设计要求施工 配合比：要进行设计 5拱顶混凝土浇筑质量的保证措施 保证砼质量：要有良好的和易性和足够的塌落度 保证砼强度：水泥的用量应适当增加 保证正确操作：从封头面（正面）浇注 浇注要左右对称，高度基本相等 泵管插入深度为台模总长的 2/3 边泵送灌注、边退出管子 用铁锤敲击台模模板，使砼密实 混凝土泵送到最后，采取快速抽管堵口法封好上拱顶最上一块封板 6拆模、清理、台模移位 混凝土养护时间超过6小时后便可松开模板 模板收缩后即可利用台模上的行走机构移位到下一个浇筑地段 五、施工安全 应执行国家及公司的安全技术规程和生产操作规程