泥水盾構(gòu)施工管理介紹

1、5. 1盾構(gòu)機(jī)選型5.1.1盾構(gòu)機(jī)的選型原則和依據(jù)盾構(gòu)機(jī)選型是盾構(gòu)隧洞能否優(yōu)質(zhì)、安全、快速建成的關(guān)鍵工作之 一，選型時(shí)主要遵照以下原則：(1) 選擇的盾構(gòu)機(jī)機(jī)型和功能必須滿足本標(biāo)段線路條件、工期、 施工條件和環(huán)境等耍求。(2) 選用的丹構(gòu)機(jī)按本標(biāo)段的地質(zhì)條件，進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì) 與制造，要求其性能與本標(biāo)段內(nèi)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件相適應(yīng)。(3) 選用的盾構(gòu)機(jī)應(yīng)具有良好的性能和可靠性。(4) 類似地質(zhì)、施工條件下盾構(gòu)選型、施工實(shí)例及其效果。(5) 盾構(gòu)機(jī)制造商的知名度、業(yè)績、信譽(yù)和技術(shù)服務(wù)。(6) 依據(jù)南水北調(diào)中線一期穿黃工程上游線隧洞土建及設(shè)備安 裝施工招標(biāo)文件及第三卷圖紙，為選用盾構(gòu)機(jī)機(jī)型的

2、重要依據(jù)。5.1.2盾構(gòu)隧洞線路條件及混凝土管片(1) 隧洞由邙山隧洞段和過黃河隧洞段組成，最大開挖直徑 9030mm,總長4250m的直線隧洞。(2) 線路縱坡有三：邙山隧洞約4.91%,過河隧洞段有0.1%和0.2%兩種，變坡點(diǎn)豎曲線半徑為800m。見5. 1-1南水北調(diào)中線穿黃 隧洞示意圖圖1南水北調(diào)屮線穿黃隧洞示意圖(3) 過河段隧洞圍土有單一粘土結(jié)構(gòu)、上砂下土結(jié)構(gòu)和單一砂 土結(jié)構(gòu)三種。(4) 主要地質(zhì)問題有：砂層中石英顆粒含量高40%-70%,刀具磨損加??；刀具檢查地點(diǎn)和檢查方式；換刀地點(diǎn)及加固方式選擇；常壓下?lián)Q刀作業(yè)和氣壓下的換刀作業(yè)；遇到枯樹和大孤石的處理；局部有抗壓強(qiáng)度達(dá)16.

3、 5mpa砂巖等。(5) 隧洞外層采用通用環(huán)混凝土楔形管片襯砌，每環(huán)的楔形量 為34. 8mmo管環(huán)外徑8. 7m,內(nèi)徑7. 9m5管片寬度1. 6m?由7塊管片 組成，錯(cuò)縫拼裝，每塊管片所對應(yīng)圓心角51.4286度。管片重量約 6. 2to5. 2 土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)與混合式盾構(gòu)機(jī)的基本掘進(jìn)構(gòu)成5.2.1 土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的基本掘進(jìn)構(gòu)成盾構(gòu)法施工從氣壓式盾構(gòu)機(jī)開始到當(dāng)今廣泛使用土壓平衡式盾 構(gòu)機(jī)，已有100多年的發(fā)展歷史。泥水盾構(gòu)從1964年問世以來， 由于它施工占地大，泥漿污染環(huán)境等原因，十多年的興衰，有被土壓 平衡式盾構(gòu)法取代趨勢。3種盾構(gòu)的開挖倉中的土體平衡介質(zhì)分別是 壓縮空氣、泥漿和被

4、改良的流塑性好的渣土。通過控制三種介質(zhì)的壓 力，達(dá)到開挖面止水和土體穩(wěn)定的目的。圖5-2 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)開挖 倉中的設(shè)定土壓與斷面的土壓+水壓相平衡。通過螺旋輸送機(jī)的排土 量與掘進(jìn)過程中的進(jìn)土量保持平衡，來穩(wěn)定開挖倉中的設(shè)定土壓，從 而達(dá)到穩(wěn)定土體持續(xù)掘進(jìn)的目的。5-2 土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)原理圖混合式（泥水）盾構(gòu)在掘進(jìn)富水砂層吋，具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在遠(yuǎn)離 城市的工程中存在一定市場?，F(xiàn)將本標(biāo)段選用的的混合式盾構(gòu)基本構(gòu) 成和原理敘述如下：5.2.2混合式盾構(gòu)機(jī)的基本掘進(jìn)構(gòu)成（1）混合式（泥水）盾構(gòu)是一種先進(jìn)泥水盾構(gòu)（以下稱混合式 盾構(gòu)）其系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖5-3。掘進(jìn)刀盤是穩(wěn)定掘削面的重要因素, 利用泥水

5、穩(wěn)定掘削面及刀盤面板擋土。與土壓平衡盾構(gòu)相比，由于混 合式盾構(gòu)壓力波動(dòng)較大，萬一發(fā)生掘削面坍塌，形成漏斗，很難期望 泥水擋土。泥水輸送機(jī)構(gòu)調(diào)整槽圖2混合式盾構(gòu)基本構(gòu)成圖（2）混合式盾構(gòu)將制備泥漿由泵（送泥泵）并通過一套管路送入開挖倉與掘削下的渣土攪拌混合后，再由排泥泵及一套管路排入地 面泥漿處理系統(tǒng)，進(jìn)行三次渣水分離和泥漿重復(fù)利用處理。如此往復(fù) 循環(huán)：一次處理的功能是把渣漿泵送到振動(dòng)篩，再利用濕式離心機(jī)等設(shè) 備將0. 074mm以上的大最渣土分離出來，渣土含水最控制在30%以下, 以利清渣運(yùn)輸。余下泥漿經(jīng)配制后，送入盾構(gòu)掘進(jìn)面再次利用。二次處理由凝聚沉淀和脫水設(shè)備構(gòu)成，處理含顆粒為0. 074

6、mm以 下的泥漿，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的即可排放，否則需進(jìn)行三次處理；三次處理主要對水進(jìn)行ph值調(diào)整和降濁處理并達(dá)到水的環(huán)保排 放標(biāo)準(zhǔn)。5.2.3傳統(tǒng)泥水盾構(gòu)泥漿壓力控制效果。(1) 開挖倉的泥漿壓力、泥漿制備質(zhì)量和掘削渣量(判斷掘削 面穩(wěn)定)管理是泥水盾掘進(jìn)的控制重點(diǎn)，是穩(wěn)定掘削面的核心。(2) 傳統(tǒng)泥水盾構(gòu)開挖倉的泥漿壓力變化較大(+/-1. obar),容 易使隧洞開挖面不穩(wěn)定及塌陷。見下圖57。conventionel slurry-shield (one bulkhead)圖3傳統(tǒng)泥水盾構(gòu)泥漿壓力變化圖5. 3混合式盾構(gòu)機(jī)基本技術(shù)和氣墊調(diào)節(jié)原理根據(jù)上述原則和隧洞的線路設(shè)計(jì)及工程地質(zhì)條件，根據(jù)

7、傳統(tǒng)泥水 盾構(gòu)和混合式盾構(gòu)對掘削面泥漿平衡壓力的控制效果，擬選用針對穿 黃隧洞工程條件而設(shè)計(jì)的混合式盾構(gòu)機(jī)。5.3.1混合式盾構(gòu)機(jī)的基本技術(shù)(1) 混合式盾構(gòu)機(jī)的基本構(gòu)成與傳統(tǒng)泥水平衡式盾構(gòu)沒有多大 差別，只是在開挖倉內(nèi)泥漿壓力調(diào)節(jié)方法上采用了氣墊調(diào)節(jié)原理。(2) 刀盤在泥漿中旋轉(zhuǎn)挖掘的確土與泥漿液在開挖倉中混合。 開挖倉內(nèi)的土壓和水壓被泥漿壓力p平衡，保證了隧洞開挖面的穩(wěn) 疋。(3) 開挖倉被一個(gè)分隔鋼板分隔成兩個(gè)區(qū)域，即泥漿平衡區(qū)和 氣墊調(diào)壓區(qū)，見圖5-4。圖4開挖倉分區(qū)圖5.3.2混合式盾構(gòu)機(jī)氣墊調(diào)節(jié)原理(1)泥漿通過氣墊對隧洞開挖面施加壓力實(shí)現(xiàn)支撐作用，支持 壓的力分布圖見5-5。該壓

8、力的控制由壓縮空氣控制單元控制。施工 工程師須把各掘進(jìn)面的水平壓力值及說明交給丹構(gòu)操作者執(zhí)行。67hipsu = r + y(d hj隧洞開挖面支持壓力的分布1膨潤土pi空氣壓力2膨潤土液位pso頂部懸浮液壓力3壓縮空氣氣墊psu 底部懸浮液壓力4壓力擋板y懸浮液密度5分隔倉板i)盾構(gòu)直徑6支撐區(qū)域hi承丿主倉高度7處于外界壓力下的區(qū)域圖5混合式盾構(gòu)支撐壓力(2) 氣墊調(diào)節(jié)倉內(nèi)的氣墊產(chǎn)生支持壓力傳至泥漿后，泥漿的液位高度可調(diào)。由于掘削面水、土壓力呈梯型，一般將液位高度穩(wěn)定在機(jī)器軸線位置。圖6氣壓調(diào)節(jié)作用圖(3) 承壓產(chǎn)生的支持壓力傳輸?shù)介_挖倉，壓力波動(dòng)由氣壓調(diào)節(jié) 組件控制見圖5-6,由于氣墊作

9、用和空氣調(diào)壓組件反應(yīng)靈敏，使泥漿 的壓力波動(dòng)小。(4) 在盾構(gòu)機(jī)開挖倉內(nèi)設(shè)置分隔鋼板將倉分成兩個(gè)室，其中設(shè) 有一個(gè)氣墊(壓)室，目的是達(dá)到精確調(diào)節(jié)泥漿壓力變化，精確率可 達(dá)+/-0. 05bar,平衡壓力的變化很小，有利開挖面的穩(wěn)定，見圖5-7。mixshield (two bulkhead)3facesupportbybentonite 2slurry(bar)100102030405060圖7混合式盾構(gòu)泥漿壓力變化圖(5) 空氣壓力能夠在超過5. obar的高工作壓力范圍內(nèi)自由調(diào) 節(jié)，補(bǔ)償泥漿液位壓力的差值。(6) 調(diào)節(jié)器無需電力，調(diào)節(jié)器安裝了兩個(gè)獨(dú)立的單元來防止可 能出現(xiàn)的干擾，并用于維

10、保停機(jī)階段和斷電情況下(高壓電纜延伸 時(shí))?？衫脙?chǔ)存的氣壓暫時(shí)提供開挖倉中支持壓力，等待電力恢復(fù)。5. 3. 3 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)與混合式盾構(gòu)機(jī)的比較(1) 當(dāng)今的盾構(gòu)機(jī)均采用開挖倉中的壓力設(shè)定來平衡開挖面土 體，達(dá)到穩(wěn)定土體的目的。泥水盾構(gòu)的平衡介質(zhì)是泥漿，而土壓平衡 盾構(gòu)機(jī)是采用改良好渣土，因此，兩種盾構(gòu)機(jī)刀盤、刀具、開挖倉和 刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等沒有根本區(qū)別。但從這個(gè)系統(tǒng)的先進(jìn)性、復(fù)雜性和可 靠性是泥水盾構(gòu)不可比擬的。掌握了它就可以掌混合式盾構(gòu)機(jī)。(2) 相同直徑的泥水盾構(gòu)機(jī)主機(jī)比土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的主機(jī)價(jià)值 要底，其結(jié)構(gòu)要簡單。但是泥水盾構(gòu)施工需要龐大的泥漿制備系統(tǒng)， 該系統(tǒng)處理達(dá)2000立方/

11、小時(shí)、占地面積大、環(huán)保要求高，國內(nèi)設(shè)備 和技術(shù)人材各單位都能找到并均可利用。5.3.3泥水盾構(gòu)施工管理重點(diǎn)1、泥水盾構(gòu)施工主要施工技術(shù)有：(1) 穩(wěn)定開挖面控制技術(shù)(2) 防止土體坍塌控制技術(shù)(3) 控制隧道上浮技術(shù)措施(4) 防止泥漿泄露技術(shù)(5) 保證盾構(gòu)密封系統(tǒng)密封性措施2、泥水盾構(gòu)主要施工管理(1) 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)管理包括千斤頂?shù)乃俣裙芾?、千斤頂推力管理、掘削扭矩管理和攪?荷載值管理。(2) 流體輸送的管理包括掘削泥水壓、掘削偏差流量、掘削量、干砂量及泵的電流值 與轉(zhuǎn)數(shù)管理。3、泥水盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)管理(1)排漿泵流量和開挖面泥水壓力的協(xié)調(diào)控制在操作過程中進(jìn)、排漿泵的參數(shù)選擇和掌子面壓力的相

12、互協(xié)調(diào)是 泥水盾構(gòu)的最大難點(diǎn)，也是保證盾構(gòu)機(jī)在不同地質(zhì)條件下平穩(wěn)盾構(gòu)姿 態(tài)的根本保證。對于排漿泵，根據(jù)不同的隧洞布置位置設(shè)定不同的電 壓電流額定值。隨泵位置的變化泵的參數(shù)也要隨之柑應(yīng)調(diào)整，但始終 要保證泥漿的平穩(wěn)過渡，避免吸空和積壓。在循環(huán)操作中，要先根據(jù)地質(zhì)情況和盾構(gòu)水壓來選擇開挖倉的泥 水壓力，避免超挖和強(qiáng)推。泥水壓力一般根據(jù)滲透系數(shù)、開挖面松弛 狀況、滲水量決定。通過設(shè)置在地面上的送泥泵、設(shè)置在洞內(nèi)的排泥 泵轉(zhuǎn)速變化來改變輸入流量和輸出流量，來控制泥水壓力倉中的泥水 壓力，使泥水壓力與開挖面上的水、土壓力保持平衡。本工程采用的混合式泥水盾構(gòu)機(jī)，在管道系統(tǒng)中設(shè)置了旁通回 路，當(dāng)管道被堵塞或

13、后續(xù)設(shè)備發(fā)生故障，需要排堵及維修、長時(shí)間停 機(jī)時(shí)，由于泥水的滲漏，開挖面的泥水壓力將下降，此時(shí)打開旁通回 路，通過送泥泵向開挖面補(bǔ)充輸送泥水，這樣可以確保開挖面的泥水 壓力與水、土壓力保持平衡。(2) 開挖土量控制泥水式盾構(gòu)開挖的泥砂隨同循環(huán)泥水一起排出，不能直接測量開 挖土量，所以要根據(jù)送排泥流量、送排泥密度、土工試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算 排土量。(3) 盾構(gòu)機(jī)推力、刀盤壓力、刀盤轉(zhuǎn)速和掘進(jìn)速度的協(xié)調(diào)控制(4) 掘進(jìn)速度的控制(5) 逆洗時(shí)的壓力控制逆洗是掘進(jìn)過程中較為常用的防止和消除排泥管堵塞的方法。在 掘進(jìn)過程屮排泥不暢是吸口堵塞的前兆，如不及時(shí)采取措施將使盾構(gòu) 開挖倉吸口堵塞，將引起泥水壓力突變

14、。在掘進(jìn)過程中如發(fā)現(xiàn)排泥不暢，應(yīng)及時(shí)轉(zhuǎn)換至“旁路”狀態(tài)，中 央控制室操作人員應(yīng)及時(shí)、準(zhǔn)確判斷排泥管的堵塞部位，當(dāng)發(fā)現(xiàn)排泥 不暢是由于分流器堵塞所至?xí)r，應(yīng)立即組織人員清除分流器中的障礙 物。當(dāng)發(fā)現(xiàn)吸口堵塞、必需進(jìn)行逆洗清除障礙物時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制逆洗 次數(shù)和逆洗時(shí)間，每次逆洗時(shí)間應(yīng)控制在23min以內(nèi)。在進(jìn)入逆洗 狀態(tài)前，應(yīng)首先轉(zhuǎn)入“旁路”狀態(tài)，然后進(jìn)入逆洗狀態(tài)，嚴(yán)禁從其它 狀態(tài)直接進(jìn)入逆洗狀態(tài)。(6) 利用探測裝置檢查土體崩塌情況(7) 合理使用補(bǔ)液裝置54本工程重、難點(diǎn)分析及對策表7-1本工程主要的重點(diǎn)、難點(diǎn)及對策措施一覽表序號(hào)重、難點(diǎn) 問題關(guān)鍵技術(shù)工程技術(shù)對策1盾構(gòu)在砂 層掘進(jìn)掘進(jìn)面的穩(wěn)定 氣

15、壓管理 刀具使用 根據(jù)地層情況設(shè)定切口水壓的上、下限值。 在掘進(jìn)施工過程，對切口水壓進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。 根據(jù)地質(zhì)條件，動(dòng)態(tài)調(diào)整泥漿指標(biāo)。泥漿密 度控制在1.25g/cm3,粘度控制在25s左右。 通過設(shè)置在送、排泥管上的流量計(jì)和密度 計(jì)，測量掘削土量，并評估掘削面的穩(wěn)定狀況。 加強(qiáng)對氣壓調(diào)節(jié)艙的管理，防止開挖面壓力 波動(dòng)過大。 利用刀具磨損檢測裝置，及時(shí)掌握刀具磨損 量，合理確定換刀施工，保護(hù)刀盤。 利用盾構(gòu)機(jī)開挖面穩(wěn)定探測裝置，及時(shí)掌握 開挖面穩(wěn)定情況。2盾構(gòu)掘進(jìn) 遇障礙物刀盤受力 掘進(jìn)方向控制帶壓作業(yè)當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)遇孤石時(shí)： 對于較小的孤石（能夠通過刀盤開口進(jìn)入開 挖倉內(nèi)），則利用排渣吸口處的破碎

16、機(jī)，直接 破碎排除。 對于較大的孤石，則只能采用人工攜帶小型 破碎機(jī)，帶壓進(jìn)倉，進(jìn)行破碎，使其能夠進(jìn)入 開挖倉內(nèi)，然后利用盾構(gòu)機(jī)設(shè)置的破碎機(jī)再破 碎排除。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)遇枯木時(shí)： 對于在盾構(gòu)軸線附近、與軸線平行的枯木， 可利用盾構(gòu)機(jī)刀盤直接破除。 對于枯木長度較長，部分在刀盤范圍以內(nèi)， 部分在周圍土體內(nèi)，可利用盾構(gòu)機(jī)刀盤直接破 除。 對于在盾構(gòu)機(jī)刀盤范圍以內(nèi)，與軸線不平行 的枯木，由于枯木隨刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)、不能進(jìn)入開挖 艙，只能人工攜帶小型破碎機(jī)，帶壓進(jìn)倉，進(jìn) 行破碎。3盾構(gòu)掘進(jìn) 方向控制管片拼裝 預(yù)選系統(tǒng) 利用vmt導(dǎo)向系統(tǒng)的管片預(yù)選擇功能，合 理選擇管片拼裝位置。 利用盾構(gòu)機(jī)油缸分區(qū)、各分區(qū)油缸推力

17、控 制，及時(shí)對盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向進(jìn)行糾偏。 盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)、制造時(shí)，合理選擇盾構(gòu)機(jī)的靈 敏度，保證盾構(gòu)掘進(jìn)糾偏時(shí)，有足夠的盾尾間 隙。 盾構(gòu)掘進(jìn)糾偏時(shí)，不宜過急、過猛；應(yīng)嚴(yán)格 控制油缸壓力，防止管片損壞。4盾構(gòu)始發(fā) 掘進(jìn)控制洞口密封止水 始發(fā)參數(shù) 端頭加固 加強(qiáng)洞口密封鋼環(huán)的加工質(zhì)量，確保洞門預(yù) 埋鋼環(huán)安裝質(zhì)量。 準(zhǔn)確選擇盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)、始發(fā)參數(shù)。 準(zhǔn)確選擇盾構(gòu)始發(fā)托架、反力架的位置、結(jié) 構(gòu)剛度，保證為盾構(gòu)始發(fā)提供足夠的反力。 合理選擇端頭加固方式，加強(qiáng)端頭加固施工 質(zhì)量，確保加固效果。 盾構(gòu)始發(fā)前，準(zhǔn)備必要的雙液注漿設(shè)備及材 料，一旦發(fā)生洞口漏漿時(shí)，及時(shí)進(jìn)行注漿封堵。5. 5本工程盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)分析根據(jù)

18、我們對招標(biāo)文件及設(shè)計(jì)圖紙的認(rèn)真研究、仔細(xì)分析，我們認(rèn) 為本工程在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，按照上述施工總體規(guī)劃進(jìn)行施工時(shí)，仍 然存在如下施工風(fēng)險(xiǎn)，針對施工過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)，我單位擬采用如 下技術(shù)措施。(1)盾構(gòu)掘進(jìn)穿越黃河河底施工風(fēng)險(xiǎn)根據(jù)我們對招標(biāo)文件及設(shè)計(jì)圖紙的研究，本工程過黃河段隧道洞 身地層主要為粘土、淤泥質(zhì)粘土、古土壤及中砂。特別是黃河北岸附 近，洞身地層除全斷面中砂外，還有部分隧道洞身為上部中砂、下部 粘土地層。在這種地層掘進(jìn)過程中，存在河底冒漿的風(fēng)險(xiǎn)。為此，在 盾構(gòu)掘進(jìn)此段時(shí)，采取如下措施： 嚴(yán)格控制切口水壓波動(dòng)范圍，防止開挖艙內(nèi)壓力波動(dòng)過大； 當(dāng)發(fā)現(xiàn)江底冒漿時(shí)，如果是輕微的冒漿，在不降低開挖面水 壓下向前推進(jìn)，同時(shí)，提高泥水密度和粘度，防止冒漿范圍擴(kuò)散；適 當(dāng)加快推進(jìn)速度，提高拼裝效率，使盾構(gòu)近早穿過冒漿區(qū)。 當(dāng)冒漿嚴(yán)重不能推進(jìn)時(shí)，采用