盾構(gòu)掘進施工

1、廣州市軌道交通六號線【水天盾構(gòu)區(qū)間】土建工程 盾構(gòu)掘進方案三、盾構(gòu)掘進流程及操作控制程序3.1 盾構(gòu)掘進作業(yè)工序流程盾構(gòu)掘進工作是盾構(gòu)隧道施工的主要環(huán)節(jié)，掘進工作的各個環(huán)節(jié)是否順利進行的關(guān)鍵，在施工中應(yīng)使各個環(huán)節(jié)、工種密切配合，環(huán)環(huán)相扣，施工的進度、質(zhì)量才可能滿足總進度目標、質(zhì)量目標的要求。盾構(gòu)隧道施工的過程見圖1。是否是否開始設(shè)置掘進基準開挖掘進同步注漿是否達到掘進循環(huán)進尺編組列車出洞棄土渣管片襯砌拼裝開挖6m延伸軌道下一個循環(huán)圖1 盾構(gòu)掘進作業(yè)工序流程圖3.2 掘進控制程序盾構(gòu)隧道施工掘進過程的控制制約著各個后續(xù)的工作，隧道掘進關(guān)鍵的點在于刀具充分切削、破碎地層，被破碎、切削下來的地層能被

2、順利排出。故對于掘進參數(shù)的選擇就顯得十分重要，尤其是針對地層的不同選擇不同的刀具布置方式、掘進推力、轉(zhuǎn)速，渣土改良中泥水和泡沫的注入?yún)?shù)設(shè)定等。隧道掘進的主要控制程序如下圖2所示。好好好相同差好差好差好不同符是啟 動設(shè)定土倉壓力值PO設(shè)定刀盤扭矩、轉(zhuǎn)速設(shè)定泡沫、膨潤土注入?yún)?shù)設(shè)定千斤頂推力設(shè)定螺旋輸送機轉(zhuǎn)速刀盤扭矩為上限土壓力P1P1 與PO渣土流動性盾構(gòu)機姿態(tài)地層沉降控制與反饋繼 續(xù)調(diào)整掘進參數(shù)或進行二次補強注漿調(diào)整千斤頂推力參數(shù)調(diào)整泡沫及膨潤土注入?yún)?shù)調(diào)整螺旋輸送機轉(zhuǎn)速及出料口倉圖2 盾構(gòu)掘進控制程序圖3.3 掘進模式的選擇及控制本次選用的盾構(gòu)機根據(jù)地層的不同和掘進環(huán)境的差異在掘進中可選擇

3、敞開式（OPEN）、半敞開式（SEMI-OPEN）和土壓平衡式（EPB）三種不同的掘進模式，掘進參數(shù)見表1。表1 掘進模式參數(shù)表 參數(shù)模式推 力（t）扭 矩（t·m）刀盤轉(zhuǎn)速（rpm）土倉壓力(bar)螺旋機轉(zhuǎn)速(rpm)備注開敞式80015008016012無412半敞開式10001800100200120.10.5612土壓平衡式12002100200300120.51.26123.3.1不同掘進模式的特點及適用條件根據(jù)本工程的工程地質(zhì)特點，對不同地層應(yīng)采取不同的掘進模式，掘進模式和適用條件、應(yīng)采取的技術(shù)措施見表2。3.3.2 盾構(gòu)隧道的掘進模式分段根據(jù)本工程的隧道地質(zhì)情況及周邊

4、環(huán)境條件，對采用的三種掘進模式的技術(shù)措施分述如下，左右線分段使用掘進模式的情況見表3。 敞開式掘進的技術(shù)措施： 采用滾刀破巖為主，刀盤采用較高轉(zhuǎn)速、低扭矩掘進。 采用敞開模式掘進時，盾構(gòu)機易產(chǎn)生較大滾動和震動現(xiàn)象。此時適當降低轉(zhuǎn)動的速度、同時適當增大推力以便在確保掘進速度的情況下防滾和減震。 同步注漿時漿液可能滲流到盾殼與周圍巖體間的空隙甚至刀盤處，為避免此現(xiàn)象發(fā)生可適當增大漿液粘度、縮短漿液凝結(jié)時間、適當減低注漿壓力等方法來解決。 在硬巖敞開式掘進時，刀具磨損較大，溫度高，巖渣不具軟塑性，因此，應(yīng)注意觀察、檢查，及時換刀，視巖石的類別注入泡沫和水冷卻、潤滑，以降低磨耗。 半敞開式掘進技術(shù)措施

5、 半敞開式掘進模式介于土壓平衡和開敞式之間，采用滾刀或滾刀、刮刀混合破巖切削。在這種情況中，開挖室中渣土高度保持正好在螺旋輸送機入口上方，以維持開挖室里空氣壓力的密閉性。 為既能穩(wěn)定開挖面和防止地下水滲入，又能避免出渣時螺旋輸送機發(fā)生噴涌，壓縮空氣壓力應(yīng)控制在0.10.15Mpa以內(nèi)。 在該模式下掘進時，應(yīng)重視注入泡沫對渣土進行改良。遇地層變換、涌水較大時，及時轉(zhuǎn)換模式掘進。10掘進模式適用范圍土倉及螺旋工作情況掘進技術(shù)技術(shù)措施敞開式適用于自穩(wěn)、地下水少的巖層。如<8>、<9>土倉內(nèi)渣土基本清空。土倉壓力為大氣壓。 刀盤和螺旋機受扭力較小。 進尺快。盾構(gòu)機切削下來的渣土

6、進入土倉內(nèi)，即被螺旋輸送機排出。土倉內(nèi)僅有少量渣土，基本處于清空狀態(tài)，掘進中刀盤和螺旋輸送機所受扭力較小。由于倉內(nèi)壓力為大氣壓，故不能支撐開挖面地層和防止地下水滲入。半敞開式 適用于具有一定自穩(wěn)能力和地下水壓力不太高的地層。如<7>、<8>、土倉內(nèi)渣土未充滿，有一定空間。向土倉內(nèi)輸入壓縮空氣與渣土共同支撐開挖面和地下水，土倉內(nèi)有一定壓力。土倉壓力靠壓縮空氣加壓刀盤和螺旋機受扭力較大。進尺較慢。掘進中土倉內(nèi)的渣土未充滿土倉，尚有一定的空間，通過向土倉內(nèi)輸入壓縮空氣與渣土共同支撐開挖面或防止地下水。該掘進模式適用于具有一定自穩(wěn)能力和地下水的壓力不太高的地層，其防止地下水滲入

7、和穩(wěn)定掌子面的效果主要取決于壓縮空氣的壓力。要及時對挖掘出來的渣土進行改良。土壓平衡式 適用于不能穩(wěn)定的軟土和富水地層。土倉內(nèi)充滿渣土。土倉壓力和開挖面土壓及水壓平衡。土倉壓力控制靠盾構(gòu)推進速度和螺旋機出土排量。刀盤和螺旋機受扭力大。進尺慢。刀盤切削下來的渣土充滿土倉，并產(chǎn)生與土壓力和水壓力相平衡的壓力，來穩(wěn)定開挖面地層和防止地下水滲入。該掘進模式主要通過控制盾構(gòu)推進速度和螺旋輸送機的排土量來產(chǎn)生壓力，并通過測量土倉內(nèi)的土壓力來隨時調(diào)整、控制盾構(gòu)推進速度和螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速。在該掘進模式下，刀盤和螺旋輸送機所受的反扭力較大。要十分重視渣土的改良。表2 掘進模式列表 表3 水蔭路站天平架站區(qū)間掘進

8、模式選擇表 序號里 程地層條件環(huán)境條件掘進模式備注1YDK19+131ZDK19+122洞身9洞頂9土壓平衡式始發(fā)2YDK19+066ZDK19+080洞身9洞頂9洞頂<2-1B>、<2-2>、<2-3>、<5-1>、<5-2>禺東西路立交橋土壓平衡式3YDK19+160 ZDK19+155洞身9洞頂9廣深鐵路橋土壓平衡式4YDK19+193ZDK19+177洞身9洞頂9軍專線鐵路橋土壓平衡式5YDK19+210 ZDK19+210洞身9洞頂9廣園東路人行天橋土壓平衡式6YDK19+521 ZDK19+483瘦狗嶺斷裂帶瘦狗嶺斷裂帶土

9、壓平衡式7YDK19+567 ZDK19+567洞身7H8H9H洞頂5H-27H禺東西路立交橋土壓平衡式8YDK19+895 ZDK19+895洞身9H洞頂9H省軍區(qū)宿舍樓敞開式9YDK20+045 ZDK20+045洞身7H8H洞頂7H洞頂<2-1B>、<2-2>、<2-3>、<5-1>、<5-2>省軍區(qū)幼兒園半敞開式10YDK20+020 ZDK20+020洞身5H-26H洞頂5H-2省軍區(qū)接待站土壓平衡式11YDK20+060 ZDK20+060洞身5H-26H洞頂5H-2省軍區(qū)老干部招待樓土壓平衡式12YDK20+075 ZD

10、K20+075洞身7H洞頂6H7H禺東西路立交橋土壓平衡式13YDK20+137ZDK20+137洞身7H9H洞頂7H8H9H天平架站土壓平衡式吊出14YDK19+092 ZDK19+086洞身9洞頂9土壓平衡式始發(fā)15YDK18+985ZDK18+985洞身9洞頂9沙河站土壓平衡式過站16YDK18+889 ZDK18+889洞身9洞頂9沙河站土壓平衡式始發(fā)17YDK18+156ZDK18+156洞身5-26洞頂5-2水蔭路站土壓平衡式吊出 土壓平衡模式技術(shù)措施 軟土采用以切削刀、刮刀為主切削土層，軟巖以滾刀為主的刀具布置形式，刀盤以低轉(zhuǎn)速、大扭矩推進。 土倉內(nèi)土壓力值P應(yīng)略大于靜水壓力和地

11、層土壓力之和，即P=K P0，K=1.01.3，砂性地層K取上限值；粘性地層K值取下限值。并在掘進中不斷調(diào)整優(yōu)化。 土倉壓力通過采取設(shè)定掘進速度、調(diào)整排土量或設(shè)定排土量、調(diào)整掘進速度兩種方法建立，并應(yīng)維持切削土量與排土量的平衡，以使土倉內(nèi)的壓力穩(wěn)定平衡。 在上軟下硬的地層中掘進，若發(fā)生噴涌，則土倉內(nèi)的壓力很高，掘進速度往往比較慢，此時，除上述措施外，還應(yīng)采取均衡各組千斤頂?shù)膲毫?，暫時停止姿態(tài)的調(diào)整，增大推力，使盾構(gòu)機能有較快的掘進速度。 盾構(gòu)機的掘進速度主要通過調(diào)整盾構(gòu)推進力、轉(zhuǎn)速（扭矩）來控制，排土量則主要通過調(diào)整螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)。在實際掘進施工中，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、排出的渣土狀態(tài)，以及

12、盾構(gòu)機的各項工作狀態(tài)參數(shù)等動態(tài)地調(diào)整優(yōu)化。此模式掘進時應(yīng)十分重視渣土改良工作的落實。3.4 盾構(gòu)掘進方向控制與調(diào)整由于地層軟硬不均、隧道曲線和坡度變化以及操作等因素的影響，盾構(gòu)推進不可能完全按照設(shè)計的隧道軸線前進，將會產(chǎn)生一定的偏差。當這種偏差超過一定限界時就會使隧道襯砌侵限、盾尾間隙變小使管片局部受力過大，嚴重時產(chǎn)生管片錯臺過大、開裂、漏水等現(xiàn)象。因此，盾構(gòu)施工中必須采取有效技術(shù)措施控制掘進方向，及時有效糾正掘進偏差。3.4.1 盾構(gòu)掘進方向控制 采用SLS-T APD導向系統(tǒng)和人工測量輔助進行盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測SLS-T APD系統(tǒng)使用棱鏡和經(jīng)緯儀來測量機器的位置來實現(xiàn)導向工作，這些裝置用電纜和

13、電腦相連。安裝在隧道里的經(jīng)緯儀測量兩個棱鏡的位置，確定機器所處的位置，系統(tǒng)就能計算出它與隧道規(guī)劃路線的偏差，然后信息就會顯示在與電腦連接的一個很大的易讀的顯示器上。該電腦通常安放在離設(shè)備操作人員控制臺很近的地方，以便操作人員利用這些信息給機器導向。該電腦也可以儲存和允許輸入系統(tǒng)需要的信息。據(jù)此調(diào)整控制盾構(gòu)機掘進方向，使其始終保持在允許的偏差范圍內(nèi)。隨著盾構(gòu)推進導向系統(tǒng)后視基準點需要前移，必須通過人工測量來進行精確定位，為保證推進方向的準確可靠性，每周進行兩次人工測量，以校核自動導向系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)并復核盾構(gòu)機的位置、姿態(tài)。確保盾構(gòu)掘進方向的正確。 采用分區(qū)操作盾構(gòu)機推進油缸控制盾構(gòu)掘進方向根據(jù)線

14、路條件所做的分段軸線擬合控制計劃、導向系統(tǒng)反映的盾構(gòu)姿態(tài)信息，結(jié)合隧道地層情況，通過分區(qū)操作盾構(gòu)機的推進油缸來控制掘進方向。 在上坡段掘進時，適當加大盾構(gòu)機下部油缸的推力和速度；在下坡段掘進時則適當加大上部油缸的推力和速度；在左轉(zhuǎn)彎曲線段掘進時，則適當加大右側(cè)油缸推力和速度；在右轉(zhuǎn)彎曲線掘進時，則適當加大左側(cè)油缸的推力和速度；在直線平坡段掘進時，則應(yīng)盡量使所有油缸的推力和速度保持一致。 在均勻的地質(zhì)條件時，保持所有油缸推力與速度一致；在軟硬不均的地層中掘進時，則應(yīng)根據(jù)不同地層在斷面的具體分布情況，遵循硬地層一側(cè)推進油缸的推力和速度適當加大，軟地層一側(cè)油缸的推力和速度適當減小的原則來操作。在掘進

15、時，在盾構(gòu)什么位置，分區(qū)壓力的調(diào)整均要根據(jù)盾構(gòu)機的姿態(tài)與設(shè)計軸線的偏差情況確定，同時應(yīng)該注意分區(qū)千斤頂?shù)膲毫Σ畈灰诉^大，通常要求對應(yīng)千斤頂壓力差一組不大于另一組的1/3，以免在大推力的情況下因壓力差過大對隧道管片產(chǎn)生破損。 在7H>、8H>、9H>號穩(wěn)定的硬巖段掘進時，可能會產(chǎn)生較大的震動和滾動，此時，可以適當加大推力、降低轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生較大的滾動時可以使刀盤朝相反的方向轉(zhuǎn)動，防止盾構(gòu)機發(fā)生過大的滾動偏差。3.4.2 盾構(gòu)掘進姿態(tài)調(diào)整與糾偏盾構(gòu)機在掘進過程中，不可能完全按照設(shè)計線路掘進，有時要產(chǎn)生一定的偏差。一般情況下，盾構(gòu)機如果偏離設(shè)計軸線20，就要進行盾構(gòu)機糾偏。盾構(gòu)機糾偏是

16、依靠調(diào)整各組推進油缸的壓力來實現(xiàn)的，同時在安裝管片時，也應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)機的糾偏方向安裝相應(yīng)的轉(zhuǎn)彎環(huán)。當滾動超限時，盾構(gòu)機會自動報警，此時應(yīng)采用盾構(gòu)刀盤反轉(zhuǎn)的方法糾正滾動偏差。對偏差過大的情況，也可以用鉸接油缸來糾偏。盾構(gòu)機糾偏應(yīng)逐步進行，不能一次到位。一般情況下，每環(huán)的糾偏量在水平方向上不超過9，在豎直方向上不超過5。同時安裝管片也應(yīng)注意，所選取的管片類型應(yīng)考慮在安裝完畢以后的管片平面盡量與盾構(gòu)機的軸線垂直。也就是管片安裝完畢之后，保持盾構(gòu)機各組油缸的初始行程基本一致。3.4.3 方向控制及糾偏注意事項 在切換刀盤轉(zhuǎn)動方向時，應(yīng)保留適當?shù)臅r間間隔，切換速度不宜過快，切換速度過快可能造成管片受力狀態(tài)

17、突變，而使管片損壞。 根據(jù)掌子面地層情況應(yīng)及時調(diào)整掘進參數(shù)，調(diào)整掘進方向時應(yīng)設(shè)置警戒值與限制值。達到警戒值時就應(yīng)該實行糾偏程序。 蛇行修正及糾偏時應(yīng)緩慢進行，如修正過程過急，蛇行反而更加明顯。在直線推進的情況下，應(yīng)選取盾構(gòu)當前所在位置點與設(shè)計線上遠方的一點作一直線，然后再以這條線為新的基準進行線形管理。在曲線推進的情況下，應(yīng)使盾構(gòu)當前所在位置點與遠方點的連線同設(shè)計曲線相切。 推進油缸油壓的調(diào)整不宜過快、過大，且對應(yīng)的分組千斤頂?shù)膲毫Σ畈灰诉^大，否則可能造成管片局部破損甚至開裂。 正確進行管片選型，確保拼裝質(zhì)量與精度，以使管片端面盡可能與計劃的掘進方向垂直。 盾構(gòu)始發(fā)、到達時的方向控制極其重要，

18、應(yīng)按照始發(fā)、到達掘進的有關(guān)技術(shù)要求，做好測量定位工作。3.5 掘進中的渣土改良與防泥餅措施在盾構(gòu)施工中尤其在復雜地層盾構(gòu)施工中，進行渣土改良是保證盾構(gòu)施工安全、順利、快速的一項不可缺少的重要技術(shù)手段，具有如下作用： 潤滑刀具，減少刀具與地層間的摩擦，可有效降低刀盤扭矩，同時減少了因摩擦而產(chǎn)生過多的熱量，降低對刀具和螺旋輸送機的磨損。 加入泥漿時，可以使渣土具有較好的止水性，使脆性巖屑具有更好的流動性，以便順利排出。對控制地下水流失也有一定的作用。 使切削下來的渣土順利快速進入土倉，有利于螺旋輸送機排土順利； 可有效防止土渣粘結(jié)刀盤而產(chǎn)生泥餅； 使渣土具有較好的土壓平衡效果，利于穩(wěn)定開挖面，控制

19、地表沉降；3.5.1 渣土改良的方法與添加劑渣土改良就是通過盾構(gòu)機配置的專用裝置向刀盤面、土倉、或螺旋輸送機內(nèi)注入添加劑，利用刀盤的旋轉(zhuǎn)攪拌、土倉攪拌裝置攪拌或螺旋輸送機旋轉(zhuǎn)攪拌使添加劑與土渣混合，其主要目的就是要使盾構(gòu)切削下來的渣土具有好的流塑性、合適的稠度、較低的透水性和較小的摩阻力，以滿足在不同地質(zhì)條件下采用不同掘進模式掘進時都可達到理想的工作狀況。添加劑主要有泡沫和膨潤土。泡沫的功效主要在于分離或中和粘性土中的陰陽離子，降低其吸附性能，從而起到改善渣土的流動性、潤滑刀具等作用。對于軟巖和粘性土，合理的泡沫注入尤為重要。根據(jù)地質(zhì)情況選用合適的泡沫劑，使之能有效對渣土進行有效改良，在粘性土層中，其膨脹率建議值為615，在巖石及其它土層中掘進建議膨脹率為1520。實際使用時其配比和注入量應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件及施工情況確定。3.5.2 渣土改良的主要技術(shù)措施本工程隧道所通過的地層條件，如不作渣土改良，會出現(xiàn)如下問題：在泥質(zhì)粉砂巖中和粘土層中盾構(gòu)掘進會因渣土的流動性不好和掘進切削時的摩擦發(fā)熱，在刀盤面板上形成泥餅，渣土不能充分排出，刀具不能切入地層，造成掘進效率降低，甚至無法掘進；當?shù)叵滤容^豐富時，又可能會因渣土與水嚴重分離，噴涌嚴重而導致地層失水過多，引起地層變形加大，甚至產(chǎn)生地面環(huán)境受到破壞等問題。當?shù)貙榆浫鯐r，