盾構(gòu)工法發(fā)展及其盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

盾構(gòu)工法發(fā)展及其盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)第1頁(yè)/共28頁(yè)1869年——采用Greathead新開(kāi)發(fā)的圓形盾構(gòu)鑄鐵管片，在倫敦泰晤士河水底第二條隧道。1887年——?dú)鈮憾軜?gòu)在南倫敦鐵路隧道中應(yīng)用。19世紀(jì)末～20世紀(jì)初——城市隧道工程促進(jìn)了閉胸式盾構(gòu)的產(chǎn)生，盾構(gòu)工法相繼傳入美國(guó)、日本、法國(guó)、德國(guó)等國(guó)家。20世紀(jì)60年代至80年代——盾構(gòu)工法迅速發(fā)展，完善了氣壓盾構(gòu)、擠壓（網(wǎng)格）盾構(gòu)、插刀盾構(gòu)、泥土加壓盾構(gòu)、泥水盾構(gòu)等，盾構(gòu)工法在地鐵、市政隧道、公路隧道等的建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。第2頁(yè)/共28頁(yè)20世紀(jì)80年代至今——研制出了加氣泡盾構(gòu)，同時(shí)大直徑盾構(gòu)、異形斷面盾構(gòu)（方形、橢圓形、馬蹄形等）、雙圓盾構(gòu)、三圓盾構(gòu)等得到發(fā)展。第3頁(yè)/共28頁(yè)二．中國(guó)地鐵工程盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展20世紀(jì)60年代——北京城建集團(tuán)前身基建工程兵為修建北京地鐵，自己研制網(wǎng)格式壓縮混凝土盾構(gòu)機(jī)成功地進(jìn)行了試驗(yàn)。1990年——上海地鐵1號(hào)線(xiàn)，采用了7臺(tái)盾構(gòu)機(jī)共掘進(jìn)了18Km1996年——上海地鐵2號(hào)線(xiàn)開(kāi)始建設(shè)，以后陸續(xù)建設(shè)3號(hào)線(xiàn)、4號(hào)線(xiàn)、M8線(xiàn)、6號(hào)線(xiàn)1996年——廣州開(kāi)始建設(shè)1號(hào)線(xiàn)，以后陸續(xù)建設(shè)2號(hào)線(xiàn)、3號(hào)線(xiàn)、5號(hào)線(xiàn)第4頁(yè)/共28頁(yè)2000年——北京地鐵5號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)實(shí)驗(yàn)段開(kāi)始設(shè)計(jì)施工。2001年——深圳地鐵1號(hào)線(xiàn)、南京地鐵1號(hào)線(xiàn)開(kāi)始建設(shè)。2002年——北京地鐵5號(hào)線(xiàn)正式開(kāi)工，以后4號(hào)線(xiàn)、10號(hào)線(xiàn)、機(jī)場(chǎng)線(xiàn)、地下直徑線(xiàn)陸續(xù)開(kāi)工。2002年——天津地鐵1號(hào)線(xiàn)開(kāi)工建設(shè)。2006年——沈陽(yáng)地鐵1號(hào)線(xiàn)開(kāi)工建設(shè)。即將開(kāi)工建還有設(shè)有杭州、哈爾濱、成都、西安等城市。第5頁(yè)/共28頁(yè)三、北京地鐵盾構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用20世紀(jì)50年代北京從前蘇聯(lián)引進(jìn)了一臺(tái)手掘式盾構(gòu)開(kāi)始。1966年，北京研制了φ7000的半機(jī)械化盾構(gòu)進(jìn)行完成了87m試驗(yàn)段施工。1995年8月，研制出半斷面插刀盾構(gòu)應(yīng)用北京地鐵復(fù)八線(xiàn)區(qū)間隧道施工。1999年10月，北京亮馬河北路污水隧道工程中采用φ3330小斷面加泥式盾構(gòu)，并于2000年3月貫通。第6頁(yè)/共28頁(yè)2000年9月，北京城建集團(tuán)首次成功地將φ6000的大斷面土壓平衡盾構(gòu)機(jī)應(yīng)用于北京地鐵五號(hào)線(xiàn)北新橋站至雍和宮站長(zhǎng)680m的試驗(yàn)段隧道施工，為北京地鐵進(jìn)一步推廣盾構(gòu)施工技術(shù)創(chuàng)造了條件。此后涌現(xiàn)大批盾構(gòu)機(jī)應(yīng)用于地鐵五號(hào)線(xiàn)、十號(hào)線(xiàn)、四號(hào)線(xiàn)及機(jī)場(chǎng)線(xiàn)等工程，目前北京地鐵施工投入的盾構(gòu)機(jī)達(dá)17臺(tái)。第7頁(yè)/共28頁(yè)目前在建工程的設(shè)計(jì)線(xiàn)路總長(zhǎng)度為112.7公里，總車(chē)站數(shù)74座（其中地下站64座，地面及高架站10座），地下區(qū)間總長(zhǎng)81.3公里（其中明挖區(qū)間4.2公里，占5％，盾構(gòu)法區(qū)間34.2公里，占42％，礦山法區(qū)間42.9公里53％），高架及地面區(qū)間31.4公里。目前正在進(jìn)行施工招標(biāo)的地鐵9號(hào)線(xiàn)全長(zhǎng)16.4km，區(qū)間全部為地下線(xiàn)，共設(shè)車(chē)站14座，13個(gè)區(qū)間中有8個(gè)區(qū)間采用盾構(gòu)，盾構(gòu)推進(jìn)總長(zhǎng)度達(dá)15Km（單線(xiàn)延米），擬投入5臺(tái)加泥式土壓平衡盾構(gòu)施工，其中一臺(tái)為帶滾刀的復(fù)合盾構(gòu)。明年北京的計(jì)劃開(kāi)工建設(shè)的計(jì)劃是“保4爭(zhēng)6”，9號(hào)線(xiàn)、10號(hào)線(xiàn)二期、亦莊線(xiàn)、8號(hào)線(xiàn)、6號(hào)線(xiàn)、順義線(xiàn)等將相繼開(kāi)工建設(shè)。順便提到的是，南水北調(diào)工程、市政工程也將大量采用盾構(gòu)，北京的盾構(gòu)市場(chǎng)已全面啟動(dòng)。第8頁(yè)/共28頁(yè)第9頁(yè)/共28頁(yè)四．盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)4.1盾構(gòu)穿越湖江河湖的技術(shù)地鐵盾構(gòu)在廣州穿越了珠江、南京地鐵穿越秦淮河、沈陽(yáng)地鐵將穿越渾河、北京地鐵9號(hào)線(xiàn)將穿越玉淵潭，穿越河段施工要點(diǎn)：4.1.1．盾構(gòu)過(guò)河前必須進(jìn)行系統(tǒng)和完整的檢修，使機(jī)器性能保持完好狀態(tài)，為一次順利施工到位提供設(shè)備保障。提前對(duì)刀具進(jìn)行檢查，過(guò)河前可作適量更換以免河底換刀。4.1.2．盾構(gòu)過(guò)河時(shí)，及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)土倉(cāng)壓力，確保土壓平衡，保證開(kāi)挖面土體穩(wěn)定。4.1.3．盾構(gòu)推進(jìn)隧道軸線(xiàn)控制。切實(shí)做好盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中推進(jìn)速率、出土量等推進(jìn)參數(shù)的控制，防止因土體超挖量過(guò)大造成土體在盾構(gòu)本體處有較大沉降，使得河水涌入隧道。第10頁(yè)/共28頁(yè)4.1.4．掘進(jìn)過(guò)程中不斷地對(duì)盾尾密封鋼絲刷注入油脂，避免盾尾密封破壞；4.1.5．拼裝管片時(shí)，嚴(yán)防盾構(gòu)機(jī)后退，確保正面土體穩(wěn)定。4.1.6．同步注漿量控制。及時(shí)進(jìn)行同步注漿，使管片襯砌盡早支承地層，防止地層沉陷，同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)情況來(lái)調(diào)整同步注漿量和注漿壓力，既不能因過(guò)少、過(guò)小而造成河底沉降，也不能因過(guò)多、過(guò)大而造成河底隆起破壞,使河水涌入隧道。4.1.7．進(jìn)度控制。為保證盾構(gòu)順利過(guò)河，過(guò)河時(shí)盾構(gòu)應(yīng)確保連續(xù)均衡施工。要配備足夠的值班維修人員，一旦盾構(gòu)機(jī)械發(fā)生故障能夠及時(shí)進(jìn)行處理，確保盾構(gòu)推進(jìn)順利進(jìn)行。

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例如南京地鐵在三山街至中華門(mén)盾構(gòu)區(qū)間,需穿越內(nèi)秦淮河。該處覆土很薄,在原河床條石基礎(chǔ)下深度1.5m范圍基本為碎石、碎磚等建筑垃圾,且盾構(gòu)離抗浮板底只有80cm，造成上部覆土不能加固密實(shí),容易產(chǎn)生漏水、漏泥,使得隧道上部壓力過(guò)小,隧道會(huì)產(chǎn)生向上漂移、下部產(chǎn)生空隙的現(xiàn)象。另外,盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)難以控制,盾構(gòu)容易出現(xiàn)偏移。因此,盾構(gòu)穿越內(nèi)秦淮河施工時(shí)采取了如下措施:

將碎石、碎磚等建筑垃圾清除并覆土回填,在其上面澆70cm厚的抗浮板；在頂板下對(duì)盾構(gòu)正面土體進(jìn)行壓密注漿加固,注漿孔采用內(nèi)徑100mm的PVC管,加固深度為7m,孔位間距、孔位排距均為1m；在盾構(gòu)兩側(cè)各做一排鉆孔灌注樁。第12頁(yè)/共28頁(yè)4.2盾構(gòu)隧道沉降控制

沉降類(lèi)型主要原因初始沉降地下水位降低,土體受擠壓密開(kāi)完面前方隆陷隆起:盾構(gòu)機(jī)推力過(guò)大沉降:盾構(gòu)機(jī)推力過(guò)小出碴過(guò)量盾構(gòu)通過(guò)時(shí)地沉降施工震動(dòng)擾動(dòng),剪切錯(cuò)動(dòng)盾尾沉降土體失去盾構(gòu)支撐,管片壁后注漿不及時(shí)固結(jié)沉降土體后續(xù)時(shí)效變形地面變形機(jī)理理第13頁(yè)/共28頁(yè)地面變形的一般規(guī)律圖

第14頁(yè)/共28頁(yè)沉陷事故照片第15頁(yè)/共28頁(yè)4.2.1減少對(duì)開(kāi)挖面地層的擾動(dòng):

(1)在施工前做好施工區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)情況調(diào)查,特別是做好地下水的來(lái)源、流向及流量的調(diào)查,為施工做準(zhǔn)備工作,提前制定出各種防治地表變形的措施,制定出防水、堵水方案和坍塌緊急處理預(yù)案。(2)提高施工的速度和連續(xù)性。做好施工組織，提高隧道施工速度，盡量避免盾構(gòu)機(jī)在洞內(nèi)停機(jī)。若盾構(gòu)在中途檢修或其他原因必須暫停推進(jìn)時(shí)，務(wù)必要作好防止后退的措施。(3)在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí),嚴(yán)格控制開(kāi)挖面的出土量，防止超挖。只要嚴(yán)格控制其進(jìn)土量,地表變形仍然是有可能控制的。(4)控制盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)的糾偏量。常糾偏、小糾偏，這樣就可以減少盾構(gòu)在地層中的擺動(dòng)和對(duì)土層的擾動(dòng)。同時(shí)避免糾偏需要的開(kāi)挖面局部超挖。第16頁(yè)/共28頁(yè)4.2.2做好盾尾建筑空隙的充填壓漿

(1)保證壓注工作的及時(shí)性,盡可能縮短襯砌脫出盾尾的暴露時(shí)間,以防洞體坍塌引起的地層沉陷。(2)保證壓注數(shù)量,控制注漿壓力。壓注量必須超過(guò)理論建筑空隙的體積，通常為1.1~1.5倍。但是,過(guò)量的壓注會(huì)引起地表隆起及局部沿著地下水跑漿等現(xiàn)象,對(duì)管片受力狀態(tài)也有影響。由于盾構(gòu)糾偏、局部超挖、地層存在孔隙等原因,往往使實(shí)際的建筑空隙很難正確估計(jì)。因此,還應(yīng)以控制注漿壓力,作為充填程度的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)壓力急劇升高時(shí),說(shuō)明已充填密實(shí),此時(shí)就應(yīng)停止壓注,對(duì)注入數(shù)量及注漿壓力要兼顧。(3)改進(jìn)壓漿材料的性能。施工時(shí),拌漿站要嚴(yán)格掌握壓漿材料的配合比,對(duì)其凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度、收縮量要進(jìn)行試驗(yàn)并不斷改進(jìn)。提高注漿材料的抗?jié)B性能,這將有利于遂道防水,相應(yīng)地也會(huì)減少地表的沉降。第17頁(yè)/共28頁(yè)4.3盾構(gòu)近距離穿越重要構(gòu)筑物的施工盾構(gòu)施工過(guò)程中，有可能近距離穿越既有鐵路軌道、公路隧道、地鐵隧道及其他重要建筑物。例如：北京地鐵4號(hào)線(xiàn)靈鏡胡同～西四區(qū)間，盾構(gòu)將從已有770年歷史的萬(wàn)松老人塔下穿過(guò)。上海地鐵8號(hào)線(xiàn)曲阜路～人民廣場(chǎng)區(qū)間盾構(gòu)隧道從正在運(yùn)營(yíng)的2號(hào)線(xiàn)隧道上方1.34m處穿過(guò)。北京地鐵10號(hào)線(xiàn)北土城～芍藥居盾構(gòu)區(qū)間下穿13號(hào)線(xiàn)芍藥居車(chē)站。第18頁(yè)/共28頁(yè)4.3.1在實(shí)施前必須對(duì)穿越區(qū)域的地質(zhì)水文及地形進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)該構(gòu)筑物位置形狀材質(zhì)強(qiáng)度用途、允許變形量、選用的盾構(gòu)機(jī)型及距盾構(gòu)的相對(duì)位置等設(shè)計(jì)條件，進(jìn)行施工影響程度的計(jì)算和評(píng)估，制定詳細(xì)的施工方案；4.3.2穿越前必須在被保護(hù)的構(gòu)筑物上設(shè)置精密監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在穿越過(guò)程中根據(jù)盾構(gòu)與該構(gòu)筑物的相對(duì)位置以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的即時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，綜合調(diào)控施工步驟及參數(shù)；4.3.3盾構(gòu)在穿越構(gòu)筑物期間應(yīng)嚴(yán)格控制推進(jìn)速度，對(duì)一般地層推進(jìn)速度≤10mm/min為宜，困難區(qū)段6-8mm/min。主要施工措施：第19頁(yè)/共28頁(yè)4.3.4合理精確地設(shè)定土壓力是施工關(guān)鍵，尤其是在盾構(gòu)接近構(gòu)筑物開(kāi)始產(chǎn)生影響至盾構(gòu)頭部到達(dá)構(gòu)筑物下方期間。同時(shí)必須考慮盾構(gòu)從建筑物下方穿越時(shí)的土壓力損失值，嚴(yán)格防止超挖和欠挖；4.3.5土壓平衡盾構(gòu)施工時(shí)，必須充分考慮開(kāi)挖土體的流動(dòng)性。必要時(shí)向開(kāi)挖面適量加注泥漿或水，亦可采用氣泡掘進(jìn)工法；穿越施工必須考慮盾殼與周?chē)馏w的磨擦及粘附，必要時(shí)可向盾殼四周均勻少量加注泥漿；第20頁(yè)/共28頁(yè)4.3.6盾構(gòu)在曲線(xiàn)推進(jìn)穿越時(shí)，必須精確計(jì)算（水平和豎向）糾偏量，并將其分配至全部推進(jìn)行程中，嚴(yán)禁大幅度糾偏，推進(jìn)時(shí)盾構(gòu)水平糾偏量＜20mm/環(huán)，垂直糾偏量＜0.05度/環(huán)。出現(xiàn)大的偏移時(shí)，要考慮調(diào)線(xiàn)。4.3.7盡量縮短管片拼裝時(shí)間，防止盾構(gòu)機(jī)后退導(dǎo)致正面土壓力降低。必要時(shí)可采取在管片拼裝中途啟動(dòng)千斤頂或土倉(cāng)內(nèi)加壓等技術(shù)措施；第21頁(yè)/共28頁(yè)4.3.8在穿越過(guò)程中必須及時(shí)進(jìn)行同步注漿。穿越施工的同步注漿必須精確控制注漿量和注漿速率，否則將會(huì)使構(gòu)筑物產(chǎn)生大的形變；同步注漿可采用惰性漿液或雙液漿。注漿量主要依據(jù)距構(gòu)筑物的位置和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，一般為理論建筑間隙的110％－150％，注漿壓力0.3-0.5Mpa。4.3.9盾構(gòu)穿越后應(yīng)進(jìn)行二次補(bǔ)漿，二次補(bǔ)漿的開(kāi)始時(shí)間、注漿位置、注漿量與速率、補(bǔ)漿次數(shù)與間隔時(shí)間應(yīng)根據(jù)構(gòu)筑物變形的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定。先頻后疏，先大后小，往往耗時(shí)數(shù)月；二次補(bǔ)漿可采用雙液注漿，一般在距離盾構(gòu)尾部5-10m后根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓注，注漿壓力應(yīng)控制在0.3Mpa以下。二次補(bǔ)漿須考慮對(duì)新建本體隧道的影響，防止隧道受壓過(guò)大或不