下面以密閉式盾構(gòu)為例簡(jiǎn)要介紹掘進(jìn)技術(shù)。

　　一、盾構(gòu)法施工步驟與掘進(jìn)控制內(nèi)容

　　盾構(gòu)法施工現(xiàn)場(chǎng)如圖1K413012-5所示，主要施工步驟為：

　　(1)在一段隧道的起始端和終止端各建一個(gè)工作井(城市地鐵一般利用車站的端頭)作為始發(fā)或接收工作井;

　　(2)盾構(gòu)在始發(fā)工作井內(nèi)安裝就位;

　　(3)依靠盾構(gòu)千斤頂推力(作用在工作井后壁或新拼裝好的襯砌上)將盾構(gòu)從始發(fā)工作井的洞口推人地層;

　　(4)盾構(gòu)在地層中沿著設(shè)計(jì)軸線推進(jìn)，在推進(jìn)的同時(shí)不斷出土(泥)和安裝襯砌管片;

　　(5)及時(shí)向襯砌背后的空隙注漿，防止地層變形并使襯砌安定;

　　(6)盾構(gòu)進(jìn)入接收工作井并被吊移，如施工需要，也可穿越工作井繼續(xù)掘進(jìn)。

　　盾構(gòu)掘進(jìn)控制的目的是確保開挖面穩(wěn)定的同時(shí)，構(gòu)筑隧道結(jié)構(gòu)、維持隧道線形、及早填充盾尾空隙。因此，開挖控制、一次襯砌、線形控制和注漿構(gòu)成了盾構(gòu)掘進(jìn)控制四要素。施工前必須根據(jù)地質(zhì)條件、隧道條件、環(huán)境條件、設(shè)計(jì)要求等，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定具體控制內(nèi)容與參數(shù);施工中根據(jù)包括監(jiān)控量測(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)調(diào)整控制參數(shù)，才能確保實(shí)現(xiàn)施工安全、施工質(zhì)量、施工工期與施工成本預(yù)期目標(biāo)。盾構(gòu)掘進(jìn)控制的具體內(nèi)容見(jiàn)表1K413034。

　　一、開挖控制

　　開挖控制的根本目的是確保開挖面穩(wěn)定。

　　土壓式盾構(gòu)與泥水式盾構(gòu)的開挖控制內(nèi)容略有不同。

　　(一)土壓(泥水壓)控制

　　(1)土壓式盾構(gòu)，以土壓和塑流性改良控制為主，輔以排土量、盾構(gòu)參數(shù)控制。泥水式盾構(gòu)，以泥水壓和泥漿性能控制為主，輔以排土量控制。

　　(2)開挖面的土壓(泥水壓)控制值，按“地下水壓(間隙水壓)+土壓十預(yù)備壓”設(shè)定。

　　1)地下水壓可從鉆孔數(shù)據(jù)正確掌握，但要考慮季節(jié)性變動(dòng)?？拷恿鞯葓?chǎng)合，要考慮水面水位變動(dòng)的影響。

　　2)土壓有靜止土壓、主動(dòng)土壓和松弛土壓，要根據(jù)地層條件.區(qū)別使用。按靜止土壓設(shè)定控制土壓，是開挖面不變形的最理想土壓值，但控制土壓相當(dāng)大，必須加大盾構(gòu)裝備能力。主動(dòng)土壓是開挖面不發(fā)生坍塌的臨界壓力，控制土壓最小。地質(zhì)條件良好、覆土深、能形成土拱的場(chǎng)合，可采用松弛土壓。

　　3)預(yù)備壓，用來(lái)補(bǔ)償施工中的壓力損失，土壓式盾構(gòu)通常取10～20kN/m2，泥水式盾構(gòu)通常取20～50kN/m2 。

　　(3)計(jì)算土壓(泥水壓)控制值時(shí)，一般沿隧道軸線取適當(dāng)間隔(例如20m)，按各斷面的土質(zhì)條件，計(jì)算出上限值與下限值，并根據(jù)施工條件在其范圍內(nèi)設(shè)定。土體穩(wěn)定性好的場(chǎng)合取低值，地層變形要求小的場(chǎng)合取高值。

　　上限值：

　　Pmax=地下水壓 十 靜止土壓 十 預(yù)備壓

　　下限值：

　　Pmin=地下水壓+(主動(dòng)土壓或松弛土壓)+預(yù)備壓

　　為使開挖面穩(wěn)定，土壓(泥水壓)變動(dòng)要小;變動(dòng)大的情況下，一般開挖面不穩(wěn)定。

　　(二)土壓式盾構(gòu)泥土的塑流化改良控制

　　(1)土壓式盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，理想地層的土特性是：

　　1)塑性變形好;

　　2)流塑至軟塑狀;

　　3)內(nèi)摩擦小;

　　4)滲透性低。

　　細(xì)顆粒(75μm以下的粉土與黏土)含量30%以上的土砂，塑性流動(dòng)性滿足要求。在細(xì)顆粒含量低于30%、或砂卵石地層，必須加泥或加泡沫等改良材料，以提高塑性流動(dòng)性和止水性(見(jiàn)圖1K413034-1)。

　　改良材料必須具有流動(dòng)性、易與開挖土砂混合、不離析、無(wú)污染等特性。一般使用的改良材料有礦物系(如膨潤(rùn)土泥漿)、界面活性劑系(如泡沫)、高吸水性樹脂系和水溶性高分子系四類(我國(guó)目前常用前兩類)，可單獨(dú)或組合使用。

　　(2)選擇改良材料要依據(jù)以下條件：

　　1)土質(zhì)(粒度分布、礫石粒徑、礫石含量、黏性土含量、均等系數(shù)等);

　　2)透水系數(shù);

　　3)地下水壓;

　　4)水離子電性;

　　5)是否泵送排土;

　　6)加泥(泡沫等)設(shè)備空間(地面、隧道內(nèi));

　　7)掘進(jìn)長(zhǎng)度;

　　8)棄土處理?xiàng)l件;

　　9)費(fèi)用(材料價(jià)格、注入量、材料損耗、用電量、設(shè)備費(fèi)等)。

　　(3)塑流化改良控制是土壓式盾構(gòu)施工的最重要要素之一，要隨時(shí)把握土壓倉(cāng)內(nèi)土砂的塑性流動(dòng)性。一般按以下方法掌握塑流性狀態(tài)。

　　1)根據(jù)排土性狀

　　取樣測(cè)定(或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)恳?土砂的坍落度，以把握土壓倉(cāng)內(nèi)土砂的流動(dòng)狀態(tài)。采用的坍落度控制值取決于土質(zhì)、改良材料性狀與土的輸送方式。

　　2)根據(jù)土砂輸送效率

　　按螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)算的排土量與按盾構(gòu)推進(jìn)速度計(jì)算的排土量進(jìn)行比較，以判斷開挖土砂的流動(dòng)狀態(tài)。一般情況下，土壓倉(cāng)內(nèi)土砂的塑性流動(dòng)性好，盾構(gòu)掘進(jìn)就正常，兩者高度相關(guān)。

　　3)根據(jù)盾構(gòu)機(jī)械負(fù)荷

　　根據(jù)刀盤油壓(或電壓)、刀盤扭矩、螺旋輸送機(jī)扭矩、千斤頂推力等機(jī)械負(fù)荷變化，判斷土砂的流動(dòng)狀態(tài)。一般根據(jù)初始掘進(jìn)時(shí)的機(jī)械負(fù)荷狀況和地層變化結(jié)果等因素，確定開挖土砂的最適性狀和控制值的容許范圍。

　　(三)泥水式盾構(gòu)的泥漿性能控制

　　泥水式盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，泥漿起著兩方面的重要作用：一是依靠泥漿壓力在開挖面形成泥膜或滲透區(qū)域，開挖面土體強(qiáng)度提高，同時(shí)泥漿壓力平衡了開挖面土壓和水壓，達(dá)到了開挖面穩(wěn)定的目的;二是泥漿作為輸送介質(zhì)，擔(dān)負(fù)著將所有挖出土砂運(yùn)送到工作井外的任務(wù)。因此，泥漿性能控制是泥水式盾構(gòu)施工的最重要要素之一。

　　泥漿性能包括：比重、黏度、pH值、過(guò)濾特性和含砂率。

　　(四)排土量控制

　　1.開挖土量計(jì)算

　　單位掘進(jìn)循環(huán)(一般按一環(huán)管片寬度為一個(gè)掘進(jìn)循環(huán))開挖土量Q，一般按下式計(jì)算：

　　式中 V――開挖土干砂量(m3);

　　Q――開挖土計(jì)算體積(m3);

　　Gs――土顆粒相對(duì)密度;

　　ω――土體的含水量(%)。

　　干砂量控制方法是，檢測(cè)單位掘進(jìn)循環(huán)送泥干砂量V1與排泥干砂量V2，按下式計(jì)算排土干砂量V3：

　　三、管片拼裝控制

　　(一)拼裝方法

　　1.拼裝成環(huán)方式

　　盾構(gòu)推進(jìn)結(jié)束后，迅速拼裝管片成環(huán)。除特殊場(chǎng)合外，大都采取錯(cuò)縫拼裝。在糾偏或急曲線施工的情況下，有時(shí)采用通縫拼裝。

　　2.拼裝順序

　　一般從下部的標(biāo)準(zhǔn)(A型)管片開始，依次左右兩側(cè)交替安裝標(biāo)準(zhǔn)管片，然后拼裝鄰接(B型)管片，最后安裝楔形(K型)管片。

　　3.盾構(gòu)千斤頂操作

　　拼裝時(shí)，若盾構(gòu)千斤頂同時(shí)全部縮回，則在開挖面土壓的作用下盾構(gòu)會(huì)后退，開挖面將不穩(wěn)定，管片拼裝空間也將難以保證。因此，隨管片拼裝順序分別縮回盾構(gòu)千斤頂非常重要。

　　4.緊固連接螺栓

　　先緊固環(huán)向(管片之間)連接螺栓，后緊固軸向(環(huán)與環(huán)之間)連接螺栓。采用扭矩扳手緊固，緊固力取決于螺栓的直徑與強(qiáng)度。

　　5.楔形管片安裝方法

　　楔形管片安裝在鄰接管片之間，為了不發(fā)生管片損傷、密封條剝離，必須充分注意正確地插入楔形管片。為方便插入楔形管片，可裝備能將鄰接管片沿徑向向外頂出的千斤頂，以增大插入空間。

　　拼裝徑向插入型楔形管片時(shí)，楔形管片有向內(nèi)的趨勢(shì)，在盾構(gòu)千斤頂推力作用下，其向內(nèi)的趨勢(shì)加劇。拼裝軸向插入型楔形管片時(shí)，管片后端有向內(nèi)的趨勢(shì)，而前端有向外的趨勢(shì)。

　　6.連接螺栓再緊固

　　一環(huán)管片拼裝后，利用全部盾構(gòu)千斤頂均勻施加壓力，充分緊固軸向連接螺栓。

　　盾構(gòu)繼續(xù)掘進(jìn)后，在盾構(gòu)千斤頂推力、脫出盾尾后土(水)壓力的作用下襯砌產(chǎn)生變形，拼裝時(shí)緊固的連接螺栓會(huì)松弛。為此，待推進(jìn)到千斤頂推力影響不到的位置后，用扭矩扳手等，再一次緊固連接螺栓。再緊固的位置隨隧道外徑、隧道線形、管片種類、地質(zhì)條件等而不同。

　　(二)真圓保持

　　管片拼裝呈真圓，并保持真圓狀態(tài)，對(duì)于確保隧道尺寸精度、提高施工速度與止水性及減少地層沉降非常重要。

　　管片環(huán)從盾尾脫出后，到注漿漿體硬化到某種程度的過(guò)程中，多采用真圓保持裝置。

　　(三)管片拼裝誤差及其控制

　　管片拼裝時(shí)，若管片間連接面不平行，導(dǎo)致環(huán)間連接面不平，則拼裝中的管片與已拼管片的角部呈點(diǎn)接觸或線接觸，在盾構(gòu)千斤頂推力作用下，發(fā)生破損(見(jiàn)圖1K413034―2)。為此，拼裝管片時(shí)，各管片連接面要拼接整齊，連接螺栓要充分緊固。

　　另外，盾構(gòu)掘進(jìn)方向與管片環(huán)方向不一致時(shí)，盾構(gòu)與管片產(chǎn)生干涉，將導(dǎo)致管片損傷或變形。伴隨管片寬度增加，上述情況增多。為防止管片損傷，預(yù)先要根據(jù)曲線半徑與管片寬度對(duì)適宜的盾構(gòu)方向控制方法進(jìn)行詳細(xì)研究，施工中對(duì)每環(huán)管片的盾尾間隙認(rèn)真檢測(cè)，并對(duì)隧道線形與盾構(gòu)方向嚴(yán)格控制。在盾構(gòu)與管片產(chǎn)生干涉的場(chǎng)合，必須迅速改變盾構(gòu)方向、消除干涉。

　　盾構(gòu)糾偏應(yīng)及時(shí)連續(xù)，過(guò)大的偏斜量不能采取一次糾偏的方法，糾偏時(shí)不得損壞管片，并保證后一環(huán)管片的順利拼裝。

　　(四)楔形環(huán)的使用

　　除盾構(gòu)沿曲線掘進(jìn)必須使用楔形環(huán)外，在盾構(gòu)與管片有產(chǎn)生干涉趨勢(shì)的情況下也可使用楔形環(huán)。

　　四、注漿控制

　　注漿是向管片與圍巖之間的空隙注入填充漿液，向管片外壓漿的工藝，應(yīng)根據(jù)所建工程對(duì)隧道變形及地層沉降的控制要求選擇同步注漿或壁后注漿，一次壓漿或多次壓漿。由計(jì)劃到施工的流程如圖1K413034-3所示。

　　(一)注漿目的

　　管片拼裝完成后，隨著盾構(gòu)的推進(jìn)，管片與洞體之間出現(xiàn)空隙。如不及時(shí)充填，地層應(yīng)力釋放后，會(huì)產(chǎn)生變形。其結(jié)果是發(fā)生地面沉降、鄰近建(構(gòu))筑物沉降、變形或破壞等。注漿的主要目的就是防止地層變形，還有其他重要目的，具體如下：

　　(1)抑制隧道周邊地層松弛，防止地層變形。

　　(2)及早使襯砌管片環(huán)安定，千斤頂推力平滑地向地層傳遞。作用于管片的推力平均，能減小作用于管片的應(yīng)力和管片變形，盾構(gòu)的方向控制容易。

　　(3)形成有效的防水層。

　　(二)注漿材料的性能

　　一般對(duì)注漿材料的性能有如下要求：

　　(1)流動(dòng)性好;

　　(2)注入時(shí)不離析;

　　(3)具有均勻的高于地層土壓的早期強(qiáng)度;

　　(4)良好的充填性;

　　(5)注入后體積收縮小;

　　(6)阻水性高;

　　(7)適當(dāng)?shù)酿ば?，以防止從盾尾漏漿或向開挖面回流;

　　(8)不污染環(huán)境。

　　(三)一次注漿

　　一次注漿分為同步注漿、即時(shí)注漿和后方注漿三種方式，要根據(jù)地質(zhì)條件、盾構(gòu)直徑、環(huán)境條件、注漿設(shè)備的維護(hù)控制、開挖斷面的制約與盾尾構(gòu)造等充分研究確定。

　　1.同步注漿

　　同步注漿是在空隙出現(xiàn)的同時(shí)進(jìn)行注漿、填充空隙的方式，分為從設(shè)在盾構(gòu)的注漿管注入和從管片注漿孔注入兩種方式。前者，其注漿管安裝在盾構(gòu)外側(cè)，存在影響盾構(gòu)姿態(tài)控制的可能性，每次注入若不充分洗凈注漿管，則可能發(fā)生阻塞，但能實(shí)現(xiàn)真正意義的同步注漿。后者，管片從盾尾脫出后才能注漿，為與前者區(qū)別，可被稱作半同步注漿。

　　2.即時(shí)注漿

　　一環(huán)掘進(jìn)結(jié)束后從管片注漿孔注入的方式。

　　3.后方注漿

　　掘進(jìn)數(shù)環(huán)后從管片注漿孔注入酌方式。

　　一般盾構(gòu)直徑大，或在沖積黏性土和砂質(zhì)土中掘進(jìn)，多采用同步注漿;而在自穩(wěn)性好的軟巖中，多采取后方注漿方式。

　　(四)二次注漿

　　二次注漿是以彌補(bǔ)一次注漿缺陷為目的進(jìn)行的注漿，具體作用如下：

　　(1)補(bǔ)足一次注漿未充填的部分;

　　(2)補(bǔ)充由漿體收縮引起的體積減小;

　　(3)以防止周圍地層松弛范圍擴(kuò)大為目的的補(bǔ)充。

　　以上述(1)、(2)為目的的二次注漿，多采用與一次注漿相同的漿液;若以(3)為目的，多采用化學(xué)漿液。

　　(五)注漿量與注漿壓力

　　注漿控制分為壓力控制與注漿量控制兩種。壓力控制是保持設(shè)定壓力不變，注漿量變化的方法。注漿量控制是注漿量一定，壓力變化的方法。一般僅采用一種控制方法都不充分，應(yīng)同時(shí)進(jìn)行壓力和注漿量控制。

　　1.注漿量

　　注漿量除受漿液向地層滲透和泄漏外，還受曲線掘進(jìn)、超挖和漿液種類等因素影響，不能準(zhǔn)確確定。一般采用以下方法確定。

　　按下式計(jì)算注漿量Q：

　　式中 V――計(jì)算空隙量;

　　a――注入率;

　　Ds――開挖外徑;

　　D0――管片外徑;

　　v――進(jìn)速度。

　　注入率a根據(jù)漿液特性(體積變化)、土質(zhì)及施工損耗考慮的比例系數(shù)，基于經(jīng)驗(yàn)確定。

　　2.注漿壓力

　　注漿壓力應(yīng)根據(jù)土壓、水壓、管片強(qiáng)度、盾構(gòu)形式與漿液特性綜合判斷決定，但施工中通?；谑┕そ?jīng)驗(yàn)確定。

　　從管片注漿孔注漿，注漿壓力一般取100～300kN/m2(1～3 kg/cm2)，或間隙水壓加200kN/m2左右。

　　注漿量與注漿壓力要經(jīng)過(guò)一定的反復(fù)試驗(yàn)，確認(rèn)注漿效果、對(duì)周圍地層和建(構(gòu))筑物的影響等，并在施工中進(jìn)行一定范圍內(nèi)的效果確認(rèn)，反饋其結(jié)果指導(dǎo)施工。

　　五、隧道的線形控制

　　線形控制的主要任務(wù)是通過(guò)控制盾構(gòu)姿態(tài)，使構(gòu)建的襯砌結(jié)構(gòu)幾何中心線線形順滑，且位于偏離設(shè)計(jì)中心線的容許誤差范圍內(nèi)。

　　(一)掘進(jìn)控制測(cè)量

　　隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，對(duì)盾構(gòu)及襯砌的位置進(jìn)行測(cè)量，以把握偏離設(shè)計(jì)中心線的程度。測(cè)量項(xiàng)目包括：盾構(gòu)的位置、傾角、偏轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)角及盾構(gòu)千月’頂行程、盾尾間隙和襯砌位置等。基于上述測(cè)量結(jié)果，作圖畫出盾構(gòu)及襯砌與設(shè)計(jì)中心線的位置關(guān)系，直接預(yù)測(cè)下一環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)偏差十分重要。

　　(二)方向控制

　　掘進(jìn)過(guò)程中，主要對(duì)盾構(gòu)傾斜及其位置以及拼裝管片的位置進(jìn)行控制。

　　盾構(gòu)方向(偏轉(zhuǎn)角和傾角)修正依靠調(diào)整盾構(gòu)千斤頂使用數(shù)量進(jìn)行。若遇硬地層或曲線掘進(jìn)，要進(jìn)行大的方向修正場(chǎng)合，須采用仿形刀向調(diào)整方向超挖。此時(shí)，盾尾間隙減小，管片拼裝困難，為確保盾尾間隙，必須進(jìn)行方向修正。盾尾間隙大大減小的情況下，要拼裝楔形環(huán)管片，以確保盾尾間隙。

　　盾構(gòu)轉(zhuǎn)角的修正，可采取刀盤向盾構(gòu)偏轉(zhuǎn)同一方向旋轉(zhuǎn)的方法，利用產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)反力進(jìn)行修正。

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