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一級建造師《市政工程》知識點：1K34盾構掘進技術

1K30盾構法施工

1K34 盾構掘進技術

下面以密閉式盾構為例簡要介紹掘進技術。

一、盾構法施工步驟與掘進控制內容

盾構法施工現場如圖1K12-5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工作井(城市地鐵一般利用車站的端頭)作為始發或接收工作井;

(2)盾構在始發工作井內安裝就位;

(3)依靠盾構千斤頂推力(作用在工作井后壁或新拼裝好的襯砌上)將盾構從始發工作井的洞口推人地層;

(4)盾構在地層中沿著設計軸線推進，在推進的同時不斷出土(泥)和安裝襯砌管片;

(5)及時向襯砌背后的空隙注漿，防止地層變形并使襯砌安定;

(6)盾構進入接收工作井并被吊移，如施工需要，也可穿越工作井繼續掘進。

盾構掘進控制的目的是確保開挖面穩定的同時，構筑隧道結構、維持隧道線形、及早填充盾尾空隙。因此，開挖控制、一次襯砌、線形控制和注漿構成了盾構掘進控制四要素。施工前必須根據地質條件、隧道條件、環境條件、設計要求等，在試驗的基礎上，確定具體控制內容與參數;施工中根據包括監控量測的各項數據調整控制參數，才能確保實現施工安全、施工質量、施工工期與施工成本預期目標。盾構掘進控制的具體內容見表1K34。

密閉式盾構掘進控制內容構成 表1K34

一、開挖控制

開挖控制的根本目的是確保開挖面穩定。

土壓式盾構與泥水式盾構的開挖控制內容略有不同。

(一)土壓(泥水壓)控制

(1)土壓式盾構，以土壓和塑流性改良控制為主，輔以排土量、盾構參數控制。泥水式盾構，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)+土壓十預備壓設定。

1)地下水壓可從鉆孔數據正確掌握，但要考慮季節性變動?？拷恿鞯葓龊?，要考慮水面水位變動的影響。

2)土壓有靜止土壓、主動土壓和松弛土壓，要根據地層條件.區別使用。按靜止土壓設定控制土壓，是開挖面不變形的最理想土壓值，但控制土壓相當大，必須加大盾構裝備能力。主動土壓是開挖面不發生坍塌的臨界壓力，控制土壓最小。地質條件良好、覆土深、能形成土拱的場合，可采用松弛土壓。

3)預備壓，用來補償施工中的壓力損失，土壓式盾構通常取10～20kN/m2，泥水式盾構通常取20～50kN/m2 。

(3)計算土壓(泥水壓)控制值時，一般沿隧道軸線取適當間隔(例如20m)，按各斷面的土質條件，計算出上限值與下限值，并根據施工條件在其范圍內設定。土體穩定性好的場合取低值，地層變形要求小的場合取高值。

上限值：

Pmax=地下水壓 十 靜止土壓 十 預備壓

下限值：

Pmin=地下水壓+(主動土壓或松弛土壓)+預備壓

為使開挖面穩定，土壓(泥水壓)變動要小;變動大的情況下，一般開挖面不穩定。

(二)土壓式盾構泥土的塑流化改良控制

(1)土壓式盾構掘進時，理想地層的土特性是：

1)塑性變形好;

2)流塑至軟塑狀;

3)內摩擦小;

4)滲透性低。

細顆粒(75μm以下的粉土與黏土)含量30%以上的土砂，塑性流動性滿足要求。在細顆粒含量低于30%、或砂卵石地層，必須加泥或加泡沫等改良材料，以提高塑性流動性和止水性(見圖1K34-1)。

改良材料必須具有流動性、易與開挖土砂混合、不離析、無污染等特性。一般使用的改良材料有礦物系(如膨潤土泥漿)、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(我國目前常用前兩類)，可單獨或組合使用。

(2)選擇改良材料要依據以下條件：

1)土質(粒度分布、礫石粒徑、礫石含量、黏性土含量、均等系數等);

2)透水系數;

3)地下水壓;

4)水離子電性;

5)是否泵送排土;

6)加泥(泡沫等)設備空間(地面、隧道內);

7)掘進長度;

8)棄土處理條件;

9)費用(材料價格、注入量、材料損耗、用電量、設備費等)。

(3)塑流化改良控制是土壓式盾構施工的最重要要素之一，要隨時把握土壓倉內土砂的塑性流動性。一般按以下方法掌握塑流性狀態。

1)根據排土性狀

取樣測定(或根據經驗目視)土砂的坍落度，以把握土壓倉內土砂的流動狀態。采用的坍落度控制值取決于土質、改良材料性狀與土的輸送方式。

2)根據土砂輸送效率

按螺旋輸送機轉數計算的排土量與按盾構推進速度計算的排土量進行比較，以判斷開挖土砂的流動狀態。一般情況下，土壓倉內土砂的塑性流動性好，盾構掘進就正常，兩者高度相關。

3)根據盾構機械負荷

根據刀盤油壓(或電壓)、刀盤扭矩、螺旋輸送機扭矩、千斤頂推力等機械負荷變化，判斷土砂的流動狀態。一般根據初始掘進時的機械負荷狀況和地層變化結果等因素，確定開挖土砂的最適性狀和控制值的容許范圍。

(三)泥水式盾構的泥漿性能控制

泥水式盾構掘進時，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域，開挖面土體強度提高，同時泥漿壓力平衡了開挖面土壓和水壓，達到了開挖面穩定的目的;二是泥漿作為輸送介質，擔負著將所有挖出土砂運送到工作井外的任務。因此，泥漿性能控制是泥水式盾構施工的最重要要素之一。

泥漿性能包括：比重、黏度、pH值、過濾特性和含砂率。

(四)排土量控制

1.開挖土量計算

單位掘進循環(一般按一環管片寬度為一個掘進循環)開挖土量Q，一般按下式計算：

式中 V――開挖土干砂量(m3);

Q――開挖土計算體積(m3);

Gs――土顆粒相對密度;

ω――土體的含水量(%)。

干砂量控制方法是，檢測單位掘進循環送泥干砂量V1與排泥干砂量V2，按下式計算排土干砂量V3：

三、管片拼裝控制

(一)拼裝方法

1.拼裝成環方式

盾構推進結束后，迅速拼裝管片成環。除特殊場合外，大都采取錯縫拼裝。在糾偏或急曲線施工的情況下，有時采用通縫拼裝。

2.拼裝順序

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

3.盾構千斤頂操作

拼裝時，若盾構千斤頂同時全部縮回，則在開挖面土壓的作用下盾構會后退，開挖面將不穩定，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千斤頂非常重要。

4.緊固連接螺栓

先緊固環向(管片之間)連接螺栓，后緊固軸向(環與環之間)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，楔形管片有向內的趨勢，在盾構千斤頂推力作用下，其向內的趨勢加劇。拼裝軸向插入型楔形管片時，管片后端有向內的趨勢，而前端有向外的趨勢。

6.連接螺栓再緊固

一環管片拼裝后，利用全部盾構千斤頂均勻施加壓力，充分緊固軸向連接螺栓。

盾構繼續掘進后，在盾構千斤頂推力、脫出盾尾后土(水)壓力的作用下襯砌產生變形，拼裝時緊固的連接螺栓會松弛。為此，待推進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，對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。

管片環從盾尾脫出后，到注漿漿體硬化到某種程度的過程中，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，若管片間連接面不平行，導致環間連接面不平，則拼裝中的管片與已拼管片的角部呈點接觸或線接觸，在盾構千斤頂推力作用下，發生破損(見圖1K34―2)。為此，拼裝管片時，各管片連接面要拼接整齊，連接螺栓要充分緊固。

另外，盾構掘進方向與管片環方向不一致時，盾構與管片產生干涉，將導致管片損傷或變形。伴隨管片寬度增加，上述情況增多。為防止管片損傷，預先要根據曲線半徑與管片寬度對適宜的盾構方向控制方法進行詳細研究，施工中對每環管片的盾尾間隙認真檢測，并對隧道線形與盾構方向嚴格控制。在盾構與管片產生干涉的場合，必須迅速改變盾構方向、消除干涉。

盾構糾偏應及時連續，過大的偏斜量不能采取一次糾偏的方法，糾偏時不得損壞管片，并保證后一環管片的順利拼裝。

(四)楔形環的使用

除盾構沿曲線掘進必須使用楔形環外，在盾構與管片有產生干涉趨勢的情況下也可使用楔形環。

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