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第一章盾構法發展

盾構法(Shield)或掩護筒法是在地表以下土層或松軟巖層中暗挖隧道的一種施工方法。自1818年法國工程師布魯諾爾(Brunel)發明盾構法以來，經過一百多年的應用與發展，從氣壓盾構到泥水加壓盾構以及更新穎的土壓平衡盾構，已使盾構法能適用于任何水文地質條件下的施工。盾構法受啟發于蛀蟲挖洞，20世紀初日本引進盾構施工技術，并使其得以較大發展。上世紀60年代該技術引入中國。目前，日本及歐洲處于盾構技術的領先地位。隨著盾構機制造業的發展和施工工藝的不斷改進，逐步形成了比較完善的盾構系列施工工法。近年來隨著城市建設的發展，地下空間得到廣泛的開發利用，盾構設備的自動化程度越來越高，其適用性得以拓展，能夠適用于多種地質條件和復雜環境條件。已在城市地鐵、市政管道、地下公路、越江隧道等基礎設施建設中得到廣泛應用。

第二章地鐵盾構區間施工實例

2.1地鐵盾構區間工程概況

角門北路-南站區間左線全長1321.687m（其中盾構法施工1161.488m，礦山法施工139.199m），右線全長1382.858m（其中盾構法施工1231.434m，礦山法施工130.424m）。南站-陶然亭站區間左線全長1462.619m（其中盾構法施工821.05m，礦山法施工604.569m），右線全長1481.079m（其中盾構法施工864.05m，礦山法施工584.629m）。盾構隧道結構采用單層預制拼裝式管片襯砌，隧道外徑6000mm，襯砌厚度300mm，管片環寬1200mm，每環管片分為6塊，管片間防水采用預制彈性密封橡膠條。

2.2所用盾構機的主要技術性能參數

所用盾構機為日本三菱重工業株式會社生產的土壓平衡式盾構機，外徑Ф6140mm，機長約71m，總體重量400T（含后續臺車），總推力37840kN，開口率39%。考慮到沿線砂卵石地層對刀具的磨損，特增加了刀具磨損檢測裝置。本盾構機主體為圓筒狀，由前體、后體構成。該機刀盤由98把刮刀、40把先行刀、1把中心刀、2把仿形刀、3個刀具磨損監測刀組成。22個推進千斤頂均勻的分布在盾構機機身內側的環梁部位，作為盾構機的推進系統。16臺鉸接千斤頂組成的鉸接裝置可以使盾構機在曲線段中比較容易的進行推進作業。另外設置了4套可以從機內進行回填注入的同步回填注入裝置。3道盾尾密封刷設于盾構機體的尾端作為盾尾密封裝置，防止地下水、土沙、背填漿液等從環片與主體之間的縫隙滲入機體內部。

2.3盾構掘進施工控制

盾構施工是以掘進、碴土排運、管片襯砌為基礎進行的。盾構施工控制主要包括三個方面，即開挖控制、填充控制、軸線控制；其中包含7個要點，主要為開挖面穩定、掘進出渣、盾構掘進參數、注漿參數、注漿材料、盾構姿態及位置、管片選型。下面重點談論開挖面穩定控制、盾構掘進參數控制和注漿材料選用:

（1）開挖面穩定控制

施工參數和開挖面穩定控制的好壞直接影響地表沉降大小、地下管線和地表建筑物的安全。因此施工中應對開挖面的穩定進行嚴格控制。為了保證盾構機順暢排土，需對掘削下來的土砂加泥或加化學泡沫等添加劑以控制土倉內土砂的塑性、流動性處于適當的范圍內，以保證盾構機能夠順暢排土。

（2）盾構掘進參數控制

盾構施工類似工廠流水線作業，因此施工中要求各環節緊密銜接，任何一道工序發生滯后，都將直接影響施工工效，或導致施工停止。因此應進行信息化施工管理，收集各階段的施工參數，通過分析、歸納，在施工中不斷對各種參數的設定進行優化，將會提高施工的質量、效率。

（3）注漿材料選用

壁后注漿漿液分為單液砂漿和雙液化學漿液，單液砂漿漿液應具備以下性能：具有良好的長時間穩定性及流動性，并能保證適當的初凝時間，以適應盾構施工以及遠距離輸送的要求；具有良好的充填性能；在滿足注漿施工的前提下，盡可能早地獲得高于地層的早期強度；漿液在地下水環境中，不易產生稀釋現象；漿液固結后收縮率小，泌水率低；原料來源豐富、經濟，施工管理方便，并能滿足施工自動化技術要求。

第三章施工中遇到的問題及處理

3.1盾構始發時盾構機頭扎頭

（1）產生的原因

始發推進后，在盾構抵達撐子面及脫離加固區時由于盾構下半部土體受到擾動，承載力降低容易出現盾構叩頭現象。應抬高盾構始發姿態，盾構機機頭在安置時應設置一個仰角。

產生原因：盾構機在推進過程中，由于泥土倉實際土壓力值低于理論值，使盾構機頭部周期性地下降。造成盾構機“磕頭”。

（2）處理方法

實際操作中，應使泥土倉土壓力值略高于理論值，并在推進時按工況條件和地質情況在盾構機正面加入發泡劑、膨潤土和水等改良土體的添加劑，改良開挖面的土體。施工過程中要根據隧道的埋深、所在位置的土層狀況和地層變形量等信息的反饋，對土壓力設定值、推進速度和注漿量等施工參數及時地進行調整。

3.2盾構過程中產生泥餅

（1）產生的原因

盾構機在粘性土層中施工時，由于粘性土具有內摩擦角小、粘性大和流動困難等特點，使得粘性土體粘附在刀盤上。被刀盤從開挖面上切削下來的粘土，通過刀盤渣槽進入泥土倉后，在泥土倉上壓力的作用下容易被壓實固結，首先將刀盤支撐臂中心充滿填實，并很快地堵死了刀盤中心的渣槽，使刀盤中心正面的土體不能通過中心刀渣槽進入泥土倉，而是在刀盤擠壓力的作用下從刀盤四周的渣槽進入泥土倉。逐漸地，整個泥土倉內全部被壓實固結的土體充滿并堵塞。當刀盤繼續旋轉切削土體時，固結土體的刀盤和開挖面土體之間產生很大的摩擦力，相互摩擦產生大量的熱量，刀盤溫度不斷升高，使刀盤和泥土倉內的土體不斷地被燒結固化，最終在刀盤和整個泥土倉內形成堅硬的“泥餅”。“泥餅”形成后，刀盤扭矩和盾構機推進阻力均迅速增大，螺旋輸送機無法出土，盾構機不能往前推進。泥土倉內過高的溫度會縮短刀盤主軸承的使用壽命，加速主軸承的損壞，甚至會出現主軸承“燒結、抱死”的嚴重后果

（2）處理方法

適量增加泡沫的注入量，減小碴土的黏附性，降低泥餅產生的幾率。刀盤背面和土倉壓力隔板上設攪拌棒，以加強攪拌強度和范圍，并通過土倉隔板上攪拌棒的泡沫孔向土倉中注射泡沫，改善渣土和易性，增大渣土流動性。必要時螺旋輸送機內也要加入泡沫，以增加碴土的流動性，利于碴土的排出。控制循環睡的溫度由于刀盤溫度高造成的泥餅問題。一旦產生泥餅，可空轉刀盤使泥餅在離心力的作用下脫落。確保開挖面穩定的情況下也可采用人工進倉清除。

3.3螺旋輸送機循環“噴涌”泥水

（1）產生原因

盾構機在高水砂層進行施工時，由于開挖面土體充水裂隙，含水量豐富，而且已成型的盾構隧道同步注漿量沒有完全充實襯背空隙，以致留下流水通道，開挖面土體裂隙的水不斷地流入泥土倉，泥土倉內不停地積水。當螺旋輸送機工作時，首先吸入泥土倉內的水，然后從其出土閘門迅速噴出，形成“噴涌”。泥土倉內的水被暫時吸干后，螺旋輸送機才能出渣排土，很快地泥土倉內又積水較多，螺旋輸送機又必須先吸水后出土。造成盾構機無法正常工作，螺旋輸送機不停地噴涌—停機—噴涌……，如此惡性循環，盾構機推進緩慢。

（2）處理方法

當遇到此情況時，關閉螺旋輸送機，停止出土，保持盾構機繼續往前推進，增加泥土倉內的土壓力，讓刀盤切削下來的土體將泥土倉內的水不斷地擠出，減少泥土倉內的含水量。同時要防止土倉壓力過高，造成盾構機前方隆起、冒漿，以及擊穿盾尾密封等現象的發生。向泥土倉內加入高濃度泥漿或泡沫，改善泥土倉內土體的和易性，使土體中的顆粒、泥漿成為一整體，使土體具有良好的可塑性、止水性及流動性，便于螺旋輸送機順利出土。在進入富水砂層前，盾構機提前采用氣壓平衡模式進行推進，但要防止發生漏氣事件。

3.4螺旋輸送機出料口形成大土堆

（1）產生原因

在粘性土層中，由于土體粘性大，由刀盤切削下來的粘土與土倉內的水難以均勻地混和，造成泥水分離。在螺旋輸送機出土時，整團泥土從螺旋輸送機出土閘門排出至膠帶輸送機的膠帶上。由于泥和水呈分離狀態，所以泥和膠帶之間的摩擦力較小，而且膠帶向上運轉，使泥土在膠帶上打滑而不能被及時運走。隨著螺旋輸送機不停地出土，皮帶上的泥土越積越多，土堆越來越大，逐漸被膠帶兩側的擋上板支撐住。土堆底部的泥土因受土堆重壓而被膠帶運走，被膠帶兩側擋土板支撐住的泥土堆和膠帶不接觸，不能被膠帶運走，滯留在膠帶的上方，結果在螺旋輸送機出料口形成大土堆。

（2）處理方法

當形成大土堆后，螺旋輸送機應停止出土，繼續運轉膠帶輸送機，采用人工方法進行清除，并通過膠帶運走。禁止操作人員為了減少麻煩試圖通過螺旋輸送機繼續出土，增加土堆土方的泥土重量將其壓塌，使土堆塌落在膠帶上而被運走。若此時螺旋輸送機繼續出土，大量泥土將從土堆的上方滑落至膠帶輸送機前端的支撐架上，結果不但不能將土堆壓塌，反而會使支撐架上的泥土越積越多，可能造成整個支撐架被壓塌的后果。

所以當遇到粘土地層時，在盾構機推進過程中，應使泥和水在泥土倉內盡可能地均勻混和，避免泥水混和不均；同時通過攝像儀觀察螺旋輸送機的出土情況，當發現有整團泥土在膠帶上打滑，滯留在膠帶上不能被膠帶及時運走時，應減小螺旋輸送機出土速度，或停止出土，以防止膠帶上的泥土越積越多而形成大土堆，待滯留在膠帶上的泥土被運走后，再繼續出土。

3.5泥土倉土壓大幅度突降

（1）產生原因

這是由于泥土倉內空氣和水的含量較多，泥土倉的土壓主要是由空氣壓力組成的。壓力空氣容易穿過泥水層進入螺旋輸送機，從其出土閘門迅速地噴出，泥土倉內壓力空氣瞬時大量釋放，造成泥土倉內土壓大幅度突降；在較松軟的地質中，泥土倉內壓力空氣有時會通過盾構機外殼的松軟土層向盾尾方向移動，擊穿尾盾密封向盾構機內部釋放壓力空氣，也會造成泥土倉內土壓大幅度突降。

（2）處理方法

當遇此情況時，立即關閉螺旋輸送機及其出土閘門，停止出土。盾構機繼續往前推進，使泥土倉土壓盡快恢復至正常值，以保持開挖面土層的穩定，防止由于泥土倉壓力的突降而引起地層發生變化，引起地表面出現較大幅度的沉降。同時，在操作中應根據土質情況和刀盤扭矩的大小，減少注水量，調整泡沫系統中空氣的比例，并減小泡沫量，降低泥土倉內水和空氣的含量。