復合地層盾構(gòu)掘進的指導原則

復合地層盾構(gòu)掘進

指導原則鐘長平廣州軌道交通監(jiān)理有限公司2012、7、3一、引言盾構(gòu)法用于隧道掘進施工在國外有一百八十多年的歷史，在國內(nèi)則始于上世紀六十年代的上海。經(jīng)過多年的發(fā)展，盾構(gòu)法已成為國內(nèi)外在比較均質(zhì)的地層和軟土地層進行隧道施工的一種成熟的施工方法。2福州地鐵福州地鐵3進入上世紀九十年代后，廣州地鐵大膽引進國外盾構(gòu)技術(shù)，廣泛用于廣州的復合地層的隧道施工，取得了巨大的成就。迄今，用于廣州地鐵一號線、二號線、三號線、四號線、五號線、六號線、八號線、九號線、廣佛線、珠江新城集運系統(tǒng)區(qū)間隧道施工的盾構(gòu)達到125臺次，完成隧道掘進任務超過200公里！如今在廣州地鐵學習盾構(gòu)技術(shù)并茁壯成長起來的建設、設計、監(jiān)理、施工人才正活躍在全國各大城市地鐵建設的主戰(zhàn)場上。某種程度上說，正是廣州地鐵引領(lǐng)了地鐵盾構(gòu)技術(shù)的新潮流，開創(chuàng)了全國盾構(gòu)施工的新局面。福州地鐵4為攻克復合地層盾構(gòu)施工的難關(guān)，廣州地鐵人解放思想、與時俱進，本著攻堅啃硬、艱苦奮斗、永不言退的盾構(gòu)機精神，經(jīng)過消化、吸收、調(diào)整、改造，因地制宜、推陳出新，摸索出一整套盾構(gòu)在復合地層中施工的技術(shù)，創(chuàng)立了復合地層盾構(gòu)施工理論體系，其精髓就是“地質(zhì)是基礎(chǔ)、盾構(gòu)機是關(guān)鍵、人是根本”。在這個實踐中，我們也提煉出復合地層中盾構(gòu)掘進的指導原則，那就是：

思想重視、預先控制、動態(tài)平衡、精細管理！二、盾構(gòu)掘進的指導原則5福州地鐵㈠、思想重視

思想是行動的先導，思想重視是抓好各項工作的前提。盾構(gòu)施工也一樣，只有各級人員上下一致，統(tǒng)一思想，高度重視，盾構(gòu)施工才能搞好。很多施工單位以為花了大價錢買了好盾構(gòu)機就萬事大吉了，于是思想麻痹，不好好進行各項準備工作，結(jié)果施工過程中問題層出不窮，弄得焦頭爛額，吃盡了苦頭！福州地鐵6福州地鐵7思想重視要落實到三個到位上。一是領(lǐng)導到位，各級負責人要加強領(lǐng)導、靠前指揮、率先垂范、以身作則，發(fā)揮好表率帶頭作用；二是責任到位，進一步強化組織，明確分工，落實責任，強化制度保證，加強督促檢查，確保安全、質(zhì)量、進度處于有效控制；三是工作到位，緊密結(jié)合工程實際，細化施工方案，嚴格按規(guī)范、設計圖紙進行施工，滿足合同規(guī)定的各項要求。㈡、預先控制

預先控制為前饋控制和主動控制，它是在施工前準備階段制定計劃時的控制，通過制定計劃、編制施工組織設計和專項施工方案、召開專家論證會、進行技術(shù)和安全教育與培訓、準備應急預案和應急演練等組成的持續(xù)性計劃,來建立預期或預先控制。重點是預防系統(tǒng)偏離預先制定的標準,使系統(tǒng)維持在指定的限度之內(nèi),防止不符合期望的事情的發(fā)生。8福州地鐵福州地鐵9

預先控制在盾構(gòu)施工安全管理中占有重要的地位,它使管理者及早采取預防措施,防止問題的發(fā)生,免受損失。㈢、動態(tài)平衡

土壓平衡式盾構(gòu)的原理是通過調(diào)整推進速度和螺旋式排土器的轉(zhuǎn)速，使土艙壓力與開挖面水土壓力相對應，使之達到動態(tài)平衡的狀態(tài)。10福州地鐵福州地鐵111、通過控制土艙壓力可達到控制開挖面前部下沉（或隆起）目的，最好是控制開挖面前部不產(chǎn)生下沉或略有隆起（≯5mm）；2、土倉壓力的設定應略高于開挖面水土壓力，一般為0.2~0.4bar；3、掘進時避免土倉壓力出現(xiàn)過大的波動，最好不要大于0.2bar；4、在拼裝管片過程中，應保持千斤頂推力，防止盾構(gòu)機后退，以穩(wěn)定土倉壓力；福州地鐵125、盾構(gòu)停機時要適當加大土倉壓力進行保壓；6、及時、均勻、足量的同步注漿；7、必要時二次補漿；8、盡量對圍巖少擾動、微擾動；福州地鐵139、充分發(fā)揮圍巖的時空效應和自承能力；10、盡可能連續(xù)、均衡、快速施工；11、嚴密監(jiān)測，及時反饋，優(yōu)化參數(shù)。㈣、精細管理

細節(jié)決定成敗！盾構(gòu)施工是個系統(tǒng)活，也是個細活，成功的關(guān)鍵在于精細管理！其核心是科學務實的精神和認真細致的態(tài)度，要求對每一個工序和每一個步驟都要認真對待，預先制定對策，過程中把每一個細節(jié)都要做好，按方案不折不扣地執(zhí)行到位！倘如思想麻痹、不認真準備、馬馬虎虎，盾構(gòu)施工肯定要出問題甚或引發(fā)事故！作者基于復合地層土壓平衡式盾構(gòu)隧道掘進實踐提煉出精細管理體現(xiàn)在如下方面：14福州地鐵1、建筑物調(diào)查盾構(gòu)到達建筑物前要做好各項準備工作，特別要做好建筑物的調(diào)查和鑒定，對重要和敏感建筑物要求編制專項施工方案，必要時召開專家討論會，如需要應對建筑物進行預先加固。15福州地鐵2、補充地質(zhì)鉆探

在地質(zhì)詳勘的基礎(chǔ)上一般應對沿線地質(zhì)水文情況進行補勘，尤其在始發(fā)和到達端頭、聯(lián)絡通道、敏感建（構(gòu)）筑物、重要管線等地段要加密地質(zhì)補勘鉆孔，以便更準確摸清上述重點區(qū)段的地質(zhì)水文情況，據(jù)此制定切合實際的施工組織設計并確定適應地層的盾構(gòu)機掘進參數(shù)。16福州地鐵3、重大風險關(guān)鍵工序節(jié)點驗收

為加強地鐵盾構(gòu)工程施工的安全和質(zhì)量風險管理，應根據(jù)有關(guān)法規(guī)和文件精神，制定重大風險的關(guān)鍵節(jié)點驗收制度，如盾構(gòu)始發(fā)/到達前、聯(lián)絡通道切割管片前、過江過河前、穿越重要建（構(gòu)）筑物前等節(jié)點進行驗收。17福州地鐵4、重大風險施工方案

專家審查制度

為加強地鐵工程施工的安全和質(zhì)量風險管理，應根據(jù)有關(guān)法規(guī)和政策，制定盾構(gòu)工程重大方案專家審查制度，如盾構(gòu)始發(fā)/到達端頭加固方案、聯(lián)絡通道加固及施工方案、過江過河方案、穿越重要建（構(gòu)）筑物方案、盾構(gòu)新機選型和舊機改造方案等實施專家審查。18福州地鐵5、盾構(gòu)機檢查、維修

盾構(gòu)機過江前，重點對刀盤、盾尾密封和鉸接密封進行檢查與維護，同時要對盾構(gòu)機的液壓、電氣、水循環(huán)、潤滑、注脂、注漿、泡沫、鉸接等系統(tǒng)進行檢修，重點內(nèi)容包括：空壓機的檢測與維修、螺旋輸送機閘門檢測與維修、注脂系統(tǒng)的檢測與維修、管片拼裝機的檢測與維修、泡沫系統(tǒng)的檢測與維修、對液壓系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)測。19福州地鐵5、盾構(gòu)機檢查、維修盾構(gòu)過建（構(gòu)）筑物前,應對盾構(gòu)機作全面的檢查、維修，合理考慮刀具配置，進行刀具更換，并充分做好所用相關(guān)材料、構(gòu)配件、人力等的準備，確保能連續(xù)掘進施工，盡量避免通過建筑物期間停機。福州地鐵206、添加劑的加入

土壓平衡的核心是使開挖下來的泥土呈塑性流動狀態(tài)，且具有一定的止水性，充滿土倉以控制開挖面；同時，用螺旋出土器來調(diào)整排土，使排土量和切削量保持平衡，并使土倉內(nèi)的泥土有一定的壓力，以抵抗開挖面的土壓力和水壓力。21福州地鐵6、添加劑的加入為了滿足土壓平衡式盾構(gòu)的順利施工，必須使用外加劑對開挖土體進行改良使之接近理想狀態(tài)。即應該滿足：①不易固結(jié)排水。②土體處于流塑狀態(tài)。③土體具有不透水性。常用的外加劑包括水、膨潤土、泡沫、高分子化合物和分散劑等，其用量和比例應根據(jù)地層的含砂率和含水量等確定。福州地鐵226、添加劑的加入以廣州地區(qū)某地鐵工程砂層與殘積土、風化巖層不同組合的典型復合地層的掘進為例，外加劑的使用情況如下表所示：福州地鐵23福州地鐵24復合地層類型粘粒含量外加劑類型外加劑用量備注<3-2>全斷面砂層有一定粘粒含量只需要注入TAC高分子材料比例根據(jù)砂層含水量在1-5‰之間調(diào)整<3-2>砂層

/<5-2>硬塑殘積土組合地層殘積土比較粘除注入TAC(1‰)高分了材料外，必要時還要注入分散劑(1-5‰)和泡沫(3%)來增加流動性、預防結(jié)泥餅注入量每環(huán)TAC(3-8m3)、分散劑(3-8m3)、泡沫(5-8m3)<3-2>/<7>強風化/<8>中風化組合地層粘粒含量減少除注入TAC(3‰)高分了材料外，還要注泡沫(3%)來預防結(jié)餅，必要時注高壓水攜帶出渣注入量TAC(3-8m3)、泡沫(5-8m3)7、同步注漿

及時均勻足量進行同步注漿，確保注漿時機和注漿點位，采取注漿量和注漿壓力兩個指標雙控，同步注漿中最擔心注漿管堵塞，防止注漿管堵塞措施有：(1)漿液運輸管路的鋪設，要避免管路彎曲造成漿液流速緩慢而沉淀。地面儲料罐至井下漿液車中途下料要采用大口徑輸送管放漿，縮短放漿時間，同時將漿管口盡可能靠近漿液車底部，打開閘門即可依靠漿液自重放漿。25福州地鐵福州地鐵26(2)緊湊安排工序，縮短漿液在隧道內(nèi)的運輸時間。在洞口和砂漿車位置設置電源插座，專供砂漿車攪拌電機用，保證砂漿車攪拌器正常連續(xù)工作，避免因施工停頓時間過長而引起漿液離析。(3)砂漿車向盾構(gòu)機儲漿罐泵漿時，降低出漿管高度，同時開啟攪拌機攪拌漿液。福州地鐵27(4)在不影響其他管路及運作空間的前提下，適當改善同步注漿管路，減少彎頭、增大管徑，避免漿液在管路中沉積、堵塞。(5)保證盾構(gòu)機及后配套設備的正常連續(xù)運行。堅決避免盾構(gòu)機在推進過程中人為的停機造成同步注漿工序中斷而漿液凝固堵塞。(6)在拼裝管片時的停止掘進期間，應間隔緩慢注漿幾次，一方面保持管路暢通，另一方面為同步注漿保壓，阻止水進入管背。(7)禁止采用壓縮空氣來清洗注漿管道。8、二次注漿

根據(jù)盾構(gòu)機掘進地層的情況，必要時進行二次注漿，即在脫出盾尾4～5環(huán)的管片上，及時通過吊裝孔在1、11點位對每環(huán)管片進行二次補注雙液漿回填，現(xiàn)場注漿時以注漿壓力來控制，超過控制壓力即停止注漿。注漿壓力控制在4～5bar，最大不超過5bar，以免造成管片外周圍壓力過大，對管片造成破壞。二次注漿必須保證管片背后空隙充填密實，防止地面建筑物產(chǎn)生過大的沉降28福州地鐵9、防結(jié)泥餅

（1）盾構(gòu)機設計上，應有防結(jié)泥餅的考慮：a:刀盤上既設有主動攪拌棒，可以隨著刀盤一起轉(zhuǎn)動，同時，土倉壁上也設有固定攪拌棒。在刀盤攪拌棒和固定攪拌棒的攪拌下，泥餅被充分攪動和破碎，減小了粘結(jié)的機會。

b:刀盤的轉(zhuǎn)臂采用四條呈放射狀的圓柱鋼管，可保證中心區(qū)土體能順利滑到土倉下方；c:刀盤、倉壁、攪拌棒等處設置多個添加劑噴頭，可以根據(jù)需要向碴土注入一定的水、泡沫等。29福州地鐵（2）在施工過程中，如條件允許，盡可能更換中心滾刀為中心刮刀，增大中心區(qū)的開口率，也有利于避免形成“泥餅”。（3）在條件允許下盡可能的加大推進力，選用自轉(zhuǎn)扭矩較小的滾刀，以保證刀具的正常滾動，防止?jié)L刀偏磨。30福州地鐵福州地鐵31（4）加強掘進中的土體改良管理，盡量將改良渣土的泡沫通過刀盤面板上的孔道向切割表面噴注，使渣土經(jīng)過刀盤開口進入土倉的流動性好，不易產(chǎn)生結(jié)餅。特別注意的是：向刀盤面板的泡沫注入孔道與向土倉攪拌棒中的泡沫注入孔道是并聯(lián)管道，而進入土倉的管路短，則阻力小，流進的泡沫量大，勢必造成注入到刀盤面的泡沫量減少，影響刀盤面板處的土體改良。福州地鐵32（5）土倉渣土堆積太多，壓力建立太高易結(jié)泥餅，因此在圍巖穩(wěn)定地層可采用半倉土掘進；如果需要進行土壓平衡掘進，可往土倉里加氣，達到所需壓力，這樣可以減少土倉渣土量進而防止結(jié)泥餅。（6）注意渣土溫度變化。如果掘進速度較慢，而渣土溫度較高，則有可能導致結(jié)泥餅。經(jīng)常用激光溫度儀測渣土溫度，觀察溫度變化，如有異常則在掘進時加大泡沫劑用量可大大降低結(jié)泥餅的幾率。（7）一旦產(chǎn)生泥餅，可空轉(zhuǎn)刀盤,使泥餅在離心力的作用下脫落。開挖面確保穩(wěn)定下可采用人工進倉處理的方式清除泥餅。10、防噴涌

（1）掘進過程中維保好機械設備和加強施工各環(huán)節(jié)的管理，防止不必要的臨時停機，以保持連續(xù)掘進。（2）掘進過程中，適當采用氣壓，以阻止裂隙水流入土倉。適當加入泡沫劑以改良碴土粘度和液化度，防止碴土過稀造成噴涌。（3）在掘進停止時，渣土裝滿土倉減少向土倉匯水。在螺旋機排土前，刀盤應把土倉內(nèi)的水、土充分攪拌，使土倉內(nèi)土體有良好的密水性，避免噴涌。（4）加強同步注漿管理，有效控制注漿壓力。適當增加注漿量，使實際注漿量略大于理論注漿量，以保證管片背后盡量填充密實。33福州地鐵福州地鐵34（5）通過管片吊裝孔補注雙液漿及時封堵管片背后空洞及水流通道，防止管片背后匯水流入土倉。（6）在噴涌不嚴重時，一般采用螺旋輸送機尾部的雙平板閘門，交替啟閉間隔排渣。在螺旋出土器出土口上安裝高強橡膠擋碴帶，使出來的稀碴落在皮帶機上，防止四處噴灑，仰拱積碴過多。（7）加大速凝雙液漿環(huán)向封堵的頻率，每隔一定距離進行一次環(huán)向封堵，形成有效隔離盾構(gòu)機后方來水的“環(huán)箍”，降低土倉匯水量以避免掘進噴涌；同時縮短同步漿液的初凝時間，以加強同步漿液的止水效果，保證同步注漿質(zhì)量。11、渣樣分析

掘進過程中，應安排有經(jīng)驗的技術(shù)人員，對每環(huán)掘出的渣土采集渣樣，認真對照地質(zhì)詳勘報告等地質(zhì)資料進行對比分析，以適時調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)，及時反饋指導掘進施工。35福州地鐵12、出土量控制

掘進過程中，應安排專人如實、詳細記錄每環(huán)的出渣量，如按每斗土的油缸行程，并與理論出土量對比，及時修正掘進參數(shù)，避免過量出土引起地面沉降、塌陷、建（構(gòu)）筑物破壞等嚴重后果。36福州地鐵13、刀具檢查及更換

通過對沿線地質(zhì)情況的分析和刀具磨損情況的預測，充分考慮到無氣壓換刀和氣壓換刀方式的適用條件，盡量避免在圍巖含水量大和需帶壓作業(yè)地段進行換刀作業(yè)。一般地，檢查及換刀較適宜的地段是隧道埋深合適，且覆蓋層無不良地層；并且隧道圍巖較均勻，力學性質(zhì)較好，自穩(wěn)性強。如需在加壓條件下進行刀具更換作業(yè)時，必須按照帶壓換刀操作規(guī)程作業(yè)。通常對正面滾刀磨損超過10mm的刀具和邊緣滾刀磨損超過5mm的刀具應進行更換，并保證其它刮刀和小齒刀的完好。37福州地鐵14、防鉆孔透水盾構(gòu)機掘進過地質(zhì)鉆孔時，應采用土壓平衡模式掘進，并做好及時注漿，保證注漿的數(shù)量和質(zhì)量。必要時可在盾構(gòu)機掘進到鉆孔前選擇合適的位置停機，采用超前小導管注漿加固鉆孔下口，防止鉆孔透水,確保施工安全。38福州地鐵

15、地面分段、跟蹤、補償、保護注漿加固

盾構(gòu)施工中一般采取洞內(nèi)措施對建(構(gòu))筑物和管線等進行保護，當這些措施還不能穩(wěn)定沉降時，可通過地面分段、跟蹤、補償、保護注漿的方法對這些設施進行加固和保護39福州地鐵16、應急預案與應急演練

盾構(gòu)機掘進過建筑物前，必須有經(jīng)過批準的應急預案，并應組織進行應急演練，做好各項應急準備。40福州地鐵㈤、監(jiān)控量測

精細管理還包括測量和監(jiān)測方面。測量工作是盾構(gòu)施工的基礎(chǔ)，非常重要，各方應高度重視，不能出一點問題。測量出了問題，那就是大問題。41福州地鐵福州地鐵421、測量多級復核認真執(zhí)行測量多級復核制。對于地面加密控制網(wǎng)，始發(fā)井或吊出井（含中間風井）洞門環(huán)中心，始發(fā)前包括聯(lián)系測量在內(nèi)的基線及地下水準，在隧道掘進至150m、300～400m、距離貫通面150m～200m處時包括聯(lián)系測量在內(nèi)的地下導線及水準，掘進至600m后每500m須增加一次包括聯(lián)系測量在內(nèi)的地下導線及水準（含加測陀螺定向校核），始發(fā)井與中間風井之間進行“兩井定向”等重要節(jié)點，承包商的測量成果經(jīng)監(jiān)理復核合格后，報業(yè)主測量隊檢測。

福州地鐵432、測點布置和監(jiān)測頻率施工前應要求編制監(jiān)測方案，并督促布點和測初始值。監(jiān)測點設置要規(guī)范，一定要打穿路面埋于土層中。施工中至少每天測二次，對重要和敏感建筑物及沉降超限時，應加密監(jiān)測至每二~四小時一次，特殊情況下應進行實時自動測量。施工期間應派專人在地面巡查。福州地鐵443、盾構(gòu)姿態(tài)控制當盾構(gòu)機進入到上軟下硬地層，須防止盾構(gòu)機抬頭和走偏，其處理措施為：加強施工量測，控制好盾構(gòu)機的姿態(tài)，及時有效地調(diào)整各項施工參數(shù)，特別是前倉壓力的設定和千斤頂推力的合理分配。為防止盾構(gòu)機抬頭，適當加大頂部千斤頂?shù)捻斖屏?，平衡盾?gòu)機由于前方地層上軟下硬而作用在上下千斤頂不均衡的壓力，使盾構(gòu)機平穩(wěn)推進。在盾構(gòu)掘進前，對刀具做全面的檢查和更換，特別是周邊滾刀的磨損，必須加以檢測，必要時予以更換，以確保開挖直徑。同時為防止盾構(gòu)往上“跑”的趨勢，盾構(gòu)機姿態(tài)適當調(diào)整在往下“跑”的趨勢，而且調(diào)整降低盾構(gòu)機控制軸線比設計軸線低20～30mm。福州地鐵45

在盾構(gòu)掘進時，盾構(gòu)水平姿態(tài)控制在±20mm為最佳，考慮管片上浮對姿態(tài)的影響，垂直姿