1.2.2　盾构施工方法简介

1.盾构法基本含义

盾构施工法是“使用盾构机在地下掘进，在护盾的保护下，在机内安全地进行开挖和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工方法”。因此，盾构施工法是由稳定开挖面、盾构机挖掘和衬砌三大部分组成。

盾构法施工的概貌如图1-25所示。在隧道的一端建造竖井或基坑，将盾构安装就位，盾构从竖井或基坑的墙壁开孔出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的孔壁推进。盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已经拼装好的衬砌管片上。盾构机是这种施工方法中主要的施工机具。

图1-25　盾构法施工概貌图

2.盾构施工的特点

1）地下施工，必须面对复杂的地质条件和敏感的地面环境。

2）对周围环境的影响较小，包括占用的施工场地小，对邻近建筑物的影响小等方面。

3）盾构机是根据每一施工区段设计的专用设备。

4）盾构施工不可退后。

5）所用设备集成度高，技术含量高；对施工的要求精度高。

6）涉及的专业领域较多，对复合型人才有较多需求。

3.盾构施工一般规定

（1）盾构施工是采用盾构掘进的不开槽施工地下隧道方法之一，一般用于管径1500mm以上有特殊要求的长距离隧道施工。

（2）盾构有土压平衡式、泥水加压式、手掘式、半机械式、机械式等几种形式，盾构机的选型应根据工程水文地质、施工范围内地上地下构筑物、管线埋深等要求，经技术经济比较后确定，盾构机的选型应满足以下要求：

1）盾构机必须满足施工范围内各种土层的掘进；

2）盾构机必须满足施工过程需要的安全保障要求；

3）盾构机强度与刚度应符合设计要求；

4）盾构机的推进力、液压油缸推进速度、输土能力、刀盘切削的切削扭矩等应匹配，密封系统应严密，并符合设计要求；

5）根据各地区的地质特点，采油不同类型的盾构机。

（3）盾构法施工组织设计编制应具备以下资料：

1）盾构机的构造、特性及适用范围；

2）施工沿线地表环境调查报告；

3）施工沿线地下障碍物的调查报告；

4）工程地质与水文地质勘查报告；

5）设计文件对工程的技术要求与规定。

（4）盾构法施工方案、施工组织设计应包括下列内容：

1）施工现场平面布置图；

2）盾构机的现场组装、安装及吊装方案；

3）工作竖井的施工方案与检查井的施工方案；

4）盾构法施工的临时给水、排水、照明、供电、消防、通风、通信等设计；

5）管片运输、贮存、防水、拼装与一次注浆、二次注浆方案；

6）配套辅助施工机构设备的选型、规格、数量与现场及工作竖井垂直运输及水平运输等机构设备布置；

7）盾构机的入土、穿越土层、出土的条件以及掘进与运土方案；

8）防漏电、防缺氧、防爆、防毒等安全监测和保护措施。

（5）要求降水施工的地段，在工程完成前，不得停止降水。

（6）应建立地面与地下控制测量系统。地面测量系统应对沿线地面、主要建筑物的设施设置观测点进行观测；测定导轨和盾构管道的轴线和高程。

（7）自盾构机入土至100m的施工阶段，应及时观测和掌握地表沉降、隆起状况，地上、地下建筑物、构筑物情况，工程地质、水文地质情况等的反馈信息，经综合分析确定推进速度，并应保持土体稳定。

4.盾构施工过程及工艺

（1）盾构法施工过程

在进行盾构施工过程中主要包含以下几个步骤：

1）在盾构法隧道起始端各修建一个工作井；

2）盾构在起始端工作井安装就位；

3）依靠盾构千斤顶将盾构从起始工作井的墙壁开孔处推出；

4）盾构在地层中沿设计轴线推进，在推进同时出土和安装衬砌管片；

5）及时向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和固定衬砌环位置；

6）盾构进入终端工作井并被拆除。

由上述盾构施工步骤可知，工程项目的施工过程总结起来有三个过程，即盾构机的始发、盾构施工、盾构机到达。

A.盾构始发

盾构始发是指利用反力架和负环管片，将始发基座上的盾构，由始发井推入地层，开始沿设计线路掘进的一系列作业，其工艺流程见图1-26。盾构始发主要内容包含：

图1-26　盾构始发工艺流程

①始发端头的土体加固；

②盾构始发基座的安装；

③盾构机下井安装及调试；

④洞口防水密封的安装；

⑤反力设施的安装；

⑥负环管片的安装；

⑦盾构机试运转；

⑧洞门破除。

B.盾构施工（见盾构施工工艺部分）

C.盾构机到达(www.daowen.com)

所谓盾构到达指盾构沿设计线路，在区间隧道贯通100m至车站的整个施工过程，其施工流程图见图1-27。盾构到达包括盾构机定位及接收洞门位置复核测量、地层加固、洞门处理、安装洞门密封圈设备、安装接收基座等内容。在盾构到达施工中容易出现洞门失稳、密封效果不好、地面沉降较大、洞门附近管片松弛等问题，需特别重视。

图1-27　盾构到达工艺流程

（2）盾构施工工艺

盾构施工过程包括多个工艺流程，如旋喷桩工艺流程、二重管双液水平注浆加固、盾构始发流程、正常掘进流程、同步注浆工艺流程、管片拼装工艺流程、盾构到达流程、盾构调头作业流程以及总流程等，总的来说有两个主要工艺流程，即大流程和小流程。大流程就是盾构总体施工流程，小流程即为盾构掘进流程。

1）大流程

大流程即盾构总体施工流程，如图1-28所示。始发井交付使用→盾构托架就位→盾构机下井、安装、调试→初始掘进（L=80～100m）→负环拆除及其他调整→正常掘进→盾构机到达中间站→盾构机通过中间站→盾构机再次安装、调试→盾构机再次初始掘进→正常掘进→盾构机到达终点站→盾构机解体外运→隧道清理准备验收。

图1-28　盾构法施工的工艺流程

2）小流程

小流程即盾构掘进流程，如图1-29所示。准备工作→转动刀盘 →启动次级运输系统（皮带机）→启动推进千斤顶→启动首级运输系统（螺旋机）→停止掘进→安装管片→回填注浆→准备下一环掘进。

图1-29　盾构法施工的掘进流程

掘进出土：盾构机各系统试运转正常后即可进行正常掘进，首先向盾构土仓中加入一定数量的泥浆，转动刀盘，按照已确定的土压及加泥量进行控制，确定土压为设定值，螺旋输送机的控制方式定为自动，这样螺旋输送机即可根据盾构刀盘土仓内的土压自行调节转速，始终保持土仓内的土压稳定，掘进排出的土装入土箱由电瓶车运输至工作井，再由工作井处的门式起重机将土箱吊至地面。

加泥：盾构机掘进时，随时观察刀盘螺旋输送机的扭矩及螺旋输送机排出的土的状态（即塑流性），对泥浆的加入量进行调节控制，始终使刀盘及螺旋输送机油压保持正常的数值；盾构施工中加泥的数量与土质有着极大的关系，一般土质较差时，添加泥浆或其他材料改善土体的塑流性，使得盾构前方土压保持稳定，较好地控制地面的隆陷。

同步注浆：盾尾进入土体后时开始进行同步注浆，根据推进速度确定注浆的流量。

管片拼装：推进一环完成后，拼装管片。

二次补注浆：为控制沉降，需要进行二次补注浆，二次补浆安排在拼装管片时进行，补注浆的压力应该比同步注浆的压力高，以更好地对外部间隙进行填充。

5.盾构施工关键技术

（1）盾构穿越湖江河湖的技术

地铁盾构在施工过程中难免会穿越河流、湖泊等地方，这会给施工带来一定的难度，因此穿越河段施工注意以下要点：

1）盾构过河前必须进行系统和完整的检修，使机器性能保持完好状态，为一次顺利施工到位提供设备保障。提前对刀具进行检查，过河前可作适量更换以免河底换刀。

2）盾构过河时，及时调整盾构土仓压力，确保土压平衡，保证开挖面土体稳定。

3）盾构推进隧道轴线控制。切实做好盾构推进过程中推进速率、出土量等推进参数的控制，防止因土体超挖量过大造成土体在盾构本体处有较大沉降，使得河水涌入隧道。

4）掘进过程中不断地对盾尾密封钢丝刷注入油脂，避免盾尾密封破坏。

5）拼装管片时，严防盾构机后退，确保正面土体稳定。

6）同步注浆量控制。及时进行同步注浆，使管片衬砌尽早支承地层，防止地层沉陷，同时根据监测情况来调整同步注浆量和注浆压力，既不能因过少、过小而造成河底沉降，也不能因过多、过大而造成河底隆起破坏，使河水涌入隧道。

7）进度控制。为保证盾构顺利过河，过河时盾构应确保连续均衡施工。要配备足够的值班维修人员，一旦盾构机械发生故障能够及时进行处理，确保盾构推进顺利进行。

（2）盾构隧道沉降控制

盾构施工中地层变形的直观表现为地表的沉降，其产生的基本原因为盾构施工引起的地层损失、隧道周围土体受扰动或破坏后的固结及施工过程中周围土体受震动的影响三方面，其中前两方面的原因是主要的。沉降类型及原因见表1-2。

表1-2　地面变形机理

要控制沉降需做到以下几点：

1）减少对开挖面地层的扰动；

2）做好盾尾建筑空隙的充填压浆，优化注浆材料和控制注浆量；

3）二次注浆；

4）优化盾构掘进参数；

5）推进速度宜控制在2～4cm/min，过建筑物时推进速度宜控制在1cm/min。

（3）盾构近距离穿越重要构筑物的施工

盾构施工过程中，有可能近距离穿越既有铁路轨道、公路隧道、地铁隧道及其他重要建筑物。为了保护这些建筑必须进行很好的施工控制，主要施工措施有：

1）在实施前必须对穿越区域的地质水文及地形进行调查，并根据该构筑物位置形状材质强度用途、允许变形量、选用的盾构机型及距盾构的相对位置等设计条件，进行施工影响程度的计算和评估，制订详细的施工方案。

2）穿越前必须在被保护的构筑物上设置精密监测系统，在穿越过程中根据盾构与该构筑物的相对位置以及监测系统的即时监测数据，综合调控施工步骤及参数。

3）盾构在穿越构筑物期间应严格控制推进速度，对一般地层推进速度≤10mm/min为宜，困难区段6～8mm/min。

4）合理精确地设定土压力是施工关键，尤其是在盾构接近构筑物开始产生影响至盾构头部到达构筑物下方期间。同时必须考虑盾构从建筑物下方穿越时的土压力损失值，严格防止超挖和欠挖；

5）土压平衡盾构施工时，必须充分考虑开挖土体的流动性。必要时向开挖面适量加注泥浆或水，亦可采用气泡掘进工法；穿越施工必须考虑盾壳与周围土体的摩擦及黏附，必要时可向盾壳四周均匀少量加注泥浆。

6）盾构在曲线推进穿越时，必须精确计算（水平和竖向）纠偏量，并将其分配至全部推进行程中，严禁大幅度纠偏，推进时盾构水平纠偏量＜20mm/环，垂直纠偏量＜0.05度/环。出现大的偏移时，要考虑调线。

7）尽量缩短管片拼装时间，防止盾构机后退导致正面土压力降低。必要时可采取在管片拼装中途启动千斤顶或土仓内加压等技术措施。

8）在穿越过程中必须及时进行同步注浆。穿越施工的同步注浆必须精确控制注浆量和注浆速率，否则将会使构筑物产生大的形变；同步注浆可采用惰性浆液或双液浆。注浆量主要依据距构筑物的位置和监测数据及时进行调整，一般为理论建筑间隙的110%～150%，注浆压力0.3～0.5MPa。

9）盾构穿越后应进行二次补浆，二次补浆的开始时间、注浆位置、注浆量与速率、补浆次数与间隔时间应根据构筑物变形的监测数据来确定。先频后疏，先大后小，往往耗时数月；二次补浆可采用双液注浆，一般在距离盾构尾部5～10m后根据监测数据进行压注，注浆压力应控制在0.3MPa以下。二次补浆须考虑对新建本体隧道的影响，防止隧道受压过大或不均匀而产生变形。

6.盾构机的选型

综合盾构掘进机的特性与选型的依据，盾构掘进机选型的一般程序首先要看该盾构掘进机是否有利于开挖面的稳定，其次才考虑环境、工期、造价等限制因素，同时，还必须将宜用的辅助工法加以考虑。

（1）根据地质条件选择盾构掘进机类型

砂质土类等自立性能较差的地层，应尽量使用密闭型的盾构施工；若为地下水较丰富且透水性较好的砂质土，则应优先考虑使用泥水平衡盾构；对黏性土，则可首先考虑土压平衡盾构；砂砾和软岩等强度较高的地层自立性能较好，应考虑半机械式或敞口机械式盾构施工。在相同条件下，盾构复杂，操作困难，造价高；反之，盾构简单，制造使用方便，造价低。

（2）盾构机选型的其他条件

1）工期条件的制约

因为手掘式与半机械式盾构机使用人工较多，机械化程度低，所以施工进度慢。其余各类型盾构机因为都是机械化掘进和运输，平均掘进速度比前者快。

2）造价因素的制约

一般敞口式盾构机的造价比密闭式盾构机低，主要原因是敞口式盾构机不像密闭式盾构机那样有复杂的后配套系统。在地质条件允许的情况下，从降低造价考虑拟优先选用敞口式盾构机。

3）环境因素的制约

敞口型的盾构机引起的地表沉降大于网格式盾构，更大于密闭式的盾构机。

4）场地条件的制约

泥水平衡式的盾构机必须配套大型的泥浆处理和循环系统，若需使用泥水平衡盾构机就必须有较大的地面空间。

5）设计路线、平面竖向曲线的制约

若隧道转弯曲率半径太小，就需考虑使用中间铰接的盾构。例如，直径为6m的盾构，其长度为6～7m，如将其分为前后铰接的两段，显然增加了施工中转弯的灵活性。