15、土压平衡盾构下穿水域施工工艺工法

土压平衡盾构下穿水域施工工艺工法

QB/ZTYJGYGF-DT-0415-2011

城市轨道交通工程有限公司万凯

1 前言

1.1工艺工法概况

盾构法是在地面下暗挖隧道的一种施工方法,在建造穿越水域、沼泽地和山地的公路和铁路隧道或水工隧道中，盾构法也往往因它在特定条件下的经济合理性及技术方面的优势而得到采用。城市地铁出现过江、过海等在复杂地质条件下的浅埋隧道盾构施工。应用盾构机施工，在轴线控制、衬砌防水、同步注浆等方面严格控制，总体效果良好。总结施工工艺形成本工法。

1.2工艺原理

1.2.1盾构法施工是在地面以下暗挖隧道的一种方法，施工用盾构机在地面下掘进，在防止软基开挖面崩塌或保持开挖面稳定的同时，在机内安全进行隧道的开挖和衬砌作业。

1.2.2根据土压平衡盾构的工作原理，土仓压力需要与开挖面的正面水土压力平衡以维持开挖面土体的稳定，减少对土层的扰动。

2工艺工法特点

2.1不使用预加固辅助措施，节省技术措施费；

2.2易达到工作面的稳定,施工安全性高；

2.3机械自动化程度高,施工速度快，衬砌质量容易控制；

2.4振动小、噪声低，对环境无污染；

2.5穿越河道时比开挖节约成本。

3适用范围

本工艺工法适用于土压平衡式盾构下穿河流及湖泊等水域施工。

4主要引用标准

4.1《地下隧道工程施工及验收规范》（GB50299）；

4.2《铁路隧道施工规范》（TB10204）；

4.3《地下工程防水技术规范》（GB50108）；

4.4《盾构法隧道防水技术规程》（DBJ08-50）；

5施工方法

进入水域前，对盾构机的注浆系统、推进系统、液压系统、拼装系统、水气循环系统等进行全面的检修，将盾构姿态调整到最佳状态；湖泊旁准备好弃土船，做好抛土准备工作。

盾构进入湖底（下穿水域）后保持平稳掘进，减少纠偏，减少对土体的扰动，控制出土量，掘进保持快速通过；盾尾油脂及时加注以避免盾尾涌水，控制适宜的壁后注浆压力，避免压浆压力大于盾尾密封压力时浆液残留固结在密封区；土仓设定土压力根据静止土压力的变化进行了及时的调整，使土仓土压力始终保持在静止土压力与被动土压力之间，以避免超挖或欠挖；加大注浆量，注浆系数采用较大系数，减少注浆量不足带来的地层损失。

6工艺流程及操作要点

6.1施工工艺流程

图1 盾构过水域施工工艺流程

6.2 施工准备

6.2.1 技术准备

在盾构下穿水域开始时应先进行水域情况的细致调查，确定其水底标高、隧道埋深、水下地质等情况。查看隧道最小埋深是否满足盾构通过要求。

编制切实可行的施工方案，提前对工人进行技术交底，确保交底至个人。 6.2.2 物资设备准备

1在盾构机始发之前对螺旋输送机、主轴承及减速箱、同步注浆系统、盾构机上的注浆孔四个部位进行重点检查和维修：更换主轴承密封、铰接密封机盾尾刷，确保盾构机三道密封系统状态良好。

2盾构机掘进过程中，加强对液压系统、电器部分、刀盘、注浆系统等等日常检查保养，对驱动滚轮轴承、被动轮轴承、链条松紧度、链条磨损情况每周检查调整，单、双轨梁进行保养。

3盾构机及后配套进场后及时进行检修维护工作，对后期所需的垂直及水平运输工具进行检修保；相应物资进场后及时进行检查，确保使用物品为合格产品。 湖泊旁准备好弃土船，做好抛土准备工作。

6.2.3 监测准备

对盾构隧道掘进方向，沿线路面及建筑的初始值提前采集汇总。 6.2.4 应急准备

掘进前做好应急演练，相应应急物资，如木楔、水泥、棉纱及水玻璃等应提前放置在现场，确保发生险情时能快速启动应急预案。 6.3 盾构掘进控制

6.3.1水域掘进的参数控制 1压力控制

根据土压平衡盾构的工作原理，土仓压力需要与开挖面的正面水土压力平衡以维持开挖面土体的稳定，减少对土层的扰动。

基于力学原理，正面水土压力的理论值为：

H

q H K P P P w w w c γγ++=+=)('0

式中c P 为土压力，w P 为水压力。

)

('q H K P w c +=γ

式中w K 为静止土压力系数，一般通过试验确定，无试验资料时，可按参考值选取；砂土取0.35～0.45；粘性土取0.5～0.7，也可利用半经验公式

'

-=?sin 1w K 计算，式中，'?为土体的有效内摩擦角。'

γ为土的有效重度，单位

3/KN m 。H 为计算点土层厚度。q 为连续均布荷载。

H

P w w γ=

式中w γ为水的重度，H 为计算点土层厚度。 竖向分层计算原则：

静止土压力分层计算模式为：第一层按照均质土方法计算，计算第二层土土压力时，将第一层土换算成与第二层的性质指标相同的当量土层厚度'

1h ，即

21

11γγh h =

'，然后按换算后第二层土的厚度计算第二层范围的土压力，依此类推。

盾构机实际掘进施工管理土压力还需要考虑地层条件的变化，施工参数等的影响，其表示为

'0P P α=，式中α为考虑土体扰动后的性质变化、盾构机推进速

度、超载状况等因素时正面水土压力的动态调整系数。一般根据实测地面沉降及位置控制标准判定正面压力的合适性，随时作相应调整。

2注浆量控制

空隙量计算公式：v=(πR2-πr2)L 注浆量计算公式：V=v γ

V 为盾构掘进注浆量，γ为系数取1.5～2.0之间考虑到水底地层的渗透系数较大，取较高系数，v 为盾构掘进后土体与衬砌环的空隙量，R 为刀盘的开挖半径，r 为衬砌环的外环面半径，L 为衬砌环的长度。如有超挖部分应相应增加其超挖部分空隙量。

3注浆压力计算

注浆压力的选择以静力平衡为依据，为避免过高的注浆压力导致水泥砂浆流到掘进掌子面，造成对刀盘主轴承密封的磨损，设定注浆压力小于覆盖层压重造成的水土压力。采用的经验公式为：

系数

地层容重注浆段到地表深度式中：------=

K V H cm kg K

HV

P 2

/10

系数K 的取值为1.0～1.2，根据掘进过程中的土压、掘进速度及监测数据

反馈进行调整。

4盾构掘进速度的控制

盾构在下穿水域的过程中要保持快速通过，减少盾构对土体的扰动，减小盾构在通过时的危险性。

5排土量控制

以土压力为控制目标，通过实测土压力值P1与P0相比较，依此压力差进行相应的排土管理，其控制流程如下图。由安装在盾构机密封舱下部的螺旋运输机向排土口连续地将土渣排出，开挖量与排土量应保持或接近平衡。

图2 排土量控制流程

6盾构掘进模式

盾构采用土压平衡模式掘进，刀具切削下来的渣土充满土舱，与此同时螺旋输送机进行与盾构推进量相应的排土作业，在掘进过程中始终维持开挖土量与排土量的平衡来保持土舱内渣土的土压力，并利用土舱内渣土的土压力与掌子面的土压和水压相抗衡，以维持掌子面的土体稳定并防止地下水涌出，确保不产生地层损失。

6.3.2管片拼装控制

管片由管片车运到隧道内后，由专人对管片类型、龄期、外观质量和止水条粘结完好情况等项目进行检查，检查合格后才可卸下。管片经单、双轨梁按安装顺序放到前面，掘进结束后，再由双轨梁运到管片拼装机工作范围内等待安装。重点要注意以下几点：

1管片选型以满足隧道线型为前提，重点考虑管片安装后盾尾间隙要满足下一掘进循环限值，确保有足够的盾尾间隙，以防盾尾直接接触管片。

2管片安装必须从底部开始，然后依次安装相邻块，最后安装封顶块。安装第一块管片时，用水平尺与上一环管片精确找平。

3安装邻接块时，为保证封顶块的安装净空，安装第五块管片时一定要测量两邻接块前后两端的距离（分别大于K块的宽度，且误差小于+10mm），并保持两相邻块的内表面处在同一圆弧面上。

4封顶块安装前，对止水条进行润滑处理，安装时先搭接1/3径向推上，调整位置后缓慢纵向顶推插入。

5管片块安装到位后，应及时伸出相应位置的推进油缸顶紧管片，其顶推力应大于稳定管片所需力，然后方可移开管片拼装机。

6管片安装完在推进下一环过程中管片脱离盾尾后要对管片连接螺栓进行

二次紧固。

7管片拼装前对吊装孔进行检查，确保吊装孔螺旋管连接牢固，防止在拼装过程中螺旋管脱出，管片掉落，造成安全隐患，对于使用塑料套筒的管片，拼装中一定要注意这一点，尤其是上部邻接块及封顶快的拼装，一旦掉落就会有较大的安全风险。

6.3.3 盾构姿态控制

1采用自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测

该系统配置了导向、自动定位、掘进程序软件和显示器等，能够全天候在盾构机主控室动态显示盾构机当前位置与隧道设计轴线的偏差以及趋势，盾构机司机据此调整盾构机的掘进方向。

随着盾构推进，导向系统后视基准点及测站需要前移，利用导向系统自动移站功能移站。为了保证导向系统中后视基准点及测站精度，每两次移站后需要进行复站。复站就是利用洞内延伸导线对导向系统后视基准点及测站坐标进行复核和调整，确保导向系统精度与洞内延伸控制导线精度一致，从而使盾构机掘进姿态始终保持在允许的偏差范围之内。

2采用分区操作盾构机推进油缸控制盾构掘进姿态

根据分段轴线拟合控制计划、导向系统反映的盾构姿态信息，盾构机盾尾间隙等参数，结合隧道地层情况，通过分区操作盾构机的推进油缸来控制掘进姿态。

推进油缸按上、下、左、右分成四个组，每组油缸都有一个带行程测量和推力计算的推进油缸，根据需要调节各组油缸的推进力，控制掘进方向。例如在上坡段掘进时，适当加大盾构机下部油缸的推力；在直线平坡段掘进时，则应尽量使所有油缸的推力保持一致。

6.3.4 盾构机轴线控制及纠偏

在实际施工中，由于地层突变、复站调整、管片选型错误、盾构机司机操作失误等原因盾构机推进姿态可能会偏离设计轴线并超过管理警戒值；在稳定地层中掘进，因地层提供的滚动阻力小，可能会产生盾体滚动偏差；在线路变坡段或急弯段掘进过程中，有可能产生较大的掘进姿态偏差。

当这种偏差超过一定限界时就会使隧道衬砌侵限，另外盾尾间隙变小使管片局部受力恶化，造成地应力损失增大从而加大地表沉降，因此盾构施工中必须采取有效技术措施控制掘进姿态，及时有效纠正掘进偏差。

1参照上述分区操作推进油缸方法来调整盾构机姿态，纠正偏差，将盾构机的方向控制调整到符合要求的范围内。

2在急弯和变坡段，必要时在轴线允许偏差范围内提前进入曲线段掘进来纠偏。

3当滚动超限时，及时采用盾构机刀盘反转的方法纠正滚动偏差。

4在切换刀盘转动方向时，应保留适当的时间间隔，切换速度不宜过快，切换速度过快可能造成管片受力状态突变，而使管片损坏。

5根据掌子面地层情况及时调整掘进参数，调整掘进姿态时应设置警戒值与限制值。达到警戒值时及时实行纠偏程序。

6蛇行修正及纠偏时应缓慢进行，如修正过程过急，蛇行反而更加明显。在直线推进的情况下，应选取盾构当前所在位置点与设计线上远处的一点做一直线，然后再以这条线为新的基准进行线形管理。在曲线推进的情况下，应使盾构当前所在位置点与远处点的连线同设计曲线相切。

7推进油缸分区油压的调整不宜过快、过大，否则可能造成管片局部破损甚至开裂。

8正确进行管片选型，确保拼装质量与精度，以使管片端面尽可能与计划的掘进方向垂直。

6.3.5 盾构水域掘进技术要点

1土压平衡掘进模式，土仓内至少有2/3以上的土，根据施工经验，土仓压力不低于0.07Mpa，且土仓压力不能忽高忽低，人为造成掌子面发生弹簧性受力而坍塌。

2掘进速度和出土速度，掘进长度和出土量要匹配，由主司机控制，不能造成超挖。

3盾构机进入加固体初期，同步注浆应采用较粘稠的砂浆，以更好地填充。工程部试验组做好试验，出具配合比；盾构机再次启动时恢复采用原配合比。

4盾构推进原则上采用匀速掘进。

6.3.6 渗漏水控制要点

1当管片脱离盾尾后,在土体与管片之间会形成一道宽度为70mm的环行空隙，应及时进行同步注浆。

2确保管片上的防水材料粘贴稳固，对已粘贴好的管片应及时进行覆盖。

3螺孔位于接缝面，密封防水也是重要环节，其采用遇水膨胀橡胶密封圈加强防水。

4为了避免吊装孔漏水，及时做好二次注浆。

6.4施工测量与监测

6.4.1施工测量控制

在隧道内设置一台自动跟踪全站仪，后视吊篮点，盾构机头部安装三个棱镜，利用三个不共线的点可确定唯一空间位置的几何原理，来实现盾构姿态定位，通过PLC传递到操作室指导司机推进。保证盾构机掘进线路与设计线路符合。

洞内延伸导线主要需要做好两点，一是洞内导线网形设计，二是导线点强制对中。在隧道推进之前就要根据隧道的线型设计好延伸导线点的布设位置，从网形上保证导线传递精度。

主要设计原则是(1)避免长短边，一般相邻边长度比不超过1：3；(2)在通视情况下尽量将边长拉长，减少延伸导线点个数，点数越少传递精度越高，因此在曲线曲中点附近一般是要布设一个延伸导线点的；(3)视线距离隧道侧壁距离要大于0.5m，而且延伸点尽量避开灯光正下方，以便于观测。

6.4.2 施工监测

根据设计要求，结合施工环境和工况情况，本工程的监测由工程安全监测和周围环境监测两部分组成，其主要目的是掌握隧道及周围环境在隧道施工期间的

变形，及时反馈给设计和施工，确保本工程及邻近建、构筑物的安全。最主要的项目是地面沉降、地面建(构)筑物、管线沉降、盾构管片收敛、拱顶下沉。

按照中铁第四勘察设计院集团有限公司的设计要求：在湖底总测点468个，正常掘进段沿轴线每10环布设一个沉降观测标；每50环布设一个沉降观测断面，单隧道观测点布置5个，间距为：6m、3m（隧道结构边线）、0m（隧道轴线）、3m（隧道结构边线）、6m。

在金鸡湖东驳岸至进湖底100米范围内加密监测至每5环设一个沉降标，增加13点，便于掌握水下盾构掘进参数。

7劳动力组织

盾构施工中人员安排要求全面化，做到岗位定人制度，合理安排人员分工，人员不易过多，人员数量要保证能够进行正常的盾构掘进施工。人员配置如下表。

8主要机械设备

盾构施工中主要是以机械化作业为主，其中包括挖掘、水平运输、垂直运输、测量监测等工作，对于机械设备的要求较高。避免不必要的浪费情况所以进行主要的机械设备统计，如下表。

表2 盾构掘进施工中应用到的主要机械设备表

9质量控制

9.1易出现的质量问题

9.1.1管片破损及渗漏水；

9.1.2盾构隧道线形偏离；

9.1.3管片错台。

9.2保证措施

9.2.1加强管片的养护及运输控制，对于出现小面积破损的安排专人采用等强砂浆进行修补。管片防水材料粘贴严格按照技术交底执行，止水条及传力衬垫粘贴前，要求施工人员首先清理干净钢筋混凝土管片表面污渍，以确保防水材料粘贴稳固。粘贴过程中，胶黏剂涂抹饱满，保证止水条充分地粘贴在管片槽缝中。管片拼装中保持盾构稳定状态，防止已经衬砌的管片受损，确保盾构隧道无渗水；

9.2.2利用地质详堪资料及开挖渣土及时对刀盘前方地质情况进行分析，并通过调整盾构推力大小和合力作用点的位置控制盾构轴线，采用自动导向系统和

人工测量辅助测量实时监控，及时调整各油压区油压值，控制盾构机姿态，最后通过控制成环管片的质量控制盾构轴线，保证拼装精度，控制线路拟合误差；

9.2.3管片选型以满足隧道线形为前提，重点考虑管片安装后盾尾间隙要满足下一掘进循环限值，管片拼装时先就位底部管片，然后自下而上左右交叉安装，每块管片均步摆匀并控制环面平整度和封顶口尺寸，最后插入封顶管片成环，安装第一块管片时，用水平尺与上一环管片精确找平。管片拼装成环后，对其连接螺栓先逐片初步拧紧，脱出盾尾后再次拧紧，当后续盾构掘进至每环管片拼装之前，对相邻已成环的3环范围内管片连接螺栓进行全面检查并复紧。

10安全措施

10.1主要安全风险分析

区间盾构工程水下掘进，掘进过程中开挖面容易喷涌、冒顶、坍塌、透水等危险情况。

10.2保证措施

10.2.1在盾构掘进通过前工程与水文地质条件风险分析，认真制定安全预案，对盾构施工人员进行全面的安全教育。

10.2.2盾构进入水域时进行安全交底，组织工作人员认真学习交底内容，并要求落实到位。

10.2.3坚持做到岗位交接班制度，保证岗位24小时有工作人员在场，不得擅自离岗缺勤，有事必须提前请假，以便人员的调整。

10.2.4水底掘进中密切关注土仓中的压力变化，一旦发现喷涌及时关闭螺旋输送机停止掘进，注满盾尾油脂，在螺旋出土器和土仓中加入膨润土，以达到止水效果。

10.2.5隧道内水泵完好，隧道内的排水管路畅通，保证积水能以最快速度排出隧道。

10.2.6隧道内二次注浆材料齐全充足，并备有防水堵漏材料。

10.2.7隧道内人行通道保证完好，电路、水路供应充足，并安排专人进行电气设备的保养及维护。

11环保措施

轨道交通工程施工周边环境保护主要是两方面：一是地面的保护；二是地下的保护。

11.1地面的保护主要包括：

11.1.1盾构施工对通过区域道路、湖底的沉降影响，保证盾构的掘进速度，同步注浆及二次注浆的及时饱满；

11.1.2工地建设与周边环境的协调；

11.1.3渣土外运对邻近道路的影响，在运土车离开工地前进行细致的清理；

11.1.4生产废水及生活污水排放对周边城市污水管网的影响，设置沉淀池对排出的污水进行过滤；

11.1.5材料运输对邻近区域路面及交通影响，大型材料运输尽量安排在夜间进行；

11.1.6场地的布置与文明施工等等。

11.1.7淤泥、污水排放管理：弃土（石）、弃渣、弃泥浆的排放要事先取得监理工程师的批准，并报请市有关部门批准，不随意排放。淤泥和废浆定点堆放，采取必要的固化措施后及时外运，夜间运输，一次不装得过满，在出大门前认真冲洗，并加篷布遮盖严防掉渣。

11.2地下的保护主要包括：

11.2.1建构筑物桩基处理与保护；

11.2.2地下管线尤其是压力管线（如燃气、供水管等）保护；

11.2.3盾构施工工业材料对地下水的影响等等。

12应用实例

12.1工程简介

苏州一号线【星港街站～会展中心站】区间，是采用盾构法施工的区间隧道工程，线路整体呈东西走向，从星港站出发，向东穿越星港街和城市广场，下穿金鸡湖，通过金鸡湖A岛中间风井，继续向东，下穿玲珑街1号桥到达会展中心站。线路左线长2351.980m，右线长2350.108m,总长4702.088m。其中穿越湖底的总长3650.98m（右线1832.16 m，左线1818.82 m），湖底至隧道顶部最小覆土厚度仅为7.4米，穿越地层多为粉砂层，是目前为止国内最长的湖底盾构隧道，左线共设置5条平曲线，曲线半径为600～3000m；右线共设置4条平曲线，曲线半径为600～3000m。隧道埋深6.1m～16.2m。

12.2施工情况

苏州一号线【星港街站～会展中心站】区间，在盾构下穿湖底的掘进过程中，严格控制盾构掘进参数，第一台盾构机09年3月19日始发，至09年12月10日第二台盾构机接收，历时不到9个月项目部就完成了双线总长达4702.088的盾构隧道掘进。在盾构始发中做到了掌子面安全稳定，纹丝不动，盾构接收，尤其是在A岛中间风井盾构机接收亦做到了掌子面稳定。陆地段主要为道路、草坪及城市广场，沉降控制良好，最大沉降-12mm，未对周边环境造成影响。在湖底沉降控制方面，近岸100m范围内监测最大沉降11.7mm，整个湖底穿越过程中未发生喷涌事件。

整条成型隧道“线型优美、滴水不漏”，在苏州轨道公司质量评比中位居第一名，同时我项目被评为“质量管理先进集体”。

12.3工程结果评价

盾构掘进机管片拼装质量控制，充分发挥管片结构自防水能力；止水带上设置遇水膨胀橡胶，随季节调整胶黏剂配方确保防水材料粘贴质量，保证同步注浆及时饱满，充分发挥接缝防水能力；辅以二次注浆及水泥基渗透结晶型防水材料使用，封堵漏点，加强裂缝防水，最终实现金鸡湖隧道“滴水不漏”。

12.4建设效果及施工图片

图3 近岸100m监测点

图4 封环注浆阀门装置图5 二次封环注浆作业

图6 框形密封垫在管片中的布置图

图7 盾构机上布置的测量参考点

图8 湖面监测 图9 洞内监测

图14 盾构司机操作盾构正在掘进 图15 管片拼装

图10 管片装在管片车上

图11

拉同步注浆材

图12 管片车驶进隧道

图13 管片车驶到隧道盾构机掘进工作

图16 隧道内测量图17 陆地与金鸡湖交界处

图18 成型的金鸡湖隧道“线型优美、滴水不漏”