盾构始发与到达端头加固理论与实践

盾构始发与到达端头加固 理论与实践
中铁隧道集团有限公司技术中心 李建华
主要内容
一、前言 二、主要问题及对策 三、端头处理理论 四、盾构始发技术 五、盾构到达技术 六、工程实例 七、认识与体会
一、前言
随着盾构施工技术的日益成熟，盾构法在城市 地铁及公路、水下隧道等市政工程和城际轻轨、铁 路等工程中得到广泛的应用，如何规避盾构施工的 风险，特别是规避重大事故，是施工中重点关注的 问题。
一、前言
南京地铁某区间盾构始发事故 大股涌水涌砂，右线隧道外侧地面塌陷，左 线隧道发生沉降和水平位移，严重开裂渗水。
一、前言
广州地铁珠江新城盾构始发事故 硐门密封下部出现较大涌水涌砂渗漏，30分 钟涌水量达300多方，夹带涌砂量160余方。
二、主要问题及对策
1
盾构隧道一般埋 深较大，盾构始 发及到达竖井在 局部拆除挡土构 筑物后，端头土 体临空面主动土 压力失去支挡平 衡，极易产生坍 塌
8.9cm或10cm；埋设间距兼顾到施工性和成本因素
一般定为80cm。
三、端头处理理论
冻结法—施工及注意事项
用冻结法进行始发保护，多采用从地面竖直冻结的方式。 到达处多采用从竖井水平冻结的方式，加固强度大且稳定。 存在流动地下水时，因推进速度不可能达到 1 ～ 2m/ 日， 因此要注意地下水状况和竖井内的漏水情况。 形成冻土需要的时间，因条件而异，一般需40～60日。 冻土会产生冻胀和解冻沉降，特别是在粘性土层场合下， 对此应采取必要的措施也很重要。 冻结法是一种不得已的办法，需充分考虑盾构设备本身 的要求。
三、端头处理理论
冻结法—加固断面
在冻土圆板模型试验和解析中，若孔径f ≥D/5，则认 为满足周围固定条件，但在实际设计中，考虑到竖井墙背
面地层扰动，临时墙施工时对竖井墙体有加热影响等，所
以对冻土厚度T，取f>T/2，冻结长度取f≥2.5m。
三、端头处理理论
冻结法—冻结管直径及埋设间距 考虑到钻孔直径和施工性冻结管直径采用
水分离的荷载，在透水性差的粘土看作是土水一
体的荷载进行评价。
三、端头处理理论
高压旋喷注浆—计算方法
计算模型(高压喷射注 浆法)
砂质地层
将加固层看作是用竖井挡 土墙支承的圆板来进行结 构计算，确定加固宽度 粘土地层
假定为拆除临时挡土墙时 形成的圆弧滑动面来确定 加固范围
三、端头处理理论
高压旋喷注浆—设计强度和安全系数
四、盾构始发技术
盾构始发的定义
在预先建造好的盾构工作井 内，将盾构机准确地搁臵基座上，
待盾构组装调试完毕后，向地层
内沿设计轴线掘进。
四、盾构始发技术
始 发 作 业 流 程
四、盾构始发技术
盾构始发准备—盾构基座安装
基座必须具有足够的刚度、强度。 安装前测量放样，准确定位始发基座，轨道上涂抹硬 质润滑油，减少推进阻力 基座坡度（盾构机中心坡度）略大于隧道设计轨道坡度
三、端头处理理论
端头处理的意义
在盾构始发与到达 掘进时，随着竖井 挡土墙的拆除，端 头土体的结构、作 用荷载和应力将发 生变化，必须进行 端头处理
盾构法隧道施工中， 端头处理是始发、 到达技术的一个重 要组成部分，端头 处理的成功与否直 接关系到盾构能否 安全始发、到达
合理选择端头处 理施工工法和必 要的监测手段， 是保证盾构法隧 道顺利施工的非 常重要的环节
盾构始发准备—洞门密封设备安装
d、成都地铁泥水盾构洞口密封
筋板 环板2 环板1 圈板
环板3
四、盾构始发技术
盾构始发准备—洞门密封设备安装
d、成都地铁泥水盾构洞口密封
四、盾构始发技术
盾构始发准备—安装反力架
反力架、负环管片位臵的确定依据 反力架的位臵确定主要依据是洞口第一环管片的起始位臵、 盾构的长度以及盾构刀盘在始发前所能到达的最远位臵。 最少负环管片环数N的确定 N=（Dls-Df+LTBM）/Ws D1s：设计第一环管片起始里程，m；
四、盾构始发技术
盾构始发准备—洞门密封设备安装
a、扇形压板式洞口密封
四、盾构始发技术
盾构始发准备—洞门密封设备安装
b、折页式洞口密封
四、盾构始发技术
盾构始发准备—洞门密封设备安装
c、武汉过江隧洞泥水盾构洞口密封
注浆管 油脂加注孔
洞门钢环 翻版 第一道帘布橡胶
止水箱 翻版
第二道帘布橡胶
四、盾构始发技术
2
在深层高水头动 水压作用下，会 产生严重的水土 流失
3
如果端头土体 （尤其是软土地 层及砂土层）未 经加固及止水处 理，这些作用综 合将使地面产生 地面沉陷、隧道 坍塌
二、主要问题及对策
盾构始发与到达的土工问题
1
端头井加固效果 不好，造成开洞 门时失稳，引起 土体坍塌和水土 流失
2
端头加固长度不 足，盾构始发与 到达时易造成盾 尾或刀盘处水土 流失，严重时引 起地面塌陷
三、端头处理理论
消除构筑竖井时造成的周围土体松动
端 头 处 理 的 目 的
防止拆除临时挡土墙时振动的影响
使地层自稳及防止地下水流入
防止因压力不足引起的掘削面坍塌 防止地表沉陷或对埋设物的影响
三、端头处理理论—设计基本要求
土体纵向加固范围（无水：粘土层）
始发端头加固长度不小于6m；
到达端头在地质条件较差时加固长度不小于3m。
在盾尾内弧面的两侧，为管片
在盾尾内的定位做好准备
四、盾构始发技术
注意事项—管片定位
四、盾构始发技术
注意事项—负环加固
盾构始发时负环管片周围没有约束，必须在管片四周尽可 能地加上各种支撑，保证盾构机向前推进时负环管片不会失稳。
四、盾构始发技术
注意事项—管片拉紧
由于洞口的几环管片在负环和反力架没拆除之前管片之间有
盾构
三、端头处理理论—设计基本要求
土体纵向加固范围（有水：砂砾、粉砂层） L=盾构长度+（2~3）B
其中，B为管片宽度
盾构
三、端头处理理论
端头土体加固主要方法
注浆法
深层搅拌
注浆 高压旋喷 注浆 冷冻法
三、端头处理理论
注浆加固
惯用的计算方法，是以加固后地层的抗剪阻力对抗拆 除临时墙有可能进入竖井的土块的计算模型进行研究的。
四、盾构始发技术
切除始发洞口维护结构 施工步骤 凿除砼保护层，将外层钢筋焊割掉； 盾构推进至洞门时，将剩余钢筋焊割掉，凿除剩余 维护结构，凿除完毕后快速拼装负环管片 注意事项 凿除最后一层混凝土后，及时检查始发洞口净空尺 寸； 确保无钢筋、混凝土侵入设计轮廓范围之内。
四、盾构始发技术
LTBM：盾构长度，m；
Df：洞口维护结构在完成第一次凿除后的里程，m； Ws：管片环宽，m；
盾构机始发反力支撑系统
四、盾构始发技术
盾构始发准备—安装反力架
反力架、负环钢管片位臵的确定 在确定完始发最少负环管片环数后，即可直接定出反力架及 负环管片的位臵。 反力架端部里程Dr＝D1s－N×Ws 反力架、始发台的定位与安装 在盾构主机与后配套连接之前，安装反力架。 安装时反力架与车站结构连接部位的间隙要垫实，保证反力 架脚板有足够的抗压强度。 偏差控制：反力架左右偏差±10mm之内，高程偏差±5mm之内， 上下偏差±10mm之内。始发台水平轴线的垂直方向与反力架 的夹角＜±2‰，盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差＜2‰， 水平趋势偏差＜±3‰。
盾构机始发基座
四、盾构始发技术
盾构始发准备—洞门密封设备安装
施工步序： ① 在车站结构的施工工程中，做好始发洞门预埋件的埋 设工作，在埋设过程中预埋件必须与车站结构钢筋连 接在一起； ② 在盾构正式始发之前，先清理完洞口的碴土，再完成 洞口密封的安装。 洞门密封形式： 压板式和折叶式，其中折叶式越来越被人们所认可。 在泥水盾构的使用过程要采用密封水箱的方式进行洞 口密封加强。
三、端头处理理论
高压旋喷注浆—效果图（效果好）
三、端头处理理论
高压旋喷注浆—效果图（搭接一般）
三、端头处理理论
高压旋喷注浆—效果图（无搭接）
三、端头处理理论
高压旋喷注浆
三、端头处理理论
冻结法 冻结法是将自然

状态下不均匀的地
层通过冻结变成具
有均匀力学性质的
冻土
三、端头处理理论
冻结法—计算方法 竖井前造成的冻土，是止水性好、强度高 的加固层。作用于冻土的垂直荷载按总土、水 压力考虑，水平荷载按静态土压和水压考虑。
3
盾构下半部土体 受到扰动，承载 力降低，造成盾 构始发时头部下 倾
二、主要问题及对策
主要技术措施
合理进行地层 加固，提高地 层的强度、止 水性、均匀性、 整体稳定性
通过降水，提 高土体的强度
采用双层洞门 密封装置，减 少从盾壳外圈 漏浆
合理控制掘进 参数，减少对 土体的扰动
三、端头处理理论
端头处理的概念 盾构始发、到达以及盾构穿越已建风道、联 络通道等既有建（构）筑物时，由于地层土体自 稳能力较差而采取相应辅助工法对始发与到达端 头区域工作井周围一定范围的土体进行改良加固 处理的过程。
塑性范围 (R) 可按隧道上部松动的方法推求，即挖 掘地层的情况下，地中土应力失去平衡，在掘削断面的 周围将产生附加应力。
三、端头处理理论
高压旋喷注浆—有效直径的设定和配臵
高压喷射注浆法所形成的直径，随施工地层的性质和
施工深度而变化，一般根据地层的N值进行设定。 砂砾地层和粘聚力大的粘土层，有时不能形成满意的 加固桩。另外，在施工深度超过40m时，应谨慎设定。
技术
注意事项
整体始发
如果有条件尽量采取盾构机与
拖车整体始发的方式，整体始 发的好处是工序衔接紧凑，快