盾构掘进施工

三、盾构掘进流程及操作控制程序3.1 盾构掘进作业工序流程盾构掘进工作是盾构隧道施工的主要环节，掘进工作的各个环节是否顺利进行的关键，在施工中应使各个环节、工种密切配合，环环相扣，施工的进度、质量才可能满足总进度目标、质量目标的要求。

盾构隧道施工的过程见图1。

图1 盾构掘进作业工序流程图3.2 掘进控制程序盾构隧道施工掘进过程的控制制约着各个后续的工作，隧道掘进关键的点在于①刀具充分切削、破碎地层，②被破碎、切削下来的地层能被顺利排出。

故对于掘进参数的选择就显得十分重要，尤其是针对地层的不同选择不同的刀具布置方式、掘进推力、转速，渣土改良中泥水和泡沫的注入参数设定等。

隧道掘进的主要控制程序如下图2所示。

图2 盾构掘进控制程序图3.3 掘进模式的选择及控制本次选用的盾构机根据地层的不同和掘进环境的差异在掘进中可选择敞开式（OPEN）、半敞开式（SEMI-OPEN）和土压平衡式（EPB）三种不同的掘进模式，掘进参数见表1。

表1 掘进模式参数表3.3.1不同掘进模式的特点及适用条件根据本工程的工程地质特点，对不同地层应采取不同的掘进模式，掘进模式和适用条件、应采取的技术措施见表2。

3.3.2 盾构隧道的掘进模式分段根据本工程的隧道地质情况及周边环境条件，对采用的三种掘进模式的技术措施分述如下，左右线分段使用掘进模式的情况见表3。

⑴敞开式掘进的技术措施：①采用滚刀破岩为主，刀盘采用较高转速、低扭矩掘进。

②采用敞开模式掘进时，盾构机易产生较大滚动和震动现象。

此时适当降低转动的速度、同时适当增大推力以便在确保掘进速度的情况下防滚和减震。

③同步注浆时浆液可能渗流到盾壳与周围岩体间的空隙甚至刀盘处，为避免此现象发生可适当增大浆液粘度、缩短浆液凝结时间、适当减低注浆压力等方法来解决。

④在硬岩敞开式掘进时，刀具磨损较大，温度高，岩渣不具软塑性，因此，应注意观察、检查，及时换刀，视岩石的类别注入泡沫和水冷却、润滑，以降低磨耗。

⑵半敞开式掘进技术措施①半敞开式掘进模式介于土压平衡和开敞式之间，采用滚刀或滚刀、刮刀混合破岩切削。

在这种情况中，开挖室中渣土高度保持正好在螺旋输送机入口上方，以维持开挖室里空气压力的密闭性。

②为既能稳定开挖面和防止地下水渗入，又能避免出渣时螺旋输送机发生喷涌，压缩空气压力应控制在0.1～0.15Mpa以内。

③在该模式下掘进时，应重视注入泡沫对渣土进行改良。

遇地层变换、涌水较大时，及时转换模式掘进。

广州市轨道交通六号线【水～天盾构区间】土建工程 盾构掘进方案4表2 掘进模式列表⑶土压平衡模式技术措施①软土采用以切削刀、刮刀为主切削土层，软岩以滚刀为主的刀具布置形式，刀盘以低转速、大扭矩推进。

②土仓内土压力值P应略大于静水压力和地层土压力之和，即P=K P0，K=1.0～1.3，砂性地层K取上限值；粘性地层K值取下限值。

并在掘进中不断调整优化。

③土仓压力通过采取设定掘进速度、调整排土量或设定排土量、调整掘进速度两种方法建立，并应维持切削土量与排土量的平衡，以使土仓内的压力稳定平衡。

④在上软下硬的地层中掘进，若发生喷涌，则土仓内的压力很高，掘进速度往往比较慢，此时，除上述措施外，还应采取均衡各组千斤顶的压力，暂时停止姿态的调整，增大推力，使盾构机能有较快的掘进速度。

⑤盾构机的掘进速度主要通过调整盾构推进力、转速（扭矩）来控制，排土量则主要通过调整螺旋输送机的转速来调节。

在实际掘进施工中，应根据地质条件、排出的渣土状态，以及盾构机的各项工作状态参数等动态地调整优化。

此模式掘进时应十分重视渣土改良工作的落实。

3.4 盾构掘进方向控制与调整由于地层软硬不均、隧道曲线和坡度变化以及操作等因素的影响，盾构推进不可能完全按照设计的隧道轴线前进，将会产生一定的偏差。

当这种偏差超过一定限界时就会使隧道衬砌侵限、盾尾间隙变小使管片局部受力过大，严重时产生管片错台过大、开裂、漏水等现象。

因此，盾构施工中必须采取有效技术措施控制掘进方向，及时有效纠正掘进偏差。

3.4.1 盾构掘进方向控制⑴采用SLS-T APD导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测SLS-T APD系统使用棱镜和经纬仪来测量机器的位置来实现导向工作，这些装置用电缆和电脑相连。

安装在隧道里的经纬仪测量两个棱镜的位置，确定机器所处的位置，系统就能计算出它与隧道规划路线的偏差，然后信息就会显示在与电脑连接的一个很大的易读的显示器上。

该电脑通常安放在离设备操作人员控制台很近的地方，以便操作人员利用这些信息给机器导向。

该电脑也可以储存和允许输入系统需要的信息。

据此调整控制盾构机掘进方向，使其始终保持在允许的偏差范围内。

随着盾构推进导向系统后视基准点需要前移，必须通过人工测量来进行精确定位，为保证推进方向的准确可靠性，每周进行两次人工测量，以校核自动导向系统的测量数据并复核盾构机的位置、姿态。

确保盾构掘进方向的正确。

⑵采用分区操作盾构机推进油缸控制盾构掘进方向根据线路条件所做的分段轴线拟合控制计划、导向系统反映的盾构姿态信息，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方向。

①在上坡段掘进时，适当加大盾构机下部油缸的推力和速度；在下坡段掘进时则适当加大上部油缸的推力和速度；在左转弯曲线段掘进时，则适当加大右侧油缸推力和速度；在右转弯曲线掘进时，则适当加大左侧油缸的推力和速度；在直线平坡段掘进时，则应尽量使所有油缸的推力和速度保持一致。

②在均匀的地质条件时，保持所有油缸推力与速度一致；在软硬不均的地层中掘进时，则应根据不同地层在断面的具体分布情况，遵循硬地层一侧推进油缸的推力和速度适当加大，软地层一侧油缸的推力和速度适当减小的原则来操作。

在掘进时，在盾构什么位置，分区压力的调整均要根据盾构机的姿态与设计轴线的偏差情况确定，同时应该注意分区千斤顶的压力差不宜过大，通常要求对应千斤顶压力差一组不大于另一组的1/3，以免在大推力的情况下因压力差过大对隧道管片产生破损。

⑶在〈7H>、〈8H>、〈9H>号稳定的硬岩段掘进时，可能会产生较大的震动和滚动，此时，可以适当加大推力、降低转速，产生较大的滚动时可以使刀盘朝相反的方向转动，防止盾构机发生过大的滚动偏差。

3.4.2 盾构掘进姿态调整与纠偏盾构机在掘进过程中，不可能完全按照设计线路掘进，有时要产生一定的偏差。

一般情况下，盾构机如果偏离设计轴线20㎜，就要进行盾构机纠偏。

盾构机纠偏是依靠调整各组推进油缸的压力来实现的，同时在安装管片时，也应根据盾构机的纠偏方向安装相应的转弯环。

当滚动超限时，盾构机会自动报警，此时应采用盾构刀盘反转的方法纠正滚动偏差。

对偏差过大的情况，也可以用铰接油缸来纠偏。

盾构机纠偏应逐步进行，不能一次到位。

一般情况下，每环的纠偏量在水平方向上不超过9㎜，在竖直方向上不超过5㎜。

同时安装管片也应注意，所选取的管片类型应考虑在安装完毕以后的管片平面尽量与盾构机的轴线垂直。

也就是管片安装完毕之后，保持盾构机各组油缸的初始行程基本一致。

3.4.3 方向控制及纠偏注意事项⑴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。

⑵根据掌子面地层情况应及时调整掘进参数，调整掘进方向时应设置警戒值与限制值。

达到警戒值时就应该实行纠偏程序。

⑶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方的一点作一直线，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方点的连线同设计曲线相切。

⑷推进油缸油压的调整不宜过快、过大，且对应的分组千斤顶的压力差不宜过大，否则可能造成管片局部破损甚至开裂。

⑸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。

⑹盾构始发、到达时的方向控制极其重要，应按照始发、到达掘进的有关技术要求，做好测量定位工作。

3.5 掘进中的渣土改良与防泥饼措施在盾构施工中尤其在复杂地层盾构施工中，进行渣土改良是保证盾构施工安全、顺利、快速的一项不可缺少的重要技术手段，具有如下作用：⑴润滑刀具，减少刀具与地层间的摩擦，可有效降低刀盘扭矩，同时减少了因摩擦而产生过多的热量，降低对刀具和螺旋输送机的磨损。

⑵加入泥浆时，可以使渣土具有较好的止水性，使脆性岩屑具有更好的流动性，以便顺利排出。

对控制地下水流失也有一定的作用。

⑶使切削下来的渣土顺利快速进入土仓，有利于螺旋输送机排土顺利；⑷可有效防止土渣粘结刀盘而产生泥饼；⑸使渣土具有较好的土压平衡效果，利于稳定开挖面，控制地表沉降；3.5.1 渣土改良的方法与添加剂渣土改良就是通过盾构机配置的专用装置向刀盘面、土仓、或螺旋输送机内注入添加剂，利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌或螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与土渣混合，其主要目的就是要使盾构切削下来的渣土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，以满足在不同地质条件下采用不同掘进模式掘进时都可达到理想的工作状况。

添加剂主要有泡沫和膨润土。

泡沫的功效主要在于分离或中和粘性土中的阴阳离子，降低其吸附性能，从而起到改善渣土的流动性、润滑刀具等作用。

对于软岩和粘性土，合理的泡沫注入尤为重要。

根据地质情况选用合适的泡沫剂，使之能有效对渣土进行有效改良，在粘性土层中，其膨胀率建议值为6～15，在岩石及其它土层中掘进建议膨胀率为15～20。

实际使用时其配比和注入量应根据地质条件及施工情况确定。

3.5.2 渣土改良的主要技术措施本工程隧道所通过的地层条件，如不作渣土改良，会出现如下问题：⑴在泥质粉砂岩中和粘土层中盾构掘进会因渣土的流动性不好和掘进切削时的摩擦发热，在刀盘面板上形成泥饼，渣土不能充分排出，刀具不能切入地层，造成掘进效率降低，甚至无法掘进；⑵当地下水比较丰富时，又可能会因渣土与水严重分离，喷涌严重而导致地层失水过多，引起地层变形加大，甚至产生地面环境受到破坏等问题。

⑶当地层软弱时，因出土不顺畅达不到土压平衡效果而引起开挖面坍塌，造成地面变形难以控制；而在岩石强度较高的地层掘进则会造成刀具磨损快、出渣效率低、螺旋输送机叶片磨耗严重。

为有效防止或避免以上问题，确保本标段盾构施工的顺利进行，根据本标段的地质条件和我公司的施工经验，采取如下主要技术措施：⑴在砂质粘性土和全、强、中风化花岗岩的掘进中，主要是要顺利建立土压平衡、润滑刀具、增加渣土的流动性使之顺利进入土仓并排出。

对该类岩土体，采取主要向刀盘面、适当向土仓内注入泡沫的方法进行渣土改良，必要时可向螺旋输送机内注入适量泡沫。

泡沫的注入量为每立方米渣土300～600升。

对泡沫注入参数的设定：①原液比例5～8％；②膨胀率（发泡率）6～15；③泡沫注入率（按出土量计算）20～30％。