1、土压平衡盾构施工中应注意的几个关键问题,中国矿业大学(北京)江玉生Tel.: 13601257487Email: ,讨论的主要内容,土压平衡盾构的基本原理、适用条件及其与泥水平衡盾构的不同之处土压平衡盾构施工的注意事项土压平衡盾构施工应注意的关键问题,1 土压平衡盾构的基本原理,1.1 基本原理图,1.2 目前土压平衡盾构法施工中存在的主要理论 和工程问题：,(1)隧道盾构施工掘进面压力平衡状态问题 盾构机开挖仓内 的土压平衡问题（包括随隧道埋深的变化而变化等）；(2)盾构机推进速度、推力、舱内土压、刀盘转速、出土量和螺旋输送机转速间的相互关系问题；(3)掘进工作面压力与土体移动（包括土体的下
2、沉和隆起等）的相互关系问题；(4)同步注浆和二次注浆对稳定土体和控制地表移动的理论和技术问题（包括地层缺失的概念、惰性与硬性浆液及其影响等）；(5)双线先后开挖隧道对地表高层建筑物的影响问题（主要表现在差异沉降对建筑物基础的影响和整个建筑物的倾斜度影响等）；(6)盾构推进对近距离建筑物桩基的承载能力和位移的影响问题；(7)盾构机进出洞加固段长度及其防水问题等等。,1.3土压平衡盾构机对土体参数的要求,1) 基本要求：良好的塑性变形特性 优良的粘稠性能 较小的内摩擦力，和 较低的渗透性（渗透系数）,典型土体的例子台北地铁工程,2) 开挖土体的参数及其对盾构选型的影响范围 ：,a) 土体颗粒影响曲
3、线,b) 土层的粘稠度指标Ic 和渗透系数以及弃土土体容重 等参数对盾构机选型的影响,1.4 土压与泥水平衡盾构的本质区别,1.5 开挖舱内实测压力分布图,1.6 一个工程实例,2 土压平衡盾构施工的注意事项,2.1 工程条件（地面与地下状况，不含前期工作）2.2 总体方案（施工组织设计）2.3 前期工作（地面与地下管线）2.4 风险点分析与专项方案2.5 项目进度计划2.6 盾构施工过程管理与控制2.7 盾构施工辅助工程（包括进出洞、联络通道和其它附属工程、盾构防水等）2.8 质量保证措施与绿色、环保和文明施工2.9 组织机构与人员投入2.10 其它特殊问题,2.1 工程条件（地面与地下状况
4、，不含前期工作） 1）地面重要建（构）筑物统计与调查 范围的确定（包括调查范围和可能的影响范围） 重要性分级（建（构）筑物的建设质量、使用状况等） 重要建（构）筑物的现况分析与评价（必要时请有关权威部门） 形成分析报告 2）地下重要构筑物统计与调查 范围与深度的确定（包括调查范围和可能的影响范围） 重要性分级（构筑物的质量、用途等） 重要构筑物的现况分析与评价（必要时请有关权威部门） 形成分析报告 3）盾构隧道沿线地层土质状况 （分层状况、剖面图、平面图、钻孔柱状图、物探报告的分析与研究，并 形成报告） 4）盾构隧道沿线的水文地质状况 5）需要的补充地质勘探工作 （包括补充钻孔的设置原因、位置
5、和物探工作）,2.2 总体方案（施工组织设计） 编制依据和工程概况 施工方法及施工要点 施工准备工作 质量保证措施 进度计划（节点控制的转化及其与管片生产的关系） 设备投入计划 施工组织构架 安全文明施工、环保措施盾构生产的所需的特殊场地布置： 地面场地布置是否顺畅，以管片和出土运输之间的干扰和互相干扰最小为原则，同时兼顾其它材料的运输和地面生产； 一些主要地面设施布置是否合理和齐全：土坑、管片堆场、地面管理系统、浆液拌合系统、排水系统、防洪措施、污水沉淀设施等 井内和井底及隧道内的生产与辅助设施的布置：以隧道水平运输和井内垂直运输流畅、相互转换自然为基本原则。,2.3 前期工作（地面与地下管
6、线）（1）根据工程条件（隧道埋深、间距、盾构型式与施工方法等）确定具体的调查范围和依据（设计图纸给定）；（2）制定详细的调查计划及其调查成果表格（表格内容至少包括：管线类型、 建成年代、产权单位、接口型式、使用状况、抗变形能力、埋深、风险等级评定）；（3）选派得力的调查人员形成管线调查组，按照详细调查计划的要求开展调查工作；（4）形成调查报告并按照不同产权单位要求的格式进行分类汇总（包括各种管线安全性分析等重要内容，提供下一步工作作为参考）,2.4 风险点分析与专项方案（1）盾构施工风险源的确定： 盾构始发与到达、盾构的停机、开舱检查与换刀、穿越地面重要建（构） 筑物、穿越地下建（构）筑物和管
7、线、地下水丰富地区（包括自然和人为） 所有这些因素均与什麽有关？为什麽？（2）风险点的具体分析： 根据不同风险源的实际情况，逐一进行分析，必要时辅之以计算，从而确定 出风险点的位置、等级、发生的条件及其可能性等； 例子：盾构的停机、开舱检查与换刀地层情况、地面情况、地下管线情况、 盾构生产情况（包括推力、扭矩、盾构姿态、同步注浆状况、土体可 加固性等） （3）专项方案的编写：根据源和点的分析，有针对性的编写专项方案（4）风险点汇总与报告:应根据不同管线的实际情况，按照不同的要求分别报告， 同时汇总出方便工地使用的警示图表（包括参观者）,2.5 项目进度计划（1）按照项目总体计划的要求，确定盾构
8、隧道生产的计划要求，根据目前的盾构 生产水平和能力，实事求是、科学合理地制定盾构掘进计划： 以天来计算，考虑合理始发、到达、停机检查、穿越重要建筑物等，例子 含周进度和月进度（2）管片需求计划：根据（1）中日进度、周进度和月进度的要求，考虑合理有 效的现场库存，制订以天、周和月管片需求计划（3）管片生产计划：满足需求计划的要求，根据生产周期和气候变化情况，合 理安排（4）盾构运输、吊装、组装和解体、试掘进计划的安排,2.6 盾构施工过程管理与控制 （1）盾构施工过程的土压管理（确定？） 土压设定和具体实施（每环） 根据盾构隧道沿线的实际土质情况、隧道埋深变化、水文情况、地面建筑物 和地下建筑物
9、现状及其抗变形能力、地面动载情况和试掘进的具体经验， 合理调整； 建议盾构生产土压管理表（沿线）； 每环掘进土压波动范围：0.2bar 以内（土压保持问题）土压设定的原则：维持开挖舱内的水土压力与设定土压力的吻合性，保持开挖面的稳定，即设定值P尽量接近自然土体侧向自重应力P0。P P0，在软粘土中附加荷载作用将产生超静水压力，随着土体固结过程的进行，超静水压力逐渐转化为有效应力的增量，由此产生土体沉降，另外如P值与P0值相差较大时，会造成土体的扰动，对于软粘土而言，灵敏度很高，外荷载作用将引起土的触变，经扰动后的土体重新固结会产生很大的变形。,审核土压力的设定值是否合理：土压力P=P0=K0c
10、z=k0(Sihi),i、hi为上覆土层的天然容重和土层厚度，k0 =？地面有建筑物或其它超载作用，应考虑地面超载在隧道埋置深度处引起的地基附加应力。根据地面沉降监测结果来判断土压力设定值是否合理及其与自然土压力的吻合程度：一般情况下，盾前地面隆起02mm之间是相对合理的（此数值与土层和隧道埋深等密切相关）。如隆起过大则应适当调低土压力设定值，如发生沉降则应适当调高土压力设定值。盾构施工中的土压及其管理影响因素多、涉及面广、每个项目甚至不同的区段都有很大的变化，需要综合全面考虑方能取得一个合理的初始值，并在实施过程中逐步获得一个有效的土压值。土压及其管理是盾构施工中永恒的主题！,（2）盾构施工
11、过程的出土管理（协助土压管理） 出土速度和出土量： 每环出土量总量控制（1.2m55-60m3?) 满足土压管理下的合理出土速度，主要靠控制螺旋输送机的转速来调节 多环例子土压控制与管理 单环例子螺旋输送机调空与土压保持出土管理是进行土压管理的有效措施，合理的土壤改良也是十分必要的！(例子：polymer)以上（1）和（2）两项完全可以在地面工作室内进行监控！（3）曲线掘进与大角度纠偏 盾构施工就是前进中的不断纠偏过程！（不论是直线隧道还是曲线隧道）纠偏伴随盾构施工的全过程，盾构机调整角度后掘进方向与原掘进方向存在一微小夹角，这样开挖横断面形成一椭圆形，其截面面积大于盾构机的截面面积，地层损失
12、不可避免；同时纠偏过程中会对土体造成侧面挤压，增大了土体的扰动。如外径6.25m，长6.00m的盾构机而言，每增加6的纠偏角，就会造成0.0576m3的地层损失，引起的地表沉降，按Peck理论的地层损失概念进行计算，得出隧道（埋深15米）中心上方地面沉降量约为=3.4mm。,曲线掘进尤其不可避免！因此，隧道曲线掘进和正常纠偏引起地层损失造成的地面沉降是非常可观的，曲线掘进和正常纠偏角度越大相应的地面沉降就越大。所以在盾构掘进中常纠偏、小角度纠偏从而达到减少地层扰动和地面沉降的效果。监理应加强旁站，承包商应控制好掘进方向，在直线掘进时避免盾构蛇行，在曲线掘进时适当设置变向提前量，尽量减少纠偏幅度
13、。提前量的大小应在时间中不断总结，但原则是：提前量应与隧道稳定时的反方向偏移量相吻合！隧道曲线掘进和大角度纠偏的另一个有害副产品-引起管片安装的错台和整体隧道的反方向偏移，也应引起高度重视！应对措施：错台-1 减少大角度纠偏和盾构蛇行掘进 2 慢速掘进、降低土压和推力 3 改良土壤、降低扭矩 4 硬性同步注浆，尽快稳固地层 5 预紧螺栓等隧道反方向偏移-1 硬性浆液，尽快稳定隧道（控制因素-浆液配比和时间确定） 2 提前量（地层变化与数值确定）,（4）盾构施工过程的注浆管理 同步注浆与二次补浆 a) 同步注浆原因：盾构机外径通常较衬砌外径大十或数十厘米（包括本 的、曲线掘进和纠偏带来的等），盾
14、尾脱离衬砌后此 环形空隙如不能及时地以适当材料加以充填，将引起 隧道衬砌结构的不稳定和较大的地面沉降。 措施：注浆。 注意问题：为保证浆液能起到抵抗周围土体挤压的作用，同时 考虑易于注入，选用的浆液应具备以下特性： 略低于或相当于周围土体的容重； 具有一定的抗剪强度和压缩系数，浆液稳定后 其C、值高于周围土体的相应指标； 静态下有一定自立性和强度，经扰动后有一定的 流动性，可泵送性好，不堵塞管路，能均匀地充 满各种间隙； 体积收缩率小，压缩系数、压缩指数小； 浆液不易析水。 在振动荷载作用下不发生振动液化。 b) 二次补浆补齐空隙、稳固地层、有效防水！,c) 惰性浆液与硬性浆液的优缺点简析,盾
15、尾密封刷（4）,紧急密封（1）,同步注浆浆液,惰性浆液：优点-满足充填空隙的要求；对盾尾刷的危害小；不会“糊住”盾尾 缺点凝固慢；稳定管片作用差；易造成隧道的偏移，尤其是隧道 纠偏和曲线掘进时；硬性浆液：优缺点与惰性浆液正好相反风险：后者比前者大,正确确定注浆量及注浆压力 考虑到纠偏引起的地层损失、盾构机壳体拖泥引起的地层损失、浆液体积收缩和具体的地层特点等因素，注浆时实际注浆量应为理论空隙体积的120180，通常采用150。 实际施工中，应根据盾尾脱离衬砌处对应点的地面沉降观测结果，及时进行注浆量调整，该点地面沉降量控制在02mm/天之内。 注浆压力应为保证足够注浆量的最小值，同时应与开挖舱
16、内的土压力相匹配注浆速度应是使浆液充填速度与盾构掘进度一致。 注浆速度过快，注浆压力必然上升，易造成尾漏浆； 注浆速度过慢，注浆充填效果不易达到要求，引起地面沉降过大（土体自稳时间）；及时二次补浆，减小后期沉降盾构施工后期沉降(盾尾后30-40米范围内)主要来自土体固结。虽然沉降发展速度较慢，但累计值占到总沉降量的30-50左右。及时二次补浆是必须的手段且效果良好。详细调查建筑物和管线等的分布情况，采用及时二次补浆的方法来减少后期沉降，避免影响建筑物和管线的安全是十分有效的。,d) 注浆量是盾构施工控制重要指标,（5）盾构施工过程的管片拼装 注意三个问题： 管片的现场验收管片质量合格、管片型式
17、正确（错缝拼装、 K块位置） 盾尾内的拼装确保不发生错台，如发生，调整重新安装！ K块位置要准确！（6）盾构施工过程的测量工作与导向控制 导向控制确保国家控制点到盾构始发位置导线测量的准确并定期复核； 隧道定向确保定向准确并定期复核（定向点不稳定时期和及时的第三方复核尤其重要）； 隧道内的导线测量及时，准确！控制指标时间和距离！ 时间控制因素是反映隧道稳定状况的； 而距离控制因素主要是反映曲线掘进情况的 这是盾构生产与普通隧道施工的最大不同！,（7）盾构施工过程的监控量测 目前与普通的监控量测没有本质不同，仪器数字化和精度提高，频率没变； 自动监控量测系统誓在必行！（11标）（8）盾构施工过程
18、的均匀生产问题均匀生产是盾构生产的重要控制指标！,2.7 盾构施工辅助工程（包括进出洞、联络通道和其它附 属工程、盾构防水等） 1) 盾构进出洞：“洞”井；出洞盾构始发，进洞盾构到达 进出洞措施土体加固/钢板桩 注意问题加固方案（设计）是否合理有效，加固方法是否满足 要求，加固设备是否安全可靠，工艺流程能否满足， 检测手段是否合理先进，质量保证措施是否到位。 （常规地层加固，不新鲜，无例外要求，北京地区而言 0.81.2 Mpa, 10-7的渗透系数完全满足要求） 2）联络通道和其它附属工程： 基本同“盾构进出洞” 3）盾构防水： 进出洞防水，联络通道及其它附属工程的防水（均指与盾构连接处）,
19、管片间的防水,2.8 质量保证措施与绿色、环保和文明施工2.9 组织机构与人员投入2.10 其它特殊问题 1）断桩问题 2）下穿桩基问题 3）旁穿桩基问题 4）不均匀沉降问题 5）不明障碍物问题 6）下穿河流问题等,3 土压平衡盾构施工应注意的关键问题,3.1 开挖舱内土压力控制（全程和保压）： 1）沿线土舱压力分布控制表（制订参见2.6 (1)） 2）土舱压力参考数值的位置（压力传感器的位置与参考数值的选取， 例子（单环） 3）根据土舱压力数值，分析判断开挖面土体压力 4）多环压力统计分析（例子） 5）舱内压力波动范围的考虑（0.2 bar / 0.02Mpa) 6）土体改良与压力控制的关系
20、,3.2 盾构每环出土量的控制 1）出土量的计算与掘进速度的确定 2）出土速度与掘进速度的匹配（主要靠盾构司机的控制来实现） 3）合理的螺旋输送机转速与启动和停机时的技术问题（例子-单环） 4）出土总量的控制（黏土、粉土和沙土及沙砾石应有不同）3.3 注浆量的控制 1）注浆量的计算（120%-180%, 150%？) 2）注浆材料与配比的合理选择（惰性与硬性浆液问题，尚无定论！） 3）注浆量的计量与控制（例子单环数值与多环统计） 4）漏浆问题与控制措施（盾尾还是铰接？） 5）注浆压力的合理选择与控制（与土压力和泡沫压力相匹配） 6）二次补浆合理时机的选择（稳定管片结构与防水）,3.4 盾尾间隙
21、的控制和曲线掘进 1）盾尾间隙的重要性（主动铰接与被动铰接问题） 2）盾尾间隙的设定原则（盾尾内径、管片外径及其最小尺寸，均分原则） 3）盾尾间隙的保持（控制在最大与最小之间） 4）盾尾间隙过大与过小的后果：漏浆和管片破裂！（原因分析） 5）曲线（特别是大曲率时）掘进时的盾尾间隙预调整，有利于转弯！ 6）曲线掘进与隧道反方向偏移的提前量3.5 管片拼装（面子问题和结果问题） 管片的质量要合格、型式要正确、运输要控制、安装要仔细、位置要准确、 错台要小、稳定要早，违反规定重装、保护尾封重要！,3.6 测量工作要重视，监控量测要及时 1）导点准确 2）定期复核（50环和23天，200米和20天） 3）第三方独立复核要及时 4）适应盾构施工的特点：速度快，纠偏慢、工作量大、测量人员辛苦等 5）监控量测设备先进可靠、方案优化合理、结果准确、反馈要快。土压管理、高度重视，出土控制、有节有制注浆压力、有高有低，注浆数量、准确合理曲线掘进、盾尾间隙，管片破裂、尽可防止 测量监控、不可轻视，均衡生产、十分有益！,错误之处，敬请批评指正！谢谢大家！2007-11,
