一建市政教材解讀：1K413034 盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)

　　【摘要】環(huán)球網(wǎng)校一級建造師頻道為您提供一級建造師考試必備的復(fù)習(xí)資料和試題，供考生復(fù)習(xí)備考之用，本文為一建市政教材解讀：1K413034  盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)，是考生必須要熟記和掌握的重點(diǎn)內(nèi)容。2015年的一級建造師考試將于9月19日至20日舉行，環(huán)球網(wǎng)校在此提醒廣大考生做好復(fù)習(xí)備考。祝廣大考生順利通過一級建造師考試！

　　1K413034 盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)

　　下面以密閉式盾構(gòu)為例簡要介紹掘進(jìn)技術(shù)。

　　一、盾構(gòu)法施工步驟與掘進(jìn)控制內(nèi)容

　　盾構(gòu)法施工現(xiàn)場如圖1K413012-5所示，主要施工步驟為：

　　(1)在一段隧道的起始端和終止端各建一個工作井(城市地鐵一般利用車站的端頭)作為始發(fā)或接收工作井;

　　(2)盾構(gòu)在始發(fā)工作井內(nèi)安裝就位;

　　(3)依靠盾構(gòu)千斤頂推力(作用在工作井后壁或新拼裝好的襯砌上)將盾構(gòu)從始發(fā)工作井的洞口推人地層;

　　(4)盾構(gòu)在地層中沿著設(shè)計軸線推進(jìn)，在推進(jìn)的同時不斷出土(泥)和安裝襯砌管片;

　　(5)及時向襯砌背后的空隙注漿，防止地層變形并使襯砌安定;

　　(6)盾構(gòu)進(jìn)入接收工作井并被吊移，如施工需要，也可穿越工作井繼續(xù)掘進(jìn)。

　　盾構(gòu)掘進(jìn)控制的目的是確保開挖面穩(wěn)定的同時，構(gòu)筑隧道結(jié)構(gòu)、維持隧道線形、及早填充盾尾空隙。因此，開挖控制、一次襯砌、線形控制和注漿構(gòu)成了盾構(gòu)掘進(jìn)控制四要素。施工前必須根據(jù)地質(zhì)條件、隧道條件、環(huán)境條件、設(shè)計要求等，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定具體控制內(nèi)容與參數(shù);施工中根據(jù)包括監(jiān)控量測的各項(xiàng)數(shù)據(jù)調(diào)整控制參數(shù)，才能確保實(shí)現(xiàn)施工安全、施工質(zhì)量、施工工期與施工成本預(yù)期目標(biāo)。盾構(gòu)掘進(jìn)控制的具體內(nèi)容見表1K413034。

　　一、開挖控制

　　開挖控制的根本目的是確保開挖面穩(wěn)定。

　　土壓式盾構(gòu)與泥水式盾構(gòu)的開挖控制內(nèi)容略有不同。

　　(一)土壓(泥水壓)控制

　　(1)土壓式盾構(gòu)，以土壓和塑流性改良控制為主，輔以排土量、盾構(gòu)參數(shù)控制。泥水式盾構(gòu)，以泥水壓和泥漿性能控制為主，輔以排土量控制。

　　(2)開挖面的土壓(泥水壓)控制值，按“地下水壓(間隙水壓)+土壓十預(yù)備壓”設(shè)定。

　　1)地下水壓可從鉆孔數(shù)據(jù)正確掌握，但要考慮季節(jié)性變動?？拷恿鞯葓龊?，要考慮水面水位變動的影響。

　　2)土壓有靜止土壓、主動土壓和松弛土壓，要根據(jù)地層條件.區(qū)別使用。按靜止土壓設(shè)定控制土壓，是開挖面不變形的最理想土壓值，但控制土壓相當(dāng)大，必須加大盾構(gòu)裝備能力。主動土壓是開挖面不發(fā)生坍塌的臨界壓力，控制土壓最小。地質(zhì)條件良好、覆土深、能形成土拱的場合，可采用松弛土壓。

　　3)預(yù)備壓，用來補(bǔ)償施工中的壓力損失，土壓式盾構(gòu)通常取10～20kN/m2，泥水式盾構(gòu)通常取20～50kN/m2 。

　　(3)計算土壓(泥水壓)控制值時，一般沿隧道軸線取適當(dāng)間隔(例如20m)，按各斷面的土質(zhì)條件，計算出上限值與下限值，并根據(jù)施工條件在其范圍內(nèi)設(shè)定。土體穩(wěn)定性好的場合取低值，地層變形要求小的場合取高值。

　　上限值：

　　Pmax=地下水壓 十 靜止土壓 十 預(yù)備壓

　　下限值：

　　Pmin=地下水壓+(主動土壓或松弛土壓)+預(yù)備壓

　　為使開挖面穩(wěn)定，土壓(泥水壓)變動要小;變動大的情況下，一般開挖面不穩(wěn)定。

　　(二)土壓式盾構(gòu)泥土的塑流化改良控制

　　(1)土壓式盾構(gòu)掘進(jìn)時，理想地層的土特性是：

　　1)塑性變形好;

　　2)流塑至軟塑狀;

　　3)內(nèi)摩擦小;

　　4)滲透性低。

　　細(xì)顆粒(75μm以下的粉土與黏土)含量30%以上的土砂，塑性流動性滿足要求。在細(xì)顆粒含量低于30%、或砂卵石地層，必須加泥或加泡沫等改良材料，以提高塑性流動性和止水性(見圖1K413034-1)。

　　改良材料必須具有流動性、易與開挖土砂混合、不離析、無污染等特性。一般使用的改良材料有礦物系(如膨潤土泥漿)、界面活性劑系(如泡沫)、高吸水性樹脂系和水溶性高分子系四類(我國目前常用前兩類)，可單獨(dú)或組合使用。

　　(2)選擇改良材料要依據(jù)以下條件：

　　1)土質(zhì)(粒度分布、礫石粒徑、礫石含量、黏性土含量、均等系數(shù)等);

　　2)透水系數(shù);

　　3)地下水壓;

　　4)水離子電性;

　　5)是否泵送排土;

　　6)加泥(泡沫等)設(shè)備空間(地面、隧道內(nèi));

　　7)掘進(jìn)長度;

　　8)棄土處理?xiàng)l件;

　　9)費(fèi)用(材料價格、注入量、材料損耗、用電量、設(shè)備費(fèi)等)。

　　(3)塑流化改良控制是土壓式盾構(gòu)施工的最重要要素之一，要隨時把握土壓倉內(nèi)土砂的塑性流動性。一般按以下方法掌握塑流性狀態(tài)。

　　1)根據(jù)排土性狀

　　取樣測定(或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)恳?土砂的坍落度，以把握土壓倉內(nèi)土砂的流動狀態(tài)。采用的坍落度控制值取決于土質(zhì)、改良材料性狀與土的輸送方式。

　　2)根據(jù)土砂輸送效率

　　按螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)計算的排土量與按盾構(gòu)推進(jìn)速度計算的排土量進(jìn)行比較，以判斷開挖土砂的流動狀態(tài)。一般情況下，土壓倉內(nèi)土砂的塑性流動性好，盾構(gòu)掘進(jìn)就正常，兩者高度相關(guān)。

　　3)根據(jù)盾構(gòu)機(jī)械負(fù)荷

　　根據(jù)刀盤油壓(或電壓)、刀盤扭矩、螺旋輸送機(jī)扭矩、千斤頂推力等機(jī)械負(fù)荷變化，判斷土砂的流動狀態(tài)。一般根據(jù)初始掘進(jìn)時的機(jī)械負(fù)荷狀況和地層變化結(jié)果等因素，確定開挖土砂的最適性狀和控制值的容許范圍。

　　(三)泥水式盾構(gòu)的泥漿性能控制

　　泥水式盾構(gòu)掘進(jìn)時，泥漿起著兩方面的重要作用：一是依靠泥漿壓力在開挖面形成泥膜或滲透區(qū)域，開挖面土體強(qiáng)度提高，同時泥漿壓力平衡了開挖面土壓和水壓，達(dá)到了開挖面穩(wěn)定的目的;二是泥漿作為輸送介質(zhì)，擔(dān)負(fù)著將所有挖出土砂運(yùn)送到工作井外的任務(wù)。因此，泥漿性能控制是泥水式盾構(gòu)施工的最重要要素之一。

　　泥漿性能包括：比重、黏度、pH值、過濾特性和含砂率。

　　(四)排土量控制

　　1.開挖土量計算

　　單位掘進(jìn)循環(huán)(一般按一環(huán)管片寬度為一個掘進(jìn)循環(huán))開挖土量Q，一般按下式計算：

　　式中 V――開挖土干砂量(m3);

　　Q――開挖土計算體積(m3);

　　Gs――土顆粒相對密度;

　　ω――土體的含水量(%)。

　　干砂量控制方法是，檢測單位掘進(jìn)循環(huán)送泥干砂量V1與排泥干砂量V2，按下式計算排土干砂量V3：

　　三、管片拼裝控制

　　(一)拼裝方法

　　1.拼裝成環(huán)方式

　　盾構(gòu)推進(jìn)結(jié)束后，迅速拼裝管片成環(huán)。除特殊場合外，大都采取錯縫拼裝。在糾偏或急曲線施工的情況下，有時采用通縫拼裝。

　　2.拼裝順序

　　一般從下部的標(biāo)準(zhǔn)(A型)管片開始，依次左右兩側(cè)交替安裝標(biāo)準(zhǔn)管片，然后拼裝鄰接(B型)管片，最后安裝楔形(K型)管片。

　　3.盾構(gòu)千斤頂操作

　　拼裝時，若盾構(gòu)千斤頂同時全部縮回，則在開挖面土壓的作用下盾構(gòu)會后退，開挖面將不穩(wěn)定，管片拼裝空間也將難以保證。因此，隨管片拼裝順序分別縮回盾構(gòu)千斤頂非常重要。

　　4.緊固連接螺栓

　　先緊固環(huán)向(管片之間)連接螺栓，后緊固軸向(環(huán)與環(huán)之間)連接螺栓。采用扭矩扳手緊固，緊固力取決于螺栓的直徑與強(qiáng)度。

　　5.楔形管片安裝方法

　　楔形管片安裝在鄰接管片之間，為了不發(fā)生管片損傷、密封條剝離，必須充分注意正確地插入楔形管片。為方便插入楔形管片，可裝備能將鄰接管片沿徑向向外頂出的千斤頂，以增大插入空間。

　　拼裝徑向插入型楔形管片時，楔形管片有向內(nèi)的趨勢，在盾構(gòu)千斤頂推力作用下，其向內(nèi)的趨勢加劇。拼裝軸向插入型楔形管片時，管片后端有向內(nèi)的趨勢，而前端有向外的趨勢。

　　6.連接螺栓再緊固

　　一環(huán)管片拼裝后，利用全部盾構(gòu)千斤頂均勻施加壓力，充分緊固軸向連接螺栓。

　　盾構(gòu)繼續(xù)掘進(jìn)后，在盾構(gòu)千斤頂推力、脫出盾尾后土(水)壓力的作用下襯砌產(chǎn)生變形，拼裝時緊固的連接螺栓會松弛。為此，待推進(jìn)到千斤頂推力影響不到的位置后，用扭矩扳手等，再一次緊固連接螺栓。再緊固的位置隨隧道外徑、隧道線形、管片種類、地質(zhì)條件等而不同。

　　(二)真圓保持

　　管片拼裝呈真圓，并保持真圓狀態(tài)，對于確保隧道尺寸精度、提高施工速度與止水性及減少地層沉降非常重要。

　　管片環(huán)從盾尾脫出后，到注漿漿體硬化到某種程度的過程中，多采用真圓保持裝置。

　　(三)管片拼裝誤差及其控制

　　管片拼裝時，若管片間連接面不平行，導(dǎo)致環(huán)間連接面不平，則拼裝中的管片與已拼管片的角部呈點(diǎn)接觸或線接觸，在盾構(gòu)千斤頂推力作用下，發(fā)生破損(見圖1K413034―2)。為此，拼裝管片時，各管片連接面要拼接整齊，連接螺栓要充分緊固。

　　另外，盾構(gòu)掘進(jìn)方向與管片環(huán)方向不一致時，盾構(gòu)與管片產(chǎn)生干涉，將導(dǎo)致管片損傷或變形。伴隨管片寬度增加，上述情況增多。為防止管片損傷，預(yù)先要根據(jù)曲線半徑與管片寬度對適宜的盾構(gòu)方向控制方法進(jìn)行詳細(xì)研究，施工中對每環(huán)管片的盾尾間隙認(rèn)真檢測，并對隧道線形與盾構(gòu)方向嚴(yán)格控制。在盾構(gòu)與管片產(chǎn)生干涉的場合，必須迅速改變盾構(gòu)方向、消除干涉。

　　盾構(gòu)糾偏應(yīng)及時連續(xù)，過大的偏斜量不能采取一次糾偏的方法，糾偏時不得損壞管片，并保證后一環(huán)管片的順利拼裝。

　　(四)楔形環(huán)的使用

　　除盾構(gòu)沿曲線掘進(jìn)必須使用楔形環(huán)外，在盾構(gòu)與管片有產(chǎn)生干涉趨勢的情況下也可使用楔形環(huán)。

　　四、注漿控制

　　注漿是向管片與圍巖之間的空隙注入填充漿液，向管片外壓漿的工藝，應(yīng)根據(jù)所建工程對隧道變形及地層沉降的控制要求選擇同步注漿或壁后注漿，一次壓漿或多次壓漿。由計劃到施工的流程如圖1K413034-3所示。

　　(一)注漿目的

　　管片拼裝完成后，隨著盾構(gòu)的推進(jìn)，管片與洞體之間出現(xiàn)空隙。如不及時充填，地層應(yīng)力釋放后，會產(chǎn)生變形。其結(jié)果是發(fā)生地面沉降、鄰近建(構(gòu))筑物沉降、變形或破壞等。注漿的主要目的就是防止地層變形，還有其他重要目的，具體如下：

　　(1)抑制隧道周邊地層松弛，防止地層變形。

　　(2)及早使襯砌管片環(huán)安定，千斤頂推力平滑地向地層傳遞。作用于管片的推力平均，能減小作用于管片的應(yīng)力和管片變形，盾構(gòu)的方向控制容易。

　　(3)形成有效的防水層。

　　(二)注漿材料的性能

　　一般對注漿材料的性能有如下要求：

　　(1)流動性好;

　　(2)注入時不離析;

　　(3)具有均勻的高于地層土壓的早期強(qiáng)度;

　　(4)良好的充填性;

　　(5)注入后體積收縮小;

　　(6)阻水性高;

　　(7)適當(dāng)?shù)酿ば?，以防止從盾尾漏漿或向開挖面回流;

　　(8)不污染環(huán)境。

　　(三)一次注漿

　　一次注漿分為同步注漿、即時注漿和后方注漿三種方式，要根據(jù)地質(zhì)條件、盾構(gòu)直徑、環(huán)境條件、注漿設(shè)備的維護(hù)控制、開挖斷面的制約與盾尾構(gòu)造等充分研究確定。

　　1.同步注漿

　　同步注漿是在空隙出現(xiàn)的同時進(jìn)行注漿、填充空隙的方式，分為從設(shè)在盾構(gòu)的注漿管注入和從管片注漿孔注入兩種方式。前者，其注漿管安裝在盾構(gòu)外側(cè)，存在影響盾構(gòu)姿態(tài)控制的可能性，每次注入若不充分洗凈注漿管，則可能發(fā)生阻塞，但能實(shí)現(xiàn)真正意義的同步注漿。后者，管片從盾尾脫出后才能注漿，為與前者區(qū)別，可被稱作半同步注漿。

　　2.即時注漿

　　一環(huán)掘進(jìn)結(jié)束后從管片注漿孔注入的方式。

　　3.后方注漿

　　掘進(jìn)數(shù)環(huán)后從管片注漿孔注入酌方式。

　　一般盾構(gòu)直徑大，或在沖積黏性土和砂質(zhì)土中掘進(jìn)，多采用同步注漿;而在自穩(wěn)性好的軟巖中，多采取后方注漿方式。

　　(四)二次注漿

　　二次注漿是以彌補(bǔ)一次注漿缺陷為目的進(jìn)行的注漿，具體作用如下：

　　(1)補(bǔ)足一次注漿未充填的部分;

　　(2)補(bǔ)充由漿體收縮引起的體積減小;

　　(3)以防止周圍地層松弛范圍擴(kuò)大為目的的補(bǔ)充。

　　以上述(1)、(2)為目的的二次注漿，多采用與一次注漿相同的漿液;若以(3)為目的，多采用化學(xué)漿液。

　　(五)注漿量與注漿壓力

　　注漿控制分為壓力控制與注漿量控制兩種。壓力控制是保持設(shè)定壓力不變，注漿量變化的方法。注漿量控制是注漿量一定，壓力變化的方法。一般僅采用一種控制方法都不充分，應(yīng)同時進(jìn)行壓力和注漿量控制。

　　1.注漿量

　　注漿量除受漿液向地層滲透和泄漏外，還受曲線掘進(jìn)、超挖和漿液種類等因素影響，不能準(zhǔn)確確定。一般采用以下方法確定。

　　按下式計算注漿量Q：

　　式中 V――計算空隙量;

　　a――注入率;

　　Ds――開挖外徑;

　　D0――管片外徑;

　　v――進(jìn)速度。

　　注入率a根據(jù)漿液特性(體積變化)、土質(zhì)及施工損耗考慮的比例系數(shù)，基于經(jīng)驗(yàn)確定。

　　2.注漿壓力

　　注漿壓力應(yīng)根據(jù)土壓、水壓、管片強(qiáng)度、盾構(gòu)形式與漿液特性綜合判斷決定，但施工中通常基于施工經(jīng)驗(yàn)確定。

　　從管片注漿孔注漿，注漿壓力一般取100～300kN/m2(1～3 kg/cm2)，或間隙水壓加200kN/m2左右。

　　注漿量與注漿壓力要經(jīng)過一定的反復(fù)試驗(yàn)，確認(rèn)注漿效果、對周圍地層和建(構(gòu))筑物的影響等，并在施工中進(jìn)行一定范圍內(nèi)的效果確認(rèn)，反饋其結(jié)果指導(dǎo)施工。

　　五、隧道的線形控制

　　線形控制的主要任務(wù)是通過控制盾構(gòu)姿態(tài)，使構(gòu)建的襯砌結(jié)構(gòu)幾何中心線線形順滑，且位于偏離設(shè)計中心線的容許誤差范圍內(nèi)。

　　(一)掘進(jìn)控制測量

　　隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，對盾構(gòu)及襯砌的位置進(jìn)行測量，以把握偏離設(shè)計中心線的程度。測量項(xiàng)目包括：盾構(gòu)的位置、傾角、偏轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)角及盾構(gòu)千月’頂行程、盾尾間隙和襯砌位置等?；谏鲜鰷y量結(jié)果，作圖畫出盾構(gòu)及襯砌與設(shè)計中心線的位置關(guān)系，直接預(yù)測下一環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)偏差十分重要。

　　(二)方向控制

　　掘進(jìn)過程中，主要對盾構(gòu)傾斜及其位置以及拼裝管片的位置進(jìn)行控制。

　　盾構(gòu)方向(偏轉(zhuǎn)角和傾角)修正依靠調(diào)整盾構(gòu)千斤頂使用數(shù)量進(jìn)行。若遇硬地層或曲線掘進(jìn)，要進(jìn)行大的方向修正場合，須采用仿形刀向調(diào)整方向超挖。此時，盾尾間隙減小，管片拼裝困難，為確保盾尾間隙，必須進(jìn)行方向修正。盾尾間隙大大減小的情況下，要拼裝楔形環(huán)管片，以確保盾尾間隙。

　　盾構(gòu)轉(zhuǎn)角的修正，可采取刀盤向盾構(gòu)偏轉(zhuǎn)同一方向旋轉(zhuǎn)的方法，利用產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)反力進(jìn)行修正。