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一級建造師《市政工程》知識點：1K34盾構(gòu)掘進技術(shù)

1K30盾構(gòu)法施工

1K34 盾構(gòu)掘進技術(shù)

下面以密閉式盾構(gòu)為例簡要介紹掘進技術(shù)。

一、盾構(gòu)法施工步驟與掘進控制內(nèi)容

盾構(gòu)法施工現(xiàn)場如圖1K12-5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)在地層中沿著設計軸線推進，在推進的同時不斷出土(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。

盾構(gòu)掘進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、設計要求等，在試驗的基礎(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)控量測的各項數(shù)據(jù)調(diào)整控制參數(shù)，才能確保實現(xiàn)施工安全、施工質(zhì)量、施工工期與施工成本預期目標。盾構(gòu)掘進控制的具體內(nèi)容見表1K34。

密閉式盾構(gòu)掘進控制內(nèi)容構(gòu)成 表1K34

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)+土壓十預備壓設定。

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。靠近河流等場合，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)預備壓，用來補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 預備壓

下限值：

Pmin=地下水壓+(主動土壓或松弛土壓)+預備壓

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1K34-1)。

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)設備空間(地面、隧道內(nèi));

7)掘進長度;

8)棄土處理條件;

9)費用(材料價格、注入量、材料損耗、用電量、設備費等)。

(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)驗目視)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

按螺旋輸送機轉(zhuǎn)數(shù)計算的排土量與按盾構(gòu)推進速度計算的排土量進行比較，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)掘進就正常，兩者高度相關(guān)。

3)根據(jù)盾構(gòu)機械負荷

根據(jù)刀盤油壓(或電壓)、刀盤扭矩、螺旋輸送機扭矩、千斤頂推力等機械負荷變化，判斷土砂的流動狀態(tài)。一般根據(jù)初始掘進時的機械負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，開挖面土體強度提高，同時泥漿壓力平衡了開挖面土壓和水壓，達到了開挖面穩(wěn)定的目的;二是泥漿作為輸送介質(zhì)，擔負著將所有挖出土砂運送到工作井外的任務。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

單位掘進循環(huán)(一般按一環(huán)管片寬度為一個掘進循環(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

一般從下部的標準(A型)管片開始，依次左右兩側(cè)交替安裝標準管片，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1K34―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)方向控制方法進行詳細研究，施工中對每環(huán)管片的盾尾間隙認真檢測，并對隧道線形與盾構(gòu)方向嚴格控制。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)。

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