软土地层土压平衡盾构工法

软土地层土压平衡盾构施工工法

第二工程有限公司

一、前 言

盾构法施工城市地铁目前已在北京、上海、深圳等城市广泛应用。中铁四局集团二公司在上海市轨道交通杨浦线（M8线）Ⅲ标段区间隧道工程施工中，应用土压平衡式盾构机施工，在轴线控制、管片拼装、衬砌防水、地表沉降等方面严格控制，总体效果良好。总结施工工艺形成本工法。 二、工法特点

1．一般不使用土体预加固辅助措施，节省技术措施费； 2．易达到工作面的稳定,减小地表变形，施工安全性好； 3．机械自动化程度高,施工速度快，衬砌质量容易控制； 4．振动小、噪声低，对环境无污染；

5．对沿线居民生活、地下和地面建筑物影响小。 三、适用范围

适用于松软含水地层及城市地下管线密布，施工条件困难地段的隧道施工。可在砂砾、砂、粉砂、粘土等压密程度低，软、硬相间的地层，以及封闭式盾构无法适应的砂砾、砂层等地层中使用。 四、工艺原理

安装在盾构机最前面的全断面切削刀盘切削土体，盾构千斤顶向前顶进，切削下来的泥土充满密封舱和螺旋输送机壳体内的全部空间，在密封的土舱内形成支撑压力，以抵抗开挖面土层的水土压力，减少盾构推进对地层土体的扰动，有效控制地表变形。根据土

水土压刀盘盾壳密封隔舱板盾尾密封压变化调整出土和盾构推进速度, 达到工作面的压力平衡。盾构机基本构造及力学原理见图1。

压泥土舱 土压螺旋输送机泥土舱盾构机千斤顶管片拼装机图1 土压平衡盾构基本构造和力学原理图1 土压平衡盾构基本构造和力学原理

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五、工艺流程及操作要点 （一）工艺流程：见图2

施工准备

盾构就位 盾构出洞 后盾支撑安装 洞门砼凿除 盾构安装、调试、验收 出洞防水帘布安装 盾构基座安装 出洞口土体加固 盾构推进 压浆 送浆 拌制浆液 盾尾油脂压注 出土 自卸车外运土 洞口龙门吊垂直吊出 集土坑存土 土斗车水平运土 开启螺旋机和排土口管片运输到工地 管片预制 管片拼装 运输到掌子面 粘贴橡胶止水带 管片螺栓连接 螺栓运输 螺栓制作 循环掘进 盾构进洞 洞门砼凿除 接收架安装 进洞口土体加固 隧道端头封堵 图2 盾构施工工艺流程图 拆、吊盾构机 （二）操作要点 1．盾构进出洞

（1）洞门段土体加固。

采用深层搅拌桩与压密劈裂注浆相结合的办法对隧道周边3m，进洞端长3.5 m，出洞端6 m范围内进行地层加固。深层搅拌桩水泥掺量12%，注浆采用1∶1水泥、水玻璃双液浆。

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地层加固一个月后，地面钻孔取芯进行28天抗压实验，试件无侧限抗压强度应不小于0.8MPa。

（2）盾构出洞时应防止盾构旋转、上飘。

盾构出洞时，正面加固土体强度较高，由于盾构与地层间无摩擦力，盾构易旋转，应加强对盾构姿态的测量，如发现盾构有较大的转角，可以采用大刀盘正反转的措施进行调整。盾构刚出洞时，推进速度宜慢，大刀盘切削土体中可加水降低盾构正面压力，防止盾构上飘，加强后盾支撑观测。

（3）进洞前100 m的地段要加强测量工作，及时纠正进洞的偏差。为防止盾构进洞时盾尾拉开管片，洞内前10环衬砌用6道［14槽钢沿隧道纵向环环拉紧。 2．初始推进段施工

盾构从始发端头井出发后,首推100环作为实验段,用于掌握盾构的性能和工作状况；确定土舱土压力、推进速度（千斤顶行程速度）、总推力、刀盘扭矩、出土量、注浆数量及压力等参数；总结地表变形的一般规律。 3．地表变形控制

根据沿途环境情况设置要求不同的监测段，作地表沉降值、土压力、孔隙水压力及添加剂量、注浆参数等方面的量测和管理。

地表沉降监测每天进行，沉降量控制在＋10mm ～－30mm之间。测点布置为：区间隧道

中心轴线上，每50m横断面处两侧各20m范围内设置观察点；沿隧道中心线不论曲线段还是直线段，每5m布设一沉降观测点，每50m布一深层点。地面沉降观测点在路面上用道钉埋设，特殊要求的构筑物用红三角标记。加强施工信息反馈,采取定期观察和施工跟踪观察相结合的方法，根据测量数据,及时分析、调整推进参数。 4．土压力管理

土压力通过装置在密封土舱内的土压力计检测读出。理想的变化范围是：

（水压力+主动土压力）＜P0＜（水压力+被动土压力）

土压力P0设定与管理方法为： （1）按水土合算原则计算土压力：

P0 = k0 r h

其中：k0——土的侧向静止压力系数，取0.7～1.0

r ——土体的平均容重 h ——隧道埋深

（2）根据出土量与地表沉降数据对P0作相应调整

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（3）对已定P0进行动态管理，以适应连续推进要求 5．排土管理

以土压力为控制目标，通过实测土压力值P1与P0相比较，依此压力差进行相应的排土管理，其控制流程如下图3。由安装在盾构机密封舱下部的螺旋运输机向排土口连续地将土渣排出，开挖量与排土量应保持或接近平衡。 6．管片拼装

隧道衬砌每环由六块管片构成，即一块封顶块、两块邻接块、两块标准块、一块拱底块。环宽有1000mm和1200mm两种。拼装要点如下：

（1）衬砌之间采用通缝拼装，由下而上，拼装顺序为拱底块→标准块→邻接块→封顶块。拼装封顶块时，先与邻接块搭接1／3,然后纵向插入成环。

（2）管片拼装精度，相邻环间拱底块环向相对旋转值不得大于3mm，环缝、纵缝张开小于2mm，相邻环管片高差小于4mm。环向、纵向螺栓必须在盾尾中拼装时全部穿进拧紧。 （3）每安装好一环必须及时拧紧环纵向螺栓，并对出盾构车架的管片环纵缝螺栓进行复拧。隧道贯通后，再次对所有管片的螺栓进行复拧。

（4） 纵向螺栓应在推好一环,千斤顶回缩后复拧一次,必须使纵向螺母压紧垫圈与预埋件，并且直径偏差应小于12mm。 7．衬砌防水

衬砌防水包括每块管片水膨胀弹性密封垫的粘贴和隧道推进结束后衬砌环、纵缝的嵌缝两大部分。弹性密封垫是衬砌接缝防水的主要措施。粘贴前须用钢刷刷去管片凹槽内的浮灰、污垢，用氯丁－－酚醛胶粘合剂粘贴。粘贴好密封垫的衬砌若暂时不用或遇雨天，必须用塑

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图3 土压力控制流程图

土压力P。的设定 P1> P。 提高螺旋输送机转速 P1= P。 土压计实测 值 P1 正常推进 P1＜ P。 降低螺旋输送机转速或提高推进速度 推进 料薄膜或油布严密遮盖。封顶块与邻接块两侧的密封垫在拼装前应在表面涂抹润滑剂，粘度300CP。 8．泥水管理

对于进、出洞地基加固地段或砂土层等特殊地段，须向盾构推进前进方向上的土层中加泥、加泡沫或加水改良土体。施工前详细了解与分析工程所遇的地质情况，初步确定盾构推进中加入泥、水、填加剂的浓度和数量，并根据工作面稳定情况和螺旋机出土状况对添加剂材料进行调整。

制泥材料一般有粘土、膨润土等，其浓度及使用量如下表1所示：

表1 制泥材料浓度及使用量表

土质类别 砂土层 砂砾层 白色砂质沉积层 砂质粉土层 浓 度 （%） 15～30 30～50 20～30 5～15 每方最大使用量（m3） 0.30 0.30 0.20 0.10 9．注浆

盾构与衬砌的理论建筑空隙为1.38m/环（1m环）或1.66m/环（1.2m环）。盾构推进时应同步注浆,填充建筑空隙，防止土体松弛和下沉。注浆材料根据土体条件及盾构形式选择。注浆一般通过盾构机设置在盾构机钢壳上的注浆孔同步注浆。 （1）注浆材料应具备：

①拌制后浆液不离析； ②压注后凝固收缩小； ③流动性好（稠度采用9~11）；

④压注后强度上升较快,最终强度须大于原土体强度； ⑤具不透水性。

常用材料有：水泥砂浆（砂+水泥为主）；水泥+粉煤灰+陶土粉；可塑性注浆材料采用炉渣、石灰或粘土等代替水泥。

当盾构机压浆管路细时，使用惰性浆液，浆液配比如下表2；当盾构机压浆管路允许时，采用可硬性浆液，配比见表3。

表2 惰性浆液配比表

惰性 浆液 粉煤灰 400 浆液投料量（kg/ m） 黄砂 膨润土 680 100 333

水 430 备注 5

表3 可硬性浆液配比表

水泥（kg） 120~260 粉煤灰（kg） 381~241 膨润土（kg） 60~50 黄砂（kg） 779 水（kg） 460~470 外加剂（kg） 根据实验加入

（2） 注浆注意事项：

①以不偏压为原则，从上往下对称压注；

②当管片轴线偏离设计轴线时，应先填充建筑空隙大的部位；

③安装并保护盾尾密封材，按要求压注盾尾密封油脂，定期检查并更换密封材，防止盾尾跑浆。

（3）注浆压力和数量：

根据相应部位的土压力、水压力、泥浆压力以及衬砌的强度选择注浆压力。一般出口处压力为（0.1～0.3）MPa，压浆量考虑到其渗透、加压单侧挤入、脱水、超挖等因素，取建筑空隙的150%～250%，结合地表沉降进行压力与数量的综合管理。 10．施工测量控制

推进测量在每推进一环后进行，通过室内对测量数值的分析计算，及时地发布操作指令，适时纠偏。对初始出现的小偏差以二分之一允许值的标准纠正，避免误差积累。

在两车站端头井附近埋设地面导线点，利用空导点和地面导线点,以导线测量形式，将平面控制成果引测到施工现场。利用空导点和地面导线点建立平面控制网。

隧道掘进过程中，每40米布设一个吊篮，由地下起始导线点开始，逐次布设地下隧道贯通导线点，同时在管片封顶块上布设吊篮，吊篮上设强制归心的平面控制点，由贯通导线点引测。吊篮必须稳固，并与操作者的走板脱离，不能晃动。

利用施工区域附近的已知高级水准点，布设三等水准路线，将高程引测至车站端头井附近，并设立施工高程控制点。

根据通视条件，隧道内每隔一段距离，埋设一贯通高程控制点，作为隧道掘进的高程依据，然后转测到相应吊篮上的控制点。贯通高程控制点的高程应由地下起始高程控制点传递，引测前应对起始高程控制点进行复核。为保证盾构机严格按设计轴线推进，必须及时观测盾构动态数据，据以调整盾构施工参数。

在盾构机头部纵向设一对竖尺，垂直于盾构纵向设一对水平横尺，利用布设的三维坐标控制点，测量各尺读数,经精确计算得出盾构转角、盾构中心方向偏差值、盾构坡度、盾构中心高程等数据，从而相应调整盾构机的各个施工参数。

也可以通过盾构生产厂家或有能力的测量仪器生产厂家安装自动测量系统。该系统测量原理采用传统的支导线测量。在隧道内设置一台自动跟踪全站仪，后视吊篮点，盾构机头部

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安装三个棱镜，利用三个不共线的点可确定唯一空间位置的几何原理，来实现盾构姿态定位，通过PLC传递到操作室指导司机推进。 六、材 料

盾构隧道用料主要有管片、连接螺栓、防水弹性密封垫、填充浆液。 1．管片

管片在高精度钢模内制作成型，采用C55级高强度混凝土。其抗渗和检漏标准为：在0.8MPa水压力作用下，恒压3小时，渗透深度小于5cm。

为满足防迷流要求,各块衬砌管片中的钢筋、钢构件均须焊接连通。 2．连接螺栓

分直螺栓和弯螺栓两种,直螺栓便于安装,弯螺栓受力情况较好。采用锌基铬酸盐涂层等办法增加螺栓抗酸、碱能力。 3．弹性密封垫

为角部棱角分明的框形橡胶圈，由三元乙丙橡胶挤出硫化而成，并在其顶面嵌入水膨胀橡胶。

弹性橡胶密封垫在环纵、缝张开6 mm（其中包括密封垫沟槽制作误差、拼装误差、后期接缝变化）时，能长期抗0.6MPa水压力。 七、机具设备

1． 主要机具设备见下表4。

表4 主要机具设备表

设备名称 土压平衡式盾构机 龙门桥式行车 电瓶车 平板车 存土箱或集土坑 Y型道岔 高速搅拌机 储浆箱（桶） 充电机 上水管 潜水泵或清渣泵 防潮荧光灯 镝灯 50t履带吊

规格型号 φ6340 20～32t 18～25t 10 t 150m3~300m3 3m3 4m3 GC1-130/300φ φ50 3XB 数量 1 台 1台 2辆 6～10辆 1个 2～6副 1台 1个 2套 1道 1台 1台 备 注 轨道水平运输轨距为813mm 大小与数量视工程而定 数量视隧道长度而定 钢管 18V，1只／10米左右，隧道内工作面装在盾构内，一般为工作现场照明 24V 7

倒土架 电话机 灭火器（机） 通风机 Q-19-50 1只 5部 1台 自制 通讯联络 50m一个 2．由于盾构机械复杂而且附属设备极多，故要对其进行仔细研究后再确定供电设备的最大容量。为防止停电，必须采用双电源或自备发电设备。 八、劳动力组织

现场需配备土建工程师、机械工程师、电气工程师和测量工程师。一天24小时连续作业，分三班制，每作业班配备人员见下表5。

表5 每作业班配备人员表

工作项目 盾构司机 衬砌拼装 机械维修 电气维修 电焊 拌浆 注浆 井下吊装 井下测量 井上吊装 门吊运输 履带吊运输 料具 总计 工种 盾构司机 起重工 机修工 电工 电焊工 普通工 普通工 起重、挂钩指挥工 测量工 起重、挂钩指挥工 门吊司机 履带吊司机 普通工 人 数 2人 3人 1人 2人 1人 4人 2人 2人 2人 2人 1人 1人 1人 24人 备 注 （包括数据采集） 九、安全与环境保护 （一）安全

1．必须遵循安全第一的原则。盾构作业空间狭小，应尽量创造一个舒适愉快的工作环境；

2．确保通风、照明设备完整，走道畅通；

3．井下所有人员必须戴安全帽，操作人员要集中精力； 4．设置安全标志,配备相应的保护用品；

5．针对可能产生的重要事故隐患，如火灾、穿越河流及砂土地段喷涌、缺氧、有毒气体中毒等制定应急预案；

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6．起吊重物前必须检查索具吊具等有无损伤，井下吊运活动范围严禁人员停留； 7．做好机械设备的维修保养工作，严禁机器带病、超负荷工作； 8．井下电瓶车严禁搭乘人员。 （二）环境保护

施工前，对工作井周围及隧道轴线沿途建筑物、构筑物进行调查；采用低噪音设备，音源配置合理或采用隔音设备；防止振动；防止水质污染；采取有效技术措施，控制地表下沉，尽量减少对沿线建筑物的影响。对沿线居民、厂家单位等事先讲明情况，争取多方面的理解和支持。 十、质量要求

（一） 本工法采用《盾构法隧道工程施工及验收规程》（编号：DGJ08-233-1999）。质量要求为：

1．盾构推进轴线与设计轴线允许偏差(上、下、左、右各50mm)；

2．衬砌成环后(刚出盾尾时)直径允许偏差12 mm（尽量避免横鸭蛋），环缝张开＜2+2 mm

（纵缝内需垫以压缩至2 mm厚的传力衬垫），相邻管片允许高差4 mm；

3．地表最大允许变形量：隆起10 mm，沉降30 mm；

4．区间隧道每昼夜渗水量任意100m2不超过10L，隧道顶部不允许滴水，侧面允许有少量偶见湿渍，衬砌接头不允许漏泥砂和滴漏，拱底块在嵌缝作业后不允许有渗水。 （二）质量控制措施

1．加强对施工人员的施工技术和质量意识培训，施工人员持证上岗率100%。 2．在盾构推进中应留意同步压浆的压力、流量均衡性，防止衬砌环产生横鸭蛋形。 3．及时掌握盾构机的方向和位置，严格控制盾构机掘进姿态。

4．建立施工质量保证体系，以形成一个明确任务、职责及权限，互相协调、互相促进的有机体系。对现场施工中的关键问题,薄弱环节采取针对性的措施和方法，加以重点控制和管理，以保证达到规定的质量标准。 十一、效益分析

1．节约城市建筑物及管线搬迁费用，不影响沿线居民生活，社会效益显著。 2．施工速度快。 十二、工法实例

上海市轨道交通杨浦线（M8线）Ⅲ标段隧道包括黄兴绿地站~延吉中路站和延吉中路

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站~黄兴路站两个区间，均分为上、下行两个单圆隧道，设计内径5.5 m，管片厚度350 mm，单圆隧道全长3200 m。

黄兴绿地站~延吉中路站区间线路长400 m，隧道纵向呈单坡，覆土深度为3.34m~8.94m。黄兴绿地站隧道中心标高-4.873m，延吉中路站隧道中心标高-8.466m。采用一台法国FCB公司φ6340（编号6#）土压平衡式盾构机施工，管片宽1.0 m，2003年7月23日开工，下行线于2003年10月18日贯通。隧道全断面穿越砂质粉土层，日推进最高记录为16m。

延吉中路站~黄兴路站区间线路长1128 m，隧道剖面呈V字型，黄兴路站隧道中心标高-8.466m，延吉中路站隧道中心标高-7.465m。采用一台日本小松盾构（19#）施工，管片宽1.2m，2003年9月18日开工，下行线于2004年1月18日贯通。穿越地层主要为淤泥质粘土，日进度8~14环。

隧道掘进过程中，通过控制盾构纠偏、采用同步注浆和补压浆等措施，安全穿越建筑物群、走马塘河等困难地段，工程施工中地面最大变形（隆起、下沉）为10mm。

执笔人：胡广辉，徐泽

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dlpr.html