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1、盾构法施工技术及监理要点中咨监理安全质量状态评估项目部 刘跃欣1引言盾构法施工是暗挖法施工的一种，始于1874年的英国，伦敦地下铁道东线的粘土和含水砂砾层修建内径3.12m的区间隧道。采用了气压盾构以及向衬砌背后注浆的施工工艺。20世纪30年代，前苏联采用直径6.09.5m的盾构先后在莫斯科、列宁格勒等城市修建地下铁道区间和车站隧道。将盾构法施工技术推向一个新高度。60年代以来，盾构法施工在日本的多个城市的地铁施工中被广泛采用并得到迅速发展。为了克服在城市松软含水地层中盾构施工引起的地面沉降，以及钢筋混凝土管片制造精度和防水问题，日本和德国等制成和研究了泥水加压式等新型盾构和相应的施工工艺、配
2、套设备，以及各种新型衬砌和防水技术。我国于1963年在上海开始了直径4.6m的盾构隧道，1968年在北京开始了直径7.0m的盾构隧道工程试验，并在钢筋混凝土管片制造、防水技术、挤压混凝土施工等方面取得了成功。1989年在上海地铁一号线工程正式采用盾构法修建区间隧道，以后陆续在多个城市地铁区间隧道施工中成功运用。并于2008年9月5日，建成世界最大直径盾构隧道直径15.43m上海长江隧道工程。目前，盾构法已成为我国地铁区间隧道的主流施工方法之一。2盾构施工技术及流程盾构法施工主要施工步骤如下简图所示：图2.1盾构及配套设施工况简图盾构法施工基本流程，如下图：建始发（接收）工作井盾构机下井安装就位
3、盾构机从工作井发出出沿设计轴线掘进管片拼装壁后注浆盾构机进入接收井（拆解吊出或再次发出）图2.2盾构法施工流基本程图3盾构施工各阶段监理控制要点3.1盾构机选型(1)详细了解施工环境、地质地貌，分析地质勘察资料和隧道设计文件，确定开挖方式。(2)分析盾构机的类型及性能特点：根据开挖、工作面支护和防护方式，一般可将盾构机分为：全开放型、部分开放型、密封型以及全断面隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,简称TBM)4大类。(3)了解、分析和借鉴已建隧道的经验：如目前北京地铁隧道施工的38台盾构机均为密封型盾构(密封型盾构分为：局部加压式、土压平衡式、泥水加压式和混合式等)当中的两
4、种，即土压平衡式和泥水加压式盾构，而38台盾构机中土压平衡式盾构占36台，只有14号线15标的盾构机(切口直径10.2m)和7号线00标盾构机(切口直径6.25m)是泥水加压式。(4)选定盾构机类型、型号，确定刀盘型式(开口率)，合理配置刀具，选定螺旋机型式及后配套设备。我公司监理项目北京地铁10号线07标区间隧道(中铁六局施工)最终选定使用两台日本小松土压平衡式盾构机，配置辐条式刀盘、带式螺旋机，后配套台车为(5+1)。3.2盾构始发3.2.1吊装准备(1)做好设计图纸会审，按工种进行岗位培训并考核合格；做好技术交底、安全技术交底，明确管线类别、位置，做好风险源排查、识别、分析并制定保护措施
5、，确保顺利施工。(2)涉及始发、掘进等施工方案、安全专项方案、隧道穿越(风险源、建构筑物)及地下管线(核查、识别、分析)保护措施已按要求通过专家论证并审批。(3)始发工作井完成经验收满足始发要求。(4)盾构机及配套机械已经到场。(5)场地的硬化(结合端头加固施工)，临电、通讯等设施的安装并验收合格。(6)施工所需材料、设备经检验合格，满足本阶段施工要求，管片、螺栓等准备足够数量。(7)建立井上、井下的测量控制网，施工单位及第三方复核无误，监理复核完成。(8)沉降监测点布设完成并取得初始值。(9)龙门吊等起重设备安装完成通过验收并报备完成。(10)制浆、通风等地面设施安装完成并经验收和试运行合格
6、。(11)盾构始发端头土体加固完成并验收、检测合格。(12)盾构始发托架、导轨安装完成验收、测量(复核)合格。(13)应急物资齐备，应急预案经过审批，并进行了应急演练。3.2.2盾构机下井、组装、就位、调试、验收(1)下井1)确定盾构机下井组装的总体原则：先后备台车，后盾构主机。即由6号台车(5+1)开始，到1号台车完成台车的下井安装；然后再吊装切口环、支撑环、盾尾等，完成主机安装。2)在盾构机在正式下井安装前，先确认各部件在运输过程中没有受到损坏、铺好后续台车的轨道、确认各部件的吊点(要求对吊耳焊接进行探伤检测)牢固可靠。3)盾构机主体分成刀盘、前盾、中盾、盾尾、螺旋机、拼装机等多块，最大重
7、量为98t(中盾)，后续台车共分6节。按方案进行下井、吊装、就位。驻地监理实施旁站。图3.2.2-1盾构机下井图3.2.2-2盾构机组装(2)组装盾构机，监理做到事前控制，提示下井组装注意事项：1)保护好盾构机各部件间连接管线接头并编号，避免造成线路连接错误。2)安装过程中，各专业技术人员协同工作，相互配合，按照相关技术规范和工艺标准进行组装。3)各部件安装完成后应进行功能测试并达到规定的技术参数要求，避免将故障留到掘进施工阶段。(3)就位1)严格控制始发台、反力架和负环的安装定位精度，确保盾构始发姿态与设计线路基本重合，盾构前轴线可比设计轴线适当抬高2-3cm。2)盾构机各组成部件在井下安装
8、完成，正确就位在盾构基座上，刀盘离洞口1.01.5m，(4)盾构机调试、验收盾构机调试依据盾构验收大纲对其进行试运行。1)空载调试盾构机组装和连接完毕后，即进行空载调试。主要调试内容为：液压系统，润滑系统，冷却系统，配电系统，注浆系统，以及各种仪表的校正。着重观测刀盘转动和端面跳动是否符合要求。2)负荷调试空载调试证明盾构机合格后即可进行负荷调试。负荷调试的主要目的是检查各种管线及密封的负载能力，确认盾构机的各个工作系统和辅助系统达到满足正常生产要求的工作状态。通常试掘进时间即为对设备负载调试时间。负荷调试时要采取严格的技术和管理措施保证工程安全、工程质量和隧道线型。确认各项指标都满足验收大纲
9、的要求。监理全程监督并签认应签资料。(5)洞门密封装置由于工作井洞圈直径与盾构外径存有一定的间隙，为了防止盾构始发时及施工期间土体从该间隙中流失，在洞圈周围安装由橡胶帘布带、圈板、单向铰链板等组成的密封装置，并设置注浆孔，作为洞口出现渗漏的补救措施。洞门密封装置安装在盾构始发条件验收前完成。(6)反力架结构装置盾构机始发时巨大的推力通过反力架结构装置传递给始发井(车站)结构。反力架安装要求：1)严格按已审批的方案施工。反力架端面与始发台水平轴垂直，反力架与盾构始发井各结构预埋件焊接牢固、安全稳定，焊接质量符合设计及钢结构规范要求。确保盾构始发时车站(始发井)结构安全。2)反力架与负环管片接触的
10、平面要与盾构始发基座的轴线垂直，反力架轴线与盾构始发轴线的偏差控制在10mm以内。图3.2.2-3反力架(7)盾构调试完成，安全凿除洞门围护结构，注意保护洞门密封装置。3.2.3初始掘进(1)根据北京市的地质状况、盾构机型式和专家意见及有关要求，确定初始掘进距离为100m(也可100环)。初始掘进前严格检查如下检查项目：1)盾构机的联动调试满足要求。2)洞门范围内的钢筋混凝土围护结构等障碍物清除干净。3)洞门橡胶密封圈安装到位,完好无损。4)始发反力架和基准环安装到位。5)负环管片准备就绪。6)渣土运输准备工作就绪。7)地面砂浆搅拌站调试完毕。8)盾构机已准确定位。9)自动导向系统安装、测试完
11、毕。10)初始掘进范围内的地面监测点布设完毕并获得初始的数据。11)盾尾的密封刷已涂满密封油脂。12)供电系统(含备用电源)、给排水系统、通信系统等检查正常。13)在自动导向系统安装调试完成后，将把有关的线路资料(沿线路方向每隔1.2m输入一个轴线点的坐标)输入电脑。14)始发掘进时材料和渣土可以自由从本线出土口吊进和吊出，盾构始发井内铺设双线轨道，便于材料和渣土的运输。15)通过始发条件验收，满足始发要求。16)始发初始掘进时，盾构机处于始发台上。因此，需在始发台及盾构机上焊接相对的防扭转支座，为盾构机初始掘进提供反扭矩，防止发生安全事故。(2)第一环负环管片定位时，管片的后端面应与线路中线
12、垂直。负环管片轴线与线路的轴线重合，负环管片采用通缝拼装方式。(3)盾构在始发台上向前推进时，各组推进油缸应保持同步。(4)始发阶段，设备处于磨合期。要注意推力、扭矩的控制，同时也要注意各部位油脂的有效使用。掘进总推力应控制在反力架承受能力以下，同时确保在此推力下刀具切入地层所产生的扭矩小于始发台提供的反扭矩。(5)盾构进入洞门前把盾壳上的焊接棱角打平，防止割坏洞门防水帘布。(6)百环验收：盾构初始掘进完成100m(环)试验段后进行验收，总结经验，分析问题，盾构转入正常掘进状态。(7)安全拆除负环管片、重新安排给排水系统、做好各种管线的延伸和连接，盾构进入正式掘进状态。3.3盾构掘进3.3.1
13、掘进参数盾构进入正式掘进段，应时刻关注以下各项盾构掘进主要控制参数，并根据参数变化及时调整(纠偏)。(1)千斤顶推力F最大推力Fmax=3750t(16个千斤顶)，初始掘进阶段F800t，正常掘进阶段F=8001500t,特殊情况时F=20003000t。(2)刀盘转速满足转速和扭矩曲线，且无级可调n=11.7rpm。(3)刀盘扭矩T正常掘进时，扭矩应低于最大扭矩，当工作扭矩达到最大扭矩时，刀盘将停止转动，如反复启动未果，即可启动专门开关(此时可达脱困扭矩)，使刀盘重新启动转动。刀盘的最大扭矩为4008kN.m，脱困扭矩为4810kN.m，正常施工扭矩一般小于3750 kN.m。(4)螺旋器转
14、速nn95%，即固结收缩率5%。6)浆液稠度：812cm7)浆液稳定性：倾析率(静置沉淀后上浮水体积与总体积之比)小于5%。8)砂浆在地面搅拌好后，通过地泵送入拖车上的砂浆斗。砂浆斗被运到砂浆罐旁，先接通砂浆斗搅拌器的电源搅拌35min后，再通过后续台车上的砂浆转运泵将砂浆转移到砂浆罐中。(4)同步注浆1)同步注浆主要技术参数控制注浆压力取1.11.2倍的静止水土压力，最大不超过3.5bar(本型号盾构盾尾刷超过3.5bar有被击穿的危险)。由于从盾尾圆周上的四个点同时注浆，考虑到水土压力的差别和防止管片大幅度下沉和浮起的需要，各点的注浆压力将不同，并保持合适的压差，以达到最佳效果。最初的压力
15、设定为下部每孔的压力比上部每孔的压力0.5bar(左右)。2)注意注浆量的控制根据刀盘开挖直径和管片外径，计算出一环管片的理论注浆量。V=/4KL(D2-D22)式中：V 一环注浆量(m3)L 环宽(m)D1 开挖直径(m)D2 管片外径(m)K 扩大系数取1.52代入相关数据，可得：V=/4(1.52)1.2(39.1-36)=4.35.8m3/环根据计算，注浆量取环形间隙理论体积的1.52倍，则每环(1.2m)注浆量Q=4.35.8m3。3)注浆时间和速度在不同的地层中根据需不同凝结时间的浆液及掘进速度来具体控制注浆时间的长短。做到“掘进、注浆同步，不注浆、不掘进”，通过控制同步注浆压力和
16、注浆量双重标准来确定注浆时间。注浆量和注浆压力达到设定值后才停止注浆，否则仍需补浆。同步注浆速度与掘进速度匹配，按盾构完成一环掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度。4)注浆结束标准及注浆效果控制检查采用注浆压力和注浆量双指标控制标准，即当注浆压力达到设定值，注浆量达到设计值的85%以上时，即可认为达到了质量要求。注浆效果检查主要采用分析法，即根据压力-注浆量-时间曲线，结合管片、地表及周围建筑物量测结果进行综合评价。对拱顶部分采用超声波探测法通过频谱分析进行检查，对未满足要求的部位，进行补充注浆。(5)二次注浆盾构机穿越后考虑到环境保护和隧道稳定因素，如发现同步注浆有不足的地方，通过
17、管片中部的注浆孔进行二次补注浆，补充一次注浆未填充部分和体积减少部分，从而减少盾构机通过后土体的后期沉降，减轻隧道的防水压力，提高止水效果。二次注浆使用专用的泥浆泵，注浆前凿穿外侧保护层，安装专用的注浆接头。二次注浆采用水泥浆水玻璃双液浆，注浆压力一般为0.20.3PMa.3.4施工测量3.4.1自动导向系统(1)该系统的主要工作原理是：固定在隧道上方的激光经纬仪(已根据后视参考点确定自身位置)发出的激光束被固定在盾构机前体右上方的电子激光靶接收到，根据激光束在激光靶接收屏上的照点位置可以确定激光靶的水平位置和竖直位置，根据激光靶内的双轴测斜传感器，可以确定激光靶的俯仰角和滚转角，激光经纬仪可
18、以测得其与激光靶的距离，以上数据随推进千斤顶和中折千斤顶的伸长值及盾尾与管片的净空值一起，经由控制电缆输入到盾构机的编程控制器中，再经计算机中专用掘进软件的计算和整理，盾构机的位置以数据和图表的形式显示在控制室内的屏幕上。通过对盾构机当前位置和设计位置的综合比较，盾构机操作手就可以采取相应的操作方法尽快且平缓地逼近设计线路。如此往复，操作手就可以在每环的掘进中很好地控制住盾构机的掘进方向，使之与设计线路的偏差保持在较小的允许范围内。根据原理，监理每天对系统参数进行检查，使掘进轴线始终保持在可控状态。(2)激光经纬仪初始定位采用人工测量，激光经纬仪与激光靶的距离一般为50100m，具体还受洞内空
19、气折射能力、激光能量的大小和隧道曲线半径等的影响。(3)激光靶在盾构机上的安装位置由测量专业工程师负责测量确定，并将有关的位置数据预先输入到计算机中。(4)由盾构机制造商安装的传感器分别测量推进千斤顶和中折千斤顶左、右、顶、底四个位置的伸长量，并将结果传到控制室内的计算机中。(5)盾尾间隙是通过安装在管片安装器固定端上的五个激光测距仪测量得到(也可通过人工测量后输入)。这些数据也通过电缆传到控制室内的计算机中。(6)上述各项测量结果可以不断地以数据和图表形式反映到控制室内的操作屏幕上，及时指导盾构机操作手进行操作。该系统配有专门的管片排列软件，每环掘进结束后，可以根据上述数据自动计算确定未来若
20、干环需要安装的管片的型式，从而指导管片的吊装和运输。(7)为确保该自动导向系统的准确性，要求施工单位利用人工测量配合。隧道掘进中的方向控制是确保隧道施工质量的关键因素。规范要求线路中线平面位置和高程的允许偏差均为50mm。监理对其进行定期检查和不定期抽查(尤其是在掘进初期)，避免因系统自身原因而引起事故，从而保证整个隧道的贯通。3.4.2人工测量(1)监督施工单位对建设方提供的控制点进行复测，并监督第三方复核；同时监理进行测量复核，符合精度要求后再进行施测。导线平面控制网及高程控制网精度符合规范要求。(2)隧道开挖误差分配见表3.4.2。表3.4.2地铁工程平面与高程贯通误差分配地面控制测量联
21、系测量地下控制测量总贯通中误差横向贯通中误差25mm20mm30mm50mm纵向贯通中误差L/10000竖向贯通中误差16mm10mm16mm25mm(3)要求施工单位按合同和已审批的方案配备主要测量仪器设备及人员组织3.5接收段施工3.5.1接收掘进在盾构机距离车站端墙50m时，即进入接收掘进阶段(1)掘进速度逐渐放慢，掘进推力相应减少。(2)增加测量频率，并根据洞口实际位置轴线调整盾构机轴线。(3)加大地面监测频率，并依椐监测结果及时调整掘进参数。(4)督促施工单位对洞门情况值班监视。3.5.2接收准备：(1)安装洞门密封装置。(2)安装盾构机接收基座。(3)安装盾构机接收托架、铺设接收导
22、轨。(4)凿除洞门处的车站围护桩。(5)在洞口准备好注浆设备、水玻璃、快速水泥、聚氨酯、砂袋、水泵、水管、方木、风炮等应急物资和应急工具。(6)准备好洞内外的通讯联络。(7)准备好接收井内的照明。1)上述设备与材料需预先运向接收井，需与车站承包方协商以获得借用临时水电等帮助。以上准备工作完成后，进行接收条件验收，满足接收条件，盾构机才可推出接收加固段。2)盾构机进入车站的过程中，刀盘前端的反力几乎为零，盾构机的摩擦力不足以抵挡安装管片时所需的千斤顶的压力，将会导致管片纵向连接不紧而漏水。3)盾构机从最后一环管片脱出进入车站时，需采取措施弥补千斤顶的作用距离，隧道两侧用型钢将后10环管片固定稳固。将盾构机分解吊出，吊出过程同盾构下井吊装。图3.5.2.1角草区间左线盾构接收17