情境九：盾构法施工

情境4：盾构法施工

盾构根据挖掘方式盾构可分为手工挖掘和机械挖掘式盾构，根据切削环与工作面的关系可分为开口形与密闭形盾构。

盾构法施工具有以下优点：

1、因需在顶进的是盾构本身，在同一土层中所需顶力为一常数，不受顶力大小的限制；

2、盾构断面形状可以任意选择，而且可以形成曲线走向；

3、操作安全，可在盾构设备的掩护下，进行土层一式挖和衬砌；。

4、施工时不扰民，噪声小，影响交通少；

5、盾构法进行水底施工，不影响航道通行；

6、严格控制正面超挖，加强衬砌背面空隙的填充，可控制地表沉降。

一、盾构的组成

盾构是用于地下开槽法施工时进行地层开挖及衬砌拼装进起支护作用的施工设备。基本构造由开挖系统、推进系统和衬砌拼装系统三部分组成。

（一）开挖系统

盾构壳体形状可任意选择，用于给排水管沟，多采用钢制圆形筒体，由切削环、支撑环、盾尾三部分组成，由外壳钢板连接成一个整体。如图所示。

1．切削环部分位于盾构的最前端，它的前端做成刃口，以减少切土时对地层的扰动。切削环也是盾构施工时容纳作业人员挖土或安装挖掘机械的部位。

盾构开挖系统均设置于切削环中。根据切削环与工作面的关系，可分开放式和密封两类。当土质不能保持稳定，如松散的粉细砂，液化土等，应采用密闭式盾构。当需要对工作面支撑，可采用气压盾构或泥水压力盾构，这时在切削环与支撑环之间设密封隔板分开。

2．支撑环部分位于切削环之后，处于盾构中间部位。它承担地层对盾构的土压力、千斤顶的顶力以及刃口、盾尾、砌块拼装时传来的施工荷载等。它的外沿布置千斤顶，大型盾构将液压、动力设备，操作系统，衬砌拼装机等均集中布置在支撑环中。在中、小型盾构中，可把部分设备放在盾构后面的车架上。

3．盾尾部分它的作用主要是掩护衬砌的拼装，并且防止水、土及注浆材料从盾尾间隙进入盾构。盾尾密封装置由于盾构位置千变万化，极易损坏，要求材耐磨、耐拉并富有弹性。曾采用单纯橡胶的、橡胶加弹簧钢板的、充气式的、毛刷型的等多种盾尾密封装置，但至今效果不够理想，一般多采用多道密封及可更换盾尾密封装置。

（二）推进系统

推进系统是盾构核心部分，依靠千斤顶将盾构向前移动。千斤顶控制采用油压系统，其组成由高压油泵、操作阀件和千斤顶等设备构成。盾构千斤顶液压回路系统如图所示。

图为阀门转换器工作示意图。当滑块2处于左端时，高压油自进油管1流入经分油箱4将千斤顶5出镐；若需回镐时，将滑块2移向右端，高压油从阀门转换器4，推动千斤顶回镐，并将回油管中的油流向分油箱。

（三）衬砌拼装系统

盾构顶进后应及时进行衬砌工作，衬砌块作为盾构千斤顶的后背，承受顶力，施工过程中作为支撑结构，施工结束后作为永久性承载结构。

砌块采用钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土、砌块状有矩形、梯形、缺形等，砌块尺寸视衬砌方法。如图4—46所示。

二、盾构壳体尺寸的确定

盾构壳体尺寸应适应隧道的尺寸，一般按下列几个模数确定。

1、盾构的外径

盾构的内径D内应大于隧道衬砌的外径。

D=d+2（χ+δ）

式中： D—盾构外径（mm）；

d—衬砌外径（mm）；

χ—盾构厚度（mm）；

δ—盾构建筑间隙（mm）；

根据盾构调整方向的要求，一般盾构建筑为衬砌外径0.8～1.0%左右。其最小值要满足：

χ=Ml/d

式中：l—盾尾内衬砌环上顶点能转动的最大水平距离，通常采用l=d/80；

M—盾尾掩盖部分的衬砌长度。

所以χ=0.0125M，一般取用30～60mm.

2、盾构长度

盾构全长为前檐、切削环、支撑环和盾尾长度的总和，其大小取决于盾构开挖方法及预制衬砌环的宽度。也与盾构的灵敏度有关系。盾构灵敏度指盾构总和度L与其外径D的比例关系。灵敏度一般采用：

小型盾构（D=2～3m），L/D=1.5左右；

中型盾构（D=3～6m），L/D=1.0左右；

大型盾构 L/D=0.75左右。

盾构直径确定后，选择适当灵敏度，即可决定盾构长度。

三、盾构推进时系统顶力计算

盾构的前进是靠千斤顶来推进和调整方向。所以千斤顶应有足够的力量，来克服盾构前进过程中所遇到的各种阻力。

（一）外壳与周围土层间摩擦阻力F1

F1=υ１ [2（P V+P h）L2D]

式中：P V—盾构顶部的竖向土压力（ｋＮ／ｍ2）；

P h—水平土压力值（ｋＮ／ｍ2）；

υ１—土与钢之间的摩擦系数，一般取０.２～０.６；

Ｌ—盾构长度（ｍ）；

Ｄ—盾构外径（ｍ）。

（二）切削环部分刃口切入土层阻力Ｆ２

Ｆ２＝Ｄπｌ（ＰＶｔｇ?＋Ｃ）

式中：?—土的内摩擦角；

Ｃ—土的内聚力（ｋＮ／ｍ2）；

其余符合与公式（４—１７）相同。

（三）砌块与盾尾之间的摩擦力Ｆ３

Ｆ３＝υ２2Ｇ′2L′

式中：υ２—盾尾与衬砌之间的摩擦系数，一般为０.４～０.５；

Ｇ′—环衬砌重量；

L′—盾尾中衬砌的环数。

（四）盾构自重产生的摩擦阻力F4

F4=G 2υ１

式中： G—盾构自重；

υ１—钢土之间的摩擦系数，一般为0.2～0.6。

（五）开挖面支撑阻力F5，应按支撑面上的主动土压力计算。

其项阻力，需根据盾构施工时实际情况予以计算，叠加后组成盾构推进的总阻力。由于上述计算均为近似值，实际确定千斤顶总顶力时，尚乘1.5～2.0的安全系数。

有的资料提供经验公式确定盾构总顶力为：

P=（700-1000）πD2/42Kn

盾构千斤顶的顶力：

小型断面用500～600ｋＮ；

中型断面用1000～1500ｋＮ；

大型断面用（D>10m）用25000ｋＮ。

我国使用的千斤顶多数为1500～2000ｋＮ。

四、盾构施工

盾构法施工概貌，如图所示。

（一）施工准备工作

盾构施工前根据设计提供图纸和有关资料，对施工现场应进行详细勘察，对地上、地下障碍物；地形、土质、地下水和现场条件等诸方面进行了解，根据勘察结果，编制盾构施工方案。

盾构施工的准备工作还应包括测量定线、衬块预制、盾构机械组装、降低地下水位、土层加固以及工作坑开挖等。上述这些准备工作视情况选用，并编入施工方案中。其允许偏差见表4—7。

（二）盾构工作坑及始顶

盾构法施工也应当设置工作坑（也称工作室），作为盾构开始、中间、结束井。开始工作坑作为盾构施工起点，将盾构下入工作坑内；结束工作坑作为全线顶进完毕，需要交盾构

取出；中间工作坑根据需要设置，如为了减少土方、材料地下运输距离或者中间需要设置检查井、车站等构筑物时而设置中间工作坑。

盾构法施工的给水排水管道允许偏差

注：圆环变形等于圆环水平及垂直直径差值与标准内径的比值。

开始工作坑与顶管工作坑相同，其尺寸应满足盾构和其顶进设备尺寸的要求。工作坑周壁应做支撑或采用沉井或连续加固，防止坍塌，同样盾构顶进方向对面做好牢固后背。

盾构在工作坑导轨上至盾构完全进入土中的这一段距离，借助外部千斤顶顶进。与顶管方法相同如图所示。

当盾构已进入土中以后，在开始工作坑后背与盾构衬砌环，各设置一个木环，其大小尺寸与衬砌环相等，在两个木环之间用圆木支撑，作为始顶段的盾构千斤顶的支撑结构。一般情况下，衬砌环长度达30～50m以后，才能起后背作用，拆除工作坑内圆木支撑。

始段开始后，即可起用盾构本身千斤顶，将切削环的刃口切入土中，在切削环掩护下进行掘土，一面出土一面将衬砌块运入盾构内，待千斤顶回镐后，其空隙部分进行砌块拼装。再以衬砌环为后背，启动千斤顶，重复上述操作，盾构便不断前进。

（三）衬砌和灌浆

按照设计要求，确定砌块形状和尺寸以及接缝方法，接口有平口、企口和螺栓连接。企口接缝防水性能好，但拼装复杂；螺栓连接整体性好，刚度大。

砌块接口涂抹粘结剂，提高防水性能，常用的粘结剂有沥青、玛脂、环氧胶泥等。

砌块外壁与土壁间的间隙应用水泥砂浆或豆石混凝土灌注。通常每隔3～5衬砌环有一灌注孔环，此环上设有4～10个灌注孔。灌注孔直径不小于36mm。

灌浆作业应及时进行。灌入顺自下而上，左右对称地进行。灌浆时应防止浆液漏入盾构内，在此之前应做好止水。

砌块衬砌和缝隙注浆合称为一次衬砌。

二次衬砌按照功能要求，在一次衬砌合格后，可进行二次衬砌。二次衬砌浇筑豆石混凝土、喷射混凝土等。

1、无注浆钢筋超前锚杆

锚杆可采用φ22mm螺纹钢筋，长度一般为2.0～2.5m，环向排列，其间距视土壤情况确定，一般为2.0～0.4m，排列至拱脚处为止。锚杆每一循环掘进打入一次。可用风动凿岩机打入拱顶上部，钢锚杆末端要焊接在拱架上。此法适用于拱顶土壤较好情况下，是防止坍塌的一种有效措施。

2、注浆小导管

当拱顶土层较差，需要注浆加固时，利用导管代替锚杆。导管可采用直径为32mm钢管，长度为3～7m，环向排列间距为0.3m,仰角7～12°。导管管壁设有出桨孔，呈梅花状分布。导管可用风动冲击钻机或PZ75型水钻机成孔，然后推入孔内。

3、喷射混凝土

喷射混凝土上是借助喷射机械，利用压缩空气或其它动力，将按一定配合比的拌合料，通过管道输送并以高速喷射到受喷面上凝结硬化而志的一种混凝土。

根据喷射混凝土拌合料的搅拌和运输方式，喷射方式一般分为干式和湿式两种。常采用干式。下图为干式和湿式喷射混凝土工艺流程图。

干式射喷是依靠喷射机压送干拌合料，在喷嘴处加水。在国内外应用较为普遍，它的主要优点是设备简单，输送距离长，速凝剂可在进入喷射机前加入。

湿式喷射是用喷射机压送湿拌合料（加入拌合水），在喷嘴处加入速凝剂。它的主要优点是拌合均匀，水灰比能准确控制，混凝剂加入也较困难。

喷射混凝土材料要求：

(1)水泥喷射混凝土应选用不小于425号的硅酸盐或普通硅盐水泥，因为这两种水泥的C3s和C3A含量较高,同速凝剂的相容性好,能速凝、快硬,后期强度也较高.当遇有较高可

溶性硫酸盐的地层或地下水时，应选用抗硫酸盐类水泥。当结构物要求喷射混凝土早强时，可使用硫铝酸盐水泥或其它早强水泥。

(2)砂喷射混凝土宜选用中粗砂，一般砂子颗粒级配应满足下表规定。砂子过细，会使干缩增大；砂子过粗，则会增加回弹。砂子中小于0.075mm的颗粒不应大于20%。

砂的级配限度

(3)石子宜选用卵石为好，为了减少回弹，石子最大粒径不宜大于20mm，石子级配应符合下表规定。若掺入速凝剂时，石子中不应含有二氧化硅的石料，以免喷射混凝土开裂。

石子级配限度

(4)速凝剂使用速凝剂主要是使喷射混凝土速凝快硬，减少回弹损失，防止喷射混凝土因重力作用引起脱落，可适当加大一次喷射厚度等。

喷射混凝土拌合料的砂率控制在45～55%为好，水灰比0.4～0.5为宜。

4.回填注浆

在暗挖法施工中，在初期支护的拱顶上部，由于喷射混凝土与土层未密贴，拱顶下沉形成空隙，为防止地面下沉，采用水泥浆液回填注浆。这样不仅挤密了拱顶部分的土体，而且加强了土体与初期支护的形体性，有效防止地面的沉降。

注浆设备可采用灰浆搅拌机和柱塞式灰浆泵，根据地层覆盖条件确定注浆压力，一般为50～200kPa范围内。

(四)二次衬砌

完成初期支护施工之后，需进行洞体二次衬砌，二次衬砌采用现浇钢筋混凝土结构。混凝土强度选用C20以上，坍落度为18～20cm高流动混凝土。采用墙体和拱顶分步浇筑方案，即先浇侧墙，后浇拱顶。拱顶部分采用压力式浇筑混凝土。下图为二次衬砌施工图。

§5其它施工方法

随着城市建设的飞速发展，城市交通日趋紧张。为最大限度减少对交通和房屋的拆迁，改善市容和环境卫生，在城区修建地铁、排水，势力管沟、人行地下通道等市政基础设施，采用暗挖方法施工。

一、浅埋暗挖法

80年代在北京修建地铁复兴门至西单段工程中采用浅埋暗挖法施工技术，随后在修建势力管沟、地下人行通道、高碑店污水处理厂排水渠道以及1993年开始修建西单至八王坟地铁工程中全部采用暗挖法施工技术。

浅埋暗挖法施工工艺及主要施工技术

在无地下水条件下，本施工方法的主要程序为：竖井的开挖与支护→洞体开挖→初期支护→二次衬砌及装饰等过程。若遇有地下水，则增加了施工难度。采用何种方法降水和防渗成为施工关键。

（一）竖井

竖井的作用如同顶管法施工的工作坑，它作为浅埋暗挖法临时施工过程进、出口以及建成后永久性地下管线检查井、势力管线小室、地下通道进、出口等用途。

竖井的开挖应根据土层的性质、地下水位高低、竖井深浅以及周围环境等因素，选择适宜的竖井周壁施工方法。

竖井内尽量减少或少用横向加固支撑，致使竖井壁所承受土压力增大，要求井壁刚度高，这样可选用喷射混凝土分步逆作支护法进行施工。

喷射钢筋混凝土分步逆作支护法施工要点。

本法是按一定间距排布工字钢桩群为井壁支撑骨架，桩间用横拉筋焊联，并放置钢筋网片，然后向工字钢间喷射一定厚度的混凝土，而形成一个完整的钢筋混凝土支护井壁。竖井应分层施工直至井底。井底设一定间距工字钢底撑，然后现浇300～400mm厚混凝土，作为施工期间临时底板。

（二）洞体开挖

洞体开挖步骤和方法要视洞体断而尺寸大小，土质情况，确定每一循环掘进长度一般控制在0.5～1.0m范围内。为了防止工作面土壁失稳滑波，每一循环掘进均保留核心土，其平均高度为1.5m，长度1.5～2.0m。洞体断面大，净空高，掘进时应采用“微台阶”，台阶长度为洞高0.8倍左右，一般掌握3.0～4.0m以内。如图所示。

在洞体开挖中为了确保安全，及时封闭整环钢框架，减少地表沉降。若开挖断面大，可分为上、下两个开挖台阶，每一循环掘进长度定为0.5～0.6m，下台阶每开挖0.6m，则应支护钢架整圈封闭一次。

（三）初期支护

洞体边开挖边支护，初期支护是二次衬砌作业前保证土体稳定，抑制土层变形和地表沉降的最重要环节。一般初期支护采用钢筋格网拱架、钢筋网喷射混凝土以外，根据现场特点，采用有针对性的技术措施。

二、管道牵引

管道牵引则是依靠前面工作坑的千斤顶。通过两个工作坑的钢索，将管节逐节拉入土内，这种不开槽的施工方法称为管道牵引。牵引设备有水平钻孔机、张拉千斤顶、钢索、锚具等。

牵引管施工时，先在埋管段前头修建两座工作坑，在工作坑间用水平钻成略大于穿过钢丝绳直径的通孔。在后方工作坑内安管、挖土、出土等操作与普通顶管法相同，但不需要后背设施。在前方工作坑内安装张拉千斤顶，通过张拉千斤顶牵引钢丝绳拉着管节前进，直到将全部管节牵引入土达到设计要求为止。

管道牵引可分为：普通牵引；顶进牵引；贯入牵引；挤压牵引。

(一)普通牵引

此种方法与普通顶管法相似，只是将普通顶管法的后方顶进改为在前方用钢丝绳牵引。

普通牵引适用直径大于800mm的钢筋混凝土管、短距离穿越障碍物的钢管管道敷设。在地下水位以上的粘性土、粉细砂土内均能采用。

(二)顶进牵引

顶进牵引是在前方工作坑牵引导向的盾头，而在后方工作坑顶入管节的方法。这种方法与盾构法相似，不同者只是盾头不是用千斤顶顶进，而是在前坑用张拉千斤顶牵引。

顶进牵引适用于粘土、砂土，尤其是较坚硬的土质最适合。牵引管径不小于800mm，主要用于钢筋混凝土管的敷设，与覆土深度关系不大。

顶进牵引是牵引和顶进技术的综合，它利用牵引技术保证管道敷设位置的精确度，同时减少主压千斤顶的负担，从而延长了顶进距离。

(三)贯入牵引

在土内牵引盾头式工具管前进，并在工具管后面不断焊接薄壁钢管随同前进，待钢管全部牵引完毕再挖去管内土。

贯入牵引只能用于淤泥、饱和轻亚粘土、粉土类软土，并且只适用于钢管。钢管壁薄体轻有利于贯入土内。管节最小直径为800mm，以便进入管内挖土。牵引距离一般为40～50m，最多不超过60m。

(四)挤压牵引

在前面工作坑内牵引锥式刃脚，在刃脚后面不断焊接加长钢管，靠刃脚将管子周围土层挤压而不需出土。

挤压牵引适用于天然含水量粘性土、粉土和砂土。管径最大不超过400mm，管顶覆土厚度一般不小于5倍牵引管子外径，以免地面隆起。牵引距离不大于40m，否则牵引力过大不安全。常用管材为钢管，接口为焊接。

三、管棚法

管棚法与盖挖逆作法主要不同点是，不需要破坏路面，不影响地面交通。在管棚保护下，可安全地进行施工。下图为管棚法施工横断面示意图。

管棚法的施工程序为：开挖工作竖井→水平钻孔→安设管棚管→向管内注入砂浆→按次序暗挖管棚下土护→绑扎钢筋、支设模板→浇筑混凝土衬砌→拆除支撑进行装修等过程。

现将管棚法施工特点介绍如下：

(一)管棚施工

管棚设置是管棚法施工的关键工序，它可分为三个步骤：

1．钻机安装就位当工作竖井挖至装水平钻机需要深度，并完成井壁支护，即可搭设施工操作平台，安装钻机。

2．钻孔插管按井壁上标定的钻孔位置依次钻孔和插管。管棚钢管直径为φ115或φ13333.5无缝钢管。钢管表面钻孔，孔径10mm,孔距200mm。

3．注浆加固管棚钢管埋没完毕后，管口封上注浆头，再往管内压注水泥浆，并充满管体。注入压力可控制在0.05～0.10Mpa。如图所示。

(二)通道开挖

当通道开挖断面大，为了施工安全，可将开挖面分成几个开挖区域又分上下两个开挖台阶。

每一开挖循环长度为0.5～0.6m，下台阶每开挖0.6m,支护钢架整体封闭一次。在开挖区域上台阶工作面时要留部分核心土，以稳定开挖面土体。下台阶工作面也应留有一定的坡，防止滑坡。

其施工程序概括为：开挖路面及土槽至顶板底面标高处→制作土模、两端防水→绑扎顶板钢筋→浇筑顶板混凝土→重做路面，恢复交通→开挖竖井→转入地下暗挖导洞，喷锚支护侧壁→分段浇筑LG型墙基及侧墙→开挖核心土体→浇筑底板混凝土→装修等过程。