盾构施工中的常见问题
    摘要:   从1825年在英国泰晤士河下首次用一个矩形盾构建设隧道到现在盾构法进行地下隧道施工已经有170余年的历史。在这170多年里,盾构机随着现代科学的发展自动化程度越来越高,根据不同的地质条件所使用的盾构机种类也越来越多。现在,盾构法施工已经成为了现代城市地下快速轨道交通隧道和过江隧道施工方法中进度最快,效率最高的的方法。尽管盾构法施工在盾构法施工中有很多优点,在很多资料上也提到这些,但是盾构施工中也有很多问题,今天我介绍的就是一些常见的问题和解决方法。
    关键词: 盾构法施工,常见问题,解决方法
    一 盾构法施工的主要内容
             
    图1 盾构施工概貌
    1-盾构;2-盾构千斤顶;3-盾构正面网格;4-出土转盘;5-出土皮带运输机;6-管片拼装机;
    7-管片;8-压浆泵;9-压浆孔;10-出土机;11-由管片组成的隧道衬砌结构;12-在盾尾空隙的压浆;13-后盾管
    14-竖井。
    如图1所示构成盾构法施工的主要内容是:先在隧道某段的一端建造竖井或基坑,以供盾构安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁开孔处出发,在地层中沿着设计轴线,向另一竖井或基坑的设计孔洞推进。盾构推进中所受到的地层阻力,通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制隧道衬砌结构,再传到竖井或基坑的后靠壁上,盾构是这种施工方法中最主要的独特的施工机具。它是一个能支承地层压力而又能在地层中推进的圆形或矩形或马蹄形等特殊形状的钢筒结构,在钢筒的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置,在钢筒中段周圈内面安装顶进所需的千斤顶,钢筒尾部是具有一定空间的壳体,在盾尾内可以拼装一至二环预制的隧道衬砌环。盾构每推进一环距离,就在盾尾支护下拼装一环衬砌,并及时向紧靠盾尾后面的开挖坑道周边与衬砌环外周之间的空隙中压注足够的浆体,以防止隧道及地面下沉。在盾构推进过程中不断从开挖面排出适量的土方。
    二 盾构法施工的优点
    1.      除竖井施工外,施工作业均在地下进行,噪音、振动引起的公害小,既不影响地面交通,又可减少对附近居民的噪音和振动影响。
    2.      盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行,施工易于管理,施工人员也较少,劳动强度低,生产效率高。
    3.      土方量外运较少。
    4.      穿越河道时不影响航运。
    5.      施工不受风雨等气候条件影响。
    6.      隧道的施工费用不受覆土量多少影响,适宜于建造覆土较深的隧道。在土质差水位高的地方建设埋深较大的隧道,盾构法有较好的技术经济优越性。
    7.      当隧道穿过河底或其他建筑物时,不影响施工。
    8.      只要设法使盾构的开挖面稳定,则隧道越深、地基越差、土中影响施工的埋设物等越多,与明挖法相比,经济上、施工、进度上越有利。
     
    三  盾构法施工的不足
    1.      当隧道曲线半径过小时,施工较为困难。
    2.      在陆地建造隧道时,如隧道覆土太浅,开挖面稳定甚为困难,甚至不能施工,而在水下时,如覆土太浅则盾构法施工不够安全,要确保一定厚度的覆土。
    3.      竖井中长期有噪声和振动,要有解决的措施。
    4.      盾构施工中采用全气压方法以疏干和稳定地层时,对劳动保护要求较高,施工条件差。
    5.      盾构法隧道上方一定范围内的地表沉陷尚难完全防止,特别在饱和含水松软的土层中,要采取严密的技术措施才能把沉陷限制在很小的限度内,目前还不能完全防止以盾构正上方为中心土层的地表沉降。
    6.      在饱和含水地层中,盾构法施工所用的拼装衬砌,对达到整体结构防水性的技术要求较高。
    7.      用气压施工时,在周围有发生缺氧和枯井的危险,必须采取相应的办法。
     
     盾构施工的常见问题
    (一)盾构掘进工作面的稳定问题
    1.      网格式半挤压盾构
    切口环前全断面安装有网格和封板,网格由网格梁组成。网格口装有封板,封板可以装卸,以便根据土层条件调节开挖面积。
    随着盾构的推进,正面土体被切入网格,网格既起到切割大块土体的作用,有起到支护和稳定正面土体的作用。
    根据封板闸门上的土压力盒所测得的压力值,可以调节盾构推进速度并灵活启闭闸门开口面积,控制出土量和正面土压力,起到一定的土压平衡作用,有助于控制地表变形。
    盾构的推力应大于正面阻力和盾壳四周的摩擦力之和。
    正面阻力=平均值p×盾壳截面积
    p一般大于静止土压力、小于被动土压力
    2.      泥水平衡盾构
    在支撑环前面的密封舱中,注入适当压力的泥浆使其在开挖面形成泥膜,支撑正面土体,并由安装在正面的大刀盘切削土体表层泥膜,搅拌成的高密度泥浆由排泥泵及管道输送至地面处理,整个过程通过建立在地面的中央控制室内的泥水平衡制动控制系统统一管理。
    在泥水平衡的理论中,泥膜的形成是至关重要的。当泥水压力大于地下水压力时,泥水按达西定律渗入土壤,形成与土壤间隙成一定比例的悬浮颗粒,在阻塞和架桥效应的作用下,在土壤与泥水的接触表面形成泥膜。
    随着时间的增加,泥膜的厚度不断增加,渗透抵抗力逐渐增强,当泥膜抵抗力远大于正面土压力时,产生泥水平衡效果。
    3.      土压平衡盾构
    通过土舱压力设定值p的调节来平衡前方土体。理论上一般将p值设定为静止土压力值。但为了控制地面沉降量,设定值p一般略大于静止土压力p0。这样一来盾构推进时前方土体略呈微台之势,盾构过后沉降量可以减小些。
    由于盾构处于不断的前进之中,所以盾构推进力与开挖面土体之间处于动态平衡状态。
    以土压平衡盾构为例,由于土压平衡盾构靠密封舱内土体的压力与前方土体平衡,所以其维持动态平衡主要靠两方面:
     保持推进速度,调整排土量;
    二 根据出土螺旋输送机的正常工作范围,调整推进速度。
     
    () 盾构进出工作井时的土工问题
    问题:进出工作井的洞门都比盾壳外直径大,对于流塑状软土,会沿着空隙涌入。造成的问题是,由于水土流失,地表下沉;盾构下半部土体受到扰动,承载力降低,造成盾构出洞时头部下倾。
    盾构出工作井地表沉降的主要原因是洞口暴露的加固土体发生移动,洞圈周围泥水流失以及盾构土舱土压力未与原地层土压平衡等。
    盾构出工作井地表沉降的主要原因是准备进洞过程中纠偏引起上方土体下沉及盾尾临时封门时同步注浆效果不佳。
    措施:
    地层加固:分层劈裂注浆、搅拌桩等;
    降水:    提高土体的强度;
    盾壳与井体间的密封堵漏:减少地层损失;
    施工工艺:减少对地层的扰动。
     
    ()掘进过程中的土工问题
    主要是地表沉降及土体变形。
    1.常规变形
    盾构推进过程中地表沉降及土体变形见下图。
    通过大量观测和地层应力状态分析,从盾构尚未到达某点,到盾构通过、盾尾脱离以及在以后一个相当长的时间内,地层均会产生变形。变位可以分成四个阶段:前期、盾构通过、盾尾脱离、及后续变位。
    表:各施工阶段变位机理

    阶段
    变位原因
    地层状态的变化
    变化类型
    前期下沉
    开挖面坍塌,过量出土
    地层应力释放,扰动
    弹塑性变形
    前期隆起
    挤压地层,出土过少
    推力超过静止土压力
    弹塑性变形
    盾构通过时下沉
    盾构对地层挤压、剪切
    扰动
    剪切压密
    盾尾脱离后下沉
    盾尾空隙
    地层应力释放
    弹塑性变形
    后续下沉
    孔隙水,扰动后固结,管片变形
     
    固结、蠕变

    2.浅覆土情况
    盾构壳体可能背土前进,地表隆起现象比较严重。随着埋深的增加,隆起范围扩大,隆起值减小。
    2      盾构容易上浮。此时只有强迫盾构头部向下压低推进,以保持隧道的设计高程。但这样一来盾尾容易抬高,造成隧道衬砌管片拼装后成为踏步。
    3.非均质土层情况
    在土质条件互层情况下,会造成盾构正面阻力分布不均匀,影响盾构姿态。
    4.      盾构同向、对向推进
    地铁左右线净距一般在5-10米之间,两盾构同向或对向推进时,盾构对地层的扰动相互影响,相互影响系数比较难确定。
    5.      盾构曲线推进
    由于不断的纠偏导致对周围环境扰动的增大。
    6.      砂土中推进
    对网格式盾构要防止流砂。
    对土压平衡式盾构,要验算螺旋出土器出口的渗流力,防止出口砂液化。
    (盾构周边环境控制及信息化施工
    1.      地表沉降和土体变形原因分析
    (1)      盾构正面压力平衡状态不理想,引起的地层损失(或负地层损失);
    (2)      衬砌环拖出盾尾时,隧道和地层间的建筑空隙若不及时充填,上层土体就会坍塌,产生地层损失;
    (3)      盾构的不断纠偏引起的实际空隙大于理论计算;
    (4)      盾构停顿或管片拼装期间,千斤顶液压止锁装置不好导致盾构后退;
    (5)      盾构推进时对土体的剪切破坏;
    (6)      盾构推进过程中对土体的扰动,导致土体的主、次固结。
    2.      地表沉降预测
    目前没有好的预测方法。
    由于地层损失引起的地表沉降所占比例较大,对该沉降,有较有名的经验公式,

Peck公式:
    式中:Sx):横向、距离隧道中心线处的沉降量(m);
    V1:地层损失量(m3/m);
    i:沉降槽宽度系数;
    假定:(1)地层损失在隧道长度上均匀分布;
    2)地面沉降在横向为正态曲线分布;
    3)施工引起的地面沉降是在不排条件下发生的,即,沉降槽的体积与地层损失相等。
    3.      控制措施(相对于原因)
    4.      信息化施工
    (1)      试验段推进:根据实测数据对盾构推进、拼装、停止等状态进行分段监测,掌握规律。
    (2)     

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