盾构隧道施工技术及工程质量安全控制

            傅德明

1、盾构法隧道技术发展概述

1.1盾构法隧道基本概念及发展历史

1.2我国盾构法隧道技术的应用和现状

2、盾构掘进机类型及地层适应性

2.1盾构掘进机的构造及分类

2.2土压盾构及适应地层

2.3泥水盾构及适应地层

2.4复合盾构及适应地层

3、盾构隧道衬砌结构和管片制作技术

3.1盾构隧道衬砌分类和特点

3.2高精度混凝土管片制作和质量控制

4、盾构进出洞技术及安全

4.1盾构进出洞口的地基加固方法和质量控制

4.2大直径大深度盾构进出洞风险控制

5、盾构掘进施工技术及工程质量控制

5.1盾构开挖面稳定和工作参数优化

5.2盾构在复杂地层条件下的施工及技术措施

5.3盾构纠偏和姿态控制

5.4管片拼装和隧道工程质量控制

6、盾构穿越建筑物及保护技术

6.1盾构掘进施工对地层的影响及沉降控制

6.2盾构隧道施工监测技术

6.3盾构穿越建筑物及保护技术

6.4盾构下穿运营地铁隧道施工及监护

7、盾构隧道工程事故实例分析

8、盾构隧道工程技术新发展

                          上海申通地铁集团有限公司  傅德明

                                            2008-10

1、盾构法隧道技术发展概述

1.1  盾构法隧道基本概念及发展历史

盾构是一个横断面外形与隧道横断面外形相同、尺寸稍大，内藏挖土、排土机具，自身设有保护外壳的暗挖隧道的机械。以盾构为核心的一整套完成的隧道施工方法称为盾构工法，概况如图1所示。

盾构法施工的优点:场地作业少，隐蔽性好，因噪音、振动引起的环境影响小；隧道施工的费用和技术难度基本不受覆土深浅的影响，适宜于建造覆土深的隧道；穿越河底或海底时，隧道施工不影响航道，也完全不受气候的影响；穿越地面建筑群和地下管线密集区时，周围可不受施工影响；自动化程度高、劳动强度低、施工速度较快。 

图1  盾构工法概念图

盾构工法的设想19世纪初产生于英国， 1818年Brunel观察了小虫腐蚀木船底板成洞的经过，从而得到启示在此基础上提出了盾构工法，取得了专利，并于1823年拟定了穿越伦敦泰晤士河道路隧道的计划。工程于1825年动工 ，隧道长458m，隧道断面为11.4m×6.8m。工程因地层发生了5次涌水事故，致使工程被迫中止。 Brunel 总结了失败的教训对盾构做了7年的改进，后于1834年工程再次开工，又经过7年的经心施工，终于在1841年贯通隧道。

1869年建造横贯泰晤士河上的第二条隧道，首次采用圆形隧道，外径2.18m,长402m 。1887年南伦敦铁道隧道施工中使用了盾构和气压组合工法获得成功。

19世纪末到20世纪中叶盾构工法相继传入美国、法国、德国、日本、苏联等国，并得以不同程度的发展。 

20世纪60~80年代盾构隧道技术继续发展完善 。1960年英国伦敦开始使用滚筒式挖掘机； 19年日本埼玉隧道中最先使用泥水盾构；1969年日本在东京首次实施泥水加压盾构施工；1972年日本开发土压盾构成功；1975年日本推出泥土加压盾构；1978年日本开发高浓度泥水盾构；1981年日本开发气泡盾构；1982年日本开发ECL工法成功；1988年日本开发泥水式双圆盾构工法成功。

1990年~2003年 ，英法两国共同建造的英吉利海峡隧道（长48km）采用φ8.8m的土压盾构工法于1993年竣工；日本东京湾隧道（长9．2km)采用8台φ14.14m泥水盾构于1996年竣工；丹麦斯多贝尔特海峡隧道（长7.9km）采用φ8.5m土压盾构工法于1996年竣工；德国易北河第4条隧道采用复合盾构（φ14.2m）于2003年竣工；荷兰格累恩哈特隧道（φ14.87m、泥水式）于2004年竣工。

从断面形状方面讲出现了矩形、马蹄形、椭圆形、多圆形等多种异圆断面盾构；从功能上讲出现了球体盾构、母子盾构、扩径盾构、变径盾构、分岔盾构、途中更换刀具盾构、障碍物直接切除盾构等特种盾构；从盾构机的掘削方式上看出现了摇动、摆动掘削方式的盾构，打破了以往的传统的旋转掘削方式。

施工设备出现了管片供给、运送、组装自动化装置；盾构机掘进中的方向、姿态自动控制系统；施工信息化、自动化的管理系统及施工故障自诊断系统。

1.2我国隧道掘进机技术的发展历史和现状

    50年代，东北阜新煤矿首次采用直径2.6m手掘式盾构施工巷道。1957年，北京市政工程局采用2台直径2.0m和2.6m手掘式盾构进行城市下水道施工。

1963年，上海结合软土地层对盾构掘进机、预制钢混凝土衬砌、隧道掘进施工参数，隧道接缝防水进行了系统的试验研究。研制了1台直径4.2m的手掘式盾构进行浅埋和深埋隧道掘进试验，隧道掘进长度68m。

1966年，上海打浦路越江道路隧道工程1322m主隧道采用由上海隧道工程设地院设计、江南造船厂制造的我国第一台直径10.2m超大型网格格挤压盾构掘进机施工，辅以气压稳定开挖面，在黄浦江底顺利掘进隧道。

1987年上海隧道工程公司研制成功了我国第一台φ4.35m加泥式土压平衡盾构掘进机，用于市南站过江电缆隧道工程。1990年，上海地铁1号线工程全线开工，18km区间隧道采用7台由法国FCB公司、上海隧道工程公司、上海隧道工程设计院、上海船厂联合制造的φ6.34m土压平衡盾构掘进机。 

1996年，上海延安东路隧道南线工程1300m圆形主隧道采用从日本引进的φ11.22m泥水加压平衡盾构掘进机施工。

1996年，广州地铁1号线8.8km区间隧道由日本青木建设施工，采用2台φ6.14m泥水加压平衡盾构和1台φ6.14m土压平衡盾构。

2001年以来，广州地铁2号线、南京地铁1号线、深圳地铁1号线、北京地铁5号线、天津地铁1号线先后从德国、日本引进14台φ6.14m~6.34的土压盾构和复合型土压盾构，掘进地铁隧道50km。盾构法隧道已经成为我国城市地铁隧道的主要施工方法。

2003年，上海地铁8号线首次采用双圆隧道新技术，从日本引进2台φ6520×W11120双圆型土压盾构，掘进黄兴路站——开鲁路站2.6km区间隧道。

2004年，天津地铁1号线采用2台德国海瑞克Ø6.20m土压平衡盾构掘进区间隧道。

2006年，沈阳地铁1号线砂砾地层采用盾构法掘进区间隧道。成都地铁1号线砂卵地层采构法掘进区间隧道。

2007年，西安地铁2号线湿现性黄土地层采用盾构法掘进区间隧道。

2008年，武汉地铁2号线、杭州地铁1号线、苏州地铁1号线也采用盾构法掘进区间隧道。

今年，在全国12个城市地铁隧道工程中有200余台盾构掘进机施工约300公里区间隧道。

2005年，上海上中路隧道引进1台Φ14.m超大直径泥水盾构掘进2条长1250m的4来4去双层道路隧道。

2006年9月,二来二去的武汉长江越江隧道工程2条长2338mΦ11.2m的圆形主隧道采用2台Фm11.5泥水加压盾构掘进施工。

2006年9月,三来三去的上海长江口越江隧道 2条长7.9k m的圆形主隧道采用2台Φ15.44m泥水加压盾构掘进施工,为目前世界上最大断面的盾构隧道。

2007年11月，三来三去的南京长江隧道 2条长3.9k m的圆形主隧道采用2台Φ14.9m泥水盾构掘进施工。

2、盾构掘进机类型及地层适应性

2.1   盾构掘进机的构造及分类

按挖掘土体的方式，盾构可分手掘式盾构、半机械式盾构及机械式盾构三种。

　　①　手掘式盾构：即掘削和出土均靠人工操作进行的方式。

　　②　半机械盾构：即大部分掘削和出土作业由机械装置完成，但另一部分仍靠人工完成。

　　③　机械式盾构：即掘削和出土等作业均由机械装备完成。

　　按掘削面的挡土形式，盾构可分为开放式、部分开放式、封闭式三种。

　　①　开放式：即掘削面敞开，并可直接看到掘削面的掘削方式。

　　②　部分开放式：即掘削面不完全敞开，而是部分敞开的掘削方式。

　　③　封闭式：即掘削面封闭不能直接看到掘削面，而是靠各种装置间接地掌握掘削面的方式。

　　按加压稳定掘削面的形式，盾构可分为压气式、泥水加压式，削土加压式，加水式，加泥式，泥浆式六种。

按盾构切削断面形状，盾构可分为圆形、非圆形两大类。圆形又可分为单圆形、半圆形、双圆搭接形、三圆搭接形。非圆形又分为马蹄形、矩形（长方形、正方形、凹、凸矩形）、椭圆形（纵向椭圆形、横向椭圆形）。

2.2  土压盾构及适应地层

土压平衡盾构依靠大刀盘旋转切削开挖面土体，土砂切削后进入刀盘后的密封土舱，并通过土舱下部的螺旋输送机把土砂送至盾构机后部，见图1所示。通过调整刀盘转速、推进速度、螺旋机转速来调整切削土量和出土量并保持土舱压力，使之与开挖面水土压力保持平衡。

 土压平衡原理图

土压平衡盾构适用于各种粘性地层、砂性地层、砂砾土层。对于风化岩地层、软土与软岩的混合地层，可采用复合型的土压平衡盾构。在砂性、砂砾、软岩地层采用土压盾构掘进施工，应在土舱、螺旋机内以及刀盘上注入润滑泥浆或泡沫，以改良土砂的塑流性能。

               土压平衡盾构掘进机

             复合型土压盾构 

2.3  泥水盾构及适应地层

在盾构内设一道密封隔舱板，在泥水舱内充以压力泥浆支护开挖面土层，平衡开挖面土层水、土压，形成不透水泥膜，泥土经刀盘切削搅拌和搅拌机搅拌后，形成厚泥浆，用管道向地面处理场排送。

泥水加压盾构适用土层范围很广，从软弱粘土、砂土到砂砾层都可适用。泥水加压式盾构适用于冲积形成砂砾、砂、粉砂、粘土层、弱固结的互层地基以及含水率高开挖面不稳定的地层；洪积形成的砂砾、砂、粉砂、粘土层以及含水很高固结松散易于发生涌水破坏的地层，是一种适用于多种土质条件的盾构型式。但是对于难以维持开挖面稳定性的高透水性地基、砾石在基，有时也要考虑采用辅助施工方法。

3、盾构隧道衬砌结构和管片制作技术

3.1  盾构隧道衬砌分类和特点

按衬砌材料分:

⑴.铸铁管片

⑵.钢管片

⑶.钢筋混凝土管片(RC管片)   

⑷复合管片

按施工方法分: 

⑴.拼装式管片

⑵.压注混凝土衬砌

⑶.二次衬砌

钢筋砼管片分类 

1.箱型管片

2.平板型管片

管片宽度: 0.7M~2.0M

管片厚度: 0.04~0.06D

管片分块: 4~10块

3．2  高精度混凝土管片制作和质量控制

管片生产常采用工厂化流水作业，管片生产需具备材料及产品堆场、钢筋笼生产车间、搅拌站(点)、试验室、管片浇捣车间、锅炉房(或蒸汽热网)、管片水中养护池、管片抗渗试验台架、管片精度测试台。

3.2.1 钢筋笼生产

钢筋笼必须采用电焊焊接成形，主筋节点间采用E50型焊条或采用焊缝强度与钢筋相当的焊条，构造筋间或构造筋与主筋间可采用结E43型焊条。焊点不得有损伤主筋的“吃肉”现象。除节点外，任何钢筋的长度方向均不得采用焊接。钢筋笼应按先成片(由焊接台生产)后成笼(由焊接台车生产)的生产顺序作流水作业。

钢笼网片圆弧方向的定位精度应控制在0.5mm以内；焊接台车的控制限位板应严格按钢模尺寸制作；钢筋笼的整作精度必须控制在2mm以内；整个生产过程中，钢筋笼不得粘有任何油渍。

3.2.2 管片浇捣

管片浇捣宜采用插入式振捣器，若采用振动台或附着式振捣器生产时，因管片表面的气泡直径及气泡量难以满足要求。因此，应采用插入式振捣器在钢模侧壁部进行复振。

生产管片的混凝土坍落度应控制在4cm以内(外掺减水剂)。考虑到冬季施工收水慢等因素，需作真空吸水时，在标准真空度条件下的吸水时间宜控制在8min以内。管片生产采用插入式振捣，且坍落度为3cm时的每立方米混凝振捣时间宜控制在7min左右。 辅以目测(条件下)，确认已振捣密实。不宜过振，当然也不能漏振。

3.2.3 蒸汽养护

管片宜采用蒸汽养护方式生产。蒸汽养护除需满足一般蒸养操作规程外，还应注意以下几点：

1管片振捣结束后，宜静养2～3h，然后实施蒸汽养护。

2升温速度宜控制在15℃/h以内。

3降温速率宜控制在10℃/h以内。

4蒸养温度宜控制在60～80℃。

⑤  车间温度高于30℃时，静养阶段的管片宜用养护罩保温，使管片核心部的温度与外侧温度差缩小。

⑥  脱模时的管片温度不宜超过室温10℃。

⑦  管片脱模强度必须高于设计强度的50%。

管片从钢模中脱模后，一般需在水中养护一周左右(通常为一周)，才能吊出水池作露天养护，或者入库养护。为了使不同生产日期的管片一目了然，在管片的端部应注明生产日期及管片的型号。

每天生产的管片每环至少应随机抽出一块标准块作抗渗试验，抗渗试验的水压应施加在实际工程的迎水面一侧或者高水压一侧，水压的施加要求为

P水=Si                          (稳压4h)

P水=Si+0.2MPa                   (稳压2h)

式中 Wi—抗渗强度指标；

通常取i=6，8，10。

3.2.4  管片精度测试及其保证体系

管片精度是管片的产品精度，管片精度的测试标准是：尺寸测量为面与面的测量，弧长和弦长测量为面与面交点的测量，通常管片的宽度可以通过直接量测而得，而弧长、弦长、直径、孔距等常需拼装成环后测试得出。为了保证管片各要素的测试精度，常需借助高精度测试平台，把需测试的管片拼装成环(三环以上并且须采用错缝拼装)，然后在缝隙中用塞尺测得实际间隙，由最大间隙换算成管片的随机正负公差值。管片的测试数量以每100环测试一环为依据。

为了保证每一块生产的管片均能符合精度要求，质检人员坚持每天量测钢模的合模精度。通常、钢模的随机合模精度要求应高于管片精度0.15mm。当单块管片的公差要求为±0.5mm时，则钢模的公差应为±0.35mm。常用的管片精度要求为±0.5mm。

3.2.5 管片试拼装

管片试拼装分精度测试拼装与模拟拼装二种，管片试拼装必须在高精度平台上实施，完整圆的高精度平台其加工费昂贵，通常可采用多点可调式平台代替之。可调式平台的数量可根据圆环的直径而定，以6m～10m直径的圆环为例，可调平台的数量可控制在10～18座为宜，有时也可按管片的分块数来定，例如6块分割的圆环可取12个平台。精度测试拼装时的环向螺栓(M27～M36，成环螺栓)的预应力拧紧力矩来控制，拧紧力矩可控制在200~250kN·m之内。纵向螺栓(环间螺栓)的预应力拧紧力矩可控制在150～200kN·m之间。

模拟拼装可在高精度平台上实施，模拟拼装为管片试生产后按隧道内的实际拼装情况用工艺拼装，缝间常接实际情况粘贴有橡胶条和衬垫材料。模拟拼装时的预应力拧紧力矩为：环向螺栓(M27～M36)250～350kN·m(涂减摩剂)，纵向螺栓的预应力可适当减小。

4、盾构进出洞技术及安全

盾构机的始发系指在始发竖井内利用临时组装的管片、反力台架等设备，使盾构机离开台架经井壁上的进发口沿指定路线推进的一系列作业。

盾构机的到达系指盾构机从竖井外侧掘进进入竖井内台架上的一系列作业。

盾构进发和到达作业是盾构机掘进施工中最容易产生事故的两道工序。

4．1 盾构的始发与到达

根据拆除临时挡土墙方法和防止掘削面地层坍塌方法的不同，进发工法有以下几种类型见下图和下表。

注浆加固地层法

           掘削面自稳法     高压喷射加固法

                            水泥土搅拌桩

始发工法         　　　　　  冻结法

                               NOMST工法

直接掘削法      

                               EW工法

第1类方法采取加固措施使掘削地层自稳，随后将盾构机贯入加固过的自稳地层中掘进。加固方法中采用较多的当属注浆加固法、高层喷射法、冻结法。

NOMST工法和EW工法是可以用盾构刀具直接掘削进发的工法。NIMST工法的特点是始发口墙体材料特殊，可用刀具直接掘削，但不损破刀具。进发作业简单，无需辅助工法，安全性可靠性好；EW工法的原理是盾构进发前，通过电蚀手段把挡土墙中的芯材工字钢腐蚀掉。给盾构直接进发掘削带来方便，优点与NOMST工法相同。 

图  盾构进发工法

进发作业可以单独选用表13.1中的任何一种工法,也可选用其组合法江.具体选用哪种工法,取决于地质、地下水、复盖层、盾构直径、盾构机型、施工环境等因素。同时还应考虑安全性、施工性、成本、进度等要求。

4．1．1进发设备

 进发设备

盾构机进发的设备,包括进发座台、反力座、临时拼装管环、入口及密封圈垫。 

进发座台的任务是可在其上组装盾构机和支承组装好的盾构机，并且可使盾构机处于理想的预定进发位置（高度、方向）上，且可确保盾构机的进发掘进稳定。所以要求座台的结构合理（可以确保组装作业的施工性）；构件刚度好、强度高、不易损坏（承托几百吨重的盾构机）；与竖井底板固定要牢靠、晃动变位小（确保盾构机位置稳定、确保推进和轴线始终与设计轴线重合）。

盾构座台有如下三种形式:

① 钢筋混凝土盾构座台

有现浇式和预制件拼接式两种,其优点是结构稳定、抗压性能好。

② 钢结构座台

有现场拼接式和平底整体安装式两种。其优点是加工周期短、适应性强。

③ 钢筋混凝土与钢结构组合座台

这种座台聚集了①和②两种座台的优点,使用较多。

  预制混制混凝土基座

  钢结构平底整体基座

  组合式盾构基座实例

通常进发座台用工字钢和钢轨等材料装配制作。反力设备由反力座和临时拼装管环构成。通常由管片运进和排土空间等条件确定其形状,由正式管片衬砌的起始位置确定临时拼装管环、反力座的位置、反力设备针对必须的推力应具有足够的强度及推进时基本无变形的刚度。通常用工字钢安装反力座；临时拼装管环使用容易处理的钢或高强度的铸铁管片拼接。临时管片的拼装精度影响正式管片的真圆度，故应特别注意。在小断面盾构工程中，也有临时拼装管环只组装下半环，上部为开口，不设反力座的例子。

4．1．2  进发入口及入口密封垫圈

进发入口，为了确保盾构机出井贯入地层的轴线精度，通常在井内进发口处构筑一个一定宽度、一定厚度、内径略大于盾构机外径的断面形状与盾构机纵断面形状相同筒状物，与井壁连结到一起。该筒状物即为进发入口。进发入口的作用是盾构机的掘削摆动，确保盾构机的位置精度。

入口密封垫圈是填充在入口与盾构机或入口与管环间隙中的垫圈，其作用是止水，以便确保施工的可靠性和安全性。盾构机开始推进后，即可对掘削面加压，盾构机尾部通过之后，即可进行背后注浆，尽早稳定入口。特别是泥水盾构进发后，必须保持泥水压力。为了不使入口密封垫圈发生破损和反转，必须周密地考虑盾构和进发口的净空和垫圈的质材、形状及尺寸（见图13.6）。

入口密封垫圈由上水垫圈、防止垫圈反转的压板及固定它们的铁件构成。在构筑混凝土进发入口时被固定在混凝土入口上。压板多为滑动式，但必须可随盾构机的移动进行调整。近年采用铰接结构的压板（翻板式）增多，节省了压板调整工时，提高了在盾构机下部狭窄空间内作业的效率。

4．1．2 进发作业

1．进发准备作业

采用泥水式盾构机时，需配备泥水处理设备、泥水输送设备、背后注浆设备、器材搬运设备等。若为土压式盾构机，需配备出土设备、背后注浆设备、器材搬运设备等。在进行这些作业的同时，还要进行进发准备作业。

进发准备作业包括进发台的设置、盾构机的组装、入口密封垫圈的安装、反力座的设置、后续设备的设置、盾构机试运转等。若采用拆除临时挡土墙随后盾构掘进的进发方式，则需对地层加固。通常把出口、背后注浆等设备工作、进发准备作业及地层加固集中在同一时期内，作业内容将视具体情况而定。所以应注意作业规划和进度管理。

 入口衬垫示例

2. 拆除临时挡土墙

进发口的开口作业,因为进发口的开口作业易造成地层坍塌,进下水涌入,故拆除前要确认地层自稳、止水等状况。随后本着对土体扰动小的原则，把挡土墙分成多个小块，从上往下逐个依次拆除。拆除时应注意在盾构机前面进行及时支护，拆除作业要迅速连续。

3．掘进

挡土墙进发口拆除后，立即推进盾构机，若采用泥水盾构机，由于临时墙残碴会堵塞泥水循环，故必须在确认障碍物已清除干净后才能推进。

盾构机贯入地层后，对掘削面加压，监视入口密封垫圈状况的同时缓慢提高压力，直到预定压力值。盾构机尾部通过入口密封垫圈时，因密封垫圈易成反转状态，所以应密切监视，同时盾构应低速推进，盾构机通过入口后，进行壁后注浆，稳定洞口，进发流程见图 

   进发流程图

4．1．3  盾构到达施工

盾构到达前须慎重考虑的事项如下:

① 选定加固工法加固到达部位近旁地层及设置出口密封圈。

② 为了确保盾构机按规定计划路线顺利到达预定位置，需要认真讨论测定盾构位置的方法和隧道内外的联络方法。

③ 讨论低速推进的起始位置、慢速推进的范围。

④ 讨论泥水盾构泥水减压的起始位置。

⑤ 讨论盾构推进到位时，由于推力的影响是否需要在竖井内侧井壁到达口处采取支护等措施。

⑥ 讨论掘削到达面的方法及其起始时间。

⑦ 认真考虑防止从盾构机外壳板和到达面间的间隙涌水、涌砂的措施。

⑧ 盾构机停止推进的位置的讨论。

⑨ 讨论到达部位周围的背后注浆工法。

⑩ 应周密的考虑拉出盾构机到井内时的盾构承台等临时设备的配备及设置状况。

  盾构到达工法

  到达作业

1.到达竖井前的掘进

到达之前,要充分地进行基线测量,以确保盾构机的准确到位,由于必须在到达口的允许范围内贯入,所以应精确测量各管环,保证线形无误。

盾构机至到达口跟前时，挡土墙易发生形变，对于特别容易变形的挡土墙（板桩挡土墙），应事先进行加固防止对盾构机推力的影响。加固方法一般采用从竖井内用工字钢支承，或构筑埋入临时支承梁。假如盾构机的掘削面靠近到达竖井，对竖井挡土墙的状态要经常进行观测、将盾构机的推进控制在与位移吻合的程度，特别是掘削面压力急剧下降时易导致坍塌，故需综合考虑盾构机的位置、地层加固的范围、挡土墙的位移、地表面沉陷等因素来确定掘削面的压力。

2． 盾构机的到达

由于刀具不能旋转或推力上升等机械操作方面的变化，虽然能察觉到已到达临时墙，仍应从到达竖井的临时墙钻孔和测量来确定盾构机位置，再确定是否停止推进。停止推进后，为防止临时墙拆除后漏水，应仔细进行背后注浆施工。

3． 临时墙的拆除

拆除临时墙前，在临时墙上开几个检查口，以确认地层状况和盾构机到达位置。临时墙的拆除与进发相同。地层的自稳性可随着时间而变化，故作业必须迅速进行，力求稳定地层。特别是在拆去了临时墙将盾构机向竖井内推进时，应仔细监视地层状况，谨慎施工。

4．2 盾构进出洞口的地基加固方法和质量控制

4.2.1 盾构进出洞口的地基加固方法

盾构进出洞是盾构法施工的重要环节之一。 

当采用盾构施工时，一般先将出洞井预留外侧一定范围的土体进行改良，使土体的抗剪、抗压强度提高，透水性减弱，预留孔洞外侧的土体具有自身保持相对稳定的能力。

改良土体的方法有深层搅拌桩法、高压喷射法、冻结法等，对渗透系数较大(k≥10-3cm/s)的土层，也可采用注浆法，但采用单一的注浆法常伴有不稳定因素。土体改良的范围可按A、B二种情况进行设计，如图所示。 

图土体改良方式

情况A与B的区别在于加固厚度的不同。土体改良厚度的计算可分别按砂性土和粘性土地层进行。砂性土按B情况考虑时，取Ls+α为改良土厚度，α可按改良土的渗透条件决定，通常取1m左右。

4.2.2盾构进出洞地基加固施工质量控制

根据地质和环境特点，合理选择盾构进出洞地基加固方法，并在工作井结构完成后，严格按相应的规范要求进行地基加固。洞口地基加固要求采用合理的顺序及施工参数，严防加固的挤压效应损坏工作井结构及临近建筑。

原则上要求盾构进出洞口的止水加固体部分应在工作井完成后、盾构进出洞前进行施工。若受条件而需在工作井基坑开挖前进行洞口地基加固的，则加固体与工作井井壁间的50cm间隙须在井内结构完成后进行高压旋喷密实充填，并确保龄期。

盾构进出洞之前，应对洞口加固体进行斜孔钻芯取样检测，进一步确认洞口加固体范围、强度、水密性与均匀性达到要求。

5、盾构掘进施工技术及工程质量控制

5.5盾构开挖面稳定和工作参数优化

5．1．1  土压盾构掘进管理

1．掘进管理程序

土压盾构掘进管理的程序如图所示。

2. 泥土压力的管理基准

泥土压基准的设定方法与泥水盾构的泥水压的设定方法相同 。

掘削土压靠设置在隔板上下部的土压计的测定结果间接推估舱内土压。

3．泥土压的调节方法

泥土压的调节方法有以下3种。

① 调节螺旋传输机的转速。

② 调节盾构千斤顶的推进速度。

③ 以上两者组合调节。

4．泥材特性及用量的管理矿物类泥浆的管理基准可按图 示出的泥材与适用土质的关系选择。对A、B类地层无需添加泥材；对C类地层，泥材的比重Gm=1.2～1.3；对D类地层，Gm=1.4～1.5。

泥材用量因地层粒度组成形状的不同而不同。通常按有效间隙率的1.2～2倍考虑。一般为100～300l/m3。

图  土质粒径与发泡材类型的关系

加泥后泥土的坍落度可按5～20cm的范围管理。

加泥后泥土的渗水系数以10-5～10-6cm/s为好。

5．1．2  泥水盾构的掘进管理

1  泥水盾构的掘进管理程序如图所示。

2. 泥水管理基准

（1） 泥水性能基准设定

泥水性能管理基准可按下表执行。

表13.3  稳定掘削面的泥水粘性值

泥水压力基准的设定因地层实况而定,通常的实用参考值如表13.7所示。

 泥水压基准(参考值)

在泥水盾构的实际掘进过程中，泥水的特性参数经常会发生变化。例如：在掘削地层为粉砂土、粘土的情况下，泥水中的细粒成分会不断地增加，致使泥水的比重、粘度增加，超出选定的最佳值（即管理基准值）。当掘削地层为砂层、砾石层时，泥水中的细粒成分不断地流失，故泥水的比重、粘度均会下降。此外，隧道轴线方向上的掘削地层的土质参数（粒经分布曲线等），严格说来也在不断变化。

上述原因均会导致泥水质量劣化（偏离原定最佳值），进而致使掘削面不稳定。故应及时克服，即应不断地调整泥水的质量，使其始终保持最佳状态。

泥水的质量调整。主要靠向泥水中添加添加剂调整。几种主要的添加剂如表13.8所示。

表13.8  添加剂的种类

添加剂

4．盾构机的管理

（1）掘进速度管理

通常应把掘进速度控制在20～40mm/min的范围内。

表13.9   不同地层时的标准掘进速度

（2） 千斤顶推力

通常因装备推力为必要推力的2倍，所以掘进中的推力应控制在装备推力50%以下（管理值应为设计值±20%的范围），详见第4章的叙述。控制推力增大的措施有：① 降低掘进速度，②使用修边刮刀；③在盾构机外壳板外侧注入滑材减摩，④背后注入不足可致使向地层的传递推力的效果差，也可以产生推力上升现象。

（3） 掘削扭矩

本来装备扭矩是留有一定裕度的，正常掘进时的扭矩应小于装备扭矩的50～60%。若出现扭矩大增时，应①降低掘进速度，②使刀盘逆转。另外，掘削刀具存在一定摩耗后，或者刀具粘附粘土结块等情形下，扭矩也会上升。此时应使用喷射管射水冲洗掘削面，确认刀具的摩耗状况及面板的状况。同样土舱内粘附掘削土增厚时，也会出现扭矩上升现象。

另外，泥水盾构的场合下，由于浮力的原因，所需的扭矩变小，在软粘性土层中掘削扭矩与出厂时的扭矩不相上下的情形也有发生。

(4) 搅拌荷载值

为使搅拌器逆转容易搅拌器多为油压式，当出现油压缓慢上升时，说明舱内掘削土砂可能存在堆积下沉。另外，油压急剧上升或者停止的场合下，可能有大砾石卡住刀盘。此时应使刀盘逆转解除。发生掘削面坍塌时必须与其他原因（干砂量等）综合判断。

5．流体输送的管理

观察掘削面坍塌和地表沉降时的掘进数据，不难发现干砂量等数据已经发生变化。因此，掘进时应及时分析数据进行判断。

（1）掘削泥水压

掘削泥水压的操作主要是P1泵（送泥泵）。例如，要想提高掘削压力，则应提 高P1泵的转数。

（2） 掘削偏差流量

掘削偏差流量可根据安装在送排泥管上的流量检测器得到的送排泥流量算出掘削流量偏差。流量偏差为正表示掘削量过大（处超挖态），为负可能会有逸水的倾向。所以从零到一定负值的范围内掘进状态最好。

（3） 掘削量

掘削量的含义是掘削面积×掘进距离的积值，但实际运算可安排泥流量与送泥流量的差的累积值求取。

把掘削量与下面2个值比较可以判断掘削状况，①理论掘削量，②最近的10～20环的结果进行统计处理（平均值、管理极限2σ（σ为标准偏差）。基本上可以认为是：掘削量大说明进入泥水舱的掘削土过多；掘削量小说明存在逸泥。           

（4）干砂量

掘削量系指含水的土砂量；干砂量系指用计算法求出的去除水分后的干燥土砂的体积。在干砂量的计算公式中使用了送、排泥流量和比重的测量值及土质勘察数据得出的地层土体的真比重。但是，对于掘削面为互交层或地层存在变化的情形结果不理想。所以判断状况时不考虑与理论值比较，而是考虑与统计处理值（同前）比较的结果。判断结果基本上与掘削量的结果相同。

（5）泵的电流值与转数

知道各泵的耗电电流值及转数，可以判断堵塞状况和增设Pn（中继泵）的时期。

5.6盾构在复杂地层条件下的施工及技术措施

5．2．1 覆土厚度不大于盾构直径的浅覆土层地段；

1 严格管理开挖面压力。由于覆土荷载减小，使开挖面压力的允许的管理幅度缩小，即使少量的误差，也可能给开挖面稳定带来很大影响。因此，在掘进时，应特别注意使用的泥浆或添加剂的性质以及开挖面压力管理，尽量减小对地表或地下建（构）筑物的影响。

2 浅覆土地段的壁后注浆。由于盾尾空隙会立即影响到地面或地下建（构）筑物，要进行充分的壁后注浆管理以控制地层变形。宜使用有早期强度的壁后注浆材料，采用同步注浆方法进行施工。

在进行开挖面压力管理或壁后注浆管理时，可通过试验确定开挖压力管理值和注浆参数等。

3 穿越河流的浅覆土施工，应对开挖面的稳定、泥浆或添加材料的泄漏或喷出采取措施，还应注意采取相应措施防止隧道的上浮或管片的变形。

5．2．2 小半径曲线施工

1 必须根据地层条件、超挖量、壁后注浆、辅助工法等制定小半径曲线施工方案和安全施工措施，并注意防止推进反力引起隧道变形、移动等；

2 超挖量：用部分外扩式超挖刀进行开挖时，超挖量大，小半径曲线施工容易。但是，这样会产生由于围岩地层的松动、壁后注浆材料绕入开挖面、推进反力的下降，使隧道变形增大。因此，要考虑地层的稳定性，把超挖量控制在容许范围内。

3 壁后注浆：小半径曲线施工时，管片从盾尾脱出后如果不能立即与围岩形成一体，盾构推进就不能充分取得反力，导致产生较大的管片变形和隧道位移的危险性。应选择体积变化小，早期强度高的注浆材料。考虑到超挖量，注入量也需要适当的增加。

4 线路测量：应根据需要增加测量频率。

6 在地层稳定性差的地段，为了防止曲线部分的超挖引起地层松动可采用化学加固或高压喷射搅拌施工等进行辅助施工。

5．2．4  小净距隧道施工

小净距隧道施工的相互影响，因施工条件各不相同，一般要考虑：

1）后续盾构的推进对先行隧道的挤压和松动效应；

2）后续盾构的盾尾通过对先行隧道的松动效应；

3）后续盾构的壁后注浆对先行隧道的挤压效应；

4）先行盾构引起的地层松弛而造成或引起后续盾构的偏移等。

伴随以上现象会发生的管片变形、接头螺栓的变形和断裂、漏水、地表下沉量的增大等。

观测到异常变形时，应立即停止施工，查明原因，同时根据情况，采用适当辅助工法进行施工。

5．2．5 大坡度地段施工

1 在选择运输设备和安全设施时，必须考虑大坡度区段施工的安全，对牵引机车进行必要的牵引计算，并考虑一定的余量；

2 上坡时应加大盾构下半部推进千斤顶的推力，这样可以有效控制盾构的方向。对后方台车，要采取防止脱滑措施；

3 同步及即时注浆时宜采用收缩率小、早期强度高的浆液；

4 在急下坡始发与到达时，基座应有防滑移安全措施；

5 在急上坡到达时，为防止地层坍塌、漏水，事先必须制订相应对策；

6 在大坡度区段，地层的土水压力随着推进而时刻变化，因此开挖面压力也必须根据土水压力进行适当调整，特别是下坡时，由于压力仓内的开挖土砂有可能出现滞留而不能充分取土，必须慎重管理开挖土量。

5．2．6  地下管线和地下障碍物地段施工

地下管线区段施工

1 盾构施工之前，应详细查明、了解隧道所经过地段地下管线的分布、管线类型、允许变形值等情况，制定具体施工方案；

2 对重要管线和施工中难以控制的管线施工前应根据不同情况采用迁移、加固措施；

3 盾构掘进时应及时调整掘进速度和出土量，从而减少地表的沉降和隆起。

地下障碍物处理

1 地下障碍物处理前，必须查明障碍物具体位置和实物，制定处理方案，以确保施工安全；

2 地下障碍物的处理一般遵循提前从地面采取措施处理的原则。如确需在盾构掘进工作面进行处理时，必须充分研究可行性与对策；

3 从地面拆除地中障碍物时，可选择合适的辅助工法，拆除后要妥当地进行回填；

4 在盾构掘进工作面拆除障碍物时，可选择带压作业或地层加固方法；

5在开挖面的狭窄空间内进行人工拆除障碍物时，对障碍物的切断、破碎、拆除和运出作业，应控制地层的开挖量以保障开挖面的稳定。

5．2．7  穿越建（构）筑物施工

盾构施工前，应对建（构）筑物地段进行详细调查，评估施工对建（构）筑物的影响，并有针对性地采取保护措施，控制地层变形；

宜根据建（构）筑物基础与结构的类型、现状，采取地基加固或桩基托换措施；  

必须加强地表和建（构）筑物变形监测和及时反馈，优化调整盾构掘进参数和同步注浆参数；应根据建（构）筑物沉降速率进行多次壁后注浆，宜选择体积变化小、早期强度高、速凝型的注浆材料。 

5．2．8 穿越江河地段施工

1 穿越过江河地段施工应特别重视详细查明地层条件和河流情况，制定可靠的施工措施；

2 穿越江河施工时，必须选择合理的盾构设备类型；

3 施工过程中，应确保开挖面的稳定，防止地层坍塌，防止突水突泥；

4 现场必须准备足够的防排水设备与设施；

5 必要时，对水底地层进行预加固处理；

6 采取措施防止对堤岸、周边结构物的影响；

7 特别注意观察与防止泥浆和添加材料的泄漏和喷出；特别注意观察与解决管片的变形和隧道上浮问题。

5．2．9 地质条件复杂地段（软硬不均互层地段）和砂卵石地段

砂卵石地段施工

1 施工前，应根据砾石粒径、含量和施工长度及出碴设备能力等因素，选择盾构的刀盘型式和刀具配制方式、数量；

2 采用土压平衡盾构时，应根据螺旋输送机出碴情况，做好碴土改良工作；

3 采用泥水平衡盾构时，根据砾石含量和粒径选择破碎方法或输送泵；

4 当遇有大孤石影响掘进时，应采取措施排除。

8.2.10 穿越复杂地层地段施工

      1 穿越复杂地层地段，应优先选择使用复合式盾构进行施工；

      2 综合考虑所穿越地段地质条件，合理选择盾构刀具形状和配置，以适应各种地层的掘进；

      3 合理选择适当时机和地点，及时更换刀具或改变其配置，以适应前方地层的掘进；

      4 根据开挖面地质预测预报信息，调整掘进参数和壁后注浆参数，以确保开挖面的稳定和掘进速度；

      5 根据开挖面地质条件，及时调整土压平衡压力，及时决定是否采用碴土改良或及时调整碴土改良参数。       

5.7盾构纠偏和姿态控制

5．3．1  盾沟隧道轴线控制

盾构轴线的控制是盾构推进施工的一项关键技术，轴线方向控制主要是依靠测量精确性，在实际施工中盾构推进轴线控制不可能是理想状况，轴线控制不佳状况的原因：地质不均匀引起正面阻力不均匀，施工操作技术水平不高。

控制好盾构的推进轴线，才能保证管片拼装在位置的准确，才能使隧道竣工轴线误差控制在允许范围内。

 盾构推进及管片拼装施工时，为了减少由于盾构自转所产生的施工困难，应控制盾构旋转量，在±30以内。

在施工中可采取措施以防止过量的旋转，方法有：

1 改变刀盘的旋转方向。

2 改变管片拼装左、右交叉的先后次序。

3 调整两腰推进油缸轴线，使其与盾构轴线不平行。

4 当旋转量较大时，可在盾构支承环或切口环内单边加压重。

 盾构在硬岩、地下水比较发育地段、浅埋隧道地段、软弱土层中推进时，特别是在曲线段盾构逐环转折推进时会引起盾尾后一段隧道的位移，导致测量的后视标志点移动。因此，在盾构推进轴线和成环管片中心的测量必须定时严格复测后视标志点的移动值，并及时进行调整，确保盾构推进导向测量的正确性。

5．3．2  盾构纠偏

 盾构纵坡最大纠偏量可按下式计算：

i=(i盾-i衬)≤[i]                           

式中  i ――盾构与管片相对坡度；

     i盾――盾构推进后实际纵坡；

     i衬――已成隧道管片纵坡；

    [i]――允许坡度差值。

 盾构平面最大纠偏量可按下式计算：

ΔL＜S×tanα                            

式中  α――盾构与衬砌允许的水平夹角；

     S ――两腰对称的千斤顶的中心距（mm）；

      ΔL――两腰对称千斤顶伸出长度的允许差值（mm）。

 盾构内径与管片外径两者之间有一定施工间隙，盾构纠偏只能在此范围内调整，过量纠偏会使盾壳卡住管片，导致管片被挤坏或增加下一环管片拼装的困难。

 盾构纠偏应及时、连续，不要过量纠偏。过大纠偏会使盾构轴线与隧道轴线产生较大的夹角，影响盾尾密封效果产生盾尾漏浆。壁后注浆发生漏浆无法保证空隙填充，过量纠偏增加盾构对土体的扰动，这些因素都将增大地面变形。

修正偏离的原则

盾构方向控制的基本原则如下：

① 偏离量增大之前及早修正

② 在受场地不能修正，按现时方向掘进的场合下可按前10～20m处的通常的偏离量预测。

③ 遵循偏离量的管理值和允许值。确立偏离修正方针。图13.38示出的是盾构方向控制、偏离修正图。为了把施工时的实际偏离量控制在规定的允许偏离量以内，首先应确定偏离量的管理值（允许值的5%～80%为目标），并在该目标范围内修正偏离进行推进管理。

 盾构偏移修正图

必须确立连续修正偏离的意识。但是，如果不明确修正到什么时候，什么程度的方针，则会像图13.26示出的那样出现反复偏离。

如果在已经发生偏离的场合下修正盾构方向，则因超控和盾构外围面摩擦的增大周围地层将发生扰动，致使沉降。从防止沉降的观点出发，希望减小偏离量。

在方向控制时，必须先掌握盾构现在推进方向上的偏离量，其次按可以把偏离量拉回到管理值以内的原则设定方向修正量，即使超过管理值也可以考虑先修正几m的原则进行方向控制。

盾构的方向修正基本上靠选择推进千斤顶进行。即利用所谓的千斤顶单侧推进，把修正方向的可以上下、左右旋转的力矩作用到盾构机上。

决定盾构机规格时，应考虑隧道线形、最小曲线半径、土质等因素，并充分地讨论装备推力、千斤顶条数和分布，且留有装备裕度。在急弯曲线施工、平面和纵断复合曲线的施工中，因为选择千斤顶时受模式，故必须考虑装备中折机构，提高曲线施工性。

（3） 推进中的方向变化管理

方向修正量，就平面方向而言，通常是把方向角变化量、或者掘削面～盾尾偏移量的变化量换算成左右推进千斤顶行程的变化量（见图13.28）；对纵断方向而言，同样是换算成上下千斤顶的行程变化量，或者利用倾斜计绘出纵向变化量。

推进中的方向变化，可通过行程计测得的左右推进千斤顶的行程差；陀螺方位角的变化、倾斜计的纵向角等参数的变化掌握。监视这些推进数据与目标值的对比结果，改变千斤顶的模式控制盾构的方向。

在软地层急弯曲线施工等状况下，由于地层耐力不足的原因，方向也会稍有变化。在横滑状态下盾构也会向曲线外侧偏离。这种情形下，暂时停止推进，重新测量确认盾构机的位置。

3 管片组装的管理

在修正盾构方向的同时，还必须慎重地进行管片组装管理。

如果减小管片与盾尾板的间隙，则会对盾构推进带来以下种种不利影响。

① 对管片组装作业构成障碍，严重时无法组装。

② 进行无理组装，则隧道的真圆度下降。同时接头错位、缝隙增大，致使漏水。

③ 由于管片和盾尾的挨近，致使推力上升。在RC管片的场合下，容易致使管片自身出现裂纹等损伤。

图13.28  方向修正量的计算方法

因此,推进完了时及管片组立完了时均应测量尾隙,为了满足盾构方向修正的需要,必须使用楔形管片修正管片的方向。

像图13.29示出的那样，即使在直线段，如果上下，左右的行程存在差异，则推进时一侧的尾隙会慢慢变小，最后失去尾隙。因此应准备好修正用的楔形管片。曲线段使用的楔形管片必须充分讨论曲率的楔形量、形状（是单楔、还是双楔）及组装模式等。

图 13.29  倾斜管片方向的修正

5．3．3 急弯施工

决定急弯施工（即小曲率半径曲线施工）成败的因素较多，有地层条件、盾构机、管片、超挖量、背后注浆及辅助工法等因素。其中关键因素是必须确保超挖量和确保组装管片的盾尾空隙（见图13.30）。为了确保施工的顺利进行，通常应采取如下一些措施。

13.4.1  对盾构机的要求

1．对盾构机的长度

为了防止急弯施工中的超挖量δ和盾构机的转矩过大，应尽量缩短盾构机长。

2．设置超挖刀具

急弯施工须要一定程度的超挖，以确保盾构机的旋转空间。超挖刀具由液压千斤顶控制，需要超挖时千斤顶可将掘削刀具朝外周方向推出，对地层进行超挖。超挖量一般控制在0～350mm范围内，超挖量和超挖区段均任意设定。

3．中折机构

图 13.30  超挖量和盾尾空隙

图13.31  采用中折机构时的超挖量

中折机构是把盾构机分割成前舱和后舱两部分，两部分的交界处可以出现曲折；也可以把盾构机分成三部分，即前舱、中舱、后舱，使盾构机出现两次曲折的机构。中折机构利用中折千斤顶使盾构机沿曲折线推进。

使用中折机构的好处是提高急弯曲线的施工性，同时还可控制超挖量。此外，还可以防止管片单推（见图13.31）。

中折机构实际上为滑动结构。滑动结构有缓倾斜型和曲面型两种（见图13.32）。前者的止水衬垫的跟踪性有限，地下水压高时中折角也受限（不能过大），所以只能用于曲率半径较大（相对后者）的急弯情形的施工；后者使用高水压衬垫，故可确保大的中折角（达9º），即适用于曲率半径较小（相对前者）的急弯施工。

中折机构的推进方式因盾构千斤顶固定位置的差异，可分为前舱推进式和后舱推进式两种（见图13.33）。其特点分述如下：

图13.32  中折滑动结构

图13.33  推进方式

图13.34  中折角的方式

（1）前舱推进式

①盾构千斤顶顶推前舱，后舱通过连销与前舱连接，所以后舱受力小，对中折千斤顶推力的上限要求可以降低。

②中折时因盾构千斤顶中心轴与管片中心轴出现偏离，故盾构千斤顶必须为摇动支承。因此，千斤顶顶椎点和管片中心轴的偏心距较大。

③  因中折段出现张开，故千斤顶冲程式缩短。

（2） 后舱推进式

① 因千斤顶的推力通过中折千斤顶传递到前舱，所以要求中折千斤顶的能力应与盾构千斤顶相同。

② 与一般盾构机相同，因盾构千斤顶固定在后舱，所以盾构千斤顶无需支承装置，千斤顶顶推点与管片中心轴的偏心距小，且一直保持不变。

③ 千斤顶冲程不因中折段的张开而短缩。

从中折角的产生方式而言，有图13.34示出的X形中折和V形中折两种。X型中折的曲折部存在旋转铰，而V形中折不存在旋转铰。

4．偏心刀盘和折曲刀盘

当盾构外径较大，曲率半径较小的急弯施工时，如果仅靠中折机构不能满足急弯施工要求时，则可使用偏心千斤顶（见图13.35）使刀盘向曲线内侧滑动，以利控制超挖量。刀盘偏心时为使曲线外侧的轨迹顺势伸延，应把盾构前檐作成楔形，以利提高急弯施工性。

图13.35 偏心掘削刀盘

作为控制超挖量的措施还可以选用折曲刀盘。即把刀盘轴承作成球面状,在刀盘折曲千斤顶的作用下,使刀盘向曲线方向上折曲,控制超控量、提高急弯的施工性。

5． 注意事项

采用中折机构时，应注意下列事项：

① 中折止水带的防水性

② 盾构机体折曲时千斤顶和管片中心线的偏心量（防止管片屈服变形）

③ 土压盾构情形下，应注意防止中折机构与螺旋输送排土器或送泥管发生碰撞。

13.4.2 对管片的要求

1.管片宽度

组装管片时,为确保盾构外壳板与管片间的空隙,可缩短管片中的宽度,确保组装作业在盾尾内进行。通常,一般区段的管片宽度定为90～120cm,急弯段可选用30～60cm。

2．楔形管片

急弯段使用的楔形环与非楔形环的比可以大于2∶1。但每环的楔形量一般不易过大。

3．缩小管片外径

在曲率半径很小的急弯段中，有时既使减小管片宽度也不能确保必须的空隙（管片外面与盾构壳板间的间隔）。这种情形下可将管片外径缩小50～60mm（与一般区段管片相比），以确保空隙。此时与一般管片的连接部最好设置外径渐变的圆锥形管片，以保护盾尾密封（见图13.36）。

图13.36    缩小管片外径实例   

图13.37  隧道急弯段构造模型

4. 管片加固

急弯段施工时,考虑到千斤顶推力作用会在已组装好的管环上产生水平位移力。另外,千斤顶的单推也会产生偏心荷载。为了确保管片能承受这些荷载,必须对肋板、面板、接头螺栓等构件进行补强。关于千斤顶推力的影响，像图13.37示出的那样，可把盾构隧道模拟为梁单元，把周围地层模拟为弹簧单元，进而计算承受推力条件下管片及环间螺栓上产生的应力。此外，对于偏心荷载还需讨论纵肋的压屈问题。

5地层加固

急弯施工中除了从盾构和管片两方面进行上述改进外，还应对地层进行加固处理，其加固目的如下：

① 对软地层加固，确保外侧地层的反力；

② 防止超挖刀掘出掘削面发生变形，确保盾构机转向所需的超挖量；

③ 抑制超挖致使的地层沉降。

就加固方法而言，多采用注浆工法、高压喷射工法及冻结法。根据地层条件和施工环境等条件的不同，有时也采用其它工法加固。

    6 背后注入

管片从盾尾脱出后，需立即通过注浆将其固定在地层上，使千斤顶的推力迅速传递给后面的管片、地层及反力座上。另外，为了抑制管片变形和地层沉降，也须迅速填充尾隙，即背后注浆。注入的浆液应首选凝胶体积变化小，早期强度超过地层强度的浆材为好。

因急弯段的超挖量较大，盾构机周围存在空隙，故背后注入浆液有可能绕流进入掘削面。作为防止这一现象的措施是：①采用瞬结型浆液；②在管片背面设置注入袋，即采用附袋注入法。后者使用较多。

5.8管片拼装和隧道工程质量控制

 管片拼装是盾构法施工的一个重要工序，整个工序由盾构司机、管片拼装机操作工和拼装工等三个特殊工种配合完成。在整个施工过程中必须由专人负责指挥，拼装前应全面检查拼装机械、工具、索具。施工前应根据所用管片形式、特点详细向施工人员作技术和安全交底。

5．4．1拼装前的准备

1 盾构推进油缸顶块与前一环管片环面必须有足够的空间可使封顶块插入成环；

2 检查管片与盾尾间隙，结合上一环状态，决定本环拼装时的纠偏量及纠偏措施；

3 盾构纵坡和拼装机在平面、高程的偏离值，决定了管片拼装位置的调整的纠偏值。

4  清除上一环环面和盾尾内杂物，检查上一环环面防水密封条是否完好，如有损坏应及时修补；发现环面质量问题，应在下一环管片拼装时，进行纠正。

5．4．2 拼装作业

 管片拼装时，一般情况应先拼装底部管片，然后自下而上左右交叉拼装，每环相邻管片应均匀拼装并控制环面平整度和封口尺寸，最后插入封顶块成环。

管片拼装成环时，应逐片初步拧紧连接螺栓，脱出盾尾后再次拧紧。当后续盾构掘进至每环管片拼装之前，应对相邻已成环的3环范围内的连接螺栓进行全面检查并再次紧固。

逐块拼装管片时，应注意确保相邻两管片接头的环面平整、内弧面平整、纵缝密贴。

封顶块插入前，检查已拼管片的开口尺寸，要求略大于封顶块尺寸，拼装机把封顶块送到位，伸出相应的千斤顶将封顶顶块管片插入成环，作圆环校正，并全面检查所有纵向螺栓。

封顶成环后，进行测量，并按测得数据作圆环校正，再次测量并做好记录。最后拧紧所有纵、环向螺栓。

 按各块管片位置，缩回相应位置的千斤顶，形成拼装空间使管片到位，然后伸出推进千斤顶完成管片的拼装作业。盾构司机在反复伸缩推进油缸时必须做到保持盾构不后退、不变坡、不变向，同时应与拼装操作人员密切配合。

盾构推进时，依次把将要脱离盾尾的环纵向螺栓用扳手拧紧至设计要求。拼装过程中，遇有管片损坏，应及时使用规定材料修补。管片损坏超过标准时，应调换。在拼装过程中应保持成环管片的清洁。如后期发现损坏的管片也必须修补。隧道结构加强处理方案需经业主和设计单位认可。

平曲线段隧道是使用楔形环管片拼装后形成曲线，拼装方法与直线段施工相同。保证隧道曲线的精度，主要靠控制楔形管片成环精度，要求第一环管片定位要准确。

5．4．3 管片损伤的防止

如果组装的管片出现缝隙和错位（即真圆度差），则新组装的管片和原有管片的弯角部必为点接触或者线接触。因此，作用千斤顶推力时易产生破损和裂纹（见图13.16）。所以，管片组装时，应使各管片的面正确地吻合，即螺栓的紧固等日常管理相当重要。近年为使位置正确吻合，有人在管片上安装调芯销，以此提高组装精度和施工性。

 错位和开缝造成的损伤

另外，如果盾构中心轴线的方向与管片中心轴线的方向不同，则尾隙消失，盾构壳板与管片发生碰撞，致使管片破损和变形。

图 盾构和管片碰撞

因此，每环的尾隙都应测量，发生盾构尾板与管片碰撞时，应改变盾构的方向或使用楔形管片，修正管片的方向避免碰撞。在曲线部位和管片宽度大的情形下，上述发生碰撞情形的可能性大。为了防止这种碰撞的发生，事先应就曲线半径、管片宽度对应的盾构机的方向控制方法进行讨论。施工时必须强调隧道线形的管理及盾构机的方向控制管理。

（2） 管片的形变

组装的管片直到在地中稳定过程中，因自重和千斤顶推力、背后注入、土质条件等致使管片出现各式各样的变形。除了事前预想的管片变形的防止措施外，同时必须很好地进行掘进和衬砌管理，掌握施工时的变形。

临时组装的管片，伴随盾构的推进容易出现偏离、下沉、上浮，所以应将其强化紧固，插入到进发承台的间隙中，但不能松弛起拱，并且还应用钢丝绳或钢材等把整个管环固定。特别是进发后立即进入曲线施工的场合下，因盾构千斤顶的推力不均匀，更应很好地筹划。

地中管片的状态，一般情形下，管片脱出盾尾后存在少许下沉（见图13.18）。为此应考虑背后注浆的时间和种类。有必要把盾构的位置作微量抬高。

图  脱离盾尾后的管片

另外，在地层存在浮力致使管片上浮的情形下，必须考虑地层加固和平衡重量。

曲线施工中，通常在管片离开盾尾尚未稳定的时段内推进反力会出现偏离，进而致使管片向曲线外侧移动，同时曲线内侧的管环接头部位产生拉拔变形，故管片极易受损。要想使管片尽早稳定，希望注入早期发现强度与地层强度相当的浆材，根据情况也可使用附袋法注入水泥浆。防止内侧拉拔变形的措施是增加螺栓强度和条数，也可用钢材等进行加固。

6、盾构穿越建筑物及保护技术

6.1盾构掘进施工对地层的影响及沉降控制

6．1．1地基变形的影响因素

地基变形的影响因素

盾构掘削地基变形的表现方式，是和盾构直径、覆盖土厚度、地基状况等的现场条件、盾构施工状况等而有所不同的。现将这些影响因素经过整理成为图-1中所示内容。其中线形、盾构直径、覆盖土厚度等的设计条件和土层组成、各土层的强度、变形特性、地下水位分布等的地基条件，是决定线路时的固有条件，可以称之为地基变形的原因；另一方面，盾构机种、辅助工法、衬砌后背注浆、施工管理状况等的施工条件，即便在决定了推进线路后依然可作变动，此称为地基变形的起因。

6．1.2  地基变形的表现方式和机理

图-3是如同表-1那样，在同一线路上不同的盾构机种的5个工区所测到的地表面沉降和地下水位的时效变化，由于各工区地下水位不同，地表面沉降的表现方式亦不相同。

对兼用了气压施工的d工区来说，因为开挖面上量测点在盾构到达前已降低了地下水位，因此已预先发生了沉降。相反，对使用土压加水、泥水加压式盾构的b、e两工区，由于施加了水压、泥水压力到达开挖面上，可见到水位局部性的上升。其中在b工区，因过大的盾构推力，观测到有预先隆起现象。在采用土压平衡式盾构掘削的砂质地基的c工区中，因开挖面崩塌而看到预先的沉降。还有就是以灵敏度高的粘性土作掘削对象，采用土压平衡式盾构进行施工，因地基被扰动为起因有了接续沉降，在盾构已通过了3～4个月后还有沉降继续发生。

根据以上各个工例可以明确到地基变形表现的方式，是由地基土的种类、盾构机的种类和施工情况决定的。

地基土变形时效变化曲线，如图所示可分为以下5个阶段。

① 预先沉降：隧道开挖面在从地表测定点相当近(数10m左右)时起，到达即将要测定点跟前所发生的，随着盾构掘进所形成地下水位下降。因此，由于增加了地基土的覆盖土压力，产生了所谓压缩、压密沉降。

② 开挖面前的沉降和隆起：开挖面是从到达地表的测定点相当近(数m左右)开始，到达开挖面测定点正下方时间内所产生的沉降或者是隆起现象；开挖面的崩塌是由于盾构的过大推力等因素，在开挖面上发生土压力的不平衡；地层应力释放和相反使盾构开挖面上发生负荷土压力，是由于盾构机的周围摩擦力作用而造成地基土的弹塑性变形。

③ 盾尾沉降：开挖面从测定点正下方起，到盾构机盾尾通过间所产生的现象，以土的扰动作为主要原因。

④ 盾尾空隙沉降：是盾构机的盾尾通过测定点的正下方后所产生的沉降现象。是以盾尾空隙的形成为起因，使得地层土的应力释放而引起的弹塑性变形。

5接续沉降：作为沉降的主要部分，由地基土扰动为起因，经压密和蠕动作用后的残留现象。

  时效变形曲线模式图

6．1.3  地基变形的分布及其影响范围

6.2盾构隧道施工监测技术

6．2．1 盾构隧道施工监测内容和方法

盾构施工中应结合施工环境、工程地质和水文地质条件、掘进速度等制定监测方案；

监测范围包括盾构隧道和沿线施工环境，对突发的变形异常情况应启动应急监测方案；根据监测中变形量、变形速率等变化情况，随时调整监测方案；

地上、地下同一断面内的监测数据以及盾构掘进机施工参数必须同步采集，以便进行分析；

监测仪器和设备应满足量测精度、抗干扰性、可靠、实时采集和传输等要求；监测项目应按下表选择。穿越江河和建（构）筑物或有特殊要求等地段的监测项目应根据设计要求确定；

    盾构施工监测项目

地表沉降测量采用的高程系统应与施工测量的高程系统一致。

采用物理传感器进行监测时，应按各类仪器不同的埋设规定和监测方案要求埋设传感器。

隧道环境监测应包括：线路地表沉降观测、沿线邻近建构筑物变形测量和地下管线变形测量等；施工变形区内建、构筑物变形测量，应根据其结构状况、重要程度、影响大小有选择地进行变形测量。

邻近地下管线变形测量一般应直接在管线上设置观测点，对于不便开挖的管线也可在周围土体中埋设沉降仪和位移计或其它有效方法间接测定其变形状况；

环境监测应在施工前进行初始观测，并应从距开挖工作面前方H+h（H为隧道埋深，h为隧道高度）距离处开始，直致观测对象稳定时结束。

盾构穿越地面建筑物、地铁隧道、铁路、桥梁、防汛墙、地下管线等重要构筑物时，除应对被穿越体进行观测外，还应增加对其周围土体的变形观测。

6．1．2  检测资料整理和信息反馈

监测数据的采集要根据预先的计划按时进行，数据要用计算机程序批量处理，结果反馈要及时（2-4小时内），并建立监测数据库；

应结合施工和现场环境状况定期进行综合分析，并应绘制出隧道环境变形、地表沉降、隧道沉降等时态曲线图。

应对时态曲线进行基于概论统计的分析，从中找出共性以指导施工；

对重要的观测项目要建立预警值，当实测变形值大于允许变形的4/5时，应及时通报建设、施工、监理等单位，并采取措施。

6.3盾构穿越建筑物及保护技术

6．3．1 盾构穿越中山北路建筑群施工概况

地铁7号线铜川路站~中山北路站区间隧道长1358m， 为穿越既有结构物较为密集的地区，区间隧道在通过华池路和镇坪路时，以半径为400m的曲线穿越浅基础建筑物23栋，建筑物均为5-7层砖混结构，条形基础，基础埋深2.6～3.2m，见图13。

上海地铁 7号线铜川路站~中山北路站区间隧道穿越建筑群示意图

盾构施工穿越的土层为：②3-2砂质粉土④淤泥质粘土、⑤1粉质粘土。盾构穿越土层的物理力学性质如下表7所示。

铜川路站~中山北路站区间隧道土层物理力学指标

2007年11月12日~2007年11月30日，对上行线605环~705环之间所穿越的建筑物实际沉降和盾构施工参数如下：

（1）整个穿越过程中土仓压力控制在3bar左右,，在建筑物下方时增加为3.15bar。在推进和停机过程中保持土压基本平衡，避免出现过大的波动；

（2）盾构掘进速度控制在3cm/min左右，且穿越过程中保持匀速掘进；

（3）每环同步注浆量在3.8m3左右，浆夜注入率约200%；

（4）在推进过程中保持盾构机的姿态平稳，严禁姿态起伏过大，尽量避免蛇行超挖。

通过以上措施，盾构较为顺利的穿越本段建筑群，下面结合建筑物监测数据对其分析，图14为穿越施工时建筑物监测点位平面布置图。

J1

J3

J2

推进方向

 监测点位平面布置图

盾构推进施工引起6层住宅建筑物各测点（位于628环-634环上方）的隆沉变化如图所示。当施工610环时，盾构切口进入建筑物下，测点向上隆起，切口到达测点240和241前后隆起量达+4mm，这是由于盾构掘进引起的土体挤压影响造成的。盾尾通过时（630环），测点明显下沉至-1mm，这是由于盾尾同步注浆还不能及时和足量充填盾尾建筑空隙造成的。盾构通过建筑物后（630环-660环）的30环掘进施工时加强了壁后双液注浆，使测点隆沉保持在+1—+2mm。停止壁后注浆后，测点发生微量沉降。从图中可以看出，本穿越段盾构穿越施工对建筑物产生的影响在允许范围以内，不均匀沉降小于2mm，6层住宅楼未发生沉降裂缝和门窗变形，穿越施工相当成功。 

图  JZ1建筑物各测点沉降变化趋势

建筑物

  盾构推进引起JZ1各测点的差异沉降图

6．3．2  建筑物的长期沉降

下图为盾构穿越施工引起既有建筑物的长期沉降历时曲线图。从图中可以看出，盾构到达前15m至0m，测点呈上隆趋势，切口到达时隆起量达4mm；盾构通过时至盾尾脱出后10天内，因同步注浆和璧后注浆效果明显，测点变化稳定在+3mm—+4mm范围；盾尾脱出后10天—110天的100天内，后续补浆频率减缓，测点缓慢沉降了8mm，沉降速率约为0.08mm/d；盾尾脱出后110天—160天的50天内，后续补浆停止后，测点沉降了12mm，沉降速率约为0.24mm/d。说明多次补浆对控制建筑物的长期沉降具有明显效果。 

盾构

t(d)

m

 测点2的长期沉降曲线图

6.4  盾构下穿运营地铁隧道施工及监护

6．4．1  地铁2号线盾构穿越1号线运营隧道施工

上海地铁2号线人民公园站～河南路站区间隧道施工中，盾构出洞段需穿越营运中的地铁1号线区间隧道。盾构出洞后仅12m距离与地铁1号线隧道呈85°斜交，且1号线隧道底部与2号线隧道顶部间距仅为1m，隧道埋深达20.6m。

  盾构穿越地铁1号线示意图 

 地铁1号线隧道在2号线车站建造过程中已下沉12mm，其累计沉降量不能超过15mm。为此，盾构穿越1号线隧道时沉降必须控制在3mm以内；地铁1号线隧道底部已采用多种方法进行加固，有水泥水玻璃双液浆、聚氨酯浆的分层注浆以及旋喷水泥注浆等。 盾构出洞后即进入加固区，并受邻近商业建筑物以及地铁1号线隧道的影响，增加了施工参数准确设定的难度。

盾构的土压力设定为0.23Mpa（Po=k。γh。=0.7×0.18×17.5=0.22Mpa）。每环出土量控制在理论值的95%左右，掘进速度控制在1cm/min加注发泡剂或水等润滑剂，减小刀盘所受扭矩，同时降低总推力。加强对地铁1号线的监测，及时优化调整掘进施工的参数，做到信息化动态施工管理。合理控制注浆量，控制地铁1号线隧道以及地面的沉降。沉降控制在3.5mm左右。

6．4．2地铁7号线下穿1号线运营地铁隧道

地铁7号线常熟路站~肇嘉浜站区间隧道从常熟路站南端头井出洞后18m与地铁一号线隧道呈79°斜交下穿，最小净间距为1.4m。隧道交叠的投影长度上行线约为22米，环号为14~32，下行线投影长度约为20米，环号为13~29。区间隧道最大纵坡为4‰，隧道中心最低标高-21.031m，最高标高约为-17.441m，隧道上部覆土厚度17m～22m。，见图18 所示。下行线穿越施工后4~5个月上行线穿越施工。

穿越段土层主要由饱和粘性土、粉性土以及砂土组成，主要土层的物理力学指标如表1.3所示。地铁1号线隧道所处的土层主要为④淤泥质粘土层、1-1灰色粘土层，本工程隧道所处的土层主要为1-1灰色粘土层， 1-2灰色粉质粘土层。

 地铁7号线隧道与地铁1号线隧道关系剖面图

下图为7号线上、下行线盾构推进过程中引起的1号线隧道的隆沉变化历时曲线图。从图中可以看出，当盾构离隧道15m至盾尾通过时，隧道呈逐步向上隆起，上下行线最大隆起量分别为+1.39mm和+2.09mm；盾尾脱出后下沉，30天后的沉降值在-1mm内，见图20所示。隆沉量均满足既有隧道结构纵向沉降与隆起≤±5mm的要求。

7#上

a)1号线下行线(9月10日刀口到达，11日盾尾脱出)

7#上

b)1号线上行线(9月12号刀口到达，15日盾尾脱出)

图20 7号线上行线推进引起1号线的竖向变形曲线

盾构穿越运营隧道掘进施工采用了信息化施工、降低推进速度、降低设定土压值、隧道壁后多次补压浆的技术措施。推进速度从3.5cm/min降到1.5cm/min—2.5cm/min。密闭土舱的设定土压值在穿越隧道中从0.25Mpa逐步下降至0.2Mpa，见图22所示。同步注浆量控制在2—2.5m³/环，充填率为150%—180%见图所示。

推进方向

 7号线推进过程中土仓压力设定值

  7号线推进过程中注浆量设定值

图为1号线的长期沉降曲线图。从图中可以看出，7号线穿越施工结束后130天内，既有1号线的竖向变形呈现出波浪形的变化，并未出现一致的隆起或沉降，但既有1号线的最大绝对竖向变形量≤±1.5mm，相对施工期的最大变形幅度为3.mm，不影响既有线路的正常运营。结合盾构穿越期间既有线的变形可知，施工期变形大的测点其长期变形量也较大，如1号线上、下行线与7号线下行线交点在施工期和后期的最大竖向变形量分别为+1.38mm、+2.07mm和-1.13mm、-1.6mm。

7#上

7#下

  1号线下行线横向长期沉降曲线图

7、盾构隧道工程事故实例分析

8、盾构隧道工程技术新发展