城市轨道交通工程——盾构法

城市轨道交通工程

盾构法按支护地层的形式分类，主要分为自然支护式、机械支护式、压缩空气支护式、泥浆支护式、土压平稳支护式5种类型、

按开挖面是否封闭划分，可分为密闭式和敞开式两类。按平衡开挖面土压与水压的原理不同，密闭式盾构又分为土压式（常用泥土压式）和泥水式两种 。

盾构的刀盘主要由刀盘体、刀具、磨损检测器、搅拌棒、泡沫及膨润土管路等零部件组成。刀盘体由钢结构焊接而成，刀具可分为：滚刀、切刀、边缘刮刀、仿形刀、保径刀、先行刀、中心刀等。

刀盘具有三大功能：开挖功能、稳定功能、搅拌功能。

土压平衡盾构的刀盘有两种形式：面板式和辐条式。

盾构法施工条件

1. 适用地层范围：除硬岩外的相对均质的地质条件。

2. 隧道埋深：隧道应有足够的埋深，覆土深度不宜小于1D（洞径）。

3. 地下水防治：采用密闭式盾构时，除了始发和接收区以及开仓换刀时需要之外，一般不需要辅助施工法。

4. 截面形状：标准形状为圆形。也可采用异形截面。

5. 对环境的影响：接近既有建（构）筑物施工时，有时需要辅助措施；

盾构施工现场布置：在施工用地范围内，对施工现场的道路交通、材料仓库、材料堆场、临时房屋、大型施工设备、集土（泥）坑、拌浆系统、临时水电管线、消防器材垂直运输设备等做出合理的规划布置。

盾构施工一般分为始发、正常掘进和接收三个阶段。

始发是指盾构自始发工作井内盾构基座上开始掘进，到完成初始掘进（通常50~100m)止。

始发结束后要拆除临时管片、临时支撑和反力架，分体始发时还要将后续台车移入隧道内，以便后续正常掘进。

接收是指自掘进距接收工作井100m到盾构到达接收工作井内接收基座上止。

常用洞口土体加固方法：化学注浆法、砂浆回填法、深层搅拌桩法、高压旋喷注浆法、冷冻法等。

冻结法有造价高、解冻后存在沉降等缺点，旗喷桩加固虽然效果好，但其造价远高于深层桩。所以，除工作井较深、洞门处土层为水头较高的承压水层外，洞门土体加固较为广泛采用的是深层搅拌法、并在搅拌桩加固体与连续墙间无法加固的间隙处用旋喷法进行补充加固。

洞口土体加固最常见的问题有两点：一是加固效果不好，造成开洞口时土体坍塌；二是加固范围不当，造成始发时水土流失。

盾构始发是指利用反力架和负环管片，将始发基座上的盾构，由始发工作井推入地层，开始沿设计线路掘进的一系列作业。

盾构始发是盾构施工的关键环节之一，其主要内容包括：始发前工作井端头的地层加固、安装盾构始发基座、盾构组装及试运转、安装反力架、凿除洞门临时墙和围护结构、安装洞门密封、盾构姿态复核、拼装负环管片、盾构贯入作业面建立土压（针对土压平衡盾构施工）和试掘进等。

决定初始掘进长度的因素有两个：一是衬砌与周围地层的摩擦阻力，二是后续台车长度。

盾构接收施工技术要点一般按下列程序进行：洞门凿除——接收基座的安装与固定——洞门密封安装——到达段掘进——盾构接收。

接收设施包括盾构接收基座（也称接收架）、洞门密封装置。接收架一般采用盾构始发架。

盾构掘进技术

（一）土压平移盾构掘进

土压平移盾构，是将开挖下来的土砂充满到开挖面和隔板之间泥土仓，根据需要在其中注入改良材料，用适当的土压力确保开挖面的稳定性。通过贯穿隔板设置的螺旋输送机，

可在推进的同时进行排土。在施工时，必须在开挖两层隔板之间充满土砂，对其进行加压达到满足开挖面的稳定需要的状态。为了获得适合于盾构推进量的排土量，要对土压力和出土量进行计量，对螺旋式排土器的转数和盾构的推进速度进行控制，达到平移状太，同时，还要掌握刀盘扭矩和推力等，进行正确的控制管理以防止开挖面的松动和破坏。

（二）土仓压力管理

(1) 在土压平移盾构的施工中，为了确保开挖面的稳定，要适当地维持压力舱压力。

一般，如果土仓压力不足，发生开挖面的涌水或坍塌内附就会增大。如果压力过大，又会引起刀盘扭矩或推力的增大而发生推进速度下降或地面隆起等问题。

(2) 土仓压力管理的基本思路是：作为上限值，以尽量控制地表面的沉降为目的而使

用静止土压力；作为下限值，可以允许产生少量的地表沉降，但可确保开挖面的稳定为目的而使用主动土压力。

(3) 掌握开挖面的稳定状态，一般是用设置在隔板上的土压计来确定土仓压力。

(4) 推进过程中，土仓压力维持有如下的方法：1、用螺旋排土器的转数控制；2、

用盾构千斤顶的推进速度控制；3、两者的组合控制。通常盾构设备采用组合控制的方式。

(5) 要根据各施工条件实施良好的管理。另外，需要确认伴随推进所产生的地基的变

形、排土状态、刀盘扭矩以及其变化情况，及时在推进中修正土仓压力。

（三）排土量管理

(1)

为了一边保持开挖面的稳定一边顺利地进行推进，则需要适量地进行排土，以维

持排土量和推进量相平衡。

(2) 排土量管理的方法可大致分为容积管理法和重量管理法。

（四）渣土改良

土压平衡盾构的渣土排出量必须与掘进的挖掘量相匹配，以获得稳定而合适的支撑压力值，使掘进机的工作处于最佳状态。当通过调节螺旋输送机的转速仍不能达到理想的出土状态时，可以通过改良渣土的朔流状态调整。

(1) 改良渣土的特性

在土压平衡工况模式下渣土应具有以下特性：

1) 良好的塑流状态。

2) 良好的黏稠度；

3) 低内摩擦力。

4) 低透水性。

(2) 当渣土满足不了这些要求时，需通过向刀盘、土仓内及螺旋输送机内注入改良材

料对渣土进行改良，常用的改良材料是泡沫或膨润土泥浆。

（五）土压平衡盾构掘进要点

(1) 开挖渣土应充满土仓，渣土形成的土仓压力应与刀盘开挖面外的水土压力平衡，

并应使排土量与开挖土量相平衡。

(2) 应根据隧道工程地质和水文地质条件、埋深、线路平面与坡度、地表环境、施工

监测结果、盾构姿态以及始发阶段的经验，设定盾构刀盘转速、掘进速度和土仓压力等掘进参数。

(3) 掘进中应监测和记录盾构运转情况、掘进参数变化和排出渣土状况，并应及时分

析反馈，调整掘进参数和控制盾构姿态。

(4) 塑状态。

应根据工程地质和水文地质条件，向刀盘前方及土仓注入改良剂，渣土应处于流

泥水加压盾构掘进

（一）泥水加压式掘进特点

泥水加压盾构掘进过程中，一边用泥浆维持开挖面的稳定，一边用机械开挖方式来挖。

（二）泥水仓压力管理

(1) 在泥水加压式盾构施工法中，为了确保开挖面的稳定，需要根据开挖面的土质及

土水压力适当地设定泥浆压力。一般，如果泥浆压力不足，发生开挖面坍塌的危险就会增大，如果压力过大，又会出现泥浆喷发和地面隆起的可能。

(2)

泥水仓压力管理的基本思路是：作为上限值，以尽量控制地表面的沉降为目的而

使用静止土压力；作为下限值，在允许少量沉降，但以保持开挖面稳定为目的而使用主动土压力。

(3) 压力。

掌握开挖面的稳定状态，一般是用设置在隔板上的水压计来确认泥水仓内的泥水

（三）泥水处理系统和仓内破碎技术

(1) 开挖下来的土、砂在泥水仓内经搅拌翼等搅拌混合，通过排泥管道输送到地面。

(2) 泥水加压盾构维持开挖面稳定的关键是在开挖面形成高质量的泥膜。因此，要对

排泥管排出的泥水进行处理，处理后的泥水经调整后再通过送泥管泵入泥水仓。

(3) 对于大粒径的砾石，需要用安装在泥水仓内的破碎机粉碎。另外，对于无法进入

刀盘开口的砾石，通过刀盘上的滚刀破碎处理。

（四）泥水加压盾构掘进要点

(1) 泥浆压力与开挖面的水土压力应保持平衡，排出渣土量与开挖渣土量应保持平

衡，并应根据掘进状况进行调整和控制。

(2) 态管理。

应根据工程地质条件，经试验确定泥浆参数，应对泥浆性能进行检测，并实施动

(3) 应根据隧道工程地质与水文地质条件、隧道埋深、线路平面与坡度、地表环境、

施工监测结果、盾构姿态和盾构始发阶段的经验，设定盾构刀盘转速、掘进速度、泥水仓

压力和送排泥水流量等掘进参数。

管片拼装顺序：一般从下部的标准（A型）管片开始，依次左右两侧交替安装标准管片，然后拼装邻接（B型）管片，最后安装楔形。

管片拼装呈真圆，并保持真圆状态，对于确保隧道尺寸精度、提高施工速度与止水性及减少地层沉降非常重要。

壁后注浆是向管片与围岩之间的空隙注入浆液，向管片外压浆的工艺，应根据所建工程对隧道变形及地层沉降的控制要求来确定。根据工程地质条件、地表沉降状态、环境要求及设备性能等选择注浆方式。注浆过程中，应采取减少注浆施工对周围环境影响的措施。

管片壁后注浆按与盾构推进的时间和注浆目的不同，可分为同步注浆、二次注浆和堵水注浆。

壁 后注浆的目的如下：

(1) 使管片与围岩之间的环形空隙尽早建立注浆体的支撑体系，防止隧道周围土体塌

陷与地下水流失造成地层损失，控制地面沉降值。

(2) 心快获得注浆体的固结强度，确保管片初衬结构的早期稳定性，防止长距离的管

片衬砌背后处于无支承力的浆液环境内，使管牌发生移位变形。

(3) 作为隧道衬砌结构加强层，具有耐久性和一定强度。充填密实的注浆将地下水与

管片隔离，避免或大大减少地下水直接与管片接触的机会，从而成为管片的保护层，避免或减缓了地下水对管片的侵蚀，提高初砌结构的耐久性。

注浆材料与参数

(1) 根据注浆要求，应通过试验确定注浆材料和配合比。可按地质条件、隧道条件和

周边环境条件选用单液或双液注浆材料。

(2) 求。

注浆材料的强度、流动性、可填充性、凝结时间、收缩率和环保等应满足施工要

(3) 确定。

应根据注浆量和注浆压力控制同步注浆过程，注浆速度应根据注浆量唾掘进速度

(4) 注浆压力应根据地质条件、注浆方式、管片强度、设备性能、浆液特性和隧道埋

深等因素确定。

盾构姿态控制

线形控制的主要任务是通过控制盾构姿态，使构建的衬砌结构几何中心线线形顺滑，且位于设计中心线的容许误差范围内。

盾构掘进地层变形控制措施

(1) 防止开挖面的土水压力不均衡引起变形的措施：土压平衡盾构可通过调整推进速

度与螺旋出土器的转速，使压力舱压力与开挖面土水压力相对应。另外，根据需要注入适当的添加剂增加开挖墙体的塑流性。泥水加压盾构可根据开挖面土层的透水性来调整泥浆特性，并仔细进行泥浆管理，使压力舱压力始终对应于开挖面的土水压力。实施这些开挖面稳定管理的同时，还应根据需要相应的辅助施工方法以保证围岩的稳定。

(2) 减小盾构穿越过程中围岩变形的措施：控制好盾构姿态，避免不必要的纠偏作业。

出现偏差时应本着“勤纠，少纠、适度”的原则操作。纠偏时或曲线掘进时需要超挖，应合理确定超挖半径与超挖范围，尽可能减少超挖。土压平衡盾构在软弱或松散地层掘进时，盾构外周与周围墙体的黏滞阻力或摩擦力较大时，应采取减阻措施。

(3) 减小盾尾脱出导致地层变形的措施：用同步注浆的方式，及时填充尾部空隙；根

据地质条件、工程条件等因素，合理选择单液注浆或双液注浆，正确选用注浆材料与配合比，以便及时稳定住拼装好的衬砌结构；加强注浆量与注浆压力控制；及时进行二次注浆；

(4) 防止衬砌引起变形的措施：为了防止管片环变形，必须使用形状保持装置等来确

保管片组装精度，同时充分紧固接头螺栓。

(5) 防止开挖或衬砌渗漏导致地下水位下降的措施：为了防止从管片接头、壁后注浆

孔等部位漏水，必须精细地进行管片组装及防水作业。