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盾构法施工关键工序质量控制要点
摘 要：盾构法是暗挖隧道的专用机械在地面以下建造隧道的一种施工方法。本文是根据我们公司购买的土压平衡盾构机并结合本人平时的工作经验，介绍在盾构法施工过程中的质量控制要点及一些正确的操作方法。
关键词：盾构 掘进 纵坡控制 同步注浆 管片拼装
一、前言
盾构操作的目的，主要是使盾构运动轨迹始终符合设计轴线容许偏差值范围内，达到隧道衬砌拼装在理想的位置上。二．盾构始发阶段
要掌握好盾构掘进轴线控制，不但要能熟练地操作盾构，懂得纠偏原理、方法，还应对隧道埋置的地质情况及盾构施工时，土与盾构相互影响有一个全面的了解。
1、盾构端头井土体加固(始发)等相关质量控制
在盾构始发时，提高地基强度，防止沉陷，防止地下水突出及土砂等流入端头井内，需进行洞圈周围土体的加固和改良。常用方法有搅拌桩法、药液注入法、冻结法等。无论采取何种方法，加固和改良的效果是质量控制的关键。
(1)加固效果要通过在不同部位、不同深度钻心取样等手段进行验证，确保满足设计要求。(2)降低地下水位。在始发期间，端头井周围地下水位要降至洞圈以下1.5—2m，要实施实时监测，并有备用降水井和降水设备。
(3)出洞止水密封装置安装。帘布橡胶板上的安装螺栓必须齐全紧固，防翻卷装置加工牢固，帘布橡胶板紧贴洞门，防泥水流失。
(4)始发出洞应做如下工作：①洞门凿除后，盾构机应迅速靠上洞口土体。②观察洞口有无渗漏，如有应及时封堵(应急封堵材料及排水设备)。③盾构机土仓内不得有砼块、钢筋等，临时墙周边钢筋不得伸入盾构切削圆周内。④第一正环拼装时检查最后一负环管片的位置、真圆度等。⑤控制推进千斤顶的使用情况，防止盾构机磕头或上飘。⑥严格控制负环管片的真圆度。
2、盾构始发设备
(1)盾构机基座质量控制重点
①位置及尺寸。基座设置前，应对洞中的实际净尺、平面位置、直径及高程进行复核，确定基座的位置和高程。盾构姿态的调整，测量基点的布置。
②基座的加固焊接质量，导向轨的夹角，基座的防移动加固。
③考虑设计坡度和盾构机预沉降防范措施(可将预先抬高基座20cm以内)。④前端应有防盾构机磕头装置。(2)反力架
反力架由临时管片(负环管片)、反力架、调节装置等部分组成。质量控制重点：
① 必须尽可能地保持负环管片的真圆度。
②使用钢材等按设计调整正1环与竖井坑口部位的位置关系。③负环顶部作为运输开口时，必须用钢材加固该开口。
④反力架的支撑中，受力混凝土的强度，要达到设计推力的要求(初始推力约在800t以内)。(3)盾构机及后配套设备质量控制
盾构机在隧道内有只能进不能退的特点，因此盾构机的质量是隧道能否顺利施工的关键，现场应有厂方经验丰富的组装和调试工程师。现场应加强对隐蔽组装部位以及盾构机出洞后不便观察检查等部位的检查验收，如刀盘安装螺栓(力矩、数量)、止水密封圈、同步注浆和加泥系统的止回装置等。始发前主要对盾构进行部件、系统功能性、运转状况进行验收，应制定详细的验收表格，逐项验收，确保盾构机的组装调试质量。
三、盾构试掘进和正式掘进阶段
盾构机在初始推进时，需进行各功能系统的带载试验，完善各功能系统，并进行整合。同时在掘进过程寻求最佳施工参数，为全线正常推进提供符合土质特点的基本施工参数。试掘进过程基本在100环左右。无论是试掘进还是正式掘进都需加强过程管理来保证盾构施工的安全，保证隧道施工质量。
1、土压式盾构的掘进管理流程实例(见图1)
2、开挖面的土压力管理
(1)理论土压力值计算
理论的土压力值是个范围值，其公式为：
上限值Pmax=地下水压力+静止水压力+预备压力(约取10—20kN/m2)
下限值Pmin=地下水压力+(主动土压力或松动土压力)+预备压力(约取10—20kN/m2)
由于盾构机工况复杂，合理的土压力是变化的，这要通过与理论值进行对比，并不断通过综合监测，利用千斤顶推力、速度、螺旋机转速等参数进行调整，以保证掘进面的稳定。
(2)设置备用的土压力计，异常时切换使用。
(3)设置土压计的更换机构进行检查和更换。
3、切削土量的管理
为了保持开挖面稳定，顺利进行掘进，就必须确切地排出与掘进量相一致的切削土砂。由于地质改良关系，切削土体积与重量将产生变化，不能单独地进行切削土量计算，通常与土压力一起考虑，来判断开挖面的稳定状态。切削土量的管理方法有重量管理和体积管理两种，都需要通过计算与理论出土量进行比较。这也是选用渣土车的台数及体积需要考虑的。通过出土量的统计和计算，可以判断超挖量和掘进面是否出现了塌方。由于螺旋机转数不太容易记录，一般不用螺旋机的转数来计算出土量。
4、推进速度与推力
(1)盾构掘进的速度主要受盾构设备进、出土速度的限制，若出土速度不协调，极易出现土面土体失稳和地表沉降等不良现象，因此推进应尽量均衡连续作业。(2)千斤顶推力是盾构前进的动力，正确地使用千斤顶是盾构能否沿设计轴线(标高)方向准确前进的关键，应根据盾构趋势，合理选择千斤顶和设定千斤顶的推力。
5、盾构机姿态控制要点
(1)盾构姿态的测量数据包括自动测量数据和人工测量数据。人工测量数据是对自动测量数据正确性的检测和校正。两类数据要进行比较、分析，动态掌握数据变化情况，正确指导盾构机正确、安全地推进。(2)基准点的前移和复测。隧道内测点设置间距大约为20—50m，隧道内测点必须定期复测和修正。(3)以测量结果为基础，绘制盾构及管片与设计线之间的位置关系图。(4)发现盾构机偏向时，应及时纠正，不得猛纠硬调。进行大方向的纠正时，要确保盾尾间隙，可采用纠偏材料、异形管片进行纠偏。
6、管片拼装的质量控制
管片拼装是盾构工法的关键工序，管片拼装质量的好坏直接影响隧道结构的使用功能和安全，为此应重点做好以下工作：(1)按《地下铁道工程施工及验收规范》的要求，对管片进行严格验收。(2)管片运输、搬运时要防止损伤边角和防水装置。(3)管片拼装要符合设计要求(通缝或错缝)。(4)管片接缝间严禁夹有杂物(如砂土等)。(5)管片定位应慎重，防止接头表面碰撞和挤坏止水装置。(6)按组装顺序收缩该部位的千斤顶，不可全缩。(7)轴入插入K型管片难以向下方向错动，而端部有微上翘的倾向。(盾尾长度要加长到管片宽度的1/3至1/2)要充分注意不要损伤管片及产生密封材料的剥离。(8)管片定位后，首先拧紧管片螺栓，再拧紧环接头的螺栓。(9)待拼装一环管片后，利用全部的盾构千斤顶均匀压紧新拼装的管片，正式紧固。一般在盾尾后方10—15m左右，需按设计力矩再度复紧。(10)拼装管片时，接触面要严密对准，防止拼装中的管片与已有管片的转角处成点接触或线接触状态，在受千斤顶推力时会产生缺陷和开裂。当盾构方向与管片方向不同时，盾尾会挤伤管片，此时就要瞬时改变盾构的方向，以杜绝挤压。(11)K管片的位置变化可进行细微纠偏，但需注意不可将管片拼装成通缝。(12)在负环管片拆除或掘进终了，管片脱离盾构机时，在二次注浆不充分或没固化时，一般应采用钢材将端头的10环左右管片连接成体，防应力释放、环缝增大或管片移动。
7、同步注浆
同步注浆主要起固定管片，防止地基变形、止水等作用。注浆质量直接影响到隧道长期防水效果，因此要认真对待。
(1)壁后注浆材料中的流动性、强度、收缩率、水密性及胶凝时间都是选用材料的指标，应定期检查试验。
(2)施工时应注意事项：①注浆的配比(可参考相似工程实例)；②材料在搅拌时的投入顺序；③水泥及膨润土的分散状态和杂物是否混入；④搅拌时间及有无离析；⑤注浆位置；⑥注浆压力及注浆量；⑦盾尾密封的泄漏及向开挖面陷进情况。
(3)注浆量一般按计算空隙量的150-200%来注入；注浆压力在管片注浆口处一大于0.3Mpa。应以注浆实际效果的反馈来指导具体施工。
3、盾构机到达的质量控制(1)盾构进洞区域土体加固
盾构进洞区域土体加固一般与出洞区域土体加固是同时进行，对盾构进洞土体加固效果的检验可参照对盾构出洞土体加固。
(2)盾构接收基座设置
盾构接收基座用于接收进洞后的盾构机，由于盾构进洞姿态是未知的。在盾构接收(进洞)前仍需复核接收井洞门中心位置和接收基座平面、高程位置(一般以低于洞圈面为原则)，确保盾构机进洞后能平稳、安全推上基座。
(3)进洞前盾构姿态监控
在盾构进洞前约100环应对已贯通隧道内布置的平面导线控制点及高程水准基点做贯通前复核测量，是准确评估盾构进洞前姿态和拟定进洞段掘进轴线的重要依据。
(4)洞门围护结构凿除(进洞侧)盾构进洞前需对接收井内围护结构背水面钢筋进行割除及砼凿除，通过打探孔实际验证盾构进洞区域土体加固的效果。洞门围护结构凿除后同样需对其后土体自立性、渗漏等情况进行观察，判断进洞区域土体的实际加固效果是否满足盾构安全进洞的要求，否则应采取补救措施。
(5)盾构接收进洞观察
盾构接收(进洞)准备工作就续后，盾构机向前推进，在前端刀盘露出土体直至盾构壳体顺利推上接收基座的过程称为“盾构接收进洞”。该关键环节重点做好以下工作：(1)观察进洞洞口有无渗漏的状况，发现洞口渗漏及时封堵；(2)及时安装洞口拉紧装置，并检查其牢固性。
四、盾构法施工关键工序操作方法
1、盾构的操作方法(1)千斤顶编组
盾构在土层中向前受到土的阻力，需借用布置在切口环四周的千斤顶顶力来克服。但两者的合力位置始终不在一条直线上，从而形成一力偶导致盾构偏向。
由此可见调整不同千斤顶的编组，使其千斤顶合力位置与外力合力位置组成一个有利于纠偏的力偶，所以该方法是盾构操纵的主要手段。而用千斤顶编组主要目的是调整盾构的纵坡来调整其高程位置，同样也是盾构平面位置的控制方法。
在用千斤顶编组施工时应注意以下三点： a、千斤顶的只数应尽量多，以减少对已完成隧道管片的施工应力； b、管片纵缝处的骑缝千斤顶一定要用，以保证成环管片的环面平整； c、纠偏数值不得超过操作规程的规定值。(2)千斤顶区域油压调正
目前多数盾构将千斤顶分为上、下、左、右四个区域，每一区域为一个油压系统，所以通过区域油压调整，同时起到调整千斤顶合力位置的作用，使其合力与作用于盾构上阻力的合力组成一个有利于控制盾构轴线的力偶，以控制盾构轴线。
(3)盾构的纵坡控制
纵坡控制的目的，即调整盾构高程，另一点可调整盾构与已成管片端面间的间隙，以减少下一环拼装施工的困难。
控制纵坡的方法：
a、变坡法 在每一环推进施工中，用不同的盾构推进坡度进行施工，最终达到预先指定的纵坡。在变坡法推进中，可根据管片与盾构相对位置、原则上以盾构不卡管片，可采用先抬后压或先压后抬的措施；也可用逐渐增坡或减坡的方法。
b、稳坡法 盾构每推一环用一个纵坡以达到纠坡要求，但要做到这一稳坡具有相当高的技术难度，用这方法盾构推进中对地层扰动最小。
(4)调整开挖面阻力，当利用盾构千斤顶编组或区域油压调整无法达到纠偏目的时，可采用调整开挖面阻力，也就是人为地改变阻力的合力位置，从而得到一个理想的纠偏力偶，来达到控制盾构轴线的目的。
用这种方法纠偏效果一般说是较好的，但各种不同盾构形式有不同的方法。敞开式挖土盾构可采用超挖；挤压式盾构可调整其进土孔位置和扩大进土孔。以往也设想使用过在盾壳内外伸出鳍板，但效果不大。
3、盾构自转的纠正
盾构在推进施工中，除了上述偏离设计轴线外，还有盾构本身自转的现象。(1)盾构自转后对施工带来的困难有：
a、使盾构设备操作、液压系统的运转不正常。原来安置平正的设备自转后成歪斜，如不调整对操作不方便，运转使用失常。
b、使隧道衬砌拼装困难，这是指在采用全纵向插入的成环形式，因位置转了角度，造成封顶块管片难以或根本无法拼装。
c、给隧道测量带来不便，测量在盾构上安装有弧形尺，盾构转后尺位偏了，有时转出位要重新装尺，两次定位肯定要影响到测量精度。
(2)盾构产生自转的原因有以下几点：
a、土质不均匀，盾构两侧的土体有明显差别，则土体对盾构的侧向阻力不一而引起旋转。b、在施工中为了纠正轴线，对某一处超挖过量，造成盾构两侧阻力不一而使盾构旋转，同样，安装在盾构上大的旋转设备顺着一个方向使用过多，也是引起盾构自转的一个原因。
c、由于盾构制作误差，千斤顶位置与轴线不平行、盾壳不圆、盾壳的重心不在轴线上等，使盾构在施工中产生旋转。
(3)盾构自转后纠正的方法有以下两种：
a、在盾构有少量自转时，可用盾构内的举重臂、转盘、大刀盘等大型旋转设备的使用方向来纠正。b、当自转量较大时，则采用压重的方法，使其形成一个纠旋转力偶。
盾构法施工在上海经过了三十多年的施工实践，对控制盾构推进轴线和隧道衬砌防水抗渗的技术和一整套技术施工已日趋成熟，并正向更高的要求发展。
4、同步注浆
同步注浆系统是盾构中的一个重要环节，其控制结果将直接影响地面的沉降。由于注浆量过大会引起地面隆起，而注浆量过小会引起地面下陷，因此控制关键在于注浆量和盾构推进速度的同步性。
假设在一环中，总注浆量为Q(t)，盾壳外径为D1，管片外径为D2，管片长度为L1，注浆泵活塞外径为d，注浆泵活塞长度为L2，推进速度为V(t)，推进时间为t，注浆次数为n，注浆量比例设定参数为K，注浆一次的行程为＜L，则有：
由于上述公式中的D1，D2，d，L2和K都是已知量，故＜L也是个常数。这样在编制程序时，只要计算出当前的行程差值＜L1即能达到同步控制要求。
• 如果 ＜L1＞＜L，则在注浆次数寄存器(D)内自动加1；
• 如果 ＜L1＞＜L，则在注浆次数寄存器(D)不动作。
如果D中的数据不为零，则进行注浆操作，同时每次注浆后根据注浆脉冲反馈信号将D中的数据减1。这样反复循环，直到D为零时停止注浆
5、管片拼装
管片拼装是建造隧道重要工序之一，管片拼装后形成隧道，所以拼装质量好坏也就直接影响工程的质量。
(1)拼装工艺
① 隧道管片拼装按其整体组合可分为通缝拼装和错缝拼装
a、通缝拼装
各环管片的纵缝对齐的拼装，这种拼法在拼装时定位容易，纵向螺栓容易穿，拼装施工应力小，但容易产生环面不平，并有较大累计误差，而导致环向螺栓难穿，环缝压密量不够。
b、错缝拼装
错缝即前后环管片的纵缝错开拼装，一般错开1／2～1／3块管片弧长，用此法建造的隧道整体性较好，但是施工应力大易使管片产生裂缝，纵向穿螺栓困难，纵缝压密差，但环面较平整，环向螺栓比较容易穿。
② 针对盾构有无后退，可有先环后纵和先纵后环拼装工艺
a、先环后纵，在采用敞开式或机械切削开挖的盾构，盾构后退量较小，则可采用先环后纵的拼装工艺。即先将管片拼装成圆环，拧好所有环向螺栓，而穿进纵向螺栓后再用千斤顶整环纵向靠拢，然后拧紧纵向螺栓，完成一环的拼装工序。
采用先环后纵的拼装其成环后环面平整、圆环的椭圆度易控制，纵缝密实度好、但如前一环环面不平则在纵向靠拢时，对新成环所产生的施工应力大。
b、先纵后环
当采用挤压或网格盾构施工时、其盾构后退量较大，为不使盾构后退，减少对地面的变形，则可用先纵后环的拼装工艺。即缩回一块管片位置的千斤顶，使管片就位，立即伸出缩回的千斤顶，这样逐块拼装最后成环的拼装方法。
此种方法拼装、其环缝压密好，纵缝压密差、圆环椭圆度较难控制，主要可防止盾构后退，但对拼装操作带来较多的重复动作，拼装也较困难。
③按管片的拼装顺序可分先下后上及先上后下。a、先下后上
用举重臂拼装的方法，从下部管片开始拼装，逐块左右交叉向上拼，这样拼装安全、工艺也简单，拼装所用设备少。
b、先上后下
小盾构施工中，可采用拱托架拼装，则要先拼上部，使管片支承于拱托架上，此方法拼装安全性差，工艺复杂、需有卷扬机等辅助设备。
④ 目前我们管片拼装的工艺可归纳为先下后上、左右多叉、纵向插入、封顶成环。(2)管片质量
管片在运至施工现场时应严把质量关，对于管片内弧面粗糙、弧度不达标的不能予以接收，同时，管片法面有缺角、粗糙及螺栓手孔有问题的也不能使用，否则，在安装好管片后容易漏水漏浆，甚至拼装困难。
五、结束语
盾构法施工建设对地面干扰小、施工速度快、安全、机械化和自动化程度高，越江、湖、海，全方位作业。对城市建筑密集、地下管线密集的地方应先选用盾构法（对环境影响小）。但是盾构掘进机会引起土体的变形走动、孔隙水压力波动、过大的地面沉降和隆起，盾构在地下前进，方向控制不准，纠偏困难，管片衬砌和接缝渗漏水，隧道后期沉降过大，只有正确的盾构操作和管片拼装才能避免以上的弊端出现。
参考文献：
［1］周文波．盾构法隧道施工技术及应用［M］．北京：中国建筑工业出版社，2004．
第一章 盾构施工质量控制要点1.1盾构掘进施工1.1.1 盾构设备制造质量，必须符合设计要求，整机总装调试合格，经现场试掘进50～100m距离合格后方可正式验收。1.1.2 盾构组装时的各项......
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