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地铁工程土压平衡盾构施工风险分析

文档作者：丁振明1，廖秋林2，李从昀3 文档来源： 1．北京安捷工程咨询有限公司 2．北京城建集团有限责任公司土木X-程总承包部 3．北京电力经济技术研究院		点击数：	更新时间： 2025年05月10日
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上一篇：地铁基坑设计风险控制

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施工技 术CONSTRUCTl0N TECHNOLOGY2012年12月下第4l卷第379期地铁工程土压平衡盾构施工风险分析丁振明1，廖秋林2，李从昀3(1．北京安捷工程咨询有限公司，北京 100037；2．北京城建集团有限责任公司土木X-程总承包部，北京 100088；3．北京电力经济技术研究院，北京 100055)[摘要]在地铁工程特点分析的基础上，对应用土压平衡式盾构施工中的渣土改良、刀盘配置、工作井加固、盾构掘进、管片安装、注浆等一些常见的技术风险问题进行了相应的探讨。指出土压平衡式盾构施工中，应做好以下工作：①做好各阶段工程风险的评估工作，提前预知风险；②施工中做好监控量测与风险管理工作，利用信息化监管手段，及时采取有效措施规避风险；③做好应急预案应对紧急情况的发生，最大限度地阻止风险扩展。[关键词]地铁工程；盾构；土压平衡；风险[中图分类号]TU94；U459．3 [文献标识码]A [文章编号】1002—8498(2012)24—0064—04Study on Risk of the Construction of Earth．．pressure．．balancedShield in Metro EngineeringDing Zhenming‘，Liao Qiulin2，Li Congyun3(1．Be蚵ng Agiletech Engineering Consultants Co．，Ltd．，Beqing 100037，China；2．Be彬ng Urban Construction Group Co．，Ltd．，BeQing 1 00088，China；3．Be讲ng Electric Power Economic Research Institute，Beijing 100055，China)Abstract：Characteristics of Metro engineering are analyzed and based on that，the authors discuss someusual technical risks such as soil improvement，cutter—head selection，reinforcement of working well，shield tunnel，installation of duct piece and grouting．It is pointed out that during the construction ofearth—pressure—balanced shield，the following works should be done：1)risk evaluation should be donefor every stage；2)monitor and risk management during construction should be done SO that effectivemeasures can be taken to avoid risks；3)emergency measures should be prepared to prevent risk frompropagating．Key words：subways；shields；earth—pressure—balanced；risk近些年对于工程风险的研究取得相当大的进步，在地下工程建设中的研究也取得一系列成果。金淮等针对特定工程的安全监控体系管理也进行过探讨，并建立了轨道交通安全风险技术管理体系¨。31；针对风险管理的技术研究也取得相应的进展，王鸣晓的风险评估研究为地铁基坑的顺利施工提供了指导意见H o。但是，针对盾构、暗挖等特定工法施工全过程的相关风险讨论与分析则鲜见于文献。本文基于对地铁工程风险特点的分析，对土压平衡盾构施工中的渣土改良、刀盘配置、工作井加固、盾构掘进、管片安装、注浆等一些常见的风险问题进行了相应的探讨。1工程特点【收稿日期]2012旬3-05[基金项目]国家“十一五”科技支撑计划(2008BAJ06BOl一3)[作者简介]丁振明，工程师，E-mail：zmding_2001@163．tom1．1 地下交通工程风险分析地铁线路通常设在地下隧道内，也有的在城市中心以外地区从地下转到地面或高架桥上怕。。在城市中心区内的地铁大多建于地下，城市的建设环境复杂，各类地下工程建设形成的障碍，使得区间线路不可避免的邻近建筑基坑、基础等，需要下穿建筑物、道路、桥梁及管线等，还要面对不可预知的结构、空洞等，开挖存在巨大的风险，一旦发生工程风险将带来较大负面作用的社会影响与环境影响。因此，地铁工程城区隧道的开挖工作需要通过平衡由于开挖带来的土压损失来维持周边土体的稳定状态，从而保证周边环境及建(构)筑物的安全。盾构施工方法是目前实现该目的重要技术手段之一，在我国地下交通工程中的应用也得到飞速发展。1．2盾构施工用盾构修筑隧道的暗挖施工方法，盾构是一种万方数据丁振明等：地铁工程土压平衡盾构施工风险分析 65钢制壳体内配有开挖和拼装衬砌管片等的设备，在钢壳体的保护下进行开挖、推进、衬砌和注浆等作业，为机电一体化的机械化施工"j。目前我国地下交通工程应用的盾构大多为密闭式的土压平衡式盾构，包含以下几个主要步骤：适用性分析_准备工作_+施工过程一工程总结。在不同的阶段应分析风险，并在施工中做好相应的控制措施。与矿山法暗挖施工方法相比较，它具有众多的优点：①机械化施工，节省人力，施工组织衔接紧密；②工法产生的噪声、振动等对环境影响较小；③在保持压力平衡的条件下，在限界的穿越工程中有独特的优势¨1。同时，盾构也有其自身不足与缺点：①机械设备故障导致的相关问题，需要相关的解决方案；②一旦进人施工状态，遇到障碍存在后退施工难的特点，即“只进不退”的缺点；③针对覆土较浅的施工稳定差，减小地表沉降与盾构机姿态及隧道管片的变形是工程的关键；④辅助的分部工程多，需要相关的配合工作复杂。2工程风险分析盾构施工是一个系统的实瑰过程，不可避免地出现风险¨‘1“，下面从土压平衡盾构施工的角度对主要技术风险的问题进行探讨，对盾构和施工过程中的相关风险进行分析，如表1所示。此外，管片制作的相关风险控制是由生产厂家进行，并且工作井的稳定性风险是明挖基坑的围护结构稳定性问题，在盾构顶进施工之前应对障碍物进行勘探及专项研究进行处理，本文均不做详细探讨。3盾构机械控制3．1渣土改良土压平衡式盾构的基本原理：通过电机驱动主轴带动刃盘旋转，在刀盘旋转的同时，安装在刀盘面上的切削刀具切入土中并将土体切割撕裂；刀盘切削的渣土通过刀盘上的开口部分挤压进入并填满土仓，土仓内的渣土在土仓壁的加压作用下与刀盘前方的水、土压力保持平衡，使得开挖面保持稳定状态；同时，利用螺旋输送机将土仓内的部分渣土排出，并使得排出土量与盾构掘削土量维持平衡。它能适应大部分类型的土层，通过辅助添加剂等方法的作用也能适应砂砾层的掘进需要，并且针对不同的地层采取相互适应的开挖面稳定机构，能取得良好的效果，盾构宜用于以下地层：①细粒含有率在粒径累积曲线7％之上；②砾石含有率在粒径累积曲线70％之下；③黏性土的标准贯入值<15击；④自然含水量砂层>18％，土层>25％；⑤渗透表1 盾构施工全过程主要风险Table 1 Risks on the processing of shield系数<5×10～cm／s。其中，针对土层的改良方式的选择是工程重点之一，应选择有效的方法，加强控制，以防由于土层应力流失、土压平衡不及时或反压过大产生工程风险，应根据地层特点辅助添加剂的方法对地层的流动性进行改良，如：针对硬塑状态的黏性土可加水；砂砾层可加适量水、膨润土等。可以结合工程需要改良土压平衡式盾构，应用到更加广泛的地层范围。3．2刀盘配置由土压平衡式盾构削切工作原理可知：刀盘上的刀具对土层的适应能力是掘进的关键，根据地层条件和施工需要可以选择不同的刀具组合，因此应具有针对性地对刀盘采用混合式设计。针对土压平衡式盾构，多采用辐条式面板的刀盘，一般情况下配以“切刀+刮刀”的形式较为普遍，可以采用焊接或螺栓连接，往往为了便于刀具的更换，多采用螺栓连接方式，如果需要进一步保证刀盘的整体结构强度和刚度，则可采用先栓接后焊接的方式连接。合理安装配备相应的先行刀、削切刀具满足盾构姿态修正、削切土体等需要，同时配有注浆孔。万方数据66 施工技术 第41卷刀盘的开口率应根据工程环境等的需要进行设计：开口率过小出土不及时，积压形成“泥饼”，增加刀盘的扭矩；影响出土，开口率过大引起开挖面的地层损失过大，易引起坍塌。在一般的土层或砂砾层中，刀盘开口率为30％～60％，针对不同的地层特性采用添加相应膨润土或减磨剂对土体进行流动性改良。4施工风险控制4．1工作井加固对于盾构工作井的加固区应结合实际工程情况，在含水地层中必须进行加固，非含水地层应根据地层性质选择性地加固。加固的目的主要包含两个方面：①防止近基坑的土体坍塌对围护结构产生破坏，对盾构机产生破坏；②防止产生涌水，涌进工作井和隧道区间。如果盾构处于无水作业状态，并且工作井周围的土体工程性质较好，可满足掘进的稳定要求，则可以不加固，土体工程性质较差则可适当对土体进行加固以增加稳定性。水下盾构时必须进行土体加固，目前大多用悬喷桩、搅拌桩的方法进行加固，加固范围：纵向长度6～lOre、竖向与径向以盾构机轮廓外延3m的正方形。施工中普遍出现加固桩与围护桩之间的渗水较大的问题，可采用以下措施：加固区内的相邻桩进行搭接，搭接宽度≤lOOmm；并且与围护桩之间的施工搭接应在加固桩施工完成后再进行围护桩施工，才能保证加固桩与围护桩之间的防水效果，反之，两桩之间必然存在渗漏通道；如无法实现先施工加固桩后施工围护桩，则可将加固桩延长至全隔水层长度。在盾构井加固工作完成后，对洞门进行围护结构的破除工作，并安装好防水结构，开始盾构的始发掘进工作。4．2盾构掘进4．2．1始发施工，始发基座在盾构始发时要承受纵向、横向推力以及约束盾构旋转的扭矩，所以在盾构始发前，必须对始发基座两侧固定，考虑到盾构机可能叩头的影响，始发基座的安装高程可根据端头地质情况进行适当抬高10～20mm。盾构始发基座具有足够的刚度和强度，导轨必须顺直。要求在盾构主机与后配套连接之前进行反力架的安装，由于反力架为盾构始发时提供反推力，在安装反力架时，反力架端面应与始发台轴线垂直，以便盾构轴线与隧道设计轴线保持平行。安装时反力架与盾构井结构连接部位间隙要垫实，以保证反力架脚板有足够的抗压强度。负环管片包括负环钢管片和负环混凝土管片，负环钢管片起到连接负环混凝土管片和反力架的作用。在盾构机内拼装好负环混凝土管片后缓慢推出盾尾，与拼装好的整环钢管片用螺栓连接。在拼装第一环负环管片时，在盾尾管片拼装区与管片间的间隙需要进行定位，为了避免负环管片全部推出盾尾后下沉，应填充始发支座轨道与管片外侧的空隙。第二环以后按照正常安装方式进行，随着负环管片的拼装，负环钢管片将靠在反力架上，通过焊接的形式连接牢固，随着负环进一步拼装，盾构快速地通过洞门进行始发掘进施工。4．2．2掘进施工掘进施工50～lOOm范围内应进行试掘进，进行联系测量，对盾构的线路进行校验，控制推进速度，掌握最佳推进参数，严格控制土仓内渣土状况、土压力及出土量，根据地层情况设定好土压和出土量，保持土压平衡模式掘进。严格控制出土量，一般情况下，出土控制量根据拼装管片长度(地铁工程管片长度1．2～1．5m)进行控制，出土量不得大于每环管片内土体的体积。保持土仓内压力，避免出现千斤顶最大和最小行程，同时注意盾尾间隙控制，尽可能保持盾尾间隙的均等。遇到特殊地段的施工应有专项的施工控制措施，工作的重点还是控制掘进参数、土仓压力、出渣量、注浆压力等方面，遇到障碍物时应预先进行处理。4．2．3到达施工到达前200m进行联系测量，进行精确定位，到达lOOm前，再次对盾构轴线进行测量并作调整，保证盾构进入接收的洞门。洞门的破除工作易提前进行，并且保留结构钢筋至到达前5环时进行割除，同时降低盾构的掘进速度，随着盾构临近洞门，土仓内的土体将持续减少，根据土仓土体减少情况平稳地减小土仓压力，同时保持一定的刀盘转速，直至盾构机进入洞门。进入洞门后刀盘可停止转动，利用千斤顶将盾构顶出洞门。4．3管片安装使用质量合格的管片和防水密封条，目前地铁盾构应用预制管片包含6块：1块封顶块、2块邻接块、3块标准块。拼装管片一般按照从下往上的次序进行安装，最后安装封顶块。管片安装完成后不允许存在贯穿的裂缝与混凝土剥落现象，螺栓孔密封胶圈不得外露，质量控制要求如表2所示。由于管片与推进千斤顶接触平面有个夹角，管片与推进千斤顶接触平面不重合会导致管片拉裂，万方数据丁振明等：地铁工程土压平衡盾构施工风险分析 67表2管片拼装质量控制要求Table 2 The claim of quality in setting segment拼装时应保证两平面的重合，拼装时管片拼装机一般按从下向上的次序安装管片。待底部管片就位后，依次拼装两侧的标准管片和邻接管片，最后安装封顶管片。确保千斤顶在管片安装过程中的压力，避免总压力损失多，导致盾构机后退。对安装部位收回千斤顶，管片定位后立即顶紧该管片，其余千斤顶仍然维持顶紧管片面的工作状态。由于封顶块是管片密闭的最后防线，为使封顶块插入顺利，可使用油脂涂抹密封止水带来减小摩擦和保护止水带，如间隙过小，为避免管片损坏，在封顶块完全插入前将邻接块的千斤顶进行卸压处理。管片就位后立即拼装并拧紧管片弯曲螺栓，固定管片位置，控制接缝张角，管片拼装成环后再次拧紧，待盾尾离开时进行二次复紧，螺栓复紧应保持均衡，以免拧紧力不均匀引起管片拉裂等。4．4注浆工作做好同步注浆、即时注浆、二次补强注浆的工作，注浆材料应满足强度、流动性、可填充性、凝结时间、收缩率、环保等要求。同步注浆和即时注浆工作的充填系数宜为1．3～2．5，通过注浆压力与注浆量对注浆工作进行控制，一般情况下：注浆量以理论计算量的1．5～1．8倍进行控制；注浆压力以静止土压力的1．1～1．2倍进行控制。注意避免因注浆工作产生盾体与周围土体的固结，从而对盾构的掘进产生影响。背后注浆参数则应根据周边环境和管片变形与受力测量结果确定，不但可制定防止盾尾拖出后地层产生较大沉降进行的土体加固措施，也是对盾尾间隙的填充工作，应在注浆过程中加强管片的监控量测工作，还应对拼接缝、注浆孔等部位进行观测，出现管片渗浆现象，避免对盾构管片产生过大压力，使管片发生损伤与破坏。5 结语本文就土压平衡式盾构施工中常见的技术风险问题进行了探讨，可供类似工程参考。诚然，地铁应用土压平衡式盾构施工是一个复杂的技术过程，包含的技术重点较多，需要在工作中不断继续总结与提炼，以便进一步指导与加强现场施工风险管理工作，围绕以下几点：①做好各阶段的工程风险的评估工作，提前预知风险；②施工中的做好监控量测与风险管理工作，利用信息化监管手段，及时采取有效措施规避风险；③做好应急预案应对紧急情况的发生，最大限度的阻止风险扩展。参考文献：[1] 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200万m1上海旧住房综合改造工作座谈会上谈到，2013年将进一步加大旧住房综合改造的力度，在2012年改造1 000万m2的基础上，预计增加200万m2，总面积将达l 200万m2，受益家庭将超过3万户。明年主要对涉及保障市民住房和居住功能的三类住房进行综合改造，包括成套改造、厨卫综合改造、住房屋面和相关设施改造。上海在完善“四位一体”住房保障体系的同时，将进一步加强旧住房综合改造工作，把改善市民的居住条件和居住安全同样视作重要的民生工程。(摘自《中国建设报)2012—12—14)

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