1、盾构机掘进及土工安全问题总结讲解目录目录盾构机的介绍盾构机施工中的土工安全问题一、盾构机介绍v盾构机的机型v 1.敞开式盾构（采用自然支护和机械支护）v 2.压缩盾构（压缩空气支护式）v 3.泥水盾构（泥水支护式）v 4.土压平衡盾构（土压平衡支护式）盾构选型依据盾构选型依据粒度分布、抗压强度、含水率、砾径、液限、塑限、内摩擦角、土粒相对密度、孔隙比等。.地上地下建筑物分布、管线分布，河流、交通、气候、水电等等。.易用性、适用性盾构类型选择 工程地质、水文、隧道长度 周围环境、工程筹划、工期 宜用的辅助工法、技术经济二、盾构施工过程中的土工安全问题 小推广：由于南昌地铁主要选用土压平衡盾构，现
2、先讨论土压平衡盾构：开挖面稳定机理：使刀具切下的土砂呈塑性流动，充满于土仓内以控制开挖面，用螺旋输送机和排土调整装置来调整排土，使之与切削土量保持平衡，并使土仓内的圭砂有一定压力，以抵抗开挖面的土压力、水压力；用土仓内和螺旋输送机内的土砂获得止水效果。一、盾构掘进时开挖面稳定问题为什么会有稳定问题：由于地质条件和施工工艺的限制，很难避免盾构推进时对环境的扰动及过大地面沉降。这种环境的破坏主要取决于盾构开挖面的稳定性。盾构稳定开挖面方式：1、敞开式。2、闭胸式。目前95%采用闭胸式，敞开式不加多述。NO.1 泥水盾构开挖面稳定：（一）机理：1、以泥水压力来抵搞抗开挖面的土压力和水压力以保持开挖面
3、稳定，同时，挖制开挖面变形和地基沉降。2、在开挖面形成弱透水性泥膜，保持泥水压力有效作用于开挖面。（二）为保证开挖面稳定，泥水需具用的特性：为了保持开挖面稳定，泥水和开挖面交界处必须可靠面迅速地形泥膜！泥水应具有以下特性。1、泥水密度：理论上讲密度越靠近开挖土体密度越好。但对开挖效率不利。故需找到一个最佳的泥水密度，一般为。2、含砂量：因为开挖表面相当于有一个筛子，分3种情况：1、筛孔大（相当于砂砾土）泥水全部向开挖面渗，不形成泥膜。2、筛孔中等（砂质土）泥水部分向开挖面渗，部分形成泥膜。3、筛孔小（黏性土层），泥水全部形成泥膜。小推广：透水性土体中：泥膜形成快慢与掺入泥水中砂粒的最大粒径及含
4、砂量（砂粒重/黏土颗粒重）有关。砂粒有填堵土体孔隙作用。砂粒应比土体孔隙大且含量适中。先确定土体渗透系数，再确定最佳确定最大砂粒，并确定含砂量。（砂质土等渗透系数大的要重视最大砂粒径）3、泥水黏性：适当黏性有下列效果：a a、防止泥水中的黏土、砂粒在泥水室内沉积，保持开挖面、防止泥水中的黏土、砂粒在泥水室内沉积，保持开挖面稳定。稳定。b b、提高黏性，增大阻力，防止逸泥。、提高黏性，增大阻力，防止逸泥。c c、使开挖下来的弃土以流体输送，经后处理设备滤除废渣，、使开挖下来的弃土以流体输送，经后处理设备滤除废渣，将泥水分离。将泥水分离。泥水属宾汉体，有屈服值YV。YV测定很复杂，现场用“范内尔黏
5、性值”代替。方法500mL泥浆自漏斗状容器中完全流出所用的时间。和范内尔值表作对比即可。4、具有抑制土体塌方和泥水劣化的优越机能。5、对于温度和压力的稳定性高。6、不易受盐分和水泥等电解质影响。7、对细菌和有机物具有免疫、不变化等性质。(三)压力取值 由水压力、土压力、预留荷载决定。由水压力、土压力、预留荷载决定。1 1、水压力：即开挖面孔隙水压力（地质勘察得到）。即开挖面孔隙水压力（地质勘察得到）。2 2、土压力：目前无固定方法。最好是用目前无固定方法。最好是用“太沙基太沙基”松松弛土压力公式计算。先求出竖直压力，再换算成水平土弛土压力公式计算。先求出竖直压力，再换算成水平土压力。压力。现在
6、用电算较快。现在用电算较快。3 3、预留压力：因为前面讲了，有部分泥水难免会渗入：因为前面讲了，有部分泥水难免会渗入前面土体，这样土仓内压力会下降。所以还预留前面土体，这样土仓内压力会下降。所以还预留10-10-20KPa20KPa压力。压力。NO.2 土压平衡盾构开挖面稳定：（一）机理：使刀具切下的土砂呈流塑性流动，充满使刀具切下的土砂呈流塑性流动，充满土仓以控制开挖面；用螺旋输送机和排土调整装置来调土仓以控制开挖面；用螺旋输送机和排土调整装置来调整排土，使之与切下来土量保持平衡，并使土仓内有一整排土，使之与切下来土量保持平衡，并使土仓内有一定压力，以抵抗开挖面的土压力、水压力；用土仓内和定
7、压力，以抵抗开挖面的土压力、水压力；用土仓内和螺旋输送机内的土砂获得止水效果。螺旋输送机内的土砂获得止水效果。（二）保证开挖面稳定机理 怎么让开挖面稳定？要看土质。一般分：黏性土、怎么让开挖面稳定？要看土质。一般分：黏性土、砂质土。砂质土。a.a.黏性土：一般都有流塑性，只要保证土仓内泥土黏性土：一般都有流塑性，只要保证土仓内泥土流动速率在控制范围内保证一定压力即可，相应方法不流动速率在控制范围内保证一定压力即可，相应方法不多述。多述。b.b.砂性土层：砂性土内摩擦角大，难以获得良好砂性土层：砂性土内摩擦角大，难以获得良好流动性，方法：加注外加剂、加装搅拌棒。流动性，方法：加注外加剂、加装搅拌
8、棒。主要目的也是保证土压力。主要目的也是保证土压力。(三）土压的控制和泥水盾构一样：即土压、地下水压、预留压力决定。1、土压力：方法和前面不同，分深埋隧道、浅埋隧道两种情况讨论。（深埋隧道、浅埋隧道区别：以H=（2-2.5）h公式区分。）深埋隧道其次：如果是深埋，用下面公式：首先：判断深埋、浅埋。如果是深埋：如果是深埋：最后：竖向力换算成水平应力，用下表就OK:浅埋隧道 1、原状静止土：水平应力为其中：2、压力不够，土下滑发生沉降（主动土压力）：3、压力过大，土体上滑发生隆起（被动土压力）：（四）水压的控制 计算公式和以前所学水压强一样。在计算时，刀盘后部的水压力和刀盘前方的水压力取最大值考虑
9、。（五）预备压力 在土压力、水压力基础上再加10-20KPa。综上所述，土压平衡盾构中，土压力介于：水压力+主动土压力、水压力+被动土压力之间才可。（五）其它要考虑的因素 比如在特殊地层，如互层地层、软土层等。1.互层中：一般以释放荷重最大的那一层来决定控制压力（因为前面主动、被动土压力公式中有一项参数：内摩擦角。而此项和地层有关）。2.软土层中：主要是加大预留压力，适当提高控制压力。（开挖面的变形与开挖半径的4次方成正比，所以在大半径开挖面，要控制开挖面变形。）二、盾构掘进过程中土工问题。在市区地下施工时，为防止危及地表建筑物和各类地下管线等各类设施，对地表的沉降量应严格的控制。从某种意义上
10、讲：能否有效控制地层位移（主要为地面沉降）是盾构法施工的成败关键。1、因开挖造成地层原始应力状态的改变 2、因地层损失引起地层位移 （包括：建筑空隙、超挖、欠挖、土层流失。如：盾构工作面前方土体的挤入；盾构上方土体挤入因盾构外壳直径和拼装管片直径不同产生的建筑空隙；盾构纠偏所引起的土体超挖；盾构推进有曲率时所造成的土体损失；盾构推进时，切口环上的突缘引起的超挖。）3、回盾构的推进，引起土体孔隙水压力变化，或因降水引起地下水位下降，引起土体的固结沉降。4、管片结构变形及土体的固结和流变。1、隧道埋深的影响 实践表明：隧道埋深对地层位移的影响因地层情况各异。具体有个公式，不多述。2、隧道介质种类和
11、环境的影响 盾构法施工地面沉陷槽宽度主要取决于最接近隧道拱顶的那一层土的状况，从另一方面来说：如果隧道完全位于地下水位下，那么紧挨隧道上方的承压水土层对沉陷槽有重大影响。3、上部荷载的影响 这就是前条所说和埋深有关，隧道上方的竖直压力对地层沉陷的影响极大，这里我们用“稳定比”来表示隧道施工的难易程度和地层程度和地层位移的程度。在塑性黏土中，当隧道埋深不小于2倍隧道直径时，“稳定比”不大于6，这时隧道的施工将不会有多大因难，在盾构法施工中，“稳定比”值越大，黏土侵入盾尾间隙的可能性越大，当“稳定比”接近7时，盾构将变得难以控制。支护压力很大时，往往造成地表隆起，并使后期沉陷量增大，故稳定比应根地
12、层情况控制在一定范围内。4、土体性质的影响 即土体压缩性、强度性质。5、盾构性能影响（1）开挖面水压及土压不平衡、切削能力减弱、推进力下降等引起开挖面坍塌、超挖。（2）开挖出现偏差引起尾部空隙增大。（3）开挖面切削转矩及盾构推力过大引起地层扰动。6、回填注浆质量和操作质量的影响 如：回填注浆是否充足、及时。管片拼装质量是否完善，土压是否适当，盾构推时时姿态控制是否良好，是否发生偏差、蛇行，施工工序是否合理，施工人员操作是否熟练，经验是否丰富，均会影响地层位移。NO.4 地层位移预测 主要方法：经验公式、数值模拟、模型试验、专家系统、灰色理论等。前两种方法运用较广。1、经验公式法介绍：以上公式互
13、套，即可得出相应的沉降量了。以上公式互套，即可得出相应的沉降量了。2 2、数值模拟介绍、数值模拟介绍 涉及有限元问题，比较复杂，但应用较广，在涉及有限元问题，比较复杂，但应用较广，在此省略几百字。此省略几百字。3 3、模型试验介绍、模型试验介绍 费用高，一般不用，也省略几百字。费用高，一般不用，也省略几百字。4 4、专家系统和灰色理论、专家系统和灰色理论 专家系统过程：通过总结以往的工程经验和研专家系统过程：通过总结以往的工程经验和研究结果，把它提炼为条理第的经验法则，上传到专家究结果，把它提炼为条理第的经验法则，上传到专家系统的知识库，在计算机上模拟专家的推理方式，得系统的知识库，在计算机上
14、模拟专家的推理方式，得出结论。此方法如果成熟，以后形成系统，基本可以出结论。此方法如果成熟，以后形成系统，基本可以不用专家论证，计算论证即可不用专家论证，计算论证即可（19911991年同济大学年同济大学用在上海地铁一号线施工监测中）。用在上海地铁一号线施工监测中）。灰色理论：张庆贺将灰色理论引入地面沉降研究中（上海地铁一号线地面沉降运用过）。以上两法为近年执点研究课题。但不太成熟，模型复杂NO.5 盾构法施工及影响地层沉降的因素盾构法施工及影响地层沉降的因素（一）盾构推进时地层位移原因 现以图示的形式介绍：1 1、盾尾通过时留下的正常建筑空隙，通用注、盾尾通过时留下的正常建筑空隙，通用注浆充
15、实。如下图：浆充实。如下图：2 2、推力大小（也可用土仓压力），影响地面沉降或隆起。、推力大小（也可用土仓压力），影响地面沉降或隆起。3 3、在黏土中推进时，会在盾尾粘上较多的黏土堆，从而进一、在黏土中推进时，会在盾尾粘上较多的黏土堆，从而进一步加大后面建筑间隙。如下图所示：步加大后面建筑间隙。如下图所示：5 5、注浆也会影响地面升降。、注浆也会影响地面升降。从上面的论述可以看出，盾构施工中影响地层位移的从上面的论述可以看出，盾构施工中影响地层位移的因素很多，但总体上可分为：瞬时效应、持续效应两种。因素很多，但总体上可分为：瞬时效应、持续效应两种。瞬时效应：盾构施工完成后短期产生的影响；瞬时效
16、应：盾构施工完成后短期产生的影响；持续效应：持续时间很长的影响持续效应：持续时间很长的影响 ，如衬砌变形，隧道的沉降、，如衬砌变形，隧道的沉降、土体的固结等。土体的固结等。瞬时效应从力学、几何学（即变形）两方面考虑。瞬时效应从力学、几何学（即变形）两方面考虑。1 1、力学效应包括对开挖面土体正面推进力和注浆引起的侧向、力学效应包括对开挖面土体正面推进力和注浆引起的侧向挤压力。正面推力主要决定开挖面的稳定性，由千斤顶的推力、挤压力。正面推力主要决定开挖面的稳定性，由千斤顶的推力、土仓压力、盾构推进中所受阻力及土层原始地应力来决定；侧土仓压力、盾构推进中所受阻力及土层原始地应力来决定；侧向挤压力主
17、要由注浆压力大小决定（注：在泥水盾构中还与泥向挤压力主要由注浆压力大小决定（注：在泥水盾构中还与泥水压力有关）。具下如下图。水压力有关）。具下如下图。盾构力学需要平衡，这样开挖面才能稳定：如下图关盾构力学需要平衡，这样开挖面才能稳定：如下图关系：系：2 2、几何效应、几何效应 预测地表和地层不同深处沉降的方法，引入地层损失参数预测地表和地层不同深处沉降的方法，引入地层损失参数GAPGAP（总间隙参数）。（总间隙参数）。GAPGAP描述了大于隧道管片外径的超挖土体的量，包括开挖面在力作描述了大于隧道管片外径的超挖土体的量，包括开挖面在力作用下的三维运动造成的超挖土体损失及施工因素造成的土体损失。
18、用下的三维运动造成的超挖土体损失及施工因素造成的土体损失。GAPGAP的大小等于盾构开挖的拱顶位置到管片衬砌顶的距离。的大小等于盾构开挖的拱顶位置到管片衬砌顶的距离。GAPGAP值可查下表：值可查下表：（一）地面沉降的原因（详结说明）盾构推进引起的地层损失和盾构隧道受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结，是地面沉降的基本原因。具体介绍：1、开挖面土体移动：如前面所说，土仓压力(或泥水压力）和外面土体搞衡所产生的土体上隆和下沉。2、盾构后退：在盾构暂停推进时，千斤顶漏油回缩可能引起后退，使开挖面土体坍落松动。3、土体挤入盾尾空隙：由于背衬注浆不及时，压浆量不足，注浆压力不适当，使盾尾后隧道周边土体失
19、去原始三维平衡状态，面向盾尾空隙中移动，引起地层损失。（在含水不稳定地层中，这往往是引起地层损失最主要因素）。NO.6 地表隆沉的发展过程地表隆沉的发展过程4、改变推进方向。盾构在曲线推进、纠偏、抬头、叩头推时过程中，实际开挖面不是圆形而是椭圆，因此引起地层损失。5、盾构处周黏附一层黏土时，盾尾后隧道管片外周空隙会有较大增加。6、在土压力作用下，隧道管片产生的变形也会引起少量地层损失。7、隧道管片整体沉降较时，会引起不可忽略的地层损失。同时饱和松软地层衬砌渗漏也会引起沉降。8、受扰动土体固结沉降。（二）地表隆沉发展历程分：先行沉降、开挖面前沉降或隆起、盾构通过时沉降、盾尾空隙沉降，后期沉降5个
20、过程。（5 5）后期沉降：图略（是固结和蠕变残余变形，主要是地基扰动所致）。）后期沉降：图略（是固结和蠕变残余变形，主要是地基扰动所致）。（三）盾构施工引起变形的原因和机理NO.7 盾构掘进主要沉降控制因素分析 设土仓压力为设土仓压力为P P，刀盘中心地层静水压力、土压力之和为，刀盘中心地层静水压力、土压力之和为F F。则则P=KFP=KF。（1 1）在黏性土中：）在黏性土中：K K取取1 1，调整级差为，调整级差为0.005MPa0.005MPa，（即相当于，（即相当于两压力相等）。两压力相等）。（2 2）在砂性土中：）在砂性土中：K K取取1.31.3，调整级差为，调整级差为0.01MPa
21、0.01MPa，（这也和前，（这也和前面所讲：砂性土中渗透量大有关，相应土仓内压力比外压力大面所讲：砂性土中渗透量大有关，相应土仓内压力比外压力大些）。些）。建筑空隙的充分填充和及时充填是减少地表沉降的关键环建筑空隙的充分填充和及时充填是减少地表沉降的关键环节。理论上注浆压力略大于地层土压和水压即可。节。理论上注浆压力略大于地层土压和水压即可。这也和保证土仓内压力有关，出渣量大，土仓内压力得不这也和保证土仓内压力有关，出渣量大，土仓内压力得不到保证，沉降也会跟差增大。到保证，沉降也会跟差增大。NO.8 盾构施工主要技术环节控制1 1、盾构推进：主要要满足下面关系式：、盾构推进：主要要满足下面关
22、系式：正面土体主动土压力水压总摩擦力盾构总推力正面土正面土体主动土压力水压总摩擦力盾构总推力正面土体被动土压力水压总摩擦力。体被动土压力水压总摩擦力。盾构姿态和纠偏量的控制：盾构姿态和纠偏量的控制：2 2、盾构姿态：主要是推进坡度、平面方向、自身转角。、盾构姿态：主要是推进坡度、平面方向、自身转角。盾构前进的轨迹一般为蛇形，要保证按正确方向掘进，就要盾构前进的轨迹一般为蛇形，要保证按正确方向掘进，就要“勤勤测勤纠测勤纠”即狠抓测量。即狠抓测量。（如：在砂性土层或覆土层较薄地层推进，容易上浮，靠调整千（如：在砂性土层或覆土层较薄地层推进，容易上浮，靠调整千斤顶合力位置纠正）。斤顶合力位置纠正）。
23、3 3、土方的挖掘和运输：、土方的挖掘和运输：挖土量的多少是由：切削刀盘的转速、切削扭矩、推进油缸挖土量的多少是由：切削刀盘的转速、切削扭矩、推进油缸的推力决定。排土量多少是由：螺旋输送机的转速（或排泥泵的的推力决定。排土量多少是由：螺旋输送机的转速（或排泥泵的流量）来调节的。流量）来调节的。要使挖土量和排土量保持平衡，才能保证土压。要使挖土量和排土量保持平衡，才能保证土压。NO.8 盾构施工主要技术环节控制4 4、管片拼装：管片拼装要减少盾构的后退，保证环面拼装的平整度，同时保证管片之间及管片和盾尾间的密封性，防止隧道涌水。5、壁后注浆：注浆要做到：及时、量足、浆液体积收缩小。尽量使填充而不
24、是劈裂。（注浆压力过大，管片外的土层被浆液扰动面造成较大的后期沉降，并容易跑浆。反之：注浆压力过小，浆液填充速度过慢，填充不足，也会使地表变形增大）。NO.9 减少地层损失的措施 主要还是对上面所提几条进行控制，地表变形的大小取主要还是对上面所提几条进行控制，地表变形的大小取决于地层和地下水条件、隧道直径、埋深、施工条件。决于地层和地下水条件、隧道直径、埋深、施工条件。而具体措施的确定，我们盾构在掘进中有个而具体措施的确定，我们盾构在掘进中有个“试掘进试掘进段段”，所有参数、调节措施等都在这一段区间内试掘进得出。，所有参数、调节措施等都在这一段区间内试掘进得出。NO.10 地层与建筑物隆陷控制
25、 掘进前会有一个物探过程，先对周边环境摸个底。主要还是落在第三方监测这里进行分析控制。地面变形接近+5-20mm时，尽快找出原因采取相应措施，相当于达到报警的要求了。而地面变形为+10-30mm，是其变形的极限值。在控制地层与建筑物隆陷中，最主要的措施就是：各种注浆！NO.11 盾构穿越河流时的施工措施 1 1）这个我们南昌一号线也涉及到，秋水广场站中山西）这个我们南昌一号线也涉及到，秋水广场站中山西路站这一区间。这一段难度、风险均较大。路站这一区间。这一段难度、风险均较大。2 2）施工前：河底隔水层的连续性、渗透系数、厚度为地）施工前：河底隔水层的连续性、渗透系数、厚度为地质勘察重点！质勘察
26、重点！3 3）准）准 备：超前钻探和注浆设备，聚合物和膨润土注入备：超前钻探和注浆设备，聚合物和膨润土注入设备。设备。4 4）控制盾构速度、总推力：速度在小于）控制盾构速度、总推力：速度在小于20mm/min20mm/min。总推。总推力要严格控制，减少对河底扰动。力要严格控制，减少对河底扰动。5 5）注浆压力要严格控制：压力在内，注浆量为空隙的）注浆压力要严格控制：压力在内，注浆量为空隙的130%130%180%180%内。因注浆压力过大会破坏水底隔水层，形成一条涌内。因注浆压力过大会破坏水底隔水层，形成一条涌水通道。水通道。6 6）盾尾密封：这也是重点。掘进时定时、定量、均匀压）盾尾密封：
27、这也是重点。掘进时定时、定量、均匀压注盾尾油脂，有效保护盾尾钢丝密封刷。注盾尾油脂，有效保护盾尾钢丝密封刷。NO.13 盾构通过上软下硬地段的施工措施 和穿越河流相似，关键是监测，还有就是注浆加固。盾构和穿越河流相似，关键是监测，还有就是注浆加固。盾构在快到建筑物在快到建筑物50m50m时就要开始布点监测。时就要开始布点监测。NO.12 盾构穿越建（构）筑物的施工措施 主要是一个会引起盾构头向下扣，使间隙变大，引起地层主要是一个会引起盾构头向下扣，使间隙变大，引起地层沉降。沉降。措施主要有三点：措施主要有三点：1 1）合理配置刀具）合理配置刀具 2 2）必要的渣土改良措施）必要的渣土改良措施
28、3 3）合理控制掘进参数）合理控制掘进参数 略略NO.14 隧道下卧层土体的变形与流动NO.15 隧道下卧层土体的变形与流动 1 1）区间长度较长，而下卧土体会产生不均匀沉降，引起隧）区间长度较长，而下卧土体会产生不均匀沉降，引起隧道变形道变形 2 2）下卧层土层向隧道内漏水和土，从而下面会松动淘空。）下卧层土层向隧道内漏水和土，从而下面会松动淘空。引起隧道变形。引起隧道变形。所以要求隧道有良好的防水和防土砂粒性。所以要求隧道有良好的防水和防土砂粒性。三、盾构出/进洞段的土工问题 NO.1 NO.1端头加固效果不好：端头加固效果不好：措施：根据端头土体的地质情况选择合理加固方法。措施：根据端头土体的地质情况选择合理加固方法。NO.2 NO.2 开洞门时失稳开洞门时失稳:措施：小范围采用边破除洞门砼，边利用喷素砼方法对土体措施：小范围采用边破除洞门砼，边利用喷素砼方法对土体封闭，如果土体坍塌严重时，必须立即封闭洞门重新加固。封闭，如果土体坍塌严重时，必须立即封闭洞门重新加固。NO.3 NO.3 始发后盾构始发后盾构“叩头叩头”:措施：采用抬高盾构始发姿态、合理安装始发基座及快速通措施：采用抬高盾构始发姿态、合理安装始发基座及快速通过方法。过方法。
