盾构在南京河西地区富水砂层中小半径施工时的隧道质量控制.docx
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盾构在南京河西地区富水砂层中小半径施工时的隧道质量控制
题目：
盾构在南京河西地区富水砂层中小半径施工时的隧道质量控制
2014年7月20日
目录
摘要………………………………………………….........................……………………0
1前言.........................................………………………………..............………………1
1.1盾构法概述.....................................................................................................………1
1.3主要研究内容..................................................................................................………1
2工程概括.......................................................................1
2.1盾构姿态...............................................................................................1
2.2工程地质.........................................................................1
...............................................................3
3盾构在富水砂层小半径施工时隧道质量存在的问题.........................4
3.1盾构姿态........................................................................................4
3.2隧道成型管片质量.............................................................................5
4盾构在富水砂层小半径施工时隧道质量控制措施.........................6
4.1盾构姿态控制措施.................................................................6
4.2隧道成型管片质量措施................................................................7
5结论.....................................................................................................13
摘要
盾构法施工小曲率半径隧道时，掘进施工轴线控制较难，容易造成盾构偏离轴线以及纠偏困难等问题，同时隧道整体质量控制也较为困难。
本文以南京河西地区宁和5标隧道施工为研究对象，深入探究盾构在富水砂层小半径转弯施工技术与管片成环质量控制要点。
关键词：
河西地区,砂层,,小半径，盾构推进,质量控制
1前言
1.1盾构法概述
盾构法施工在国内的发展已经相当成熟，被大量用于城市建设中，越江过海的项目已经很多，黄浦江上已建成和拟建有18条左右，长江第一条隧道—武汉过江隧道已经贯通。
据不完全统计，国内大小盾构近300台，应该说盾构法目前在中国多数地层中是首选方法，今后也有很大的发展。
因而盾构法施工的质量越来越得到人们的重视。
1.2研究内容
盾构管片是盾构施工的主要装配构件，是隧道的最外层屏障，承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些特殊荷载的作用。
盾构管片质量直接关系到隧道的整体质量和安全，影响隧道的防水性能及耐久性能。
在盾构小半径施工中，常常会遇到隧道管片碎裂，渗漏水，隧道偏离轴线等问题。
此类问题除了会影响隧道轴线外，还会引起隧道整体质量，从而给隧道的防水带来隐患。
因此在本文中以南京宁和5标为例主要研究盾构在小半径施工中隧道管片碎裂，渗漏水，隧道偏离轴线控制问题。
2工程概括
2.1工程概括
南京宁和5标工程位于南京河西地区，是南京宁和城际轨道交通一期工程土建施工的重要组成部分，它由2个区间构成，分别为天河路~新梗街站，新梗街站~2#盾构井。
其中天河路~新梗街区间右线长度为775.75m、左线长度为755.24m，区间隧道纵坡为V型坡，最大正坡度21.79‰，最大负坡度-18‰。
隧道顶部埋深为9.4～13.14m，最小平面曲线半径350m。
本文研究对象为天河路~新梗街区间的R350m小半径施工。
2.2工程地质
地质是影响盾构掘进的主要因素之一，根据地勘报告，自上而下地层主要为：
①-1杂填土、①-2素填土、②-1a2黏土、②-2b4淤泥质粉质黏土夹粉砂、②-2d3-4粉砂、粉砂夹淤泥质粉质黏土、②-3b4粉质黏土夹粉砂、②-3d3粉砂、②-3d3-4粉砂、②-4d2粉砂、②-5b3粉质黏土夹粉砂、②-5d1粉砂。
其中盾构在小半径施工是穿越的砂层主要为②-2b4淤泥质粉质黏土夹粉砂、②-3d3粉砂、②-3b4粉质黏土夹粉砂、②-4d2粉砂。
表2.3.2-1土的物理性质指标一览表
层号
名称
含水量
重度
孔隙比
液限
塑限
塑性
指数
液性
指数
渗透性
w
γ
e
WL
WP
IP
IL
%
kN/m3
－
%
%
－
－
①-2
素填土
34.9
18.5
0.996
39.1
22.5
16.6
0.78
不透水
②-1a2
黏土
32.8
19.0
0.917
37.6
21.8
15.6
0.68
不透水
②-2b4
淤泥质粉质黏土夹粉砂
38.8
18.1
1.104
34.6
22.0
12.8
1.28
弱透水
②-2d3-4
粉砂、粉砂夹淤泥质粉质黏土
28.3
18.9
0.823
中等透水
②-3b4
粉质黏土夹粉砂
41.8
17.5
1.210
35.5
21.5
14.0
1.43
弱透水
②-3d3
粉砂
28.3
19.1
0.798
中等透水
②-3d3-4
粉砂
26.9
19.3
0.764
强透水
②-4d2
粉砂
26.7
19.2
0.787
强透水
②-5b3
粉质黏土夹粉砂
35.4
17.6
1.092
33.6
21.4
12.2
1.16
弱透水
②-5d1
粉砂
25.4
18.8
0.784
强透水
表2.2.1-2小半径施工情况信息表
小曲率半
径施工段
线路
环号
土层情况
建构筑物情况
R350m
右线
51～375环
②-2b4淤泥质粉质黏土夹粉砂、②-3d3粉砂、②-4d2粉砂
无
左线
43～367环
②-3d3粉砂、②-3b4粉质黏土夹粉砂、②-4d2粉砂
无
由表2.2.1-2与2.2.1-1可以看出盾构在推进时所处的砂层为良好的富水砂层和透水砂层，而盾构机在富水砂层进行小半径施工时，容易造成管片碎裂，以及渗漏水从而加大了对隧道整体质量的控制难度。
2.3盾构机与管片的选取
2.3.1盾构机的选取以及技术特点
本工程所采用的盾构机为两台三菱土压平衡式盾构机，外径为6440mm其技术特点主要有：
1、此盾构机为土压平衡盾构机适用于含水的软土、软岩、硬岩及混合地层的隧道掘进。
掘进施工可采用土压平衡、气压平衡和敞开三种模式。
2、掘进操作可自动控制、也可半自动控制或手动控制。
盾构机配备了自动导向系统，可控制和稳定掘进方向，具有灵活转向纠偏能力。
3、盾构刀盘结构能满足不同地层的掘进速度要求。
4、盾构配备了同步注浆系统，对控制隧道周围土体沉陷及建筑物保护非常有利。
5、盾构配备了泡沫及膨润土注入系统，有利于碴土改良。
在本工程中，盾构铰接在施工过程中未开启。
表2.3.1－1盾构机主要参数汇总表
主部件名称
细目部件名称
参数
综述
总长
约87.6m（含主机）
主机和后配套总重
450t
刀盘
开挖直径
6440mm
开口率
38%
换刀方式
背装式
刀盘驱动
驱动型式
变频电驱动
主轴承直径
2950mm
转速
0.3～3.0rpm
额定扭矩
5631kNm
脱困扭矩
7321kNm
主轴承寿命
＞10000h
工作压力
5bar
主轴承密封形式
四唇密封
盾壳
型式
主动铰接式
前盾直径、厚度
6440mm，45mm
中盾直径、厚度
6430mm，45mm
盾尾直径、厚度
6420mm，45mm
钢丝刷密封数量
3道
盾尾间隙
30mm
推进系统
最大总推力
40000kN
油缸数量
16根
油缸行程
2150mm
最大推进速度
80mm/min
最大回缩速度
＞1500mm/min
位移传感器数量
4只
推进油缸分区数量
4区
2.3.2管片的概括
本工程采用的管片为预制钢筋混凝土管片，错缝拼装。
管片全环由1块小封顶块（K块）、2块邻接块（B块）、3块标准块（A块）共6块管片构成。
管片强度等级C50、抗渗等级为P10。
管片纵向和环向均采用曲螺栓连接，管片环与环之间用16根M30的纵向曲螺栓相连接，每环管片块与块间以12根M30的环向曲螺栓连接。
管片可选型号为标准环、左转弯环和右转弯环（见附件图1，图2，图3）。
其中标准环各点的环宽为1200mm，左曲、右曲管片的各点环宽见下表：
表2.3.2-1左曲管片宽度表（单位：
mm）
位置
F
E
D
C
J
I
H
G
M
O
P
Q
内弧面
1190.5
1191.4
1196.1
1197.1
1213.7
1213.7
1196.8
1183.8
1200.0
1183.5
1200.0
1216.5
外弧面
1189.5
1190.3
1195.6
1196.1
1215.5
1215.5
1196.4
1181.1
1200.0
1181.4
1200.0
1218.6
表2.3.2-2右曲管片宽度表（单位：
mm）
位置
F
E
D
C
J
I
H
G
M
O
P
Q
内弧面
1197.1
1196.1
1191.4
1190.5
1183.8
1196.8
1213.7
1213.7
1200.0
1216.5
1200.0
1183.5
外弧面
1196.6
1195.6
1190.3
1189.5
1181.8
1196.4
1215.5
1215.5
1200.0
1218.6
1200.0
1181.4
3盾构在富水砂层小半径施工时隧道质量存在的问题
3.1盾构姿态问题
一般情况下，盾构机的方向纠偏规范要求控制在-50mm~+50mm之间，在推进过程中尽量保持盾构机轴线与设计轴线保持平行。
否则，会因为姿态不好而造成盾尾间隙过小导致管片破裂。
在推进中影响盾构姿态的控制主要有：
1、纠偏困难。
盾构机本身为直线形刚体，不能与曲线完全拟合，曲线半径越小则纠偏量越大，纠偏灵敏度越低，轴线就比较难于控制；
2、油压控制困难。
盾构机掘进时，难免出现姿态偏差；由于拐弯弧度大，需要左侧油缸和右侧油缸形成一个很大的推力差才能满足盾构机转弯的要求，致使左右两侧的油缸推力可调范围很小，从而可用于姿态调整的油缸推力调整量很小，所以加大了隧道轴线控制和纠偏的难度。
3、管片选型错误。
由于管片选型错误、盾构机司机操作失误原因导致盾构机推进方向偏离设计轴线并超过管理警戒值。
3.2隧道成型管片质量问题
隧道成型管片的质量好与坏主要体现在：
管片的渗漏水、管片的碎裂。
而盾构机在富水砂层进行小半径施工时往往更容易造成其管片的破裂和渗漏水。
3.2.1管片渗漏水
1、管片自身防水。
在管片拼装施工时因为在管片拼装前就已存在管片裂缝或管片防水材料损坏现象而引起成型管片漏水。
2、壁后注浆。
壁厚注浆分为同步注浆和二次注浆
（1）同步注浆是充填土体与管片圆环间的建筑间隙和减小后期变形的主要手段，同时也是隧道防水的第一道防线。
注浆量的不足会引起管片与土体之间间隙充填不密实造成隧道后期产生地面沉降变形而造成漏水，注浆量过多意味着土体与管片圆环间的建筑间隙充填浆量过多，造成注浆压力过大使管片错台以及管片外弧面破裂从而发生渗漏水现象。
在施工过程中由于盾构向左转弯往往造成左边盾尾与管片外弧面的间隙较右边间隙大，因次在推进时盾尾左边的压浆量要大于右边的压浆量。
这加大了对注浆量控制难度。
（2）二次注浆是同步注浆的补充。
二次注浆未有效的进行会造成土体与管片之间的间隙未充实。
导致管片的渗漏水。
3、盾构姿态控制不当。
（1）盾构姿态控制不当会影响到管片的拼装质量，造成管片间的错位，相邻管片止水带不能正常吻合压紧引起管片漏水。
（2）盾构姿态控制不当导致管片在掘进过程中受力不均匀而产生破损最终造成管片渗漏水。
4、管片选型。
对管片选型的错误会造成盾尾与管片间的间隙过小，使得在掘进过程中造成管片外弧面损坏导致管片漏水。
5、盾尾与管片外弧面之间的间隙。
小曲率半径段内的管片拼装至关重要，而影响管片拼装质量的一个关键问题是管片与盾尾间的间隙。
当盾构在推进过程中若间隙过小会导致盾尾挤压管片造成管片外弧面出现裂纹，导致隧道出现渗漏水现象。
3.2.2管片碎裂
1、管片自身质量。
管片自身质量好与坏是决定隧道成型管片质量的根本因素。
而拼装前管片有时会出现以下问题：
（1）管片存在缺角直接导致管片拼装后破裂和管片漏水
（2）管片未达到养护期限会导致管片质量存在隐患
（3）所拼装的管片尺寸大小不同，从而在推进过程中管片受力不均匀导致管片外弧面破裂。
2、管片拼装。
在管片拼装前未对盾尾进行清理干净。
使得管片夹缝存在淤泥，造成整环管片的环面不平整，掘进时会因为管片受力不均匀而使管片出现碎裂。
图3.2.2-1管片破损示意图
3、盾构司机在拼装过程中，由于操作不当导致管片受力不均匀而出现裂纹。
4盾构在富水砂层小半径施工时隧道质量控制措施
4.1盾构姿态控制措施
盾构机的姿态通过左侧和右侧千斤顶推力的调整来控制。
本次研究对象为R350的左曲可采取的方式主要为通过左右侧推进油缸的推力差实现行程差从而实现转弯。
但也要控制左右油缸推力的差值，过大的推力差会导致水平分力过大的管片错台，推力差过小则不能实现盾构机转弯。
在推进时控制盾构姿态还要通过以下几种情况进行有效控制。
1、盾构纠偏量。
盾构在富水砂层小曲率半径段推进时，盾构机的纠偏控制尤为重要。
盾构的曲线推进实际上是处于曲线的割线上，因此推进的关键是确保对盾构的头部的控制。
图4.1-1盾构推进方向与轴线方向示意图
（1）在推进过程中我们把盾首的垂直姿态控制在+5mm，水平姿态控制在-20mm，一旦出现姿态开始偏离就及时进行纠偏，否则难以保证规划要求的轴线偏差50mm。
（2）通过调整区域油压来进行盾构纠偏，若盾首垂直姿态出现下降则相应的调大上区油压直到垂直姿态稳定在+5mm。
水平姿态偏离超过-20mm则相应的调大左曲油压。
直到水平姿态稳定在-20mm。
（3）在盾构在向左转弯时，我们把右侧油压控制在20mpa，左侧控制在10mpa，当盾构姿态存在向右偏差大以及向右偏转趋势大，造成盾构纠偏困难。
此时不仅要调大右侧油压，同时将盾尾左侧千斤顶即13号的千斤顶停止推动。
2、增加测量频率。
盾构机的测量是确保隧道轴线的根本，通过测量数据来决定盾构机的推进和纠偏。
（1）在小曲率段推进时，由于曲线推进盾构环环都在纠偏，因此必须做到勤测勤纠，适当增加隧道测量的频率，通过多次测量来确保盾构测量数据的准确性。
在本工程中自动测量仪每隔两分钟自动测量一次。
（2）由于隧道转弯曲率半径小，隧道内的通视条件相对较差，因此设置新的测量点和后视点后要严格加以复测，确保测量点的准确性。
3、管片选型。
在小半径施工时，合理选择封顶块的位置，可以保证管片的设计楔型量，使管片于盾构轴线同步。
在本工程小半径区段共有342环，左右的楔形量差为6.883米。
由于环数过多我们选取其中20环作为说明对象。
20环时左右的楔形量差为0.426米。
若采取一环左曲一环标准环交替拼装时其10环左曲管片的楔形量仅为0.32米，因而我们根据左右楔形量差以及每环管片楔形量排出管片拼装顺序表：
表4.2.1-1管片选取及千斤顶位置
左曲
16
左曲
16
左曲
14
左曲
16
左曲
16
左曲
16
左曲
2
左曲
16
左曲
16
左曲
16
左曲
14
左曲
16
4、管理人员加强对盾构司机和值班长的管理力度，做好技术交底，避免人为因素导致盾构姿态不佳。
4.2隧道成型管片质量控制措施
4.2.1管片渗漏水控制措施
1、管片防水制作要求。
为了加强管片的自身防水能力。
在本工程中管片下井之前会对管片进行防水制作主要是在管片接缝间之间设置一道弹性密封垫。
弹性密封垫采用三元乙丙橡胶。
为了进一步加强管片防水能力我们另外采取以下措施。
（1）隔环对管片增设遇水膨胀橡胶（红色部分）其位置处于弹性密封垫上方。
（2）弹性密封垫将管片的外侧全部覆盖，这样既可以加强管片的防水能力，又可以起到管片与管片之间在受力时的缓冲作用
图4.2.1-1管片防水制作示意图
2、控制壁后注浆量。
（1）同步注浆本工程中盾构推进施工时的注浆，选择大比重单液浆进行及时、均匀、足量的压注，确保其建筑空隙得以及时和足量的充填。
每推进一环的建筑空隙为：
1.2×π（6.442－6.22）/4＝2.85m3（盾构外径：
Φ6440mm；管片外径：
Φ6200mm）。
而每环的压浆量一般为建筑空隙的150％～200％左右，即每推进一环同步注浆量为4.2～5.7m3。
表3.2.1－1同步注浆初定配比（重量比）kg/1m3
砂
粉煤灰
膨润土
石灰
外掺剂
水
900～1100
300～400
50
80
3
360左右
在施工过程中由于盾构向左转弯往往造成左边盾尾与管片外弧面的间隙较右边间隙大，因次在推进时盾尾右边的压降量要大于边的压浆量。
一般左边的注浆量与右边的注浆量控制在2:
1即左边压浆3方，右边压浆1.5方左右。
在推进过程中采用推进和注浆联动的方式，注浆未达到要求时要及时增加注浆量，以防止土体变形。
根据施工中的变形监测情况，随时调整注浆参数，从而有效地控制因注浆量的不足会引起隧道后期产生地面沉降变形而造成的漏水现象。
（2）二次注浆是确保浆液将土体与管片之间充实一种重要手段。
我们在管片脱离盾尾几环以后就对管片进行二次注浆，压浆量每块管片控制在0.508m3左右一般压力控制在0.3mpa左右，当压力持续上升至0.40.5时，即可停止压浆。
确保浆液将土体与管片之间的间隙充实。
3、控制盾构姿态。
（见4.1）
4、根据盾尾与管片间的间隙选择管片。
本区间管片拼装后平均盾尾间隙约为30mm，当一侧间隙小于20mm或者大于40mm就需要及时对间隙进行调整。
合理的间隙便于管片拼装，也便于盾构进行纠偏。
盾尾与管片之前的空隙通过选取管片类型来调节盾尾与管片的间隙。
在特殊情况下，盾尾与管片间的间隙不好，纠偏困难，我们要根据上下左右间隙选出正确的管片：
（1）在上下间隙均合理的情况一般左转弯管片选择纯右超拼法，即管片的封顶块应拼在16号位置
图4.2.1-1图4.2.1-2
（2）在盾尾与管片上侧间隙过小时。
在拼装管片时不仅考虑到加大右边间隙也要考虑到加大上侧间隙，因此左曲管片封顶块应拼装在在14号位置
图4.2.1-3图4.2.1-4
（3）在盾尾与管片下侧间隙过小时。
在拼装管片时不仅考虑到加大右边间隙也要考虑到加大下侧间隙，因此左曲管片封顶块应拼装在在2号位置。
图4.2.1-5图4.2.1-6
表4.2.1-1管片K块不同点位时的楔形量
上一环K块位置
本环K块
参考位置
楔形量
左转L
右转R
2#千斤顶
4#千斤顶
右超：
0mm
下超：
37.2mm
左超：
26.3mm
上超：
26.3mm
16#千斤顶
右超：
37.2mm
上超：
0mm
左超：
26.3mm
下超：
26.3mm
3#千斤顶
14#千斤顶
右超：
26.3mm
上超：
26.3mm
左超：
0mm
下超：
37.2mm
4#千斤顶
2#千斤顶
右超：
26.3mm
下超：
26.3mm
左超：
37.2mm
上超：
0mm
15#千斤顶
右超：
34.4mm
上超：
14.2mm
左超：
14.2mm
下超：
34.4mm
16#千斤顶
2#千斤顶
右超：
26.3mm
下超：
26.3mm
左超：
37.2mm
上超：
0mm
14#千斤顶
右超：
26.3mm
上超：
26.3mm
左超：
0mm
下超：
37.2mm
15#千斤顶
4#千斤顶
右超：
0mm
下超：
37.2mm
左超：
26.3mm
上超：
26.3mm
14#千斤顶
16#千斤顶
右超：
37.2mm
上超：
0mm
左超：
26.3mm
下超：
26.3mm
3#千斤顶
右超：
14.2mm
下超：
34.4mm
左超：
34.4mm
上超：
14.2mm
4.2.2管片碎裂的控制措施
1、加强管片在拼装前的质量检查
（1）对运输至现场的管片进行验收，确认没有缺角掉边及养护期限等问题，若管片出现质量问题及时做出相应的处理：
①管片角部出现微小破损时用腻子进行处理。
图4.2-1腻子处理管片角部示意图
②若出现较大部位破损时用快速水泥进行修补，并且保持修补后的管片表面平滑。
③若管片出现大面积的破裂，断角应直接停止拼装并更换管片。
（2）管片下井前，对弹性橡胶密封垫粘贴效果进行验收，确保粘贴平顺牢固，并在管片拼装前进一步确认。
（3）拼装前对管片弹性橡胶密封垫进行清理干净，避免油污及隧道渣土粘结表面影响密封垫的止水效果。
2、控制管片拼装。
（1）管片拼装前清理盾尾杂物，确保管片与管片连接螺栓孔无杂物，
（2）拼装时严格按照由下至上，左右交叉的顺序拼装，减少螺栓穿插难度，使管片均匀摆布，减少
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