36-盾构浅覆土、立交掘进技术.doc
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3-2-36盾构浅覆土、立交掘进施工技术
1．前言
1.1盾构浅覆土、立交掘进施工概述
目前，我国正处于大规模建设时期，基础设施，尤其是交通设施建设如火如荼。
在城市中，以地铁为龙头的地下空间综合利用和建设，受既有建（构）筑物和有限空间的限制，出现了大量复杂线型（如小半径、大纵坡）或复合近接（小净距、下穿铁路、立交、叠交）的隧道工程。
两线立交盾构隧道掘进时，后掘进隧道会引起地层的应力重分布（加载或卸载），并导致地层的移动，从而产生对先施工隧道的影响，这个影响与距离直接相关，与距离成反比。
而两线立交时上部隧道覆土厚度经常小于1.0～1.5D（D为开挖外径），多为浅覆土隧道。
盾构浅覆土经常伴随立交掘进出现。
1.2适用范围
适用于软土地区土压平衡式盾构机浅覆土及立交掘进。
2．盾构浅覆土、立交施工工艺
2.1工艺流程图
工艺流程如图2-1所示：
图2-1盾构浅覆土、立交掘进工艺流程图
2.2盾构掘进顺序方案选择
遵循先施工立交段下部隧道，后施工立交段上部隧道的方案。
2.3地表辅助措施
2.3.1地基加固
1、地基加固类型及范围
隧道顶覆土厚度小于0.6D（3.8m）的浅覆土地段须进行覆土措施处理，偏于安全取4m。
采用深层搅拌加固，加固范围：
横向为线路中线以外6m，竖向由地面至隧道底下3m，纵向为沿线路方向覆土厚度小于4m。
2、地基加固要求
地基加固后土体指标为：
无侧限抗压强度qu≥0.8MPa，渗透系数K≤1×10-8cm/s。
2.3.2地表压重
在浅覆土段盾构掘进时对地表采用袋装钢渣压重，换算覆土厚度应≧1D，待满足覆土要求后方可通过盾构。
隧道施工完成后，待洞内注浆浆液达到设计强度后，分期卸载上部压重，同时对隧道变形、隆起进行监测，并据监测结果调整卸载时间和卸载值。
①地表压重计算（kg/m2）,该段土层平均比重为1850kg/m3，盾构直径为6.34m：
W=1850（6.34-H）
W：
地表单位面积压重
H：
隧道覆土厚度
②地表压重范围
横向：
以隧道中线为中心，左右两侧各6m，共宽12m。
纵向：
浅覆土段整段。
2.3.3设置抗浮板
为防止在浅覆土段盾构推进过程中盾构机抬头及考虑后期运营抗浮需要，在浅覆土段地表设混凝土抗浮板，板厚50～100cm，抗浮板两侧设φ600～φ800钻孔抗拔桩，桩长为板下20～30m，单桩抗拔力满足运营时隧道抗浮要求。
具体参数应根据工程实际情况检算。
抗浮板设置及地表压重如图2-2所示。
图2-2抗浮板及地表压重示意图
2.4隧道辅助措施
2.4.1隧道管片壁后注浆加固
1、已建隧道内注浆加固
在上部隧道施工前，通过下部隧道内的预埋注浆孔对土体进行注浆加固，加强隧道两侧的土体强度，待达到一定强度后，才能施工上部隧道。
其加固范围为管片壁后2m。
2、上部隧道内注浆加固
上部隧道每掘进完成5环，及时通过隧道内的预埋注浆孔对土体进行注浆加固。
在立交段均为增设注浆孔管片，每环有16个注浆孔。
其加固范围为管片壁后2m。
两线立交加固如图2-3所示：
图2-3两线立交注浆加固示意图
2.4.2已建隧道内压重
在立交段，上部隧道开挖后，下部隧道上方由于应力释放而使其失去原有的平衡状态，引起隧道及周围土体一定程度上的“回弹”。
在上部隧道推进前，在下部隧道内采用袋装钢渣进行压重。
压重范围：
立交交叉点前后各15m，共30m。
压重重量：
5t/m
压重时间：
盾构开挖面前3环，上部隧道每推进一段，及时在下部隧道内压重一段。
分期卸载：
盾构通过立交段后，待洞内注浆加固土体达到设计强度后，分期卸载，根据监测数据，适时调整分期卸载重量以及卸载时间。
2.4.3隧道内设纵向加劲肋
1、已建隧道内设加劲肋
针对上部隧道施工对已建下行线的影响，在下行线隧道靠近开挖面前20m，后20m，共40m范围管片设置加强肋。
加强肋采用双拼[18a槽钢用钢板焊接成型，然后用螺栓将其与管片的预留注浆孔进行连接，从而将隧道纵向连接起来，以加强隧道纵向刚度。
2、上部小曲线隧道内设加劲肋
立交段上部隧道若位于小半径曲线上，隧道纵向位移较大，在上部隧道靠近开挖面后60m范围管片设置加强肋以增强隧道纵向刚度，控制其纵向位移。
加强肋采用双拼[18a槽钢用钢板焊接成型，然后用螺栓将其与管片的预留注浆孔进行连接，从而将隧道纵向连接起来，以加强隧道纵向刚度。
加劲肋部位及构造详见加强肋构造图1及加强肋构造图2。
2.4.4加强螺栓复紧
每环推进结束后，必须拧紧当前环管片的连接螺栓，并在下环推进时进行复紧，克服作用于管片推力产生的垂直分力，减少成环隧道浮动。
2.5盾构施工参数选择
1、掘进速度
掘进速度：
1～2cm/min。
即避免因推力过大而引起的侧向压力的增大，又减小盾构推进过程中对周围土体的扰动。
2、土仓压力
土压力设定值：
以开挖面前端土体略微隆起0.5～1.0mm为宜。
其波动值控制在0.02MPa以内
3、出土量
控制盾构出土量为理论计算量的97%左右，同时视监测情况合理调整出土量。
4、超挖
超挖量：
≤5‰。
5、注浆参数
同步注浆量：
2.6～2.8m3/环，浆液稠度：
9～11cm。
二次洞内注浆频率：
每掘进完成2环。
每拼装两环即对后面两环管片进行复合早凝浆液二次压注，浆液配比采用：
水泥:
氯化钙:
水玻璃＝30:
1:
1，水灰比为0.6。
二次注浆压力控制在0.3Mpa以下；注浆流量控制在10～15L/min，注浆量约0.5m3/环。
6、左右千斤顶行程差
单环变化量25±5cm，当前量：
≤20cm。
2.6盾构及管片纠偏
盾构掘进中，由下述方法保证盾构推进轨迹和隧道设计中心线的偏差在设计允许范围内。
1、采用调整盾构千斤顶的组合来实现纠偏
盾构共有22个千斤顶，按上、下、左、右四个扇形分布，推进千斤顶的油泵为变量泵，当盾构需要调整方向时，可通过比例阀调整四个区域的油压，来调节千斤顶的顶力。
如盾构偏离设计轴线，而需纠偏时，可在偏离方向相反处，调低该区域千斤顶工作压力，造成两千斤顶的行程差，也可采用停开部分千斤顶方法，获得行程差。
但这样易造成衬砌部分区域受力不匀，使管片损坏。
盾构纠偏时，要使千斤顶各区域压力分布呈线性状态，如盾构要向右纠，除左区要较右区有一个较大的压力差外，上、下区域的压力也要适当，一般可取左、右区域压力的平均值。
同理，如需上、下纠偏时，可造成上、下区域千斤顶的压力差。
2、采用微量楔形料进行隧道管片纠偏
在曲线段采用管片环面上粘贴楔形低压棉胶板的方法，使直线段管片成为微量楔形轴线和设计轴线拟合。
石棉橡胶板的压缩率为12%，分段粘贴好的石棉橡胶板经推进过程中千斤顶压缩后，成一平整楔形环面。
管片在制造中，会存在微小的误差（特别是环宽的误差），管片在拼装过程中也会产生误差，这些误差的积累和发展，会导致盾构虽未偏离设计轴线，但盾尾的管片变得越来越难拼装，测量管片的偏差，会发现管片中心线已呈偏离设计轴线的趋势，采取以下预防措施：
a、在每一环管片拼装时，测量上一环管片与盾构内壳上、下、左、右各点的间隙，若各点间隙均在1cm以上，可视作管片轴线与盾构轴线拟合。
若测得某点间隙小于1cm，则可视作管片已开始偏离盾构轴线，此时可用微量石棉橡胶楔形料进行纠偏，将最大楔形量贴于间隙小处的衬面上。
b、一次最大楔形量不得大于5mm，若超过5mm，管片橡胶止水条的压缩量变小，会失去止水效果。
所以在曲线段掘进时当安装楔形管片后仍需粘贴纠偏条时，应分数环粘贴，不应一环粘贴过厚。
c、若最大楔形量为5mm（经压缩后为4.10mm）一次可纠偏斜率为千分之零点六六。
测得管片与盾构的偏差斜率后，即可算得纠偏的环数。
2.7监控量测及信息反馈
2.7.1施工监测内容
针对该区间隧道沿线的建（构）筑物及地下管线设施，结合盾构推进施工中引起地面沉降的机理和对已建好隧道可能造成的变形和具体情况，投入如下监测内容：
（1）地表环境沉降监测
地表沉降
地下管线沉降
建（构）筑物沉降
（2）已建正线隧道变形监测
已建隧道沉降监测
已建隧道位移监测
已建隧道收敛监测
（3）在推隧道沉降监测
2.7.2施工监测方法及点位布置
（1）地面沉降、管线沉降：
观测范围为盾构前20环，后30环。
（2）建筑物沉降：
对盾构推进切口附近方圆30m内涉及的建筑物进行监测。
（3）在建隧道（环片）沉降：
隧道沉降是伴随着施工过程进行的，沉降监测也因该同步进行。
每次监测范围为新施工区段100环，前期已完成区段100环。
（4）已建隧道变形观测：
对盾构推进切口前20m、后30m内已建隧道进行监测。
2.7.3监测技术要求及监测频率
在监测工作中，监测精度应满足以下要求：
（1）深层土体测斜误差≤1mm；
（2）平面位移监测误差≤1mm；
（3）沉降位移监测误差≤0.5mm；
（4）压力测试误差≤10%；
（5）分层沉降测量误差≤1mm。
监测工作必须随施工需要实行跟踪服务，监测频率必须据施工需要调整，根据《上海地铁基坑施工规程》（SZ—08—2000）相关要求，监测工作自始至终要与施工进度相结合，监测频率与施工工况相一致，应根据施工的不同阶段，对影响范围内的监测对象，合理安排施工监测频率：
（1）地面沉降、管线沉降：
在区间隧道盾构出洞前布设监测点，测2次，取得稳定的测试数据，在盾构出洞后即开始监测，在盾构推进期间正常情况下2次/天，施工区域30～100米以远的已完成区段1次/周，1个月后且沉降速率小于3mm/周监测频率可根据工程需要随时调整，以满足保护环境的要求。
（2）建筑物沉降：
监测频率2次/天，及时了解建筑物的变化情况，在盾构穿越危房时要增加监测频率，根据沉降量及沉降速率及时调整监测频率，保证监测信息准确及时。
（3）在建隧道（环片）沉降：
测试频率为：
距推进面100m范围内2次/周；距推进面100～200m范围，1次/15天；距推进面200m以外以完成隧道，连续2次本次沉降<3mm，监测频率降为1次/月，否则1次/15天；隧道贯通后一个月一次，直至隧道初次结构验收。
（4）已建隧道变形观测：
监测频率1次/天，在变形值超报警时要增加监测频率，2次/天，根据沉降量及沉降速率及时调整监测频率，保证监测信息准确及时。
2.7.4信息反馈与参数调整
隧道施工时应加强监测工作，包括对先期施工隧道进行监测，
监测资料应及时反馈，以根据监测资料及时调整掘进参数和注浆参数。
3劳动力组织
劳动力组织如表3-1所示：
表3-1劳动力配置表
盾构司机
2
起重工
2
电瓶车司机
4
电工
3
桁车司机
2
焊工
3
反挖司机
2
防水工
4
盾构维修人员
3
注浆工
6
测量工
2
碴土车司机
6
机修工
4
普工
6
合计
49
注：
上表标准为软土地区的盾构配置，其他类型盾构则增加2～3名修理人员。
4机具设备配置
机具设备配置如表4-1所示：
表4-1主要设备配置表
机械设备名称
型号规格
数量
备注
土压平衡盾构机
1套
根据地质选取类型
龙门吊
32t/5t
1台
龙门吊
16t
1台
根据场地需要
电瓶机车
18～25t直-交
2台
根据牵引负荷选取
碴土车
8～18m3
5～6台
运浆车
5～7m3
1台
用于同步注浆
运浆车
5～7m3
1台
用于改良
直流充电机
2台
与蓄电池配套
蓄电池组
4组
与电瓶车配套
始发反力架
承受推力800～1500t
6台
与地质、盾构有关
移动始发托架
承重400～500t
6台
与盾构配套
砂浆搅拌机
3m3
1台
惰性浆液
浆液搅拌系统
25m3/h
1台
水泥砂浆
通风机
2×37KW
1台
密封运碴车
15t以上
4～6辆
自卸汽车
1辆
潜水泵
3～6台
卷扬机
5t
2台
卷扬机
1t
1台
砂轮机
1台
台钻
1台
电焊机
2～4台
5质量控制要点
5.1盾构推进参数的设定
采用土压平衡式盾构掘进机施工，其原理主要是利用压力仓内的土压力来平衡开挖面的土体，从而达到对盾构正前方开挖面支护的目的。
在盾构施工中要根据不同土质和覆土厚度、地面建筑物，配合监测信息的分析，及时调整平衡压力值的设定。
同时要求推进中盾构姿态保持相对的平稳，控制每次纠偏量不过大，减少对土体的扰动，并为管片拼装创造良好的条件。
同时根据推进速度、出土量和地层变形的监测数据，及时调整注浆量，从而将轴线和地层变形控制在允许的范围内。
盾构在立交段推进，宜放慢推进速度，匀速推进，以减小对围岩土体的扰动，特别是后行隧道的推进，过快的推进速度，对已建隧道的影响将是非常显著的。
控制好推进速度，对地面沉降以及已建隧道沉降、位移、变形均具有重要意义。
后行隧道推进时，因已建隧道的存在，围岩土体原有力学体系已经改变，所以后行隧道盾构推进时，盾构土仓压力与原状土中推进是不一样的，应考虑对已建隧道的保护，根据对已建隧道的监测情况及时调整。
5.2管片拼装
盾构在立交段推进，管片拼装特别要注意螺栓的复紧，加强管片间的相互约束，可以有效控制隧道上浮。
特别是先行隧道在后行隧道施工时，因上部土体开挖，隧道顶部土压减小，隧道不可避免上浮，如果螺栓没有拧紧，上浮量将会更大。
5.3同步注浆和二次注浆
盾构推进中的同步注浆和管片壁后补压浆是充填土体与管片圆环间的建筑空隙和减少后期沉降的主要措施，也是盾构推进施工中的一道重要工序。
由专人负责，对压入位置、压入量、压力值均作详细记录，并根据地层变形监测信息及时调整，确保压浆工序的施工质量。
注浆应该采取双控措施，既要控制注浆量，也要注意控制注浆压力，根据注浆压力情况，调整注浆量，过大的注浆压力将会劈裂土层对土体产生扰动，反而造成地面后期沉降大。
5.4盾尾油脂及集中润滑的压注
为了保证盾构设备的正常运转，在盾构掘进过程中须不定时地进行集中润滑油脂的压注，避免由此造成的轴承和其他设备的损坏，影响盾构推进施工。
在隧道掘进施工中，盾尾密封功能特别重要。
为了能安全并顺利地完成区间隧道的掘进任务，必须切实地做好盾尾油脂的压注工作，确保施工中盾尾与管片的间隙内充满盾尾油脂。
5.5盾构纠偏量控制
施工中隧道轴线、环面平整度或倾斜度需予以纠正时，采用专门楔料（低压石棉橡胶板），一次纠偏量最大不超过4mm。
6安全注意事项
安全注意事项及预防措施如表6-1所示：
表6-1安全预防措施表
序号
危险源类别
注意事项
管理方案
1
门吊
高处坠落、物体打击、设备事故
编制安装、拆除、转场方案。
过程中做好监控。
设置警戒区。
自检合格后报相关特种设备监督检验所检测。
分包单位须有相应资质。
特殊工种必须持证上岗。
定期做好维修、保养。
2
施工用电
触电事故
必须编制《临时用电施工组织设计》。
临时用电设施验收合格后方可使用。
施工现场线路全部采用橡套电缆或用塑铜线架空架设。
施工现场线路、电气设备的安装、维修保养及接线、拆线工作必须由持二证电工进行。
对移动机具及照明的使用实行二级漏电保护，并经常进行检查、维修和保养。
坚持每周一次安全用电检查和日常巡视工作，发现问题立即整改。
3
安全通道
人员伤亡
隧道内安全通道采用专用的走道板。
使用前进行验收并挂牌。
走道板须绑扎牢固。
4
中小型机械的使用
机械伤人
机管员负责对机械使用前的验收工作，平时做好对机械运行情况的检查。
操作人员必须持有效证件上岗。
按规定搭设机械防护棚。
机械设备金属外壳必须接地，随机开关灵敏可靠。
督促机操人员做好定期检查、保养及维修工作，并做好运转、保养记录。
机械设备的防护装置必须齐全有效，严禁带病运转。
固定机械设备和手持移动电具，必须实施二级漏电保护。
必须做到定机、定人、定岗位。
下班之前必须做好落手清工作，切断机械电器设备的电源。
5
垂直运输
物体堕落、物体打击
盾构工作井四周设立安全栏杆及安全挡板，防止发生井边物体堕落打击事故。
起吊设备必须有限位保险装置，不得带病或超负荷作业。
起重专职指挥，加强责任心，预防发生碰撞事故。
衬砌、土斗配专用吊具及钢丝绳，要定期检查，发现缺陷，及时调换。
满载土斗起吊前，必须进行处理，防止泥块堕落伤人。
夜间施工井口必须有足够的光照度。
起重指挥持证上岗。
起重用索具、夹具须有产品合格证和质保书。
6
隧道内水平运输
财产损失、人员伤亡、设备事故
对运输机具、轨道必须定期进行安全运行检查和维护。
电瓶车辆在隧道内曲线段行驶以及进出台车，必须缓慢通过。
隧道内工作人员必须在人行走道板上通行，走道板必须绑扎牢固。
电瓶车、平板车严禁载人运输。
电瓶车司机持证上岗。
禁止酒后驾驶。
做好例保，刹车片及时更换。
7
管片拼装
财产损失、人员伤亡、设备事故
机械手操作人员在机械手转动前必须告知上下作业人员，在确保无人的情况下才可转动机械手。
机械手举起管片后，严禁该断面区域站人，以防吊耳脱落，引起管片坠落伤人。
机械手转动前小脚应撑住管片，不得晃动。
小脚调定油压≤6Upa，以免吊耳、预埋件受损伤。
机械手的声、光警报装置齐全。
机械手由专人操作。
吊耳丝扣拧到底。
8
地下管线
管线损坏、煤气中毒、爆炸、供水中断
与管线单位取得联系，了解地下管线分布情况并编制地下管线保护方案。
加强沉降观测。
合理设置掘进参数。
加强盾尾注浆。
9
有毒有害气体
施工人员中毒
每周对隧道内空气质量进行监测，加强隧道内通风。
11
高温
施工人员中暑事件
配备必要的防暑降温用品，隧道内加强通风，保持隧道内空气流通。
7工程实例
7.1工程简介
出入段线是上海市轨道交通9号线一期工程进出地面车辆段的两个单线盾构隧道，包括西出入段线和东出入段线，呈“八”字形分布。
其中，西出入段线起点西岔道井（里程L1DK0+119.646），终点西工作井（里程L1DK0+629.540），全长509.894m，线路最小曲率半径为250m；东出入段线起点东岔道井（里程L2DK0+153.677），终点东工作井（里程L2DK0+434.5），全长296.297m，线路最小曲率半径为230m。
出入段线隧道采用装配式钢筋砼管片，管片内、外直径分别为Φ5.5m和Φ6.2m，管片厚度350mm，宽度为1.2m和1.0m两种，后者主要用于小半径曲线段。
其中，西出入段线有宽度为1.2m的管片347环，宽度为1.0m的92环，共439环；东出入段线有宽度为1.2m的管片171环，宽度为1.0m的90环，共261环。
衬砌拼装纵缝为通缝拼装。
衬砌间连接件采用双头直螺栓，连接件采用锌基铬酸盐涂层+抗碱涂层防锈处理。
衬砌纵、环缝防水采用多孔特殊断面的三元乙丙橡胶与遇水膨胀橡胶镶嵌的复合形框形弹性密封垫。
环、纵缝间设置承压防水丁晴软木衬垫。
每环衬砌由六块组成，即一块拱底块（84°）、二块标准块（65°）、二块邻接块（65°）、一块封顶锲形块（16°）。
出入段线隧道埋深9.42～1.91m，主要穿越土层为③-1灰色粉质粘土、⑤-1a灰色粘土。
饱和软粘土具较高的触、流变特征，在水动力条件下可能产生流砂、涌砂现象。
东出入段线最小半径为230m，立交线长102.273m，从下行线上方呈19°斜交穿过，交叉处覆土深2.72m，上下净距为2.05m，并以32.5‰的上坡浅覆土进入东工作井。
如图7-1所示。
西出入段线最小半径为250m，立交线长105.709m，从下行线上方呈18°斜交穿过，交叉处覆土深3.88m，上下净距为2.58m，并以32.5‰的上坡浅覆土进入西工作井。
如图7-2所示。
浅覆土、立交重难点分段如表7-1所示：
图7-1东出入段复合立交段重难点分布图图7-2西出入段复合立交段重难点分布图
表7-1浅覆土、立交重难点分段表
重难点
里程
长度m
西出入段线
两线立交、小半径曲线
L1DK0+499.061～~L1DK0+514.108
105.709
两线立交、小半径曲线、大坡度
L1DK0+514.108～L1DK0+527.000
12.829
两线立交、小半径、大坡度、浅覆土
L1DK0+527.000～~L1DK0+604.770
77.77
小半径曲线、大坡度、浅覆土、进洞
L1DK0+604.770～L1DK0+629.540
24.76
东出入段线
两线立交、小半径曲线
L2DK0+316.524～L2DK0+418.797
102.273
两线立交、小半径曲线、大坡度
L2DK0+329.237～L2DK0+370.000
40.763
两线立交、小半径曲、大坡度、浅覆土
L2DK0+370.000～L2DK0+418.797
48.797
小半径曲线、大坡度、浅覆土、进洞
L2DK0+418.797～L2DK0+434.500
15.703
7.2施工情况
西出入段线工程盾构出洞时间为2006年3月22日，西出入段线100环推进时间为2006年4月12日，西出入段线进洞时间为2006年6月20日。
最高日推进13环，平均5.6环。
每环平均循环时间：
初始掘进阶段为140分钟，正常掘进段为75分钟
东出入段线工程盾构出洞时间为2006年6月6日，东出入段线100环推进时间为2006年7月15日，西出入段线进洞时间为2006年9月2日。
最高日推进13环，平均5.6环。
每环平均循环时间：
初始掘进阶段为140分钟，正常掘进段为75分钟
7.3工程经验教训
盾构在浅覆土中施工，地表需要进行压重处理，但在本工程中，因为考虑后期运营抗浮需要，设置了抗浮板，抗浮板和地表压重的存在，完全可以满足盾构施工抗浮需要。
当出入段线盾构在并行段推进时，根据监测数据反映，对上、下行线隧道的影响比预计的小得多，将盾构推进速度从2cm/min提高到4cm/min以加快盾构施工速度。
从并行段进入立交段时，盾构右转调整方向以进入与出入段线立交状态，此时因盾构姿态调整较频繁，且调整幅度较大，对土体的扰动增大，特别是对下行线隧道围岩土体挤压力增大，造成下行线隧道向远离出入段线一侧横向位移。
此时过快的推进速度使得盾构对土体的扰动更大，出入段线沉降量有明显增大趋势。
当逐渐减小盾构推进速度到1～2cm/min，出入段线隧道横向位移明显减小。
故应严格控制盾构推进速度。
7.4建设效果及关键工序图片
图7-3增设注浆孔管片注浆图
图7-4两线立交段注浆加固示意图
图7-5纵向加强肋示意图
图7-6立交段隧道成型图
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