泥水盾构始发与试掘进技术及控制要点

泥水盾构始发与试掘进技术及控制要点

张乐

西安市轨道交通集团有限公司建设分公司，陕西西安710000

摘  要：本文介绍了泥水盾构始发与试掘进施工过程中的关键技术，包括始发端头加固及降水、盾构始发定位、反力架安装与加固、洞门密封、负环管片拼装、同步注浆、洞门封堵、管片拼装以及初始试掘进等技术，并提出了保证各个关键环节有条不紊进行的控制措施。

关键字：泥水盾构；始发；试掘进；

1前言

泥水盾构施工技术因具有无需特殊体改良、地质适应性强、依靠泥水在开挖面形成泥膜抵抗土水压力、开挖面稳定性高等优点，在城市大型隧道及大型过江过河隧道修建中均得到了广泛应用，如上海地区已经建成的上海长江隧道、大连路隧道、复兴东路隧道等[1]。

无论是土压平衡盾构还是泥水平衡盾构，始发与到达既是施工的两个关键环节，也是施工的重难点之一[2]。在地铁施工中，始发试掘进作为盾构工法的关键工序，不仅仅关系到周边建筑及施工的安全，而且还直接影响到施工的质量、进度、安全以及经济效益[3]。广深港客运专线狮子洋隧道采用先进的泥水盾构始发技术， 严格控制始发的各个风险点，并进行事前分析、预防和方案预控，通过精心组织，始发取得一次性成功[4]。

本文提出了在高承压水始发与试掘进的关键技术要点以及控制措施，如采用的始发洞门密封装置结构、安全可靠，在泥水盾构始发的过程中，可通过自身密封结构和外部注入孔的综合调节使用，充分保证泥水盾构始发安全，降低施工风险等。这些关键技术要点以及控制措施在实际施工过程中得到成功的应用。

2始发技术控制

2.1始发端头加固及降水

2.1.1端头加固

泥水盾构一般情况始发端头采用旋喷桩、素墙结合降水的加固方式，端头加固平面图如图1所示。素墙分为洞门素墙和U形素墙。洞门素墙采用C15混凝土，厚800mm-1200mm地下连续墙。为保证素墙接缝处的止水效果在素墙接缝外侧采用Φ800@500m三重管法高压旋喷桩补强加固。加固范围：盾构掘进方向围护结构外13m，加固宽度为U形素墙内全断面加固，隧道范围内上下各3m。

图1 始发端头加固平面图

3.1.2降水井

井深按下式确定：

降水井钻探井径600mm，全部采用钢质焊管，直径250mm，其中井壁管长度为，壁厚4mm，过滤管长度为含水层以上1m至井底，花管壁厚3mm。环花管壁填硅质圆砾，以形成良好的人工反滤层，其余环井管壁回填黏土球进行封填，降水井结构示意图如图2所示。

3.1.3加固效果检查及洞门注浆

图2 注浆管设置形式

图3 注浆管平面位置

在始发或接收洞门范围内钻9个水平孔,孔径40mm，钻深为2~3m，位于围护结构外，如图3所示。观察其洞门的加固效果及渗漏水效果，同时检测孔内有无有害气体。当达到以上所有要求后才可破除洞门。

若端头土体加固检查结果不能满足设计要求，则采取洞门注浆的方式进行补充加固。在洞门范围内按1个/m的间距均匀布置注浆孔，根据检查结果，对于渗漏水部位加密布置。用水钻水平打孔，孔径Φ40mm，钻深度为打穿围护结构并进入加固土体3m。注浆管设置形式如图2所示，采用Φ30mm钢管，外露端安装阀门，末端封闭，管身均匀钻孔做成花管，注浆管水平插入钻孔内，管身与连续墙连接处用快干水泥封堵并与围护结构钢筋焊接牢固，注浆管平面位置如图3所示。

3.2盾构始发定位

盾构始发首先应拟合对到轴线。分（一）水平位置：直线始发最为常见，因盾构区间或车站站位等影响，始发线性位于曲线范围的，盾构始发水平方向采用割线始发。（二）竖直位置：因始发段竖向线性分上、下坡和直线，对于直线和下坡段始发，为防止始发后盾构机出现载头现象，盾构刀盘中心高出洞门中心20mm；对于上坡始发段，应拟合竖曲线参数，从托架结构或底板结构找坡进行，同时还需：（1）拟合盾构机通过洞门口的全过程与洞门的位置关系，（2）盾构机自带交接情况。如始发线性为水平和竖向曲线叠加的应系统综合考虑。

3.3反力架安装与加固

3.3.1反力架定位

1、反力架位置的确定主要依据洞口0环管片的起始位置、盾构机盾体的长度以及盾构刀盘与洞门环的距离确定。

2、负环管片环数的确定。盾构机长度L1，管片环宽L2，始发采用负环数量N=L1/L2+1。

3、反力架安装时，反力架与车站结构连接部位的间隙要垫实，以保证反力架脚板有足够的抗压强度。反力架水平偏差控制在±10mm之内，高程偏差控制在±5mm之内，上下偏差控制在±10mm之内。始发台水平轴线的垂直方向与反力架的夹角<±2‰，盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差<2‰，水平趋势偏差<±3‰。

3.3.2反力架及支撑系统设计

反力架采用组合钢结构构件，便于组装和拆卸，反力架主要提供盾构推进时所需的反力，因此反力架要有足够的刚度、强度和稳定性。常见的反力架支撑形式采用底部和上部为水平支撑，中间为斜撑的方式，随现科技的发展，反力架将成为集成多系统为一体的自动化控制装置。

3.4

洞门密封

为了防止盾构始发掘进时从洞门与盾体之间地下水及循环泥浆流失，以及盾尾通过洞门后同步注浆的浆液的流失，在盾构始发必须安装洞门密封装置，保证始发不漏浆不漏沙，保证泥水仓压力建立平衡。

为了保证泥水盾构始发 “滴水不漏”，在以往密封装置：橡胶帘布+环板，比较简易保压效果不好，泥水盾构特有的泥压建立对密封装置要求更高，优化设计出了新型的洞门密封装置：如图4所示。

本装置采用了“三道收缩式密封装置”，一道橡胶帘布+可伸缩三道钢丝密封刷结构”与盾壳形成有效密封体系。高强的密封系统，保证洞门渗漏及建压泥浆不损失。

具体构造为：

（1）第一道密封为橡胶帘布同时还有扇形压板、折叶板、垫片和螺栓共同组成。橡胶帘布材料为氯丁橡胶，横向棉线稀疏排列，帘布橡胶板由模具分块压制，然后连成一整框，外径比洞门外径大150mm；内径比盾构机外径小300～400mm，整体厚度20～30mm，内径边缘为R40mm；

（2）第二道为钢丝刷密封装置，采用钢圆锥体结构厚度20mm，均匀预留8个直径1cm油脂注入孔，外口与预埋环板固定，内径比外径小100mm，内圈内侧焊接一圈钢丝刷。

（3）第三、四道为钢丝刷密封装置，每一道均采用钢圆锥体结构厚度20mm，外口与第一道钢圆锥体结构外环板固定，外径比第二道外径小100mm，内径比外径小100mm，内圈内侧焊接一圈钢丝刷。

当盾构刀盘全部抵拢掌子面后，然后在第三、四道密封刷间利用盾构机注脂孔向内注油脂，使油脂充满两道密封刷的空隙。开始向泥水仓内加压，当盾构机盾尾通过第一道钢丝密封刷且折叶板下翻后，要及时利用注脂孔向内继续注油脂，使油脂压力始终高于泥水压力0.01Mpa左右。如第一道注脂孔未能达到要求，即油脂压力≤泥水压力，立即启用第二道油脂孔，通过注入盾尾油脂确保泥水压力的建立。

图4洞门密封装置图

3.5负环管片拼装

在拼装第一环负环管片前，在盾尾管片拼装区180度范围内均匀安设6根长2m、厚75mm的定位垫块，在盾构内拼装好整环后利用盾构推进油缸将管片缓慢推出，负环管片按照错缝的方式进行拼装。当第一环管片推出距离满足第二环管片拼装距离时开始拼装第二环管片。

4试掘进技术控制

4.1初期掘进长度确定

初期掘进长度设定为100m。主要考虑盾构机盾体以及台车的长度、工作井井口处布置道岔的需要，管片与土体之间的摩擦力足以支持盾构机的正常掘进等方面因素。

4.3同步注浆确定

4.3.1同步注浆

当盾构机盾尾通过两道洞门钢丝刷后开始实施同步注浆，同步注浆与盾构掘进同时进行，通过同步注浆系统及盾尾的内置注浆管，在盾构向前推进盾尾空隙形成的同时进行，采用双泵四管路对称注浆。

同步注浆时要求在地层中的浆液压力大于该点的静止水压及土压力之和，做到尽量填补而不劈裂。注浆压力过大，隧道将会被浆液扰动而造成后期地层沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑浆；注浆压力过小，浆液填充速度过慢，填充不充足，会使地表变形增大。同步注浆压力设定为0.2～0.4MPa，并根据监控量测结果作适当调整，同步注浆量为建筑间隙的130%～180%。

注浆效果检查主要采用分析法，即根据P-Q-t曲线，结合掘进速度及衬砌、地表与周围建筑物变形量测结果进行综合分析判断。必要时采用无损探测法进行效果检查，当检查表明注浆不足时，及时进行补充注浆。

4.4管片拼装

管片在拼装前，由专人对管片类型、龄期、外观质量和止水条粘结情况等进行最后一次检查，检查合格后才可拼装。管片拼装控制措施为：管片安装后确保有足够的盾尾间隙；管片安装必须从隧道底部开始，安装第一块管片时，用水平尺与上一环管片精确找平；依次安装左右两侧管片，最后安装封顶块管片；管片块安装到位后，及时对管片连接螺栓进行二次紧固，并最终拖出盾尾第三次复紧。

5结束语

始发与试掘进是泥水盾构施工技术的关键之一，本文介绍了泥水盾构始发与试掘进施工过程中的技术要点，并提出了保证各个关键环节有条不紊顺利进行的控制措施。可为以后类似泥水盾构工程提供以下几点工程经验：

(1)端头采用综合加固方式结合降水井，利用素墙加固防水的同时采用旋喷桩加固补强以保证素墙接缝处的止水效果，根据经验公式合理计算降水井深，达到良好的防水效果，为始发提供安全的施工环境。

(2)根据施工现场实际的地质情况，合理设计盾构始发水平、竖直位置。严格按照技术要求设计反力架结构，反力架必须具有足够的刚度、强度和稳定性，为盾构始发提供足够的反力。

(3)采用结构新颖、设计合理、安全可靠的始发洞门密封装置。在泥水盾构始发的过程中，可通过自身密封结构和外部注入孔的综合调节使用，充分保证泥水盾构始发安全，降低施工风险。

参考文献

[1] 韩晓瑞,朱伟,刘泉维,钟小春,闵凡路.泥浆性质对泥水盾构开挖面泥膜形成质量影响[J].岩土力学,2008,29(S1):288-292.

[2] 周文波.大直径泥水盾构进出洞施工的风险和措施[A].上海市土木工程学会、上海隧道工程股份有限公司.地下工程施工与风险防范技术——2007第三届上海国际隧道工程研讨会文集[3].上海市土木工程学会、上海隧道工程股份有限公司,2007:7.

[5] 范验曾.盾构始发试掘进施工技术探析[J].中国高新技术企业,2014(31):89-92.

[6] 向前进.狮子洋隧道泥水盾构始发技术[J].建筑机械化,2008(09):47-50+53.

[7] 王建华.超大盾构始发洞门密封技术[J].现代交通技术,2011,8(02):57-58+77.