软土地层土压平衡盾构施工工法
第二工程有限公司
一、前 言
盾构法施工城市地铁目前已在北京、上海、深圳等城市广泛应用。中铁四局集团二公司在上海市轨道交通杨浦线（M8线）Ⅲ标段区间隧道工程施工中，应用土压平衡式盾构机施工，在轴线控制、管片拼装、衬砌防水、地表沉降等方面严格控制，总体效果良好。总结施工工艺形成本工法。 二、工法特点
1．一般不使用土体预加固辅助措施，节省技术措施费； 2．易达到工作面的稳定,减小地表变形，施工安全性好； 3．机械自动化程度高,施工速度快，衬砌质量容易控制； 4．振动小、噪声低，对环境无污染；
5．对沿线居民生活、地下和地面建筑物影响小。 三、适用范围
适用于松软含水地层及城市地下管线密布，施工条件困难地段的隧道施工。可在砂砾、砂、粉砂、粘土等压密程度低，软、硬相间的地层，以及封闭式盾构无法适应的砂砾、砂层等地层中使用。 四、工艺原理
安装在盾构机最前面的全断面切削刀盘切削土体，盾构千斤顶向前顶进，切削下来的泥土充满密封舱和螺旋输送机壳体内的全部空间，在密封的土舱内形成支撑压力，以抵抗开挖面土层的水土压力，减少盾构推进对地层土体的扰动，有效控制地表变形。根据土
水土压刀盘盾壳密封隔舱板盾尾密封压变化调整出土和盾构推进速度, 达到工作面的压力平衡。盾构机基本构造及力学原理见图1。
压泥土舱 土压螺旋输送机泥土舱盾构机千斤顶管片拼装机图1 土压平衡盾构基本构造和力学原理图1 土压平衡盾构基本构造和力学原理
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五、工艺流程及操作要点 （一）工艺流程：见图2
施工准备
盾构就位 盾构出洞 后盾支撑安装 洞门砼凿除 盾构安装、调试、验收 出洞防水帘布安装 盾构基座安装 出洞口土体加固 盾构推进 压浆 送浆 拌制浆液 盾尾油脂压注 出土 自卸车外运土 洞口龙门吊垂直吊出 集土坑存土 土斗车水平运土 开启螺旋机和排土口管片运输到工地 管片预制 管片拼装 运输到掌子面 粘贴橡胶止水带 管片螺栓连接 螺栓运输 螺栓制作 循环掘进 盾构进洞 洞门砼凿除 接收架安装 进洞口土体加固 隧道端头封堵 图2 盾构施工工艺流程图 拆、吊盾构机 （二）操作要点 1．盾构进出洞
（1）洞门段土体加固。
采用深层搅拌桩与压密劈裂注浆相结合的办法对隧道周边3m，进洞端长3.5 m，出洞端6 m范围内进行地层加固。深层搅拌桩水泥掺量12%，注浆采用1∶1水泥、水玻璃双液浆。
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地层加固一个月后，地面钻孔取芯进行28天抗压实验，试件无侧限抗压强度应不小于0.8MPa。
（2）盾构出洞时应防止盾构旋转、上飘。
盾构出洞时，正面加固土体强度较高，由于盾构与地层间无摩擦力，盾构易旋转，应加强对盾构姿态的测量，如发现盾构有较大的转角，可以采用大刀盘正反转的措施进行调整。盾构刚出洞时，推进速度宜慢，大刀盘切削土体中可加水降低盾构正面压力，防止盾构上飘，加强后盾支撑观测。
（3）进洞前100 m的地段要加强测量工作，及时纠正进洞的偏差。为防止盾构进洞时盾尾拉开管片，洞内前10环衬砌用6道［14槽钢沿隧道纵向环环拉紧。 2．初始推进段施工
盾构从始发端头井出发后,首推100环作为实验段,用于掌握盾构的性能和工作状况；确定土舱土压力、推进速度（千斤顶行程速度）、总推力、刀盘扭矩、出土量、注浆数量及压力等参数；总结地表变形的一般规律。 3．地表变形控制
根据沿途环境情况设置要求不同的监测段，作地表沉降值、土压力、孔隙水压力及添加剂量、注浆参数等方面的量测和管理。
地表沉降监测每天进行，沉降量控制在＋10mm ～－30mm之间。测点布置为：区间隧道
中心轴线上，每50m横断面处两侧各20m范围内设置观察点；沿隧道中心线不论曲线段还是直线段，每5m布设一沉降观测点，每50m布一深层点。地面沉降观测点在路面上用道钉埋设，特殊要求的构筑物用红三角标记。加强施工信息反馈,采取定期观察和施工跟踪观察相结合的方法，根据测量数据,及时分析、调整推进参数。 4．土压力管理
土压力通过装置在密封土舱内的土压力计检测读出。理想的变化范围是：
（水压力+主动土压力）＜P0＜（水压力+被动土压力）
土压力P0设定与管理方法为： （1）按水土合算原则计算土压力：
P0 = k0 r h
其中：k0——土的侧向静止压力系数，取0.7～1.0
r ——土体的平均容重 h ——隧道埋深
（2）根据出土量与地表沉降数据对P0作相应调整
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（3）对已定P0进行动态管理，以适应连续推进要求 5．排土管理
以土压力为控制目标，通过实测土压力值P1与P0相比较，依此压力差进行相应的排土管理，其控制流程如下图3。由安装在盾构机密封舱下部的螺旋运输机向排土口连续地将土渣排出，开挖量与排土量应保持或接近平衡。 6．管片拼装
隧道衬砌每环由六块管片构成，即一块封顶块、两块邻接块、两块标准块、一块拱底块。环宽有1000mm和1200mm两种。拼装要点如下：
（1）衬砌之间采用通缝拼装，由下而上，拼装顺序为拱底块→标准块→邻接块→封顶块。拼装封顶块时，先与邻接块搭接1／3,然后纵向插入成环。
（2）管片拼装精度，相邻环间拱底块环向相对旋转值不得大于3mm，环缝、纵缝张开小于2mm，相邻环管片高差小于4mm。环向、纵向螺栓必须在盾尾中拼装时全部穿进拧紧。 （3）每安装好一环必须及时拧紧环纵向螺栓，并对出盾构车架的管片环纵缝螺栓进行复拧。隧道贯通后，再次对所有管片的螺栓进行复拧。
（4） 纵向螺栓应在推好一环,千斤顶回缩后复拧一次,必须使纵向螺母压紧垫圈与预埋件，并且直径偏差应小于12mm。 7．衬砌防水
衬砌防水包括每块管片水膨胀弹性密封垫的粘贴和隧道推进结束后衬砌环、纵缝的嵌缝两大部分。弹性密封垫是衬砌接缝防水的主要措施。粘贴前须用钢刷刷去管片凹槽内的浮灰、污垢，用氯丁－－酚醛胶粘合剂粘贴。粘贴好密封垫的衬砌若暂时不用或遇雨天，必须用塑
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图3 土压力控制流程图
土压力P。的设定 P1> P。 提高螺旋输送机转速 P1= P。 土压计实测 值 P1 正常推进 P1＜ P。 降低螺旋输送机转速或提高推进速度 推进 料薄膜或油布严密遮盖。封顶块与邻接块两侧的密封垫在拼装前应在表面涂抹润滑剂，粘度300CP。 8．泥水管理
对于进、出洞地基加固地段或砂土层等特殊地段，须向盾构推进前进方向上的土层中加泥、加泡沫或加水改良土体。施工前详细了解与分析工程所遇的地质情况，初步确定盾构推进中加入泥、水、填加剂的浓度和数量，并根据工作面稳定情况和螺旋机出土状况对添加剂材料进行调整。
制泥材料一般有粘土、膨润土等，其浓度及使用量如下表1所示：
表1 制泥材料浓度及使用量表
土质类别 砂土层 砂砾层 白色砂质沉积层 砂质粉土层 浓 度 （%） 15～30 30～50 20～30 5～15 每方最大使用量（m3） 0.30 0.30 0.20 0.10 9．注浆
盾构与衬砌的理论建筑空隙为1.38m/环（1m环）或1.66m/环（1.2m环）。盾构推进时应同步注浆,填充建筑空隙，防止土体松弛和下沉。注浆材料根据土体条件及盾构形式选择。注浆一般通过盾构机设置在盾构机钢壳上的注浆孔同步注浆。 （1）注浆材料应具备：
①拌制后浆液不离析； ②压注后凝固收缩小； ③流动性好（稠度采用9~11）；
④压注后强度上升较快,最终强度须大于原土体强度； ⑤具不透水性。
常用材料有：水泥砂浆（砂+水泥为主）；水泥+粉煤灰+陶土粉；可塑性注浆材料采用炉渣、石灰或粘土等代替水泥。
当盾构机压浆管路细时，使用惰性浆液，浆液配比如下表2；当盾构机压浆管路允许时，采用可硬性浆液，配比见表3。
表2 惰性浆液配比表
惰性 浆液 粉煤灰 400 浆液投料量（kg/ m） 黄砂 膨润土 680 100 333
水 430 备注 5