盾构掘进机土压平衡的实现

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16 土压平衡盾构施工工艺

16.1 总则

16.1.1 适用范围

本标准适用于采用土压平衡式盾构机修建隧道结构的施工。

16.1.2 编制参考标准及规范

16.1.2.1 地下铁道工程施工及验收规范(GB 50299-1999)。

16.1.2.2 地下铁道设计规范（GB 50157-2013）。

16.1.2.3 铁路隧道设计规范（TB10003-2016）。

16.1.2.4 盾构掘进隧道工程施工验收规范。

16.1.2.5 公路隧道施工技术规范(JTJ042－94)。

16.1.2.6 公路工程质量检验评定标准(JTGF80/1-2004)。

16.2 术语

16.2.1 土压平衡式盾构

土压平衡盾构也称泥土加压式盾构，它的基本构成见图16.2.1。在盾构切削刀盘和支承环之间有一密封舱，称为“土压平衡舱”，在平衡舱后隔板的中间装有一台长筒形螺旋输送器，进土口设在密封舱内的中心或下部。用刀盘切削下来的土充填整个平衡舱，使其达到一定的密度，以保持足够的压力去平衡开挖面的土压力，这就是所谓的土压平衡作用。平衡舱内的土压主要是由螺旋输送器的出土量来控制的，出土量多则平衡土压下降，反之则上升，同时还要密切配合刀盘的切削速度和千斤顶的顶进速度，使平衡舱内始终充满泥土而不致挤得过密或过松，这样就可以达到稳定开挖面的效果。

1-刀盘用油马达；2-螺旋运输机；3-螺旋运输机马达；4-皮带运输机；5-闸门千斤顶；6-管片拼装器；7-刀盘支架；8-隔 板；9-排障用出入口；-刀 盘；11-泥土进入盾构；12-管 片。图7-7 土压平衡盾构示意图图16.2.1土压平衡盾构示意图 2 图16.3.1.1 盾构选型流程图 16.2.2 端头加固

为确保盾构始发和到达时施工安全，确保地层稳定，防止端头地层发生坍塌或涌漏水等意外情况，根据各始发和到达端头工程地质、水文地质、地面建筑物及管线状况和端头结构等综合分析，确定对洞门端头地层加固形式。

盾构掘进技术施工要点

一、土压平衡盾构掘进

（一）土压平衡式掘进特点

土压平衡盾构，是将开挖下来的土砂充满到开挖面和隔板之间泥土仓，根据需要在其中注入改良材料，用适当的土压力确保开挖面的稳定性。通过贯穿隔板设置的螺旋输送机，可在推进的同时进行排土。在施工时，必须在开挖两层隔板之间充满土砂，对其进行加压达到满足开挖面的稳定需要的状态。为了获得适合于盾构推进量的排土量，要对土压力和出土盘进行计量，对螺旋式排土器的转数和盾构的推进速度进行控制，达到平衡状态，同时，还要掌握刀盘扭矩和推力等，进行正确的控制管理以防止开挖面的松动和破坏。

（二）土仓压力管理

（1）在土压平衡盾构的施工中，为了确保开挖面的稳定，要适当地维持压力舱压力。一般，如果土仓压力不足，发生开挖面的涌水或坍塌风险就会增大。如果压力过大，又会引起刀盘扭矩或推力的增大而发生推进速度下降或地面隆起等问题。

（2）土仓压力管理的基本思路是：作为上限值，以尽量控制地表面的沉降为目的而使用静止土压力；作为下限值，可以允许产生少量的地表沉降，但可确保开挖面的稳定为目的而使用主动土压力。

（3）掌握开挖面的稳定状态，一般是用设置在隔板上的土压计来确定土仓压力。

（4）推进过程中，土仓压力维持有如下的方法：

①用螺旋排土器的转数控制；

②用盾构千斤顶的推进速度控制；

③两者的组合控制等。 通常盾构设备采用组合控制的方式。

（5）要根据各施工条件实施良好的管理。另外，需要确认伴随推进所产生的地基的变形、排土状态、刀盘扭矩以及其变化情况，及时在推进中修正土仓压力。

（三）排土量管理

（1）为了一边保持开挖面的稳定一边顺利地进行推进，则需要适量地进行排土，以维持排土量和推进量相平衡。可是，由于围岩的重度在掘进中会有一定的波动，以及受添加剂的种类、添加量或排土方式等因素的影响，排出渣土的重度也会发生变化，所以要恰当地掌握排土量是比较困难的。另外，作为排土，其状态可在半固体状态到流体状态之间变化，其性状是各种各样的。因此，仅单独根据排土量的管理来控制开挖面坍塌或地基沉降是困难的，最好是根据压力舱的压力管理和开挖土量管理同时进行。

盾构施工控制措施

1、盾构机建压措施

土压平衡模式掘进时，是将刀具切削下来的土体充满土仓，由盾构机的推进、挤压而建立起压力，利用这种泥土压与作业面地层的土压与水压平衡。同时利用螺旋输送机进行与盾构推进量相应的排土作业，始终维持开挖土量与排土量的平衡，以保持开挖面土体的稳定。

（1）土压平衡模式下土仓压力的控制方法

土仓压力控制采取以下两种操作模式：

①通过螺旋输送机来控制排土量的模式：即通过土压传感器检测，改变螺旋输送机的转速控制排土量，以维持开挖面土压稳定的控制模式。此时盾构的推进速度人工事先给定。

②通过推进速度来控制进土量的模式：即通过土压传感器检测来控制盾构千斤顶的推进速度，以维持开挖面土压稳定的控制模式。此时螺旋输送机的转速人工事先给定。

掘进过程中根据需要可以不断转化控制模式，以保证开挖面的稳定。

（2）掘进中排土量的控制

排土量的控制是盾构在土压平衡模式下工作的关键技术之一。根据对碴土的观察和监测的数据，要及时调整掘进参数，不能出现出碴量与理论值出入较大的情况，一旦出现，立即分析原因并采取措施。

理论上螺旋输送机的排土量QS是由螺旋输送机的转速来决定的，掘进的速度和土仓压力值P值设定后，盾构机可自动设置理论转速N：

QS根据碴土车的体积刻度来确定。

QS应与掘进速度决定的理论碴土量Q0相当，即:

Q0=AVn0

A-切削断面面积

n0-松散系数

V-推进速度

通常理论排土率用K =QS/Q0表示。

理论上K值应取1或接近1，这时碴土具有低的透水性且处于好的塑流状态。事实上，地层的土质不一定都具有这种性质，这时螺旋输送机的实际出土量与理论出土量不符，当碴土处于干硬状态时，因摩擦力大，碴土在螺旋输送机中输送遇到的阻力也大，同时容易造成固结堵塞现象，实际排土量将小于理论排土量，则必须依靠增大转速来增大实际排土量，以使之接近Q0，这时Q0＜QS，K＞1。当碴土柔软而富有流动性时，在土仓内高压力作用下，碴土自身有一个向外流动的能力，从而碴土的实际排土量大于螺旋输送机转速决定的的理论排土量，这时Q0＞QS，K＜1。此时必须依靠降低螺旋输送机转速来降低实际出土量。当碴土的流动性非常好时，由于螺旋输送机对碴土的摩阻力减少，有时会产生碴土喷涌现象，这时转速很小就能满足出土要求。

土压平衡盾构机在掘进阶段盾尾刷更换改造工法

摘要：随着城市隧道管廊基础建设的发展，盾构法施工凭借着开挖速度快、施工安全系数高、地质适应性强等特点在隧道施工中有着得天独厚的优势。土压平衡盾构机在盾构法施工中应用最为广泛，其各系统在长期的使用和改造过程中正趋于完善，但是，地下水作为盾构法施工的“头号杀手”，依旧困扰着盾构施工的掘进过程。盾构掘进机盾壳尾部与管片之间存在着间隙，随着盾构掘进机的掘进姿态的变化，管片与盾构掘进机盾壳尾部的间隙也在一定范围内产生着变化，盾尾刷的设计采用钢制刷头和密封油脂的组合形式，将盾尾壳体与管片外围的间隙动态密封，有效的防止填充浆液的泄露及管片外围岩地下水和砂土的侵入，为盾构机掘进作业提供了安全的保障，是盾构机掘进的“保护伞”。在盾构法施工过程中，由于地质条件不良、盾构掘进姿态不良、注浆控制不良等多种因素，容易造成盾构掘进机盾尾刷的彻底损坏，盾尾密封失效，盾尾间隙涌砂、涌水、漏砂，地表沉降无法控制，引发严重的施工事故。

关键词：施工工艺；盾构施工法；材料与设备

1.前言

呼市地铁2号线新华广场站～呼和浩特站（新-呼）区间右线，在推进至71环时盾尾发生漏浆现象，现场管理人员组织施工队伍对现场进行清理，并组织技术人员采取不间断注入盾尾油脂方式封堵，在随后推进的过程中，时钟方向3点和9点钟方向漏浆现象较为严重，主要表现为盾尾刷承压能力弱，正常同步注浆作业产生漏浆现象。根据现场情况，采取了对管片接缝处粘贴海绵封堵及更换优质盾尾油脂等措施，但漏砂漏浆现象始终未能得到彻底解决，判断部分尾刷已彻底损坏，无法完全修复，经过现场实地勘察，分析盾尾密封装置结构，结合现场盾构施工经验，研究出土压平衡盾构机在正常掘进阶段停机更换改造盾尾刷重新建立盾尾密封的运用工法。

2.工法特点

2.1施工安全系数高

土压平衡盾构机一共设设计了三道盾尾刷密封，在施工过程中，受拼装范围限制，最外侧盾尾刷无法完全露出，不具备检修和更换的条件。中间道盾尾刷更换会使围岩裸露，更换危险系数过大，而更换内侧第一道盾尾刷并在其内侧再加装一道盾尾刷的施工方法，有效的规避了施工风险，达到重塑盾尾密封的目的。