盾构法施工工艺综合分析

盾构法施工工艺综合分析

摘要

目前,城市地铁隧道施工主要是采用盾构法。本文依据现有的文献资料对盾构法施工的发展史、盾构的分类、盾构的基本构造、盾构施工工艺、盾构的选型等进行了全面的论述,并针对盾构法施工的成本价格分析、盾构施工引起的地面沉降对环境的影响以及盾构施工的风险评价、特殊盾构类型、盾构未来发展等方面进行了探讨。

关键词:隧道工程,盾构法施工,地面沉降,盾构施工价格,盾构风险,特殊盾构

1 引言

随着我国城市轨道交通建设的发展,各地大力兴建地铁,使我国地铁施工技术不断发展和提高。在城市中实施大规模地下工程建设,由于受到施工场地、地面道路交通、市政公共设施、隧道间相互交叉以及地下结构物的穿插重叠等城市环境因素的制约,传统的施工方法

难以普遍适用。为适应这一实际条件,安全、快速、高质量的盾构新技术应运而生,现已成为我国城市地铁隧道的主要施工方法。

盾构机是一种既能支承地层的压力,又能在地层中掘进的施工机具。其外壳尺寸比隧道外形稍大,该外壳及壳内各种作业机械,作业空间的组合体积称为盾构机,以盾构机为核心的一整套完整的建造隧道的施工法称为盾构施工法。盾构机的掘进是靠盾构前部的旋转掘削土体、掘削土体过程中必须始终维持掘削面的稳定,掘削不出现明塌;靠舱内的出土器械出土;靠中部的推进千斤顶推进,盾构前进;由后面的拼装机拼装成环(初砌);随后再由尾部的背后注浆系统、向初砌与地层的缝隙中注入填充浆液,以便防止隧道和地面的下沉。

地下铁道盾构法施工是在闹市区或水底的软弱地层中进行的,是修建地下铁道较好的施工方法之一。近年来盾构机械设备和盾构法施工工艺的不断发展,适应大范围的工程地质和水文地质条件的能力大为提高。各种断面形式和具有特殊功能的盾构机械(急转变盾构、扩大盾构法、地下对接盾构等)的相继出现,其应

用在不断扩大,由于盾构法施工具有作业在地下进行,不影响地面交通,减少对附近居民的噪音和振动影响;施工费用不受埋深的影响,有较高的技术经济优越性;盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行,易于管理,施工人员较少;穿越江、河、海时,不影响航运;施工不受风雨等气候条件影响等有利特点,将对地下铁道的施工技术的发展起到有力的推进作用。

盾构法施工具有以下主要优点:

1)盾构施工时所需要顶进的是盾构机本身,故在同一土层顶进时顶力基本不变,因此盾构法施工不受顶进长度限制。

2)操作安全,可在盾构的支持下挖土和衬砌。

3)盾构法施工时对环境影响小,因施工速度快,较少影响交通及扰民,保护绿化环境,改善了工人作业环境。

4)盾构法施工时经济损失小、无噪音、空气、振动污染问题,成本较低。

5)如采用平衡式盾构施工可不降低地下水施工,避免了因降水造成地面下沉,再加上合理调整盾构施工参数,能控制正面土体稳定,另外可加强衬砌背面空隙的填充,可控制地表的沉降。

6)穿越河底或海底时,施工不影响航道,也不受气候的影响。

7)自动化程度高,劳动强度低,施工速度较快。

2 盾构施工技术的发展

1818 年,法国工程师布鲁诺(M.I. Brunel)从食船虫在船身上打洞一事中受到启发,最早提出了用盾构法建设隧道的设想,并在英国取得了专利,这可以说是敞胸式手掘盾构机的原型。1823-1841 年,布鲁诺首次在伦敦泰晤士河下修建了一条全长 458m 的世界上第一条盾构施工的隧道。1887 年,英国人格雷特海德(Greathed)在南伦敦铁路隧道工程中组合使用盾构和气压施工法进行施工,奠定了现代盾构施工法的基础。

我国自 20 世纪 50 年代开始引进盾构法修建隧道工程。1970 年,由上海隧道工程公司承建的第一条穿越黄浦江的过江通道的完工,实现了中国用盾构法修建隧道“零”的突破。1988 年完工的另一条黄浦江水下隧道—延安东路北线隧道,是用我国自行设计和制造的直径为 11.3m 网格式水力机械盾构机修建的。隧道除穿越黄浦江外,还要在高层建筑群和地下管线等重要环境保护地段通过。

进入 20 世纪 90 年代,上海地铁一号线采用法国FCB 公司设计的盾构机,其车架、拼装机、螺旋机、皮带机、搅拌机等设备在上海配套制造,完成了总长 18.5km 的单线圆形区间隧道施工。尽管盾构法施工在我国起步很晚,由于利用成熟技术,注意参考别国成功的经验、总结失败的教训,所以发展势头很猛。特别是金融危机以来,城市地铁项目的大量建设,盾构施工将经历又一轮大发展。

盾构施工方法问世至今已近 200 年的历史,从世界范围内来看,盾构法隧道施工技术正在朝长距离、大直径、大埋深、复杂断面和高度自动化的方向发展,在这方面处于领先地位的是日本和欧洲。近 50 年来,通过对土压平衡式、泥水式盾构机中的关键技术,如盾构机的有效密封、确保开挖面的稳定、控制地表隆起及塌陷在规定范围之内、刀具的使用寿命以及在密封条件下的刀具更换、对一些恶劣地质如高水压条件的处理技术等方面的探索和研究,使盾构施工技术更加成熟。

3 盾构的分类

盾构的分类方法很多,可按盾构开挖面的形状、盾构机自身构造的特征、盾构半径尺寸的大小、稳定掘削面的加压方式、适用土质的状况等多种方式分类。笔者按照开挖面支撑方式以及施工方案组合进行分类。

3.1 全敞开式盾构机

全敞开式盾构机的特点是挖掘面全部袒露,适用于地质状况较好、挖掘面自稳能力强的地层,对于自稳能力差的风化岩地层,应当采用压气平衡、注浆加固、锚杆支撑等方式进行加固,并辅以其他措施,降水确保施工安全。按照掘进及出土方式不同可分为手掘式盾构机、半机械式盾构机、机械式盾构机三种。

3.2 部分敞开式盾构机

部分敞开式盾构机即挤压式盾构机,通过盾构机的推进向前挤压土体进行挖掘,其结构简单、成本低。部分敞开式盾构机常用于流塑性强、自问能力弱的软粘土层和粉砂层。部分敞开式盾构机切口环的开挖工作面通过胸板进行封闭,将水土封闭于盾构机外,不至于发生地层坍塌和水土涌入盾构内部的危险。千斤顶向前顶进,盾构机切口环向前推挤,胸板挤压土层,流塑性土体从胸板开口处流进盾构机内,通过出土装置运出隧道。不需人工开挖,劳动条件改善,掘进效率提高。部分敞开式盾构按胸板开口大小分为挤压式和网格式。

3.3 封闭式盾构机

封闭式盾构机是相对于敞开式盾构机而言的,是指开挖面封闭进行挖掘的一种盾构机。按照平衡土体压力方法的不同,闭胸式盾构机可分为局部气压式盾构机、泥水式盾构机、土压式盾构机、复合式盾构机四种。

3.4 复合式盾构机

复合式盾构机是具有多种功能的盾构机。刀盘上既布置有开挖软土的切割刀,还布置有硬岩开挖的盘形滚刀。不仅可以开挖软土,还可以在岩层中掘进。复合式盾构机的开挖模式随着地层的不同而改变,如根据开挖面的稳定性质、水压大小及涌水量大小情况,可构成一台泥水加压式盾构、气压式盾构或土体平衡是盾构。

4 盾构机的基本构造

盾构是隧道施工时进行地层开挖及衬砌拼装时起支护作用的施工设备。其基本构造有壳体系统、掘进系统、衬砌拼装系统四个部组成。

4.1 盾构壳体

一般为钢制圆筒体。其功能是承受盾构上部的土压和水压,并作为盾构主承系统和部件的安装基础。盾构壳体由切口环、支撑环和盾尾三部分组成。切口环

位于盾构的最前端,施工时切入地层,并掩护开挖作业。切口环前端制成刃状,以减少切土阻力和对地层的扰动,切口环的长度取决于工作面的支撑形式、开挖方法及人员活动和挖土机具所需的空间等因素。支撑环是盾壳的主体,所有地层的土压力,千斤顶的推进力、切口、盾尾、衬砌系统的施工荷载均传至支撑环并由其承担、盾尾由盾壳外壳钢板延伸构成,主要用于掩护隧道衬砌的安装工作,其内部设置衬砌拼装机,尾部有盾尾密封刷,同步注浆管和盾尾密封油膏注入管等。

4.2 盾构掘进系统

盾构掘进系统设于切口环中,主要有刀盘和螺旋输送机构成。刀盘用来开挖土体,同时搅拌泥土,以改善土体的流动性。螺旋输送机用来将密舱内的流塑状土体盾构外,是把渣土从部的渣土舱输送到后部的渣土运输专用设备。对于土丫平衡盾构机,螺旋输送机的另一个重要功能是通过调节其转速控制出渣的速度和出闸量,使排土量和刀盘切削下来的土量保持平衡,进而达到控制盾构舱内压力的目的。

4.3 推进系统

盾构的推进系统由液压设备和千斤顶组成。推进系统决定了盾构的推进速度,刀盘转数、刀盘每转切深等重要技术参数,以及转向、纠偏等供能的实现。其工作原理是:启动输油泵,将由供给高压泵,使油压升至要求值;启动控制油泵,待控制油压升至额定压力后,将电磁控制阀门将总管内高压油输入千斤顶,使其按要求伸出或缩回,驱动盾构。

4.4 衬砌拼装系统

衬砌拼装就是采用专用拼装设备,随着盾构的推进在盾尾将预制管片依次拼装成环,由无数个衬砌环纵向依次连接而成的衬砌结构。预制的管片按结构内型分为:平板式、中子式,箱型等。常用的衬砌拼装系统是杠杆式拼装器。由动力部分、举重钳、举重臂、回转环等几个部分组成,在拼装衬砌时,由发动机驱动大转盘,控制环向旋转,其径向及纵向旋转移动由液压千斤顶控制。

5 盾构施工工艺

盾构施工步骤复杂,流程繁多。按照工作分解结构原理,本文将盾构施工过程按进展顺序分为六步,分别是:施工准备阶段、修建始发井阶段、盾构机拼装

阶段、盾构始发阶段、盾构掘进阶段、盾构出洞吊装阶段。盾构施工流程见下表 3-1 盾构施工流程图所示:

5.1 施工准备:

5.1.1 端头土体加固检测。由于水文地质因素,工程盾构施工前应当对工程始发段进行土体加固,土体加固材料一般采用钢筋混凝土、SWM、素混凝土等。施工方法有旋喷桩、钻孔灌注桩、搅拌桩等。

5.1.2 盾构施工场地准备。施工前应当将施工场地准备好。材料堆放、车辆进出、人员生活等场地应当按照施工组织设计中施工平面图的计划进行布置,确保施工安全便捷。五通一平按照施工方案进行准备,做到功能分区合理、材料堆放整齐、道路干净便捷等。

5.1.3 管片准备就绪。管片应提前做好准备,签订管片生产计划,严把管片质量,做好管片供应保障。如若管片采用商业购买,则应尽早签订合同,做好采购计划,确保管片按时按质按量的供应。跟管片同时施工的防水材料包括涂层、垫片也应有保障。

5.1.4 碴土运输准备工作就绪。盾构中大量渣土外运,需要众多工程车辆相互配合,通力合作。施工前必须做好渣土车、挖掘机等的检查工作,确保工程机械工作状态良好。同时办好渣土车辆的运营证、渣土外运证等工作。做好机械人员的安全教育工作,尤其是渣土司机的教育工作,渣土车撞人这类事件长期出现,杜绝此类事件发生。

5.1.5 地面砂浆搅拌站调试完毕。盾构掘进过程中,砂浆使用频繁,而且用途多样,有用于注浆的,有用于砌筑的,同样有用于抹面的。工地一般现场搅拌砂浆,工程施工前必须将搅拌站安装完成,并调试完毕,能够按照施工方案提供合乎规范的建筑砂浆。

5.1.6 初始掘进范围内的地面监测点已布设完毕并获得初始的数据。监测方案在施工前准备,并对建设单位提供的施工坐标进行复测,确认。其次按照施工方案对监测点进行布置,确保施工需要和测量便利,这些监测点有用于测斜的,

有用

于沉降的,有用于测内力的。布置完成后应当进行初值测量,并保证测量的准确,这是施工基础。

5.2 修建始发井:

盾构掘进前,应当修建始发井,一般情况下,该空间即是地铁的地下车站,同时用作盾构拼装、附属设备和后续车架以及出渣运料等功能。修建始发井,根据不同的地形地质条件、施工方案等,可分别采用明挖法、暗挖法、逆作法、沉井法、冻结法、矿山法等修建。最常用的方法是在盾构掘进始终点的路线中线上方,由地面向下开凿一座直达未来区间隧道地面以下的竖井,其底端即可作为盾构拼装室。盾构始发井的平面形状多为巨型,平面净空尺寸要根据盾构直径、长度、需要同时拼装的盾构数目以及运营的功能而定。盾构正式掘进时此竖井即可作为出渣、进料、和人员进出的孔道;运营时可用作通风井。在此不做重点介绍。

3.2.3 盾构机拼装:

5.2.1 始发架下井、定位及加固。在地面的施工场地准备工作完成后,进行始发架的下井工作。始发架为钢结构装置,在地面上拼装完成后,由吊车吊入端头井口的底板上。始发架下井前在端头井内测设隧道中线及里程,以此调整始发架的中线与结构中线一致,测量始发架的高程,通过垫钢板的方法调整高程与设计高程一致。始发架在盾构始发时要承受纵向、横向的推力以及约束盾构旋转的扭矩,在盾构始发之前,必须对始发架两侧进行必要的加固。

5.2.2 车站轨道铺设。在车站底板上安装轨道,用于盾构机后配套车架的走行和隧道内材料渣土运输。车站轨道应当和盾构机械相适合,其次要满足运行要求,便于安装。盾构结束后同样要便于拆卸回收。

5.2.3 反力架和基准环下井及定位。反力架及负环管片是用来承受来自盾构机的推力,使在始发架上的盾构机能够向前推进,因此它们的定位尤其重要。在盾构主机与后配套连接之前,开始进行反力架的安装。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。由于反力架和始发架为盾构始发时提供初始的推力以及初始的空间姿态,在安装反力架和始发台时,反力架左右偏差、高程偏差应控制严格

5.2.4 盾构机拼装。盾构拼装必须有专业人员进行,吊装前必须进行场地承载力计算,确保安全。吊装机械到达施工场地后,按照盾构拼装方案进行吊装。先吊

装盾构机后配套车架部分,待盾构机车架下井完成后吊装盾构机。吊装盾构首先将盾构机中盾、前盾下井,接着下盾构机的拼装机、盾尾,其次下盾构机的刀盘。吊装完成后进行盾构的组装。盾构机的组装可分为盾构机盾体的组装;后配套车架的连接;盾构机盾体与后配套车架的连接;接着进行盾构机的液压管线连接,盾构机的电气线路连接;盾构机的其它管线连接;最后完成盾构机的全部组装连接。

5.2.5 盾构机调试。在所有的电气,液压及其它各种管线连接完后,就可以进行调试和验收工作。盾构机在制造工厂应需进行调试,盾构始掘进前同样进行调试,调试工作需按照每一个子系统单独进行。所有的调试与验收包含了以下各个系统:①推进/铰接系统,②刀盘驱动系统,③ 管片拼装机、输送机、吊机系统,④注浆系统,⑤螺旋输送机系统,⑥通风系统,⑦供电系统,⑧通讯系统,⑨导向系统,⑩主轴承齿轮油润滑油路系统等。

5.3 盾构始发

盾构始发阶段是盾构施工过程中开挖面稳定控制最难、工序最多、比较容易产生危险事故的环节,因此结合实际施工环境的始发准备工作显得至关重要。盾构始发是指盾构机利用反力架及临时拼装起来的管片(负环管片)承受来自盾构机的推力,使在始发架上的盾构机向前推进,由始发洞门贯入地层,开始沿设计线路掘进的一系列作业。

5.3.1 洞门凿除:在盾构进进洞前、洞门地层加固后将洞门部位的砼凿除。进洞洞门砼凿除前做好以下工作:⑪当盾构逐渐接近洞门时,加强对砼及周围土体的变形监测,并控制好盾构推进时推进速度和方向。⑫洞门混凝土凿除前需进行洞门地层加固。

5.3.2 洞门帘布橡胶板安装:在洞门范围内凿除车站围护桩混凝土并割除钢筋后施工洞门帘布,洞门帘布橡胶板主要起密封洞门的作用。在盾构机始发时,防止泥土、地下水从盾构机盾壳和洞门的间隙处流失,造成端头处地面沉降;防止盾尾通过时同步注浆及二次注浆时浆液的流失。洞门帘布在洞口二次注浆浆体凝固后施做洞门混凝土前拆除。

5.3.3 涂刷盾尾密封油脂:在盾构机始发前,在盾尾刷上涂抹盾尾油脂,WR90 盾尾油脂是指在盾构机的盾尾首次填充盾尾密封刷时用的油脂,它的粘度非常高,

能在始发施工过程中保持不脱落,并能以此防止水、脏物或泥浆等的进入。在第一次充填盾尾密封油脂时,人工或人工加机械配合涂抹,务必细致到位。

5.3.4 负环管片施工:管片防水施工完成并经检验合格,使用门吊从出土口吊入井下。负环管片支撑系统采用钢制反力架、基准环,负环管片拼装为直线通缝拼装。故根据负环数量定出反力架位置。反力架两立柱的支座,一般采用预埋钢板螺栓连接的方式,控制其表面标高,并且在支座上弹出反力架里程控制线。采用加设垫片的方法调整基准环,使它形成的平面与设计线路的平面严格吻合。

5.4 盾构掘进

5.4.1 盾构掘进

当盾构机开动并在地层中推进时,根据地质勘察资料的结论,采取土压平衡掘进模式,核心是保持合理的土仓压力,从而维持开挖面的稳定和控制地面沉降。控制土仓压力的方法主要有两种:

(1)在保持推进速度不变的情况下,调节螺旋输送机的转速或闸门开度;

(2)在保持螺旋输送机转速不变的情况下,调节盾构机的推进速度。上述两种控制方法可根据实际情况灵活选用。土压平衡掘进时,切削土体主要靠刮刀;为保证出土顺利,必要时需根据地质情况添加发泡剂。

5.4.2 管片选型及安装。在确保盾构机沿着隧道设计轴线掘进的前提下,选择合适的管片类型和正确地安装管片将是保证隧道质量的主要措施。管片运到盾构机附近后,由管片吊机卸到靠近安放位置的管片输送平台上,掘进结束后,再由管片输送器送到管片安装器工作范围内,并被从下到上依次安装到相应位置上。当最后一块封顶块安装紧固后,一环管片即安装完毕,可以进行下一环的掘进。

5.4.3 盾尾回填注浆。通常情况下,盾构机的刀盘直径大于管片外径,因此当盾构机盾尾脱出管片后,在土体与管片之间将形成一定厚度的圆环。如果不及时进行回填,隧道上方的土体将有可能塌陷下来,从而引起地面的超限沉降。注浆除防止地面沉降外,还有增强防水和限制管片变形的作用。盾尾脱出管片的同时进行注浆,通过在盾尾内侧周围布置的注浆管进行注射。注浆压力应略大于各注浆点位置的静止水土压力,并避免浆液进入盾构机的土仓中。若盾构机通过后地面沉降仍在发展,则需从相应位置的管片注浆孔进行二次补充注浆。

5.4.4 发泡系统。为改善土体的和易性,保证土仓内土压力的稳定性和出土的顺

畅,在盾构机掘进过程中,将根据土层情况使用发泡剂。相对于膨润土材料、发泡剂还具有以下优点:①重量轻,易与土体混合,搅拌容易;②泡沫会随时间自然消失,碴土易还原到初始状态;③不会污染隧道下部,也不需专门的分离设备;④发泡剂本身具生物性,对周围环境不会产生污染。发泡系统由泡沫发生装置、泡沫发生器、水泵及泡沫泵组成。发泡系统的工作原理主要是:发泡剂(液体)与水按一定的比例混合后,与一定比例的压缩空气在起泡器中生成泡沫后,注入盾构机前部的土体中(或注入螺旋输送机中)。

5.5 盾构出洞

盾构出洞与盾构进洞程序相反。盾构始发阶段是盾构施工过程中开挖面稳定控制最难、工序最多、比较容易产生危险事故的环节,因此结合实际施工环境的始发准备工作显得至关重要。盾构始发是指盾构机利用反力架及临时拼装起来的管片(负环管片)承受来自盾构机的推力,使在始发架上的盾构机向前推进,由始发洞门贯入地层,开始沿设计线路掘进的一系列作业。

5.5.1 洞门凿除:在盾构进出洞前、洞门地层加固后将洞门部位的砼凿除。出洞洞门砼凿除前做好以下工作:⑪当盾构逐渐接近洞门时,在洞门砼上开设观测孔,加强对砼及周围土体的变形监测,并控制好盾构推进时的出土量和推进速度。⑫洞门混凝土凿除前需进行洞门地层加固。

5.5.2 洞门帘布橡胶板安装:在洞门范围内凿除车站围护桩混凝土并割除钢筋后施工洞门帘布,洞门帘布橡胶板主要起密封洞门的作用。在盾构机始发时,防止泥土、地下水从盾构机盾壳和洞门的间隙处流失,造成端头处地面沉降;防止盾尾通过时同步注浆及二次注浆时浆液的流失。洞门帘布在洞口二次注浆浆体凝固后施做洞门混凝土前拆除。

5.5.3 盾构出洞:洞门凿出完毕后,盾构机徐徐推进,这时应当加强盾构掘进管理,控制盾构机的速度、出土量、掘进方向,同时加强盾构机姿态调控,确保盾构能够顺利出洞,并滑入导向架。

5.5.4 盾构机拆卸吊装:盾构推出洞门以后,停靠在导向架上,进行盾构机拆卸。拆卸应由专业人员进行,同时配合吊装进行。一般按节拆卸,先拆除刀盘,吊装运走,其次是前盾、中盾、盾尾及后续车架,拆卸完成后分别吊装运到停放地点。 6 盾构设备的选型

6.1 盾构机选型依据

盾构机选型按其重要性排列如下:1)土质条件、岩性(抗压、抗拉、粒径、成层等各参数);2)开挖面稳定(自立性能);3)隧道埋深、地下水位;4)设计隧道的断面;5)环境条件、沿线场地(附近管线和建(构)筑物及其结构特性);6)衬砌类型;7)工期;8)造价;9)宜用的辅助工法;10)设计路线、线形、坡度;11)电气等其他设备条件。

6.2 盾构机选型的一般程序

综合盾构机的特性与选型的依据。盾构机选型时先要看该盾构机是否有利于开挖面的稳定,其次才考虑环境、工期、造价等限制因素,同时还必须将宜用的辅助工法也加以考虑。只有这样才能选择出一种较为合适的盾构机。

6.3 根据地质条件选择盾构机类型

砂质土类自立性能较差的地层,应尽量使用密闭型的盾构施工。若为地下水较丰富且透水性较好的砂质土,则应优先考虑使用泥水平衡盾构;对粘性土,则首先考虑土压平衡盾构;砂砾和软岩等强度较高的地层自立性能较好,应考虑半机械式或敞口机械式盾构施工。因在相同条件下,盾构复杂,操作困难,造价高;反之,盾构简单,制造使用方便,造价低。针对地下水条件,若其压力值较高(大于0.1 MPa),就应优先考虑使用密封型盾构,以保证工程的安全,条件许可也可采用降水或气压等辅助方法。对于砾径较小的地层,可以考虑各种盾构的使用。若砾径较大,除自立性能较好的地层可考虑采用手掘式或半机械式盾构外,一般应使用土压平衡盾构,若需采用泥水平衡盾构,须增加一个鳄式碎石机,在输出泥浆前,先将大石块粉碎。

6.4 盾构机选型的其他条件

除了地质条件以外,盾构机选型的制约条件还很多。1)工期制约条件;2)造价制约因素;3)环境因素的制约;4)基地条件的制约;5)设计线路、平面竖向曲线形状的制约;6)辅助工法的使用。

7 隧道盾构法施工成本价格分析

隧道盾构法施工技术,因其先进的施工工艺和不断完善的施工技术,使得其在城市地下空间的开发中得到广泛应用,如城市地铁、公路隧道、跨海隧道的建设及城市市政管道的改造等。但因其造价高昂,其进一步推广受到限制。因此,如何合理地控制盾构隧道的建设成本、降低工程造价,已成为当前地下空间开发须认

真研究的课题。

7.1影响隧道盾构法施工成本的主要因素

以下因素对于隧道盾构法施工的成本具有直接的影响。

(1)工程成本随隧道直径、钢筋混凝土管片厚度、混凝土标号及配筋数量的增大而增大。

(2)盾构机价格直接影响设备的折旧水平,如泥水平衡盾构机与土压平衡盾构机比较,前者造价高。

(3)淤泥层、松散砂层具有承压水强度较高的特点,适用于泥水平衡盾构机,由于该设备价格高、泥浆处理系统庞大,所以施工成本较高。其它地层适用于土压平衡盾构机,用土压平衡盾构机施工中砂层价格较低,中风化岩层、微风化岩层价格较高,但与泥水平衡盾构机比较,综合指标可降低15 %左右。

7.2施工成本价格分析

隧道盾构法施工成本由4部分组成,即盾构机的相关费用、盾构机掘进费用、钢筋混凝土管片费用和盾构机安拆、转场费用。以下按中风化岩层、微风化岩层地质条件,使用土压平衡机施工过程来进行成本分析。

7.2.1 盾构机相关费用

盾构机相关费用包括折旧费、大修理费和经常修理费。

7.2.1.1折旧费的计算有两种方法,即工程量法和使用年限法。

(1)工作量法

按工作量法计算盾构机台班折旧费的公式为:

Fzj= Y X (1-c) X I/(L X t) (1)

I=1+1/2 X I X (m+1) (2)

式中:

Fzj——盾构机台班折旧费;

Y——进口设备费用,即到岸价格加国内运费;

C——残值率;

I——时间价值系数;

I——年利率;

M——使用年限;

L——盾构机在使用寿命内平均推进长度;

T——平均每推进1 m所需盾构机台班。

(2)使用年限法

按使用年限法计算盾构机台台班折旧费的公式是:

Fzj=Y X (1-c) X I / Ztb (3)

I=1+1/2 X I X (n+1) (4)

式中:

Ztb——耐用总台班;

N——折旧年限,Fzj、Y、C、I的含义同公式(1)、(2)。

7.2.1.2 盾构机大修理费

每推进1 m盾构机大修理费用的计算公式为:

Fdx=Fx X n/L

式中:

Fdx——每推进1 m大修理费用;

Fx——一次大修理费用总额;

N——寿命期大修次数;

L——盾构机在使用寿命内平均推进长度。

7.2.1.3掘进费用

掘进内容包含负环段、出洞段、正常段、进洞段以及出渣(洞内、洞外)。

7.2.1.4钢筋混凝土管片费用

按工作内容,该部分费用包括混凝土管片、钢筋、注浆费等。

7.2.1.5盾构机安拆及转场费用

盾构机拆卸及转场费用比较难确定,定额中有4个子目,分别是整体吊装、整体拆卸、盾构车架安装、盾构车架拆除。

7.3降低隧道盾构法施工成本的技术措施

就技术措施方面,本文主要是以盾构隧道法施工的各项成本费用构成为出发点而进行分析研究的。构成费用的主体有:管片衬砌、机器设备、废土运输处理及竖井建造的防护费用。

7.3.1降低管片和二次衬砌成本的措施

7.3.1.1合理的设计方法

7.3.1.2衬砌的省略

7.3.1.3增加管片宽度

7.3.1.4预应力高强管片的使用

7.3.2降低机器设备成本的措施

7.3.2.1合理的盾构机选型

7.3.2.2特种盾构机的使用

7.3.2.3高效高能切削刀具的使用

7.3.2.4降低竖井建造成本的措施

7.3.2.5施工高速化

8 盾构法施工对环境的影响研究

8.1盾构法引起地面沉降

盾构法施工会引起地层移动而导致不同程度的地面和隧道沉降,当沉降达到一定程度时就会影响地面建筑、地下设施和隧道本身的正常使用。

盾构推进过程中产生地面沉降的根本原因是施工对周围土体的扰动。盾构推进过程中产生的地面沉降由以下5个部分组成: (1)盾构到达前的地面沉降s1,,占总沉降量的0.0%~4.5%: (2)盾构到达时的地面沉降,占总沉降量的0.0%~44.0%;(3)盾构通过时的地面沉降s2,,占总沉降量的0.0%~38.0%; (4)盾构通过后的瞬时地面沉降s3,占总沉降量的20.0%~100.0%;(5)地表后期固结沉降s4,占总沉降量的4.0%~32.0%。

地面沉降变形的影响范围主要受两类剪切破坏面的控制,地面沉降是盾构推进过程中在土中引起的附加应力

使地下管线或地下建(构)筑物沿盾构推进方向产生挠曲变形;

的建(构)筑物产生不良影响; 造成的。会会对盾构两侧主要引起地面沉降或隆起,可能引起盾构面前方土体塑性区的发展,使土体发生剪切破坏。

8.2盾构法施工排水的影响

地铁隧道不可避免地要经过含水量较高的地层,所以,必将受到地下水的影响。

8.2.1盾构法施工排水的影晌范围

盾构法施工排水不仅会使开挖范围内的水位降低,而且会引起开挖区附近一定范围内的地下水位下降,在隧道附近一定范围内形成水位凹槽。从国内外发展现状来看,隧道疏干影响半径的确定一直是难于突破的重要水文地质问题,不同学者、不同单位给出的计算公式往往差别较大。

8.2.2盾构法施工排水引起地面沉降

排水引起的地面沉降,是由于含水层(组)内地下水位下降,水压降低,使粒间应力即有效应力增加的结果.根据Terzaghi定律,有

8.3地震对盾构隧道的影响

盾构法施工的地铁隧道,由于其具有埋深浅、纵向刚度小的特点,而且近期已经或即将修建的一些地铁隧道多处于易液化的粉土、粉细砂层之中,而其中由于饱和砂土液化所引起的震害后果就更加严重。所以,地铁隧道的抗震液化问题就更加引起人们的重视.

盾构隧道的抗震分析方法主要采用拟静力法和动力数值分析法。

拟静力法有地震系数法和反应位移法。地震系数法,其基本思想是将作用在地下结构上的地震力等效为静力,其作用的位置为构件的重心,大小为结构重力乘以设计地震系数;反应位移法,即不考特殊盾构应用简介虑地下结构本身的惯性力和阻尼项,而仅把地下结构看作一根弹性地基梁,通过一系列弹簧与地层连接,这样,地下结构所受的地震力由周围土层的位移所决定,通过土层变形来计算结构的地震响应。

动力数值分析法是近年来发展起来的一种方法,该方法可以很好地处理介质中的非均匀性、各向异性、非线性、复杂的几何形状及边界条件,并且在计算精度上较为可靠。

盾构隧道地震响应的动力数值分析显示,隧洞顶的动位移、动弯矩(只受地震作用)时程曲线的振动周期基本相同,当地震作用减弱后,两者也出现了衰减

趋势。在地震作用下,盾构隧道的埋深越大、洞径越大、洞体衬砌的弹模越高,

则洞顶的动位移就越小。

9 盾构施工风险

9.1盾构施工风险发生机理

通过前述对风险构成要素的研究,结合盾构施工的具体过程,可以将盾构施工风险发生机理可以简单的描述为:在施工过程中,由于存在于孕险环境中风险因素在外界各因素的激发作用下,导致承险体的形态发生预期相反的改变,造成空间状态的破坏,形成损失。这些损失是指实际收益与预期收益的差值,有可能为正,也可能为负。正值为收益,负值为将实际情况修复到预期情况所支付的经济、时间等代价。在盾构系统主要有致险因子、孕险环境、风险、承险体、风险损失构成,各要素相互作用,形成风险发生、发展、变化的程序和机制,构成风险运营的机理。以本文研究的软土地区盾构隧道工程施工风险为例,致险因子包括人员、材料、机械、自然环境、社会环境、第三方等;孕险环境内涵宽泛,广义上包含盾构施工所在的客观环境;承险体包括盾构隧道、地面建筑物、路面系统、地下管网、社会群体和生态环境等;风险损失最终通过经济损失、工期损失、人员伤亡、社会影响、环境影响等来表现和计量。

9.2地铁盾构施工风险因素分类

风险因素不仅存在于项目内部,而且存在于项目外部。项目内部风险指的是形成工程实体本身的风险,一般情况下,可分为人员、材料、机械三个最基本的因素。人员因素是指在盾构施工过程中,人的职业能力、职业道德、职业意识、工作失误等方面影响盾构施工形成风险事故的因素。由于人类具备主观能动性,这也是施工风险分析最复杂的因素之一。材料是指构成工程实体的组件,材料种类、数量、质量、耐久程度等将直接影响工程质量和安全施工过程。机械是由人驾驭、将材料建成项目实体的工具,它的风险相对客观,盾构选型不佳、与地质不相适应性、盾构拼装错误、盾构机故障等都构成风险因素。

项目所存在于的外部环境即自然环境和社会环境同样存在风险。社会环境风险范围宽泛,由社会影响风险、供电保障、应急预案、政府部门意志、社会机构压力、社会监督缺失等因素组成,影响巨大,且不可见,不可忽视。自然风险因素系是指工程所存在于的自然环境,包括工程水文地质、地下管线、地表变形、建筑物沉降、自然灾害等等是最明显的表现。

管理也构成盾构施工的风险。管理是联系施工内部之间和外部因素之间以及内外部因素之间的纽带。通过管理将人工材料机械构成工程实体。通过管理降低社会风险、自然环境风险等的影响。通过管理将项目内外部风险因素协调起来降低工程风险,因此管理也构成项目的风险之一。管理风险主要包括端头加固风险、修建始发井风险、掘进管理、线型管理、线型管理、注浆管理等。

按照上述风险因素划分原则,对盾构施工风险因素进行分类,结果如下表 3-9.3 盾构施工风险因素分类表所示:

9 特殊盾构类型

9.1偏心多轴盾构法

原理:偏心多轴盾构采用多根主轴,垂直于主轴方向固定一组曲柄轴,在曲柄轴上再安装刀架。运转主轴刀架将在同一平面内做圆弧运动,被开挖的断面接近于刀架的形状。因此,可根据隧道断面形状要求设计刀架是矩形、圆形、圆环形、椭圆形或者马蹄形。

特点:可根据需要选择刀架形状开挖任意断面的隧道;刀具的行走距离小;采用十字形交叉式刀片,可进行全方位开挖。

9.2 MF盾构法

原理:由多个圆形断面的一部分错位重合而成,可同时开挖多个圆形断面的盾构法。

特点:由多个小型圆形断面叠合而成,开挖量小断面利用率高;

对线形的选

择有更多的灵活性;可根据土质情况和施工条件以及对周围环境影响的需要,采用泥水盾构或者土压盾构。

9.3 自由断面盾构法

原理:在一个普通圆形盾构主刀盘的外侧设置数个规模比主刀盘小的行星刀盘。随主刀盘的旋转行星刀盘在外围做自转的同时绕主刀盘公转,行星刀盘公转的轨道由行星刀盘扇动臂角度确定。通过对行星刀盘扇动臂的调节课开挖各种非圆形断面的隧道。

特点:可开挖多种非圆形断面的隧道,选择细长型断面使宽度或深度受限制的地下空间更有效地得到利用。

9.4 球体盾构法

原理:球体盾构是利用球体本身可自由旋转的特点,将一球体内藏于主机盾构的内部,在球体内部又设计一个后续次机盾构。先行盾构完成前期开挖后,利用球体的旋转改变隧道的推进方向,进行后期隧道的开挖。

特点:隧道推进过程中开挖刀具的交换和维修非常方便,适用于长距离隧道的开挖;竖向工作井和隧道施工的安全性和施工速度大大提高;节省工作井的费用。

9.5 MSD盾构法

原理:采用个机械对接的一种地下接合盾构施工法,具体为制作一对盾构,一台叫做发射盾构,另一台叫做接收盾构。

特点:不受地上交通和海底施工条件的制约,可任意选择地下对接地点;几乎不发生低级沉降和隆起现象,对使用中的交通及邻近居民影响小。

9.6 泡沫注射盾构法

原理:泡沫注射盾构法是边向开挖面或土压平衡舱内注入一种配置好的特殊泡沫材料,边推进的一种盾构施工方法。

特点:良好的流动性;开挖面土压波动小;较好的止水性能;残土的处理和搬运容易;隧道内部整洁干净;使用设备小。

9.7 CPS盾构法

原理:CPS盾构法是向土压舱内掺入一些化学剂,使开挖土具有一定止水能力已保证开挖面稳定的一种更适合于开挖深度大、水压高的土压平衡盾构施工法。

特点:适合开挖深度达、水压高的沙砾土层;适用于各种土质的土体和地下水;对环境影响小。

9.8 DOT盾构法

原理:DOT盾构法师在同一个开挖平面上安装2对辐条形刀具的土压式盾构。 特点:断面面积小,经济合理;布置形式自由;盾构行径控制容易;总体成本低。

9.9 H&V盾构法

原理:H&V盾构法是将几个圆形断面根据需要进行组合,以开挖多种隧道断面形式的一种特殊施工方法。

特点:H&V盾构特制的铰接式改向装置,对盾构机的行径以及方向的控制比较容易;设计线路时不受周边障碍物的限制。

9.10 ECL盾构法

原理:ECL盾构法的掘进与一般盾构法完全不一样,不同点是隧道的衬砌不是采用预制好的管片,而是在盾尾部进行混凝土现浇。施工时采取边推进边教主混凝土衬砌的方式,由加压千斤顶提供反力使混凝土密贴土体,并使现浇衬砌混凝土密实。

特点:利用盾构的反力可制作密实的混凝土衬砌,提高混凝土的强度和衬砌防水性能;衬砌混凝土的充填和浇注与隧道开挖同步进行,加压千斤顶提供的施加的压力,可根据周边土压力和水压力的大小进行调整,从而使周围土体的变形可控制在较小的水准。

9.11 局部扩大盾构法

原理:在隧道的任意位置对局部断面进行扩大的一种施工方法。

特点:可进行左右和上下全方位偏心局部扩大;无需设置施工场地和工作井,对周边环境的影响小。

10 盾构发展方向

开发用于海底、江底公路、隧道的大口径圆形断面隧道掘进机(Φ≥16m),实现单向3车道,达到高速公路车流要求;开发小口径(Φ=1m)盾构掘进机,对市区密集建筑有自动导向、自动避开硬块等功能;开发异形断面隧道掘进机,满足城市共同沟构筑的要求。刀盘、刀具是隧道掘进机上的重要组成部分之一。研

究、开发不仅能自动更换刀盘而且刀头具有耐热、耐磨、耐腐蚀高硬度的材料,使得在隧道掘进机上安置的刀具既可切削坚硬的岩石,又可搅削含水软土层(即混合形盾构),达到对多种不同性质的土层作稳定掘削。开发激光、陀螺并用的自动方向控制,新的卫星GPS定位系统,从而迅速准确地判断隧道掘进机姿态和设计轴线的偏差。提高隧道掘进机止水性能,加强土砂入口密封止水性能;开发新型的耐压性能和弹性止水性能良好的压力平衡式盾尾密封装置。进一步提高千斤顶推进速度(0.1m/min),控制切削速度和进切深度。增设刀盘的制冷装置;适当扩大刀盘缝隙;增加滚筒式刀头,提高对较大卵石、石块破碎能力;采用双线路排泥系统,提高泥水分离处理能力,使其与双线路排泥系统适应。这样,可大幅度地提高推进速度。开发强度高、流动性好的钢纤维混凝土衬砌系统。研制开发在大坡度、小曲率半径线路上施工的盾构。管片制作、运输、拼装的新技术和装备。开发新的接缝防水材料,更新接缝防水、堵漏的施工工艺,彻底解决隧道衬砌渗漏问题。研制盾构穿越特殊有害地层的施工工艺和技术装置。 11 结束语

盾构法施工是利用盾构机在地面以下暗挖隧道的一种施工方法。盾构机是一种集开挖、支护、推进、衬砌等多种作业功能于一体的大型暗挖隧道施工机械。由于其自身的优点决定了盾构机在城市地铁隧道中突出的应用价值,把握盾构施工工艺、盾构施工成本、盾构施工对环境的影响、盾构风险等环节将有利于对盾构法施工未来发展前景进行更好的预测。

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