第3讲：盾构法施工

同学们好，第12讲继续城市轨道交通工程模块，讲盾构法施工，对应大纲SZ0302，历年案例分值约25分。盾构法是城市地铁区间隧道最主要的施工方法，具有施工速度快、对地面交通影响小、施工安全等优点。案例题通常以盾构隧道施工为背景综合考查选型、始发接收、掘进控制、管片拼装和地表沉降，本讲重点掌握盾构选型依据、始发端头加固、掘进四要素控制、管片拼装质量和地表沉降控制标准。

先说盾构选型，这是案例题经常考的第一步。盾构类型主要根据地层条件和地下水情况选择。手掘式盾构采用人工开挖，适用于地层自稳性好无地下水的情况，目前城市地铁基本不用；半机械式用机械开挖配合人工修整，也较少使用。目前应用最广泛的是土压平衡盾构，简称EPB，通过切削下来的土体充满土仓建立土压平衡掌子面，适用于冲积层、洪积层、砂层、砂砾层等多种地层，适用的渗透系数一般不大于10的负4次方cm/s。泥水平衡盾构通过向土仓输送泥浆建立泥水平衡掌子面，适用于饱和含水砂层、砂砾层、高渗透地层以及江河水下隧道，适用渗透系数大于10的负4次方cm/s的地层。复合式盾构同时具备土压和泥水两种功能，可通过切换模式适应不同地层，适用于上软下硬等复合地层。

选型要综合考虑七个因素：工程地质条件包括土层类型、颗粒级配、密实度、黏聚力、内摩擦角、渗透系数；水文地质条件包括地下水位、含水层类型、渗透性、承压水情况；隧道断面尺寸和长度；线路条件包括平曲线和竖曲线半径、坡度；周边环境条件包括地表建筑物、地下管线、江河湖泊等；施工安全和工期要求；经济性。简单记：黏性土优先土压平衡，富水砂层优先泥水平衡，渗透系数10的负4次方cm/s是分界，上软下硬选复合式，岩层选配置滚刀的复合盾构或TBM，小半径曲线要选带铰接装置的盾构，穿越重要建筑物优先选沉降控制精度高的类型。黏土选土压，砂层选泥水；负四次方界，复合用双模。

接下来讲始发与接收，端头加固是关键。端头加固的目的有三个：防止盾构始发或接收时破除洞门后土体坍塌，防止地下水涌入工作井，保证始发接收段施工安全。加固范围要记牢：始发端长度不小于盾构主机长度一般6到8m，接收端不小于主机长度的1.0到1.5倍，接收端比始发端更长；宽度为隧道结构外侧各2到3m；深度为隧底以下2到3m。加固方法有五种：深层搅拌桩适用于黏性土粉土砂层；高压旋喷桩适用于多种地层可在狭窄空间施工；注浆法包括袖阀管注浆花管注浆适用于砂层卵石层；冻结法适用于各种地层尤其含水量大的但造价高工期长；SMW工法适用于软土地层。加固质量要求：土体有良好的均匀性和自立性，无侧限抗压强度不小于0.8到1.0MPa，渗透系数不大于10的负7次方cm/s。加固完成后必须通过取芯检测强度、钻孔检测渗透性，合格后方可破除洞门。

始发施工要点：完成端头加固并检验合格；安装始发基座导轨，高程轴线坡度符合设计要求并与预埋件焊接或锚固牢固，基座如果固定不牢盾构始发时在推力作用下移位会导致姿态偏离；安装反力架，要有足够刚度和强度后座支撑牢固；盾构主机吊装下井在基座上组装调试；安装洞门密封装置包括帘布橡胶板和折页压板，防止始发时水土流失，始发前仔细检查必要时在洞门圈外侧加注密封油脂；前10到15m为试掘进段逐步调整和掌握掘进参数；始发阶段控制掘进推力和速度避免盾构抬头或低头；负环管片保证圆度和位置准确反力均匀传递。

接收施工要点：完成接收端加固并检验合格；安装接收基座位置和高程准确；接收井洞门安装密封装置；到达接收段前50m进行联系测量复核盾构姿态和隧道轴线；到达段10到15m降低掘进参数控制推力和速度缓慢推进；刀盘抵近洞门时确认加固体稳定性后方可破除洞门；逐步推进上接收基座及时封堵洞门间隙；接收后及时进行洞门注浆密封和防水处理。

排土量控制也很重要。理论排土量等于开挖断面面积乘以掘进距离，实际排土量应与理论排土量基本一致。排土量超过理论值即超排，说明掌子面或盾尾后方土体流失会导致地面沉降；排土量少于理论值即欠排，说明土仓积土可能导致土压增大地面隆起。螺旋输送机转速控制排土量要与掘进速度协调。泥水平衡盾构则控制泥水压力波动在±20kPa以内，泥浆比重一般进浆1.05到1.20，黏度过低无法形成有效泥膜过高则排泥困难，送排泥流量要保持平衡，砂层中提高泥浆黏度和比重。

壁后注浆必须掌握。作用是填充管片与围岩之间的建筑空隙防止地层沉降、作为隧道第一道防水层、稳定管片限制位移、提高隧道整体抗震性能。分同步注浆和二次注浆：同步注浆在盾构推进同时通过盾尾注浆管注入填充建筑空隙，是最主要的注浆方式；二次注浆在同步注浆之后通过管片注浆孔补充注浆弥补不足或加固特定地段。注浆参数：压力一般0.2到0.4MPa不大于管片设计承受压力，注浆量为理论空隙量的130%到180%，速度和掘进匹配，浆液凝结时间4到10小时根据地层和掘进速度调整。

关于排土量管理再展开说一下，这是案例题中判断沉降原因的重要依据。理论排土量等于开挖断面面积乘以掘进距离，但实际操作中要用渣土运输车的斗容或称重来核对。每环掘进完成后要核对实际排土量与理论排土量是否一致，如果连续几环出现超排就要引起重视，检查土压设定是否偏低、掌子面是否有坍塌。欠排则要检查土仓是否积土、螺旋输送机是否顺畅。排土量管理和土压控制、注浆管理并称为盾构掘进三大管理，考试中如果给出每环出土量数据让你分析沉降或隆起原因，就要从超排或欠排的角度去判断。掘进四要素：土压推力速度扭；土压平衡防沉降，注浆饱满百三到百八。

第四块管片拼装。盾构隧道管片一般为钢筋混凝土管片，由标准块、邻接块和封顶块组成，常见6块即3块标准块加2块邻接块加1块封顶块，管片之间通过螺栓连接。接缝防水靠弹性密封垫，材料为三元乙丙橡胶或氯丁橡胶，在管片制作时粘贴在预留沟槽内，拼装后密封垫被压缩形成防水屏障，内侧接缝可嵌填密封胶作为辅助防水。

拼装要点：进场检查外观质量、尺寸偏差、螺栓孔位置和密封垫粘贴质量；拼装前清理盾尾杂物核对管片类型和编号；从底部开始左右对称交叉进行，先标准块再邻接块最后封顶块；封顶块宜先径向搭接2/3管片宽度再纵向缓慢推入就位，不得径向直接打入或强行打入；环面平整相邻环片错台不大于5mm；环向和纵向螺栓按规定力矩拧紧，拼装过程中及时拧紧，脱出盾尾后再次拧紧；检查椭圆度环面平整度和接缝张开量；发现破损裂缝及时更换或修补。

常见质量问题及原因要掌握。错台原因是盾构姿态偏差大纠偏过急、拼装时未对中、注浆不均匀导致偏压、管片尺寸偏差，预防是控制姿态平缓纠偏精确对中均匀对称注浆。开裂破损原因是千斤顶推力过大或偏心、管片受力不均、拼装时碰撞、密封垫压缩不均、运输堆放不当，预防是控制推力和编组避免偏心受压轻放避免碰撞螺栓及时拧紧。渗漏原因是密封垫粘贴不牢或脱落、接缝张开量过大、密封垫压缩不均匀、管片开裂形成渗水通道，预防是保证粘贴质量控制拼装精度减小接缝张开量对渗漏接缝注浆堵漏。上浮原因是同步注浆浆液凝结时间过长管片在液态浆液中受浮力作用、盾构姿态抬头，预防是调整配合比缩短凝结时间控制姿态避免抬头及时二次注浆。

特别提醒：封顶块直接径向压入或强行打入会导致角部破损密封垫损坏，必须先搭2/3再纵向推入；螺栓脱出盾尾后必须复紧，因为受注浆压力和地层应力作用螺栓可能松动；密封垫脱落损坏不能用其他材料填塞代替必须重新粘贴合格密封垫；发现错台超标不能继续拼装要及时调整。管片拼装对称拼，封顶先搭后推入；错台不超五毫米，螺栓复紧不能忘。

第五块地表沉降控制。盾构施工引起的地表沉降一般分为五个阶段：先行沉降是盾构到达前因地下水降低或土体扰动引起的沉降；开挖面前沉降或隆起是刀盘到达时土压不平衡引起的；通过时沉降是盾构壳体通过时盾壳与土体间摩擦和超挖引起的；盾尾空隙沉降是管片脱出盾尾后建筑空隙未及时填充引起的，这是最显著的阶段；后续沉降是盾构通过后土体固结和蠕变引起的长期沉降。沉降控制值一般为-30mm即沉降不超过30mm隆起不超过10mm，穿越重要建筑物时控制值更严一般为-10到-15mm，地表沉降速率一般控制在2mm/d，建筑物沉降和倾斜按相关规范和设计执行。

控制措施九条：合理设定和保持土仓压力或泥水压力使掌子面压力与水土压力平衡；控制掘进参数保持推力速度扭矩稳定避免大幅波动；同步注浆及时饱满注浆量为理论空隙量130%到180%；必要时进行二次注浆补充填充和加固；严格控制排土量防止超排；对软弱地层进行超前地层改良或加固；加强监测根据数据及时调整参数做到信息化施工；穿越重要建筑物前编制专项方案必要时采取隔离桩注浆加固等保护措施；确保管片拼装质量减少接缝渗漏和后期变形。监测项目包括地表沉降观测、建筑物沉降和倾斜监测、地下管线沉降和位移监测、土体水平位移和分层沉降监测、管片变形和接缝张开量监测、地下水位监测。

关于地表沉降的监测布置再补充几句。监测断面一般沿隧道轴线每隔一定距离布设，在隧道正上方和两侧一定范围内布置沉降观测点，横向监测范围一般为隧道两侧各1到2倍洞径。盾构刀盘到达监测断面前就要开始测读初始值，盾构通过期间每天监测，盾尾通过后还要持续监测直到沉降稳定。穿越重要建筑物时，除了地表沉降点还要在建筑物上布设沉降和倾斜监测点，必要时布设裂缝观测片。如果监测发现沉降速率突然增大或累计值接近控制值，要立即分析原因调整掘进参数，必要时停工采取加固措施，不能等沉降超标了再处理。信息化施工的核心就是用监测数据指导掘进，而不是凭经验盲目推进。

来，看这道综合题。某城市地铁区间隧道采用土压平衡盾构施工，外径6.2m内径5.5m，C50钢筋混凝土管片每环宽1.2m，埋深12到18m。地层为杂填土2m、粉质黏土5m、粉细砂4m、卵石3m、粉质黏土，地下水位埋深4m，隧道主要穿越粉细砂和卵石层，需穿越一栋5层砖混住宅楼水平净距约5m。事件一：施工单位认为土压平衡应用最广泛直接选用。事件二：始发段掘进50m后地表最大沉降45mm，同步注浆量每环3.5立方米注浆压力0.15MPa。事件三：穿越住宅楼前按正常参数通过未采取特殊措施，穿越后建筑最大沉降32mm墙体出现裂缝。事件四：封顶块从径向直接打入就位，部分管片角部破损。

再看一道小题。某盾构在黏土地层掘进，刀盘扭矩持续增大推进速度下降土仓温度升高；管片脱出盾尾后上浮最大60mm；部分管片接缝渗漏。扭矩增大原因是黏土在刀盘面板和土仓内重新固结形成泥饼，处理是加注泡沫或水改善流动性、适当降低速度空转刀盘搅拌、严重时带压进仓清理、调整泡沫注入参数。上浮原因是同步注浆浆液凝结过长管片在液态浆液中受浮力、盾构姿态抬头、注浆量不足或位置偏下，预防是缩短凝结时间采用早强浆液、控制姿态避免抬头、保证注浆饱满均匀管片上部增加注浆量、及时复紧螺栓、加强姿态监测。渗漏原因是密封垫粘贴不牢或拼装中脱落损坏、接缝张开量过大或错台超标压缩不均、管片开裂形成通道、同步注浆不饱满背后有空隙，处理是壁后注水泥水玻璃双液浆止水、内侧接缝清理后嵌填聚氨酯密封胶、裂缝用环氧树脂灌注、严重段二次补强注浆。

这一讲的核心内容帮大家梳理一下。盾构选型记住渗透系数10的负4次方cm/s这个分界，黏土选土压富水砂层选泥水复合地层选复合式。始发接收端头加固长度不小于主机长度接收端1.0到1.5倍，加固后强度不小于0.8MPa渗透系数不大于10的负7次方cm/s，洞门密封要可靠，始发段低速试掘进接收段提前联系测量降低参数。掘进四要素土压推力速度扭矩，土压平衡是关键排土量和理论量一致，同步注浆量理论量130%到180%压力0.2到0.4MPa。管片拼装从底部对称拼，封顶块先搭2/3再推入，错台不大于5mm，螺栓脱出盾尾后复紧。地表沉降五阶段中盾尾空隙沉降最显著，控制土压平衡注浆饱满参数稳定及时监测，穿越建筑物必须编专项方案布点监测地层加固。

下一讲继续轨道交通模块，讲暗挖法与顶管施工，对应大纲SZ0303，历年案例分值约24分。喷锚暗挖法又叫矿山法，是城市浅埋暗挖隧道的主要施工方法，"管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测"十八字方针是核心。超前支护怎么选、初期支护质量怎么控、防水层和二次衬砌怎么做、监控量测有哪些必测项目，还有顶管施工的关键技术，下一讲逐一讲透。做好预习，第13讲见。