1、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)及土工安全問(wèn)題總結(jié)講解目錄盾構(gòu)機(jī)的介紹盾構(gòu)機(jī)施工中的土工安全問(wèn)題一、盾構(gòu)機(jī)介紹盾構(gòu)機(jī)的機(jī)型1.敞開(kāi)式盾構(gòu)（采用自然支護(hù)和機(jī)械支護(hù)）2.壓縮盾構(gòu)（壓縮空氣支護(hù)式）3.泥水盾構(gòu)（泥水支護(hù)式）4.土壓平衡盾構(gòu)（土壓平衡支護(hù)式）盾構(gòu)選型依據(jù)粒度分布、抗壓強(qiáng)度、含水率、礫徑、液限、塑限、內(nèi)摩擦角、土粒相對(duì)密度、孔隙比等。.地上地下建筑物分布、管線分布，河流、交通、氣候、水電等等。.易用性、適用性盾構(gòu)類(lèi)型選擇 工程地質(zhì)、水文、隧道長(zhǎng)度 周?chē)h(huán)境、工程籌劃、工期 宜用的輔助工法、技術(shù)經(jīng)濟(jì)二、盾構(gòu)施工過(guò)程中的土工安全問(wèn)題 小推廣：由于南昌地鐵主要選用土壓平衡盾構(gòu)，現(xiàn)先討論土壓平衡盾構(gòu)： 開(kāi)挖面穩(wěn)定機(jī)

2、理：使刀具切下的土砂呈塑性流動(dòng)，充滿(mǎn)于土倉(cāng)內(nèi)以控制開(kāi)挖面，用螺旋輸送機(jī)和排土調(diào)整裝置來(lái)調(diào)整排土，使之與切削土量保持平衡，并使土倉(cāng)內(nèi)的圭砂有一定壓力，以抵抗開(kāi)挖面的土壓力、水壓力；用土倉(cāng)內(nèi)和螺旋輸送機(jī)內(nèi)的土砂獲得止水效果。 一、 盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)開(kāi)挖面穩(wěn)定問(wèn)題為什么會(huì)有穩(wěn)定問(wèn)題：由于地質(zhì)條件和施工工藝的限制，很難避免盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)對(duì)環(huán)境的擾動(dòng)及過(guò)大地面沉降。這種環(huán)境的破壞主要取決于盾構(gòu)開(kāi)挖面的穩(wěn)定性。盾構(gòu)穩(wěn)定開(kāi)挖面方式：1、敞開(kāi)式。2、閉胸式。目前95%采用閉胸式，敞開(kāi)式不加多述。NO.1 泥水盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定：（一）機(jī)理： 1、以泥水壓力來(lái)抵搞抗開(kāi)挖面的土壓力和水壓力以保持開(kāi)挖面穩(wěn)定，同時(shí)，挖制開(kāi)挖面變形

3、和地基沉降。 2、在開(kāi)挖面形成弱透水性泥膜，保持泥水壓力有效作用于開(kāi)挖面。（二）為保證開(kāi)挖面穩(wěn)定，泥水需具用的特性：為了保持開(kāi)挖面穩(wěn)定，泥水和開(kāi)挖面交界處必須可靠面迅速地形泥膜！泥水應(yīng)具有以下特性。1、泥水密度：理論上講密度越靠近開(kāi)挖土體密度越好。但對(duì)開(kāi)挖效率不利。故需找到一個(gè)最佳的泥水密度，一般為。2、含砂量：因?yàn)殚_(kāi)挖表面相當(dāng)于有一個(gè)篩子，分3種情況：1、篩孔大（相當(dāng)于砂礫土）泥水全部向開(kāi)挖面滲，不形成泥膜。2、篩孔中等（砂質(zhì)土）泥水部分向開(kāi)挖面滲，部分形成泥膜。3、篩孔?。ば酝翆樱?，泥水全部形成泥膜。小推廣： 透水性土體中：泥膜形成快慢與摻入泥水中砂粒的最大粒徑及含砂量（砂粒重/黏土顆粒

4、重）有關(guān)。砂粒有填堵土體孔隙作用。砂粒應(yīng)比土體孔隙大且含量適中。先確定土體滲透系數(shù)，再確定最佳確定最大砂粒，并確定含砂量。（砂質(zhì)土等滲透系數(shù)大的要重視最大砂粒徑）3、泥水黏性：適當(dāng)黏性有下列效果：a、防止泥水中的黏土、砂粒在泥水室內(nèi)沉積，保持開(kāi)挖面穩(wěn)定。b、提高黏性，增大阻力，防止逸泥。c、使開(kāi)挖下來(lái)的棄土以流體輸送，經(jīng)后處理設(shè)備濾除廢渣，將泥水分離。 泥水屬賓漢體，有屈服值YV。YV測(cè)定很復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)用“范內(nèi)爾黏性值”代替。 方法500mL泥漿自漏斗狀容器中完全流出所用的時(shí)間。和范內(nèi)爾值表作對(duì)比即可。4、具有抑制土體塌方和泥水劣化的優(yōu)越機(jī)能。5、對(duì)于溫度和壓力的穩(wěn)定性高。6、不易受鹽分和水泥等

5、電解質(zhì)影響。7、對(duì)細(xì)菌和有機(jī)物具有免疫、不變化等性質(zhì)。(三) 壓力取值 由水壓力、土壓力、預(yù)留荷載決定。1、 水壓力：即開(kāi)挖面孔隙水壓力（地質(zhì)勘察得到）。2、 土壓力：目前無(wú)固定方法。最好是用“太沙基”松弛土壓力公式計(jì)算。先求出豎直壓力，再換算成水平土壓力?，F(xiàn)在用電算較快。3、 預(yù)留壓力：因?yàn)榍懊嬷v了，有部分泥水難免會(huì)滲入前面土體，這樣土倉(cāng)內(nèi)壓力會(huì)下降。所以還預(yù)留10-20KPa壓力。NO.2 土壓平衡盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定：（一）機(jī)理：使刀具切下的土砂呈流塑性流動(dòng)，充滿(mǎn)土倉(cāng)以控制開(kāi)挖面；用螺旋輸送機(jī)和排土調(diào)整裝置來(lái)調(diào)整排土，使之與切下來(lái)土量保持平衡，并使土倉(cāng)內(nèi)有一定壓力，以抵抗開(kāi)挖面的土壓力、水壓力

6、；用土倉(cāng)內(nèi)和螺旋輸送機(jī)內(nèi)的土砂獲得止水效果。（二）保證開(kāi)挖面穩(wěn)定機(jī)理 怎么讓開(kāi)挖面穩(wěn)定？要看土質(zhì)。一般分：黏性土、砂質(zhì)土。 a.黏性土：一般都有流塑性，只要保證土倉(cāng)內(nèi)泥土流動(dòng)速率在控制范圍內(nèi)保證一定壓力即可，相應(yīng)方法不多述。 b.砂性土層：砂性土內(nèi)摩擦角大，難以獲得良好流動(dòng)性，方法：加注外加劑、加裝攪拌棒。主要目的也是保證土壓力。(三）土壓的控制和泥水盾構(gòu)一樣：即土壓、地下水壓、預(yù)留壓力決定。1、土壓力：方法和前面不同，分深埋隧道、淺埋隧道兩種情況討論。 （深埋隧道、淺埋隧道區(qū)別：以H=（2-2.5）h公式區(qū)分。）深埋隧道其次：如果是深埋，用下面公式：首先：判斷深埋、淺埋。如果是深埋：最后：豎

7、向力換算成水平應(yīng)力，用下表就OK:淺埋隧道 1、原狀靜止土：水平應(yīng)力為其中：2、壓力不夠，土下滑發(fā)生沉降（主動(dòng)土壓力）：3、壓力過(guò)大，土體上滑發(fā)生隆起（被動(dòng)土壓力）：（四）水壓的控制 計(jì)算公式和以前所學(xué)水壓強(qiáng)一樣。在計(jì)算時(shí)，刀盤(pán)后部的水壓力和刀盤(pán)前方的水壓力取最大值考慮。 （五）預(yù)備壓力 在土壓力、水壓力基礎(chǔ)上再加10-20KPa。 綜上所述，土壓平衡盾構(gòu)中，土壓力介于：水壓力+主動(dòng)土壓力、水壓力+被動(dòng)土壓力之間才可。（五）其它要考慮的因素 比如在特殊地層，如互層地層、軟土層等。1.互層中：一般以釋放荷重最大的那一層來(lái)決定控制壓力（因?yàn)榍懊嬷鲃?dòng)、被動(dòng)土壓力公式中有一項(xiàng)參數(shù)：內(nèi)摩擦角。而此項(xiàng)和地

8、層有關(guān)）。2.軟土層中：主要是加大預(yù)留壓力，適當(dāng)提高控制壓力。（開(kāi)挖面的變形與開(kāi)挖半徑的4次方成正比，所以在大半徑開(kāi)挖面，要控制開(kāi)挖面變形。） 二、盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中土工問(wèn)題。 在市區(qū)地下施工時(shí)，為防止危及地表建筑物和各類(lèi)地下管線等各類(lèi)設(shè)施，對(duì)地表的沉降量應(yīng)嚴(yán)格的控制。從某種意義上講：能否有效控制地層位移（主要為地面沉降）是盾構(gòu)法施工的成敗關(guān)鍵。 1、因開(kāi)挖造成地層原始應(yīng)力狀態(tài)的改變 2、因地層損失引起地層位移 （包括：建筑空隙、超挖、欠挖、土層流失。如：盾構(gòu)工作面前方土體的擠入；盾構(gòu)上方土體擠入因盾構(gòu)外殼直徑和拼裝管片直徑不同產(chǎn)生的建筑空隙；盾構(gòu)糾偏所引起的土體超挖；盾構(gòu)推進(jìn)有曲率時(shí)所造成的土體

9、損失；盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，切口環(huán)上的突緣引起的超挖。） 3、回盾構(gòu)的推進(jìn)，引起土體孔隙水壓力變化，或因降水引起地下水位下降，引起土體的固結(jié)沉降。 4、管片結(jié)構(gòu)變形及土體的固結(jié)和流變。 1、隧道埋深的影響 實(shí)踐表明：隧道埋深對(duì)地層位移的影響因地層情況各異。具體有個(gè)公式，不多述。2、隧道介質(zhì)種類(lèi)和環(huán)境的影響 盾構(gòu)法施工地面沉陷槽寬度主要取決于最接近隧道拱頂?shù)哪且粚油恋臓顩r，從另一方面來(lái)說(shuō)：如果隧道完全位于地下水位下，那么緊挨隧道上方的承壓水土層對(duì)沉陷槽有重大影響。 3、上部荷載的影響 這就是前條所說(shuō)和埋深有關(guān)，隧道上方的豎直壓力對(duì)地層沉陷的影響極大，這里我們用“穩(wěn)定比”來(lái)表示隧道施工的難易程度和地層程度和

10、地層位移的程度。 在塑性黏土中，當(dāng)隧道埋深不小于2倍隧道直徑時(shí)，“穩(wěn)定比”不大于6，這時(shí)隧道的施工將不會(huì)有多大因難，在盾構(gòu)法施工中，“穩(wěn)定比”值越大，黏土侵入盾尾間隙的可能性越大，當(dāng)“穩(wěn)定比”接近7時(shí)，盾構(gòu)將變得難以控制。支護(hù)壓力很大時(shí)，往往造成地表隆起，并使后期沉陷量增大，故穩(wěn)定比應(yīng)根地層情況控制在一定范圍內(nèi)。4、土體性質(zhì)的影響 即土體壓縮性、強(qiáng)度性質(zhì)。5、盾構(gòu)性能影響 （1）開(kāi)挖面水壓及土壓不平衡、切削能力減弱、推進(jìn)力下降等引起開(kāi)挖面坍塌、超挖。（2）開(kāi)挖出現(xiàn)偏差引起尾部空隙增大。（3）開(kāi)挖面切削轉(zhuǎn)矩及盾構(gòu)推力過(guò)大引起地層擾動(dòng)。6、回填注漿質(zhì)量和操作質(zhì)量的影響 如：回填注漿是否充足、及時(shí)。

11、管片拼裝質(zhì)量是否完善，土壓是否適當(dāng)，盾構(gòu)推時(shí)時(shí)姿態(tài)控制是否良好，是否發(fā)生偏差、蛇行，施工工序是否合理，施工人員操作是否熟練，經(jīng)驗(yàn)是否豐富，均會(huì)影響地層位移。NO.4 地層位移預(yù)測(cè) 主要方法：經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)、專(zhuān)家系統(tǒng)、灰色理論等。前兩種方法運(yùn)用較廣。1、經(jīng)驗(yàn)公式法介紹：以上公式互套，即可得出相應(yīng)的沉降量了。2、數(shù)值模擬介紹 涉及有限元問(wèn)題，比較復(fù)雜，但應(yīng)用較廣，在此省略幾百字。3、模型試驗(yàn)介紹 費(fèi)用高，一般不用，也省略幾百字。4、專(zhuān)家系統(tǒng)和灰色理論 專(zhuān)家系統(tǒng)過(guò)程：通過(guò)總結(jié)以往的工程經(jīng)驗(yàn)和研究結(jié)果，把它提煉為條理第的經(jīng)驗(yàn)法則，上傳到專(zhuān)家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)，在計(jì)算機(jī)上模擬專(zhuān)家的推理方式，得出

12、結(jié)論。此方法如果成熟，以后形成系統(tǒng)，基本可以不用專(zhuān)家論證，計(jì)算論證即可（1991年同濟(jì)大學(xué)用在上海地鐵一號(hào)線施工監(jiān)測(cè)中）。 灰色理論：張慶賀將灰色理論引入地面沉降研究中（上海地鐵一號(hào)線地面沉降運(yùn)用過(guò)）。 以上兩法為近年執(zhí)點(diǎn)研究課題。但不太成熟，模型復(fù)雜NO.5 盾構(gòu)法施工及影響地層沉降的因素（一）盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)地層位移原因 現(xiàn)以圖示的形式介紹：1、盾尾通過(guò)時(shí)留下的正常建筑空隙，通用注漿充實(shí)。如下圖：2、推力大?。ㄒ部捎猛羵}(cāng)壓力），影響地面沉降或隆起。3、在黏土中推進(jìn)時(shí)，會(huì)在盾尾粘上較多的黏土堆，從而進(jìn)一步加大后面建筑間隙。如下圖所示：5、注漿也會(huì)影響地面升降。 從上面的論述可以看出，盾構(gòu)施工中影響

13、地層位移的因素很多，但總體上可分為：瞬時(shí)效應(yīng)、持續(xù)效應(yīng)兩種。瞬時(shí)效應(yīng)：盾構(gòu)施工完成后短期產(chǎn)生的影響；持續(xù)效應(yīng)：持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的影響 ，如襯砌變形，隧道的沉降、土體的固結(jié)等。 瞬時(shí)效應(yīng)從力學(xué)、幾何學(xué)（即變形）兩方面考慮。1、力學(xué)效應(yīng)包括對(duì)開(kāi)挖面土體正面推進(jìn)力和注漿引起的側(cè)向擠壓力。正面推力主要決定開(kāi)挖面的穩(wěn)定性，由千斤頂?shù)耐屏?、土倉(cāng)壓力、盾構(gòu)推進(jìn)中所受阻力及土層原始地應(yīng)力來(lái)決定；側(cè)向擠壓力主要由注漿壓力大小決定（注：在泥水盾構(gòu)中還與泥水壓力有關(guān)）。具下如下圖。 盾構(gòu)力學(xué)需要平衡，這樣開(kāi)挖面才能穩(wěn)定：如下圖關(guān)系：2、幾何效應(yīng) 預(yù)測(cè)地表和地層不同深處沉降的方法，引入地層損失參數(shù)GAP（總間隙參數(shù)）。G

14、AP描述了大于隧道管片外徑的超挖土體的量，包括開(kāi)挖面在力作用下的三維運(yùn)動(dòng)造成的超挖土體損失及施工因素造成的土體損失。GAP的大小等于盾構(gòu)開(kāi)挖的拱頂位置到管片襯砌頂?shù)木嚯x。 GAP值可查下表：（一）地面沉降的原因（詳結(jié)說(shuō)明） 盾構(gòu)推進(jìn)引起的地層損失和盾構(gòu)隧道受擾動(dòng)或受剪切破壞的重塑土的再固結(jié)，是地面沉降的基本原因。 具體介紹：1、開(kāi)挖面土體移動(dòng)：如前面所說(shuō)，土倉(cāng)壓力(或泥水壓力）和外面土體搞衡所產(chǎn)生的土體上隆和下沉。2、盾構(gòu)后退：在盾構(gòu)暫停推進(jìn)時(shí)，千斤頂漏油回縮可能引起后退，使開(kāi)挖面土體坍落松動(dòng)。3、土體擠入盾尾空隙：由于背襯注漿不及時(shí)，壓漿量不足，注漿壓力不適當(dāng)，使盾尾后隧道周邊土體失去原始三

15、維平衡狀態(tài)，面向盾尾空隙中移動(dòng)，引起地層損失。（在含水不穩(wěn)定地層中，這往往是引起地層損失最主要因素）。NO.6 地表隆沉的發(fā)展過(guò)程4、改變推進(jìn)方向。盾構(gòu)在曲線推進(jìn)、糾偏、抬頭、叩頭推時(shí)過(guò)程中，實(shí)際開(kāi)挖面不是圓形而是橢圓，因此引起地層損失。5、盾構(gòu)處周黏附一層黏土?xí)r，盾尾后隧道管片外周空隙會(huì)有較大增加。6、在土壓力作用下，隧道管片產(chǎn)生的變形也會(huì)引起少量地層損失。7、隧道管片整體沉降較時(shí)，會(huì)引起不可忽略的地層損失。同時(shí)飽和松軟地層襯砌滲漏也會(huì)引起沉降。8、受擾動(dòng)土體固結(jié)沉降。（二）地表隆沉發(fā)展歷程分：先行沉降、開(kāi)挖面前沉降或隆起、盾構(gòu)通過(guò)時(shí)沉降、盾尾空隙沉降，后期沉降5個(gè)過(guò)程。（5）后期沉降：圖略

16、（是固結(jié)和蠕變殘余變形，主要是地基擾動(dòng)所致）。（三）盾構(gòu)施工引起變形的原因和機(jī)理NO.7 盾構(gòu)掘進(jìn)主要沉降控制因素分析 設(shè)土倉(cāng)壓力為P，刀盤(pán)中心地層靜水壓力、土壓力之和為F。則P=KF。 （1）在黏性土中：K取1，調(diào)整級(jí)差為0.005MPa，（即相當(dāng)于兩壓力相等）。 （2）在砂性土中：K取1.3，調(diào)整級(jí)差為0.01MPa，（這也和前面所講：砂性土中滲透量大有關(guān)，相應(yīng)土倉(cāng)內(nèi)壓力比外壓力大些）。 建筑空隙的充分填充和及時(shí)充填是減少地表沉降的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。理論上注漿壓力略大于地層土壓和水壓即可。 這也和保證土倉(cāng)內(nèi)壓力有關(guān)，出渣量大，土倉(cāng)內(nèi)壓力得不到保證，沉降也會(huì)跟差增大。NO.8 盾構(gòu)施工主要技術(shù)環(huán)節(jié)控

17、制1、盾構(gòu)推進(jìn)：主要要滿(mǎn)足下面關(guān)系式： 正面土體主動(dòng)土壓力水壓總摩擦力盾構(gòu)總推力正面土體被動(dòng)土壓力水壓總摩擦力。盾構(gòu)姿態(tài)和糾偏量的控制：2、盾構(gòu)姿態(tài)：主要是推進(jìn)坡度、平面方向、自身轉(zhuǎn)角。盾構(gòu)前進(jìn)的軌跡一般為蛇形，要保證按正確方向掘進(jìn)，就要“勤測(cè)勤糾”即狠抓測(cè)量。（如：在砂性土層或覆土層較薄地層推進(jìn)，容易上浮，靠調(diào)整千斤頂合力位置糾正）。3、土方的挖掘和運(yùn)輸： 挖土量的多少是由：切削刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速、切削扭矩、推進(jìn)油缸的推力決定。排土量多少是由：螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速（或排泥泵的流量）來(lái)調(diào)節(jié)的。 要使挖土量和排土量保持平衡，才能保證土壓。NO.8 盾構(gòu)施工主要技術(shù)環(huán)節(jié)控制4、管片拼裝： 管片拼裝要減少盾構(gòu)的

18、后退，保證環(huán)面拼裝的平整度，同時(shí)保證管片之間及管片和盾尾間的密封性，防止隧道涌水。5、壁后注漿： 注漿要做到：及時(shí)、量足、漿液體積收縮小。盡量使填充而不是劈裂。（注漿壓力過(guò)大，管片外的土層被漿液擾動(dòng)面造成較大的后期沉降，并容易跑漿。反之：注漿壓力過(guò)小，漿液填充速度過(guò)慢，填充不足，也會(huì)使地表變形增大）。 NO.9 減少地層損失的措施 主要還是對(duì)上面所提幾條進(jìn)行控制，地表變形的大小取決于地層和地下水條件、隧道直徑、埋深、施工條件。 而具體措施的確定，我們盾構(gòu)在掘進(jìn)中有個(gè)“試掘進(jìn)段”，所有參數(shù)、調(diào)節(jié)措施等都在這一段區(qū)間內(nèi)試掘進(jìn)得出。 NO.10 地層與建筑物隆陷控制 掘進(jìn)前會(huì)有一個(gè)物探過(guò)程，先對(duì)周邊環(huán)境摸個(gè)底。主要還是落在第三方監(jiān)測(cè)這里進(jìn)行分析控制。 地面變形接近+5-20mm時(shí)，盡快找出原因采取相應(yīng)措施，相當(dāng)于達(dá)到報(bào)警的要求了。 而地面變形為+10-30mm，是其變形的極限值。 在控制地層與建筑物隆陷中，最主要的措施就是：各種注漿！ NO.11 盾構(gòu)穿越河流時(shí)的施工措施 1）這個(gè)我們南昌一號(hào)線也涉及到，秋水廣場(chǎng)站中山西路站這一區(qū)間。這一段難度、風(fēng)險(xiǎn)均較大。 2）施工前：河底隔水層的連續(xù)性、滲透系數(shù)、厚度為地質(zhì)勘察重點(diǎn)