浅谈盾构施工质量控制

浅谈盾构施工质量控制

【摘要】结合长沙市轨道交通二号线9标迎宾路站~锦泰广场站盾构区间的施工中遇到的困难和出现质量问题，分析盾构施工质量控制的办法，着重阐述了成型隧道偏差、管片拼装质量和同步注浆的技术质量控制措施。

【关键字】盾构掘进盾构姿态管片拼装注浆

一、绪论

随着我国城市地铁建设高潮的兴起,盾构施工技术以其特有的技术优势,逐渐得到地铁建设界的青睐,目前已成为我国地铁隧道施工的重要工法之一。盾构施工技术在地铁隧道被广泛应用的同时,盾构施工的质量问题也显现出来。本文结合长沙市轨道交通二号线9标迎宾路站~锦泰广场站盾构区间的施工,试就盾构法隧道工程质量的管理和控制,谈谈自己的粗浅看法,为进一步提高盾构法隧道施工的工程质量而努力。

二、工程概况

2.1 工程性质及规模

长沙市轨道交通二号线一期工程SG-9标盾构区间隧道土建工程包括长沙火车站站～锦泰广场站左、右线，袁家岭站～长沙火车站站左线，迎宾路口站～袁家岭站左线4个区间，及2个联络通道和8个洞门。

盾构隧道设计为内径为5.4m的单线隧道，迎宾路站～锦泰广场站左线区间的起止里程为ZDK8+582.100～ZDK10+866.966（长链0.522m），总长1932.757m。长沙火车站站～锦泰广场站区间隧道下穿长沙火车站进出站轨道线，沿线主要为长沙火车站配套建筑物（多为2层砖混结构），长沙火车站站台及火车轨道线，在区间终点处穿越湖南顾地塑胶厂房南部；

袁家岭站～火车站站区间依次穿越三个过街人行地道后，左线以R-350的半径引入长沙火车站。线间均距为13～16.9m。区间隧道纵坡呈“V”型，线路出袁家岭站后先后以23‰及5‰的坡度下降引入区间的最低点，然后以6.212‰的纵坡上升引入长沙火车站。区间覆土最大约11.90m，最小约9.38m；迎宾路口站～袁家岭站隧道左线以R-1000，R-450，R-2000、右线以R-1000，R-450，R-650

的半径分别从立交桥的北侧和南侧绕行，引入袁家岭车站。隧道施工采用中铁轨道系统集团有限公司产的土压平衡式盾构掘进机。

2.2 工程地质

根据区域地质资料，本工程锦泰广场站～长沙火车站站～袁家岭站～迎宾路口站三个区间原始地貌单元属Ⅱ级冲积阶地，阶地主要由第四系中更新统粉质粘土、砂卵石层组成，具明显的二元结构，现场地已经多次人工改造。隧道沿线土质成分种类较多，主要有细砂、卵石、粘土、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩、中风化粉砂质泥岩，其中还有中风化泥质粉砂岩、砾砂、淤泥质粉质粘土和粉质粘土。该地质属于上软下硬的复杂地质，因此盾构掘进期间应注意保持土压平衡，避免工作面流砂、涌水、坍塌等现象发生，并通过合理掘进参数控制，控制地层变形。

三、施工质量缺陷

长沙市二号线9标迎宾路站~锦泰广场站盾构区间在整个二号线地铁工程中是比较有难度的，其中穿越火车站及京广货物正线等大型站；，盾构以R-350的半径引入长沙火车站；盾构施工穿越的地层为上软下硬的复杂地层等，都是对盾构施工质量达到标准的一个考验。

盾构施工中，遇到了许多的质量问题，例如管片生产质量不合格；成型隧道轴线超限；管片错台、碎裂、渗漏水；地表发生沉降；管片上浮等。通过对这些问题的分析、讨论和查阅资料，得出一些粗浅的经验。下面是我对盾构推进姿态控制，管片拼装和同步注浆等控制方法提出自己的一点观点和看法。

四、施工质量控制措施

4.1、盾构工作原理

工程区间隧道施工采用中铁轨道系统集团有限公司产的外径为6250mm，长度为8580mm的土压平衡式盾构掘进机，其工作原理为：刀盘旋转切削开挖面的土体，破碎的泥土通过刀盘上的开口进入土仓，通过螺旋机运到盾构机皮带机上，运输至电瓶车土箱中，盾构机千斤顶顶靠在管片上进行推进施工。

4.2、盾构机姿态控制

4.2.1 盾构姿态产生偏差分析

盾构姿态控制与纠偏就是指如何合理进行操作，使盾构机沿着设计隧道轴线前进，当盾构轴线偏离设计轴线时，应进行纠偏使其尽快回到设计轴线上来。对于影响盾构机姿态的因素，总结出以下几点:

1、迎宾路站～火车站站隧道区间，在推进范围内的地层为复杂地层，由于不同地层的承载力不同，会使盾构机产生不均匀位移，对盾构机姿态造成不良影响。

2、在袁家岭站～火车站站区间盾构以R-350的半径引入长沙火车站，由于半径较小，盾构掘进过程中姿态变化较快，难以按照轴线控制盾构姿态。

3、由于测量仪器本身、外界环境或人为因素引起的测量误差，也将影响测量数据的准确性，误导盾构操作人员进行不合理操作，使盾构姿态得不到正常控制。

4、拼装管片时，点位选择不合理，造成盾构机和管片之间间隙过小，操作人员必须通过调整盾构机姿态来保证与管片之间的间隙在合理的范围内，也会使盾构姿态偏离设计轴线。

除此之外，还有反力架轴线、盾构基座坡度是否与设计保持一致；负环管片的点位选择、管片拼装手法等，都会对盾构姿态产生较大的影响，使成型隧道轴线偏离隧道设计轴线。

4.2.2 盾构机姿态动态管理措施

1、保证施工每一道工序都严格按照测量数据进行，盾构基座的轴线、反力架轴线等都严格按照设计轴线进行施工，以保证盾构掘进有一个良好的开端。

2、测量人员须依照详细准确的测量导线做到勤测勤量，且经过仔细的核算得出报表，以确定盾构姿态的每一个数据。

3、盾构掘进时，观察盾构掘进方向与设计轴线的关系，若出现与设计轴线偏差变大的情况，立即进行纠偏，保证在设计要求范围内。

4、根据测量数据以及盾构检测装置反映的数据，盾构操作人员进行千斤顶选择加力方式。拼装人员每拼装完一环应及时测量管片的左、右、上、下超前数值（相对于盾构机体）以及盾构壳体与衬砌管片的左、右、上、下间隙的四个数值，以确保是否或如何操作以改变这些数值，比如盾构机偏右量得管片为左超前，左边间隙大于右边间隙，这时就应该采取考虑管片封顶块拼装在左侧，调节

管片超量和盾尾间隙，使管片轴线和盾构轴线平行。

5、在遇到小半径转弯时，应提前调整盾构机姿态和管片轴线姿态，达到盾构机可以在偏移量允许的情况下提前转弯，适当扩大转弯半径，避免出现转急弯的情况。并且在拼装管片时，保证管片轴线与盾构姿态的关系。

4.3、管片拼装

管片的错台、碎裂等质量问题是盾构掘进施工中质量控制的重要环节，利用现有的技术，通过控制掘进姿态、盾尾间隙、千斤顶油缸形成等因素进行调节，控制。

4.3.1 管片规格

本工程根据盾构隧道设计参数:内净空D = 5400mm ,采用C50 抗渗等级S12 的钢筋混凝土预制管片,管片厚度300mm ,宽1500mm。区间盾构管片由六块组成,分别为三块标准块(A1 、A2 、A3) 、二块邻接块(B1、B2) 和一块楔形块( K) 。管片环缝、纵缝防水采用三元乙丙橡胶止水条,拼装方式为错缝拼装(见照片)。

三元乙丙橡胶止水条照片

管片形式采用双面梯形, 最大楔形量为45mm(见图1) 。

图1 管片楔形量图

4.3.2拼装顺序

管片拼装顺序先拼装落底块，再依次左右旋转拼装机，向上拼装。施工时应严格按该施工顺序进行。

4.3.3 管片选型

管片选型的二个原则。第一,管片选型要适合隧道设计线路;第二,管片选型要

适应盾构机姿态。这两者是相辅相成的,前者影响整个隧道管片的需求计划,后都影响隧道掘进和隧道轴线与设计轴线的偏差。进行管片选型时,其基本原理概括如下:

管片点位是指K块吊装孔所处千斤顶的位置,可划分为16 个点位。由于管片的构造原因,所选定的管片只有14个点位可进行拼装，不拼装最上方和最下方两个点位。由于是错缝拼装，每一环有5个点位可以供选择，例如上环拼装点位为16点，下一环可以提供选择的点位为2、5、8、11、14点，也就是说上环拼装为N 点，这环可以选N+2\N+5\N+8\N+11\N+14五个点位。只有联络通道洞口两环特殊管片可进行通缝拼装。

在盾构机推进时，不合理的拼装会与尾盾有摩擦，有肯能将管片损坏。所以在拼装管片时，管片应该尽量垂直于盾构机轴线，使盾构机的推进油缸的撑靴能垂直贴在管片上，这样可以使管片受力均匀，掘进时不会事管片破损,操作人员在施工过程中应根据盾构机姿态、千斤顶行程、铰结油缸行程、盾尾间隙进行综合考虑,对盾构机所选的管片类型和点位进行相应的调整。

1、根据盾尾间隙选择管片及拼装点位

尾盾的外径为6250mm，内径为6150mm，管片的外径为6000mm，因此标准的盾尾间隙为75mm。间隙过小，则盾构机在推进过程中盾尾会与管片发生干扰。轻则增加盾构机向前推进的阻力，降低掘进速度，重则盾尾将管片损坏，造成隧道渗漏水或地面沉降。管片与盾尾通过钢丝刷密封，当盾尾间隙小于40mm时，盾尾拖动时管片与钢丝刷密封会发生干扰。因此在拼装管片之前必须对上一环管片的上下左右四个位置盾尾间隙进行测量。如果盾尾间隙过小，就用此点楔形量最大的点位进行拼装，这样此处的盾尾间隙将变大，连续拼装二至三环，就会将盾尾间隙调至标准状态。由于我们用的是通用环管片，在拼装时注意点位的选择，来实现盾构隧道的调向和纠偏。

2、根据油缸行程选择拼装点位

盾构机是依靠推进油缸推在管片上锁产生的反力向前推进的，推进油缸按上下左右四个方向分成四组。而每一个掘进循环，这四组油缸的行程的差值反应可盾构机与管片平面之间的空间关系，可以看出下一掘进循环盾尾间隙的变化趋势。当管片端面不垂直于盾构机轴线时，各种推进油缸的推力就会在管片环的径

向产生较大的分力，从而影响已拼装好的隧道管片以及掘进姿态。在选择点位时我们选择4点，左右行程调节45mm，拼装16点时上下行程调节45mm。

3、根据油缸行程选择拼装点位

长沙地铁的两台海瑞克盾构机有16组油缸，中盾和尾盾采用14组铰接油缸进行连接，在主控室内可以之间观测到上下左右四组油缸和铰接油缸的伸长量，当交接油缸差值比较小时我们可以直接比较油缸的行程进行选择点位，当差值比较大时，盾构机的中盾与尾盾产生一个角度，这时应该将上下或者左右的推进油缸行程值减去上下或者左右的铰接油缸行程的差值，作为最后管片选点的依据。4.4、同步注浆技术

盾构同步注浆就是在隧道内将具有适当的早期及最终强度的材料, 充分充填盾构施工产生的地层空隙,避免由此引起的地表沉陷影响地表建筑物与地下管线的安全。

其目的是:

①尽早填充地层,减少地基沉陷量,保证周围环境的安全性。

②确保管片衬砌的早期稳定性和间隙的密实性。

③作为衬砌防水的第一道防线,提供长期、均质、稳定的防水功能。

④作为隧道衬砌结构的加强层,使其具有耐久性和一定的强度。

同步注浆是通过同步注浆系统及盾尾的注浆管,在盾构向前推进、盾尾空隙形成的同时进行浆液在盾尾空隙形成的瞬间及时填充,从而使周围岩体及时获得支撑,可有效地防止岩体的坍塌,控制地表的沉降。在稳定性差的地层掘进时,同步注浆的重要性更加突出和明显。

4.4.1盾构同步注浆压力

注浆压力最佳值应在综合考虑地基条件、管片强度、设备性能、浆液特性和土舱压力的基础上来确定，注浆压力过大容易引起地表有害隆起或破坏管片衬砌,防止注浆损坏盾尾密封。注浆压力过小，地层填充不完全，易引起地面沉降。

根据不同地层的松散和扩散系数，选择不同的注浆配比和注浆压力。比如在9标强、中风化地层中，土体的质密性良好，同步注浆浆液不易扩散，主要考虑管片衬砌承受的压力为准，一般保持在2～3bar之间。在砂卵石地层中，主要考虑土的松散和扩散系数，一般注浆压力保持在4bar左右。

4.4.2 同步注浆量

注浆量的确定是以管片外侧与土体之间空隙量为基础并结合地层、线路及掘进方式等考虑适当的饱满系数,以保证达到充填密实的目的。

根据施工实际,这里的饱满系数包括由注浆压力产生的压密系数、取决于地质情况的土质系数、施工损耗系数、超挖系数等。一般主要考虑土质系数和超挖系数。土质系数取决于地层特征,一般取值为1.1～1.5。在完整性好、自稳能力强的硬质地层中,浆液不易渗透到衬砌周围的土体中去,可取较小土质系数甚至不用考虑。但在裂隙发育的岩质地层或以砂、砾石为主的大渗透系数地层,浆液极易渗透到周围的土体中,因此对这样的地层应考虑较大的土质系数,可取

1.3～1.5。在以粘土、粉砂为主的小渗透系数地层中,浆液在注入压力的作用下也会对土体产生劈裂渗透,故也应考虑1.1～1.3的土质系数。超挖系数是正常情况下盾尾建筑空隙的修正系数,一般只在曲线段施工中产生(直线段盾构机机体与隧道设计轴线有较大夹角时也会产生,其值一般较小可不予考虑),其具体数值可通过计算得出。以上饱满系数在考虑时需累计。同步注浆量经验计算公式: Q=V?λ

V———充填体积(盾构施工引起的空隙,m3);

λ———注浆率(一般取130%～180%)。

V=π(D2-d2)L/4

D———盾构切削外径(m);

d———预制管片外径(m);

L———回填注浆段长,即每环长度。

4.4.3 注浆速度

注浆速度由注浆泵的性能、单环注浆量确定,应与掘进速度相适应。

五、总结

盾构施工质量控制是一项系统工程，它贯穿施工过程的始终，需要全体施工人员共同参与，严格控制各个工序的施工过程，严格按规范施工，严格控制掘进中盾构机的姿态。精心操作，精心量测，是做好隧道衬砌质量的重要保证。

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