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第五章盾构法施工 第一节概述

盾构法是暗挖隧道的专用机械在地面以下建造隧道的一种施工方法。盾构是与隧道形状一致的盾构外壳内,装备着推进机构、挡土机构、出土运输机构、安装衬砌机构等部件的隧道开挖专用机械。采用此法建造隧道，其埋设深度可以很深而不受地面建筑物和交通的。近年来由于盾构法在施工技术上的不断改进，机械化程度越来越强,对地层的适应性也越来越好。城市市区建筑公用设施密集，交通繁忙，明挖隧道施工对城市生活干扰严重,特别在市中心，若隧道埋深较大，地质又复杂时，用明挖法建造隧道则很难实现。而盾构法施工城市地下铁道、上下水道、电力通讯、市政公用设施等各种隧道具有明显优点。此外，在建造水下公路和铁路隧道或水工隧道中，盾构法也往往以其经济合理而得到采用.

盾构法是一项综合性的施工技术。盾构法施工的概貌如图5－1所示。构成盾构法的主要内容是：先在隧道某段的一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁预留孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计预留孔洞推进。盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制衬砌，再传到竖井或基坑的后靠壁上。盾构是一个能支承地层压力，又能在地层中推进的圆形、矩形、马蹄形及其他特殊形状的钢筒结构，其直径稍大于隧道衬砌的直径，在钢筒的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段周圈内安装顶进所需的千斤顶,钢筒尾部是具有一定空间的壳体，在盾尾内可以安置数环拼成的隧道衬砌环。盾构每推进一环距离,就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向盾尾后面的衬砌环外周的空隙中压注浆体,以防止隧道及地面下沉，在盾构推进过程中不断从开挖面排出适量的土方。

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盾构是进行土方开挖正面支护和隧道衬砌结构安装的施工机具，它还需要其它施工技术密切配合才能顺利施工.主要有：地下水的降低;稳定地层、防止隧道及地面沉陷的土壤加固措施;隧道衬砌结构的制造；地层的开挖;隧道内的运输;衬砌与地层间的充填；衬砌的防水与堵漏；开挖土方的运输及处理方法;配合施工的测量、监测技术；合理的施工布置等。此外，采用气压法施工时，还涉及到医学上的一些问题和防护措施等。

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图5－1盾构法施工概貌示意图（网格盾构）

1—-盾构;2——盾构千斤顶；3——盾构正面网格；4一一出土转盘；5－一出土皮带运输机；6-—管片拼装机;7—-管片；8——压浆泵；9－一压浆孔;10——出土机；11——由管片组成的隧道衬砌结构；12——在盾尾空隙中的压浆；13——后盾装置;14——竖井 第一节盾构构造、分类及适用范围

一、盾构的外形和材料

1、盾构的外形

盾构的外形就是指盾构的断面形状,有圆形、双圆、三圆、矩形、马蹄形、半圆形或与隧道断面相似的特殊形状等。例如：将人行隧道筑成矩形，最大地利用了挖掘空间;将水利隧道筑成马蹄形，使流体的力学性能达到最佳状态；将穿山隧道筑成半圆形，可以使底边直接与公路连接等等。但是，绝大多数盾构还是

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采用传统的圆形。

2、制造盾构的材料

盾构在地下穿越,要承受水平载荷、垂直载荷和水压力，如果地面有构筑物,还要承受这些附加载荷，盾构推进时，还要克服正面阻力,所以，要求盾构具有足够的强度和刚度。盾构主要用钢板单层厚板或多层薄板制成,钢板一般采用A3钢。钢板间连接可采用焊接和铆接两种方法，大型盾构考虑到水平运输和垂直吊装的困难，可制成分体式，到现场进行就位拼装，部件的连接一般采用定位销定位，高强度螺栓联接，最后焊接成型. 二、盾构的基本构造

盾构的基本构造主要分为盾构壳体、推进系统、拼装系统三大部分，见简单的手掘式盾构的基本构造图5－2。

1、盾构壳体

从工作面开始可分为切口环、支承环和盾尾三部分.

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（1)切口环

切口环位于盾构的最前端，起开挖和挡土作用，施工时最先切入地层并掩护开挖作业，部分盾构切口环前端还设有刃口以减少切入地层的扰动。切口环保持工作面的稳定,并作为把开挖下来的土砂向后方运输，因此，采用机械化开挖、土压式、泥水加压式盾构时,应根据开挖下来土砂的状态，确定切口环的形状、尺寸。

切口环的长度主要取决于盾构正面支承、开挖的方法，就手掘式盾构而言，考虑到正面施工人员、挖土机具有回旋的余地等。大部分手掘式盾构切口环的顶部比底，犹如帽檐，有的还设有千斤顶控制的活动前沿,以增加掩护长度；对于机械化盾构切口环内按盾构种类安装各种机械设备。

图5-2盾构基本构造示意图

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1-切口环2-支承环3—盾尾4—支承千斤顶5—活动平台6-平台千斤顶7-切口8—盾构千斤顶9-盾尾空隙10-管片拼装机11—管片

如泥水盾构，在切口环内安置有切削刀盘、搅拌器和吸泥口;土压平衡盾构，安置有切削刀盘、搅拌器和螺旋输送机；网格式盾构,安置有网格、提土转盘和运土机械的进口；棚式盾构，安置有多层活络平台、储土箕斗；水力机械盾构，安置有水、吸口和搅拌器。

在局部气压、泥水加压、土压平衡等盾构中，因切口内压力高于隧道内，所以在切口环处还需布设密封隔板及人行舱的进出闸门。

(2)支承环

支承环紧接于切口环，是一个刚性很好的圆形结构。地层压力、千斤顶的反作用力,以及切口入土正面阻力、衬砌拼装时的施工载荷等承受作用于盾构上的全部载荷.

在支承环外沿布置有盾构千斤顶，中间布置拼装机及部分液压设备、动力设备、操纵控制台.当切口环压力高于常压时，在支承环内要布置人行加、减压舱。

支承环的长度应不小于固定盾构千斤顶所需的长度,对于有刀盘的盾构还要考虑安装切削刀盘的轴承装置、驱动装置和排土装置的空间。

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(3）盾尾

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盾尾主要用于掩护管片的安装工作。盾尾末端设有密封装置，以防止水、土及压注材料从盾尾与衬砌间隙进入盾构内。盾尾密封装置损坏、失效时，在施工中途必须进行修理更换，盾尾长度要满足上述各项工作的进行。

盾尾厚度应尽量薄，可以减小地层与衬砌间形成的建筑空隙，从而减少压浆工作量，对地层扰动范围也小有利于施工,但盾尾也需承担土压力，在遇到纠偏及隧道曲线施工时,还有一些难以估计的载荷出现。所以其厚度应综合上述因素来确定。

盾尾密封装置要能适应盾尾与衬砌间的空隙,由于施工中纠偏的频率很高，因此，要求密封材料要富有弹性、耐磨、防撕裂等，其最终目的是要能够止水.

形式多种，目前常用的是采用多道、可更换的盾尾密封装置,盾尾的道数根据隧

道埋深、水位高低来定,一般取2～3道，如图5—3。

图5－3盾尾密封示意图

1－盾壳；2－弹簧钢板；3－钢丝束；4－密封油脂；5－压板；6－螺栓

由于钢丝束内充满了油脂,钢丝又为优质弹簧钢丝,使其成为一个即有塑性又有弹性的整体，油脂保护钢丝免于生锈损坏。采用专用的盾尾油脂泵加注油脂，这种盾尾密封装置使用后效果较佳，一次推进可达500m左右，这主要取决于土

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质情况，在砂性土中掘进,盾尾损坏较快，而在粘性土中掘进则使用寿命较长。

盾尾的长度必须根据管片宽度及盾尾的道数来确定，对于机械化开挖式、土压式、泥水加压式盾构,还要根据盾尾密封的结构来确定，必须保证管片拼装工作的进行;修理盾构千斤顶和在曲线段进行施工等因素，故必需有一些余量。

2、推进机构

盾构掘进的动力是靠液压系统带动千斤顶的推进机构,它是盾构重要的基本构造之一。

（1）盾构千斤顶的选择和配置

盾构千斤顶的选择和配置应根据盾构的灵活性、管片的构造、拼装管片的作业条件等来决定。选定盾构千斤顶必须注意以下事项：

①千斤顶要尽可能地轻，且经久耐用，易于维修保养和掉换;

②采用高液压系统,使千斤顶机构紧凑。目前使用的液压系统压力值为30~40MPa；

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③千斤顶要均匀地配置在靠近盾构外壳处，使管片受力均匀；

④千斤顶应与盾构轴线平行。

(2）千斤顶数量

千斤顶的数量根据盾构直径、千斤顶推力、管片的结构、隧道轴线的情况综合考虑。一般情况下，中小型盾构每只千斤顶的推力为600～1500kN，在大型盾构中每只千斤顶的推力多为2000～2500kN。

(3)千斤顶的行程

盾构千斤顶的行程应考虑到盾尾管片拼装及曲线施工等因素,通常取管片宽度加上

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100mm～200mm的余量。

另外,成环管片有一块封顶块，若采用纵向全插入封顶时，在相应的封顶块位置应布置双节千斤顶,其行程约为其它千斤顶的一倍,以满足拼装成环所需。

（4)千斤顶的速度

盾构千斤顶的速度必须根据地质条件和盾构形式决定，一般取50mm/min左右，且可无级调速。为了提高工作效率，千斤顶的回缩速度要求越快越好.

(5）千斤顶块

盾构千斤顶活塞的前端必须安装顶块，顶块必须采用球面接头，以便将推力均匀、分布在管片的环面.其次，还必须在顶块与管片的接触面上安装橡胶或柔性材料的垫板，对管片环面起到保护作用.

3、管片拼装机

管片拼装机俗称举重臂，是盾构的主要设备之一，常以液压为动力。为了能将管片按照设计所需要的位置，安全、迅速地进行拼装，拼装机在钳捏住管片后，还必须具备沿径向伸缩、前后平移和360(左右叠加）旋转等功能。

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拼装机的形式有环形、中空轴形、齿轮齿条形等，一般常用环型拼装机。这种拼装机安装在支承环后部，或者盾构千斤顶撑板附近的盾尾部，它如同一个可自由伸缩的支架，安装在具有支承滚轮的、能够转动的中空圆环上的机械手。该形式中间空间大，便于安装出土设备。

4、真圆保持器

盾构向前推进时管片就从盾尾部脱出,管片受到自重和土压的作用会产生变形，当该变形量很大时，已成环管片与拼装环在拼装时就会产生高低不平,给安装纵向螺栓带来困难，为了避免管片产生高低不平的现象，就有必要让管片保持真圆，该装置就是真圆保持器。真圆保持器支柱上装有上、下可伸缩的千斤顶和圆弧形的支架，它在动力车架挑出的梁上是可以滑动的。当一环管片拼装成环后，就将真圆保持器移到该管片环内，支柱的千斤顶使支架圆弧面密贴管片后,盾构就可进行下一环的推进。盾构推进后圆环不易产生变形而保持着真圆状态。 三、盾构基本参数的选定

（一）、盾构直径

盾构直径必须根据管片外径、盾尾空隙和盾尾钢板厚度等设计要素确定,而盾尾空隙应根据管片的形状尺寸、隧道的平面形状、纠偏、盾尾密封结构的安装等进行确定.

盾构直径是指盾壳的外径，而与刀盘、稳定翼、同步注浆用配管等突出部分无关。

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所谓盾尾空隙，是指盾壳钢板内表面与管片的外表面的空隙。

根据隧道限界和结构尺寸要求,在确定衬砌外径之后,可按施工要求或经验确定盾构直径.下面根据图5-4,介绍两种计算方法。

1、D=d+2(x+δ)(5－1）

式(5－1)中:D－盾构直径(mm）；

d－隧道外径(mm)；；

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x－盾尾空隙(mm)；

δ－盾尾钢板厚度(mm）。 图5-4盾构直径计算图

为了满足盾构曲线段施工或推进施工时纠偏所需要间隙，盾尾空隙可由下式计算：

X＝ML/d（5－2)

式(5－2）中：M－盾尾和管片的搭接长度（mm）；

L－盾尾内衬砌环顶端能够转动的最大

水平距离，也称盾尾最大覆盖衬砌长度（mm）.

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根据实际经验，盾尾空隙一般取20～30mm。

2、D=d内＋2(δ+x+T+T’+e）（5－3)

式（5－3）中：d内－隧道内径(mm）;

T－隧道衬砌厚度（mm）；

T’－隧道内衬厚度(mm）；

e－最小余量（mm);

D、δ、x意义同前。

上面两式中均有一个盾尾钢板厚度δ，此值应通过计算求得，可是计算工作较为复杂，所以通常采用经验公式或类比法相近选取。

δ=0。02+0。01（D—4）（5－4）

式5－4中D为盾构外径,单位为m.

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当D〉4m时，式中的第二项为零.

(二)、盾构长度和灵敏度

盾构长度主要取决于地质条件、隧道的平面形状、开挖方式、运转操作、衬砌形式和盾构的灵敏度(即盾壳总长L与盾构外径D之比）。一般在盾构直径确定后，灵敏度值有一些经验数据可参考:

小型盾构(D=2～3m）（L/D）=1。50 中型盾构（D=3~6m)(L/D)=1.00 大型盾构（D>6m）(L/D)=0.75

盾构总长度由切口环、支承环、盾尾三部分组成，它不包括盾构内设备超出盾尾的部分,如后方平台、螺旋输送机等.

盾构长度计算公式： L=Lw+Lc+Lt

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（5－5) 1、切口环长度Lw

机械化盾构仅考虑能容纳开挖机具即可；

在手掘式盾构中要考虑到人工开挖的方便，Lw可以较长些，所以正面土体稳定时Lw最大值为：

Lw=D。tgφ或Lw≤2m（5－6)

式5－6中:φ－开挖面坡度与水平面的夹角一般取45; 在棚式盾构中，其分层是按人的高度分隔： N=D/H(5－7)

式5－7中：N－层数（计算后数值归整)； H－人的高度（m）。

由于分了层的H值比D小得多，所以这时的切口环长度为： Lw=H。ctgφ（5－8）

注意：式中H值应取层高的最大值Hmax.

有些盾构根据需要将另设前檐，其长度大约300～500mm，具体取多少要按盾构直径大小适当选取。

2。支承环长度Lc

该部分长度取决于盾构千斤顶、切削刀盘的轴承和驱动装置、排土装置等空间,而盾构千斤顶的长度与预制衬砌的宽度有关.

Lc=Wc+ιc(5－9)

式5－9中：Wc－最宽衬砌宽度，包括楔形环、加宽环. ιc－余量，一般取200～300mm， 主要考虑到盾构千斤顶的修理因素。 3、盾尾长度Lt

盾尾长度取决于管片的形状和宽度： Lt=K.Wc+Ls+C（5－10）

式5－10中:K－常数，一般取1.5~2.5，这与是否需调 换损坏的衬砌及盾尾密封装置有关； Wc－衬砌环宽度(m)； Ls－千斤顶顶块厚度(m）；

C－施工余量，一般取80～200mm,选取时应考虑拼装衬砌时环面清洗工作，以及穿拼装螺栓、特别是首尾相接的纵向螺栓等工作的方便.

（三)、盾构的推力

盾构向前行进是靠安装在支承环周围的千斤顶顶力，各千斤顶顶力之和就是盾构的总推力，在计算推力时，一定要考虑周全，要将盾构的施工全过程中可能遇到的阻力都要计算在内。

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盾构的总推进力必须大于各种推进阻力的总和，否则盾构无法向前推进。盾构的各种推力和计算公式如下：

1、F1－盾构外壁周边与土体之间的摩擦力或粘结力; (1）砂性土F1＝μ1πDL(Pm+W)（kN)(5－11） （2)粘性土F1＝CπDL（kN）（5－12） 2、F2－推进中切口插入土壤的贯入阻力； F2＝.t.Kp.Pm（kN)（5－13） 3、F3－工作面正面阻力； F3＝Pf。πD/4（kN）（5－14)

(1）盾构在人工开挖、半机械化开挖时为工作面支护阻力。 (2）盾构采用机械化开挖时，为作用在切削刀盘上的推进阻力。 4、F4－管片与盾尾之间的摩擦力； F4＝μ2。G2(kN)(5－15)

5。F5－变向阻力(曲线施工/纠偏等因素的阻力）； F5＝R。S(kN）（5－16) 6.F6－后方台车的牵引阻力； F6＝μ3。G1（kN）(5－17） 公式符号解释： μ1－钢与土的摩擦系数 μ2－钢与钢或混凝土的摩擦系数 μ3－车轮与钢轨之间的摩擦系数 D－盾构直径(m） Ｌ－盾构长度(m) W－盾构重量(kN） G1－后方台车重量（kN) G2－管片(成环）重量（kN） Pm－作用在盾构上的平均土压(kPa)

Pf－工作面正面压力（支护千斤顶反力、作用在 隔墙上的土压力、泥浆压力等)(kPa) c－粘聚力(kPa) Kp－被动土压力系数

R－地层抗力（承载力、被动土压力等)(kPa)

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－工作面周边长度(m）

t－刃脚贯入深度（m)

ｓ－抵抗板在推进方向的投影面积（m） 总推力ΣF＝F1＋F2＋F3＋F4＋F5＋F6（5－18）

盾构总推力也可由以上F1＋F2＋F3＋F4的总和再乘以2来求出。盾构总推力也可按经验公式求得：

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Fj＝PjπD/4（5－19)

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式中Fj－盾构的总推力（kN) pj－开挖面单位截面积的推力(kN）

a.人工开挖、半机械化开挖盾构、机械化开挖盾构： Pj＝700～1100kPa

b。封闭式盾构、土压平衡式盾构、泥水加压式盾构： Pj＝1000～1300kPa 四、盾构的分类及其适用范围

盾构是修建隧道的正面支护掘进和衬砌拼装的专用机具，盾构类型的区别主要是盾构正面对土体支护开挖的方法工艺不同而言。为此盾构的种类按其结构特点和开挖方法来分，主要可分为四大类，如下:

敞开式

手掘式盾构正面支撑式 棚式 全挤压

挤压式盾构局部挤压 网格 正、反铲

半机械式盾构螺旋切削 软岩掘进机 开胸大刀盘切削 机械式盾构局部气压 闭胸式泥水加压 土压平衡

（一）、手掘式盾构

手掘式盾构是结构最简单、配套设备少、因而造价也最低，制造工期短。

其开挖面可以根据地质条件决定,全部敞开式或用正面支撑开挖，一面开挖一面支撑。在松散的砂土地层，可以按照土的内摩擦角大小将开挖面分为几层，这时的盾构就被称为棚式盾构见图5－5。

手掘式盾构的主要优点：

1、正面是敞开的，施工人员随时可以观测地层变化情况,及时采用应付措施； 2、当在地层中遇到桩、大石块等地下障碍物时,比较容易处理； 3、可向需要方向超挖,容易进行盾构纠偏,也便于曲线施工；

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4、造价低，结构设备简单，易制造，加工周期短。

图5－5手掘式盾构示意图

它的主要缺点有：

1、在含水地层中，当开挖面出现渗水、流砂时，必须辅以降水、气压等地层加固等措施;

2、工作面若发生塌方时，易引起危及人身及工程安全事故; 3、劳动强度大,效率低、进度慢，在大直径盾构中尤为突出。

手掘式盾构尽管有上述不少缺点，但由于简单易行,在地质条件良好的工程中仍广泛应用。

（二）、挤压式盾构

挤压式盾构（见图5－6）的开挖面用胸板封起来，把土体挡在胸板外，对施工人员是比较安全、可靠,没有塌方的危险，当盾构推进时，让土体从胸板局部开口处挤入盾构内,

图5-6挤压式盾构示意图

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然后装车外运，不必用人工挖土，劳动强度小，效率也成倍提高.在特定条件下可将胸板全部封闭推进,那就是全挤压推进。

挤压式盾构仅适用于松软可塑的粘性土层,适用范围较狭窄。在挤压推进时对地层土体扰动较大,地面产生较大的隆起变形,所以在地面有建筑物的地区不能使用，只能在空旷的地区或江河底下、海滩处等区域。

图5－7网格式盾构示意图

1—盾构千斤顶（推进盾构用）；2一开挖面支撑千斤顶：3-举重臂（拼装装配式钢筋混凝土衬砌用）；4—堆土平台(盾构下部土块由转盘提升后落人堆土平台）；5-刮板运输机，土块由堆土平台进入后输出；6——装配式钢筋混凝土衬砌;7-盾构钢壳;8-开挖面钢网格;9—转盘，10-装土车。

网格式盾构是一种介于半挤压和手掘之间的盾构型式见图5－7。这种盾构在开挖面装有钢制的开口格栅，称为网格。当盾构向前掘进时土体被网格切成条状，进入盾构后运走；当盾构停止推进时，网格起到支护土体的作用,从而有效地防止了开挖面的坍塌。网格盾构对土体挤压作用比挤压式盾构小，因此引起地面变形的量也小一些。

网格盾构也仅适用于松软可塑的粘土层，当土层含水量大时,尚需辅以降水、气压等措施.

(三)、半机械式盾构

半机械式盾构是在手掘式盾构正面装上机械来代替人工开挖,根据地层条件,可以安装反铲挖土机或螺旋切削机（见图5-8）。土体较硬可安装软岩掘进机。

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图5—8半机械式盾构

半机械式盾构的适用范围基本上和手掘式一样,其优点除可减轻工人劳动强度外,其余均与手掘式相似。

(四)、机械式盾构

机械式盾构是在手掘式盾构的切口部分装上一个与盾构直径一般大小的大刀盘，用它来实现盾构施工的全断面切削开挖.

当地层土质好，能自立或采用辅助措施亦能自立，则可用开胸式的机械盾构,反之如地层土质差,又不能采用其它地层加固方法,此时，采用闭胸机械式盾构比较合适.

现在介绍三种常用的机械式盾构: 1、局部气压式盾构（见图5－9）

这种盾构系在开胸机械式盾构的切口环和支承环之间装上隔板，使切口环部分形成一个密封舱,舱中输入压缩空气，以平衡开挖面的土压力，保证正面土体自立而不坍塌.气压是为了疏干地下水，改变土体的物理性能有利于施工,用盾构法进行隧道施工，首先是要解决切口前开挖面的稳定，加局部气压是使正面土体稳定的方法,从而代替了在隧道内加气压的全气压施工方法。这样，衬砌拼装和隧道内其他施工人员，就可不在气压条件下工作，这无疑有很大的优越性。

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图5—9局部气压式盾构示意图

1－气压内出土运输系统2－皮带运输机3－排土抓斗4－出土斗5－运土车6－运管片车辆7－管片8－管片拼装机9－伸缩接头

但局部气压盾构的一些技术问题，目前未得到很好地解决，这主要是： （1）从密封舱内连续向外出土的装置,还存有漏气和使用寿命不长的问题；

（2)盾尾密封装置还不能完全阻止压力舱内的压缩空气通过开挖面经盾构外表至盾尾处泄漏；

（3)衬砌环接缝防止不了压力舱内的气体、经过盾构外表通至盾构后部管片缝隙渗入隧道内。

以上三处的漏气，就影响到正面压力舱内的压力控制,由于压力舱容量小，加上这三处防漏气技术尚未彻底解决，因此压力舱内压力值上下波动较大,当正面遇到有问题需要处理，须有工人进入压力舱工作，这种施工条件对人的生理影响很大。而正常施工中，舱内压力控制不好，正面土体稳定就没有保证，也将直接影响施工.故目前该型式盾构使用已不多。

2、泥水式盾构和泥水加压平衡盾构（见图5-10)

前面叙述了局部气压盾构的技术难题是连续出土与压缩空气的泄漏问题。在地层压力差及土质同样条件下，漏气量要比漏水量大80倍之多。因此，若在上述局部气压的密(如图为泥水式盾构，泥水加压平衡式盾构）封舱内用泥水或泥浆来代替压缩空气,这样既可利用泥水压力来支撑开挖面土体，又可大大减少泄漏。刀盘切削下来的土在泥水中经过搅拌机搅拌，用杂质泵将泥浆通过管道输送到地面集中处理，这样就解决了连续出土的技术难题，泥水盾构的优点是显而易见的.

但泥水盾构的辅助配套设备多，首先要有一套自动控制和泥水输送系统，其次还要有一套泥水处理系统，所以泥水盾构的设备费用较大。这是它的主要缺点，但反而言之，象泥水处理系统这样的辅助设备可重复利用，经济上还是可行的。

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图5—10泥水加压盾构示意图 3、土压平衡式盾构(见图5—11)

这种盾构又称削土密封式或泥土加压式盾构，是在上述两种机械式盾构的基础上发展起来的适用于含水饱和软弱地层中施工的新型盾构。

该盾构的前端也是一个全断面切削刀盘,在盾构中心或下部有一个长筒形螺旋输送机的进土口，其出口在密封舱外。

所谓土压平衡，就是盾构密封舱内始终充满了用刀盘切削下来的土，并保持一定压力平衡开挖面的土压力。

图5—11土压平衡盾构示意图

1－刀盘用油马达;2－螺旋机；3－螺旋机马达;4－皮带运输机

5－闸门千斤顶；6－管片拼装机；7－刀盘支架;8－隔壁；9－排障进入口

螺旋输送机靠转速来控制出土量,出土量要密切配合刀盘的切削速度,以保持密封舱内充满泥土而又不致过于饱和。这种盾构避免了局部气压盾构的主要缺点，也省略了泥水加压盾构投资较大的缺点,至今，土压平衡盾构与泥水加压平衡盾构，已成为比较成熟、可靠的新型设备，广泛地在隧道施工中予以应用. 五、盾构选型

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盾构法施工的地层都是复杂多变的，因此对于复杂的地层要选用较为经济的盾构是当前的一个难题。

在选择盾构时,不仅要考虑到地质情况、盾构的外径、隧道的长度、工程的施工程序、劳动力情况等，而且还要综合研究工程施工环境、基地面积、施工引起对环境的影响程度等。选择盾构的种类要求掌握不同盾构的特征，表5—1所列是各种盾构选型的要点，同时，还要逐个研究以下项目:

（1）开挖面有无障碍物;

（2）气压施工时开挖面能否自立稳定; (3）用气压其它辅助施工法后开挖面能否稳定；

（4)挤压推进、切削土加压推进时，开挖面能否自立稳定； （5)开挖面在加水压、泥压、泥水压作用下,能否自立稳定； (6)经济性。

盾构选型时通常需要判别盾构工作面是否稳定，一种较为实用的判别方法称布诺姆氏试验法

在松软地层中，设盾构工作面开有一个进土门,地层的垂直力为γ.H，垂直力所产生的侧向土压作用在进土门处，然后以土体是否向盾构内部流动作为判别盾构的工作面是否稳定的条件。试验的结果表明，在软土地层中，垂直作用于进土门上的土压σa与进土门部位的覆土H、土体重度γ及地层的不排水抗剪强度Cu存在如下关系：

σa=γ.H－(6-8）Cu(5－20）

当进土门向盾构外部推动时，作用在进土门上的土压为： σP=γ。H－(6-8)Cu(5－21）

式中的系数(6-8）与土质无关,只与进土门的形状或盾构工作面的支承条件有关。当 σa≤0时，工作面支承条件不能达到上式条件时，盾构工作面就不能保持稳定。因此,在粘性土体中，作用于盾构工作面处的土体垂直力γ。H、气压强度P0以及土体的不排水剪切强度Cu存在如下关系:

γH－P0≤6Cu（5－22)

若满足以上条件，则认为盾构工作面是稳定的。但是，以上条件也不是绝对的，在实际工程中常有不符合判别式的情况，需要工程技术人员根据经验进一步地判断。 第三节盾构法施工准备

一、盾构法施工的前期准备 1、始发井土建结构完成

盾构的始发井土建结构完成后方可进行盾构施工，始发井内须预留盾构出洞的洞门，洞圈一般为钢结构，以便安装盾构出洞的止水装置。盾构出洞前洞门须由钢板、钢板桩或地下连续墙围护。

2、盾构选型

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根据隧道所经过的地层地质及地面构筑物情况、施工进度、经济性等条件进行盾构选型,确定所用的盾构类型（详见第本章第一节）。

3、管片生产

根据管片设计图纸及技术要求，设计出制造管片钢模的图纸，加工钢模，然后进行管片生产。由于管片钢模,加工工艺复杂，故加工周期较长。

在盾构出洞之前,必须生产一定数量的管片，以满足施工需要。 二、技术准备

1、熟悉施工图纸和有关的设计资料

学习工程建设单位提供的工程图纸设计和有关的地质资料、施工验收规范和有关的技术规定，通过学习充分了解和掌握设计人员的设计意图、结构特点和技术要求，在开工前或分项工程实施前应有设计单位进行设计交底。

2、了解隧道沿线的地下管线、构筑物及地质情况

对地下管线及地下构筑物，需要了解管线种类结构、类型、埋深等，与隧道的相互关系等情况，对于地面建筑物，需要了解建筑物的种类、结构、基础埋深与隧道的相互关系等情况，然后采取相应的保护措施。

3、熟悉施工用机械的特点

熟悉盾构机的主要施工参数及相应的盾构施工工法，掌握施工要领。 4、编制施工组织设计

编制施工组织设计是施工准备工作的重要组成部分,隧道施工的施组编写要求根据隧道施工的特点，确定各个关键工序的施工技术，合理地布置施工场地，科学地制定施工方案。在隧道施工的施组中，以下工序必须明确：

（1）施工现场总平面布置; （2）盾构基座及后靠布置形式； （3)盾构出洞时洞门密封的方式； (4）盾构出洞地基加固方式；

(5）材料垂直、水平运输的方式及隧道断面布置; （6）盾构推进的方案、工艺流程；

（7)隧道注浆方法及控制地面沉降的技术措施； （8)经过特殊路段的施工技术措施； (9）盾构进洞地基加固方案及盾构进洞方案； （10）测量方法等。

编写规范的施组还应包括以下内容: （1）组织管理体系；

（2）质量标准及质量保证措施; (3）安全生产措施； （4)文明施工措施；

（5）工程用料及施工用料使用计划； （6)劳动力使用计划;

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（7）施工进度计划。

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三、生产物资的准备

生产物资主要包括材料、构件、施工机械.

材料的准备主要是根据图纸和施组的有关要求,并按施工进度、材料名称、规格、数量、使用时间、消耗量编制出材料需要量计划，组织货源、运输、仓储、现场堆放及运输，保证施工顺利进行。

构件的准备主要指管片的预生产，并落实运输、堆放，保证按时按量供应.

施工机械的准备，根据所采用的施工方案、施工进度，确定施工机械的类型、数量、进场时间、运输安装方式、放置的位置等，编制施工机械的需要量计划，保证施工顺利进行。

四、劳动力的准备

根据施组中所确定的劳动力使用计划，组织劳动力进场，根据需要对施工人员进行相关的技术培训，同时进行安全、消防和文明施工等方面的教育,安排好职工的生活，向施工人员进行技术交底和质量交底，保证施工质量和进度。

五、施工现场准备

1、盾构拼装式拆卸的工作井

作为拼装式拆除盾构的井，其建筑尺寸应满足盾构拼装、拆除的施工工艺要求，一般井宽应大于盾构直径1.6～2。0m，井的长度：盾构推进方向，主要考虑到盾构设备安装余地，以及盾构出洞施工所需最小尺寸。

2、盾构基座

盾构基座设置于工作井的底板上,用作安装及搁置盾构，更重要的是通过设在基座上的导轨,使盾构在出洞前就有正确的导向。因此导轨要根据隧道设计轴线及施工要求定出平面、高程、坡度来进行测量定位。

盾构基座可采用钢筋混凝土结构(现浇或预制）或钢结构。导轨夹角一般为60～90,图5

－12所示为常用的钢结构基座.盾构基座除承受盾构自重外,还应考虑盾构切入土层后，进行

纠偏时产生的集中荷载。 图5－12盾构基座示意图

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3、盾构后座(后盾）

在工作井中盾构向前推进、其推力要靠工作井后井壁来承担,因此在盾构与后井壁之间要有传力设施,此设施称为后座，通常采用隧道衬砌、专用顶块、顶撑等组成。

后座不仅要作推进顶力的传递，还是垂直水平运输的转折点.所以后座不能正环，应有开口以作垂直运输通口,而开口尺寸需按盾构施工的出进设备材料尺寸决定，第一环闭口环在其上部要加有后盾支撑，以保盾构顶力传至后进壁。

由于工作井平面位置的施工误差，影响到隧道轴线与后井壁的垂直度，为了调正洞口第一环管片与井壁洞口的相交尺寸，所以后盾管片与后井壁之间产生一定间隙，这间隙采用混凝土填充，可盾构推力均匀地传给后井壁，也为拆除后盾管片提供方便。

4、人行楼梯和井内工作平台搭设

在盾构出洞阶段施工期内，还没有形成长隧道,盾构设备无法按正常布置，有一个施工转换过程，在此过程中设备需放在井内，需在井内设置施工平台以放置各种设备。并应在合理位置安装上下楼梯，以供施工人员上下作业面工作.

5、盾构施工地面辅助设施

为了确保盾构正常施工，根据盾构的类型和具体施工方法,配备必要的地面辅助设施： （1）做好施工场地的控制网测量，保证施工质量;

(2)做好三通一平,根据施工组织设计中的平面布置，设计施工围墙、场区道路、管片堆场，铺设水管、电缆、排水设施、布置场地照明等；

（3）要有一定数量管片堆放场地，场内应设置行车或其它起吊和运输设备，以便进行管片防水处理，并能安全迅速地运到工作面.还可根据工程或施工条件，搭设大型工棚或移动式庶雨棚,还应设置防水材料仓库和烘箱;

（5）拌浆间：拌制管片壁后注浆的浆体，并配有堆放原材料的仓库;

（6）配电间：应由两个电源的变电所供盾构施工用电且两路电源能互相迅速切换,以免电源发生故障而造成工程的安全事故；

（7）充电间:负责井下电机车的蓄电池充电，要配有电瓶箱吊装的设备，充电量要满足井下运输电箱更换所需,对充电间地坪等设施应防硫酸处理；

（8）空压机房：若采用气压施工,应设置提供必要用气量的空气压缩机和储气筒，管路系统要安置有符合卫生要求的滤气器、油水分离器等设备。并由两路电源以保证工作面安全；

（9)水泵房:若采用水力机械掘进，或水力管道运土、进行井点降水措施的施工工程，应设水泵房，泵房应设于水源丰富处;

（10）地面运输系统：主要通过水平垂直运输设备,将盾构施工所需材料、设备、器具运入工作井的井底车场。还应包括供车辆运输的施工道路，整个系统的组成形式较多；如：垂直运输可采用行车、大吊车、电动葫芦等起重设备,地面水平运输由铲车、汽车、电瓶车等。

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根据施工现场的实际条件，结合所配备的起吊机械、运输设备组成合适的盾构施工地面运输系统较理想的形式。将工作井、管片防水制作场地、拌浆间、充电间等布置连成一线,并合理确定行车的数量，实现水平和垂直运输互为一体的系统；

（11）盾构出土的配套:盾构法施工掘进是其主要工序之一，所以出土系统设施对盾构施工是至关重要的。

干出土可采用汽车运输，并配有集土坑来确保土体外运，不影响井下盾构施工。水力机械掘进运土，需要有合适的排放容量的沉淀池.对泥水盾构还应考虑泥浆拌制及泥水分离等设施;

（12）其它生产设备：一般包括油库、危险品仓库、设备料具间、机械维修间等; （13）通讯设备：为了确保盾构施工安全,隧道施工特点为线长，所以各作业点之间通讯必不可少的,目前通讯采用电话，井下使用的电话必须是防潮、防爆的，在气压施工闸墙内外还须有信号联系；

（14）隧道断面布置

隧道断面布置主要考虑隧道内的水平运输，水平运输包括车架的行走以及管片、土箱等的运输，隧道内通常采用轨道运输，在断面布置时要确定轨枕的高度、轨道的轨距等主要尺寸，轨道的安装必须规范，压板、夹板必须齐全，防止轨距变化引起车辆出轨。对于水力机械出土的盾构来说，隧道断面布置还必须考虑进出水管的布置及接力泵的安装部位,布置时要考虑管路接头方便,便于搬运和固定，上述装置不得侵入轨道运输的界限。人行通道所用的走道板宽度要大于50cm，与电机车的安全距离大于30cm，净空高度大于1。8m。隧道断面还要布置隧道的照明及其供电、盾构动力电缆、通风管路及接力风机、隧道内清洗及排污的管路等；

(15）车架转换

对于工作井空间较小,车架不能一次到位环境，则需要采取车架转换措施，即盾构出洞阶段车架与盾构分离，通过转换、电缆等连接车架与盾构,待盾构推进一段距离，隧道内能容纳车架长度时,再拆除转换管路，将车架吊入隧道与盾构相连，达到正常施工的状态；

（16)井底车场的布置

待盾构出洞,推进一定距离后，管片与土体的摩擦力能平衡盾构的推进反作用力时，即可拆除后盾支撑和后盾管片，充分利用井内的空间，在井底形成一个井底车场，通过搭建平台,铺设双轨等措施来提高水平运输的能力，加快施工进度。

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机种 项目 工作面稳定 工作面观察 工作面防塌 工作面涌水 障碍物处理 正面千斤顶与气压 目视 胸板、正面千斤顶 井点、化学注浆 可能 非常困难 可能 胸板和气压 推力 调整开口率 井点、化学注浆 井点、化学注浆 困难 非常困难 非常困难 非常困难 非常困难 先导隧道排障碍 砾石处理 可能 可能 困难 砾石处理装置 困难 砾石取出装置 适用土质 机械变更 与地质适应性 问题 可能涌水 粘土、砂土 挤压 能 软粘土 手掘式 调整开口率 开口率不准确时地表沉降或隆起较大 工作环境 基地周围的环境 经济性 气压内施工 有噪声、振动 隧道长度短时,较经济 制作费比例 1 气压内施工 有噪声、振动 较经济、但沉降或隆起较大 1。07 1。19 .26 隧道长度长时，较手掘式经济 有噪声、振动 气压内施工 可能涌水 粘土多易产生土体固结 气压内施工 有噪声振动 劳务管理费较低 22。52 泥水处理设备费昂贵 介于机械式和泥水式中间 2。70 2。78 比泥水式盾构经济 介于机械式和泥水式中间 2.96 φ7.350m手掘式盾构为1 其他 处理设备0.44输送设备0.20 泥水设备噪声 有噪声 有噪声 有噪声 无气压 无气压 无气压 无气压 粘土不易分离 砂土时排土困难水压过高封水困难 细颗粒少施工困难、高水压需气压 取土量不足或超量地表隆起或沉降 粘土、砂土 手掘挤压式 能 均质土为宜 困难 刀盘 软粘土、含水砂土 困难 刀盘 困难 排土机构 软粘土、粉砂 含水粉质粘土 困难 刀盘 砾石取出装置 软粘土、含水砂土 困难 刀头 砾径300mm以上 目视 胸板、正面千斤顶 正面千斤顶、气压 手掘盾构 挤压盾构 半机械盾构 机械盾构 大刀盘、气压 目视 大刀盘 大刀盘、泥水压 大刀盘、泥水压 泥水压、开闭板 水压 排土机构 泥水加压盾构 土压平衡盾构 削土加压式 大刀盘、切削土压 土压计、排土量 加水式 大刀盘、加水作用 水压计、进土量 压 排土机构 泥土止水性 土压计、排土量 泥土压 加泥式 加泥作用 备注 大刀盘、土压 大刀盘、水土

表5－1盾构选型比较表

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第四节盾构的进、出洞技术

盾构的出进洞是盾构法施工的重要环节,涉及到工作井洞门的形式、盾构内设备的布置、隧道出、进洞施工土体加固方法、防止及减少地面沉降等技术方案.所以出、进洞的施工技术、方法、措施合理，能减少许多“后患”保证了施工的速度和安全. 一、盾构出、进洞

应根据施工条件、方法选择相应的出、进洞的方法.下面介绍几种: （一）、临时基坑法

在采用板桩或大开挖施工建成的基坑内,先将盾构安装、后座施工及垂直运输出入通道的构筑完成，然后把基坑全部回填，将盾构埋置回填土中仅留出垂直运输出入通道口，并拔除原基坑施工的板桩.这样盾构就在土中进行推进施工,此种方法没有洞门拆除等问题，一般只适用于埋置较浅的盾构始发端。 （二）、逐步掘进法

用盾构法进行纵坡较大的、与地面有直接连通的斜隧道（如越江隧道)，施工时,其后座可依靠己建敞开式引道来承担，盾构由浅入深进行掘进,直至盾构全断面进入士层,实际上这种方法并没有盾构出进洞的技术问题，而关健是控制盾构在逐渐变化深度中的施工轴线控制问题.

（三）、工作井进、出洞法

在沉井或沉箱壁上预留洞及临时封门，盾构在井内安装就位。所有掘进准备工作结束后,即可拆除临时封门，使盾构进入地层。这是目前使用较多的方法.下面以上海地铁盾构进、出洞方法为例说明该施工工艺(见图5－13）。

1、盾构出洞

（1)盾构出洞准备工作

a、井内的盾构后盾管片布置及后座混凝土浇筑

盾构后盾由负环管片组合而成，根据施工情况确定开口环、闭口环的数量。在开口环后部用56＃工字钢3榀及细石混凝土嵌实，在3榀工字钢后用Φ609mm钢支撑撑紧，盾构掘进的轴向力由其传递至站台。

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b、洞口止水装置的安装

井壁洞口内径与盾构外径存在环形建筑空隙,为了防止盾构出洞时土体从间隙处流失，洞圈内安装橡胶帘布环状板、扇形板等组成的密封装置，作为施工阶段临时防泥水措施。

c、洞门混凝土凿除

洞门混凝土凿除，先凿除洞圈内大部分钢筋混凝土，外壁留20cm混凝土，并把它分9块，凿出外排钢筋,在盾构与槽壁之间搭设脚手架，进行施工作业。

（2）盾构出洞

a、出洞口加固土体达到强度；后盾负环拼装；盾构调试完成后，拉去洞圈内钢筋混凝土网片；盾构靠上加固土体；调整洞口止水装置.为防止盾构出洞时正面土体的流失，在盾构切口前端距离洞口加固土体一定距离时,利用螺旋机反转法向盾构的正面灌注粘土,建立土压力达施工要求.

b、盾构推进前，为减少盾构的推进阻力,在盾构基座轨道面上涂抹牛油；避免刀盘上的刀头损坏洞门密封装置，在刀头和密封装置上亦涂抹油脂；盾尾钢刷填满密封油脂.

c、盾构后盾支撑

当第一环闭口环管片脱出盾尾后,立刻进行后盾支撑的安装.用56＃工字钢设置字支撑，并用609的钢支撑轴向传力至井壁。这样,盾构出洞推进时千斤顶的油压及位置有较大的选择范围，以便控制盾构出洞时的轴线。后盾支撑完善后，在盾构推进时,要密切观察后靠的变形情况，以防止形变过大而造成的破坏.

图5－13上海地铁盾构出洞施工工艺示意图

2、盾构进洞

(1）盾构接收井的准备

盾构接收井施工完成后，对洞门位置的中心坐标测量确认，安装盾构接收基座（参照出洞盾构基座安装形式），接收井内混凝土洞门凿除和洞门封堵材料等各项工作全部准备就绪.

(2)盾构姿态的复核测量

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盾构进洞前100m作隧道贯通测量，进洞口中心坐标测量,该项复测要求两次。根据测量数据及时调整盾构推进姿态，确保盾构顺利进洞。

（3）盾构进洞 a、洞门混凝土拆除

当盾构逐渐靠近洞门时,要在洞门混凝土上开设观察孔加强对其变形和土体的观测，并控制好推进时的土压值.在盾构切口距洞门20～50cm时，停止盾构推进,尽可能掏空平衡仓内的泥土使正面的土压力降到最低值,以确保混凝土封门拆除的施工安全。混凝土封门拆除的方法与出洞时基本相同。

b、在洞门混凝土吊除后，盾构应尽快连续推进并拼装管片，尽量缩短盾构进洞时间。 c、洞圈特殊环管片脱出盾尾后,将用弧形钢板与其焊接成一个整体,并用水硬性浆液将管片和洞圈的间隙进行充填，以防止水土流失。

二、临时封门的构造形式 （一）、钢结构封门

工程上已用过的有横向钢板梁封门、竖向钢板梁封门及整块圆钢板封门等.

横向钢板梁封门由横向钢梁（板梁、型钢梁或桁架梁）与梁间钢封板组成。钢梁支承于洞门圈板的钢牛腿上。拆门一般由上而下进行，在土质差、洞门直径大时还应对土体作临时支撑。拆除进洞临时封门时，由于盾构已靠近洞口，土压力基本消除,可以由上而下进行。此种钢封门设于工作井井壁内侧，拆除比较方便。

竖向钢板梁封门，由型钢和钢板或全部用型钢组成。当洞口覆土较浅，并有能力起吊,则出洞口封门设于工作井井壁外侧，进洞口设于井内侧，这样，可将盾构先进入门洞内，再拔封门，施工安全.而在覆土深的工程中临时封门一般设在井壁内侧，拆封门时应由先两边后中间逐根拆除。

整块圆钢板封门，固定于工作井内预留洞圈板上，此种封门形式只适用于小直径盾构，拆除时只需割除封板四周连接部份，整块吊去。

（二）、砖石或混凝土封门

盾构施工时也可在工作井预留洞口内用砖石砌体作封门,也可以直接在井壁（地下墙）上凿孔出洞，拆除可用凿岩机式爆破的方法。

盾构出进洞门的施工，除合理选用洞门结构形式外，在直径大、土质差、隧道埋深较深的情况下，还应考虑降水、地基加固、局部冻结等辅助措施，以稳定洞口土体和防止泥水涌入。 第五节盾构推进

一、盾构正面开挖方法

在本章第一节中已介绍了盾构的类型有：手掘式、挤压式、半机械式、机械式之分。归纳这些盾构可分为敞开、机械切削、网格、挤压等四种开挖方法。

盾构在地层中推进，为了减少对地层的扰动，要求靠千斤顶顶力使盾构切入地层，然后在切口内进行土体开挖和外运，这是软土地层盾构推进的最基本过程。

(一)、敞开式挖土

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手掘式及半机械式盾构都属于敞开开挖形式。

这类方法主要用于地质条件较好,开挖面在切口保护下能维持稳定的自立状态,或在采取辅助措施后也能稳定自立，其开挖方式从上到下逐层掘进,若土层地质较差，还可借助支撑进行开挖，每环要分数次开挖、推进。支撑所用千斤顶应为差压式，即在支撑力的作用下可自行缩回，以确保支撑的效果、亦不破坏正面土体的结构。

敞开掘进对正面障碍处理方便，并便于超挖，配合盾构操作，提高盾构的纠偏效果. （二）、机械切削

过去曾用过由多个刀盘组成的行星式刀盘,以及由千斤顶操纵的摆动式刀盘,但目前常用的是以液压或电机为动力的、可以双向转动的切削刀盘。

根据土质的好坏，大刀盘可分为刀架间无封板的及有封板的两种，前者适用于土质条件好的地层中。用大刀盘切削正面土体再配备运土的机械设备，就是一个完整的盾构掘进施工工艺.

这种掘进方法对正面的障碍排除及盾构超挖纠偏显得有些困难，特别是有封板的刀盘切削更是如此.

使用大刀盘切削的盾构,机械构造复杂，动力消耗大，但这种盾构是实现隧道施工机械化、减轻劳动强度的必然趋势。

(三)、网格式开挖

这种开挖方法是在软弱粘性土层的施工中不断总结经验发展起来的。

其开挖面有网格梁与隔板组成许多格子,对开挖面土体的支撑作用，由土的粘聚力和网格厚度范围内的摩阻力组成的，当盾构推进时克服了这一组合阻力,土体就从格子里呈条状挤进来，所以在不同土质的地层中施工应有不同尺寸的网格，否则会造成丧失支撑作用及过量的土层扰动。

目前在网格后面配上提土转盘，把土提升到盾构中心筒体端头的斗内,然后由筒体内运输机将土送到施工隧道的运输平板车土箱中，以完成盾构掘进这一工序,实践证明这一方法有较佳的效果。

(四)、挤压式开挖

挤压开挖可分为全挤式和局部挤压两种:

由于挤压推进不出土或少出土，对地层扰动较大，故在隧道轴线的设计时，必须避开地面建筑物，这样也就了这种施工方法的适用范围，一般常用于旷野郊区或排水工程滩涂处.

在挤压施工时，盾构在一定范围内将周围土体挤密实，使正面土体向四周运动，由于上部自由度大，所以大部分土体被挤向地表面,造成盾构推进轴线上方地面土体拱起，也有部分土体挤向盾尾及下部。

挤压推进按其特点，可以不压浆,因为正面土体受到盾构推力作用，部分土体被挤向后面填充盾尾与衬砌建筑空隙，从以往的施工观察，用挤压施工有两个明显特点:

1、已建隧道一出盾尾不但不沉降而且有上浮,其上浮值基本与建筑空隙相符. 2、盾构上浮趋势明显，在浅埋施工时，盾构轴线较难控制，严重时单用千斤顶编组已无法纠偏，在这种情况下用调整挤压程度来控制，即增大进土面积或调整进土孔位置。

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由于挤压推进对盾构所产生的正面阻力很大，在总体施工工艺设计时,如已决定用挤压法施工，则盾构推力计算应将挤压阻力计算在内。 二、施工管理和掘进管理

(一)、土压平衡式盾构

土压平衡盾构的施工管理是通过排土机构的机械控制方式进行的，这种排土机构可以调整排土量使之与挖土量保持平衡，以避免地面沉降或对附近构筑物造成影响.

施工管理的方法主要有以下几种：

1、先将盾构的推进速度设为一定值,然后根据容积计算来控制螺旋输送机的转速。这种方法是在松软粘土中使用的比较多的基本形式。与此同时,作为管理数据，还要使用切削扭矩和盾构的推力值等。

2、先设定盾构的推进速度为一定值,再根据切削密封舱内所设的土压计的数值和切削扭矩的数值来调整螺旋输送机的转速和螺旋式排土机的转速。

这种管理方法是将切削密封舱内的设定土压力P和设定切削扭矩T作为基准值，同盾构推进时的发生土压P`、切削扭矩T`的数值作比较时，即在P＞P`和T＞T`时降低螺旋输送机和螺旋式排土机的转速，减少排土量,而在P＜P`、T＜T`时则提高转速，增加排土量。

3、上述方法为调整土压和切削扭矩的值而改变了排土量，此外还有调整盾构推进速度来改变进土量的。这种方法仅适合施工土质均匀的条件.

（二)、加泥式或加泥浆式盾构 1、泥土、泥浆管理

进行泥土、泥浆管理的目的是为了通过向切削土内注入制泥材料,并进行搅拌，将切削土改变成与开挖面土质相适应的泥浆土.

制泥材料可使切削下来并吸入密封舱的切削土具有塑性流动和不透水的性能，一般采用粘土和膨润土等的浆液.在土体属于软质粘性土时，也可不使用制泥材料。

同时,根据切削扭矩、螺旋输送机的旋转扭矩、盾构的掘进速度等，以及所观察到的从螺旋输送机内排出的泥土状态等，制泥材料的使用量也将相应增减。

2、掘进管理

为了确保开挖面稳定的同时进行盾构推进的掘进管理有以下两种方法：以使掘进量和排土量之间取得平衡为目的的排土量管理方法和以通过土压计测出密封舱内的泥土压力来保持土压力平衡为目的的土压管理方法.

(1）排土量管理 a、重量管理

通过测定隧道出土车运出的挖掘土的重量来调节掘进量和排土量之间取得平衡的方法。这种方法尚有不能正确掌握排土量，可作下一步掘进的参考，但不能反映出掘进情况。

b、盾构掘进量和螺旋输送机转速之间的控制

螺旋输送机的转速和排土量之间的关系可用下式表示： Q=ηANP（5－27) 式中：Q-排土量(m3)；

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η-排土效率； A-盾构断面面积(m2）; N—螺旋输送机的转速（rpm）； P—螺旋翼片的间距（m）。

由于排土效率η是根据螺旋输送机的进土压力和土质等而变化的，所以根据螺旋输送机的转速很难求出正确的排土量，掘进量和排土量之间也很难保持平衡。

(2)土压管理

泥土、泥浆加压盾构以通过土压管理来进行掘进控制为基本特点。这种盾构在切削刀盘部位没有面板，支撑开挖面的压力就是密封舱内的泥土压力，故可直接通过装在密封板上的土压计测出.因此，进行土压管理是可能的。

通常土压力P的范围是：

主动土压力＋地下水压力＜P＜被动土压力＋地下水压力。

管理土压的方法是：根据土质调查中取得的结果,求出控制的上、下限土压力，再在这一范围内设定基准土压力，控制盾构千斤顶的推进速度和螺旋输送机的转速,使实际土压同基准土压取得一致。根据上述基准土压力,并参照施工情况，以及途中变化的测定、排土状况等来设定管理用的土压力。

(三)、加水式盾构

加水式盾构施工法的开挖面稳定管理有两种方式:一是不间断地掌握盾构掘进中的掘土量和排土量之间的关系，从而将密封舱内的切削土的积存量保持在最佳状态的排土率管理；二是保证同地下水压力取得平衡的附加水压力管理。

1、排土率管理

排土率的管理基本上是通过控制盾构的掘进速度和螺旋输送机的旋转速度进行的.而排土率则是通过由盾构掘进速度和盾构断面面积算出的掘土量与安装在排泥管上的流量计和密度计测出的排土干砂量之比求得的。

为将密封舱内的切削土积存量保持在最佳状态，必须测定总推力、切削扭矩和螺旋输送机扭矩等数据，实施能反馈出测定结果的最佳管理.另外，切削扭矩如留有余地，则最好以尽可能使密封舱内充满切削土的状态实施管理.

2、附加水压管理

附加水压力的管理是通过根据地下水位、切削密封舱内孔隙水压力的测定结果在排土调整槽内控制附加水压力的方法进行的。附加水压力是通过调节管道输送系统的泵的排出量或阀门的开口率来控制的。附加水压力的管理标准是：根据土体条件、掘进状况等因素，设定出能够保证在开挖面处于稳定的状态下进行掘进的最佳加水压力，但常用以地下水压力为基准，在其上下设定容许变动值，将压力控制在这一范围内。

(四）、泥水加压平衡式盾构

泥水加压平衡盾构是一面要保持泥水压力来平衡作用于开挖面的外部压力一面又要向前推进的掘进方法，所以要对开挖面泥水压力、密封舱内的土压力.以及同掘土量平衡的出土量等进行必要的检测和管理。

1、开挖面泥水压力的管理

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开挖面上泥水压力的管理，是通过设定泥水压力和控制推进时的开挖面泥水压力等环节实施的.

（1)计划泥水压力的设定

为保证开挖面的稳定所必须的泥水压力为:

计划泥水压力=开挖面水压力＋开挖面土压力＋变动压力。

在一般的泥水加压平衡盾构中，作用于开挖面的变动压力换算成泥水压力,大多设定为2MPa左右。如果将开挖面泥水压力设定得过大,它同地下水压力之间的压差就会增大,所以会出现漏泥和地面冒浆的危险.泥水加压平衡盾构一般将计划泥水压力的上限值设定为:埋深×泥水重度。

因此，泥水压力的范围可设定为： Pj=Pd+2Hγg（5－28）

式中：Pj—计划泥水压力(MPa）； Pd—地下水压力(MPa）； H—隧道埋深(m）; γ—泥水重度； g—重力加速度。

在设定时要考虑土质条件和施工环境等因素. (2）盾构推进时的开挖面泥水压力控制

盾构推进时的开挖面泥水压力控制流程，通过设于挡土板上的开挖面水压力检测装置测出泥水压力，并通过自动控制回路将其控制为设定泥水压力。

(五)、土压平衡盾构的基本原理

土压平衡盾构的基本原理是:随着盾构的推进，对由旋转刀盘切削下来进入密封舱内的土体，通过安装在密封舱内的螺旋输送机以及出土口上的滑动闸门或螺旋式漏斗等排土机构进行排土，一面维持开挖面稳定状态，一面将盾构向前推进。

根据不同的地层条件，上述使开挖面维持稳定的机构，基本上可以分为两种类型：一种是适用于土体内部摩擦角小而富有流动性的粉土、粘土等粘性土地层的开挖面稳定；另一种是适用于土体内部摩擦角大、流动性差、透水系数高的砂土、砂砾等砂质土地层的开挖面稳定机构。

1、粘性土地层中的开挖面稳定

适用于粉质粘土和砂质粉土层等粘性土地层的开挖面稳定的基本形式,是采用将螺旋切削刀盘切削下来的土体导入切削密封舱内，一边顶住开挖面上的土压，一边用螺旋输送机运往后方并从出土口排土的方式。应用此方式的有削土加压式盾构和中心螺旋钻型土压式盾构等。

开挖面稳定机构首先就是用切削下来的土体来填满切削密封舱.在松软的粘性土地层中施工时,刀盘切削下来的土强度一般低于开挖面上土体的强度，并呈流动状。此外，即使地层土的粘结力较大,由于切削刀盘的搅拌和在螺旋输送机的搬运中,土体已被扰动,流动性能有所提高，所以在切削密封舱和螺旋输送机内，切削下来的土会充得很满，可以达到同开挖面上的压力大致相等的状态。

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为了一边保持上述状态，一边将盾构向前推进，螺旋输送机的出土口装置，应具有能够为挖土量和排土量随时保持平衡，而发挥控制的作用。

在粘性土地层中施工时，一般采用滑动闸门。然而，对于土会从滑动闸门中流出的那种松软土质，也可采用专用泵（容积泵）来代替滑动闸门.容积泵就是能在保持压力的同时输送流动状粘性土的泵。如果将若干台这样的容积泵组合起来，就可以在开挖面和地面之间进行管道输送.

此外,当土体中的含砂量较多而超过一定限度时,将难以保证切削密封舱内的切削土的流动性。此时，切削密封舱内的土一旦充得过满，就会压密固化，挖土和排土都会出现困难,盾构将不能推进.在这种情况下,就需要在切削密封舱内加入化学聚合物、泡沫、膨润土和粘土等添加剂作搅拌混合处理,或用高压喷气搅拌处理，以提高密封舱内切削土的流动性。欲提高流动性，还可以在排土机构方面采用提高切削土的阻尼效应的方法来代替滑动闸门。

2、砂性土地层中的开挖面稳定

在砂土和砂砾等砂质土地层中，由于砂土的摩擦阻力很大，地下水丰富，土的透水系数也较高，依靠切削土的土压力保持来抗衡开挖面上的压力(地下水压力和开挖面土压力)是很困难的。另外，通过切削下来的泥土来保证出土的流动性也是不可能的。

由于这种地层中土的透水性强，光靠在切削密封舱及螺旋输送机内充满土来保证顶住地下水压力的止水性也是不可能的。

在这样的地层中,因为单纯依靠出土闸门等机械控制不能保证开挖面的稳定，所以在开挖面上加压或注入化学聚合物、泡沫、水、泥、高浓度泥水、泥浆等材料，进行充分搅拌，改变切削下来的土体的性质，保证土的流动性和止水性，以求得开挖面的稳定。

上述稳定开挖面的方式大致可分为以下几种：

(1)向切削密封舱内喷水、喷气或注入泡沫等添加剂来保证密封舱内切削土的流动性,同时在螺旋输送机的出土口上安装旋转式排土机构,以保证排土系统的水密性,维持开挖面的稳定.

（2）向开挖面施加高压水来保证切削土的流动性，同时保持与地下水压力之间的平衡,用切削密封舱内留下的切削土来抵抗开挖面的土压力，并在螺旋输送机后部安装排土调节槽来保持舱内的压力,维持开挖面的稳定.

（3）向开挖面施加高浓度泥水，将泥水同切削下来的土体进行搅拌，由此来保证切削土的流动性，同时用施加高浓度泥水的压力来抵抗开挖面上的土压力和水压力，并在螺旋输送机出土口上安装旋转式排土机，用这样的措施来保持开挖面的稳定。

（4）向开挖面注入制泥材料或泥浆，用加筋辐条型的刀盘进行切削和搅拌,将切削下来的土转变成具有止水性和流动性的土，并用这种改性土的土压力来抵抗开挖面上的土压力和水压力，以此来维持开挖面的稳定。

除了上述四种开挖方法外，若在水源充沛地区施工，还可采用水力机械开挖,以水代替人工或机械挖土,用水力扬水器或泥浆泵组成管道运输代替隧道的常规运输方法，可以加快施工速度。 三、盾构控制

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（一）、盾构偏向的判定 1、盾构偏向的原因

盾构脱离基座导轨,进入地层后,主要依靠千斤顶编组及借助辅助措施来控制盾构的运动轨迹。盾构在地层中推进时，导致偏向的因素很多，这里的偏向是指平面、高程偏离设计轴线的数值超过允许范围。

偏向的原因主要有以下因素:

（1）地质条件的因素。由于地层土质不均匀，以及地层有卵石或其它障碍物，造成正面及四周的阻力不一致而导致盾构在推进中偏向。

（2)机械设备的因素.各千斤顶工作不同步，伸出阻力由于加工精度误差造成不一致,另外，盾构外壳形状误差、设备在盾构内安置偏重于某一侧、千斤顶安装后轴线不平行等，也会导致盾构偏向。

（3）施工操作的因素.如部分千斤顶使用频率过高，导致衬砌环缝的防水材料压密量不一致，累积后使推进后座面不正，挤压式盾构推进时有明显上浮；盾构下部土体如有过量流失，引起盾构下沉；管片拼装质量不佳、环面不平正等都会导致盾构推进偏向。

2、盾构偏向的反映与测定

在盾构施工中的每一环推进前，先要充分了解盾构所处的位置和姿态，否则无法控制下一环推进轴线和制定纠偏措施。目前施工技术手段是通过对盾构现状位置的测量后报出的盾构现状报表来反映盾构真实状态。从该报表（见图5－14)中可得知如下值：

(1）盾构切口、举重臂、盾尾2个中心的平面与高程的偏离设计轴线值。从这2组4个值中可以分析盾构上下左右的趋势，以确定下环推进的纠偏措施、方案等具体方法;

图5－14盾构现状测量报表图

(2）盾构的自转角.从这一数值可以了解盾构目前是处于顺时针还是逆时针旋转，从而决定刀盘的转向或附加配重；

（3)目前隧道的里程、环数； （4)盾构的纵坡.

在报表中高程的向上偏离设计值时用“＋”表示，向下用“－”表示；平面偏右用“＋”

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表示，偏左用“－”表示；上坡用“＋”表示，下坡用“－\"表示. 3、具体测量方法

目前对盾构现状测量大多还是依靠于每环推进中或结束后，由人工进行测量,这种方法不能使施工人员随时了解盾构的现状，当今最先进的测量手段是利用陀螺仪等高精尖技术，但目前国内主要还是应用以下的常规测量手段：

(1) 坡度板(如图5-15所示),是目前盾构施工中能使施工人员直接读出盾构纵坡、转角的值,以便能随时纠正。测纵坡及转角以往还用过的有带水准气泡的水平仪、连通管等.

（2)丈量两腰千斤顶活塞杆伸出长度估计平面纠偏效果。 （3)用水准仪测得盾构轴线两点，可算出盾构纵坡及高程偏差值。

（4）用激光经纬仪直接读出激光打在盾构前、后靶上读数,可算出盾构的切口、举重臂、盾尾三个中心平面、高程偏离设计轴线值。

图5-15坡度板示意图

（二)、盾构的操作

盾构操作的目的，主要是使盾构运动轨迹始终符合设计轴线容许偏差值范围内,达到隧道衬砌拼装在理想的位置上的目的。

要掌握好盾构掘进轴线控制，不但要能熟练地操作盾构，懂得纠偏原理、方法，还应对隧道埋置的地质情况及盾构施工时，土与盾构相互影响有一个全面的了解。

1、土质对盾构施工的影响

盾构法适用于软土层的施工，软土主要有砂性和粘性二类，砂性土有砂土、粉质砂土、粉土；粘性土有粘土、粉质粘土、淤泥质粘土等。

砂性土的颗粒粒径在2~0.005之间，其透水性较好,在地下水压力差作用下（动水压力）,砂粒易产生流动,对施工会带来较大困难，如不采取所必须的防范措施是难以正常施工的。

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粘性土的透水性差，但具有较大的可塑性,虽是最适宜盾构施工，如施工时对土体有过大扰动,则带来的“后患”也大，在饱和的淤泥质粘土中施工,对盾构稳定控制有一定的难度，要严格掌握进土量，才能使盾构稳定向前运动。

2、盾构的操纵方法 （1)千斤顶编组

盾构在土层中向前受到土的阻力，需借用布置在切口环四周的千斤顶顶力来克服。但两者的合力位置始终不在一条直线上，见图5-16,从而形成一力偶导致盾构偏向。

由此可见调整不同千斤顶的编组，使其千斤顶合力位置与外力合力位置组成一个有利于纠偏的力偶，所以该方法是盾构操纵的主要手段。而用千斤顶编组主要目的是调整盾构的纵坡来调整其高程位置，同样也是盾构平面位置的控制方法.

在用千斤顶编组施工时应注意以下三点：

a、千斤顶的只数应尽量多，以减少对已完成隧道管片的施工应力； b、管片纵缝处的骑缝千斤顶一定要用,以保证成环管片的环面平整； 纠偏数值不得超过操作规程的规定值。 (2) 千斤顶区域油压调正

目前多数盾构将千斤顶分为上、下、左、右四个区域，每一区域为一个油压系统，所以通过区域油压调整，同时起到调整千斤顶合力位置的作用，使其合力与作用于盾构上阻力的

合力组成一个有利于控制盾构轴线的力偶，以控制盾构轴线。

图5—15千斤顶纠偏原理图

（3）盾构的纵坡控制

纵坡控制的目的，前面以讲述过，即调整盾构高程，另一点可调整盾构与已成管片端面间的间隙，以减少下一环拼装施工的困难.

控制纵坡的方法：

a、 变坡法在每一环推进施工中,用不同的盾构推进坡度进行施工，最终达到预先指定

的纵坡。在变坡法推进中，可根据管片与盾构相对位置、原则上以盾构不卡管片，可采用先抬后压或先压后抬的措施；也可用逐渐增坡或减坡的方法。

b、 稳坡法盾构每推一环用一个纵坡以达到纠坡要求，但要做到这一稳坡具有相当高的

技术难度，用这方法盾构推进中对地层扰动最小。

（4）调整开挖面阻力，当利用盾构千斤顶编组或区域油压调整无法达到纠偏目的时，可采用调整开挖面阻力，也就是人为地改变阻力的合力位置，从而得到一个理想的纠偏力偶,来达到控制盾构轴线的目的。

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用这种方法纠偏效果一般说是较好的，但各种不同盾构形式有不同的方法。敞开式挖土盾构可采用超挖；挤压式盾构可调整其进土孔位置和扩大进土孔。以往也设想使用过在盾壳内外伸出鳍板，但效果不大.

3、盾构自转的纠正

盾构在推进施工中，除了上述偏离设计轴线外，还有盾构本身自转的现象。 （1）盾构自转后对施工带来的困难有：

a、使盾构设备操作、液压系统的运转不正常。原来安置平正的设备自转后成歪斜，如不调整对操作不方便，运转使用失常。

b、使隧道衬砌拼装困难，这是指在采用全纵向插入的成环形式，因位置转了角度，造成封顶块管片难以或根本无法拼装。

c、给隧道测量带来不便，测量在盾构上安装有弧形尺，盾构转后尺位偏了，有时转出位要重新装尺，两次定位肯定要影响到测量精度.

（2）盾构产生自转的原因有以下几点：

a、土质不均匀，盾构两侧的土体有明显差别，则土体对盾构的侧向阻力不一而引起旋转.

b、在施工中为了纠正轴线,对某一处超挖过量，造成盾构两侧阻力不一而使盾构旋转，同样，安装在盾构上大的旋转设备顺着一个方向使用过多，也是引起盾构自转的一个原因。

c、由于盾构制作误差，千斤顶位置与轴线不平行、盾壳不圆、盾壳的重心不在轴线上等,使盾构在施工中产生旋转。

（3）盾构自转后纠正的方法有以下两种:

a、在盾构有少量自转时，可用盾构内的举重臂、转盘、大刀盘等大型旋转设备的使用方向来纠正。

b、当自转量较大时，则采用压重的方法，使其形成一个纠旋转力偶。

盾构法施工在上海经过了三十多年的施工实践,对控制盾构推进轴线和隧道衬砌防水抗渗的技术和一整套技术施工已日趋成熟，并正向更高的要求发展. 第五节管片拼装及防水

一、衬砌拼装

隧道是由预制管片逐环连接形成的，管片是在盾壳保护下，并在其空间内进行拼装.管片的类型主要有球墨铸铁管片、钢管片、复合管片和钢筋混凝土管片，每环有数块组合而成。

（一）、技术名词解释: 1、纵向-—隧道的轴线方向； 2、径向一一隧道圆环的直径方向; 3、环向—-隧道圆环的圆周方向; 4、纵缝一一同环管片块与块之间的接缝； 5、环缝——管片环与环之间环的缝;

6、通缝—-拼装的一种型式即后一环管片纵缝与前一环管片纵缝对齐的拼法； 7、错缝—-拼装的一种型式，与前后环纵缝错开的拼法；

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8、环面——管片圆环的环向面； 9、内弧面—-圆环的环向内面, 10、外弧面一—圆环的环向外面

11、管片端头——每块管片的两个纵向端面；

12、张角——两块管片端面接头缝在径向的误错向外张开称外张角；反之称内张角； 13、喇叭——两块管片端面接头缝在纵向的误错,向推进方向张开叫前喇叭；反之称后喇叭；

14、踏步--前后两环管片内弧面的不平整度；

15、纵向螺栓一一螺栓方向为纵向，是环与环之间的连接件；

16、环向螺栓——螺栓为管片圆环方向，是同一环管片块与块之间的连接件； 17、端肋一一管片中每块管片两端头的肋板； 18、环肋——管片环向的肋板； 19、纵肋—-管片在纵向的加劲肋；

20、椭圆度——圆环垂直、水平两直径之差值；

21、超前――指圆环环面与推进设计轴线垂直度的误差，有上、下超前和左、右超前之分。

(二）、装配式衬砌（管片）的类型、特点

管片型式可从结构层数、成环形式、制作的材料、每环块数来分为各种不同的管片型式，在这里不作细叙。现将着重讲述管片特点，下面对三种不同材料制成的管片作介绍。

1、球墨铸铁管片

球墨铸铁管片强度高、易铸成薄壁结构、管片重量轻、搬运安装方便、管片精度高外形准确、防水性能好，但加工设备要求高、造价大。该管片需翻砂成型后用大型金属切削机械加工.

2、钢管片

主要用型钢或钢板焊接加工而成，其强度高，延性好,运输安装方便，精度稍低于球墨铸铁管片，但在施工应力作用下易变形，在地层内也易锈蚀。

3、钢筋混凝土管片

该种材料制作而成的管片有一定强度,加工制作比较容易，耐腐蚀，造价低，是最常用的管片形式，但较笨重、在运输、安装施工过程中易损坏。

（三）、钢筋混凝土管片的制作 1、钢模设计加工

要确保制作后管片有统一尺寸、误差在一定精度的范围内，关健是钢模的刚度、强度及精度,所以要设计加工高精度、拆装方便、刚度大、变形极小的钢模，来满足管片精度要求所需。

2、钢筋成形

这里指钢筋笼成型，要在专门的搭片、搭块架上进行单根成型后钢筋的组合。 3、混凝土浇捣

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将成型的钢筋骨架块放入钢模内浇捣混凝土、混凝土浇捣按钢模型式可有整环浇捣和分块浇捣。

(1）整环浇捣，即钢模是整环型式，这种方法制作的管片，环向螺栓易穿，管片厚度准确，但环面精度稍差，由于生产以环为单位,所以管片要成环使用.

(2）分块浇捣，每块均为标准产品，当采用人工振捣时管片的外弧面为自由面，人工收水抹面，故管片厚度精度及外弧面质量较差。

4、养护、脱模

管片一般采用蒸养后自然养护，蒸养混凝土强度要达到50％以上，主要为加快钢模的周转使用,脱模后，管片入水池养护。

5、检漏

管片用于地下工程,要抗地下水的渗入，对成品管片除强度满足设计要求外，防水抗渗亦是一项主要指标,所以对成品管片按比例的作检漏试验，从而鉴定管片的抗渗能力。

6、管片的堆放

混凝土管片受碰撞易碎易裂,在搬运堆放过程中应特别注意,场地要平整，卧式堆放不得起过三块，管片端头用枕木垫实,不能驼放受力.

（四)、管片的拼装

管片拼装是建造隧道重要工序之一，管片拼装后形成隧道,所以拼装质量好坏也就直接影响工程的质量。

1、拼装工艺

（1)隧道管片拼装按其整体组合可分为通缝拼装和错缝拼装

a、通缝拼装

各环管片的纵缝对齐的拼装，这种拼法在拼装时定位容易,纵向螺栓容易穿，拼装施工应力小,但容易产生环面不平,并有较大累计误差,而导致环向螺栓难穿,环缝压密量不够。

b、错缝拼装

错缝即前后环管片的纵缝错开拼装，一般错开1／2～1／3块管片弧长,用此法建造的隧道整体性较好，施工应力大易使管片产生裂缝，纵向穿螺栓困难，纵缝压密差，但环面较平整,环向螺栓比较容易穿。

(2)针对盾构有无后退，可有先环后纵和先纵后环拼装工艺

a、先环后纵，

在采用敞开式或机械切削开挖的盾构，盾构后退量较小，则可采用先环后纵的拼装工艺。即先将管片拼装成圆环，拧好所有环向螺栓,而穿进纵向螺栓后再用千斤顶整环纵向靠拢，然后拧紧纵向螺栓，完成一环的拼装工序。

采用先环后纵的拼装其成环后环面平整、圆环的椭圆度易控制,纵缝密实度好、但如前一环环面不平则在纵向靠拢时，对新成环所产生的施工应力大。

b、先纵后环

当采用挤压或网格盾构施工时、其盾构后退量较大，为不使盾构后退，减少对地面的变形，则可用先纵后环的拼装工艺。即缩回一块管片位置的千斤顶，使管片就位,立即伸出缩回的千斤顶，这样逐块拼装最后成环的拼装方法。

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此种方法拼装、其环缝压密好，纵缝压密差、圆环椭圆度较难控制,主要可防止盾构后退，但对拼装操作带来较多的重复动作,拼装也较困难.

(3)按管片的拼装顺序可分先下后上及先上后下。 a、先下后上

用举重臂拼装的方法，从下部管片开始拼装，逐块左右交叉向上拼,这样拼装安全、工艺也简单，拼装所用设备少。

b、先上后下

小盾构施工中，可采用拱托架拼装,则要先拼上部，使管片支承于拱托架上,此方法拼装安全性差,工艺复杂、需有卷扬机等辅助设备。

(4）目前我们管片拼装的工艺可归纳为先下后上、左右多叉、纵向插入、封顶成环。 （五）、管片拼装施工通病 1、环面不平整

环面不平整是指相邻两块管片环面不平，引起原因是环面不清理不认真，有泥或杂物(包括已成环及新拼块上），或同一方向纠偏过多造成环缝压密量不一累计而成，这在通缝拼装更为明显。

2、纵缝质量不符合要求

表示纵缝质量有前后喇叭、内外张角、内弧面平整度、两管片相对旋转及纵缝宽五项. 由于在拼装时管片位置安放不正，管片弧长上单头有杂物压于环面内，过多的单向纠偏，管片内、外翻所导致。

3、整个环面不正

这里是指整个环面与隧道轴线的垂直度,即上下超前及左右超前，环面不平整能直接影响盾构推进轴线的控制,反之为了纠盾构轴线而形成环面的不正.在施工中发现有此现象，即可用楔子来纠正环面。

4、螺栓拧紧程度不好

整条隧道有成千上万块管片组合而成，而其组合靠的是纵、环向螺栓，所以螺栓拧紧的程度是隧道整体性能优劣的衡量指标。由于螺栓未拧紧管片成环后在千斤顶顶力作用易产生错位，降低了成环质量，从而影响下一环拼装.

5、管片旋转

由于管片旋转，施工车架同时伴随倾斜，同时对管片成环,也带有不同程度困难； 6、管片的缺角、掉边及断裂

管片的缺角、掉边直接影响了隧道外观质量，而断裂则反映了工程质量。这是隧道施工中最应防治的。

这些均由施工不当而造成，而主要在以下三种情况较易产生。

（1)在拼装纵向靠拢，由于前一环环面不平,靠拢千斤顶选择位置不当或顶力过大。 （2）封顶块拼装是本环各块管片定位质量的综合反映,由于第一块管片落底不够,使封口尺寸较小,封顶块纵向插入时就需硬顶入，这对相邻管片的拼装质量影响最大.

（3）盾构推进的纠偏、没有考虑管片圆环与盾构相对位置，而盲目纠偏使盾壳硬卡管片而造成管片碎裂。

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7、圆环内、外接缝张开；

这是圆环管片拼装后的综合症,因为圆环接缝张开即前后环面直径不一，则纵缝就有喇叭、张角、缝宽不一的现象,造成圆环接缝张开其原因如下：

(1)管片拼装时纵向靠拢千斤顶选用位置不对； （2）盾构与管片相对坡差过大；

（3)前一环环面不正，拼装前环面清洗不清。

要解决这质量问题除拼装时要合理选用千斤顶，同时要经常测量已成隧道的环面,并按环面误差值及时做楔子，来控制已成隧道环面质量。

8、椭圆度的控制

当前采用封顶成环较普遍，一般为了封顶方便,管片预留封口留得较大一些，所以成环后横鸭蛋为多数，而隧道变形也是横向的，这对以后隧道变形发展带来不利.

（六）、盾构推进与管片拼装成坏轴线的相互关系 1、成环轴线的形成

在隧道施工中，管片拼装成环后,即对该环进行测量,测量是根据隧道的设计轴线，来测出圆环中心的平面与高程偏离设计轴线值，见管片成果测量报表。 整条隧道的轴线是由各环管片中心实际位置连接而成,具体由上面所讲的管片成环测量报表来反映，所以在施工中必须把管片拼装在允许偏离值范围内，确保隧道轴线符合使用要求。

2、盾构推进对管片成环轴线的影响

在施工中管片是在盾构的盾尾内拼装的，而这两者之间的空间仅几厘米，而拼装是由举重臂来完成,这就是说在盾构推进后的测量报表中的举重臂中心偏离设计轴线量，已基本决定了管片成环的中心轴线，从而可认为盾构推进轴线一定程度上控制着隧道轴线,拼装中纠偏量只限于上面所说的两者间有量的空间。实际上管片成环后虽测有轴线报表，但在盾构推进时对已成隧道轴线也有一定的影响，而这值在一般施工中不作过多考虑。

从上述分析来看，盾构推进的运动轨迹对隧道管片轴线起到主导作用。务必要求控制好盾构轴线,特别是举重臂中心轴线、以确保隧道总体轴线能符合工程的使用要求。

3、管片成环轴线对盾构轴线控制的影响

已成环管片是盾构推进的后座，另一方面在盾构内有一定含接长度,对盾构推进方向的控制也起到了导向作用.所以说成环管片轴线，将直接影响盾构推进轴线的控制。 二、管片接缝防水

采用装配式预制钢筋混凝土管片时，管片本身是有良好的不透水性,而管片之间的接缝成为隧道防水薄弱环节，这是隧道防水的主要研究课题.

（一）、管片接缝的防水

解决隧道防水的关健是要把好管片拼装质量关，以使管片接缝达到密封防水作用。为了保证管片接缝防水性能的良好，管片制作精度也极为重要，一般管片几何尺寸的误差不应大于±1mm。

无论采用什么管片型式，其接缝防水技术包括密封垫防水、嵌缝防水、螺拴孔防水等三项内容，见图5－17防水部位示意。

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图5－17防水部位示意图

1－纵缝防水密封垫2－环缝防水密封垫3－嵌缝槽4－螺栓孔 1、单层衬砌防水

单层衬砌防水特点是:接缝防水构造是隧道衬砌构造永久组成部份。选用的防水材料要求有较高的耐老化性能，在承受接头紧固压力和千斤顶推力产生的接缝往复变形后仍有良好的弹性复原力和防水能力，且也能便于施工。单层衬砌防水的主要措施是：

（1）管片采用多道防线防水的结构型式，一般设1～2条防水槽，管片环面内弧设置嵌缝槽（见图5一18)，并有接缝的堵漏技术措施，确保修补堵漏的可能性；

图5－18单层衬砌防水示意图 1－环缝密封垫2－纵缝密封垫

密封垫视为主要防线，如果其防水效果优良，也可省掉嵌缝工序或进行部分嵌缝； （2）防水槽内设防水密封垫,主要采用橡胶，依靠相邻管片的接触压力挤压密之后而产主防水效果。这种橡胶以氯丁橡胶、三氨乙丙橡胶、丁苯橡胶等制造。

(3)管片的精确尺寸是确保密封垫应用的前提。 2、双层衬砌防水(内衬)

双层衬砌的目的是解决管片的防水、防腐蚀和结构补强等问题。 双层衬砌防水的特点及措施：

（1)由于隧道内衬起主要防水作用，对管片接缝的防木材料要求较低，只起临时止水作用。

(2）制作内衬防水层有下列儿种作法：

a、粘贴卷材防水层.将热沥青胶结料，用喷涂或辊涂的方法，涂敷在隧道内壁上，并立即粘贴沥青玻璃布油毡或聚异丁烯卷材或再生橡胶沥青油毡；

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b、喷涂或刷涂防水层.常用的材料有环氧沥青涂料、环氧呋喃涂料、焦油聚氨脂涂料等； c、无论粘贴卷材还是喷刷防水涂料,都要求隧道内表面处于干燥状态时方可施工。但这一施工条件在隧道内较难实现，从而发展了在潮湿的内壁上喷涂聚合物水泥砂，可以与潮湿面粘结的防水涂料,如水环氧等；

d、喷射混凝土防水层。内层衬砌当采用喷时混凝土时，可在混凝土拌合料中添加化学掺剂，以提高其混凝土防水性能;

e、钢筋混凝土内衬,全面现浇钢筋混凝土，以起到隧道防水与补强的功能。 3、衬砌螺孔防水

螺孔一般设于管片防水槽内侧，这是依赖于管片密封防水垫的作用，使水不漏入螺孔，从目前施工的多条隧道是有一定实效。但当工程有特殊防水要求，侧对螺孔也应采用沥青、橡胶、塑料为材料的专门环形垫圈来防水.垫圈如图5一19所示。

图5－19螺栓防水垫圈示意图

（二）、接缝防水密封垫 1、密封垫的种类和特征

混凝土土管片使用的防水密封垫大体可分为两大类。即未定型制品和定型制品。 未定型制品的主体材料： (1）石油沥青生橡胶粉油膏； （2）聚氧乙烯胶泥；

（3）焦油聚氨脂弹性体（两液型）； （4）焦油聚流弹性体(两液型）； （5）环氧聚硫弹性体（两液型）; （6）环氧煤焦油砂浆; 定型制品的主体材料: （1）焦油合成树脂体系； （2)天然橡胶或合成橡胶; （3）泡沫橡胶复合密封垫; （4）异型橡胶复合密封垫.

密封垫的密封性能表现为对管片拼装面的粘接力、弹性复原力、充填抗渗能力。 2、管片防水密封圈的实例。

（1）全断面浇涂环氧煤蕉油砂浆，这方法要求施工现场配置，并在60～65度温度下拌制，制作后应在12小时内结束拼装，该砂浆3天的抗压强度为10～20MPa，最终可达30MPa，抗剪粘结为5MPa。

2、焦油聚氨脂弹性体,这种密封垫与已成环管片接触面之间无粘接力，主要是依靠压密防水.

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3、复合密封垫:单一材料的密封垫，压缩量受到，往往只有单面具有粘接力，主要是依靠压密防水.所以在在管片精度差、接缝变形大、水压较高的情况下易引起渗漏。

4、齿槽形定型制品密封垫(见图5一20）。

图5－20管片接缝防水示意图

1－可以压缩的高弹性氯丁橡胶密封垫2－可塑性涂料3嵌缝材料

采用齿槽形氯丁橡胶的密封垫，在地面上粘贴到管片的防水槽内,当拼装时在千斤顶顶力作用下,使其产生弹性变形填充了管片的防水槽，这样密封垫内有极高的弹性复原力，这复原力发挥有效的防水作用。这仲密封垫能承受2个大气压的水压力，并允许接缝有一定的变形，在构造上也解决了管片的角部防水问题（见图5一21所示）。

图5－21管片角部密封垫示意图

（三）、嵌缝材料及施工

嵌缝材料是管片拼装完成之后，填嵌到管片内所设的嵌缝槽内的防水材料.它与密封垫两者配合使用以增强接缝防水的效能。嵌缝槽的尺寸、一般如图5一22所示，嵌缝材料在槽内依靠填塞力和粘接力达到密封防水的作用。

1、嵌缝材料应具备的性能

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图5－22管片嵌缝槽示意图

（1）材料与管片基面的粘接力要求大于衬砌外壁的静水压力；

(2)材质性能要保持长时间稳定,而不至于随着时间增长而发生材质的变化； （3）要求长期耐0.3Mpa以上的水压力,且不产生蠕变； （4）能适应施工，对基面干、湿同样具有良好的粘接能力；

（5）材料要富有弹性，能够适应隧道的变形,并不受隧道内空气的影响. 2、施工方法：

（1）必须严格遵照制造厂的说明来使用，

（2）如在在气压施工隧道、应在气压段内嵌缝，以提高填充力； （3）嵌缝作业应在盾构千斤顶及盾构推进影响范围外的区域进行； （4）在嵌缝施工前，必须清理嵌缝槽， （5)在漏水地位施工时应先引流、封堵。 （四）、堵漏技术

1、隧道防水堵漏的基本措施

管片拼装后接缝的渗漏水，主要表现为明显的滴漏。每个漏点的每小时渗漏水量常介于5~30ml之间，当大于30ml时，就呈现连续细流，针对这个特点，管片接缝防水堵漏主要是处理缝的漏水.其基本有以下几个方面：

（1）单层衬砌在管片设计阶段，就应考虑到接缝堵漏技术措施。接缝发现漏水之后,可松动其部位的连接螺拴，将漏水从孔内引出,然后进行堵漏，最后堵螺孔。

（2）双层衬砌管片接缝的一般性滴漏，主要采用水泥胶浆修堵。情况严重时考虑用灌浆堵水.

2、管片的防水堵漏方法

（1）单层衬砌可在两迫密封棚之间，设计注浆堵漏的专用沟槽。若接缝出现渗漏，就可以从预留孔或螺拴孔注浆入此槽,见图5一23。

(2）灌浆堵漏施工方法

a、阶理混凝土表面，将裂缝两则混凝土凿成槽并处理干净。

b、布置灌浆孔，灌浆孔要布置在水源和纵横裂缝交叉处，埋没方法见图5一23所示. c、封闭:用油毡做成凸形毡条沿缝通长设置，在外面封水泥砂浆形成封闭层。 d、作保护层，在封闭层外作环氧涂料或环氧玻璃布附加层，并在其上抹水泥砂浆保护层。

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图5－23管片注浆沟槽示意图

1－钢筋混凝土管片2－橡胶密封垫3－承压垫板4－嵌缝槽

5－预留注浆沟槽6－预留注浆管

e、压水试验：待水泥砂浆保护层有一定强度后，即可利用灌浆设备以颜色水进压水试验.一般从下部的灌浆孔或接近水源的灌浆孔压入水。此时记下灌入时间和耗水量、以供配制浆液参考，并注意观摩封闭层是否有漏水,如有漏水在此部位作第二次封闭。

f、灌浆：灌浆方法与压水相同。灌浆后关闭所有阀门,浆液固结后，折除灌浆孔并用水

泥砂浆封固。

图5－24灌浆堵漏施工方法示意图

1－压浆嘴2－阀门3－注浆管4－素灰及砂浆找平层 5－快硬水泥浆6－半圆铁片7－混凝土裂缝 第七节隧道注(压)浆

随着盾构的推进,在管片和土体之间会出现建筑空隙，为了填充这些空隙，就要进行衬砌壁后注浆。向衬砌壁后压浆是隧道施工的一道工序,以往常常被忽视,实际上在地面有密集建筑物的地区修建隧道时，它是一道非常重要的工序，并且一定要做好这道工序。

衬砌壁后注浆根据注入的时间可分为一边向前推进，一边注入形成的建筑空隙的同步注浆和推进后立即注入的即时注浆两种,同步注浆法在开放型盾构和泥水式盾构施工中采用时，由于注浆材料可能向开挖面的渗透，流动的注浆材料的混入而造成正面泥水压力的变动和泥水质量的劣化，所以必须采用特别的方法来处理。

土压系列盾构由于在切削刀盘内滞留着切削土,所以不会造成因注浆材料向开挖面渗透引起的麻烦.因此，采用不停地向盾尾密封部位加压、充填注浆材料的同步注浆施工法的实例也愈来愈多.

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一、压浆的作用 (一）、防止地表变形

盾构直径大于隧道衬砌外径，当盾构向前推进，脱出盾尾的衬砌与土层之间形成一环形间隙,过了一定的时间土层会变形来填充这一空隙，使地表产生沉降，如果用合适的材料及时填充空隙，使地层有了支撑就不易产生沉降变形,所以说压浆是防止地表变形的有效措施。

（二）、减少隧道的沉降量

如上所述，管片出盾尾,管片与土体之间产生空隙,使管片下部失去支撑，由于管片的自重,就产生了下沉，这将使原来成环良好的轴线受到影响，而压浆后能使管片卧在压浆的材料上，就好象隧道有了一个垫层，也就防止或减少了隧道的沉降，保证了隧道轴线的质量，满足工程使用要求.

（三）、增加衬砌接缝的防水性能

隧道是由预制管片拼装而成的,所以有众多的纵、环向缝隙，而这些缝隙正是防水的薄弱环节，设想如果在衬砌外壁均匀地铺设一定厚度能防水的材料,对提高整条隧道的防水效果是可想而知的，压浆正起到了这作用。

（四）、改善衬砌的受力状况

压浆后防止了地层变形和地层压力的增加,浆体便附在衬砌圆环的外周，使两者共同变形，从而改善了衬砌的受力状况.

（五）、有利于盾构推进纠偏

盾构推进纠偏效果与管片相对位置有较大关系，有时由于管片位置不佳,了盾构纠偏运动,对推进纠偏效果不仅无利，同时有可能损伤管片。如果用压浆的压力来调整管片与盾构的相对位置，使盾构有一个最佳的纠偏条件，若要使盾构向右纠偏，可选择右侧压浆使管片外周单侧有压力，迫使衬砌向右移动，靠足左面盾尾部，右侧盾尾内衬砌与盾壳之间的间隙加大,盾构向右侧纠余量就大了。所以说合理地选择压浆位置可有利于盾构推进纠偏，控制盾构的施工轴线，从而保证隧道总体轴线。 二、注(压）浆工艺

注浆工艺主要取决于隧道所处地层的土质,在土质条件好、建筑空隙有一定稳定时间时，则一般先压骨料来支护土体及填充空隙，然后注水泥浆,形成一种压浆工艺。但上海地层属于软土层，地下水位高，土质的含水量基本饱和，所以易采用一次注压浆体材料，以防土体流失。

压浆应随盾尾后空隙的形成，立即进行压浆，并保持一定的压力，压浆工艺对盾尾密封要求较高，因此,要有一个不易漏浆的盾尾密封装置，及准备有堵浆的措施、设备和材料等.

压浆量的多少,将直接影响到地表变形量的大小。根据以往的施工经验，一般压浆量为理论建筑空隙的150％~250%范围内，而实际施工应通过监测地表变形情况而定。压浆采用的控制压力可根据地面建筑物的特点及隧道埋深而定。另外还可采取多次压浆或增补压浆，以有效地控制地表变形.

(一）、同步注浆

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管片背面注浆的实施,如能采用注浆材料在土体变形之前、压入建筑空隙,并可以保持和土体的土压力相应压力的注浆方法，是比较理想的。因此，采用不间断加压或类似的方法来进行注浆是最佳的方法。

为了达到上述目标而开发研制的注浆装置就是同步注浆装置。这种装置采用了注浆压力自动控制系统，一面修正单轴螺杆泵的转速使压力保持不变，一面通过盾构机上所设的喷嘴或灌浆孔按与掘进长度和速度相应的量，直接向盾尾建筑空隙注浆.另外,通过电磁流量计在监测流量的同时进行自动注浆。

（二）、聚氨酯注浆 1、预制泡沫层注浆施工法

预制泡沫注浆施工法就是预先在管片背面粘贴经过特殊处理的软质聚氨酯泡沫塑料，将这种管片拼装起来,在盾构推进通过管片环后的注浆孔注入水玻璃或水泥膨润土的施工方法.

这种聚氨酯泡沫塑料具有适当的强度、弹性，以及对注浆材料的渗透性,因而能够适用于衬砌背面注浆的即时注浆方法，并能充分填满空隙。

聚氨酯泡沫塑料被压缩在外层挡板内，可作为盾尾密封材料和注浆填塞器起到防止土体塌落和注浆材料渗入的作用.当管片通过外层挡板时即恢复原状，在接缝处保持一定的厚度,因此也能起到防止土体发生塌落的作用。

另外,因聚氨酯泡沫塑料是一种亲水性材料，加上注浆材料的渗透性好，所以两者可化为一体，具有形成一个完整的背衬层的特点.

2、空隙处发泡注浆施工法

空隙处发泡注浆施工法使用的注浆后发泡的材料是硬质聚氨酯泡沫塑料。这种施工法在空隙处将主剂和发泡剂两种溶液混合起来，在空隙内发泡。该法泡注浆法大致可分为以下两类:

（1）分割注浆法

分割注浆法是在盾构推进后产生的盾尾空隙内，按一定间隔用发泡后材料形成背衬层，然后在这些隔墙之间注入比较廉价的注浆材料，达到充分充填目的。

（2)反力压浆法

反力压浆法就是在盾构进行曲线施工时产生的超挖部分及早地充填“现制泡沫”，形成一个有强度的背衬层，用以防止盾构推进后出现建成隧道的纵向变形等情况的施工方法。同时，在超挖量较大的部位也可以将“硬化泡沫”同轻骨料配合使用。

空隙处发泡注浆施工法的特点如下：

a、由于材料具有速硬性，且表面的张力较大，所以能提前形成背衬层并达到稳定,不向地层内扩散和渗透，能够用最少限度的量和时间完成注浆；

b、发泡体是由气泡构成的，止水性好，防振效果也相当出色；

因是速硬性材料，能够向盾尾后的空隙内实施即时注浆。同时，不存在重新溶解的危险，所以没有公害上的问题。 三、压浆材料

（一）、原材料

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1、黄砂—浆体中的骨料；

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2、水泥-胶结剂；

3、石灰膏—增加浆体的润滑性；

4、粘土浆—可用膨润土或原状土拌制，作为填充料; 5、粉煤灰-填充料； 6、水玻璃—凝结剂。 （二）、材料的要求

上面介绍了压浆的常用原材料,实际上压浆的材料远远不止这些，但作为压浆用的材料应能符合压浆工艺所需，总而言之，选择后的材料拌制成浆体要满足下列要求：

1、和易性要好。要易搅拌，易压送，在运输过程中能保持不离析、不沉淀，要具有能填补空隙的流动性；

2、凝结时间要合适。对压浆来说，压出的浆体凝结时间是指初凝与终凝的时间，从盾构施工要求，初凝要快，终凝要慢，即要求压出的浆体在较长时间内应具有塑性，这样可防止破坏盾尾密封装置，这是凝结时间的一个概念；另一个要求是初凝时间要快，这样压出去的浆体在短时间内达到初凝，使浆体不易流失可保证压浆质量；

3、要有一定的强度。压浆的作用之一是支护地层，不使地层产生沉降变形，所以要求浆体在凝固前有一定的早期强度而凝固后的强度要略高于原状土；

4、收缩率要小.浆体凝固时产生的体积收缩要小，其目的也是为了减少地表变形； 5、材料来源要充足,价格要低廉，要尽可能地利用工业废料。 (三）、配合比

可根据所处土质、施工环境选择使用,有时还要结合大量的实验室试验，按照试验数据来确定准确的配合比。以下所列的注浆材料配合比：

1、压浆材料配合比（体积比） 序号 石灰膏 粘土 1 1 1～2 2 1 3 1 0.6 3

磨细粉煤灰 黄砂 3~4 4～5 4～5 4～5 2.6 原状粉煤灰 水玻璃 0。04～0.08 2 0.125 注：一般情况不宜采用，只有在条件时采用。 2、普通砂浆类材料配合比（每m重量比，单位:kg) 序号 1 2 水泥 250 191 粉煤灰 150 3

膨润土 140 46 100 黄砂 1200 920 1118 1330 混合材料 366 2 水 401 572 352 300 3 163 4 250

3、加气砂浆类材料配合比(每m重量比，单位：kg)

水泥 240 粘土砂 240 凝结剂 100 发泡剂 2.4 水 325 44 / 83

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4、速凝砂浆类材料配合比（每m重量比，单位:kg)

A液(0.5m) 水泥 250 250

5、上海地铁常用的惰性浆液配合比(重量比) 黄砂 32％

四、压浆方法和设备

压浆设备分两个系统：地面拌浆或工作面拌浆和隧道内的压浆。 （一）、地面拌浆或工作面拌浆

一般隧道施工在地面设有拌浆站，主要用来堆放原材料,配制、拌和浆体，主要设备有: 1、拌浆机，一般用强制式灰浆拌和机;

2、材料起吊输送设备，如电动葫芦、斗车、运输车辆； 3、气压式压浆装置，用罐式气压压浆机压注豆粒砂或轻骨料。 4、浆体质量测定仪器、稠度仪； 5、磅秤。

工作面拌浆是将以上仪器、设备安置在车架上，将所用的原材料陆续运入车架上的储存筒或直接进行拌浆,考虑到隧道的空间比较小，所以这种方法一般用在注浆量较少的后期补压浆或局部压浆时采用.

（二）压浆设备

由压浆泵、软管、连接管片压浆孔的旋塞式浆嘴、管路接头、阀门等组成.

用于隧道衬砌背后注浆的注浆泵，有往复式活塞泵、柱塞泵、单轴螺杆泵和挤压泵等，其特点分别如下：

1、往复式活塞泵 (1）最具有通用性；

（2)可适用于普通砂浆和冲气砂浆的长距离压送； (3）双液泵主要用于化学注浆. 2、柱塞泵 （1)高压注浆;

（2）由于是两个泵体以上的多联式泵，而且行程也多，所以很少出现被动； (3)机械磨损少。 3、单轴螺杆泵

（1)适用于普通砂浆和加气砂浆等的短距离压送; （2)因是二冲程形式，所以无波动；

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膨润土 11% 粉煤灰 30％ 水 27％ 膨润土 12～13 水 436 33

B液(0.5m) 硅酸钠 250 250 水 3资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除

（3)适用于自动同步注浆;

（4)比较耐用，使用硬砂浆时为150m。 4、挤压泵

(1）适用于普通砂浆和加气砂浆的短距离压送; (2)压送时会产生波动； （3)容易保养。

目前施工压浆泵一般采用活塞式压浆泵或自吸式压浆泵。 第八节盾构法隧道施工地层变形的控制

一、 采用盾构法在软土层中建造隧道，会引起地层变形、移动而导致不同程度的地面和

隧道的沉降、隆起。即使采用当前先进的盾构技术，也难完全防止这些变形。地面沉降和隧道沉降达到一定程度时，就会影响附近建筑、地下设施和隧道本身的正常使用。在需要控制地层变形地区，进行盾构隧道设计施工,必须了解地层变形的规律，尽可能准确地预测沉降量、沉降范围，沉降曲线最大坡度及最小曲率半径和对附近建筑设施的影响程度，并分析影响沉降的各种因素,以求在设计和施工中采取措施减少地层变形。 地面沉降的机理及预测 （一）、地面沉降的原因

盾构施工引起的地层损失和盾构隧道周围土体受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结，是地面沉降的基本原因。

1、地层损失

地层损失是盾构施工中实际开挖土体体积和竣工隧道体积之差。竣工隧道体积包括隧道外围包裹的压入浆体体积，地层损失率以占盾构理论排土体积的百分比表示。圆形盾构理论出土体积为:πRL（R为盾构外径，L为推进长度)。周围土体在弥补地层损失中，发生地层变形,引起地面沉降。引起地层损失的因素是：

（1）开挖面土体移动

盾构掘进时,开挖面土体受到的水平支护应力小于原侧向应力，则开挖面土体向盾构内移动，引起地层损失(超挖）而导致盾构上方地面沉降；若盾构推进时，如作用在正面土体的推应力大于原侧向应力，则正面土体向上向前移动，引起地层负损失(欠挖)而导致盾构前上方土体隆起。

（2）盾构后退

在盾构暂停推进时,盾构推进千斤顶漏油回缩而引起盾构后退，使开挖面土体坍落或松动，造成地层损失.

(3）土体挤入盾尾空隙

压浆不及时、压浆量不足、压浆压力不适当，使盾尾后周边土体失去平衡状态，而向盾尾空隙中移动,引起地层损失。在含水不稳定地层中,这往往是引起地层损失的主要因素.

（4)改变推进方向

盾构在曲线推进、纠偏、抬头或“磕头\"

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推进过程中，实际开挖断面不是圆形而是椭圆，因此引起地层损失.盾构轴线与隧道轴线的偏角越大,则对土体扰动和超挖程度越大其引起的地层损失也越大。

（5）随盾构推进而移动的盾构正面障碍物，使地层在盾构通过后产生空隙，而又无法及时压浆填充，引起地层损失。

（6）推进的盾构外周粘附一层粘土时，盾尾后隧道外周环形成空隙会有较大量的增加,如不相应增加压浆量,地层损失必然大量增加。

（7）盾壳移动对地层的摩擦和剪切。

（8）在土压力作用下，隧道衬砌产生的变形也会引起地层损失。

（9）隧道衬砌沉降较大时，会引起不可忽略的地层损失。饱和松软地层衬砌渗漏亦会引起地层沉降。

施工引起的地层损失可分为三类： 第一类：正常的地层损失

盾构施工操作精心,没有失误，但由于地质和盾构施工方法的特定条件，在施工中总要引起不可避免的一定地层损失.一般说这种地层损失可以控制到一定限度，可通过变形弥补地层损失，因此施工沉降槽体积与地层损失相等，在均匀地质中这种地层损失引起的地面沉降比较均匀。

第二类:不正常的地层损失

因盾构施工操作失误而引起的地层损失。如隧道气压骤降、压浆不及时、开挖面超挖、盾构后退等。这种地层损失引起的地面沉降有局部变化的特征。如局部变化的幅度不大，一般还可以认为是正常的.

第三类：灾害性的地层损失

盾构开挖面发生土体急剧流动或突发性的崩塌,引起灾害性的地面沉降。经常是敞开式盾构遇到水压大、透水性高的颗粒状上的透镜体或遇到地层中的贮水洞穴。在粘性土中局部土体强度降低过多而引起灾害性地面沉降的情况则很少见。

2、受扰动土体的次固结沉降

盾构推进中的挤压作用和盾尾后的压浆作用等施工因素，使周围地层形成正值的超孔隙水压区，其超空隙水压力，在盾构隧道施工后的一段时间内消散复原，在此过程中地层发生排水固结变形,引起地面沉降.地层因孔隙水压力变化而产生的地面沉降称之为固结沉降。土体受到扰动后，土体骨架还发生持续很长时间的压缩变形.在此土体蠕变过程中产主的地面沉降为次固结沉降。在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性土层中，次固结沉降往往要持续几年以上,它所占总沉降量的比例可高达35%以上。

（二）、地面沉降的预测

盾构法施工日益广泛地被采用，对盾构法施工引起地面沉陷的研究也日益深入，派克（Peck)1969年提出了地层损失的概念和估计盾构法施工引起地面沉降的实用方法，此后人们做了大量的工作，使之不断地完善，成为一种最常用的估算盾构法正常施工引起地面沉降的方法。

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电子计算机的出现为数值分析提供了强有力的工具,此后不少学者开始用数值分析的方法进行研究。也有些学者在数值分析的基础上，结合施工实际，提出了估算方法，这里不作介绍.下面简单介绍派克法对地面沉降的预测。

派克假定施工引起的地面沉降是在不排水情况下的，所有沉降槽的体积应该等于地层损

失的体积，根据这个假定并结合采矿引起地面位移的一种估算方法，派克提出了盾构施工引起施工阶段地面沉降的估算方法.假定地层损失在隧道长度上均匀分布，地面沉降的横向分

布为正态分布曲线如图5－25所示。 图5－25隧道上部地面沉降槽示意图

V12.52πiX2V1S(x)exp2i2２πiSmaxV1地面沉降量的横向分布估算公式为: (5－29) （5－30)

式中：S（x）-——沉降量 V1——地层损失量

X—-—距隧道中心线的距离 Smax-——隧道中心线处的最大沉降量 i—-—沉降槽宽度系 （三）、地层损失的取值

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计算沉降量中,地层损失的取值，对预测地面沉降的准确度有最重要的影响，须仔细分析地质和施工条件并参照己有经验资料后而合理确定。在采用适当技术和良好操作的正常施工条件下，可从表5－4给出的地层损失范围适当选取由于各种因素而引起的地层损失率。在盾构穿越较密集的建筑设施时，总是要在初始推进中通过施工监测取到实际地层损失值，并取得控制地面隆起值的施工参数和操作方法。故一般在控制地面沉降要求较严格的地段，常用前一步实测的地层损失值，复算下一步地面沉降曲线，以事先判断盾构前方环境保护的必要性和恰当方法。在预测中当盾构欠挖应计负地层损失。当实际地层损失超过表5－4所例最大值时，派克（Peck）公式不再适用，这说明施工质量有问题。当同步注浆达到很好效果时，盾尾后地层损失→0，当盾壳外粘附一层粘土而注浆又不及时、不足量则盾尾后地层损失大力增加。

表5－3标准正态函数表 标准正态函数表表5－3

地层损失计算表表5－4 地层损失原因 隧道单位长度内的最大地层损失率地层损失计算值 VL(％) 开挖面的地层损失 лR2h —1～+1 切口边缘后的地层损失 2лRt 0.1~0.5 沿盾壳的地层损失 0.1лR2 0。1 49 / 83

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盾尾后的地层损失 地下水位以下 地下水位以上 改变掘进方向的地层 曲线掘进的地层损失 正面障碍物引起的地层损失 R—-—盾构外径 R1—-—隧道衬砌外径

t——-盾构切口边缘后面凸起高度

2лR（R－R1) лR(R－R1） d%＊L＊ЛR/Z 8лRL/（R－Rc） A 2 0～4 0～2 0.2～2 0。5～1 0～0.5 在表5－3中：盾构后退引起的地层损失是不正常的不允许的.

h—-—为开挖面土体在盾构推进单位长度中向后的水平位移 L-——盾构长度 Rc---盾构推进曲线半径

A--—盾构正面障碍物凸出于盾构外周的面积。 二、盾构施工保护周围环境的要点

根据地质条件和盾构施工特点，对盾构施工影响范围内的地表沉降进行研究预测，并对影响范围内的房屋建筑、各种构筑物、公用设施、地下管线等可能受到的影响程度作出评估并提出处理办法。设计者应尽力优化设计，在保证安全质量的前提下，尽量减少整个工程的总造价。在总造价中，加固或搬迁周围建筑物及公用设施等工程费占有一定比例。因此，需要做充分研究工作，以采用适当的环境保护方法.环境保护方法基本上可分为两类：一类是积极保护方法，一类是保护工程法。本节着重介绍积极保护方法。

积极保护方法是在施工前对地质和环境作更深入地调查，并提出减少沉降的施工技术措施,根据经验和理论的预测，减少事先加固和搬迁项目。在施工开始后,通过施工监测取得对地质更确切的认识，对施工工艺作检验和改进，可靠地把加固和搬迁范围减少到最低程度，并减少修复各种受影响的建筑和设施的费用。因此，积极保护分法是进步的，高效益的方法，也是一种先进的隧道施工管理方法。

（一)、积极保的主要工作内容

1、对盾构穿越较多建筑物和公用设施的地段进行详细勘探，以力求确切了解土质特性、地下水情况和建筑设施特点，明确地面沉降的控制要求，以及达到此要求所需要的盾构选型及施工工艺。合理的盾构选型是满足市政环境保护要求的关键。

2、施工单位严格地执行事先详细制定的施工组织设计和操作规程.施工组织设计中着重做好：

（1）针对地质勘探资料、盾构选型及盾构覆土条件对施工提出的要求、精心做好施工总体、施工细节、和做好风险段的施工设计;

（2）地表沉降的预测和减少沉降的技术措施；

(3）明确的施工管理、施工记录和实施施工监测设计等制度。 3

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、进行施工监测。先设定施工参数再经过初始试验段的监测，加以优化,及时采取施工改进措施或应变措施。

进行施工监测要化费一定代价，它是安全经济地完成整个隧道工程的一个重要保证条件.目前在软土地层的盾构隧道工程中,在施工以前，对地质的评价总有不完善不确切的地方，设计和施工方案及细节也总有需要在施工中检验和改进之处。施工监测是使工程顺利进行的一个重要环节,对施工监测应给予重视。

（二）、积极保护方法需要施工监测

施工监测是使积极保护方法得到成功的保证条件,施工监测的主要作用是:

1、监测和判断各种施工因素对地表变形的影响，提供改进施工方法，减少地面沉降的重要依据；

2、根据前一段的观测结果,预测下一段的地表沉降和对周围建筑及其它设施的影响； 3、检验施工方法是否达到控制地面沉降和隧道沉降的要求；

4、研究土壤特性、地下水条件、施工方法与地表沉降的关系,以作为将来设计的参照依据；

5、通过施工监测可取得减少沉降，减少保护工程费的效果; 6、保证工程安全，减少总造价。 二、施工监测项目的选择

（一）、施工监测项目选择的根据; 1、一定情况下的具体监测要求； 2、土壤及地下水情况；

3、隧道施工影响范围内现有房屋建筑、各种构筑物的形状尺寸与隧道轴线的相对位置； 4、隧道埋深;

5、双线隧道的间距或施工隧道与近旁大型、重要公用管道的间距; 6、设计中的安全储备系数. （二)、监测项目的一般分类 1、监测有关地下水的参数

监测有关地下水的参数,对埋置在地下水位以下的普通盾构隧道施工是非常重要的，对砂土层中的降水法盾构施工尤为重要。根据各土层的水位观察井及孔隙水压的变化监测结果，可提出开挖面可能失去稳定的警报，可以检验降水效果。并为使用压缩空气的压力提供依据，还有益改进挖土等的施工方法.

2、土体变形监测

在控制地面沉降要求较高的地区，采用盾构施工时，往往在盾构推出竖井的起始段就进行以土体变形为主的监测，以合理确定盾构施工参数，以后每隔一定距离可设监测段，以对施工参数做必要的调整。土体变形观测包括以下几种内容：

（1）地表变形

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用精密水准仪观测隧道中心线上预设的地表桩与隧道中心线相垂直的横向断面的地表桩，从监测得到的纵、横沉降槽曲线及最大沉降坡度、最小曲率半径沉降速率等数据。施工中按量测反馈资料，合理调整盾构正面压力、出土量、压浆时间、数量和压力、推进速度等施工参数，以达到控制沉降的最优效果。

（2）地下土体沉降

观测盾构顶部正上方土体中一点的沉降量和在盾构正上方的垂直线上几个点的沉降量，以判断影响地层损失的因素。特别是对盾构正上方一点的沉降观测,比观测地表沉降更为敏感,对诊查施工因素更为有效。为了研究的目的，还要观测离开盾构中心线的深层土体的沉降量。一般采用地下土体沉降观测装置。

（3）地表水平位移及应变观测

这种观测主要设在垂直于隧道轴线的断面上的地表桩进行观测，以随时分析建筑物的安全问题，一般可用精密的经纬仪观测.

(4)地下土体的水平位移监测

沿盾构的两侧设置测点，用测斜仪量测盾构推进中扰动引起的土体水平位移,可研究减少盾构扰动的施工措施。

（5）土体回弹观测

盾构前方埋深层回弹桩，观测在盾构施工中盾构底部以下土体的回弹量，以分析回弹量可能引起的隧道下卧土层的再固结沉陷。

3、对附近建筑物的观测

对附近建筑物的观测内容通常是与土体变形相联系，观测是为了诊查施工对建筑物的影响,为研究工程取得资料，观测可包括以下项目:

（1）观测建筑物在盾构穿越前后的变化，包括高程、位移、裂缝观测及必要的照片； (2）在施工过程中的沉降观测.用准确的水准仪观测建筑物的外围墙身及内柱的沉降； (3)水平位移及应变量测.用光学观测仪与可伸缩的量尺量测建筑物的水平位移或应变； （4）建筑物墙身和地板的倾斜观测。目前可用高精度倾斜仪； （5）公用管道的应变观测. 4、土体与隧道结构相互作用的监测

（1）隧道衬砌变形观测以检验变形是否在允许范围之内，是否需要拉杆。观测方法通常是用普通测量方法测其水平直径的增加或测其拱顶的降低；

(2）为了研究的目的，量测整个衬砌环的变形、水、土压力以及轴向力、弯矩等。可采用收敛仪、水压计、土压力盒、电子压力传感器等相应仪器仪表。

5、施工进程中的监测

为了能够分析各种问题和现象的因果，需要有一整套有关施工程序的记录与相应的观测数据记录。

对每个工程都应具体地研究，制定相应的施工监测技术措施. 第九节盾构隧道内衬（钢拱模板台车）施工

盾构隧道施工时,在盾尾内组装管片，作为永久性衬砌使用。把在最初施工的衬砌叫一次衬砌,而把其后施工的衬砌叫二次衬砌或者叫内衬。根据隧道使用要求，可分成：浇筑底

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板混凝土；浇筑120°下拱混凝土;浇筑240°下拱混凝土和浇筑360°

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全内衬混凝土四种形式。如图1所示。

图1

隧道浇筑内衬混凝土可增加隧道结构强度，隧道整齐美观、减少通风阻力和过水阻力，此外,衬砌具有可延长隧道使用年限、提高防水防锈能力和蛇行修正等作用。但由于浇筑内衬会减少隧道使用截面，增加投资费用和延长建设周期，因此又在特殊用途的隧道中才浇筑内衬。

1986年，上海市隧道工程公司首创盾构隧道内衬混凝土钢拱模板台车结合泵送混凝土施工的新方法(称为盾构隧道钢拱模板内衬混凝土浇筑工法），成功地应用于金山石化总厂排水隧道、市南电缆隧道和石洞口电厂进排水隧道，现已在隧道中推广应用，该技术成果获得19年建设部科技进步三等奖.

盾构隧道钢拱模板内衬混凝土浇筑工法的概貌如图2所示.该工法的主要内容是：在已完成的隧道内采用特殊的钢拱模板作为浇筑内衬的成型胎模的模芯，其外模即管片衬砌（又称一次衬砌），再借助模板台车端部的封堵板把管片与模芯连成一个整体，此时构成的环形空穴，泵送来的混凝土连续不断地压力灌注充填密实,形成了具有设计厚度，呈圆周360°的内衬混凝土整体结构。

一、 选择施工方案和施工方法 在盾构隧道内浇筑二次混凝土衬砌， 特别是全断面的混凝土内衬（如图3所 示），如果沿用以往传统的拱架模板进行 立模、拆模和搭拆脚手架，采用常规方 法浇捣混凝土，不仅工作量大，施工也图3

十分困难，而且混凝土浇筑有时也难以开展.同时还存在着安全性差、施工效率低、混凝土质量控制困难等问题。为了发展隧道施工技术，赶上国际水平（即隧道内衬混凝土施工技术）,迫切需要研制、开发用于隧道全断面内衬混凝土浇捣的新设备和新工艺.

以往,对于隧道全断面内衬混凝土浇筑的施工方法是： ①先打底板混凝土(如图4的阴影部分）； ②立模浇捣240°的左右两腰侧壁的混凝土； ③最后对隧道的拱顶部分（即余下部分空穴 压注砂浆，以此完成隧道全断面混凝土的内 衬施工任务。其施工进度与施工质量,特别

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是拱顶部分的混凝土质量不理想，其施工工 艺亦较复杂，劳动强度也较大.为了改善这 种状况，在1986年，我公司结合上海金山 石化总厂三期排水工程中过堤排水隧道，研 制开发了钢制伸缩式模板台车，使底板以上 的二次衬砌通过一次泵送混凝土一次压注成 型，提高了施工进度和施工质量。图4

伸缩式钢制模板台车进行混凝土内衬施工时，模板分块和进行二次浇捣的施工分界面简图如图5所示.

采用伸缩式钢制模板台车进行内衬混 凝土施工与传统的拱架模板施工方法相比, 在结构强度、浇筑速度、混凝土表面质量 以及可操作性、安全性、经济性等各方面 均较优越，其不足之处是施工还不能一次 完成，即二次衬砌需进行二次浇筑，施工 前要预先浇筑底板混凝土，并辅设轨道， 以轨道和底板混凝土的平面作为下八字模 的立模支承。图5

由于盾构推进有时呈蛇行，致使隧道轴线呈曲线状前进，若按原有的设计标高分段浇筑混凝土内衬，就会经常产生某一段隧道内衬的混凝土层厚薄不均。为此,需要根据盾构施工实际情况，重新修订标高，以保证浇筑后的二次衬砌的厚度基本相同。

针对上述施工方法的不足,又进一步将二次衬砌浇筑的方法,改进成一次浇筑成型,这样能使盾构隧道全断面内衬混凝土的施工技术赶上国际水平。

二次衬砌一次浇筑成型的施工方法中自行式钢模台车（简称模板台车）,钢拱模板的拆装移位的作业过程描述如下,(见图6所示）：当模板台车行走移位I号工位时，借用油缸将上模和中模脱模收缩搁放在台车的钢架上，然后将台车行走移位至II号工位上，此时，用小车及油缸将原来I号工位上的下模脱模且收叠至能顺利通过台车中间部分的空间，然后台车行走至V号工位上，而小车行走至新立模位置，并以V号工位上为基准立下模，然后台车行走到下模板工位上，立上模和中模并且拼装成整环，至此完成了模板台车的脱模、移位和立模的一次模板作业循环过程，周而复始以此循环作业,完成II、III、IV工位的环形模板解体脱模、移位和立模过程，则完成由5整环成型胎模的模芯组成一榀的内衬混凝土浇筑模板的总成,为了不断地浇筑隧道二次衬砌，该设备要不断地进行解体脱模、模板移位和重新组装的作业。当模板架设完毕并确认它处于安装良好状态.然后进行二次衬砌混凝土灌注作业（包括混凝土的配比、搅拌、运送和灌注）。

衬砌混凝土普遍使用机械，由混凝土泵和混凝土搅拌车以及输送管道等机具设备配套组成混凝土灌注作业系统.灌注时，要特别注意的事项在以下有关章节中介绍（施工要领).

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图6作业顺序

一、 φ4000mm钢拱模板台车简介

φ4000mm钢拱模板台车是结合上海市合流污水治理工程6.1标段工程进行研制、开发的盾构隧道内衬施工专用设备,为两条全长一千余米的圆形盾构浇筑内衬。管片内径：φ4400；内衬混凝土浇筑厚度：200，浇筑后内衬的内径：φ4000;变形缝距离：隧道两端头为4000;隧道中段为24m；隧道最大坡度:3.12％，要求浇筑全断面的钢筋混凝土内衬。

(一) 、主要技术参数

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1、 钢拱模板 a、 外径：φ4000mm b、 总长:10m

c、 每环宽度：2000mm，共5环

d、 每环分割块数：5块（下模2块，中模2块，上模1块） e、 每块下模和中模各设观察窗1只，尺寸:500×400mm可封闭. f、 每块模板设支撑脚2只。 2、 封板

a、 端头封板1#－13#由单块封板拼接而成。 b、 模板两腰及顶部的封板各放浇注口一只，可封闭。 c、 8＃和13＃封板为调节封板。 3、 台车 ① 大车驱动系统

a、 运行速度：7。6m/min b、 额定扭矩：525N.m/套 c、 配备：2套 ② 小车驱动系统 a、 运行速度：10m/min b、 额定扭矩：334N。m/套 c、 配备：1套 ③ 油缸

a、 额定推力：60kN/只 b、 额定扭矩：45kN.m/只 c、 配备:10只 ④ 总功率：N＝7.5kW 4、 一次浇筑长度：8m 5、 浇注形式：纵向浇注 6、 总重量：32000kg (二) 、构造简介 1、 钢拱模板

为了使钢拱模板在承受灌注混凝土压力时不致引起较大的挠度，必须注意包面钢板厚度、强度和钢拱架的间距.使模板架设好之后能牢固地定位，同时也要预计到移位过程中可能引起的扭曲等不正常变形，因此，其结构必须能承受这种变形。每环模板由五块组成（上模、中模和下模),并设置了支撑脚（每环10只，上、中、下)，见图7所示。模板与模板采用铰连接(上中模板）,见图示铰点；而下模也设置了一个铰点；而中模和下模采用定位销和螺栓连接,每环模板还设有观察窗，便于观察混凝土浇注情况及电动振捣混凝土的可能性，支撑脚的功能是定位、纠偏、克服和防止模板走动或移位.其几何尺寸和结构形式见图中所示(见主参数表）。

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2、 封板

封板成环共1－13＃块拼接而成， 设计时要在保证其刚度、强度的前提 下减轻重量，便于安装及拼接。封板 的功能是封堵混凝土从模板封板端部 溢出，并且还设置了三个纵向浇注口 (两腰和顶部）。考虑到安装方便设置 了调节封板(编号8＃－13＃)。

3、 台车

台车的功能是完整地实现模板的 脱模、移位和立模的作业循环。实际 上起到机架的作用（承载构件、油缸 的安装和支撑点、动力设备、控制系 统及起吊梁的安装等）。图7

4、 驱动机构

a、 大车驱动机构共有两组,由油马达、齿轮副及走轮组成,用其使台模总成在模板轨道

上向前行走.

b、 小车驱动系统由油马达、链轮和滚子链传动副组成，通过滚子链带动小车前后行走

运动,完成下模板脱膜的移位和就位工作. 5、 电液控制系统

a、 液压控制系统由电机油泵组、压力控制阀、单向调速阀、换向阀和同步阀组成，其

中同步阀用于控制油马达同步行走。单向调速阀用以控制油缸、油马达的运行速度以及油缸的同步。

二、 电气控制系统采用集中控制与分别控制并存形式，正常情况下采用集中控制方式，

便于操作人员的操作，非正常情况下，如油缸不同步或调整隧道轴线误差等，则又可用分别控制方式加以调整控制. 代表性的工艺和设备

国外盾构隧道内衬砌混凝土通常采用伸缩式钢拱模板台车施工，它可以在隧道内已架设好的拱架模板下穿越过去,到新地点架设的钢拱模板总成，不管对盾构隧道和上下水隧道，均具高度的安全性，能保证优良的衬砌品质，并能提高工作效率.图8所示是伸缩或钢拱模板台车的全貌。图9所示是钢拱模板的灰浆渣清除作业，它使模板外表光滑,并可涂上脱模剂。图10所示，是钢拱模板安装。

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图8图9

图10

(一) 、特点

1、 容易调节或移动模板，并减轻劳动强度。 2、 便于在弯曲工段施工。

3、 在弯曲工段施工的精确度非常理想。

4、 模板拆除后，模板灰浆渣清除作业与脱模剂涂刷作业很容易。

5、 可确保较大的模板空间，使作业中模板能顺利穿越，具有可靠的安全性和很高的工

效率。

6、 能使浇筑好的混凝土表面获得良好的表观质量。 7、 浇筑模板的长度可任意改变。 (二) 、适用范围

1、 混凝土全内衬浇筑技术可应用于地下隧道的内衬施工，如水工隧道、电缆隧道、公

路隧道和地铁隧道等。隧道内径由3~10m左右均可适用，每次浇筑长度一般在7～20m之间。

2、 本工法除应用于底板和上拱顶二次浇筑方法外同样也适应于360°全内衬的浇筑，

区别是把模板底拱上的轨道直接安装在圆隧道底部. (三) 、施工顺序（图11所示)

1、 把侧模折叠起来，与拱顶模板一同搁放在移动台模的机架上.

2、 使移动台模机架前进，移动距离为台模机架的长度，然后把仰拱模板吊起. 3、 将移动台模机架固定于侧面，约位于一块模板的位置上，只让仰拱板从的空间

穿越过机架，在新设置的所定位置上,并用定位锚柱固定之.

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图11施工顺序图

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4、 使移动台模机架在被固定的仰拱模板上前进，装好拱顶模板和侧向模板，然后与仰

拱模板连接。

作业过程中钢拱模板总成构造如图12所示,拱顶模板与侧模板以销子连接，侧模板与仰拱模板以螺栓连接.

三、 图12

施工工艺

1、 隧道底板钢筋混凝土浇筑的工艺流程为：

隧道内清理、冲刷→测量放样设定标高→配筋成型→隧道内底板扎筋→安装集水槽、井底钢模安装→设置混凝土泵车及输送管道敷设→混凝土地面搅拌、垂直、井下运输→混凝土泵送灌注、震捣→安插铺轨筋、牵引吊钩等预埋件→混凝土表面收水抹面→拆集水槽钢、清理→移动模板向下一个作业循环工位移动。

2、 隧道全内衬钢筋混凝土浇筑的工艺流程为：

井下台模安装铺设轨道→台模进入隧道内指定地段的准备→地面配筋成型→隧道内上拱扎筋→台模外涂脱模剂→台模在浇筑段定位、装封头板→安装预埋件、插入混凝土泵管→连接混凝土泵车→地面拌料、垂直、水平运输（搅拌车）→卸料后泵送混凝土→边浇捣、边拔出泵管直至浇筑密实后封口→静养、设备清洗→下一作业循环段扎筋→静养六小时后拆模、拆预埋件固定螺栓→清理、涂脱模剂→台模进入下一个作业循环。

3、 工艺与设备

全内衬混凝土浇筑的工艺流程（图13所示）中所匹配的施工机具设备清单（表1所示）.

图13全内衬混凝土浇筑工艺流程示意图

机具配备表1

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序 1 2 3 4 5 6 7 8

机具设备名称 内衬台模 混凝土泵车 混凝土搅拌车 油泵、千斤顶和液压件 电机车 集水槽和悬吊梁 高压清洗机 轻轨 数量 1套 1台 1台 1套 1台 1套 1台 用途 用作全内衬浇筑模板 用于拱顶混凝土浇捣 用于混凝土水平输送 用于台模支护、拆卸 隧道内水平运输 内衬底板浇捣 喷涂脱模剂和清洗用 运输轨道 备注 要求泵送距离达到300m 容积3m 50－100kN 按实配备 压力为2Mpa 18－24kg/m 3四、 施工要点

1、 全内衬台模定位立模

隧道全内衬混凝土浇筑，关键是上拱顶施工,为了浇筑好上拱顶混凝土，必须重视台模定位立模的正确性。台模移动到位后，利用台模上的液压设备中油缸把收缩的台模伸展到设计的上拱顶直径位置，并复核台模外壁与隧道内壁的间隙距离是否达到要求的内衬壁厚,台模后尾模板必须与已浇筑好的上拱顶混凝土相叠（过盈配合）20cm，在台模的另一端安装好封堵模板（预防混凝土浇筑时引起漏泄)。如果有预留插筋，则插入封堵模板的预留孔内，台模与内衬钢筋要留有1.5－2cm保护层，如果有相碰部位，就要绑上2cm厚的保护层垫块。当台模定位无误后，在台模中间部位，加设定位撑杆,分别撑在隧道上部和左右内壁，使整个台模中间增加了刚度，可避免在浇筑混凝土时发生台模水平移位和上浮，最后对台模缝隙之间填上密封材料，防止漏浆(大于5mm缝隙）。

2、 浇筑工艺设备准备

隧道内衬浇筑前对内衬混凝土搅拌设备，运输机械、装卸机具、泵送混凝土设备等都要作好充分准备,保证其完好率，对混凝土可现场搅拌，也可使用商品混凝土，如果现场搅拌，可把混凝土搅拌机设置在隧道井口，拌好的熟料可用溜管直接注入井下储料斗.如果采用商品混凝土，就要用6m搅拌车输送到井口卸料，同样可通过溜管注入井下储料斗或直接注入隧道内的3m搅拌车，再运入台模浇筑点.隧道内水平运输使用50－100KN电机车，用直流电瓶作动力电源。混凝土泵车使用进口的固定式机型、安装在平板车上,便于前后移动.泵车采用φ130mm专用混凝土压送钢管，混凝土泵输出管道直接插入台模顶部.

3、 预埋件设置

内衬预埋件设置，根据隧道使用要求预埋在内衬混凝土结构内，其中有给排水管线、电缆支架、照明、通信线等预埋件。施工前，按设计要求，对有规律分布的预埋件可在台模上开孔，用螺栓固定在台模模板背面,对无规律的预埋件可固定在台模上,也可在扎筋时固定在钢筋上，但必须固定牢靠，尺寸正确,便于以后寻找。

4、 混凝土的要求：

混凝土配合比（重量比）kg/m 浇筑 混凝土 水 水泥普525 61 / 83

粉煤灰 塌落度 3

3

3

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部位 底板 上拱板 标号 C20 C30 (kg) 160 210 (kg） 303 380 碎青石5－15mm(kg) 1248 1230 中粗砂（kg) 650 700 （kg) 80 (kg） 2cm 20±2cm 5、 上拱顶混凝土浇筑质量的保证措施

要保证上拱顶混凝土浇筑质量,关键是保证混凝土质量,因为上拱顶混凝土浇筑是采用不震捣的自落密实法（实际上泵送压力灌注)，所以混凝土一定要有良好的和易性和足够的塌落度,为保证混凝土强度，水泥的用量应适当增加。隧道长距离运输混凝土要用搅拌车，在运输过程中如产生离析,即可自行搅拌后再出料，而且出料速度与泵送互相匹配，这样的混凝土和易性好，泵送施工也理想,因此能保证拱顶混凝土质量。

上拱顶混凝土在浇筑中,泵送到模板充填腔内，下料要左右对称,高度基本相等，泵管插入深度为台模总长的2/3或距离台模尾部3m左右，当泵管压力升高或混凝土纵向延伸流动而过泵管口2m以上时,就可逐渐拔管后退，边泵送灌注、边退出管子,同时用铁锤敲击台模模板，检查混凝土是否密实,当确认密实后才可继续拔管泵送。混凝土泵送到最后，采取快速抽管堵口法封好上拱顶最上一块封板，并用回丝快速堵口，防止口部混凝土流出造成空洞（图

14所示)。

图14隧道内衬台模顶部纵剖图

6、 拆模、清理、台模移位

五、 内衬混凝土浇筑完成后，必须对所有浇筑机具,进行清洗（包括混凝土输送管道)，

外漏砂浆进行全面清除。如果来不及运走，可用人工铲松集中，以免积硬后影响拆模、移位。由于隧道内温度一般在20～25°左右，混凝土养护时间超过6小时后便可松开模板，拆模前必须先拆除所有预埋件固定螺栓和封堵板，顺序是先拆松下模板，然后拆两侧中模板，最后拆松拱顶模板，缩回所有固定用的丝杆千斤顶，模板收缩后即可利用台模上的行走机构移位到下一个浇筑地段，所移位好的台模和已浇筑好混凝土要搭接20cm,其目的一是便于台模定位,二是可阻止漏浆。 质量标准

隧道全内衬混凝土结构，按《钢筋混凝土工程施工及验收规范》标准进行。隧道内衬混凝土结构的允许偏差和检验方法见表2所示。

隧道内衬混凝土结构质量标准表2

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序号 1 2 3 4

项目 轴线 内衬内径 内衬壁厚 表面平整度 允许偏差(mm) ±20 ±15 10 检查方法 按隧道施工后实际轴线修正 实测 检查封堵板处或浇筑前 2m直尺，无蜂窝麻面、漏浆 六、 施工安全

应遵照国家颁发的《建筑安装工程安全技术规程》和隧道工程公司制定的《安全生产操作规程》执行,并落实以下安全注意事项:

1、 对隧道井口的上下安全扶梯、起重机械、起重绳索、吊具箱色、要经常检查，留有足够的安

全系数，起重物下严禁有人。

2、 全内衬台模在安装、移位、定位过程中，应对吊攀、卷扬机、绳索吊点进行检查，移位时，

人员要全部避让。

3、 作好现场落手清工作，防止人员在狭窄空间的台模中碰伤、摔倒。

泵车和井下水平运输车辆为司机在运行操作时要集中思想，严格执行安全操作规程。 第十节垂直顶升

随着社会经济的不断发展，我国在沿海、沿江地区建造了不少火力发电厂、石油化工等现代化的大型企业，需要大量的取排水隧道提供冷却水和排放水.这些隧道目前多采用盾构法或顶管法施工，以隧道仅作为输水的水平取、排通道,若将隧道与江海中的水域连通，则还需要建造一种特殊的垂直构筑物-—-——-取、排水口。上海隧道公司于70年代中期,经过工程技术人员的不断研究和实践，创造了垂直顶升施工工艺。垂直顶升工艺的产生,完善了大型取、排水工程的整体施工技术，增加了盾构隧道施工的优势，并得到广泛的应用. 垂直顶升施工工艺是在已建隧道内部，由隧道顶部预留位置分节向上顶出矩形或圆形立管穿破土层，而后在水下揭去顶盖形成取、排水口。 这种施工工艺与其他工艺相比，具有如下特点：

1.施工设备简单，不需要水上作业的大型机具和施工设备。

2。垂直顶升施工是在已建成隧道内施工，避免了大量水上作业的难度,施工时不受潮汐、风浪、气候变化等自然条件的影响.

3.施工成本低，造价大大低于其他施工方法，经济效益高。 4.施工工艺较其他方法简便，施工工期短.

垂直顶升工艺适用于软土地层，主要用于沿海、沿江的取、排水隧道工程中。

该工艺自1974年上海金山石化总厂四号排水口首创使用以来，先后在上海宝山钢铁厂电厂、石洞口电厂、金山电厂、吴泾电厂、外高桥电厂、上海合流污水治理工程、宁波北仑港电厂等工程建成170多座立管的取排水口。

上海隧道工程公司首创对垂直顶升工艺在先后获上海市科技进步一等奖和国家科技进步二等奖，还获得美国土木工程师协会颁发的格瑞芬德施工奖。

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一、垂直顶升工艺原理

垂直顶升是在已建成隧道内部，将首节预制管节连接在隧道顶升特定部位（即帽盖）,在管节就位并做好顶升准备工作后，将帽盖与管节采用特殊螺栓连接好，随后拆去帽盖与隧道衬砌的连接螺栓，依靠千斤顶的顶力把管节向上顶出。在每节的顶升过程中，管节之间采用法兰螺栓连接，使管节垂直逐节地顶入土中或水域中。待一座立管全部顶完，做好底座节于隧道的连接，最后在土中或水中揭去帽盖,换成正常的进出口，形成取、排水通道.垂直顶升法施工见图10－1。 图10－1

二、顶升段隧道衬砌结构的处理

顶升段范围隧道一般称之为特殊段.特殊段隧道的结构与正常隧道段不同。该段隧道的衬砌不但要满足特殊结构强度要求，还要具备便利垂直顶升施工的条件,如图10－2所示。

图10－2

（一)、特殊段隧道衬砌构造

特殊段隧道衬砌构造分开口环和闭口环两种。结构为钢筋混凝土复合管片和钢管片，圆环一般由七块管片组成.为满足顶升时的顶力作用及施工方便，下部四块管片采用复合管片，即在钢壳内浇筑钢筋混凝土.上部三块管片为钢管片，分别为邻接块、封顶块和特殊块（见图10－3）。开口环即立管所在的位置，该环管片的特殊块与闭口环的不同,底部带有一圈法兰，以便与第一节立管相连。

开口环的特殊块要顶出，使管片不能成环，削弱图10－3 了圆环的刚度，且顶出隧道部分的立管还将受到水流和风浪的冲击，

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增加了隧道的荷载，故此段范围内的隧道衬砌均需作加强处理。各取、排水口立管之间必须保持适当的距离，一般施工中每隔4环闭口环为2环开口环，相邻两开口环组成一顶升口.在每4环闭口环上，沿特殊块与邻接块及封顶块的接缝处焊纵向联系樑，在纵向联系樑与管片接缝处焊横向加劲板，增加顶升口及特殊段隧道衬砌的整体刚度（见图10－4）。

图10－4

（二）、特殊段隧道

为保证立管建后的垂直度，特殊段隧道坡度一般为平坡。在长距离隧道施工中,管片拼装免不了有一定旋转角，累计后的误差值可能较大，满足不了立管在平面轴线上的垂直精度。另外普通段管片与特殊段管片类型也不同,在普通段与特殊段之间设计一环过渡环。过渡环与特殊环之间采用电焊连接，所以这两环之间可作较大的旋转调整。特殊段第一环的第一块管片一定要定位准确，即作为拼装的定位依据，然后依次拼装相邻管片最后成环。 三、垂直立管的构造

垂直立管是顶升工程的主体，受隧道内净尺寸的,每根立管由数节管节组合而成。管节结构多为钢筋混凝土结构，也有复合结构和钢结构。立管断面一般分正方形与圆形两种。管节上下端均带有钢法兰，以作管节间连接之用。

每座立管的管节一般分顶头管节、若干节标准管节和底座管节三种形式。管节之间采用螺栓连接,管节平面尺寸一般略小于两环开口环特殊块所组合的开口尺寸。（见图10－5）

图10－5

（一）、顶头管节

顶头管节作为立管的第一节，与开口环的特殊钢管片相连.考虑到今后拆除钢管片的施工工艺,需在钢管片与顶头管节之间加一只转向法兰（内向转外向），以便拆除（见图 10－6）。内法兰与开口环特殊管片连接,外法兰与顶头管节连接，这外法兰是今后拆卸面。

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图10－6

(二)、标准管节

标准管节是每根立管的中间部分,总数根据立管长度而定，一般有3~10节。管节结构形式及平面尺寸均一致，因此可通用拼装使用。 (三)、底座管节

底座管节作为立管的最后一节，其结构形式必须保证与隧道衬砌有良好的结合。该管节管壁四周均留有的纵环向螺栓孔与隧道衬砌纵环向螺孔位置相对应。等底座管节顶升到位后穿入纵环向螺栓并拧紧，与隧道衬砌相连接，并将底座管节下法兰面与止水框用止水片电焊连接，止水片下还需焊加劲板，使立管与隧道形成一个整体。并在立节与止水框架间隙内压注水硬性材料,提高两者的综合效能. （四）、顶升施工防泥水渗漏措施

立管管节平面尺寸比顶升口小1～2cm，在顶升过程中随着管节的不断上升，会有泥水沿着管节壁从缝隙中渗入隧道.因此在顶升口四周相邻的6块管片外弧上面安装止水橡胶带,此工作是在管片拼装前就完成的.当立管顶出时,橡胶带就贴附在管节四壁上（见图10－7）,能有效阻止泥土涌入隧道内.

在顶升前必须在顶升口安装止水框，止水框安装过程中要保证止水框四周内边与开口间隙适中,将止水框与开口环的邻接、封顶块及闭口封特殊块管片焊牢，使开口止水框架与隧道衬砌连成一体，这样亦起到了加固顶升段隧道衬砌的作用。

当顶头管节与开口环连接完成后，开始安装止水装置。在管节与止水框之间安装止水嵌条，并用制动螺栓反方钢条顶住.顶升过程中根据止水效果调节柱头螺丝，使之达到最佳效果。（见图10－8）

一般在靠近隧道衬砌最后几节管节管壁预留注浆孔。顶升结束后,通过注浆孔向管节外压注聚氨脂等防水材料，起到更佳的止水效果。 图10－8

四、垂直顶升施工机具与设备

垂直顶升施工设备主要有顶升车架、顶升千斤顶、液压系统和管节运输设备等。由于垂直顶升是在已成隧道内施工，其施工设备必须满足施工条件许可.

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图10－9

（一)、顶升车架(见图10－9）

顶升车架作为立管顶升的基座,主要把顶升时的全部施工荷载均匀地扩散到隧道圆环衬砌上，并在立管拼接时承受已顶出管节的自重。因此顶升车架在设计时，首先要保证车架本身具有足够刚度、强度来承受顶升施工所有荷载，其次在车架高度和平面尺寸设计时，要考虑可操作性和简便性。可操作性主要指车架高度、支架的间距均能满足施工需要；简便性是指操作平台的布置、扁担粱的设计均能使施工人员方便操作.

顶升车架主要有：底座、支架、扁担樑和操作平台四部分。底座在设计时必须保证底面与隧道衬砌有足够的接触面，尽量减少顶升施工对隧道衬砌产生的施工应力。基座底部需安装能平移的滑轮，在顶升时缩回不影响底面接触,在移位时伸出可在钢轨上移动。支架在设计时要满足刚度要求,在底座上对称布置。扁担梁作为立管管节拼装时的临时支撑，一般选用槽钢或工字钢制作.在加工时既要保证强度，又不能过于笨重，以便操作及管节拼接施工。顶升车架操作平台一共布置三处，分别是车架前部的液压系统操作平台、支架两侧和车架顶部的施工人员操作平台。 （二)、液压系统

液压系统的油泵及操作系统布置在车架的前端，通过与千斤顶相连。顶升施工一般布置4~6台100t千斤顶，安放在顶升车架底座上，以便于调整管节方向、位置和四周空隙。千斤顶的行程在允许条件下尽可能长，以减少操作的往返次数。垂直顶升的立管的纠偏可调整千斤顶伸出长度实施,因此要求每个千斤顶均能单独动作，互不干扰。故采用手动三位四通操纵阀直接控制各千斤顶的动作.（见图10－10）

图10－10 （三）、管节运输设备

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管节运输主要包括隧道内的水平运输和车架上顶头节到位的垂直运输。水平运输主要采用平板车，平板车是隧道内施工时的运输工具，在运输管节时须在平板车上制作一支架，使管节的下法兰面高于顶升千斤顶的顶面。支架上做好前后限位，防止管节在运输过程中坠落。垂直运输主要指当平板车到达开口下放，如何送到顶升口的过程,一般先用千斤顶微顶管节,使管节脱离支架,等平板车退出车架底座后，用事先吊在闭口环上的环链葫芦将顶头管节调至与开口的特殊块的底法兰相连接。环链葫芦按四个方向布置，便于管节位置调整。 五、垂直顶升施工 (一)、顶升前的准备工作

隧道施工一结束,及时将特殊段隧道清理干净，保证顶升车架与隧道内弧面有一个良好的接触面。

1、顶升装置安装

顶升装置由止水框、纵向联系樑、横向加劲板组成，采用电焊与顶升口相邻钢管片连接，焊接质量要达到加强段整体刚度的要求。安装顶升装置可根据实际情况一次全部到位后进行顶升，但工期较长,或先安装1～2只顶开口，随后车架就位在顶升过程中同步作业，这样既可节省工期又可利用车架较方便进行顶升装置安装工作。

顶升车架安装过程中确保车架中心对准顶升口中心,接通车架与隧道内的轨道，便于运输管节.同时安装顶升的液压系统，并进行调试使之处于良好状态。 2、管节防水处理

管节在运至工作面之前，应事先在地面进行试拼装,拼装合格后对管节进行编号。随后对管节进行防水处理，防水处理主要包括:管节上法兰面的止水橡胶条粘贴、管节螺栓孔止水衬垫粘贴以及管节外壁防水涂料涂刷等。

3、管节运输

顶头管节先在地面上安装好转向法兰，转向法兰与管节上法兰面采用不锈钢螺栓连接，便于今后拆除。随后将顶头管节运输至隧道内工作面。用环链葫芦将管节提升并送至顶升口,在提升过程中要保证管节与止水框内四边空隙均匀,便于安装止水嵌条.将转向法兰与顶升口开口特殊块管片下法用螺栓连接并拧紧.随后按编号逐节将管节送至工作面,供顶升施工后所需。

4、止水嵌条安装

在管节与止水框之间安装2～3道止水嵌条，并用螺栓及方钢条调节止水嵌条压紧。在顶升过程中,根据渗漏情况对止水嵌条进行调整或替换。

微调立管位置，拆除开口环与相邻闭口环的连接螺栓，并将两者螺栓孔用闷头封住,必要时用快速水泥在闷头外面再封一圈,防止顶升过程中泥水从孔中渗入。 (二）、顶升施工

各项准备工作完成后，千斤顶开始顶升。液压系统的操作人员一定要听从现场指挥，各千斤顶伸缩一定要同步、匀速进行,使管节平稳、垂直地向上顶升。在调换顶块时，一定要使顶块垂直受力，防止偏心受力或倾斜,千斤顶顶块必须逐块对称调换,保证施工安全。 顶升施工开始千斤顶一般使用4只，油压一般控制在80～100Mpa，随着管节数量的增加引起顶进压力将增大,此时可用6只千斤顶,顶升时应确保6只千斤顶匀速向上。

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当管节下法兰面肩胛面超过扁担樑时，停止顶升。安放扁担樑，并用对拉螺栓将两根扁担樑拧紧，使管节肩胛面搁置于扁担樑上.随后将下一节管节顶升上来，与前一节管节相连。扁担樑正好位于两节管节之间的凹槽,不影响管节的螺栓连接。随后千斤顶继续顶升管节，将扁担樑拆除,暂停顶升。将两节管节接头之间的凹槽立刻用木板铺平，以防管节在顶升过程中损坏止水嵌条，随后继续顶升。

按上述方法逐节顶升，直至顶升底座管节，当底座管节顶升到设计标高后,将螺栓穿进管节和相邻管片的螺栓孔中并拧紧。最后在止水框和管节下法兰面焊制动压板和筋板，至此,完成一座立管的顶升施工，随后移动车架到下一个顶升口继续施工.

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