盾构施工及常见问题处理研究

2024-06-08沈曦

中国设备工程 2024年10期

沈曦

（中铁建南方建设投资有限公司，广东深圳 518000）

盾构法凭借其优势在地下施工中有着广泛应用，通过盾构起到掩护作用，确保可安全开展开挖、衬砌等作业，且地下施工不会对地面交通等产生影响，受天气因素干扰程度小。虽然目前盾构施工发展愈加先进、成熟，但实际施工中仍需认真分析工程实际情况，科学设计施工方案、规划好施工流程，做好对可能出现问题的防范，严格开展盾构施工管理，确保工程建设水平。

1 盾构施工技术概述

暗挖作业中，经常使用盾构施工技术，通过盾构机机械化作业来推进施工，考虑到施工中岩壁的稳定性，需保障外壳、管片有足够支撑作用，防止出现坍塌现象。同时用切削装置开挖土体，之后用出土机械将其运出，后部用千斤顶加压定金，拼装预制混凝土管片，成为有效的地下施工机械化方法。

2 盾构施工选型重要性

2.1 盾构机选型

（1）地层条件。地层条件是选型的首要依据。不同类型的地层应选择相适应的盾构机，选需考虑地质构造、岩性和地下水状况等。通常软土、黏土或砂质土地层以及地下水位较高地层适合泥水平衡盾构机，岩性地层则为全断面盾构机。（2）施工环境。施工环境包括空间、隧道的长度和施工位置等，会影响盾构机的工作效率和质量。施工空间有限，选择体积小、便于操作性、转弯半径小的盾构机。长隧道工程则需要考虑盾构机的可靠性和寿命。（3）工程要求。盾构机的选择还要考虑工程实际情况，如隧道的直径、长度、曲率半径、掘进速度等。大直径的隧道需要大负载的盾构机，小直径的隧道适合小体积、进出隧道容易的盾构机。（4）盾构机自身特点。不同类型的盾构机都有其独特的特点。例如，泥水平衡盾构机适合于地质条件较差的地层，而有压平衡盾构机和盾构机装载传送带可以提高工作效率。

2.2 刀盘刀具选择

（1）选型标准。盾构掘进刀盘刀具的选择需要考虑以下几个方面，包括地质条件、硬度、倾角和含水量等工作条件。不同的工作条件需要相应的工具材料和型号。切削载荷：包括切削力和扭矩，这对刀具的强度和耐磨性有要求。规格尺寸：包括圆盘直径、刀位数量、刀具长度和直径等。切削性能：包括切削速度、进给速度和切削深度，需要根据工作条件和材料特性进行匹配。（2）选型建议。选择合适的型号和材料：根据工作条件和岩石特性，选择合适型号和材质，以确保刀具的切削性能和使用寿命。根据建议搭配尺寸：尺寸和长度过大或过小会引起损失和浪费。注意平衡：根据切割位置的数量和重心进行平衡和匹配，避免对盾构机的振动和噪音产生负面影响。定期检查和维护：刀具长期磨损下，其切割质量和效率会降低，需定期进行检查和更换。

3 盾构施工中常见问题处理策略

3.1 地表沉降的控制措施

（1）控制土压平衡。盾构机开挖时，采用土压平衡方式利于控制地表沉降控制，避免对地表建筑物产生损害。土壤仓中安装了高度灵敏压力传感器，控制面板即可接收到土层压力信息压力并显示，自动对比设定的土壤压力以分析此时压力是否合理。如果压力过高或过低，将发出警报。因此，它可以有效地控制土压力平衡，避免地面沉降，适合开挖软弱复合地层使用。（2）做好刀盘设计，依据实际工程地质条件设计其形式和布置以、开口率。轮辐式设计可避免其中心形成泥饼。（3）刀盘采用变频电机进行驱动，平稳启动、可靠运转。（4）采用盾尾同步注浆法将管段与开挖直径间隙填充好，以降低沉降概率。同时，它可以防止管段向上浮动。（5）配备激光制导系统，用于精确控制盾构掘进姿态。

3.2 盾构小曲线半径转弯的措施

（1）使用铰接方式将中盾和尾盾连接，可以使盾构的长径减小，掘进作业时盾构即可灵活地进行姿势调整，小半径转弯也更稳定。（2）控制好两侧油缸推力差，整体推力变小才可慢速和快速旋转。（3）盾构机司机在掘进时，可根据地质条件和线路走向操控盾构机先做好准备姿势，避免姿势后续变得不良，减少校正。（4）移动测站需多加监测，防止轴误差。（5）管段选择好，测量标准环的轴线和车削环间角度，以确定需要增加多少车削环，之后采用十字拼接方式，直到小曲线半径作业完成。（6）隧道没有过渡段，它直接从直线段过渡到圆曲线。当盾构机到达一定圆曲线段时，盾构机的姿态应反向偏移至曲线内侧，即预偏移。以便之后向曲线外侧偏移，做好曲线段盾构姿势调整，减少偏差。（7）在管道位移的方向上灌浆，形成可以抵抗管道偏移的压力。浆液较快初凝，拆除待盾构机盾尾五环后，再次在右转9 点钟位置灌浆。

3.3 管片错台和破损的控制

（1）油缸的推力不宜过大，尤其是在油缸曲线外侧（后中心侧）。为了实现盾构机的转弯，加大推力之后左右油缸会产生较大推力差。但此时需注意管段是否具备足够承载力，推力超过其承载力，可能会导致管段发生断裂。（2）油缸曲线外侧容易产生较大推力，为防止引发管段断裂问题，油缸推力要平稳收放，不可突然加大或者释放。（3）开挖操作中将螺栓适当拧紧，有避免错位的作用。之后再重新从中间到四边拧紧，两次拧紧要采用一样的顺序。屏蔽尾部拆除后再拧紧两次，拆除次数多，需适当增加重新拧紧次数。（4）提高管道装配施工水平。在组装管道前，对施工操作人员做好技术交底工作。正式施工前先试组装，检测组装效果和方案可行性，避免实际装配不当引发错位。管段组装错位要控制在一定范围，一般在5mm 以内。（5）每次推进循环前后，操作人员均需开展屏蔽尾部间间隙测量作业。合理选择管段类型，避免盾尾钢圈刮伤管段，调整油缸支靴的位置，尽可能保证支靴完全作用在管段上。

3.4 遇到上跨、下穿如何采取保护措施

（1）上跨提前加固，以降低水平向时空效应影响。（2）下穿做好同步注浆,二次注浆，甚至三次注浆，采用自动化监测现有建筑。盾构机运行中，其施工姿态要控制好。其行进方向和速度，会对前方土体产生影响，导致其压力产生变化，同时还会影响上部结构的压力。因此，当需要穿过建筑物时，要对盾构施工严格控制，调整盾构机的姿态和各项参数使其更合理；施工中，填土层、土壤压力不同，应选择不同的千斤顶；遇到偏差的情况下，对千斤顶进行调整，可以改变盾构机姿态。无法通过千斤顶调整的情况下，盾构掘进铰链装置也可用于调整；操作中出现盾构姿势偏差问题，应每次微小调整，平稳地逐步完成调整，而不是做大步调整一次完成。控制好每次调节范围，不应超过4mm。

3.5 刀盘卡死或掘进效率变低或遇到基岩突变等情况采取措施

盾构机刀盘卡住的原因：地质条件恶劣，有大块岩石。刀盘刀具严重损坏，下降不稳而卡住；管片有质量问题而卡住刀盘。

解决方法：恶劣地质条件，减速慢推，如果仍然卡住，则需要用钻机把岩石打碎，清理掉再继续推进；刀盘刀具损坏严重，要将盾构机停机，更换新刀具后再开始工作；管片质量出现问题，从刀盘处割开管片从刀盘处割开，借助升降机器清理掉，之后继续推进。

3.6 拼装后拼缝渗漏的处理措施

（1）管段设计时，应适当增加管段的尺寸余量，以确保其在安装过程中具有一定的承载能力和气密性。（2）施工解决方案：在施工现场，应严格控制管段的加工、安装和支撑，以确保其气密性。（3）材料解决方案应使用轧制管段而不是铸造管段，以提高管段的质量和支撑能力。（4）其他解决方案：盾构施工时，应根据地质条件加强支护工作，提高管段的支护能力。当遇到水、沙子等外部条件时，应及时采取防水隔离措施，防止漏水。综上所述，盾构隧道管片漏水是影响盾构隧道施工质量和安全的一个重要问题，需要从设计、施工、材料等多个方面予以关注和解决。只有综合开展各项工作，才能有效避免盾构隧道管片漏水的发生。

3.7 盾构机身翻滚

造成机身翻滚的主要原因，就是在土体刀盘切削作业中，其形成一定超出盾构机结构与隧道岩壁所产生摩擦力矩的扭矩，挖掘两个地层分界层过程中，由于其岩体性质存在较大差异，且岩体结构较稳定，较大的扭矩会导致机身翻滚，滚动幅度大，会影响管片拼装，甚至会移动隧道中心线。

需结合实际施工情况，将刀盘扭矩减小。然后按照规定注浆，控制好注浆质量。操作刀盘时，控制好旋转方向以及旋转速度。

3.8 管片上浮

使用盾构机作业过程中，会影响隧道管片，导致其位置移动，表现为上浮现象。出现该问题，主要是受到了地质条件、注浆效果及其运行影响。盾构挖掘施工中会产生环形建筑结构，通常其施工采用衬背注的方式，如果施工中注浆操作中的量不足、压力低，则会导致浆液无法全面填充环形建筑结构缝隙，尤其是隧道顶层，则会加大管片上浮记录。在开挖积水位置过程中，也就是环形结构有积水，或者需较长时间才能填充浆液凝结，则管片容易浸入挖掘形成的坑洞中，受到超过自身重量向上的作用后，管片就会上浮。

需保障注浆浆液质量、施工品质，以确保一个完整的结构可以形成，巩固管片和岩体结构。衬背注浆，需控制好各种配料用量，结合实际情况设计配比，并动态调整，以保障管片稳定性。

3.9 盾尾漏浆

盾尾刷产生磨损、盾尾与管片间缝隙不均匀、衬背注浆压力超标等，是引发盾尾漏浆的常见原因。

对于该问题，首先需在正式开挖施工前，安排专人认真、全面检查盾尾结构，如果发现密封破损，要及时更换；其次，在拼装管片作业前，要清理盾壳表层、内部杂质，避免损害到盾尾刷；定期全面检查盾尾密封质量，管控好盾尾油脂的压力；最后，需定期检查盾尾和管片间缝隙，并要保障盾构机稳定运行。

3.10 地表沉降

如果施工中土仓中压力不足，导致无法将外部水土压力抵消，则刀盘浅层土体结构易崩塌，导致地面下沉。脱离盾尾后，管片与地层会形成环形建筑空间，软体地层注浆不当，则会导致拱顶岩体结构变形、地表沉降。

应对地表沉降，要选择合理的方法来保持土仓压力平衡，并结合实际动态调整。完成挖掘作业后，维持好土仓内和外界水土压力平衡，排土前，需充分拌和土仓中水、土，并密封好土仓，避免喷涌现象破坏土压稳定。注浆时，要控制好注浆量、注浆压力，把控好二次注浆时间，保障注浆效果。盾尾注浆孔洞，其注浆压力要大于隧道中水土压力。

3.11 注浆管堵塞

在注浆操作中，如果浆液在完成搅拌后，长时间没有进行注浆，则会导致浆液离析问题，在管道内层附着的浆液会堵塞管道。

要解决该问题，只需控制好搅拌和注浆的时间。首先，要规划好浆液运输线路，尽量避免管道弯曲，否则，泥浆很容易以缓慢的流速沉淀。地面卸料罐和地下泥浆车间将使用输送管输送泥浆。应使用大直径输送管，管口应靠近泥浆车底部。闸门打开后，泥浆可以通过自身重量排出。其次，合理进行工序设计和流程安排工序，以减少浆料运输所需时间，在洞口、砂浆车处设置可以为搅拌电机使用的电源，以确保可连续搅拌，不会长时间停顿导致离析问题。最后，泵浆时，使用的出浆管高度要低一点，并将搅拌机开启，用于浆液搅拌。