【考点】 盾构掘进技术
一、盾构法施工步骤与掘进控制内容
盾构掘进控制的目的是确保开挖面稳定的同时，构筑隧道结构、维持隧道线形、及早填充盾尾空隙。因此，开挖控制、一次衬砌、线形控制和注浆构成了盾构掘进控制四要素。施工前必须根据地质条件、隧道条件、环境条件、设计要求等，在试验的基础上，确定具体控制内容与参数；施工中根据包括监控量测的各项数据调整控制参数，才能确保实现施工安全、施工质量、施工工期与施工成本预期目标。
二、开挖控制
开挖控制的根本目的是确保开挖面稳定。 （一）土压（泥水压）控制
（1）土压式盾构——以土压和塑流化改良控制为主，辅以排土量、盾构参数控制。 泥水式盾构——以泥水压和泥浆性能控制为主，辅以排土量控制。
（2）开挖面的土压（泥水压）控制值，按“地下水压（间隙水压）+土压+预备压”设定。 2）土压有静止土压、主动土压和松弛土压，要根据地层条件区别使用。按静止土压设定控制土压，是开挖面不变形的最理想土压值。主动土压是开挖面不发生坍塌的临界压力，控制土压最小。地质条件良好、覆土深、能形成土拱的场合，可采用松弛土压。
3）预备压，用来补偿施工中的压力损失，土压式盾构通常取10~20kN/m2，泥水式盾构通常取20~50kN/m2。
（3）计算土压（泥水压）控制值时，一般沿隧道轴线取适当间隔（例如20m），按各断面的土质条件，计算出上限值与下限值，并根据施工条件在其范围内设定。土体稳定性好的场合取低值，地层变
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形要求小的场合取高值。
上限值：
Pmax =地下水压+静止土压+预备压
下限值：
Pmin =地下水压+（主动土压或松弛土压）+预备压
为使开挖面稳定，实测的土压（泥水压）变动要小。 （二）土压式盾构泥土的塑流化改良控制 （1）土压式盾构掘进时，理想地层的土特性是： 1）塑性变形好； 2）流塑至软塑状； 3）内摩擦小； 4）渗透性低。
在细颗粒含量低于30%、或砂卵石地层，必须加泥或加泡沫等改良材料，以提高塑性流动性和止水性。
改良材料必须具有流动性、易与开挖土砂混合、不离析、无污染等特性。一般使用的改良材料有矿物系（如膨润土泥浆）、界面活性剂系（如泡沫）、高吸水性树脂系和水溶性高分子系四类（我国目前常用前两类），可单独或组合使用。
（3）塑流化改良控制是土压式盾构施工控制的最重要要素之一，要随时把握土压仓内土砂的塑性流动性。一般按以下方法掌握塑流性状态。
1）根据排土性状
取样测定（或根据经验目视）土砂的坍落度，以把握土压仓内土砂的流动状态。 2）根据土砂输送效率
一般情况下，土压仓内土砂的塑性流动性好，盾构掘进就正常，两者高度相关。 3）根据盾构机械负荷
根据刀盘油压（或电压）、刀盘扭矩、螺旋输送机扭矩、千斤顶推力等机械负荷变化，判断土砂的流动状态。
（三）泥水式盾构的泥浆性能控制
泥水式盾构掘进时，泥浆起着两方面的重要作用：一是依靠泥浆压力在开挖面形成泥膜或渗透区域，开挖面土体强度提高，同时泥浆压力平衡了开挖面土压和水压，达到了开挖面稳定的目的；二是
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泥浆作为输送介质，担负着将所有挖出土砂运送到工作井外的任务。因此，泥浆性能控制是泥水式盾构施工的最重要要素之一。
泥浆性能包括：相对密度、黏度、pH值、过滤特性和含砂率。 （四）排土量控制 1．开挖土量计算
单位掘进循环（一般按一环管片宽度为一个掘进循环）开挖土量Q，一般按下式计算：
Q=错误！未找到引用源。D2·St （1K413034-1） 式中Q——开挖土计算体积（m3）； D——盾构外径（m）； St——掘进循环长度（m）。
当使用仿形刀或超挖刀时，应计算开挖土体积增加量。
2．土压式盾构出土运输方法与排土量控制
土压式盾构的出土运输（二次运输）一般采用轨道运输方式。
土压式盾构排土量控制方法分为重量控制与容积控制二种。重量控制有检测运土车重量、用计量漏斗检测排土量等控制方法。容积控制一般采用比较单位掘进距离开挖土砂运土车台数的方法和根据螺旋输送机转数推算的方法。我国目前多采用容积控制方法。
3．泥水式盾构排土量控制
泥水式盾构排土量控制方法分为容积控制与干砂量（干土量）控制两种。
容积控制方法如下，检测单位掘进循环送泥流量Q1与排泥流量Q2，按下式计算排土体积Q3：
Q3=Q2-Q1
式中：Q3——排土体积（m3）； Q2——排泥流量（m3）； Q1——送泥流量（m3）。
对比Q3与Q，当Q>Q3时，一般表示泥浆流失（泥浆或泥浆中的水渗入土体）；Q第3页 /共8页（1k413034-2）
水（由于泥水压低，地下水流入）。正常掘进时，泥浆流失现象居多。
干砂量表征土体或泥浆中土颗粒的体积，开挖土干砂量V按下式计算：
V=Q·100/（GS·ω+100） （1K413034-3）
式中：V——开挖土干砂量（m3）； Q——开挖土计算体积（m3）； GS——土颗粒相对密度； ω——土体的含水量（%）。
干砂量的控制方法是，检测单位掘进循环送泥干砂量V1与排泥干砂量V2，按下式计算排土干砂量V3：
V3=V2-V1=[（G2-1）·*Q2-（G1-1）·*Q1]/（G1-1） （1K413034-4）
式中V3——排土干砂量（m3）； V2——排泥干砂量（m3）； V1——送泥干砂量（m3）； G2——排泥相对密度； G1——送泥相对密度。
对比V3与V，当V>V3时，一般表示泥浆流失；V除特殊场合外，大都采取错缝拼装。在纠偏或急曲线施工的情况下，有时采用通缝拼装。 2．拼装顺序一般从下部的标准（A型）管片开始，依次左右两侧交替安装标准管片，然后拼装邻接（B型）管片，最后安装楔形（K型）管片。
4．紧固连接螺栓
先紧固环向（管片之间）连接螺栓，后紧固轴向（环与环之间）连接螺栓。采用扭矩扳手紧固，
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紧固力取决于螺栓的直径与强度。
（二）真圆保持
管片拼装呈真圆，并保持真圆状态，对于确保隧道尺寸精度、提高施工速度与止水性及减少地层沉降非常重要。
管片环从盾尾脱出后，到注浆浆体硬化到某种程度的过程中，多采用真圆保持装置。 （三）管片拼装误差及其控制
盾构纠偏应及时连续，过大的偏斜量不能采取一次纠偏的方法，纠偏时不得损坏管片，并保证后一环管片的顺利拼装。
（四）楔形环的使用
除盾构沿曲线掘进必须使用楔形环外，在盾构与管片有产生干涉趋势的情况下也可使用楔形环。
四、注浆控制 （一）注浆目的
注浆的主要目的就是防止地层变形，还有其他重要目的，具体如下： （1）抑制隧道周边地层松弛，防止地层变形。
（2）及早使衬砌管片环安定，千斤顶推力平滑地向地层传递，盾构的方向控制容易。 （3）形成有效的防水层。 （二）注浆材料的性能 （三）一次注浆
一次注浆分为同步注浆、即时注浆和后方注浆三种方式，要根据地质条件、盾构直径、环境条件、注浆设备的维护控制、开挖断面的制约与盾尾构造等充分研究确定。
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1．同步注浆
同步注浆是在空隙出现的同时进行注浆、填充空隙的方式，分为从设在盾构的注浆管注入和从管片注浆孔注入两种方式。前者能实现真正意义的同步注浆。后者，管片从盾尾脱出后才能注浆，可被称作半同步注浆。
2．即时注浆
一环掘进结束后从管片注浆孔注入的方式。 3．后方注浆
掘进数环后从管片注浆孔注入的方式。
一般盾构直径大，或在冲积黏性土和砂质土中掘进，多采用同步注浆；而在自稳性好的软岩中，多采取后方注浆方式。
（四）二次注浆
二次注浆是以弥补一次注浆缺陷为目的进行的注浆，具体作用如下： （1）补足一次注浆未充填的部分； （2）补充由浆体收缩引起的体积减小；
（3）以防止周围地层松弛范围扩大为目的的补充。
以上述（1）、（2）为目的的二次注浆，多采用与一次注浆相同的浆液；若以（3）为目的，多采用化学浆液。
（五）注浆量与注浆压力
注浆控制分为压力控制与注浆量控制两种。一般仅采用一种控制方法都不充分，应同时进行压力和注浆量控制。
1．注浆量
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按下式计算注浆量Q：
Q=V×α （1K413034-5）
式中V——计算空隙量； α——注入率； Ds——开挖外径， D0——管片外径； v——掘进速度。 2．注浆压力
注浆压力应根据土压、水压、管片强度、盾构形式与浆液特性综合判断决定，但施工中通常基于施工经验确定。
从管片注浆孔注浆，注浆压力一般取100~300kN/m2（1~3kg/cm2），或间隙水压加200kN/m2左右。 注浆量与注浆压力要经过一定的反复试验，确认注浆效果、对周围地层和建（构）筑物的影响等，并在施工中进行一定范围内的效果确认，反馈其结果指导施工。
五、隧道的线形控制
线形控制的主要任务是通过控制盾构姿态，使构建的衬砌结构几何中心线线形顺滑，且位于偏离设计中心线的容许误差范围内。
（一）掘进控制测量
随着盾构掘进，对盾构及衬砌的位置进行测量，以把握偏离设计中心线的程度。测量项目包括：盾构的位置、倾角、偏转角、转角及盾构千斤顶行程、盾尾间隙和衬砌位置等。
（二）方向控制
掘进过程中，主要对盾构倾斜及其位置以及拼装管片的位置进行控制。
盾构方向（偏转角和倾角）修正依靠调整盾构千斤顶使用数量进行。若遇硬地层或曲线掘进，要进行大的方向修正场合，须采用仿形刀向调整方向超挖。此时，盾尾间隙减小，管片拼装困难，为确保盾尾间隙，必须进行方向修正。盾尾间隙大大减小的情况下，要拼装楔形环管片，以确保盾尾间隙。
盾构转角的修正，可采取刀盘向盾构偏转同一方向旋转的方法，利用产生的回转反力进行修正。
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