盾构施工引起地层位移及其精准控制

第1章 盾构施工引起地层位移研究概述 盾构经过近两百年的发展，由原始的手掘式盾构发展到了目前以大直径、大推力、大扭矩、高智能化、多样化为特色的新型盾构，目前已经在国内外的隧道施工中都得到了广泛的应用。与此同时，由盾构施工所引起的地层位移带来的问题也引起了日益广泛的关注和研究。盾构隧道的开挖使隧道周边的土体受到扰动，受扰动地层开始由原始应力状态进行应力重分布逐渐到达新的应力状态，同时产生相应变形。 目前关于地层位移的研究更多的是研究地层沉降，即地层竖向位移，对于地层横向位移和纵向位移较少涉及。本章通过研究土压平衡盾构工法的技术特点，阐述了地层位移的发生机理，并提出了地层位移控制所面临的技术难题。 1.1土压平衡盾构工法简述 1.1.1土压平衡盾构构成 本书主要研究土压平衡盾构施工引起的地层位移，不涉及泥水平衡盾构、硬岩掘进机（tunneling boring machine，TBM）等。 土压平衡（earth pressure balanced，EPB）盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，使土仓和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的渣土，依靠推进油缸的推力给土仓内的开挖渣土加压，使该压力作用于开挖面保持其稳定。土压平衡盾构的支护介质是土壤本身。土压平衡盾构由盾壳、刀盘、主驱动、螺旋输送机、皮带输送机、同步注浆系统、盾尾密封系统、管片安装机、人舱、液压系统等组成，其结构如图1.1所示。 图1.1土压平衡盾构 1.刀盘、刀盘驱动及刀盘支承 刀盘是机械化盾构的掘削机构，刀盘结构需根据地质适应性的要求进行设计，需适合围岩条件，在确保开挖面稳定的前提下，提高掘进速度。刀盘设计时，应充分考虑刀盘的结构型式和支承方式、刀盘开口率、刀具布置等因素。 1）刀盘 刀盘具有三大功能： （1）开挖功能。刀盘旋转带动刀具切削隧道掌子面上的岩土体，对掌子面前地层进行开挖，开挖后的渣土通过刀盘的开口进入土仓。 （2）稳定功能。支撑掌子面，具有稳定掌子面的功能。 （3）搅拌功能。对于土压平衡盾构，刀盘转动带动主动搅拌棒与被动搅拌棒联合作用对土仓内的渣土进行搅拌，使渣土具有良好的塑性，然后通过螺旋输送机将渣土排出。 盾构的刀盘结构型式与隧道穿越的地质条件有着密切的关系，不同的地层应采用不同的刀盘型式。土压平衡盾构的刀盘结构型式有两种：辐条式和面板式。①辐条式刀盘（图1.2）开口率大，渣土流动顺畅，渣土进入土仓的路径短且简单，不易堵塞。一般不能安装滚刀，且中途换刀安全性相对较差。②面板式刀盘（图1.3）该种型式的刀盘在换刀时相对安全，但开挖渣土进入土仓的路径长且复杂，易黏结易堵塞，易在刀盘上形成泥饼。 图1.2辐条式刀盘 图1.3面板式刀盘 辐条式刀盘对砂、土、一般粒径的卵石等地层的适应性比面板式刀盘好，但由于一般不能安装滚刀，在风化岩及软硬不均地层或硬岩地层中，通常采用面板式刀盘。 2）刀盘驱动 刀盘驱动方式有三种：变频电机驱动、液压驱动和定速电机驱动。由于定速电机驱动，刀盘转速不能调节，一般不采用。现将变频驱动与液压驱动做对比，如表1.1所示。表1.1刀盘驱动方式比较表项目①变频驱动②液压驱动备注驱动器外形尺寸大小一般①∶②=(1.5～2)∶1后续设备少多②需要液压泵、油箱、冷却装置等效率/%9565液压系统效率低起动电流小小①变频起动电流小； ②无负荷起动电流小起动力矩大小①起动力矩可达到额定力矩的120%起动冲击小较小①利用变频软起动，冲击小； ②控制液压泵排量，可缓慢起动，冲击较小转速控制、微调好好①变频调速； ②控制液压泵排量，可以控制转速和微调噪声小大液压系统噪声大隧道内温度低高液压系统传动效率低，功率损耗大，温度高维护保养容易较困难②液压系统维护保养要求高，保养较复杂 3）刀盘支承 刀盘有中心支承、中间支承和周边支承三种方式（图1.4）。在设计时应考虑盾构直径、土质条件、排土装置等因素后确定刀盘支承方式。图1.4刀盘的支承方式 （1）中心支承方式。一般用于中小型直径的盾构。该方式刀盘旋转切削土体时，土仓内土体的流动空间和被直接搅拌的范围大，土体流动顺畅、搅拌混合效果良好、黏土附着的可能性小，不易引起堵塞，开挖面压力较稳定，因而盾构掘进效果较好，改善了盾构控制地面沉降的性能。但由于机内空间狭小，处理大石块、卵石比较困难。 （2）中间支承方式。结构上较为平衡，主要用于中大型直径的盾构。当用于小直径盾构时，应认真考虑防止中心部位黏结泥饼等问题。由于中间支承的存在，将盾构土仓分隔成两个区域，土仓中心区域占土仓内相当大的空间。当刀盘旋转切削土体时，中心区域以外部分的渣土流动顺畅，易于搅拌，中心区域内的渣土流动较差，当切削土体黏性较大并长期积聚于中心区域时，中心区域土体逐渐增多并*终形成泥饼，完全丧失流动性。内外两个区域的渣土流动性差异较大，渣土搅拌混合的效果难以保证。刀盘采用中间支撑方式的盾构在黏性土（包括粉细砂）中施工时，土仓内切削土体搅拌效果不易满足要求，并可能会因黏附堵塞形成泥饼，造成出土不畅、阻力增大、开挖面压力控制不稳定，影响盾构掘进效果，且对控制地面沉降不利。 （3）周边支承方式。一般用于小直径盾构，机内空间较大，砾石处理较为容易。该方式易在刀盘的外周部分黏结泥土，在黏性土中使用时，应充分研究如何防止渣土黏附的问题。 2.膨润土添加系统及泡沫系统 膨润土和泡沫添加系统是土压平衡盾构掘进的调节媒介。采用该系统，对于不同的地质条件，通过添加流塑化改性材料，改善盾构土仓内渣土的流塑性，既可实现平衡开挖面水土压力，又能向外顺畅排土，拓宽了土压平衡盾构的适应范围。泡沫注入口数量与刀盘直径、支承方式及刀盘形状等有关。 3.螺旋输送机及皮带运输机 螺旋输送机由伸缩筒、出渣筒、液压马达、螺旋轴、出渣闸门等组成，是土压平衡盾构的排土装置，如图1.5所示。主要有以下三个功能： （1）将盾构土仓内的渣土向外连续排出。 （2）土体在螺旋输送机内向外排出的过程中形成密封土塞，阻止土体中的水分散失，保持土仓内土压的稳定。 （3）随时调整向外排土的速度，控制盾构土仓内渣土量实现连续的动态土压平衡过程，确保盾构连续正常向前掘进。 图1.5螺旋输送机系统图 皮带输送机的主要功能则是将渣土从螺旋输送机的出渣口转运到停在轨道上的渣车内。 4.同步注浆系统及盾尾密封系统 1）同步注浆系统 同步注浆的目的主要有以下三个方面： （1）及时填充盾尾建筑空隙，支撑管片周围围岩，有效地控制地表沉降。 （2）凝结的浆液作为盾构施工隧道的**道防水屏障，防止地下水或地层的裂隙水向管片泄漏，增强盾构隧道的防水能力。 （3）为管片提供早期的稳定并使管片与周围岩体一体化，限制隧道结构蛇行，有利于盾构姿态的控制，确保盾构隧道的*终稳定。 图1.6为盾尾同步注浆系统示意图。 图1.6一种同步注浆与盾尾密封系统示意图 2）盾尾密封系统 盾尾密封系统是盾构正常掘进的关键系统之一，盾构法隧道施工所发生的安全事故常常在盾尾。铰接式盾构的盾尾密封系统包括铰接密封和盾尾密封。 （1）铰接密封。铰接密封一般有三种形式：**种是采用一道或多道橡胶唇口式密封；第二种是采用墨石棉或橡胶材料的盘根加气囊式密封；第三种是双排气囊式密封。 （2）盾尾密封。盾尾止水采用盾尾刷密封装置，是集弹簧钢、钢丝刷及不锈钢金属网于一体的结构。盾尾油脂泵向每道盾尾刷密封之间供应油脂，以提高止水性能。 图1.6是常规的土压平衡盾构盾尾密封系统示意图，图1.7是适用于高水压下的盾尾密封系统示意图（一般水压力≥0.5MPa）。 图1.7高水压下盾尾密封系统示意图 5.其他配套系统及设备 1）导向系统 在盾构施工中为了保证盾构沿隧道设计轴线掘进，现代化的盾构均配备高精度的自动导向系统。导向系统可以向盾构操作者提供盾构当前位置姿态和偏离轴线的信息，如里程、刀盘偏差等。目前，国内用户一般把主流的导向系统分为两类：其一是激光导向系统（图1.8）；其二是棱镜导向系统（图1.9）。两种导向系统不存在原理上的差异，主要的区别在于激光导向系统棱镜上方存在激光偏角处理靶，两者设计精度均满足盾构掘进的需要。 图1.8激光导向系统的基本布置