盾构始发技术

6　盾构法施工

本章导读：

盾构法就是用盾构机修建隧道的施工方法，是地下暗挖隧道施工方法的一种，目前在城市隧道的施工中得到了广泛应用，故要求学生必须掌握该项施工技术。

●主要教学内容：盾构法施工原理；盾构的类型与构造；盾构始发、接收技术；盾构掘进管理及盾构机姿态控制；管片类型、尺寸及拼装；衬砌防水和壁后注浆。

●教学基本要求：掌握盾构法施工原理；了解盾构的类型及构造，盾构选型的原则和依据；掌握盾构始发和接收技术；掌握盾构掘进管理内容和盾构姿态控制的基本要求；了解管片的类型和拼装技术；掌握衬砌防水施工技术和壁后注浆技术；了解二次衬砌施工技术。

●教学重点：盾构始发接收技术，盾构的掘进管理，管片及其拼装，盾构衬砌防水和壁后注浆技术。

●教学难点：掘进机的结构，盾构掘进管理内容和姿态控制。

●网络资讯：网站：www.stec.net。关键词：盾构机，盾构施工，土压平衡盾构机，泥水平衡盾构机，盾构管片，同步注浆。

6.1　盾构法简介

盾构施工技术自1825年由布鲁诺尔首创于英国伦敦泰晤土河的水底隧道工程以来，已有180余年的历史。

19世纪末到20世纪中叶，盾构法相继传入美国、德国、苏联、法国、英国及中国，并得到大力的发展。1880～1890年，在美国和加拿大之间的圣克莱河下用盾构法建成一条直径6.4 m、长1 800余米的水底铁路隧道。苏联20世纪40年代初开始使用直径6.0～9.5 m的盾构，并先后在莫斯科、圣彼得堡等市修建地铁工程。1994年建成的英吉利海峡隧道，由3条组成，总长度153 km，是目前世界上最长的海底隧道，全部采用盾构法施工，共用11台直径5.38～8.72 m不等的盾构机。

1939年日本首次引进盾构施工技术施工了关门隧道。从20世纪60年代起，盾构法在日本得到迅速发展，并处于世界领先地位；80年代以来，无论是新型盾构工法的开发（如三圆、椭圆形、矩形、球体、母子盾构，地中对接技术等），还是盾构机的制作数量、建造的隧道长度、承包的海外工程、有关盾构法的文献数量等均名列前茅。

我国自20世纪50年代开始应用盾构机施工，60年代用网格盾构建造了φ10.22 m的上海打浦路过江隧道，1988年建成了φ11.3 m的上海延安东路过江隧道。2004年，我国成功研制出“先行号”加泥式土压平衡盾构掘进机，2009年又研制并成功应用了φ11.22 m的“进越号”大型泥水平衡盾构机。2006年施工的上海沪崇越江隧道，全长8950m，采用φ15.44m泥水加气平衡盾构（德国海瑞克），为当时世界上直径最大的盾构掘进机。2008年施工的武汉长江隧道，全长3 630 m，采用了两台φ11.38 m泥水加压平衡盾构和复合式刀具，实现了长距离不换刀掘进。南京首条过江隧道，仍采用海瑞克公司的φ14.93 m泥水平衡盾构机施工，于2009年贯通。

在南水北调工程，上海、北京等城市地铁工程，杭州钱塘江水底隧道工程和港珠澳海上大通道等工程建设中，盾构法正以其独特的优越性发挥着不可替代的作用。

6.1.1　盾构法施工原理

盾构法施工的基本原理可从其施工过程来理解，主要施工步骤为：

①在盾构隧道的始发端和接收端各修建一个竖井，可单独修建也可结合车站修建。

②把盾构主机和后配套分批吊入始发井中并安装就位，调试其性能达到设计要求。

③依靠千斤顶推力（作用在已拼装好的负环和竖井后壁上）将盾构机从始发竖井的墙壁预留洞口处推出。

④盾构在地层中沿着设计轴线掘进，推进的过程中，在盾壳的保护下，不断开挖、出土（泥）和安装衬砌管片。

⑤及时向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和固定衬砌环位置。

⑥盾构进入接收端竖井并拆除（或直接转入相邻的下一个隧道区间施工）。

目前，在我国技术上最先进、应用最广泛的是土压平衡式和泥水平衡式盾构机，其施工概貌如图6.1所示。

盾构法是一项综合性的施工技术，它除土方开挖、正面支护和隧道衬砌结构安装等主要作业外，还需要其他施工技术密切配合才能顺利实施，主要包括：始发和接收端地层加固，衬砌结构的制造，隧道内的运输，衬砌与地层间空隙的充填，衬砌的防水与堵漏，开挖土方的运输及处理，施工测量、变形监测，合理的施工布置等。

图6.1　盾构法施工示意图

6.1.2　盾构机的类型与构造

1）盾构的类型

盾构根据其断面形状可分为：单圆盾构、多圆盾构、非圆盾构（椭圆形、矩形、马蹄形、半圆形）。多圆盾构和非圆盾构统称为“异形盾构”。

盾构按开挖面与作业室之间隔板构造分为敞开式和闭胸式，如图6.2所示。

2）几种典型盾构介绍

（1）手掘式盾构

手掘式盾构（图6.3）是指采用人工开挖隧道工作面的盾构，是盾构的基本形式，其正面是敞开的，开挖采用铁锹、风镐、碎石机等工具人工进行。其开挖面可以根据地质条件决定用全部敞开式或用正面支撑开挖。

图6.2　盾构的分类

图6.3　手掘式盾构

这种盾构适用于地质条件良好的工程，其特点是可随时观测地层情况，遇到桩及大石块等地下障碍物时较易处理，便于曲线施工，设备简单、安全性差、劳动强度大、效率低。

（2）半机械式盾构

它是介于手掘式和机械式盾构之间的一种形式，是在敞开式盾构基础上安装机械挖土和出土装置，以代替人工劳动。根据地层条件，可以安装正反铲挖土机或螺旋切削机；土体较硬时，可安装软岩掘进机的凿岩钻。

（3）敞开式机械盾构

机械式盾构是一种采用紧贴着开挖面的旋转刀盘进行全断面开挖的盾构。它具有可连续不断地挖掘土层的功能，能边出土边推进，连续作业。其优点除了能改善作业环境、省力外，还能显著提高推进速度，缩短工期。适用于地质变化少的砂性土地层。

这种盾构的切削机构采用最多的是大刀盘形式，有单轴式、双重转动式、多轴式数种，以单轴式使用最为广泛。多根辐条状槽口的切削头绕中心轴转动，由刀头切削下来的土从槽口进入设在外圈的转盘中，再由转盘提升到漏土斗中，然后由传送带把土送入出土车。

（4）网格式盾构

网格式盾构（图6.4）是利用盾构切口的网格将正面土体挤压并切削成小块，并以切口、封板及网格板侧向面积与土体之间的摩阻力平衡正面地层侧向压力，达到开挖面稳定，具有结构简单、操作方便、便于排除正面障碍物等特点。这种盾构如在土质较适当的地层中精心施工，地表沉降可控制到中等或较小的程度。在含水地层中施工，需要辅以疏干地层的措施。

（5）土压平衡盾构

土压平衡盾构的结构如图6.5所示，在前部设置隔板，使土仓和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土，依靠推进油缸的推力给土仓内的开挖土渣加压，使土压作用于开挖面以使其稳定。它与泥水加压平衡盾构是目前最为先进、使用最广的两种盾构机。

土压平衡式盾构主要由盾构壳体、刀盘及驱动系统、螺旋输送机、管片拼装机、推进系统、皮带输送机、人行闸、液压系统、电气控制系统、集中润滑系统、加泥（泡沫）系统、水冷却系统、盾尾密封系统、背后注浆系统、车架、双梁吊运机构和单梁吊运机构组成。

土压平衡式盾构的基本原理是：刀盘旋转切削开挖面的泥土，切削后的泥土通过刀盘开口进入土仓，土仓内的泥土与开挖面压力取得平衡的同时由土仓内的螺旋输送机运到皮带输送机上，然后输送到停在临时轨道上的渣土车上。出土量与掘进量取得平衡的状态下，进行连续出土。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进。盾壳对挖掘出来的还未拼装衬砌的隧道起着临时支护作用，承受周围土层的土压、地下水压以及将地下水挡在盾壳外面。

图6.4　网格式盾构

图6.5　土压平衡盾构
1—盾壳；2—刀盘；3—推进油缸；4—拼装机；5—螺旋输送机；6—油缸顶块；7—人行闸；8—拉杆；9—双梁系统；10—密封系统；11—工作平台

（6）泥水盾构

泥水盾构也称为泥水加压平衡式盾构（图6.6），主要由盾构掘进机、掘进管理、泥水处理、泥水输送和同步注浆5大系统组成。它在机械式盾构的前部设置有隔板，装备有刀盘及输送泥浆的送排泥管和推进盾构的推进油缸，在地面还配有泥水处理设备。

泥水盾构的基本原理是：将泥浆送入泥水仓中，并保持适当的压力，使其在开挖面形成不透水泥膜，支撑隧道开挖面的土体，并由刀盘切削土体表层的泥膜，与泥水混合后，形成高密度的泥浆，然后由排泥管及管道把泥浆输送到地面进行分离处理。分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面。

图6.6　泥水平衡式盾构掘进机结构

泥水盾构能适用于各类地质的土层，对开挖面难以稳定的土质特别有效。但选用泥水加压平衡式盾构需要大量的水，要求施工现场附近有充足的水源；其次，还需要一套泥水处理系统来辅助施工。

（7）复合式盾构

当某一段隧道穿越不同地层结构（又称为复合地层）时，既有软土、硬土、砂砾，又有软、硬岩石，传统的只有相对单一地层适应性的土压平衡或泥水平衡盾构机已不能满足复杂地层施工的需要，一种将不同形式盾构的工程部件同时布置在一台盾构上，掘进过程中可根据地质情况进行部件调整和更换的复合式盾构应运而生。复合式盾构在不同的地层经转换后可以不同的工作原理和方式运行。

复合式盾构分为土压平衡复合式、泥水气压平衡复合式和双模式复合式。前两者是在原土压平衡和水泥平衡盾构机的基础上改进而得，即其施工系统仍为土压平衡或泥水平衡施工系统，所不同的是刀盘上装有2种或2种以上的刀具，刀盘结构具有刀具的可更换性。

双模式复合式盾构机是由中铁隧道装备制造公司于2012年研制成功并获国家专利的新型机器，在结构上集土压平衡模式和泥水平衡模式于一体。当开挖面为含水较多的软土、软岩、砂砾及软硬不均地层时，可根据地质及埋深情况采用土压平衡掘进模式，如图6.1（a）所示；当开挖面为软弱的淤泥质土层、松动的砂土层、或为含水砂、砾石层，特别是滞水砂砾层和粘性土层的交替地层，可采用泥水平衡掘进模式，如图6.1（b）所示。两种模式的后配套及出渣系统与各自的传统模式相同。两种模式的转换过程是：把土压盾构掘进模式下的皮带输送机撤掉，换为在螺旋输送机的末端连接一个可拆卸的密闭的集石破碎箱，将复合刀盘开挖下来的渣土或小漂石经螺旋输送机输送，在集石破碎箱里面经过二次处理后通过泥水管路输送到地面的泥水分离站。

该机器主要由机壳、复合式刀盘、土仓、螺旋输送机、推进油缸、保压人仓系统、泥水管路、集石破碎装置等构成。机壳由前盾、中盾和后盾依次固定连接，在土仓的后面、前盾隔板上设有工业空气口，同时也是进浆口，进浆口与土仓后面、机壳内的进浆管连通；螺旋输送机的尾部下方设有皮带输送机或是在一可拆卸平台上安装的集石破碎装置，螺旋输送机尾部下料口正对皮带输送机前端，或是其下料口与集石破碎装置的进料口连接。集石破碎装置置于后端，既便于维修又解决了常规破碎机前易发生的拥堵问题。

图6.7　双模式复合盾构机结构示意图
1—复合式刀盘；2—前盾；3—保压人仓系统；4—推进油缸；5—螺旋输送机；6—皮带输送机；7—集石破碎箱；8—可拆卸平台；9—进浆管；10—土仓；11—中盾；12—后盾；13—出土口

3）盾构的基本构造

盾构机由通用机械（外壳、掘削机构、排土机构、推进机构、管片拼装机构、附属机构等部件）和专用机构组成。专用机构因机种的不同而异。

盾构主要用钢板（单层厚板或多层薄板）制成。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。

盾构的基本构造主要由壳体、切削系统、推进系统、出土系统、拼装系统等组成。

（1）盾构壳体

设置盾构外壳的目的是保护掘削、排土、推进、施工衬砌等所有作业设备、装置的安全，故整个外壳用钢板制作，并用环形梁加固支承。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。

①切口环。切口环位于盾构的最前端，装有掘削机械和挡土设备，起开挖和挡土作用，施工时最先切入地层并掩护开挖作业。全敞开、部分敞开式盾构切口环前端还设有切口，以减少切入时对地层的扰动，通常切口的形状有垂直形、倾斜形和阶梯形三种，如图6.8所示。

图6.8　切口形状

切口环的长度主要取决于盾构正面支承、开挖的方法。对于机械化盾构，切口环长度应由各类盾构所需安装的设备确定。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。

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，是盾构的主体构造部。因要承受作用于盾构上的全部荷载，所以该部分的前方和后方均设有环状梁和支柱。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。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。

③盾尾。盾尾主要用于掩护隧道衬砌管片的安装工作。盾尾末端设有密封装置，以防止水、土及注浆材料从盾尾与衬砌间隙进入盾构内。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，因此要求密封材料应富有弹性、耐磨、防撕裂等，其最终目的是能够止水。止水形式有多种，目前较为理想且常用的是采用多道、可更换的钢丝刷密封装置，如图6.9所示。盾尾的密封道数一般为2～3道。

图6.9　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

盾尾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，最少必须保证衬砌管片拼装工作的进行。由于考虑修正盾构千斤顶和在曲线段进行施工等因素，必须有一定的富余量。

（2）推进系统

盾构向前推进依赖于安装在支承环周围的千斤顶，各千斤顶的合力就是盾构的总推力。在计算推力时，一定要考虑周全，要将工程施工全过程中对盾构可能产生的阻力都计算在内。当盾构的总推力大于各种推进阻力（设计推力）的总和时，盾构向前推进。

盾构的设计推力包括：盾构外壳与周围地层的摩阻力或粘结阻力、盾构推进时的正面推进阻力、管片与盾尾间的摩阻力、盾构机切口环贯入地层时的阻力、变向阻力（即曲线施工、纠偏等因素的阻力）、后接台车的牵引阻力。从大量的实际计算结果发现，后4项的贡献极小，一般情况下，无论是砂层还是黏土层，前两项之和占总推力的95%～99%。因此，也可以用前两项定义设计推力。施工中，盾构所需的总推力一般按经验公式求得：

（3）掘削机构

①刀盘结构形式。对机械式、封闭式盾构而言，掘削机构即切削刀盘。刀盘主要具有开挖、稳定掌子面、搅拌渣土三大功能。刀盘的结构形式主要有面板式和辐条式两种（图6.10和图6.11），还有介于二者之间的辐板式刀盘。泥水盾构采用面板式刀盘，土压平衡盾构根据土层条件可采用面板式或辐条式刀盘。

图6.10　面板式刀盘

图6.11　辐条式刀盘

面板式刀盘中途换刀时安全可靠，但开挖土体进入土仓时易粘结堵塞，在刀盘上易形成泥饼。辐条式刀盘开口率大，辐条后设有搅拌棒，土砂流动顺畅；但不能安装滚刀，且中途换刀安全性差，需加固土体，费用高。

辐条式刀盘对砂、土等单一地层的适应性比面板式刀盘强；但由于不能安装滚刀，在风化岩及软硬不均地层或硬岩地层，宜采用面板式刀盘。

②刀盘支承方式。刀盘支承方式有中心支承式、中间支承式和周边支承式三种（图6.12），以中心支承式、中间支承式居多。在设计时应考虑盾构直径、土质条件、排土装置等因素。

图6.12　刀盘支承方式构造示意图

4）盾构选型

盾构法是建造地下隧道最先进的施工方法之一，在世界许多国家不断得到发展，但在推广与应用上出现了一些施工事故。这些事故的发生，80%以上是因盾构的选型失误所引起的。盾构与常规设备不同，是根据具体施工对象“量身定做”的特种设备，盾构的设计与施工必须与工程地质状况紧密结合，才能充分发挥盾构法“快”的优势，真正保证盾构法施工的工程质量和安全。

（1）盾构选型的原则

盾构选型是盾构法隧道能否安全、环保、优质、快速建成的关键工作之一，应从安全适应性、技术先进性和经济性等方面综合考虑。

①应对工程地质、水文地质有较强的适应性，首先满足施工安全的需要。

②安全适应性、技术先进性、经济性相统一，在安全可靠的情况下，考虑技术先进性和经济合理性。

③满足隧道外径、长度、埋深、施工现场和周围环境等条件。

④满足安全、质量、工期、造价及环保要求。

⑤后配套设备的能力应与主机配套，满足生产能力与主机掘进速度相匹配，同时具有施工安全、结构简单、布置合理和易于维护保养的特点。

⑥考察盾构制造商的知名度、业绩、信誉和技术服务。

（2）盾构选型的依据

盾构选型的依据有：工程地质、水文地质条件，隧道长度、隧道平纵断面及横断面形状和尺寸等设计参数；周围环境条件；隧道施工工程筹划及节点工期要求；宜用的辅助工法；技术经济比较。

6.2　盾构始发接收技术

6.2.1　盾构始发技术

盾构始发是指利用反力架和负环管片，将始发基座上的盾构，由始发竖井站推入地层，开始沿设计线路掘进的一系列作业。盾构始发在施工中占有相当重要的位置。

1）盾构始发方式

盾构始发方式根据盾构主机、后配套及相关附属设施是否一次性放置于地下，分为整体始发和分体始发；根据临时拼装的负环管片是否采用半环方式，分为整环始发和半环始发；根据盾构始发的线路不同，又可分为直线始发和曲线始发。

（1）整体始发与分体始发

①整体始发。整体始发是指将盾构主机和全部台车安装在始发井下，盾构始发掘进时带动全部台车一起前进的施工技术。当具备整机始发条件时，尽量采用整体始发，以便充分发挥盾构施工安全、快速、高效的优势。目前盾构施工中，采用的整体始发主要有利用车站整体始发和利用“始发竖井+反向隧道+出土井”的整体始发两种方式（图6.13）。

图6.13　盾构始发井+反向隧道+出土井整体始发方式示意图

利用“始发竖井+反向隧道+出土井”的整体始发方式只需增加一个出土竖井的投资，在出土井施工场地许可的情况下，可以在始发井和出土井同时施工的情况下，从两个工作面相向施工70 m左右的反向隧道，能大大节约工期。因此，在车站条件不具备盾构机整体始发时，可优先考虑“始发竖井+反向隧道+出土井”的整体始发方式。

②分体始发。盾构按常规整体始发需要80 m长的始发竖井或车站空间。如此长的竖井不但造价昂贵，而且在繁华的城市中很少具备这样条件的场地。车站也有可能因场地拆迁或总工期控制等因素一时不能提供盾构整体始发空间，这时就需要采用分体式始发。分体始发是将盾构主机与全部或部分台车之间采用加长管线连接，盾构主机与全部或部分台车分开前行，待初始掘进完成后再将盾构主机与全部台车在隧道内安装连接进行正常掘进（图6.14）。盾构分体式始发时，盾构主机与地面台车之间采用的电缆、油管等管线需加长连接，在盾构掘进80 m左右后拆除负环，将后配套台车吊入始发井内，并拆除台车与盾构主机相接的加长管线，对台车与盾构主机重新进行连接，然后按正常掘进模式掘进。目前盾构施工中，根据现场场地情况，常用的有把部分台车或全部台车置于地面两种方式。

图6.14　盾构分体式始发示意图

（2）整环始发与半环始发

盾构始发时，盾构机的后端是一个反力架，盾构机向前推进时需在盾尾拼装管片环（一般通缝拼装）以给盾构机掘进提供反作用力，从反力架到盾尾之间安装的管片就是负环管片。负环管片采用半环方式时即为半环始发。

（3）直线始发和曲线始发

直线始发是指盾构始发时隧道中心线为直线的始发方式。曲线始发是指盾构始发时隧道轴线为曲线的始发方式。一般情况下，曲线始发半径不宜小于500 m，但北京地铁首次采用曲线始发（地铁5号线宋家庄—刘家窑站区间）半径就只有400m，广州市6号线三标段曲线始发的半径只有250 m。

2）盾构始发流程

盾构始发是盾构施工的关键环节之一，其主要内容包括：始发前竖井端头的地层加固，安装盾构始发基座，盾构组装及试运转，安装反力架，凿除洞门临时墙和围护结构，安装洞门密封，盾构姿态复核，安装负环管片，盾构贯入作业面建立土压和试掘进等。盾构始发流程如图6.15所示。

图6.15　盾构始发流程图

3）盾构基座

盾构基座又称始发架或接收架。始发时可在其上组装盾构机和支撑组装好的盾构机，并且可以使盾构机处于理想的预定推进位置（水平方向、高程）上，而且可以确保盾构机的始发掘进稳定。所以要求基座的结构合理、构件刚度好、强度高、不易损坏，与竖井底板预埋钢板焊接牢固，防止基座在盾构向前推进时产生位移。接收时可在其上接收和解体盾构机。

盾构始发基座主要有钢结构基座、钢筋混凝土基座、钢筋混凝土和钢结构结合的基座三种形式。现场一般采用钢结构基座，如图6.16所示。

图6.16　盾构基座示意图

盾构基座安装时应使盾构就位后的高程比隧道设计轴线高程高约30 mm，以利于调整盾构初始掘进的姿态。盾构在吊入始发井组装前，须对盾构始发基座轴线安装和高程安装进行准确测量，确保盾构始发时的正确姿态。

4）反力架

反力架是盾构始发掘进时提供盾构机向前推进所需反作用力的钢构件，如图6.17所示。

图6.17　反力架示意图

进行盾构反力架形式的设计时，应以盾构的最大推力及盾构工作井轴线与隧道设计轴线的关系为设计依据。在盾构主机与后配套连接之前，应进行反力架的安装。反力架端面应与始发基座水平轴垂直，以使盾构轴线与隧道设计轴线保持平行。反力架通过预埋件与车站结构或盾构井井壁连接起来。反力架的位置确定主要依据洞口第一环管片的起始位置、盾构的长度以及盾构刀盘在始发前所能到达的最远位置确定。

盾构反力架安装质量的好坏直接影响初始掘进的成功与否，其中钢反力架的竖向垂直及与设计轴线的垂直是关键。

5）盾构始发施工技术要点

盾构自基座上开始推进到盾构掘进通过洞口土体加固段止，可作为始发施工，其技术要点如下：

①盾构基座、反力架与管片上部轴向支撑的制作与安装要具备足够的刚度，保证负载后变形量满足盾构掘进方向要求。

②安装盾构基座和反力架时，要确保盾构掘进方向符合隧道设计轴线。

③由于负环管片的真圆度直接影响盾构掘进时管片拼装精度，因此安装负环管片时必须保证其真圆度，并采取措施防止其受力后旋转、径向位移与开口部位（如需预留运输通道时，负环管片安装时没封闭成环部位）的变形。

④拆除洞口围护结构时要确认洞口土体加固效果，必要时进行补浆加固，以确保拆除洞口围护结构时不发生土体坍塌、地层变形过大现象，且盾构始发过程中开挖面稳定。

⑤盾构机盾尾进入洞口后，将洞口密封与管片贴紧，以防止泥浆与注浆浆液从洞门泄漏。

⑥加强观测盾构井周围地层、盾构基座、反力架、负环管片的变形与位移，超过预定值时必须采用有效措施后，方可继续掘进。

6.2.2　盾构接收技术

盾构接收是指盾构沿设计线路，正常掘进至离接收工作井50～100 m直至进入接收井的整个施工过程。其主要程序如图6.18所示。

图6.18　盾构接收施工程序

（1）盾构接收施工主要内容

盾构接收施工的主要内容如下：

①接收端头地层加固。

②在盾构贯通之前100 m、50 m处分两次对盾构姿态进行人工复核测量。

③接收洞门位置及轮廓复核测量。

④根据前两项复测结果确定盾构姿态控制方案并进行盾构姿态调整。

⑤接收洞门凿除，盾构接收架准备。

⑥贯通后刀盘前部渣土清理，盾构接收架就位、加固。

⑦洞门防水装置安装及盾构推出隧道。

⑧洞门注浆堵水处理。

（2）盾构接收施工技术要点

盾构接收施工的技术要点有：

①盾构暂停掘进，准确测量盾构机坐标位置与姿态，确认与隧道设计中心线的偏差值。

②根据测量结果制定到达掘进方案。

③继续掘进时及时测量盾构机坐标位置与姿态，并及时进行方向修正。

④掘进至洞口加固段时，确认土体加固效果，必要时进行补注浆加固。

⑤进入接收井洞口加固段后，逐渐降低土压（泥水压），降低掘进速度，适时停止加泥、加泡沫或送泥与排泥、停止注浆，并加强工作井周围地层变形观测。

⑥拆除洞口围护结构前要确认洞口土体加固效果，必要时进行注浆加固，以确保拆除洞口围护结构时不发生土体坍塌、地层变形过大。

⑦盾构接收基座的制作和安装要具备足够的刚度，且安装时要对其轴线和高程进行校核，保证盾构机顺利、安全接收。

⑧盾构机落到接收基座上后，及时封堵洞口处管片外周与盾构开挖洞体之间的空隙，同时进行填充注浆，控制洞口周围土体沉降。

6.2.3　端头土体加固技术

在盾构始发和接收时，随着竖井挡土墙或围护结构的拆除，端头土体的结构、作业荷载和应力将发生变化，对始发和接收竖井的端头地层需进行土体加固。

1）端头加固的目的

端头加固的目的主要是控制端头地表沉降；控制洞口周围水土流失，避免坍塌；提高土体的承载力，防止重型机械作用在软弱土体上起吊时发生失稳、坍塌，或对已成形隧道安全造成不利影响。始发掘进前几环，同步注浆不能实施，管片与盾壳之间的空隙不能立刻填充，端头加固可以有效地防止同步注浆前隧道上方土体的稳定。

2）加固范围

端头地层加固与一般地基加固不同，不仅仅要有强度要求，还要有抗渗性要求，兼而考虑经济要求。这些要求与加固长度、宽度、加固方法的选择密切相关。如北京地铁盾构施工，始发端地层加固范围一般为隧道衬砌轮廓线外上下左右各3.0 m，加固长度根据土质而定，一般为6.0 m，当地下水水位位于隧道底板以上时取8.0 m（图6.19）。加固后地层应具有良好的均匀性和整体性，应进行钻孔取芯试验以检查加固效果，取芯试件无侧限抗压强度应达到0.8 MPa，渗透系数不大于1.0×10-7 cm／s。

图6.19　端头加固范围示意图

3）加固时机

端头加固时机根据加固方法不同而异，考虑1个月的工期、1个月的龄期、检测后的补充加固等因素，一般应提前至少3个月进行。通常是在盾构施工前，车站或盾构井主体结构施工完成后进行，亦可在前期基坑土体开挖前进行。

4）加固方法

目前国内常用的加固方法有多种，视地质、地下水、埋深、盾构机直径、盾构机型、施工环境等因素，同时考虑安全、施工方便、经济性、进度等，可单独采用或联合采用。

（1）旋喷加固

旋喷桩法是利用工程钻机钻孔到设计深度，将一定压力的水泥浆液和空气，通过其端部侧面的特殊喷嘴同时喷射，并使土体强制与喷射出来的浆液流混合，胶结硬化。其具体施工工艺同地基基础加固。该法主要适用于第四纪冲击层、残积层及人工填土等。对于砂类土、黏性土、淤泥土及黄土等土质都能加固，但对砾石直径过大、含量过多及有大量纤维质的腐殖土时加固质量稍差。虽有应用范围广、施工简便、固结桩体强度高等特点，但总体造价偏高，在城市狭小的施工环境下，泥浆排放比较困难。

（2）深层搅拌加固

深层搅拌桩是软土地基加固和深基坑开挖侧向支护常用的方法之一，其主要是利用深层搅拌机械，用水泥、石灰等材料作为固化剂与地基土进行原位的强制粉碎拌和，待固化后形成不同形状的桩、墙体或块体等的地层加固方法。

该法主要适用于饱和软黏土、淤泥质亚黏土、新填土和沉积粉土等地层的加固，但在砂层中加固效果不好，须与旋喷桩等工法配合使用。该法受国产设备性能限制，一般在14 m深度以下加固效果较差，其优点是工程造价低、操作方便，场地较小时采用更为合理。

（3）冻结法加固

冻结法是指采用人工冻结原理，将土体温度降至零度以下，使土体固结形成较好的稳定土体，同时起到隔水的作用，在冻土帷幕保护下进行地下工程施工。

冻结法依冻结孔的布置方式，可分为水平冻结和垂直冻结。盾构始发到达端地层加固时多采用水平冻结，即采用水平圆筒体冻结加固方式。具体为在进出洞口的周围布置一定数量的水平冻结孔，经冻结后，在洞内形成封闭的冻土帷幕，起到盾构破壁时抵御水土压力、防止土层塌落、地表沉降和泥水涌入工作井或车站的作用。一般设计水平冻结深度为5～10 m，冻结孔布置圈位比洞口直径大1.6～2 m。

该法主要适用于各类淤泥层、砂层、砂砾层，但对于含水量低的地层不适用。

（4）注浆加固法

注浆加固法适用于多种地层，尤其是深度较深的砂质地层、砂砾层，地层较好的地段或与搅拌桩等工法相结合，对于水量不大的地段进行加固止水。可进行单液和双液注浆，同时可进行跟踪注浆；浆液种类较多，经济性和可施工性好，材料和施工方法多种多样，可根据地下水、地质、施工环境等来确定。

6.3　盾构掘进管理

盾构掘进由始发工作井始发到隧道贯通、盾构机进入到达工作井，一般经过始发、初始掘进、转换、正常掘进和到达掘进5个阶段。在正常推进中，盾构的掘进管理十分重要，其主要内容是掘进控制，包括掘进速度的控制和盾构机的姿态控制。

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、环境条件和设计条件等，在试验的基础上，确定具体控制内容与参数，如表6.1所示。

表6.1　盾构掘进控制内容

6.3.1　土压平衡盾构机的掘进管理

盾构前端刀盘切削下来的土体在土仓内通过加泥系统对充满土仓的切削土进行改良，使其具有良好的塑流性，通过可控制转速的螺旋输送机控制土仓的出土量，使土仓的改良土保持一定的压力，使之与开挖面的土压力保持动态平衡，以达到控制地面沉降的目的。

土压平衡式盾构掘进管理主要是开挖控制，以土压和塑流性改良控制为主，辅以排土量和盾构参数控制。

1）土压控制

开挖面的土压控制值，按“静水压+土压+预备压”设定。预备压用来补偿施工中的压力损失，通常取10～20 kPa／m2。一般沿隧道轴线每隔适当距离，根据土质条件和施工条件设定土仓压力值。为使开挖面稳定，土压变动要小。

土仓压力值P应能与地层土压力P0和静水压力相抗衡，在地层掘进过程中根据地质和埋深情况以及地表沉降监测数据进行反馈和调整优化。土压力一般通过装置在密封土仓内的土压计检测读出。土仓压力主要通过维持开挖土量与排土量的平衡来实现，可通过设定掘进速度、调整排土量或设定排土量、调整掘进速度来实现。

2）排土量控制

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一般按开挖面面积与掘进循环长度的乘积计算。使用超挖刀时应计算超挖量。

土压平衡盾构排土量控制方法分为重量控制和容积控制两种。重量控制有检测运土车重量（土压盾构一般采用轨道运输）、用计量漏斗检测排土量等方法。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。

土压与排土量相互依存，施工中以土压力为控制目标，通过实测土压力值P与设定的土压力值相比较，依此压力差进行相应的排土量管理。实测土压力值P<设定的土压力值时，应降低螺旋输送机转速或提高推进速度；反之，应提高螺旋输送机的转速或降低推进速度。当通过调节螺旋输送机的转速仍不能达到理想的出土状态时，可以通过改良渣土的塑流性状态来调整。

3）塑流化改良控制

土压平衡盾构掘进时，理想的土层特性是：塑性变形好、流塑至软塑状、内摩擦小、渗透性低。细颗粒含量低于30%的土砂层或砂卵石地层，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，可单独或组合使用。我国目前常用前两类。

土仓内土砂的塑性流动性，一般可从排土的黏稠性状（根据经验）、输送效率（按螺旋输送机转速计算的排土量与按盾构推进速度计算的排土量进行比较）、盾构机械负荷变化情况等方面进行判断。

6.3.2　泥水平衡盾构机的掘进管理

泥水平衡式盾构开挖控制，以泥水压和泥浆性能控制为主，辅以排土量控制。

1）泥水压力管理

泥水盾构工法是将泥膜作为媒体，由泥水压力来平衡土体压力。在泥水平衡理论中，泥膜的形成至关重要，当泥水压力大于地下水压力时，泥水按达西定律渗入土壤，形成与土壤间隙成一定比例的悬浮颗粒，被捕获并积聚于土壤与泥水的接触表面，泥膜就此形成。随着时间的推移，泥膜的厚度不断增加，渗透抵抗力逐渐增强。当泥膜抵抗力远大于正面土压时，产生泥水平衡效果。

开挖面的泥水压控制值一般按“地下水压（间隙水压）+土压+附加压”设定，附加压通常取20～50 kN／m2。

2）泥浆性能管理

在泥水盾构法施工中，泥水起着两方面的重要作用：一是依靠泥水压力在开挖面形成泥膜或渗透区域，开挖面土体强度提高，同时泥水压力平衡了开挖面土压和水压，达到了开挖面稳定的目的；二是泥水作为输送介质，担负着将所挖出的土砂运送到地面的任务。因此，泥水性能控制是泥水式盾构施工的最重要要素之一。

泥水性能主要包括：比重、黏度、pH值、过滤特性和含砂率，这些参数需现场检测。

3）排土量管理

泥水盾构排土控制方法有容积控制与干砂量控制两种。

（1）容积控制方法

当开挖土计算体积Q> Q3时，一般表示泥浆流失（泥浆或泥浆中的水渗入土体）；Q<Q3时，一般表示涌水（由于泥水压力低，地下水流入）。正常掘进时，泥浆流失现象居多。

（2）干砂量控制法

干砂量表征土体或泥浆中土颗粒的体积，开挖土干砂量V可按下式计算：

控制方法是检测单位掘进循环送泥干砂量V1和排泥干砂量V2，按下式计算排土干砂量V3：

当V>V3时，一般表示泥浆流失；V<V3时，一般表示超挖。

6.3.3　盾构机姿态控制

盾构的姿态包括推进的方向和自身的扭转。盾构姿态控制的关键在于盾构姿态的施工测量。姿态测量包括平面偏离测量和高程偏离测量。姿态测量的频率视工程的进度、线路和现场施工情况灵活掌握，理论上每10环测一次。

1）盾构偏向的原因

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他障碍物，造成正面及四周的阻力不一致，从而导致盾构在推进中偏向。

②机械设备的因素。如各千斤顶工作不同步，由于加工精度误差造成伸出阻力不一致，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。

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，挤压式盾构推进时有明显上浮；盾构下部土体有过量流失；管片拼装质量不佳等。

2）盾构偏向的治理方法

（1）调整不同千斤顶的编组

盾构在土层中向前受到土的阻力与千斤顶顶力的合力位置不在一条直线上时，会形成力偶，导致盾构偏向。调整不同千斤顶的编组，可组成一个有利于纠偏的力偶，调整盾构的姿态，从而调整其高程位置及平面位置。在用千斤顶编组施工时应注意：

①千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。

②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。

③纠偏数值不得超过操作规程的规定值。

（2）调整千斤顶区域油压

目前多数盾构将千斤顶分为上、下、左、右4个区域，每一区域为一个油压系统。通过区域油压调整，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形成一个有利于控制盾构轴线的力偶。

（3）控制盾构的纵坡

纵坡控制的目的主要是调整盾构高程，还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：

①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（以盾构不卡管片为原则），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。

②稳坡法。盾构每推一环用一个纵坡，以符合纠坡要求，但要做到稳坡，具有相当高的技术难度，用这种方法盾构在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。这种方法纠偏效果较好，但各种不同的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。

3）盾构机的自转

由于土质的不均匀、过度纠偏、刀盘的单向旋转、盾构的制作及安装误差等，盾构机在推进过程中会发生自转现象。自转量较小时，可用改变机内举重臂、转盘、大刀盘等大型旋转设备旋转方向的方法来调整；自转量较大时，则采用压重的方法，使其形成旋转力偶来纠正。

6.3.4　壁后注浆

向衬砌壁后注浆是盾构法施工的一个必不可少的工序，尤其是在地面有密集建筑物的地区修建隧道时，它不仅是一道非常重要的工序，并且一定要做好这道工序。

1）注浆目的

①防止地表变形。盾构向前推进时，脱出盾尾的衬砌与土层之间就会形成一环形空隙，若不用合适的材料及时填充这些空隙，土层就会发生变形，致使地表沉降。注浆是防止地表变形的有效措施。

②注浆可及时充填隧道底板下的空隙，防止或减少管片的沉降，从而可保证成形隧道轴线的质量。

③形成有效的防水层，增加衬砌接缝的防水性能。

④注浆后浆体附在衬砌圆环的外周，改善了衬砌的受力状况。

⑤可用注浆的压力来调整管片与盾构的相对位置，有利于盾构推进纠偏。

2）注浆方式

壁后注浆按与盾构推进的时间和注浆目的不同，可分为一次注浆、二次注浆和堵水注浆。

（1）一次注浆

一次注浆分为同步注浆、即时注浆和后方注浆，要根据地质条件、盾构直径、环境条件、开挖断面的制约、盾尾构造等充分研究确定。

同步注浆是在盾构向前推进、盾尾空隙形成的同时进行注浆、充填，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，前者如图6.20所示。从管片注浆孔注入时，又称为半同步注浆。一般盾构直径较大，或在冲积黏性土和砂质土中掘进多采用同步注浆。

图6.20　同步注浆系统示意图

当一环掘进结束后从管片注浆孔注入时为即时注浆，掘进数环后从管片注浆孔注入时称为后方注浆，后方注浆适用于自稳性较好的地层中。

（2）二次注浆

二次注浆是在同步注浆结束以后，通过管片吊装孔对管片背后进行补强注浆，以提高同步注浆的效果，提高管片背后土体的密实度。尤其是在同步注浆后地表沉降依旧很大，或已拼装成形管片有渗水现象时，二次注浆就显得尤为重要。

（3）堵水注浆

为提高管片背后注浆层的防水性及密实度，在富水地区考虑前期注浆受地下水影响以及浆液固结率的影响，必要时在二次注浆结束后再进行堵水注浆。

3）注浆材料

因壁后注浆浆液的选择受地层条件、盾构机类型、施工条件、价格等因素支配，故应在掌握浆液特性的基础上，按实际条件选用最合适的浆液。作为注浆的材料，应具备以下性质：

流动性好；注入时不离析；具有均匀的高于地层土压的早期强度；良好的填充性；注入后体积收缩小；阻水性高；有适当的黏性，以防止从盾尾密封漏浆或向开挖面回流；不污染环境。

通常使用的注浆材料有水泥单液浆和水泥-水玻璃双液浆。由于水泥的水化反应非常缓慢，单液浆凝结时间长、不宜控制；双液浆根据水玻璃浓度、水泥浆浓度、水玻璃与水泥浆体积比等情况，凝胶时间可控。使用双液浆时，应注意对注浆管的清洗，否则会发生堵管现象。

不论选用何种浆液，浆液配比一定要在施工前通过试验确定。施工过程中再根据地表沉降、地层和地下水变化等因素做适当的调整，切不可一成不变。

4）注浆控制

注浆控制分为压力控制和注浆量控制两种。压力控制是保持设定压力不变、注浆量变化的方法，注浆量控制是注浆量一定、压力变化的方法。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

注浆量除受浆液向地层渗透和泄露外，还受曲线掘进、超挖和浆液种类等因素影响，不能准确确定。注入量必须能很好地填充尾隙，因为壁后注入量受向土体中的渗透以及受渗漏损失、小曲率半径施工、超挖、壁后注浆的种类等多种因素的影响，但这些因素的影响程度目前尚不明确。一般来说，使用双液型浆液时，注入量多为理论空隙量的150%～200%，也有少量超过250%的情况。施工中如发现注入量持继增多，必须检查超挖、漏失等因素；注入量低于预定量时，可能是浆液配比、注入时期、注入地点、注入机械不当或出现故障所致，必须认真检查并采取相应的措施。

（2）注浆压力

壁后注浆必须以一定的压力压送浆液才能使浆液很好地遍及于管片的外侧，其压力大小大致等于地层阻力强度加上0.1～0.2 MPa，一般为0.2～0.4 MPa。与先期注入的压力相比，后期注入的压力要比先期注入的大0.05～0.1 MPa，并以此作为压力管理的标准。

地层阻力强度是地层的固有值，它是浆液可以注入地层的压力最小值。地层阻力强度因土层条件及掘削条件的不同而不同，通常在0.1～0.2 MPa以下，但也有高到0.4 MPa的情形。

6.4　隧道衬砌

盾构法隧道应用最多的是圆形断面，其衬砌结构有单层结构和双层结构。单层结构多用装配式管片构筑，如图6.21（a）所示；双层结构是在管片衬砌（一次衬砌）内再整体套砌一层混凝土（二次衬砌），如图6.21（b）所示。盾构法隧道一般无需设置二次衬砌，只有当隧道功能有特殊要求时方采用双层结构，如穿越松软含水层时为防水防蚀、增加衬砌强度和刚度等。

图6.21　盾构隧道衬砌结构

一般来说，一次衬砌是将称称作管片的预制件用螺栓等连接物拼装而成，二次衬砌是在一次衬砌的内侧现浇混凝土构成。

采用拼装式衬砌时，一次衬砌到隧道轴向（纵向）一定长度（通常1.0～2.0 m）的一段环状物称为管环；把管环沿周向分割成若干块弧形状板块，该弧状板块即称为管片。为了提高盾构隧道的施工速度，管片事先在工厂采用设计的材料预制而成构件，构筑隧道时运至现场拼装为管环进而串接成一次衬砌。

6.4.1　管片的类型

管片作为盾构开挖后的一次衬砌，它支撑作用于隧道上的土压和水压，防止隧道土体坍塌、变形及渗漏水，是隧道永久性结构物并且要承受盾构机推进时的推力以及其他荷载。

管片按位置不同有标准管片（A型管片，平面形状为矩形）、邻接管片（B型管片，平面形状为半梯形）和封顶管片（C型管片，有的称为K型管片，平面形状为梯形）三种。直线段采用标准环管片，曲线施工和纠偏时将使用楔形环（分左转弯环和右转弯环）管片；按其形状分为板形管片和箱形管片，如图6.22所示；按制作材料分有球墨铸铁管片、钢管片、复合管片和钢筋混凝土管片等。

箱形管片是由主肋和接头板或纵向肋构成的凹形管片的总称。平板形管片指具有实心断面的弧板状管片，一般由钢筋混凝土制作。球墨铸铁管片强度高、质量轻、搬运安装方便、防水性能好，但加工设备要求高、造价大，不宜承受冲击荷载，已较少采用。钢管片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，但易变形、易锈蚀、造价高，采用的也不多，仅在如平行隧道的联络通道口部的临时衬砌等特殊场合使用。

20世纪60年代以来，盾构隧道衬砌结构逐渐推广应用拼装式钢筋混凝土管片。该管片有一定强度，加工制作比较容易，耐腐蚀，造价低，是目前最常用的管片形式，但较笨重，在运输、安装施工过程中易缺棱掉角。

图6.22　装配式混凝土管片形式

复合管片有填充混凝土钢管片和扁钢加筋混凝土管片两种主要形式。填充混凝土钢管片（SSPC）以钢管片的钢壳为基本结构，在钢壳中用纵向肋板设置间隔，经填充混凝土后成为简易的复合管片结构。扁钢加筋混凝土管片（FBRC）是以控制矩形和椭圆形等特殊断面管片厚度和钢筋用量，谋求降低制作成本为目的而开发出来的管片结构。由于使用扁钢作为主筋，和以往的管片相比，可以增加主筋的有效高度，其结构性能较好。

6.4.2　管片的尺寸

管片的尺寸包括管片的宽度、厚度、外弧长度、内弧长度、内外弧半径、螺栓孔的间距及其布置圈径等，如图6.23所示。

图6.23　管片外形几何尺寸

1）管片宽度

管片宽度越大，隧道衬砌环接缝就越少，因而漏水环节、螺栓亦越少，施工进度加快，经济效益明显提高。但它受运输及盾构机械设备能力的制约，应综合考虑举重臂能力及盾构千斤顶的行程。目前国内常用的环宽一般为1 200 mm，也有用1 500 mm或1 000 mm。对于特大隧道，环宽还可适当加宽，如上海长江隧道盾构管片环宽为2 000 mm。

2）管片厚度

管片厚度根据隧道直径大小、埋深、承受荷载情况、衬砌结构构造、材质、衬砌所承受的施工荷载（主要是盾构千斤顶顶力）大小等因素来确定，一般为隧道直径的0.05～0.06倍。直径6.0 m及以下的隧道，管片厚度为250～350 mm；直径6.0 m以上的隧道，厚为350～600 mm，如上海长江隧道管片厚度为650 mm。

3）管片环向长度

因管片生产时采用钢模制作，故管片的环向长度（即弧长）与衬砌圆环的分块块数有关。分块越多，管片的环向长度越短。

4）每环管片分块数

衬砌圆环的分块主要由管片制作、运输、安装等方面的实践经验确定，但也应符合受力性能要求。从制作、防水、拼装速度方面考虑，衬砌环分块数越少越好，最少可以分为三块；但从运输及拼装方便而言又希望分块数多一些为好。以钢筋混凝土管片为例，10 m左右大直径隧道在饱和含水软弱地层中为减少接缝形变和漏水可以分为8～10块，6 m左右直径隧道一般分成6～8块，尤以接头均匀分布的8块为佳，符合内力最小的原则。

目前，国内的城市地铁盾构标准隧道通常环向分块为6块，即3块标准块、2块邻接块和1块封顶块组成。上海长江盾构隧道衬砌环分为10块，即由7块标准块、2块邻接块和1块封顶块组成。

6.4.3　管片的拼装

管片拼装可采用螺栓连接或无螺栓连接形式（图6.24和图6.25）。上海长江隧道管片环、纵向采用斜螺栓连接，环间采用C级M30纵向螺栓连接，块与块间以C级M39的环向螺栓相连。标准盾构隧道通常采用C级M24螺栓连接。

图6.24　管片螺栓连接形式

图6.25　管片无螺栓连接形式

隧道管片拼装按其整体组合，可分为通缝拼装和错缝拼装。

（1）通缝拼装

通缝拼装是各环管片纵缝对齐的拼装，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。此种拼装方式常用于始发阶段的负环拼装和横通道交界处开口环管片拼装时采用。

（2）错缝拼装

错缝拼装即前后环管片的纵缝错开拼装，区间正线隧道管片拼装通常采用此种方式。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。

一般情况下，管片拼装顺序为先下后上、左右交叉、纵向插入、封顶成环，即依次为A型管片、B1型管片、B2型管片和C型管片。

C型管片的拼装形式有径向楔入、纵向插入（图6.26）两种。径向楔入时其半径方向的两边线必须呈内八字形或者至少是平行，受荷后有向下滑动的趋势，受力不利。采用纵向插入形式的封顶块受力情况较好，在受荷后，封顶块不易向内滑移；其缺点是在封顶块管片拼装时，需要加长盾构千斤顶行程。故通常情况下采用一半径向楔入和另一半纵向插入的方式以减少千斤顶行程。

图6.26　C型管片封顶形式

【工程实例】北京地铁盾构隧道设计

北京地铁盾构隧道一般为圆形隧道，隧道的建筑限界为5 200 mm，考虑盾构隧道施工的施工误差、结构变形、隧道沉降和测量误差等，在隧道限界周边再预留100 mm的富余量，即隧道管片的内径为5 400 mm。

隧道衬砌采用预制钢筋混凝土平板型管片，管片环宽1 200mm、厚300mm，环向分6块，如图6.27所示。管片之间采用弯螺栓连接，一环中相邻两块管片间环向连接设2个螺栓，每环共设12个环向螺栓。环与环之间设16个纵向连接螺栓（封顶块1个，其他每块3个），沿圆周均匀布置。管片环与环之间采用错缝拼装。管片楔形量为48 mm。

6.4.4　衬砌结构防水

盾构隧道防水以管片结构自防水为根本，接缝防水为重点，辅以对特殊部位的防水处理，形成一套完整的防水体系。

1）管片自身防水

管片自身防水主要靠提高混凝土抗渗能力和管片制作精度实现。管片需要在高精度钢模内制作，制作的允许误差应符合相关规范和满足设计要求。抗渗等级一般不得小于P10。浇筑、养护、堆放和运输中应严格执行质量管理。盾构推进过程中，避免对拼装好管片产生纵向或环向裂纹，影响管片防水能力。

图6.27　管片衬砌环分块图

2）管片接缝防水

对于单层衬砌而言，接缝防水构造是隧道衬砌构造永久组成部分。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，且便于施工。单层衬砌的接缝防水主要包括密封垫防水、嵌缝防水和螺栓孔防水，如图6.28所示。

图6.28　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）密封垫防水

衬砌管片外弧侧面沿管片四周设置一道封闭的防水弹性密封垫，密封垫在管片拼装前用黏结剂粘贴于接缝面的预留沟槽内，橡胶与接触面的剪切强度指标要符合设计要求。

（2）嵌缝防水

嵌缝防水作业一般在管片拼装完成和变形已达到相对稳定时进行，是以接缝密封垫防水作为主要防水措施的补充措施。管片内弧面边缘留有嵌缝槽，嵌缝材料可选用乳胶水泥、环氧树脂和焦油聚氨酯材料等。近几年研制成功的遇水膨胀嵌缝膏是一种较好的嵌缝材料。

（3）螺栓孔防水

管片上的螺栓孔防水常见的做法是在螺栓上穿上由合成树脂或合成橡胶类材料制作的“O”形密封圈，然后拧紧螺母，使其充填或覆盖螺孔壁与螺杆之间的空隙，堵塞漏水通道。

3）双层衬砌结构防水

对于双层衬砌结构，由于隧道内衬主要起防水作用，因此对管片接缝防水材料的要求较低（只起临时止水作用）。内衬防水层的制作方法主要以下几种：

①粘贴卷材防水层。在隧道内壁上粘贴沥青玻璃布油毡或聚异丁烯卷材。

②喷涂或刷涂防水层。常用的材料有环氧沥青涂料、环氧呋喃涂料等。

③喷射混凝土防水层。内层衬砌当采用喷射混凝土时，可在混凝土拌合料中添加外掺剂，以提高其混凝土的防水性能。

④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。

6.4.5　二次衬砌

隧道支护设计为双层结构时，管片拼装结束后需进行二次衬砌。二次衬砌目前还只能单工序施工，即在管片拼装全部完成后再单独施作模筑混凝土。根据不同的地质条件，可设计为混凝土、钢筋混凝土或钢纤维混凝土衬砌。

在二次衬砌施工前，必须进行管片接头螺栓的复紧，管片的清扫及漏水部分的止水。

1）二次模筑混凝土设备

（1）针梁式全圆模板台车

针梁式全圆模板台车如图6.29所示。在长隧道圆形断面上，利用钢模与针梁互为支承、穿梭前进。它具有操作方便灵活、施工速度快、混凝土表面平整光滑、接缝错台小等优点，但相对穿行模板台车只有一个工作面，故二次衬砌施工速度受到影响。

图6.29　针梁式模板台车

针梁式全圆模板台车针梁的长度可根据具体施工需要确定，它由若干段拼接而成，每段由底模、左右侧模和顶模组成。在组合钢模板上开有若干个窗口（尺寸一般为450 mm× 600 mm），以供进料、进出人及检查之用。此外还设有若干个孔，用来埋设浇浆管。在顶模上设有3个混凝土尾管注入口。在组合钢模的顶拱和左右侧模的全长上布置有液压油缸（或采用丝杆），供浇筑混凝土时作固定支承和脱模时作收模用，模板脱模后，再次复位时，则由定位油缸的定位销来保证其圆度。

图6.30　穿行式模板台车

（2）全圆穿行式模板台车

穿行式模板台车结构如图6.30所示，一般由2～3段模板、一个龙门架组成。模板由顶模、两侧边模及两底模组成，当浇筑完混凝土、龙门架撤离时，模板总成可自立承载混凝土质量。龙门架（或称穿行架）由机架、走行机构、液压系统和螺杆支撑系统组成；整个模板总成由龙门架支承并下降，这样内收后的模板总成外轮廓尺寸小于定位后的模板总成的内轮廓尺寸，使内收后的模板总成能在定位的模板总成内穿过；由于模板总成内收时要占据自行轨道以内的下部空间，所以龙门架长度大于模板长度以便给模板内收让出空间；在模板两端以外，龙门架的4根立柱通过下面的行走机构与走行轨相接，4根立柱与箱形结构的主桁架相连，构成龙门架主体，龙门架的下横梁控制了通过车辆的高度；由液压系统完成对模板总成的支立。在模板总成和龙门架之间设置托架机构，使它的连接方便、准确。

全圆穿行式模板台车具有可分离、可自稳、可穿行、可连续作业、平行作业等特点，单工作面设计月衬砌可达500 m以上。

2）模板台车定位、浇筑、脱模

（1）模板台车定位、前移

由穿行架走行轮、升降油缸、水平油缸、模板伸缩油缸完成对接和中线、水平定位，并由穿行架与模板总成间及模板自身的连接销、锁定螺栓等完成锁定。

台车拱墙模板脱模后落在穿行架上，通过穿行架在三组模板之间的行走来实现台车拱墙模板的前移；底模模板由穿行架两端悬臂梁进行提升后，在穿行架上滑动前移。

（2）安装堵头

模板台车定位并锁定后，即进行木模堵头安装。木模堵头板预留止水条安装的缝带，在安装堵头板时把止水条也一并安装好。

（3）混凝土浇筑

浇筑混凝土时应左右对称分层进行，确保两侧混凝土平行浇筑，采用两台输送泵同时浇筑混凝土。捣固采用插入式振捣器加高频低幅附着式振捣器配合进行。

（4）封顶工艺

在浇筑封顶时，混凝土必须确保连续供应，并插好排气孔，注意封顶程序，确保安全和封顶密实。封顶时只能用一台泵进行浇筑，并有专人指挥，排气孔一有漏浆立即停止正常泵送，采取点动控制泵送，确保浇筑安全。混凝土初凝后及时将排气管松动、拔出。

（5）混凝土的脱模、养护

在混凝土浇筑完成48 h后方可脱模，脱模时穿行架与预脱模的模板连接后，按先收侧模，再收顶模，最后收底模的程序进行脱模。脱模后喷水养护，养护期为14 d，当隧道内湿度在85%以上时，可停止喷水养护；当湿度不够时，继续喷水养护至28 d龄期。

3）二次衬砌施工主要技术措施

①严格拱顶混凝土浇筑工艺，采取预埋排气管法，确保拱顶混凝土浇筑密实。

②精心进行配合比设计并不断优化，严格按配合比准确计量。

③立模前先检查断面、中线、渗漏水情况，清除底部积水、松散石渣等杂物。

④泵送混凝土入仓自下而上、分层对称浇筑，防止偏压使模板变形。

⑤每循环脱模后，清刷模板，涂脱膜剂。

⑥冬季施工时，混凝土拌和、运输、养护严格执行规范要求。

本章小结

（1）盾构一词的含义为遮盖物、保护物。盾构机是由外形与隧道断面相同、但尺寸比隧道外形稍大的钢筒或框架压入地层中构成保护掘削机的外壳和壳内各种作业机械、作业空间组成的组合体，是一种既能支承地层压力，又能在地层中推进的施工机械。以盾构机为核心的一套完整的建造隧道的施工方法称为盾构法。目前，盾构法已广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程，在地下工程施工方法中占有重要地位。

（2）盾构法具有快速、优质、高效、安全、自动化和信息化程度高、劳动强度低、作业条件好、场地作业少、噪声和振动引起的环节影响小、对地层的适应性宽等很多优点，但也存在一定的不足：施工设备费用较高；隧道曲线半径过小时，施工较为困难；隧道覆土太浅时开挖面稳定甚为困难；隧道上方一定范围内的地表沉陷尚难完全防止；饱和含水地层中，对拼装衬砌的整体结构防水性的技术要求较高。

（3）盾构主要适用于松软、含水丰富的土质地层。盾构机的种类繁多，土压平衡盾构和泥水平衡盾构是目前最为先进、应用最广的两种隧道施工机械。盾构机的型号应根据具体情况经安全与技术经济比较后选定。

习　题

6.1　简述盾构法施工的基本步骤。

6.2　盾构有哪些分类方式?各种典型盾构的特点是什么?

6.3　盾构的基本构造有哪些?刀盘的主要功能有哪些?

6.4　简述土压平衡式盾构和泥水平衡式盾构的基本原理。

6.5　简述盾构始发工艺流程。盾构始发的施工技术要点有哪些?

6.6　盾构接收的施工程序和主要施工技术要点各是什么?

6.7　端头土体加固的范围和时间如何确定?有哪些常见的端头加固方法?

6.8　盾构施工可分为哪几个阶段?何谓盾构掘进控制的“四要素”?

6.9　泥水盾构和土压盾构掘进控制的主要内容有何区别?

6.10　简述盾构管片的拼装施工。

6.11　壁后注浆的目的是什么?注浆方式有哪些?

6.12　简述盾构隧道的结构防水措施。