盾构技术及发展前景

盾构技术及发展前景（共6篇）

盾构技术及发展前景 篇1

目前, 我国的城市轨道交通建设正处于史无前例的高潮。北京、上海、广州、天津、南京、沈阳、成都、西安、深圳等地铁项目正在地如火如荼地建设中, 另外还有多个城市的轨道交通建设规划获批或正在申报待批。城市地铁在扩大内需的政策支持下, 纷纷加大投资、加快建设。据不完全统计, 目前全国有25个大城市正在进行轨道交通的前期工作, 总规划里程超过5000km, 总投资估算超过8000亿元。“十一五”期间, 全国特大城市的地铁和轻轨通车里程将超过1500km。

近年在地铁隧道建设施工中, 盾构法施工显示出强大的优势, 应用越来越多。盾构法具有对周围环境影响小、自动化程度高、施工快速、安全环保等优点。随着长距离、大直径、大埋深、复杂断面盾构施工技术的发展、成熟, 盾构法越来越受到重视和青睐。特别是在地层条件差、地质情况复杂、地下水位高等情况下, 盾构法更具有明显的优越性。

针对盾构法施工技术发展前景, 在“2009盾构施工技术研讨会”召开前夕, 本刊记者日前专访了中国工程院院士、著名隧道及地下工程专家王梦恕先生。

盾构设备:加快国产化

王梦恕院士开门见山, 首先表示, 目前中国的隧道建设大量上马, 需要很多盾构设备, 长期以来, 国内大量引进了德国海瑞克等国外的盾构, 但其与中国的合作并不令人满意。王院士期望尽快成长起中国自己的盾构生产企业, 生产具有中国特色的、安全可靠经济实用的盾构设备。

作为隧道工程施工中极为重要的掘进装备, 盾构是工程单位施工成本的重要组成部分。而近年来盾构多依赖于进口, 高昂的购置费和维护费, 制约着施工成本降低, 致使基础设施投资耗资巨大。发展国产盾构, 降低盾构价格, 制造符合中国国情的盾构, 是中国施工装备领域不可回避的重要课题。王院士强调, 中国的隧道施工需要摈弃“把简单的问题复杂化”的心态, 中国需要做符合国情的盾构设备。

据介绍, 为了打破国外技术垄断局面, 提升我国装备制造业的水平, 国家科技部于2001年将土压平衡盾构关键技术研制列入了863计划, 上海隧道工程股份有限公司、中铁隧道集团公司集各自在设计、制造、施工方面的优势, 联合浙江大学、同济大学等单位成立了产、学、研结合的课题组, 拉开了我国盾构产业化的序幕。

经过不懈地努力和技术攻关, 2004年9月, 我国第一台具有多项专利权的地铁盾构掘进机“先行号”在上海隧道工程股份有限公司问世。2005年6月, “先行号”样机在上海轨道交通二号线延伸段投入使用。创造了日推进38.4m和月推进566.4m的国内盾构施工最快纪录, 其主要综合指标达到国际先进水平。至今“先行号”盾构已经投入市场41台, 不仅有效降低了国家基础建设的投入, 而且拉动了国产盾构产业链下游企业的经济发展。2008年12月底, 隧道股份研制的直径11.22m国产大型泥水平衡盾构, 在我国第一条大型公路隧道打浦路复线工程向世博园区掘进, 并将穿越黄浦江, 国产盾构产业化步伐又成功地迈出一步。

2008年4月25日, 由国家863计划资助、我国自主研发制造的首台复合式盾构在河南新乡中国中铁隧道集团盾构产业化基地下线。这台盾构由于实现了从关键技术向整机制造的跨越, 填补了国内相关领域的空白, 有望打破国外企业长期以来在盾构制造方面的技术垄断。2008年中铁隧道集团自主制造了8台地铁盾构, 并取得了良好的施工效果, 计划2009年生产17台套, 在2010年达到年产20台套掘进机的能力。

2008年11月, 北京华隧通与日立造船签署合作协议, 进入盾构制造领域, 以制造贴合中国实际状况的盾构为立足点。王梦恕作为双方“联姻”的牵线人之一对华隧通与日立造船的合作寄予厚望, 并表示:“这次合作对提高中国盾构设备的国产化率是个有益的尝试, 希望能造出安全可靠、经济实用的中国特色盾构”。北京华隧通正在研制生产2台直径6.15m盾构, 2009年8月, 这2台盾构将如期交付使用, 用于北京地铁6号线的施工。

王梦恕指出, 国外的某些设备在质量上的确要强于国内产品, 但这种差距并不是不能解决的。以前国外盾构的刀具要强于国产盾构, 但我们只花费了5万元人民币进行攻关, 就使国内刀具达到了国际水平。“事实上, 早在上世纪60年代北京最早修建地铁的时候, 我们便已经采用了国产网格式盾构机进行开掘, 而在目前技术条件更加成熟、安全保障更加完善的情况下反而还要大量进口洋设备。既然可以使用更加简易、更加低廉的方法, 为什么不用?归根结底, 还是对国家的资金投入不重视、不珍惜!”王梦恕说。

盾构施工:在创新中发展

近几年, 我国在土压平衡盾构施工、泥水盾构施工中积累了许多经验, 具有许多创新成果。2000年我国首先在广州地铁开始大量采用盾构施工。全长3926m的广州地铁2号线越秀公园至三元里区间隧道是个标志性工程。为了提高施工效率, 中铁隧道集团越三区间项目部从每道工序、每个环节挖掘效率, 自行设计出环宽1 5 0 0 m m的管片, 提高了隧道的抗裂能力;生产出新型盾构泡沫剂, 对渣土进行了改良, 节约了投资, 提高掘进速度13%。2002年2月, 越秀公园至三元里区间提前两个月成功贯通, 盾构法首次用于地铁施工告捷。越秀公园至三元里工程打破了被长期认为不适宜盾构法施工的地质禁区, 大大拓宽了盾构法的应用范围, 提高了我国盾构法设计施工技术水平。

随后, 中铁隧道集团在广州地铁建设盾构施工中, 成功攻克了穿越珠江、带压进仓海底换刀、管片上浮等复杂难题。广州地铁地质异常复杂, 上软下硬的复合地层给盾构刀盘刀具造成了严重磨损。在1 7 m深的珠江底部实施带压刀盘修复, 这在国内盾构施工领域来说是一个创举, 此处江底岩石的稳定性极差, 稍有疏漏, 后果不堪设想。项目部大胆创新和精心筹划, 先后两次大规模进仓作业, 成功修复刀盘。管片上浮是地铁施工面临的重大课题。通过认真分析, 试验比较, 采取调整浆液参数、选择合理注浆点、改变注浆方式, 控制注浆时间和压力等线性控制, 最终成功有效地控制了管片上浮问题。

北京地铁5号线是北京首次采用盾构法施工, 首次全面开展北京地区特有地质条件下的盾构隧道施工研究, 为北京地铁后续工程大量采用盾构施工奠定了基础。北京地铁十号线是2008年奥运配套工程, 针对砂卵石地层采取了多项技术措施和创新, 如在穿越地铁13号线和京承高速路的施工中, 采取多种措施保证安全平稳穿越, 如:调整盾构土仓压力以实现土压平衡、调整推进速度保持平稳状态、对盾构外周边加减阻浆液减少对地层的扰动、同步注浆及时填充土体空隙、二次补浆及时控制地表沉降、实时监测为施工调整参数提供依据等。通过采取以上措施和现场严密组织, 施工中快速安全穿越了地铁车站, 所有施工参数都在控制范围内, 未对运营线路造成任何影响。盾构成功穿越地铁13号线后, 进行了10天的连续监测, 沉降值从开始施工到完全结束不到3m m, 是目前对既有线路控制指标最好的一次施工。

北京市从2007年开始着手建立地铁工程远程监控系统, 构建风险监控、信息预警、分级响应的管理机制。远程监控系统包括门禁智能监控、现场视频监控和第三方量测监控等。启用地铁工程远程监控系统, 将全面提升地铁施工的管理效率和管理水平。北京市在建地铁工程4号线、9号线、大兴线已实行远程监控管理, 并将逐步在全市所有地铁工地推广。

上海属软土地层, 大规模地下施工难度很大。经过多年努力, 上海突破了某些外国专家提出的“上海不适宜建地铁”的观念束缚, 攻克了一个个世界级难题。以上海轨道交通9号线二期工程为例, 盾构施工突破了几项世界级的难点。在徐家汇站至肇嘉浜路站1110m的施工区间里, 由于施工条件限制, 盾构顶覆土最小深度仅为4.2m, 还要近距离穿越最小距离仅为0.83m的1号线隧道;同时盾构穿越过程中还有大量公用管线, 其中离盾构最近的雨水管道距离仅为0.34m, 施工风险极大。像这样小于5 m的超浅覆土盾构穿越施工, 国内几乎没有先例。为了解决覆土太浅压力不够的问题, 施工单位创新使用了“压重”施工的办法, 在地面和地下隧道上分别压上了700多吨的钢板和铅块, 让盾构在地下平稳掘进, 化解了施工风险。

施工安全:不容忽视

在我国城市地铁超速发展的同时, 各地的地铁施工事故频频发生, 安全隐患令人担忧。王院士强调, 在施工过程中, 必须避免为赶速度而忽视施工安全的做法, 必须确保地铁施工的安全和质量, 避免出现争速度, 不顾质量、不顾合理性, 既浪费又不安全的问题。尤其是, 当地铁施工遭遇复杂地质条件或施工技术难题之际, 在工程大、时间紧的情况下, 必须把施工安全放在第一位, 切不可以冒险施工来换取工程进度。

近年来杭州、上海、广州、深圳、北京、南京等城市相继发生过地铁施工事故。尽管各城市发生的地铁施工事故, 情况各有差异, 原因也不尽相同, 但地铁工地事故频仍, 也无疑给地铁施工的安全敲响了警钟。

地铁建设由于受复杂地质条件的限制, 其施工本身难免存在一定的安全风险。特别是一些地质条件特别复杂的线路或地段很容易发生地陷或坍塌, 其施工难度更大, 也就需要更加成熟的施工技术, 更加稳妥的施工方案。必须以严格的安全措施和监管来确保工程的安全和质量。这样才能最大限度地确保施工的安全, 尽可能地降低施工安全事故的发生。

市场前景:空间广阔

21世纪是地下空间的世纪, 盾构及掘进机是地下工程的重要施工装备, 在地下空间开发中起着举足轻重的作用。作为世界最大的隧道及地下工程施工市场, 中国的市场潜力正在迅速释放, 我们正处于地下空间开发和利用的高速发展时期。

盾构法施工在城市市政管道工程中有明显的优势, 为适应城市基础设施现代化建设对地下市政管线的需求, 对地下管沟用的小型盾构的需求日益增加。王院士介绍, 在一些城市地下5 m的地层空间将作为市政管道层, 用于市政管道施工的3 m的小直径盾构将广泛应用, 6 m以下的盾构将占80%的盾构市场。

越江跨海隧道也将不断出现。长江上已经建成和正在修建的大桥有60多座, 而过江隧道建成的只有中游的武汉, 在建的有南京 (已于5月20日左线贯通) 和长江入海口的上海 (已于2008年4月份双线贯通) , 目前武汉、南京都在筹划建设第二条越江隧道。

对于国内大直径盾构隧道, 王院士认为不应盲目追求超大直径, 盾构隧道直径12m以下为宜, 超过1 2 m盾构都需要专门设计制造, 设备造价非常高, 经济费用不合理, 超大直径的双层隧道在经济上不合算, 另外长度超过1km的双层隧道使用安全也不易控制。需要慎重考虑, 不赞成盲目追求超大直径的盾构隧道。

我们现在还特别需要硬岩掘进机, 现在铁路隧道已经开工的有4700多km, 将要开工的还有5000多k m, 至少需要数十台掘进机。

“2009盾构施工新技术研讨会”即将于6月20～21日在北京召开, 会议以“创新、安全、突破”为主题, 届时王梦恕院士将做精彩的专题报告, 论述盾构施工技术创新与施工安全, 期待与大家共享。

盾构技术及发展前景 篇2

摘要：这几年，地铁的修建是使我国的交通方面有了更高的层次，地铁的修建在一定程度上给人类的出行带来了巨大的便利，但是地铁开挖工作会对建筑基层造成一定损害，如果没有一个完整的保护体系，将对我国城市建设成果造成严重的威胁。盾构隧道掘进机，简称盾构机，是一种隧道掘进的专用工程机械，在我国盾构机的应用技术还不够完善，我国相关部门应该加强盾构机在地铁施工中的技术指标和过站方法的研究。本文通过对盾构机相关内容的介绍，希望能对今后地铁修建工作起到一定的理论辅助作用。

关键词：盾构机；地铁施工；技术；过站方法

引言

随着我国科技的进步，市场经济的发展，人类的生活水平也在不断地提高，同时也带动了我国各行各业的共同发展，在城市建设领域，我国已经取得了不小的成就，尤其是在交通方面，地铁的应用更是使我国在交通领域又迈进了一大步。而在地铁修筑过程中所用到的盾构技术还不够完善，开挖过程会对开挖周围环境带来无法避免的破坏因素，这对城建工作而言无非是因小失大，加强盾构机在地铁施工及过站方法技术的探究使我国相关部门当前的重要任务。

一、盾构机的介绍

1.1盾构机的概念

盾构机是当前地铁隧道修建的一种挖掘工具，它集合金属外壳，壳内整机、辅助设备于一身的钢壳体的大型挖掘设备。在坚硬外表钢壳体的掩护下进行一系列的土体开挖、土渣排运、整机推进和管片安装等工程任务，实现隧道的一次性成型。应用盾构机进行隧道挖掘的方法称为盾构法。

1.2基本原理

在盾构机钢壳体的最前端有由刀盘组成的旋转刀盘组，用于切割地层，采用螺旋输送机来实现土渣的外部运输，在壳体内有拼装预制管片，依靠液压千斤顶来进行推进。我们称这个组合结构为“盾壳”，盾壳对挖掘过的隧道能起到一定的支撑作用，避免在衬砌前因为土体松垮而导致隧道塌陷，而后期的掘进、排土、衬砌等工程都在盾壳的掩护下完成。

1.3基本构造

盾构机是由护盾、挖掘系统、推进系统、土渣运输系统、衬砌系统以及辅助系统等六个机构组成。护盾一般由三部分构成，切口环、支撑环和盾尾；挖掘系统主要由刀头或者刀盘以及其支撑装置构成；推进机械主要是由液压设备，例如油泵、油马达、油压千斤顶构成；而土渣运输系统中有两种分类，泥水式主要由泥浆泵管道组成，土压平衡式主要由螺旋输料器和皮带运输机组成；衬砌系统主要指的是管片自动拼装机械手；辅助系统包括壁后灌浆装置，导向测量和控制装置等等。

二、加强盾构机在地铁施工中的技术探讨

地铁是我国目前城建工作中最为先进的交通工具之一，地铁的修建标志着我国城市建设领域又有了新的突破，地铁修建也必定会作为一个前线城市城建工作的发展目标，如此一来，为了避免地铁修建过程中产生的大量土体的开挖导致对周边建筑的损坏，加强盾构机在地铁施工中的技术应用成了地铁修筑工作中的重点研究对象。

2.1曲线施工

根据城市中道路的排列和建筑的布局，地铁修建路线肯定存在曲线部分，另外，在地铁隧道的设计或设计施工时，难免会遇到无法进行深地挖掘的建筑，只能避开原有的构筑物，改变地铁路线，由此也会出现曲线路段。这就为盾构施工提出了新的技术要求，同时也需要盾构机装备有曲线施工的功能，满足当前工程的要求。在实际的施工过程当中，为了减少曲线施工对土层的影响，一般情况下，通常在盾构机前段管片中采用楔形管片。笔者认为，除了利用楔形管片外，还可以通过油压分区控制模式，实现千斤顶可自由编组；或者采用仿形刀装置和铰接机构等功能综合利用来应对在地铁曲线施工时遇到的困难。

2.2加泥及加泡沫系统

在实地施工过程中，盾构机前段刀盘在对土层进行切割的过程中，难免会在刀盘端积累土渣，导致“糊刀”或“泥饼”等情况，因此，为了避免这种现象的产生，可以在刀盘口应用加泥或泡沫系统。根据不同的地质条件，可以有不同的方式，这种系统通过使用塑流化的改进材料，能够起到改善盾构机密封舱内切割土体塑流性的作用。这种加泥加泡沫系统的应用，能够有效的平衡开挖面水与土的压力，能够避免盾构机排土难题，有效的拓宽了盾构机对不同地层的适应能力。

2.3减少盾构机的推进阻力

根据地质条件的差别以及标准贯入锤击数值的大小、刀盘组成的外径，切削刀最大切削轨迹外径以及盾构机外径这三个外径的大小之间存在的细微的差距，如果处理方式不合理，会增大土体推进阻力，给盾构机推进进程带来很大程度的影响。因此，在设计切割刀口轨迹外径时，应该使它略微大于盾构机外径，应该选择合适的刀具切割外径深度，合理的设置刀盘盘圈刀具，这样不仅可以减少盾构机刀盘盘圈和盾构机外围的摩擦阻力和推进阻力以及切割时产生的噪音和切割振动，还不会对盾构机控制土体沉降的能力和整体掘进效果产生大的影响。

2.4盾构机机体接收

在地铁开挖过程中，为了避免在工作时因为土体松软而导致地下水沿开挖间隙涌入作业井内，当某一阶段的开挖土体清理工作完成后，盾构机应该立刻加快推进速度，当刀盘通过防水帘幕后，即应该立刻采取拉紧水帘幕压板上的钢丝绳，防止水帘幕压在盾构机前盾的盾体外；之后，保持盾构机的匀速前进，当同步注浆结束浆液凝固，封水管片安装完成之后，盾构机应该按照正常的挖掘速度匀速前进，当盾体全部出洞门口，盾构机接收成功完成。

三、盾构机过站方法探讨

3.1千斤顶顶推法

3.1.1使用方法

运用千斤顶动力系统，在盾构基座上面直接焊接千斤顶，利用钢支结构，进行反力支撑，在进行盾构平移过程中，利用四台盾构推进千斤顶的推理作为机械动力，将钢支撑杆系撑在端头井洞门圈上，通常在进行推进时，利用焊接技术在盾构基座上的两台顶管千斤顶提供动力，利用车站地板上的预埋件制作钢支撑返利后靠系统。

3.1.2方法特点

我国盾构过站技术已经发展相对成熟，在各个地铁工作部门已经得到广泛使用，过站的形式和方法有很多种，因为千斤顶顶推法的特点明显，因此被广泛使用。千斤顶顶推法安装程序简单方便，运用千斤顶动力系统，治愈需要在盾构基座上面安装千斤顶，按照钢支结构中心高度来就位，再制作用来支撑千斤顶的托架。

千斤顶顶推法稳定性较高，不管是支撑方面还是推进方面，都能保证基座与盾构工作时保持平稳。

3.2卷扬机牵引法

3.2.1使用方法

将卷扬机固定在平移盾构基座上，在车站底板的預埋件上面安装定滑轮来控制盾构系统的平移，根据滑轮组产生的牵引力，在盾构机本体上与卷扬机上都固定牵引所用的钢丝绳，通常为了满足工作需要，双圆盾构都是使用两台卷扬机。

3.2.2方法特点

在对两台卷扬机同时进行牵引盾构工作时，由于牵引速率之间的差距，会导致同步协调性很难受到控制，这样容易导致基座与盾构发生偏转，或者因为受力过大而发生位置偏移，这时，如果不能得到及时处理，极可能造成盾构基座上的滑轮出轨与钢丝成受到损坏的事故。

四、结论

当前，我国很多城市都在进行地铁修建工作，在地铁隧道挖掘过程中，应该密切注意隧道挖掘可能会对周围环境造成的影响和损失，加强盾构机在地铁施工技术和过站方法的探究和思考是当前地铁修建工作中安全保证的主要目标，我国相关部门应该提起对此项目的重视，避免开挖工作中出现重大的失误或事故。

参考文献：

[1]吴占瑞.盾构扩挖地铁车站地层与建筑物变形规律及控制研究[D].西南交通大学，2013-03-01.

[2]汪国锋.北京砂卵石地层土压平衡盾构土体改良技术试验研究[D].中国地质大学（北京），2011-05-01.

浅谈盾构电液控制技术的发展方向 篇3

1 标准化

标准化不仅便于设计制造、生产管理，还有利于组织专业化协作、技术交流和产品配套。如果采用非标件过多，不仅造成设计制造的困难，同时给用户在维修、备件方面也带来麻烦。选用的元器件种类要尽可能的少，本文以土压平衡盾构电液系统为例进行探讨。

1.1 整合元件，减少种类

盾构电液系统要实现功能众多，系统复杂，整个电液系统所用零部件达上万种，为便于组装和减少库存，电液系统在设计阶段就要按照优化装配的方法来简化设计方案，减少用于装配的元件数目，以保证所有元件的零件易于制造和装配，同时对多个元件功能进行优化组合的模块化设计，并要考虑工艺性。在面向电液元件的装配结构设计中，目标是简化产品结构，减少零部件数量。

首先简化管路设计。经统计盾构电液系统共使用管路软管45种，硬管38种，由此衍生的扣压接头、转换接头、套筒等更是达上千种，从设计、组装、库存任何一个环节工作量都很大。经咨询软管生产厂家，相近规格的一层钢丝软管同两层钢丝软管价格相差不大，可考虑将一层钢丝软管及相配套的接头全部换成相近规格的两层钢丝软管及配套接头，将规格相近的软管接头按照“就大就高”的原则全部整合，粗略估算，更换整合前后对比如图1。

由图1可知，整合后简化种类近40%，大大减少了库存备货量，提高了设计和组装的工作效率。

1.2 固化非标元件设计，使其相对标准化

由于盾构本身就是根据地质情况设计的大型非标设备，不同的地质条件所对应的刀盘推力、扭矩也不同，由于泵、马达、阀组及管路接头都可以尽量选择标准件，盾构电液系统的非标性主要体现在油缸和阀块上。

将非标准阀块设计成系列化的集成阀块，固化其加工工艺，使其相对标准化，如图2所示。

2 集成模块化

由于盾构空间的紧凑性和局限性，盾构电液系统的集成模块化也是设计的核心，提高电液系统的集成化，探讨优化装配方法来简化设计，以模块化的思想来设计电液回路使电液元件相互之间连接紧凑，实现电液系统的高度组合化、集成化和模块化，易于组装布置。某盾构泵站如图3所示。

集成模块化是指根据功能或位置对一些性能、规格、型号不同的产品进行分析、组合、划分，由划分结果设计出一系列功能模块。在对该产品族划分并合理创建出一系列模块的基础上，根据新产品的设计要求，将一组已存在的特定模块合理组合成模块化的新产品方案。

为便于模块化设计运作，可先将盾构电液系统按其作用划分为八大部分及八大模块，分为主驱动模块、推进模板、管片拼装模块、螺机模块、注浆模块、辅助模块、油箱循环模块、超挖刀模块。如图4所示。

由于每大模块都有整套独立的电液系统，

每个大模块又可以根据各自功能划分为多个小模块。如液压能源模块：液压泵(液压马达);液压执行模块：液压油缸、液压马达(包括液压制动器和蓄能器);液压控制模块：液压方向阀(阀组)，流量控制阀，压力控制阀;液压辅助模块：液压管，油箱，散热器，滤油器等。图5所示为液压动力源模块。

模块化的设计在实现系统功能的基础上以紧凑、体积小的组件与组件间的连接方式，减少占用空间大的管式连接，多选用板式阀、叠加阀和插装阀组合装配到集成块上。

模块化设计的优点在于缩短设计和调试周期，产品更新换代快;易于产品的制造、装配、维修和回收;降低成本;保证产品的性能稳定可靠。可以较好地解决产品品种、规格与设计制造周期和生产成本之间的矛盾。

3 节能环保

盾构作为大型隧道施工设备，装机功率大，消耗大量电能源，由于目前盾构电液系统效率能达到70%左右，有约三分之一的电能转化成热能，隧道内通风散热差，施工温度高。因此基于变频调速技术和伺服液压技术的节能伺服系统，如果能够在盾构中应用，不仅节能环保，而且减少了元器件、易布局、占用空间少、操作简单。

目前的电液控制系统能实现物体的位移、速度或力等输出量能够跟随输入目标的变化而快速自动改变，具有输出功率大、精度高、响应快的特点，但噪声大、效率低，功率损失大，而节能伺服系统是将变频调速技术和伺服液压技术相结合，改变电机的转速、转向及输出扭矩而直接控制泵的输出压力和流量等，具有高效节能，集成化程度高，抗污强，噪音小等优点。新电液系统原理图如图6所示，图7所示为新旧电液系统的节能效果对比，由图可知，新型电液系统由于实现了与负载功率的匹配，减小了功率损失。

新型电液系统省掉了压力和流量控制阀。压力和流量的控制由电控装置对各种指令信号进行运算之后输出控制信号给电机，通过调节电机的转速来改变泵的转速，进而控制系统的压力和流量，使其与负载匹配。该系统只提供驱动负载所需要的功率，节能效果显著，最大可节约电能60%。

某高校实验室已经研制出类似的电液系统。这是一种没有伺服阀的电液伺服系统，称之为直驱式容积控制(DDVC)电液伺服系统。其原理图如图8所示，整体样机实物图如图9所示。

该系统通过伺服电机直接驱动定量泵，而不用电液伺服阀来控制执行机构。通过控制交流伺服电机的正反转来实现液压缸的伸和缩，通过控制交流伺服电机的转速来调节定量泵的排量，从而控制液压缸的速度和位移。具有控制回路简单，抗污能力强，响应快，寿命长，运行稳定，节能环保等优点。

如果将该系统的研究成果用于盾构电液系统，盾构电液系统的控制元件将会大幅减少，控制回路更加简单，自动化程度也将会提升到一个新的层次。

4 结论

本文将标准化、集成模块化和节能环保3个方面确定为盾构电液系统发展趋势，以实现节能高效、降低成本的目的。

1)通过整合元件减少种类，固化非标元件设计使其相对标准化等措施，可以使元件种类减少近40%，减少库存，提高工作效率。

2)通过模块化设计，在实现系统功能的基础上使空间更加紧凑，可以提高系统制造成本和可靠性。

3)通过系统节能设计，采用变转速技术控制系统的压力和流量，使其与负载匹配，系统节能显著，最大可达60%。

摘要：盾构电液控制技术是决定盾构性能和制造成本的关键技术之一,本文围绕盾构电液系统低成本、高效率和易维护的目标,结合工程经验,分析和阐述标准化、集成模块化和节能环保技术方向的实施方案及效果。

关键词：盾构,电液系统,标准化,集成化,节能环保

参考文献

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[2]吴根茂,邱敏秀.新编实用电液比例技术[M].浙江大学出版社,2006.

[3]施虎,龚国芳,杨华勇.隧道盾构液压系统及相关节能技术[J].工程机械,2007,(10):65-68.

[4]冯欢欢,陈馈,李凤远.盾构电液控制系统的载荷顺应性理论初探[J].液压气动与密封,2012,(4):1-3.

[5]陈馈,冯欢欢.盾构液压系统设计与仿真[J].盾构及掘进技术创新与国家重点实验室运行机制论坛论文集,建筑机械化,2012,(S2):112-115.

盾构技术及发展前景 篇4

1盾构机发展溯源

盾构机从发明那天起距今已经有180多年的历史, 第一台盾构机诞生在英国, 后由日本、德国不断发展壮大。盾构机的发展主要有三个阶段, 盾构机的发明, 盾构机的发展普及, 盾构机的发展完善, 随着科技的发展, 盾构技术不断完善进步, 从而为世界的隧道建设做出了重要的贡献。

1.1第一台盾构机的诞生

1818年, 英国工程师布鲁诺尔在一次偶然的情况下通过船板上的蛀孔, 发现这种虫子在前进的过程中利用自身的分泌物涂在孔的周围来支撑周围物质得到启示, 后来他完善了构思, 发明了一种圆形铁壳, 同时利用千斤顶在土壤中推进, 在铁壳里的工人一边挖掘, 一边衬砌轨道。从此世界上第一台盾构机便问世了。

1.2盾构机在世界各国进一步发展普及

19世纪末到20世纪初盾构技术相继传入德、日、美等国, 并得到了很大的发展。1892年, 美国率先发明了掘削工作面封闭不能直接观察到施工面作业的封闭式盾构, 必须辅以多种监控装置来控制掘削面工作。1931年苏联利用盾构机建造了莫斯科地铁隧道, 施工中首次使用了化学注浆和冻结工法。自此, 这种施工方法得以传播, 并在全球范围内广受欢迎。

1.3现代盾构机的进步和完善

进入21世纪以来, 日本不断研究改善盾构施工, 做出了许多卓越的贡献, 1968-1989年近20年之间日本研发了多种盾构机类型, 使盾构机进入了一个新的台阶, 研发了泥水加压盾构、泥水式双圆搭接盾构工、泥土加压盾构、高浓度泥水盾构、注浆盾构工等多种施工法;1969年美国和英国在盾构施工中率先使用油压千斤顶盾构以及滚筒式挖掘机;这一时期开发了多种新型盾构工法, 以泥水式、土压式盾构工法为主, 盾构施工法不断完善发展, 成绩斐然。

随着科技的发展, 盾构机中存在的问题得到了有效的解决, 其技术的瓶颈部分被不断突破、升级, 像刀具的更换及使用寿命, 及面对恶劣环境下的施工方案探讨, 使盾构机有了进一步的发展。盾构机的发展同时离不开各个盾构机生产厂家的努力, 目前国内外均有许多优秀的盾构机制造厂家, 国外盾构机的主要制造厂家集中在欧美和日本, 如美国的Robbins (罗宾斯) 公司, 德国的Herrenknecht AG (海瑞克) 公司, 加拿大的加拿大Lovat (罗福特) 公司以及日本的小松制作所、三菱重工、川崎重工等。国内盾构机主要制造厂有三一重工、中国铁建重工集团、北京华隧通掘进装备有限公司、北方重工集团有限公司。目前, 厂家已经可以根据不同的工程对象和地质条件、根据不同工程的不同需求来设计盾构机。

2盾构机的使用日益广泛

目前, 随着我国交通堵塞日益严重, 为了缓解这种情况近几年我国的城市轨道交通发展很快, 特别是城市地铁建设步伐日益加快, 盾构施工法越来越多的应用于地铁施工中。2008年金融危机后, 紧随我国政府投入数万亿资金支持铁路建设, 中小城市的地铁建设也随之步入快车道。根据十二五规划, 到2015年隧道建设投资额将达12157亿元, 总里程将达6120公里, 截至目前, 北京、广州、上海等国内一线城市已经建成多条地铁线路, 运营里程已达823.7公里, 与此同时, 国务院已经批复了20多个城市的地铁建设。在33个地铁规划的城市中, 其中在长三角与珠三角地区增长最快, 新增248公里、129公里。在这些工程中有很多使用盾构机进行施工。

长沙地铁2号线:

长沙地铁2号线是长沙地铁中最早建设的地铁项目在地铁网络中属于核心骨干线路, 隧道线路全长:42800m, 2号线全线共分为7个盾构段, 投入15台大型泥水平衡盾构掘进机, 累计掘进35524米, 占总量的83.1%。长沙地铁2号线最大站间距为2036m, 为长沙火车南站至光达站区间, 最小站间距为672m, 为长沙火车站至锦泰广场站区间, 平均站间距1182m。由长沙轨道交通建设集团公司重点建设, 多个建设单位共同建造。长沙地铁在建设过程中实现了多个第一, 盾构掘进施工在地铁建设中有着举足轻重的作用, 在其他城市建设中许多设备都是从国外引进的, 而长沙在其地铁建设中支持国产, 尤其是在建设2号线的过程中, 其所使用的施工技术以及机械设备全是国产的, 在我国尚属首例。地铁2号线是长沙市轨道交通建设的重要组成部分。要穿越多种复杂的地层, 为了满足复杂土质盾构机换了多达7种刀盘。尤其是线路中总长为4141m的一段, 其施工过程中所面临的难题是跨越湘江, 考虑到其施工长度超过1800m, 在整个工程中所使用的盾构机均是国产的, 成功解决了这一难题, 最终实现整条线路的顺利竣工。需要特别指出的是, 在该线路中设立的橘子洲站成为目前我国仅有的首例设立在江中央小岛上的站台, 工程难度非常大。“湘江一号”过江盾构创新性的盾构技术, 着重改进、升级了许多核心技术, 有目的性的对该技术进行了改进和创新, 成功避免了一系列的施工风险, 从而确保了施工人员的人身安全, 并攻破了在施工过程中遇到的技术难题, 积累了宝贵的工程经验。同时这次国内自主研发具有完全自主知识产权的盾构机完美作业, 一举打破了国外的技术垄断, 使国际巨头不得不进行妥协, 将每台机器的价格降低了1.1亿元, 降至每台4000万元。从而争取市场话语权, 为国家节约了大量资金。同时, 这也是对我国盾构公司极大的肯定, 促使其不断创新, 提高自身技术水平, 从而使其综合实力更上一层楼。

3我国盾构机发展历史和趋势

随着我国的经济高速发展, 我国在交通、水利水电、市政地下工程等基础建设方面进展迅速, 越来越多的工程离不开盾构掘进机, 由于盾构机在盾构施工中具有许多优点, 如自动化程度高、施工快速、地面沉降可控等特点, 我国开始了漫长的盾构掘进机自主研发之路。由于起步有些晚, 我国在盾构机的关键零件的制造水平仍然与国外有一定差距。

3.1我国盾构技术的早期发展

1950年, 东北阜新煤矿通过用手掘式盾构修建了国内首条盾构机挖掘的隧道。

1963年, 上海隧道有限公司自主研发, 结合上海地质条件, 研发出了带有隧道防水的手掘式盾构机, 并成功进行试验, 贯通了长为65m的隧道。

1966年, 上海的隧道工程设计院为了实现越江公路的顺利竣工, 与造船厂强强联手, 经过他们不懈的努力, 研发了我国第一台超大型盾构机, 直径达10.2m。正是利用这台设备, 上海顺利完成了越江公路工程的作业, 隧道长度1331m。

1970年, 上海石化总厂率先采用了垂直顶升法取排水口的技术, 采用两台大型挤压网格盾构机挖掘了总长3926m海底隧道。

3.2我国盾构掘进技术的进步与探寻

1980年, 上海市开始了地铁建设, 由于上海地质松软, 淤泥较多, 上海隧道工程院积极研发, 经过不的努力, 终于成功研发了一台1号一台直径7.23m的网格挤压型盾构机, 成功盾构隧道长度达1230m。

1982年, 上海在引进一台日本三菱重工制造的直径4.21m小刀盘土压盾构的基础上, 取长补短, 研发完成了国内第一台直径为4.35m的盾构机, 并在我国当时正在施工的过江隧道工程中成功地投入使用, 解决了当时施工时的难题, 这一设备无论是在制作工艺, 还是在科技创新方面, 都是当时同类产品的佼佼者, 并一举摘得了1990年国家科技方面的一等奖。

3.3我国隧道掘进技术的展望

1990年, 上海隧道工程设计院、上海隧道股份有限公司在修建地铁的过程中, 联合法国FCB公司一起研发了7台直径达6320mm的土压平衡盾构机, 单机每30天掘进可超过300m, 并可有效地将沉降限定在较小的范围内, 为上海地铁的建设贡献了不少力量。并在上海地铁2号线的施工中, 成功实现盾构机自主研发。

2000年, 广州在修建地铁的过程中, 积极吸取上海修建地铁的经验, 并成功改制上海隧道有限公司自主研发的2台直径为6.03m复合型土压平衡盾构, 在珠江特殊岩层的土质下成功盾构。

进入21世纪以来, 我国盾构技术不断向前发展, 一边引进国外先进设备, 一边不断消化吸收自主研发。2001年, 我国将盾构关键技术列入863计划, 决定在较短时间内实现盾构机完全自主国产化。

2015年11月, 在湖南长沙, 国内第一台铁路大直径盾构机成功下线, 这一由我国自主研发的大型高端装备, 由中国铁建股份有限公司研发而成, 使我国铁路施工领域在这一方面实现了零突破, 预示着我国的盾构机的生产技术水平迈上一个新台阶, 并有效保障了施工人员的人身安全, 也加快了施工进度。国内首台铁路大直径盾构机的下线, 开创了国产自主研制的先河, 国产大型盾构施工装备创新能力与技术水平得到了前所未有的增长, 也有利于加快实现从中国制造到中国创造的转变。

目前我国盾构掘进技术不断提高, 我们与发达工业国家的距离慢慢减少。但是我们仍然在许多方面有着一定差距, 如产品研发、售后保障、技术支持等方面, 只有面对这种差距, 取彼之长补己之短, 才能在产品、技术、服务上实现新的突破, 从而真正实现从中国制造到中国创造的转型升级。

4世界盾构机的发展方向

现代盾构机掘进机集成了多种现代技术, 如机电液一体化、测控、材料等, 属于技术密集型产品。随着技术不断进步使得盾构机的操作、控制地表沉降更加便捷, 隧道的施工质量大大提高。

4.1系统化

盾构机自发明至今已经有近200年的历史了, 其施工方法和机器的革新和改良都是针对以下几个方面: (1) 地貌沉降量和地质构造; (2) 施工的自动化程度和掘进施工的快捷程度; (3) 隧道内衬砌筑可靠度。以往盾构施工则是单独对这几个方面带来的影响进行考虑, 一般情况下, 施工单位会用以下方法提高地层稳定性:降低地下水位、通过地基改良增加地耐力、冻结法。但是这些方法只是依靠外界作用, 并没有从设备本身入手, 考虑如何解决这一施工问题。尽管采用上述方法能够提高地层稳定性, 但是考虑到在不同地点施工时要求会有所不同, 而很难达到其所有的要求, 尤其是第一个因素会使相应地上建筑的稳固性受到影响。相比之下, 目前的盾构机则是面面俱到, 将上述要点进行综合考虑, 更是从设备结构角度提高了施工层面的稳定性, 进而大幅度增加施工过程的安全性。

4.2种类丰富多样

为适应不同工程的需要, 盾构机的种类也越来越多, 目前生产了多种形式的断面盾构机, 例如圆形、矩形、双圆等盾构掘进设备, 以满足不同地质结构的需求。例如圆形大口径的盾构机, 就是为在江海中进行施工而量身打造的;而在高楼林立、房屋密集的城市进行作业时, 厂家则推出了小口径的设备, 以供其使用;而为了加快我国城市化进程, 厂家又研发了异形截面的盾构机, 以提高其施工效率。

4.3超大型化和微小型化

为满足施工单位越来越高的需求, 目前厂家所生产的产品正朝着超大化和微小化的两个方向发展。例如:由德国一家公司推出的RVS系列设备, 有着RVS80, RVS160, RVS250-RVS1200等型号;加拿大的一家公司紧随其后, 推出了不超过1.4m的设备, 如MS40PJS型, 其断面直径仅为1m, 另有2m的产品。而美国Robbins公司研发的设备直径一般为1.8、2.1、2.4m, 其一款直径1.8m的产品隧道的挖掘长度长达125m。而德国的Herrenknecht AG公司也研发出口径为0.21-0.7m等系列设备。而日本的一家企业成为了这一领域的佼佼者, 先后推出了一系列产品, 其直径范围从0.15m到2.95m。截至目前, 全球最小的盾构机就是该公司生产的直径为0.15m的产品。这种设备特别适用于隧道的分断面施工, 该设备具有先把施工断面划分为若干个小断面, 将其一一作业完成后再将小断面间仅存的薄壁贯通, 从而完成整个施工过程。较以往的方法而言, 这种新的方法可使工程费用得到大幅度降低, 使施工期大幅缩短。另外, 考虑到盾构机的市场价格达到数千万, 从经济性方面考虑, 在工程量不大的情况下不宜选用盾构机, 而是需要随机应变, 对施工组织方案加以改进, 选取日本公司生产的小型盾构机设备, 采用上述施工方法, 完成隧道施工, 从而达到节约成本的目的。

我们应该注重产品创新, 并认真学习国外先进技术, 提高自身技术水平, 努力缩短与国际先进技术的差距, 成为盾构机生产领域的佼佼者。从中国制造走向中国创造, 引领世界潮流。

参考文献

[1]徐永福.盾构推进引起地面变形的分析[J].地下工程与隧道, 2000, 27 (1) :21-25.

[2]徐永福, 孙钧.隧道盾构掘进施工对周围土体的影响[J].地下工程与隧道, 1999, 26 (2) :9-13.

盾构隧道管片修补及堵漏施工技术 篇5

随着盾构以其安全快速的优势在地铁修建中逐渐普及, 我单位在长沙市轨道交通2号线一期工程土建10标采用盾构法施工, 在盾构隧道施工过程中, 由于诸多因素使隧道管片出现破损以及渗漏水。本文主要阐述从施工中总结出了的盾构隧道管片修补及堵漏施工技术, 以供施工的需要。

2 工程概况

五一广场站~芙蓉广场站区间, 采用盾构法施工 (左线全长528.928m, 右线全长622.561m) 。该区间主要为灰岩, 局部夹泥灰岩, 岩溶现象极发育的岩溶地层, 总体以大型溶沟为主, 下伏深埋隐伏型溶洞较发育, 溶沟内全充填较杂乱且软硬不均的砂卵石, 渗透系数可达32m/d, 为强透水含水层, 地下水位7~8m。

管片外径6m, 内径5.4m, 宽度1.5m, 厚300mm, 通用环楔形量45mm。管片采用C50抗渗砼, 抗渗等级为P12级。设计采用“3+2+1”形式, 即三块标准块、两块邻接块和一块封顶块, 错缝拼装, 弯曲螺栓连接 (每环16根M27纵向螺栓, 12根M27环向螺栓) , 管片衬砌之间的防水采用三元乙丙弹性密封垫。外部注浆防水, 结构安全等级“一级”, 耐火等级“一级”, 区间隧道防水等级为二级。

3 隧道管片破损及渗漏水原因

3.1 管片破损原因

3.1.1 在施工中, 由于管片多次运输、多次吊装管片有碰撞损坏。

3.1.2 在盾构推进过程中, 纠偏时管片受力不均匀, 导致管片局部挤压, 造成管片有崩角、崩边、开裂破损现象。

3.1.3 当盾尾间隙控制不合理时或管片选型不合理时, 间隙较小的一侧盾尾会对管片产生挤压, 管片局部会被拉裂或挤碎现象。

3.1.4 注浆压力和注浆速度与推进速度不匹配, 同时因盾尾注浆量不够或注浆量过多, 导致管片脱出盾尾后管片下沉、上浮、错台, 也是导致管片破碎或开裂的原因。

3.2 管片渗漏水的原因

3.2.1 管片密封橡胶止水条损坏、错开及止水条之间夹有泥沙等杂物影响止水效果, 产生管片环纵缝渗漏。

3.2.2 管片在运输、拼装中受挤压、碰撞, 缺边掉角。

3.2.3 管片拼装质量差, 螺栓未拧紧以及复紧, 管片接缝张开过大。

3.2.4 管片在制作时养护不合理, 表面出现气孔和干缩裂缝。

3.2.5 管片边角薄弱部位未加防水垫片, 环纵缝间防水效果差。

3.2.6 管片下沉、上浮、错台导致的管片破碎、开裂以及密封橡胶止水条错位, 造成环纵缝间渗漏水了解管片破损以及渗漏的原因后, 针对不同原因产生的管片破损及渗漏采取相应的施工工艺进行防水。

4 管片修补及堵漏施工

4.1 修补堵漏材料及工具

4.1.1 水泥:普通硅酸盐水泥52.5号、速凝型水泥、白水泥。

4.1.2 砂:特细砂, 细度模数为Mx=1.5~0.7, 不允许夹杂颗粒物质。

4.1.3 堵漏材料:环氧树脂。

4.1.4 铁锤、凿子、钢丝刷、灰匙、拌浆桶、抹刀、φ8铝管、小型灌浆机、冲击钻等。

4.2 修补剂配比

4.2.1 对于混凝土小体积破损的修补材料重量配比:白水泥:水泥:水=2:1:3。

4.2.2 对大面积缺棱掉角的应采用砂浆进行修补, 修补材料重量配比为:白水泥:水泥:砂:水=2:1:6:3。

4.2.3 对于管片渗漏水的修补材料:环氧树脂。

4.3 管片修补主要施工步骤

4.3.1 现场检查与标识

对进场管片以及掘进完成的区间成型隧道管片, 做好质量情况统计。当管片表面出现缺棱掉角、混凝土剥落、大于0.15mm宽的裂缝或贯穿性裂缝等缺陷时, 必须进行修补, 并在需要修补的地方做好施工标记。

4.3.2 基材部位的清理

修补时, 先用凿子将片状或有裂缝的地方剔除干净, 再修整破损边缘, 然后将剥落的混凝土表面凿毛, 表面无灰尘、无松散颗粒。如果剥落的地方钢筋已经暴露, 除去钢筋表面上的所有松散物, 并用钢丝刷将钢筋清刷干净。

4.3.3 管片修补

对于管片表面小体积破损, 管片修补采用白水泥与普通水泥按2:1重量比混合搅拌组成混合水泥, 其与速凝水泥共同组成管片修补剂。修补剂与水按1:1重量比搅拌至均匀质、粘稠状。然后用抹刀涂抹在管片破损处, 每层厚度不超过5mm。

大体积缺棱、掉角的须采用砂浆进行修补。修补砂浆采用白水泥与普通水泥组成的混合水泥与砂按1:2重量比混合加水搅拌至均质、粘稠状态 (机械搅拌) 。修补前, 混凝土缺损位置必须清理干净, 无尘、无松散颗粒, 在涂抹前必须对破损表面湿润。修补结束后达到一定的强度后必须对修补位置进行洒水养护, 修补位置应保持湿润, 防止修补部位导致收缩、开裂、强度不足等其它缺点。

4.3.4 管片修补部位的养护与成型

管片修补剂在未凝固前, 应将修补的部位加水润湿进行养护, 养护过程中应避免阳光直射及雨水冲刷而导致砂浆失水过快而导致干缩裂缝及强度降低达不到修补要求等问题。待修补部位具有一定强度后, 再用砂纸将其表面磨平以保证修补的效果。

4.4 管片堵漏施工

4.4.1 管片环纵缝防水

⑴管片环纵缝渗水防水施工。管片接缝出现渗水时, 管片密封止水条未损坏, 仍然起到一定的防水作用, 采用在渗水部位打入φ8铝管的方法, 不会破坏密封止水条, 然后进行进行勾缝、注入环氧树脂的方法进行止水。施工工艺: (1) 采用钢丝刷清出环纵缝内的浮泥, 泥垢; (2) 查清渗漏的部位, 沿渗水环纵缝按35cm的距离钻孔, 孔径1.4cm, 孔深8cm, 打入注浆φ8铝管, 采用速凝水泥嵌缝埋管; (3) 对渗水部位用速凝水泥浆进行勾缝; (4) 在铝管内注入环氧树脂, 注入压力0.2~0.3MP。观察1~2小时, 如果仍有渗水, 则继续注入环氧树脂直至不再渗水; (5) 最后进行拆管做并缝面修饰处理。

⑵管片环纵缝漏水防水施工。若管片接缝出现漏水时, 判断防水条已经损坏, 将铝管沿管片环缝打入管片背后, 注入环氧树脂进行止水。施工工艺: (1) 采用钢丝刷清出环纵缝内的浮泥, 泥垢; (2) 查清渗漏的部位, 沿环纵缝渗水处按35cm的距离布注浆铝管, 孔径1.4cm, 孔深30cm, 采用速凝水泥嵌缝埋管; (3) 先向管内注入0.5L环氧树脂, 半小时后再注入0.5L, 直至管片不再漏水; (4) 进行封管拆管处理。

4.4.2 裂缝渗漏防水

管片裂缝出现渗水时, 采用以下措施进行防水: (1) 查清裂缝的延伸部位, 在裂缝的两端钻终止孔, 沿缝两侧错开钻孔, 孔径1.4cm, 孔深5.0cm, 间距为20cm; (2) 沿缝开槽, 槽宽×深为2.0×2.0cm清孔、清槽, 要求无浮尘、泥垢; (3) 采用速凝水泥嵌缝、埋管, 要求压贴紧密; (4) 注入环氧树脂, 闭管待凝; (5) 待凝1~2小时后, 检查孔口泡管, 不饱满的进行二次或多次重复注浆, 至浆泡管饱满; (6) 进行拆管、槽口填补及裂缝修饰。

4.4.3 管片蹦角防水处理

⑴管片蹦角处理 (无渗水) :管片蹦角处没有渗水时, 具体采用管片修补方法进行处理。⑵管片蹦角处理 (有渗水) :由于蹦角处有渗水, 在渗水点预先埋设注浆铝管, 用灰匙、平镗初修饰成型, 待速凝水泥达到一定强度后, 从预埋铝管内注入环氧树脂, 最后进行封管、找平作业。

4.4.4 螺栓孔渗漏

螺栓孔出现渗漏时, 防水处理施工工艺: (1) 拆卸螺栓孔的螺帽; (2) 清除螺栓孔中的浮泥、泥垢、锈迹; (3) 采用阻塞球堵塞螺栓孔的一端出口, 并从另一端出口插入小铝管。采用速凝水泥封密, 要求压贴紧密; (4) 在相应的环纵缝处螺栓两边, 钻终止孔, 孔径1.4cm, 孔深8cm; (5) 注入环氧树脂, 待凝1小时后检查孔口泡管, 不饱满时进行二次或多次重复注入环氧树脂, 直至泡管饱满; (6) 拆管和拔出塞球, 清除螺栓孔中的速凝水泥, 安装螺帽, 更换橡胶遇水膨胀密封圈。

4.5 质量要求

(1) 凡经修补或表面处理后的部位颜色应与管片的原色基本一致, 且表面的光洁度要与原管片一致, 保持隧道内管片安装的整体效果。 (2) 修补后的管片必须根据不同情况覆盖保护膜或用湿麻布覆盖修补部位进行加水润湿养护, 确保修补部分强度达到原管片设计砼强度C50P12。养护时还需注意不能出现砂浆被水冲掉、划花现象。 (3) 已修补好的管片不允许有裂缝产生, 特别是与原管片断面之间更不允许有干缩裂缝存在, 如有这种情况存在则必须返工。

5 结语

在盾构施工中, 各个工序环节做到仔细、认真、科学、合理, 才能保证管片的完好无损, 减少因损坏带来的修补及堵漏工作。经过1个月的施工, 五一广场站~芙蓉广场站区间隧道内无明显的渗漏水现象了, 基本上达到了设计要求, 修补后的管片颜色、表面的光洁度与原管片也基本一致, 确保了隧道内管片的整体效果。该区间隧道外观质量也得到建设公司及驻地监理的认可, 为该工程的评优奠定了良好的基础。

摘要：本文以长沙市轨道交通2号线一期工程 (五一广场站～芙蓉广场站区间) 盾构隧道施工提出的管片修补及防水堵漏技术措施, 以及在实际施工中取得的效果, 总结盾构隧道管片修补及防水堵漏施工的技术方法。

关键词：盾构隧道管片,修补,堵漏

参考文献

[1]洪开荣, 吴学松.盾构施工技术[M].北京:人民交通出版社.2009.

[2]竺维彬, 鞠世健.盾构隧道管片开裂的原因及相应对策.现代隧道技术.2003.

[3]王玉卿.浅析地铁隧道的防水堵漏[J].城市建设.2009.

盾构技术及发展前景 篇6

宁波市轨道交通1号线江厦桥东站—东门口站区间左、右线隧道均需穿越奉化江, 左线隧道越江段为K11+825.964~K11+679.256 (264~390环) , 右线隧道越江段为K11+822.264~K11+675.656 (267~393环) , 穿越段隧道中心标高左线-18.779~-20.118 m、右线-18.702~-20.106 m, 平面曲线最小半径为400 m, 纵向曲线最大坡度2.3%。盾构穿越奉化江段河宽135 m, 江底距隧道顶部净距为10.52 m, 历史最大冲刷深度距离隧道顶部净距为5.2 m。江厦桥东站—东门口站隧道与奉化江平面位置见图1, 剖面位置见图2。

宁波市轨道交通2号线桃渡路站—鼓楼站区间左、右线隧道均需穿越余姚江, 左线隧道越江段为K15+677.623~K15+439.751 (347~545环) , 右线隧道越江段为K15+683.387~K15+447.636 (342~539环) , 穿越段隧道中心标高左线-17.181~-17.740 m、右线-17.192~-17.732 m, 平面曲线最小半径为500 m, 纵向曲线最大坡度0.569 3%。

盾构穿越余姚江段河宽225 m, 江底距隧道顶部净距为12.05 m, 历史最大冲刷深度距离隧道顶部净距为5.2 m。

桃渡路站—鼓楼站区间隧道与余姚江平面位置见图3, 剖面位置见图4。

2 越江盾构隧道施工风险分析

2.1 复杂地层风险分析

根据地质资料, 宁波 (2) 2b、 (2) 2c、 (3) 2、 (4) 1、 (4) 2等土层含水量高, 孔隙比大, 渗透性差, 呈流~软塑状, 且压缩性高, 强度低, 在外力作用下易扰动且强度降低, 盾构掘进中保持土压平衡极为困难, 而且往往会出现前期沉降及盾构通过后沉降长期不收敛。 (2) 1a、 (3) 1层灰色砂质粉土呈稍密状态, 渗透性较好, 盾构施工过程中, 在动荷载作用下易发生液化现象, 而且在动水头作用下易发生流砂、涌水及涌土现象, 需做好止水工作。 (5) 1、 (5) 2层为软~可塑状粉质黏土, 具较高黏性, 易粘着盾构设备或造成管路堵塞致使刀盘空转、槽口及出土管道堵塞, 导致地层隆起、沉降。

盾构掘进开挖面处在软硬不同性质的地层上, 因软弱层排土过多, 导致地表沉降过量和盾构轴线偏差过大, 因此施工作业时须控制开挖面稳定, 随时保持盾构的良好姿态。

2.2 岸坡失稳风险分析

越江段堤防采用松木桩基础, 与混凝土结构堤坝相比, 自身抵抗变形和不均匀沉降能力很弱, 由于结构刚度较小, 整体性差, 如出现较大不均匀沉降, 易引发基础结构出现裂缝, 甚至发生破坏。宁波每年主汛期江、河、湖水位必然上涨, 如出现坡岸失稳影响江堤安全, 则可能导致防洪等级降低甚至洪水倒灌等风险, 将对城市社会造成巨大的经济损失。

2.3 螺旋机喷涌风险分析

根据地质资料, 江底主要存在 (1) 3淤泥层、 (2) 淤泥质黏土层、 (3) 1黏质粉土层、 (3) 2粉质黏土层、 (4) 淤泥质黏土层、 (5) 粉质黏土层。江底各地层含水量较高; (2) 、 (4) 淤泥质黏土为流塑性软土, 受扰动后流动性较强; (5) 粉质黏土可塑性强。因此, 盾构施工对地层产生扰动, 易引起江水与地下水水力相连通, 并在江水水压作用下, 使得盾构螺旋输送机发生喷涌, 进而影响施工质量及开挖面稳定性。

2.4 盾尾漏水漏砂风险分析

盾尾密封主要是防止地下水、泥土和盾后注浆浆液渗入盾构后部, 确保盾构的正常掘进。盾尾密封装置主要采用2~3道钢丝刷或钢板刷并配合盾尾密封油脂以达到密封效果, 如果盾尾密封装置受力部位被磨损和撕拉损坏或盾尾油脂填充不足造成盾尾密封失效, 将会引起盾构隧道内涌水、涌泥砂、涌浆等, 严重影响施工安全。

2.5 不明障碍物风险分析

随着国内地铁线网的加密与隧道数量的增加, 地下空间资源在逐渐减小, 隧道的位置将受到许多因素的制约。同时随着城市建设快速发展, 地下在役与废弃的管线、基础桩、构筑物等分布情况具有“量大面广”的特点, 这些都构成现有盾构隧道施工的地下障碍物, 影响盾构施工安全。

2.6 有毒有害气体风险分析

根据宁波市工程地质勘察报告, 市区地下有毒有害气体主要是浅层天然气, 它基本无毒, 但浓度过高时, 会使空气中氧的含量明显降低, 使人窒息。在盾构过程中, 天然气逐步侵入隧道断面, 对隧道内部人员造成危害, 且有爆炸的危险。

3 越江施工技术

3.1 施工前期准备

3.1.1 前期技术准备

1) 对江两岸堤防结构、桩基形式和其与隧道的关系进行详细调研, 精确划分试验段、穿防汛墙入河段、越江段、穿防汛墙出河段。

2) 由于不同施工时期河道冲刷深度存在较大差别, 因此施工前需复核河道底标高, 同时对隧道覆土厚度进行精确计算。对小于1倍盾构直径覆土的位置进行局部堆载处理。

3) 对越江段地质进行分析, 特殊情况下进行补勘, 判断地层中有毒有害气体含量对盾构施工的影响。若含量较大, 则施工前采取放气处理措施, 改变地层含气情况。

4) 对江两岸防汛墙加密布设监测点, 施工过程中加密监测和巡视频率。

5) 在盾构推进至河道前设置20环试验段, 总结盾构施工参数控制规律。

3.1.2 盾构设备适应设计

1) 刀盘开口率应达到40%, 掘进中正面土体特别是 (5) 粉质黏土层能够顺畅进入土仓, 防止刀具被黏土包裹, 确保土仓内的压力计能够及时、真实地显示, 降低对土体的扰动。刀盘正常工作扭矩应达到3 500 k N·m以上, 刀具超出面板16 cm以上, 刀盘上增设贝壳刀和先行刀, 先行刀高于主刮刀2 cm, 贝壳刀高于主刮刀3 cm。土仓内增设主动和被动搅拌棒, 可以充分搅拌土仓内的 (5) 粉质黏土, 防止出现泥饼, 利于盾构机排土。

2) 螺旋机的扭矩应达到100 k N·m以上, 在螺旋机外增设1道应急手动闸门, 与原有闸门组成双保险, 在盾构施工时, 一旦发生喷涌现象, 立即关闭闸门。

3) 盾构配备德国施维英注浆泵适应大比重厚浆的压注, 实施多点位注浆, 使浆液均匀分布, 提高浆液填充效率。

4) 皮带机转速需达到2 m/s以上, 皮带输送机选用耐磨性较好的尼龙板作为刮板, 并配置2根可调节全丝牙丝杆用于调节距离, 在丝杆的中间安装2根适中的弹簧作为自动复位与皮带严密接触, 达到自动刮泥, 避免渣土外落。

5) 盾构机配备有1套加泥加水系统和泡沫发生系统, 同时系统配有8个正面出水口, 使土体改良效果更加均匀。

6) 盾构配备人行闸, 施工人员可进入土仓对不明物体进行探摸或清理, 然后实施后续措施。

7) 盾构机配备有毒有害气体探测设备, 实时检测, 并发出预警信号。

8) 盾尾采用2道钢丝刷加1道钢板刷密封, 盾尾油脂选用进口优质油脂, 盾尾油脂压注系统选用自动压注系统, 确保各压注点压注压力、压注量的相对均衡, 从而有效地对盾尾密封进行控制。

3.1.3 穿越前设备的检查与维护

在盾构穿越前对盾构设备进行全面的检查和维护, 对发现的问题进行及时整改。对现场备品备件仓库进行检查, 及时补充备用物品。对水平运输系统的检查保养, 对轨枕、轨道作重点检查, 电机车进行1次二级例保。垂直运输系统的检修保养, 主要针对行车进行1次全面保养。对供电系统高低压配电间, 进行1次检查, 如发生外部停电, 应在30 min内完成二路供电转换。

3.2 施工过程控制

1) 划分推进试验段20环、穿防汛墙入河段20环、越江段、穿防汛墙出河段20环。通过试验段推进掌握此段盾构推进土体沉降变化规律以及摸索土体性质, 摸索理论土压力与所选分区土压力差值作为参考。入河段和出河段推进增加监测频率, 及时调整设定土压力, 减少对土体的扰动, 保护好堤防。越江段综合河底覆土、水深、试验段土压设置差值和隧道上浮量设置盾构施工参数。

2) 盾构入河段和出河段时, 推进速度控制在1~2 cm/min, 越江段推进速度控制在2~3 cm/min。

3) 同步注浆采用大比重厚浆, 严格控制同步注浆量和浆液质量, 每环的压浆量一般为建筑空隙的150%~220%。泵送出口处的压力应控制在0.3 MPa左右。具体根据实际工况进行调整。

4) 每环出土量控制在理论量的98%。

5) 控制盾构姿态, 注意观察管片与盾壳的间隙, 相对区域的油压随出土 (量) 和千斤顶行程而逐渐变化, 以减少盾构施工对周围土体的扰动。软弱地层推进时出现盾构磕头和上扬时可在盾尾后第5~8环进行环箍注浆辅助盾构纠偏, 粉质黏土层推进时盾构前方及螺旋机内压注膨润土液或泡沫进行土体改良, 避免土体粘着设备。

6) 盾构油脂每环压注量≥30 kg。

7) 含气层推进控制。安排专职人员监测气体含量, 气体含量≤0.25%时, 按正常通风采用压入式向隧道内输送新鲜空气和稀释隧道内少量沼气, 气体含量>0.25%时, 开始考虑加强通风和控制盾构掘进, 必要时关闭螺旋机出口, 停止掘进。尽量将隧道内沼气含量控制在0.5%以下, 保障隧道掘进施工安全。加强对明火使用的管理, 进入隧道严禁带明火 (包括打火机和香烟) 。

8) 防切口冒顶控制措施。严格控制出土量, 可适当欠挖, 保持土体的密实, 以免江水渗透入土体并进入盾构。若出现机械故障或其他原因造成盾构停推, 应采取措施防止盾构后退。每环推进结束后, 关闭螺旋机闸门再进行拼装。在螺旋机的出口设防喷涌设施, 在发生漏水时关闭螺旋机出口, 将水堵在盾构外。控制壁后注浆的压力, 在注浆管路中设安全阀, 以免注浆压力过高而顶破覆土。

9) 防止盾尾漏泥、漏水措施。均匀地压注盾尾油脂, 每环压注量≥30 kg。壁后注浆压力控制在1~3 MPa, 以免浆液进入盾尾, 造成盾尾密封装置被击穿, 导致盾尾密封性能降低。管片尽量居中拼装, 以防引发盾尾漏泥、漏水。为防止盾尾漏泥、漏水, 在管片拼装前, 根据情况在盾尾垫放海绵条用以止水, 封堵管片与盾构间的间隙。

10) 管片碎裂控制措施。调整盾构姿态, 尽量控制切口和盾尾的平面、高程相差20 mm之内, 确保盾尾四周间隙的均匀性。管片选型应尽量避免封顶块位于拱底90°范围内, 确保L块之间的开口度, 避免封顶块插入时的碎裂。控制管片拼装质量, 避免因管片踏步过大引起受力不均造成的碎裂。曲线段推进时, 合理进行楔形管片选型, 确保管片轴线及时跟随盾构姿态的调整。

11) 管片渗漏控制措施。严格控制管片防水材料质量, 并在转角处粘贴包角腻子。拼装前严格检查防水材料是否粘贴牢靠。拼装前每块管片纵向涂抹润滑剂, 控制防水材料因挤压造成的脱落和断裂。及时抽出盾尾的积水, 避免防水材料被水浸泡产生的脱落现象。曲线段推进时, 尽量保持盾构机位于曲线内侧, 确保管片之间的压密量。

12) 隧道上浮控制措施。采用能够有效控制隧道上浮的大比重“厚浆”浆液, 并使用自动称量和自动计量系统, 严格控制浆液拌制质量。适当增加上部注浆量, 上下注浆比例控制在3∶1~4∶1。将盾构高程控制在-30 mm左右, 抵消部分隧道上浮量。隧道下坡时, 适当控制盾构机坡度大于隧道轴线设计坡度, 减小盾构机对管片产生的向上分力。

13) 穿防汛墙段地面沉降和后期沉降措施。

(1) 控制盾构平衡压力。在地面隆起允许的情况下, 根据地面监测成果和隧道埋深变化适当提高土压力值, 控制盾构机切口位置的地面沉降为隆起1~2 mm, 减少后期沉降量。

(2) 匀速均衡施工。在控制推进速度的情况下, 保证连续均衡施工, 避免较长时间的搁置。

(3) 控制盾构纠偏量。盾构姿态变化不可过大、过频, 减少盾构施工对土体的扰动。

(4) 同步注浆。在保证建筑空隙得到有效填充的前提下, 根据监测数据适当提高同步注浆量, 同时采用跳孔压注方式, 保证每环注浆的均匀性。

14) 制订突发事件应对措施。

(1) 螺旋机发生喷涌时采取技术措施: (1) 及时关闭螺旋机闸门, 若机械闸门不能关闭时, 立即采用手动闸门将出土口关闭; (2) 减小或停止土仓加水等辅助措施; (3) 适当减少出土量, 增大开挖面压力, 让切削下的土体挤出土仓内的水; (4) 加快推进速度, 快速通过富水层; (5) 通过控制螺旋机的前后阀门大小, 稳定出土, 保证开挖面土压力稳定; (6) 在螺旋机后闸门密封不严处加焊铁板, 控制手动应急闸门, 避免后期喷涌量加大。

(2) 盾尾发生泄漏现象时的对策: (1) 针对泄漏部分集中压注盾尾油脂; (2) 配制初凝时间较短的压浆材料进行壁后注浆, 注浆部位在盾尾后5~10环; (3) 利用堵漏材料进行封堵; (4) 在盾构施工过江段时, 在后车架20 m的位置摆放聚氨脂材料和设备, 必要时可以进行压注堵漏; (5) 盾尾渗漏严重时, 盾构推进时在管片与盾尾之间安装临时防漏钢板。

(3) 含气层推进突发事件应对措施: (1) 气体浓度达到1%警戒值时, 停止施工, 关闭所有非防爆施工电器设备, 启动应急照明, 准备疏散工作人员; (2) 气体浓度达到1.4%警戒值时, 除防爆照明和防爆风开启外, 其他所有设备全部关闭, 施工人员 (包括沼气监测人员) 全部撤离; (3) 待通风一段时间后, 监测人员佩戴防毒面具, 由隧道外部逐步向内监测, 待确定隧道内气体浓度<0.25%含量时, 方可确认其他施工人员进隧道, 恢复施工。

(4) 当盾构遇到不明障碍物的措施: (1) 应适当降低设定土压力, 降低推进速度, 同步注浆速度应与推进速度相匹配。 (2) 如果有硬块堵塞出土口时, 可采用人工电钻击碎硬块, 将硬块取出后再推进。 (3) 对于强度较弱的障碍物, 可采用直接切削的方式通过。 (4) 对于强度高、体积大的障碍物, 可采取气压仓开仓作业, 人工清除障碍物。 (5) 对于不明障碍物, 施工人员可进入土仓对不明物体进行探摸, 然后制订解决方案。

3.3 施工后期跟踪控制

盾构穿越后, 应继续加强防汛墙、桥梁及两端邻接道路的监测, 直至稳定。监测结果超过报警值时进行壁后注浆。

4 结语