简介

盾构机发展历史

盾构施工原理

盾构法的优点

盾构法的缺点

盾构隧道防水堵漏技术

简介

盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。

盾构机发展历史

1974年第一台土压平衡式盾构在东京采用。该盾构由日本制造商IHI（石川岛播磨）设计，其外径为3.72m，用它掘进了长1900m的主管线。在以后的年代里，很多制造厂商以土压盾构、压力保持盾构、软泥盾构、土壤压力盾构、受压的土壤盾构、泥压盾构、或泥浆状的土壤盾构等名称生产了“土压平衡式盾构”。这些名称的盾构基本上都应用了同一种工法，国际上称为“土压平衡系统”（EARTH PRESSURE BALANCE SYSTEM，简称EPBS）。

土压平衡式盾构（EPB）自1974年在日本首次使用以来，以其独特的优势已广泛用于世界各地的隧道工程中。1984年上海市隧道工程公司在我国首次应用从日本引进的φ4.36m土压平衡盾构建成了芙蓉江下水道总管工程。目前，土压平衡式盾构在在全国地铁、市政、能源等工程建设中得到更为广泛的应用。实践证明，土压平衡式盾构因其能较好地控制地表沉降、保护环境、适应在市区和建筑密集处施工等优点，在我国正走向普及 。

盾构施工原理

盾构隧道施工法是指使用盾构机，一边控制开挖面及周围土体不发生坍塌失稳，一边进行隧道掘进、出渣，并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆，从而不扰动周围土体而修筑隧道的方法。盾构机的所谓”盾“是指保持开挖面稳定性的刀盘和压力舱、支护周围土体的盾构钢壳，所谓“构”是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体。

盾构法施工是一个非常复杂的工程过程，它对周围环境的影响与施工技术环节密切相关。早在1969年Peck就指出盾构法施工引起的地层损失以及对相邻结构的影响与施工的具体细节是分不开的。因此，理论分析时只有准确把握盾构施工的主要因素才能得出符合实际情况的结果。盾构施工阶段主要包括以下几个主要的技术环节：

①土体开挖与开挖面支护

土压平衡式盾构施工过程中，通过切削刀盘的切削前方土体。挖土量的多少由刀盘的转速、切削扭矩以及千斤顶推力决定，排土量的多少则是通过螺旋排土器的转速来调节。因为土压平衡式盾构机是借助土压舱内土体压力来平衡开挖面土水压力的，为使土压舱压力波动较小，施工中要经常调节螺旋排土器的转速和千斤顶的推进速度，来保持挖土量和排土量保持平衡。

②盾构推进与衬砌拼装

盾构依靠千斤顶推力作用向前推进。盾构推进过程中需要克服开挖面土体压力、摩擦阻力和内部机械设备阻力，盾构的总推力必须根据各种阻力的总和及其所需要的富裕量决定。推力过大会使正面土体因挤压而前移和隆起，而推力过小又影响推进速度。千斤顶推动盾构前进后，依次收缩千斤顶在盾构内部拼装衬砌。

③盾尾脱空与壁后注浆

千斤顶推动盾构机向前推进时，使得本来位于盾构壳内部的拼装衬砌脱出盾壳的保护，在衬砌外围产生建筑空隙（其体积等于盾壳对应圆筒体积与盾尾操作空间体积之和），引起较大地层损失。如不采取补救措施会引起很大的地层位移和地面沉降。

壁后注浆是对盾尾形成的施工空隙进行填充注浆，以减小由于盾尾空隙而产生的地基应力释放和地层变形，是盾构施工的重要环节之一。壁后注浆是通过在盾构壳上设置注浆管，在空隙生成的同时进行注浆的同步注浆方式和通过管片上预留的注浆孔进行注浆的及时注浆方式两种，其中同步注浆更有利于地基沉降的控制。

盾构法的优点

1）安全开挖和衬砌，掘进速度快；

2）盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工劳动强度低。

3）不影响地面交通与设施，同时不影响地下管线等设施；

4）穿越河道时不影响航运，施工中不受季节、风雨等气候条件影响，施工中没有噪音和扰动；

5）在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道往往具有技术和经济方面的优越性。

盾构法的缺点

1）价格昂贵且针对性很强，对每一条用隧道施工的隧道，都需要根据工程地质、水文地质条件以及结构断面尺寸专门进行设计制造，一般不能简单地在其他隧道中重复使用；

2）隧道曲率半径过小或隧道顶覆土太浅时施工难度较大；

3）在富水松软土层中，地表沉降难以控制，对衬砌整体防水技术要求很高；

4）对水底隧道，覆土太浅时施工不够安全；

5）采用全气压法疏干和稳定地层时，施工条件差，对劳动保护要求较高。

盾构隧道防水堵漏技术

1、国内外隧道建设及防水情况国内外已建成大量地铁、隧道，逐步形成了较成熟的结构设计计算理论与工程实践体系，但是在隧道及地下工程的防水方面认识则相对落后。地铁不可避免地要经过含水量较高的地层（如上海地铁所处地层大多为饱和含水软粘土层），所以必将受到地下水的有害作用。如果没有可靠的防水、堵漏措施，地下水就会侵入隧道，影响其内部结构与附属管线，乃至危害到地铁的运营和降低隧道使用寿命。盾构隧道渗漏水的位置是管片的接缝、管片自身小裂缝、注浆孔和手孔等。其中以管片接缝处为防水重点。通常接缝防水的对策是使用密封材料，以西德为代表的欧洲方面，采用非膨胀合成橡胶，靠弹性压密，以接触面压应力来止水，以耐久性与止水性见长。德国PHOENIX公司提供的隧道衬砌合成橡胶垫就是其中较典型的形式，其工作机理如图1所示。以日本为代表的方面，则采用水膨胀橡胶，靠其遇水膨胀后的膨胀压止水。它的特点是可使密封材料变薄、施工方便，但耐久性尚待验证。国内主要采用水膨胀橡胶，并已开始研究开发水膨胀类材料与密封垫两者的复合型。

2、盾构法隧道的防水设计方法防水方法包括结构自防水和其它附属措施，如管片外防水涂层、管片接缝防水、做二次衬砌等。

2.1管片结构的自防水结构自防水是首选的防水措施，主要方法为管片材料采用防水混凝土。地铁结构物一般用普通防水混凝土，而盾构隧道衬砌由预制管片拼装而成，多用外加剂防水混凝土，抗渗可达S12以上，渗透系数K<10-11cm/s.

2.2管片外防水涂层管片外防水涂层需根据管片材质而定，凡有较深裂纹的管片一般都要增加外防水涂层。对钢筋混凝土管片而言，一般要求：①涂层应能在盾尾密封钢丝刷与钢板的挤压摩擦下仍保持完好；②当管片弧面的裂缝宽度达0.3mm时，仍能抗0.6MPa的水压，长期不渗漏；③涂层应具有防迷流的功能，其体积电阻率、表面电阻率要高；④涂层应具有良好的抗化学腐蚀、抗微生物侵蚀能力和足够的耐久性；⑤涂层要有良好的施工季节适应性，施工简便，成本低廉。但应指出，若管片制作质量高，采用抗侵蚀水泥，不做外防水层也是可以的。

2.3管片接缝防水管片接缝防水包括弹性密封垫防水、嵌缝防水和向接缝内注入聚氨酯药液等。下面介绍可靠性高的弹性密封垫防水的各种要求：（1）功能要求①短期防水要求密封材料因压缩产生的接触面应力大于设计水压力；②长期防水要求接触面应力不小于设计水压力；③密封垫在设计水压力下允许张开值应满足下式：δ≤BD/（ρmin—0.5D）十δ。十δs式中：δ——环缝中弹性防水密封垫在设计水压力下允许的缝张开值（mm）；ρmin——隧道纵向挠曲的最小曲率半径（mm）；D——衬砌外径（mm）；B——管片宽度（mm）；δ。——生产、施工中可能产生的环缝间隙（mm）；δs——邻近建筑物引起的接缝张开值（mm）。（2）耐久性要求包括防水功能耐久性、耐水性、耐动力疲劳性、耐干湿疲劳性、耐化学腐蚀性等。（3）密封材料种类可分为单一材料的、合成材料的及水膨胀的。现多采用水膨胀橡胶。它大大改善了盾构法隧道的防水性，是今后的发展方向。在设计时必须根据实际情况确定合适的膨胀倍率、膨胀时间及环境可能造成的影响。

3、隧道渗漏水机理引起隧道渗漏水的原因主要是防水材质不良或违反操作规程造成的，具体可分为以下几类：

①管片在制作时养护不合理，表面出现气孔和龟缩裂缝；管片在运输、拼装中受挤压、碰撞，缺边掉角；

②水膨胀橡胶粘贴不牢，或下坡时过早浸水使膨胀止水效果降低；

③管片拼装质量差，螺栓未拧紧，接缝张开过大；

④手孔、螺栓孔、注浆孔等薄弱部位未加防水垫片，封孔施工质量差。