盾构工程施工方法与进展

盾构法是在软土层中修建隧道的一种方法。用盾构法可以修建水底公路隧道、地下铁道、水工隧道等。盾构法最大的特点是不受地面建筑物和交通的影响，埋设的深度也可以根据设计要求而定。目前我国许多城市地铁工程施工中均采用盾构法施工，最高的月掘进进度已达到了四百多米。

8.1.1 盾构的构造

盾构是隧道施工时进行土方开挖和衬砌拼装时起保护作用的施工设备。盾构按其外形有圆筒形、半圆形、马蹄形和矩形。通常应用较多，受力状态较好的为圆筒形盾构。盾构基本构造主要由盾构壳体、推进系统、拼装系统三大部分组成。如图8.1.1所示。

图8.1.1 盾构构造简图

承环; 3—盾尾部分; 4—支承千斤顶; 5—活动平台; 6—活动平台千斤顶; 8—盾构推进千斤顶; 9—盾尾空隙; 10—管片拼装器; 11—管片

1. 盾构壳体

盾构壳体由切口环、支承环和盾尾三部分组成，由外壳钢板将这三部分连接成整体。

①切口环部分。切口环部分位于盾构最前端，环内安装挖土设备，如泥水盾构中的切削刀盘、搅拌器及吸头; 土压平衡式盾构的刀盘、搅土器和螺旋运土机的进口，水力机械化盾构中的冲水枪及吸泥口等。切口环又可以作为保护罩，对工作面起支撑作用。

②支承环。支承环紧接于切口环后，处于盾构中部、为刚性较好的圆环结构。支承环为基本的承载结构，所有地层土压力、千斤顶顶力、切口、盾尾、衬砌拼装时传来的施工荷载均由支承环承担。支承环的外沿要布置盾构液压推进千斤顶，如果盾构空间较大，所有液压、动力设备、操纵控制系统、衬砌拼装机等也要布置在支承环内; 对中小型盾构，支承环内空间较小，可以将部分设备放在盾构后面的车架上。当采用正面局部加压盾构时，由于切口环内压力高于常压，在支承环内还要布置人行加压与减压闸。

③盾尾部分。盾尾一般由盾构外壳钢板延伸而成，其主要作用是保护衬砌的拼装工作。为防止水、土和注浆材料从盾尾和衬砌之间的间隙进入盾构内，盾尾一般需要设置密封装置。盾尾密封装置如图8.1.2所示。

图8.1.2 盾尾密封装置示意图

1—橡胶带; 2—弹簧钢板; 3—盾构壳体

2. 盾构推进系统

盾构推进系统由液压设备和液压千斤顶所组成。其液压系统控制示意图如图8.1.3所示。

图8.1.3 盾构千斤顶液压系统示意图

3. 盾构衬砌拼装系统

盾构衬砌拼装系统常采用杠杆式拼装器，常以油压系统为动力。杠杆式拼装器由举重臂和驱动器两部分组成。举重臂主要用于完成衬砌的拼装工作，一般安装在盾构支承环上，也有一些与盾构脱离安装在后部车架上。小型盾构甚至将起重臂安排在平板车上。举重臂安装位置主要与设备类型和施工布置有关，可以按具体情况确定。杠杆式拼装器基本构造如图8.1.4所示。

图8.1.4 盾构杠杆式拼装图

转驱动装置; 3—举重臂; 4—衬砌卡嵌装置; 5—衬砌

8.1.2 盾构的分类和开挖方法

按盾构的开挖方式、挡土方式和工作加压方式可以分为手掘式盾构、半机械化盾构和机械化盾构; 按挡土形式又分为敞开式和密闭式; 按工作面加压方式又分为气压式、泥水加压式、削土加压式、加水式、加泥式等。手掘式盾构和半机械化盾构均为敞开式 (开胸式) 开挖，机械化盾构属于密闭式 (闭胸式) 开挖。

1. 手掘式盾构

手掘式盾构是最古老的一种盾构，由人工挖土或出土，盾构顶部装有活动前檐以支护上部土体。其构造简单、施工方便、配套设备少，是造价最低的一种盾构。其开挖时可以根据土质情况采用全部敞开开挖、正面支承开挖或随挖随撑三种方式。由于其开挖全部采用人工挖土和人工出土，劳动强度大、施工速度慢，当地质条件复杂时还必须采用人工降水或加气压等措施才能进行施工，否则容易产生流砂、涌土等现象，危及施工人员和工程的安全。目前在大型的隧道工程施工中较少采用，但在地质条件较好的小型隧道工程中仍有应用。

2. 半机械化盾构

半机械化盾构是在手掘式盾构上安装挖土装置和出土装置。挖土装置可以安装反铲挖土机、螺旋切削机或两者兼有的混合式挖土装置，地层坚硬还可以安装软岩掘进机的切削头子。直径大于5m时半机械化盾构可以加设工作平台分层施工。半机械化盾构与手工掘进式盾构相同，主要适应于地质条件较好的地层中掘进，其中反铲式挖土机适应于粘土和砂砾混合层; 螺旋切削机适应于硬粘土和硬砂土层; 混合式挖土装置适应于自立性较好的地层。这种盾构机械化程度比手掘式盾构高，但制造费用又比机械化盾构低，是比较有发展前途的盾构之一，如图8.1.5所示。

图8.1.5 半机械化盾构

1—反铲挖土机; 2—盾构千斤顶; 3-杠杆式拼装器; 4—皮带运输机

3. 机械化盾构

机械化盾构是在盾构切口环上安装与盾构直径相仿的全断面螺旋切削刀盘 (俗称大刀盘) 的开挖方式，可以连续掘进进行挖土和土的运输。这种机械的大刀盘可以在液压或电动机带动下进行双向转动切削，切削下来的土经刀盘上的预留槽口进入土舱，再经皮带机、刮板机、转盘、螺旋运输机等完成土的提升和转运。根据地质条件的不同，大刀盘可以分为刀架间无封板和有封板两种。无封板大刀盘适应于土质较好的条件，有封板大刀盘适应于地质条件较差，封板可以对土层起一定的支承作用。机械化盾构可以减轻工人的劳动强度，实现盾构施工的机械化，但这种盾构的缺点是造价高，后续设备多，在弯道施工或纠偏时不如开敞式盾构方便。

目前国内地下隧道施工时采用的泥水加压盾构、土压平衡盾构、均采用这种开挖方式。

8.1.3 机械化盾构的施工

当地层能够自立或采用其他辅助设施能够自立时，一般采用开胸机械化盾构施工。当地质条件较差，且又不能采用其他辅助设施时，采用闭胸式机械化盾构施工。闭胸式机械化盾构施工包括局部气压盾构、泥水加压盾构和土压平衡盾构。

1. 局部气压盾构

局部气压盾构是在开胸式盾构的切口环和支承环之间安装一道密封金属隔板，使开挖面和切口环之间部分形成一个局部密封舱，开挖时密封舱内灌入压缩空气，使开挖面和开挖设备处于压缩空气之内，从而保持开挖面的稳定。这种方法的优点是工人不在压缩空气舱内工作，与整个隧道施工段内加压的全气压盾构法施工相比较，削除了压缩空气对人身体的危害，有较大的优越性。但这种局部气压盾构还存在以下问题需要解决:

①局部密封舱的体积小，压缩空气体积小，遇到透气性较大的地层，空气损失量大，难以保持开挖面气压的稳定。

②盾尾密封装置不严密，压缩空气从盾尾内大量泄漏，对开挖面的气压稳定不利.

③从密封舱内连续出土装置还存在漏气与寿命不长的问题。

2. 泥水加压盾构

泥水加压盾构是20世纪70年代英国最早开发和应用的，1975年起在日本得到广泛的应用。1994年，日本东京湾道路隧道工程采用了8台当时世界上最大直径14.14m泥水加压盾构机掘进18.8km海底隧道，这是世界上最先进、自动化程度最高的盾构掘进机。如图8.1.6所示。

图8.1.6 泥水加压盾构示意图

超挖转力; 2—搅拌机; 3—土砂密封; 4—径向轴; 5—刀盘旋转液压电机; 6—盾尾密封片; 8—滚筒筛旋转液压电机; 9—取砾装置旋转液压电机; 10—取砾装置; 11—滚筒筛12—举重臂; 13—盾构千斤顶; 14—装载车斗; 15—推进轮; 16—孔口开闭装置

泥水加压盾构是在开挖面的密封舱内注入泥水，用泥水压力代替空气压力和化学灌浆抵住开挖面的土压力，用全断面的机械化开挖代替人工开挖或半机械化开挖，用管道输送泥浆的方法替代提升机、皮带运输机等的出土，从而完成开挖掘进的全过程。

泥水加压盾构设有掘进管理、姿态自动计测系统、泥水输送、泥水分离和同步注浆系统。掘进管理和姿态自动计测系统能及时反映盾构开挖面水压、送泥流量、排泥流量、送泥密度、排泥密度、千斤顶顶力和行程、刀盘扭矩、盾构姿态、注浆量和压力等参数，便于准确设定和调整各类参数。

目前国内最大的泥水加压盾构直径达到14.67m，由常熟市中交天和机械设备制造有限公司生产，2012年已用于南京纬三路过江隧道的施工中。根据规划南京纬三路过江隧道路线全长7.363km，两股隧道均为双层结构，上下两层均可以行车。其中，上层均为江北往江南方向的车道，下层均为江南往江北的车道。行车道按照城市快速路标准设计，时速80km。建成后通行能力将是长江大桥的2倍多。计划2014年7月底通车。

3. 土压平衡盾构

土压平衡盾构又称密闭式或泥土加压式盾构，是在局部气压盾构和泥水加压盾构的基础上发展起来的一种适应于含水饱和软弱地层中施工的新型盾构。如图8.1.7所示。

图8.1.7 土压平衡盾构示意图

1—刀盘用油马达; 2—螺旋运输机; 3—螺旋运输机马达; 4—皮带运输机; 5—闸门千斤顶6—管片拼装器; 7—刀盘支架; 8—隔壁; 9—紧急用出入口

土压平衡盾构的头部设有全断面切削刀盘，在切口环与支承环之间设有密封隔板，形成密封的泥土舱，当盾构向前推进时，由切削刀具切削下来的土体进入密封舱，由刀盘后面的搅拌叶片进行强制搅拌，形成具有流动性和不透水性的特殊土，当土足够多时可以与开挖面上的土、水压力相抗衡，以保持开挖面土层的稳定。土压平衡盾构又分为土压式和水压式两种。土压式盾构主要适应于在淤泥和粘土中掘进，其原理是土在螺旋输送机内通过螺旋的旋转产生压缩，形成连续的防水土塞，以抵抗地下水压力，排除的含水泥土可以用皮带运输机运走; 水压式盾构主要适应于砂与砾石组成的高渗透性的土层掘进，因为这种土在螺旋输送机内难以形成防水土塞，所以在螺旋输送机的出口处，安装一台排泥隔离器，这台排泥隔离器既可以隔离砾石，又可以给膨润土泥浆提供压力以保持和地下压力相平衡，还可以将排出的泥土以泥浆的形式向隧道外的泥水处理器设备输送。排出泥浆中的砂土经沉淀后运走，而膨润土泥浆需要回收重复循环使用。

目前我国自行研制和设计的土压平衡盾构机直径达到14.27m，由上海隧道工程股份有限公司制造，2010年已经用于上海世界博览大会服务的外滩通道。

8.1.4 盾构基本尺寸的选定和盾构推力计算

1. 盾构壳体尺寸的确定与计算

盾构的尺寸必须和隧道的尺寸相适应，一般可以按施工要求或经验确定盾构的直径。下面介绍几个参数的确定方法。

(1) 盾构的外径

盾构的外径要稍大于隧道衬砌的外径，以便盾构开挖后在隧道衬砌的外径和隧道之间留有一定的建筑间隙，其建筑间隙的大小取决于: 盾构制造及衬砌拼装的允许误差;方便于盾构偏离设计轴线时进行水平方向和垂直方向的纠偏; 方便于衬砌工作的拼装进行。在满足上述条件时应尽量减小建筑间隙，以免过大的隧道超挖量给结构、施工带来不利和建筑材料的浪费。考虑以上因素，盾构的外径可以按以下两式计算，如图8.1.8所示。

图8.1.8 盾构直径计算简图

(1)

D=d+2 (x+δ)　(8.1.1)

式中: D——盾构外径 (mm);

d——隧道外径 (mm);

x——盾构建筑间隙 (mm);

δ——盾尾钢板厚度 (mm)。

其中盾构建筑间隙x的尺寸，在一般工程中可以按0.008d～0.01d考虑，其次为满足盾构在曲线段或纠偏时的需要，盾构建筑间隙的最小值应满足

式中: M——盾尾遮盖部分的衬砌长度;

l——盾尾内衬砌环上顶点能转动的最大水平距离，通常取=0.0125d。

所以x=0.0125M，一般取为30～60mm。

(2)

D=d内+2(t+x+T+t'+e)　(8.1.3)

式中: d内——隧道内径(mm);

T——隧道衬砌厚度 (mm);

t——盾尾钢板厚度 (mm);

t'——隧道内衬厚度 (双层衬砌时) (mm);

e——预留施工误差 (事先应有规定);

D、x意义同前。

通常盾尾处钢板厚度可以参考已有盾构的盾构外壳厚度或根据经验公式确定。计算盾尾钢板厚度的经验公式为

δ=0.02+0.01 (D-4) (m)　(8.1.4)

式中: δ——盾尾钢板厚度 (m);

D——盾构外径 (m)，当D＜4m时，则式中第二项为零。

按上式计算的盾尾钢板的厚度往往偏大，实际使用时可以采用工程的类比法来决定其盾尾钢板的厚度。

盾尾的钢板厚度可以参考表8.1.1选取，表8.1.1中的尺寸部位如图8.1.9所示。

8.1.9 盾壳厚度参考尺寸示意图

表8.1.1 盾构钢板厚度表

(2) 盾构的长度

盾构的长度由切口部分长度、支撑部分长度和盾尾部分长度组成，其长度的大小主要取决于开挖方法、预制衬砌环的宽度和盾构衬砌的灵敏度。盾构衬砌的灵敏度是指盾构的总长度与盾构外径之比。一般盾构的灵敏度在盾构的直径确定之后，可以按以下经验公式确定:

小型盾构 (D=2～3m)，L/D=1.5;

中型盾构 (D=3～6m)，L/D=1.00;

大型盾构 (D=3～6m)，L/D=0.75。

国外也有学者认为当盾构直径D＜3.5m时，L/D≥1.00; 当盾构直径D取3.5～7.0m时，L/D＜0.75; 当盾构直径D＞7.0m时，L/D＜0.45～0.50。

盾构总长可以按切口、支承、盾尾三部分的作用及构造要求确定，其计算公式如下

L=L1+L2+L3　(8.1.5)

①切口部分长度L1。在机械化盾构中仅考虑容纳开挖机具即可，但在手掘式盾构中还要考虑人工开挖的方便，因此要求较长，其最大值应满足下式要求

L1·max=D·tanφ(或L1·max≤2000mm)　(8.1.6)

式中: D——盾构外径 (mm);

φ——开挖土面的坡度，一般取45°。

在棚式盾构中，可以按人的高度来分层，即层数N=D/H (H为人的高度，N取为整数)。此时L1可以比敞开式盾构小一些。以最大层高H代替上式中的D，则

L1·max=Htanφ (或L1·max≤2000mm) (8.1.7)

有些盾构另有前檐，其长度可以取为300～500mm，视盾构直径大小而定。

②支承环长度L2。该部分长度取决于千斤顶长度，而千斤顶长度又与预制衬砌的环宽有关，即

L2=WC+l　(8.1.8)

式中: WC——最大衬砌环宽度(mm) (应考虑楔形衬砌与变宽度衬砌);

l——富余量，一般取200～300mm，主要考虑维修千斤顶方便等因素。

③盾尾部分长度L3。盾尾部分的长度越短越好，盾尾部分短了可以增加盾构操纵的灵活性和改善盾构的受力状况。其计算公式为

L3=KWC+LS+C　(8.1.9)

式中: WC——衬砌环宽度(mm);

K——系数，取1.5～2.5，与是否需要更换损坏的衬砌及盾尾密封装置等因素有关;

LS——千斤顶分部器(顶块) 厚度(mm);

C——富余长度，取80～200mm，选取时应考虑穿纵向螺栓及环面清理工作方便。

2. 盾构推力计算

盾构千斤顶的顶力一般应考虑以下几种阻力: 盾构外壁与周围土层的摩阻力; 盾构切口部位刃口的切入阻力; 管片与盾尾之间的摩擦力; 盾构自重产生的摩阻力; 开挖面支撑阻力等。此外，还要包括盾构曲线施工与纠偏时的阻力; 局部气压和泥水压力; 土压平衡阻力等。盾构的阻力可以按下面方法计算。

(1) 盾构外壁与周围土壤的摩阻力F1

F1=μ1［2 (Pv+Ph) L·D］　(8.1.10)

式中: μ1——土与钢壳的摩擦系数，一般取0.4～0.50;

Pv——垂直土压力，可以用覆盖的γ·h值(k Pa);

Ph——水平主动土压力，可以用γ·htan2(k Pa);

L——盾构全长 (m);(www.xing528.com)

D——盾构外径 (m)。

(2) 切口环部分刃口切入土层阻力F2

F2=DπL(Pvtanφ+c)　(8.1.11)

式中: φ——土体的内摩擦角;

C——土体的内聚力 (k Pa)。

其余符号意义同前。

(3) 管片与盾构之间摩擦力F3

F3=μ1WL'　(8.1.12)

式中: μ1——盾尾与衬砌(管片) 之间的摩擦系数，一般取0.4～0.5;

W——一环衬砌重量 (kN);

L'——盾尾中衬砌的环数。

(4) 盾构自重产生的摩阻力F4

F4=Gμ2　(8.1.13)

式中: G——盾构自重 (kN);

μ2——钢土之间的摩擦系数，一般取0.2～0.6。

(5) 开挖面正面支撑的阻力F5

①若盾构推进时切入环不切入地层，则需要克服开挖面支撑上的地层主动土压力。则

式中: h——为盾构1/2直径高度处的地层深度。

②若盾构推进时切口环切入地层，则切口环部分产生的阻力F″5为

F″5=πDkδkPp　(8.1.15)

式中: Dk——切口环部分平均直径(m);

δk——切口环部分厚度(m);

Pp——被动土压力，

故在开挖地层时，要求支撑开挖面的盾构阻力为Fs=F'5+F″5。

(6) 闭胸挤压盾构的地层正面阻力F″5为

其他各项阻力可以根据盾构的实际受力情况计算，叠加后即为盾构推进的总阻力。但是由于以上计算公式都属于近似计算公式，所以一般在确定盾构千斤顶的总顶推力时，要乘以1.50～2.0的安全系数。

8.1.5 盾构法施工的步骤

1. 建造盾构工作井

采用盾构法施工时，一般需在盾构推进的始端和终端设置工作井，按工作井的用途，分为盾构始发井和盾构接收井，主要用于盾构的安装和拆卸工作。

盾构始发井是用于组装、调试盾构，隧道施工期间作为管片、其他施工材料、设备、出碴的垂直运输及作业人员的出入通道。井的平面净尺寸必须满足上述各项的要求。一般情况下在盾构两侧各留1.5m作为盾构安装作业的空间。盾构的前后应留出洞口封门拆除、初期推进时出碴、管片运输和其他作业所需的空间，井的长度应比盾构主机长3.0m以上。

盾构接收井宽应比盾构直径大1.5m以上，井的长度应比盾构主机长2.0m以上。

若盾构推进长度较长，还应设检修工作井。这些盾构工作井和检修工作井一般都应尽量结合盾构施工线路上的通风井、排水泵房、地铁车站以及立体交叉、平行交叉、施工方法转换处来设置。

2. 盾构基座

盾构基座在井内主要的作用是放置盾构机和使盾构机通过其上设置的导轨在施工前获得正确的导向。基座可以采用钢筋混凝土浇筑或采用钢结构制作。导轨一般由两根或多根钢轨组成，其平面位置和高程应根据隧道设计、施工要求等进行测量定位。始发基座安装时，要求整个台面处于同一平面上，高度偏差不大于30mm，前端左右高程偏差不大于20mm，始发基座与隧道设计轴线的偏差不大于5‰。

3. 盾构进出洞方法

盾构进出洞是盾构法施工的重要环节，处理好盾构的进出洞，能减少许多后患，提高施工速度。盾构出洞应在始发井内按设计要求和推进方向预留出孔洞及临时封门，待盾构在井内安装就位，所有工作准备就位即可拆除封门，在千斤顶的推力作用下靠后座管片的反作用力将盾构推入地层，如图8.1.10所示。

图8.1.10 盾构出洞示意图

1—工作井; 2—后座管井; 3—盾构基座; 4—盾构

盾构出洞在可能产生流砂的地区，应在工作井外20m左右的区段内采用井点降水处理或在工作井内采用气压帮助出洞施工。

盾构进洞应防止地下水和流砂涌入工作井，对土质较差地段应采用降水、局部冻结或化学灌浆等方法改良土体，以减少水、土压力和稳定洞口土体。改良土体的范围应考虑管片壁后注浆的要求，一般为盾构长度加三环管片长度，如图8.1.11所示。

图8.1.11 盾构进洞示意图

8.1.6 盾构衬砌

盾构顶进后应及时进行衬砌工作，衬砌的作用是: 在施工过程中，作为施工临时支撑，并承受盾构千斤顶后背的顶力; 盾构施工结束后，作为永久性承载结构，承受周围的水、土压力，同时防止泥、水的渗入，满足盾构内部的设计使用要求。

盾构衬砌有如下三类:

1. 按材料区分

①铸铁管片。主要采用球墨铸铁，其延性和强度接近钢材，耐磨性好，机械加工后精度也较高，能较好地防渗抗漏。其缺点是抗拉强度远低于抗压强度，使用过程中易发生脆性破坏，机械加工量也大，价格昂贵，近年来已逐步由钢筋混凝土管片取代。

②钢管片。钢管片具有强度高，重量轻的优点，重量比同样尺寸的铸铁管片轻2～2.5倍，其缺点是刚度小、耐锈蚀性差，机械加工量和钢材消耗量均较大，且价格昂贵，一般采用较少。

③) 复合管片。外壳采用钢板制作，其内部浇筑钢筋混凝土，组成一复合结构，强度比钢筋混凝土管片高，刚度比钢筋混凝土管片大，重量比钢筋混凝土管片轻，金属消耗量比钢管片小。其缺点是钢板耐腐蚀性差，加工较复杂。

④钢筋混凝管片。钢筋混凝土管片具有强度高、耐腐蚀性好、适应性强等特点。在国内外盾构衬砌中已取代铸铁管片和钢管片。其中以装配式钢筋混凝土管片使用最广泛。

2. 按结构形式区分

装配式钢筋混凝土管片按使用要求不同可以分为箱形管片、平板形管片等若干种结构形式。一般钢筋混凝土管片均采用螺栓连接，以增加结构的整体性和强度。在特定的条件下平板形管片也可以不设螺栓连接。不设螺栓连接的管片称为砌块。砌块形状有矩形、梯形、中缺形等。

①管片。管片之间采用螺栓连接，螺栓不仅将一环中相邻两管片连接，而且也将相邻两环管片连接。为了提高单块管片的刚度，管片最好采用带肋的，每环管片肋数应不小于盾构千斤顶数。由于管片之间设置了众多的环和纵向螺栓，提高了钢筋混凝土衬砌的强度，可以承受较大的正、负弯矩，但也使拼装速度大为降低，同时也增加了施工费用和衬砌费用。管片一般适用于地质条件不稳定的地层。

②砌块。要根据盾构直径和施工技术条件，确定每环砌块的分块数。由于分块要求，使由砌块拼成的圆环 (超过三块以上) 成为一个不稳定的多铰圆形结构。衬砌结构必须通过变形后 (变形量要加以限制) 地质介质对衬砌环的约束使圆环得以稳定。砌块的形状一般可以采用矩形、梯形、中缺形。矩形砌块形状简单，拼装方便，但整体性差; 梯形砌块较矩形砌块整体性好; 整体性最好的为中缺形砌块。但中缺形砌块安装精度要求较高，若出现误差不易调整。一环中砌块和相邻两环砌块接缝的防水必须处理好，否则容易引起圆环变形量急剧增加，导致圆环丧失稳定。接缝之间的防水一般采用粘着力好，不透水性强的粘结剂，如沥青玛脂、环氧胶泥等。砌块一般适用于含水量较少的稳定地层内。

3. 按构造形式区分

盾构衬砌按构造形式可以分为单层衬砌和双层衬砌两种形式。

(1) 单层衬砌。一般用于含水量较小的软土地层内，含水量较大的软土地层大多数都采用双层衬砌。

(2) 双层衬砌。外层采用装配式衬砌结构，内层采用混凝土或钢筋混凝土结构。但采用双层衬砌增大了开挖断面，增加了出土量，同时也使工程成本大大增加。为降低工程成本，也可以将外层衬砌作为施工的临时支撑结构，这就降低了对外层衬砌材料的要求。浇筑内层衬砌之前，首先对外层衬砌进行清理、堵漏，作一些结构处理后，再浇捣内层衬砌，并使外层衬砌和内层衬砌连成整体结构共同抵抗外荷载。

8.1.7 装配式钢筋混凝土管片

装配式钢筋混凝土管片目前应用十分广泛，其构造如下:

1. 环宽

环宽是指管片宽度。金属管片或钢筋混凝土管片环宽一般为500～1500mm之间，最常用的为1200m。环宽过小，接缝数量增加，增加了防水困难; 环宽过大，增加了盾尾长度，影响盾构的灵敏度，使盾构纠偏困难。一般来说，大隧道环宽可以比小隧道大一些。

当盾构需要在曲线段上推进时，应增加楔形环，楔形环的锥度可以按隧道曲率半径计算。如表8.1.2所示。

表8.1.2 管片环宽锥度

2. 分块

衬砌圆环的分块主要考虑管片制作、运输、拼装方便，也有少数从受力角度考虑。衬砌圆环分块对双线地下铁道可以分为8～10块，单线地下铁道可以分为6～8块，小断面隧道可以分为4～6块。若从受力角度考虑可以采用4等分管片，将接缝设在内力较小的45°或135°处，使衬砌有较好的强度和刚度。管片最大弧弦长度一般不宜超过4m，衬砌愈薄，长度愈短。

3. 封顶管片

考虑施工方便和受力的需要，按隧道施工经验，一般宜采用小封顶形式。

封顶拼装方式有两种，一种为径向楔入; 另一种为纵向插入。从受力角度来看，纵向插入形式较好，承受外载后，不易向内滑移，但结构复杂，制作拼装困难。某些隧道工程也有将封顶块置于45°、135°以至180°处的。

4. 拼装方法

管片拼装方法按结构受力要求分为通缝拼装和错缝拼装两种。通缝拼装要求所有管片纵缝要环环对齐。其优点是拼装方便，衬砌环施工应力小，也易对位。其缺点是环面不平整时，误差容易积累，不易纠正。当采用较厚现浇防水材料时，更是如此。错缝拼装，即每一圆环的纵缝和相邻圆环纵缝错开1/3～1/2管片，为拼装方便可以采用楔形连接。

一般当结构设计需要利用衬砌本身来传递圆环内力时，宜采用错缝拼装。错缝拼装隧道整体性强，但环面不平整，易引起施工应力发生，环、纵缝相交处呈丁字形式，防水处理也较通缝拼装困难。所以通常宜采用通缝拼装，以利于进行结构和防水处理。

管片拼装应符合下列要求:

①管片最大的弧弦长度不宜大于4m;

②管片应按拼装顺序分块编号;

③管片宜采用先纵向后环向的顺序拼装。其接缝宜设置在内力较小的45°或135°位置。

5. 环、纵向螺栓

为提高管片的整圆度和强度，管片宜采用环、纵向螺栓连接。环向螺栓按衬砌接缝内力要求，可以设置成单排和双排。单排螺栓用于直径较小隧道，螺栓孔的位置设置在离管片内侧1/3厚度处。直径较大隧道，按受力要求管片厚度也较大，宜在管片纵向缝上设置双排螺拴，外排抵抗负弯矩，内排抵抗正弯矩，每一排螺栓由2～3只螺栓组成。纵向螺栓要按管片和结构受力要求确定，其数量不一。纵向螺栓孔位置一般设在离隧道内侧管片厚度1/4～1/3处。环、纵向螺栓孔直径宜比螺栓大3～6mm，以便于安装。

8.1.8 装配式衬砌防水

地下盾构工程施工最主要的就是衬砌防水问题。装配式衬砌宜采用防水混凝土制作，当隧道处于侵蚀性介质的地层时，应采取相应的耐侵蚀混凝土或外涂耐侵蚀的外防水涂层的措施。当处于严重腐蚀地层时，可以同时采取耐侵蚀混凝土和外涂耐侵蚀的外防水涂层措施。装配式衬砌按衬砌的构造形式不同，分为单层衬砌防水和双层衬砌防水两大类。无论采用单层衬砌防水或双层衬砌防水，管片防水技术均包括四项主要内容，即管片防水、密封垫防水、嵌缝防水和螺栓防水，如图8.1.12所示。

图8.1.12 管片防水部位示意图

垫; 2—环缝防水密封垫; 3—嵌缝槽; 4—螺旋孔

1. 单层衬砌防水

单层衬砌防水的关键是防水接缝构造。防水接缝构造所选用的材料的性能和特点，直接影响到单层衬砌的防水效果，为保证单层衬砌的防水质量，除保证混凝土管片本身不漏水外，还应认真选择防水接缝材料。一般要求所选用的防水接缝材料要有较高的耐老化性能，在承受接头的紧固压力和千斤顶推力引起的往复变形后，仍有良好的弹性复原力、粘着力和防水性能。

单层衬砌除设密封条 (垫) 沟槽外，内侧还应加设嵌缝槽。嵌缝材料应具有弹塑性、收缩性小、与潮湿混凝土结合力强; 便于施工等特性。单层衬砌防水接缝构造要求如下:

①管片采用多道防线的防水结构形式，即在每一块管片上设置两道密封沟，管片内沿设置嵌缝槽。如图8.1.13所示。

图8.1.13 单层衬砌防水构造

1—环缝密封垫; 2—纵缝密封垫

密封垫视为主要防线，如果防水效果优良，可以省掉嵌缝工序或只进行部分嵌缝。

②密封沟内设置的防水密封垫，主要采用氯丁橡胶或丁苯橡胶制作。橡胶衬垫主要依靠相邻管片的接触压力挤密之后达到防水效果。一般要求橡胶衬垫具有良好的弹性恢复能力，能够永久适应接缝的伸张变形，并具有足够的承压能力。

2. 双层衬砌防水

双层衬砌防水主要解决好管片防水、防腐蚀和结构补强问题。双层衬砌防水，一般内侧要求附加防水层，即在管片内表面涂刷防水涂料或粘贴卷材防水层。如果管片接缝防水效果较好，也可以不作附加防水层。当采用现浇钢筋混凝土作内衬时，内层衬砌混凝土浇筑前，应将外层衬砌的渗漏水引排或封堵，内表面凿毛，并清理干净。

双层衬砌的管片、砌块至少应设置一道密封条 (垫) 沟槽。弹性密封条 (垫) 宜选择具有良好回弹性、耐久性、耐水性的橡胶类材料，其外形应与沟槽相一致。

8.1.9 衬砌壁后注浆

衬砌壁后注浆起着控制地层变形，减少隧道沉降，加强衬砌防水性能、改善衬砌受力状态 (保持管片衬砌拼装后的早期稳定) 的作用，在盾构施工时，可以选择注浆的合理位置注浆，实现盾构纠偏。

1. 注浆工艺

注浆工艺的选择应根据隧道变形及地层变形的控制要求决定。注浆工艺一般有同步注浆、即时注浆、二次补强注浆等类型。注浆应根据地层性质、地面荷载情况、允许变形速率等要求进行合理选定。

(1) 同步注浆

同步注浆是通过同步注浆系统及盾尾的注浆管，在盾构向前推进盾尾空隙形成的同时进行。浆液在盾尾空隙形成的瞬间及时起到充填作用，从而使周围岩体获得及时的支撑，可以有效地防止岩体的坍陷，控制地表的沉降。一般而言，同步注浆压力取1.1～1.2倍的静止水土压力，最大不超过0.3～0.4MPa。如果注浆压力过大，会导致地面隆起和管片变形，还易漏浆。如果注浆压力过小，则浆液填充速度赶不上空隙形成速度，又会引起地面沉陷。

(2) 即时注浆

即时注浆是通过管片上注浆孔将浆液注入管片背后的方法。其浆液充填时间滞后于掘进一定的时间。一般运用于自稳能力较强的地层。

(3) 二次补强注浆

为提高背衬注浆层的防水性及密实度，考虑前期注浆效果不佳以及浆液固结率的影响，必要时在同步注浆结束后进行二次补强注浆。补强注浆一般在管片与岩壁间的空隙充填密实性差，致使地表沉降得不到有效控制的情况下才实施。根据地表沉降监测的反馈信息，结合洞内超声波探测所得的背衬后空洞情况，综合判断是否需要进行补强注浆。二次补强注浆的水泥浆注浆压力为0.2～0.4MPa，浆液流量为10～15L/min，使浆液能沿管片外壁较均匀的渗流，而不致劈裂土体，形成团状加固区，影响注浆效果; 水玻璃双液浆注浆压力为0.3～0.6MPa。

2. 注浆的材料

(1) 同步注浆材料

同步注浆材料采用水泥砂浆作为同步注浆材料，具有结石率高、结石体强度高、耐久性好和能防止地下水浸袭的特点。其中水泥作为提供浆液固结强度和调节浆液凝结时间的材料，砂作为填充料，粉煤灰可以改善浆液的和易性，膨润土用以减缓浆液的材料分离，降低泌水率，减水剂作为水泥的润滑剂。

在盾构施工中，同步注浆材料应根据地层条件、地下水情况及周边条件等，通过现场试验确定其最优配合比。同步注浆材料配合比如表8.1.3所示，供参考。

表8.1.3 同步注浆材料配比

(2) 二次补强注浆材料

二次补强注浆材料一般采用水泥浆液和水玻璃双液浆。

首先是将水泥浆液通过管片中部的注浆孔进行二次补强注浆，弥补同步注浆未填充部分和体积减少部分，然后是注水玻璃双液浆对注浆孔 (开孔位置) 进行封口。

二次补强水泥浆液配合比如表8.1.4所示，供参考。

表8.1.4 二次补强材料配合比

水玻璃双液浆配合比: 水泥浆水灰比0.5，水泥浆和水玻璃比例1∶ 1。