一级市政——盾构施工方法 64页

盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHNIQUE 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 1 盾构概论 2 典型盾构介绍 3 盾构在我国的发展与应用 4 盾构的市场前景 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 1 盾构概论 隧道及地下空间的大发展，促进了盾构法施工技术的进步。盾构施工的历史，始于英国，发展于日本德国。自从 1825 年布鲁诺尔在伦敦泰晤士河下使用矩形盾构开始修建第一条盾构法隧道以来，盾构法施工已有 180 多年的历史。我国自 20 世纪 50 年代开始涉足盾构法修建隧道和管道工程，最近十年开始大规模应用。虽然起步较晚，但由于主意吸收和采用先进技术和工艺、参考和借鉴国外成功的经验和失败的教训，所以发展较快，但与国外先进国家仍存在较大差距。 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 1.1 盾构及其工作原理 概念：是一种用于软土隧道暗挖施工、具有金属外壳、壳内装有整机及辅助设备，在其掩护下进行土体开挖、土渣排运、整机推进和管片安装等作业，而使隧道一次成型的工作机械。 盾构是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装隧道衬砌、量测导向纠偏等功能。 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 盾构的三大要素： 1 、开挖面稳定 2 、掘进及排土 3 、管片衬砌及壁 后注浆。 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 盾构与硬岩掘进机（ TBM ）的区别： TBM 不具备泥水压、土压等维护掌子面稳定的功能。 2. 盾构通过盾尾千斤顶支顶已安装好的管片来获得反力； TBM 通过支在岩壁上的支撑靴的弯矩和扭力获得反力。 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 1.2 盾构分类 按断面形状分类 按支护地层的形式分类 按开挖面与作业室之间隔板的构造分类 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 1.2.1 按断面形状分类 单圆盾构、复圆盾构（多圆盾构）、非圆盾构。 异形盾构包括复圆盾构（双圆和三圆）和非圆盾构（椭圆形盾构、矩形、马蹄形、半圆形） 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 双圆和多圆盾构 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 自然支护式 机械支护式 压缩空气支护式 泥浆支护式 土压平衡式 1.2.2 按支护地层的 形式分类 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 手掘式盾构 全敞开式 半机械式盾构 机械式盾构 敞开式 部分敞开式 挤压式盾构 盾构 压气式 压缩空气盾构 闭胸式 泥水式 土压平衡盾构 土压平衡盾构 土压式 加泥式土压平衡盾构 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 3 典型盾构介绍 敞开式盾构 压缩空气盾构 泥水盾构 土压平衡盾构 复合盾构 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 3.1 敞开式盾构 （ Open face shield OF 盾构） 1 全敞开式：手掘式（砂性土和黏性土地层均能适用，便于观察地层，清除障碍，易于纠偏） 2 半地机械（部分断面开挖盾构 — 适用于良好层 ：反铲式和铣削头式） 3 机械式（全断面开挖） OF 盾构 —— 自稳性强的围岩，各种非黏性和黏性地层在地下水位以下地层或渗漏地层掘进时，必须用井点降水降低地下水位。 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 敞开式盾构 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 半机械式盾构 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 反铲式盾构 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 机械式盾构 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 4 挤压式盾构 (Blind type shield 盲式盾构 ) 对底层的扰动较大，地面易产生较大的隆陷变化，在地面有建筑物地区不宜使用。 仅适用于自稳性很差，流动很大的软黏土和粉砂质围岩，不适用于含砂率高的围岩和硬质围岩。 Ⅰ 盖板式挤压盾构 利用隔板将开挖面全部封闭，只在一部分上设面积可调的排土盖板，盾构正面向前推进，使贯入部位土砂呈塑性化流动，由盖板部位出土。通过调节盖板开口的大小和排土阻力使千斤顶推力和开挖面土压力达到平衡。 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE Ⅱ 螺旋出土式挤压盾构 利用封板将开挖面封闭，盾构正面贯入围岩向前推进，使贯入部位土砂呈塑性化流动，由螺旋输送机进行排土。通过调节 螺旋输送机的速度和土闸门打开度，来实现千斤顶推力和开挖面土压力的平衡，以稳定掌子面。 Ⅲ 网格挤压盾构 在上海软土地层中常常被采用，进土量接近或等于全部隧道其出土量，且往往带有局部挤压性质，盾构正面装钢板网格，在推进中可以且学土体，而在停止推进时可以起到稳定开挖面的作用。可有效控制地表变形。 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 网格挤压式盾构 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 3.2 压缩空气盾构 （ air pressure balance APB 盾构） 适用于黏土，黏砂土，多水松软地层 原理：空气压力与地下水的静压力保持平衡，土压由自 然或机械的支撑承受。 要保证压力平衡 ，否则顶部过剩的压力“喷发”的危险 已被泥水盾构取代 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 3.3 泥水盾构 （ slurry pressure balance shield SPB 盾构） 泥水盾构的构成： 一边利用刀盘挖掘整个开挖面、一边推进盾构掘进系统 可调整泥浆物性，并将其送到开挖面，保持开挖面稳定的泥水循环系统 综合管理送排泥状态、泥水压力及泥水处理设备运转状况的综合管理系统 泥水分离处理系统 壁后同步注浆系统   盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 目前最大的泥水盾构 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 目前最大的泥水盾构 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 日本泥水盾构 土压平衡盾构 德国泥水盾构 混合型盾构 日本体系：泥水仓全是泥水，直接控制型泥水盾构，调节控制阀来开度，来进行泥浆压力控制。 德国体系：泥水仓中设置了气压仓，间接控制型泥水盾构，气压复合模式，调节空气压力来进行泥浆压力控制，液位传感器根据液位的高低来调整液位。 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 泥水盾构 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 1 开挖面稳定机理 2 泥膜形成机理 泥膜形成的基本要素（泥水的密度、含砂率、泥水的黏性、泥水压力：土压力、水压力、预留压力） —— 尽快形成不透水的泥膜 。 掘进速度与泥膜的关系：高质量泥水成膜时间 1-2 秒 3 地质适用范围 1. 黏性土层 2. 砂层 3. 砾石层 4. 贝壳层 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 3.4 土压平衡盾构 (earth pressure balance EPB 盾构 ) 一 . 基本配置 1. 刀盘 刀具的三大功能：开挖功能、稳定功能、搅拌功能 土压平衡式盾构的刀盘有两种形式：面板式和辐条式，其中面板式安全性高，但易堵塞 ; 辐条式开口率大，不易堵塞，但不能安装滚刀，安全性差，费用高，需加固土体。 2. 刀盘的驱动方式：变频电机驱动、液压驱动、定速电机驱动 3. 刀盘支承：中心支承方式（中小型盾构）、中间支承方式（中大型）、周边支承方式（小型盾构） 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 土压平衡盾构（面板式和辐条式） 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 4. 膨胀土添加系统和泡沫系统 5. 螺旋输送机 6. 皮带输送机 7. 同步注浆系统（作用：防地表沉降、防水、与围岩一体） 8. 盾尾密封系统 铰接式盾构：铰接密封、盾尾密封 9. 管片安装机：机械抓取式、真空吸盘式 10. 数据采集系统 11. 导向系统（ VUT 导向系统和 PPS 导向系统） 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 目前最大的土压平衡盾构 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 二 . 开挖面稳定机理 刀盘切削下来的土渣与螺旋输送机向外输送量相平衡； 土压传感器：控制推进力、推进速度、螺旋输送机转速。 排土量：由螺旋输送机的转速和出土闸门的开度来调节 适用于黏性土和砂性土 土压平衡盾构开挖面的稳定由下列各因素综合作用而维持： ①土仓内的土压力平衡地层压力和水压力。 ②螺旋输送机调节排土量 ③适当保持泥土的流动性，根据需要调节添加剂的注入量 土仓内的泥土压力与地层压力与水压力 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 土压平衡盾构 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 三 . 地质适应范围 黏稠土壤中（黏土、亚黏土、淤土、低渗透性图），作为支撑介质土料要具有良好的塑性变形、软稠度、内摩擦角小及渗透率小 A 型：特殊发泡剂 B 型：泡沫添加剂   盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 3.5 复合盾构 一台盾构在不同地层经转换可以以不同的原理和方式运行，这类盾构称为复合盾构，也称混合盾构， poly shield 或 Mix shield 也有称其为 combined shield 。 组合模式：压缩空气 / 敞开式盾构，泥水式 / 敞开式，土压平衡 / 敞开式，泥水式 / 土压平衡，敞开式 / 泥水式 / 压平衡，敞开式 / 压缩空气 / 土压平衡。 适用于软土和硬岩的复杂地层施工 特点： 1. 既有切刀和刮刀等软刀工具，又安装有滚刀等硬刀具。 具有两套出渣系统 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 盾构刀具 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 滚刀和刮刀 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 中铁隧道集团研制的复合盾构 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 复合式土压平衡盾构 只有一套出渣系统：螺旋输送机 三种掘进模式：土压平衡模式、敞开模式、半敞开模式（压缩空气加压模式） 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 敞开模式：掌子面足够稳定并且涌水能够控制时 半敞开模式（加气模式）： 掌子面具有足够的自稳能力，且水压小于 1.5×10 5Pa ，下部为刀盘切削下来的渣土，上部为压缩空气，当土仓内压不大于 1×10 5 Pa 时不会发生螺旋输送机出渣喷涌现象 ; 当土仓内气压不小于 1×10 5 Pa 且不大于 1.5×10 5Pa 时，可能会发生出渣喷涌现象，但可以控制。 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 盾构安装 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 盾构施工 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 土压平衡掘进模式 主要用于开挖面不能自稳或地下水较多以及流塑性的软粘土地层或砂土地层。土压平衡掘进可以有效地防止过大的地面沉降。 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 复合式土层平衡盾构在土压平衡模式下工作时，必须具备以下功能特点： 1 土压监测功能； 2 必须具有泡沫、膨润土和压缩空气注入系统； 3 密封防水性能：主轴承、铰接密封和盾尾密封必须具有一定的防水性能； 4 刀盘的主轴承密封必须能承受一定的压力； 5 螺旋输送机的出渣量、出渣速度可控，随时间可关闭，具有防喷涌的功能，建立土塞效应。 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 1.3 盾构在我国的发展与应用 我国盾构的开发与应用始于 1953 年，东北阜新煤矿用手掘式盾构修建了直径 2.6m 的疏水巷道。 1962 年 2 月，上海城建局隧道工程公司结合上海软土地层，研制了 1 台 4.16m 的手掘式普通敞胸盾构。 1965 年月由上海工程设计院设计、江南造船厂制造的 2 台盾构直径 5.8 米的网格挤压盾构，于 1966 年完成了 2 条平行的隧道，隧道长 660m ，地面最大沉降 10cm 。 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 武汉地铁盾构 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 1966 年 5 月，中国第一条水底公路隧道 —— 上海打浦路越江隧道工程主隧道采用由上海隧道工程设计院设计、江南造船厂制造厂制造的的直径 10.02m 网格挤压盾构施工，掘进总长 1322m ，于 1970 年底建成通车。 1973 年采用 1 台直径 3.6m 的水利机械化出土网格盾构和 2 台直径 4.3m 的网格挤压盾构，在上海金山石化总厂修建了 1 条污水排放隧道和 3 条引水隧道。 1980 年上海地铁 1 号线试验段施工，研制了一台直径 6.412m 网格挤压盾构，在淤泥质粘土地层中掘进 1130m 。 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 盾 构 吊 装 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 1982 年，上海外滩的延安东路北线越江隧道工程 1476m 圆形主隧道采用上海隧道股份设计、江南造船厂制造的直径 11.3m 网格挤压水力出土盾构。 1986 年，中铁隧道集团研制出半断面插刀盾构，并成功用于修建北京地铁复兴门折返线。 1990 上海地铁一号线全线开工， 18km 区间隧道引进了 7 台由法国 FCB 公司制造的 φ6.34m 土压平衡式盾构。 1996 年，上海延安东路隧道南线工程，总长 1300m 采用从日本引进的 φ11.22m 泥水加压平衡盾构施工。 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 沈重国产盾构 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 中铁隧道集团研制的复合式盾构 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 2002 年 8 月，国家科技部将 φ6.3m 土压平衡盾构的研究设计列入国家“ 863” 计划。通过公开招标，第一批 3 项设计课题分别由中铁隧道集团有限公司和上海隧道工程股份有限公司为主承担。 2002 年底，同样通过公开公开招标，第二批 4 项课题分别由中铁隧道集团有限公司和上海隧道工程股份有限公司为主承担。两家国内盾构设计、制造与施工优势企业成立了联合攻关组，组织了有浙江大学、同济大学、华中科技大学、东南大学、煤炭科学研究院、北京城建、洛阳九久科技开发有限公司等单位参加的产、学、研结合的课题组。 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE “ 先行号” 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 2004 年 5 月中铁隧道集团有限公司与日本小松公司联合制造了 1 台直径 6.3m 土压平衡盾构。 2004 年 10 月下旬，上海隧道股份有限公司制造了一台直径 6.3m 土压平衡盾构应用于上海地铁 2 号线西延伸隧道工程。 2005 年 12 月，中铁隧道集团有限公司自主研制的适用于沙砾复杂地层的土压平衡盾构刀盘成功应用于北京地铁 4 号线 19 标颐和园 —— 圆明园区间。 2008 年 4 月中铁隧道集团研制成功了我国第一台具有自主知识产权的复合式土压平衡盾构。 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 上海隧道股份盾构 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 4 盾构市场前景 4.1 城市地铁前景 “十一五”期间，已获批建设地铁的 16 个城市的新建里程合计为 1009km ，正在申报和在编制轨道交通规划的城市 6 个，到 2050 年规划建成轨道交通里程将超过 1500km ，总投资超过 5000 亿。据预测，近 5 年内地铁盾构的需求量约在 350 台次以上。 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 国内盾构 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 4.2 过江隧道前景 上海规划的越江隧道有 5 条，分别是军工路隧道、长江西路隧道、新建路隧道、人民路隧道和龙耀路隧道。我国规定待建的过江隧道还有南京长江公路隧道、哈尔滨松花江越江隧道、上海崇明岛越江隧道、湾口海底隧道、渤海海底隧道、长江水底隧道、杭州湾水底隧道等。近 5 年内，我国计划新建越江隧道约 30 条，总长超过 200km ，需大直径泥水盾构 30 台以上。 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 上海长江隧道 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 4.3 铁路隧道前景 铁路隧道是隧道掘进机施工的重要市场，从 2000 年开始，新建铁路隧道每年平均以 200km 的速度增长。 2006 年 10 月 26 日，中国 《 铁路“十一五”规划 》 正式发布，根据该规划，将建成新线近 1.7km ，其中客运专线为 8000km 。在新建铁路中，隧道约占 2000km 。其中部分隧道采用隧道掘进机施工。 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 客运专线盾构 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 4.4 引水隧道前景 我国水资源分布不均，北方地区水资源严重短缺，西南方水资源比较丰富，因此进行跨流域调水非常必要。饮水工程不可避免会遇到饮水隧道的施工问题，而选择盾构或硬岩掘进机施工是最佳手段。据不完全统计，近 5 年内，我国计划使用盾构或硬岩掘进机法修建的引水隧道约 300km 。 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 小型盾构 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE 4.5 市政管道前景 城市市政燃气管道工程、排污管道工程、供热供冷管道工程、电缆管道工程均可采用盾构法施工。近 5 年内，用于市政管道施工的 φ2.5-5m 的盾构需求量约为 100 台次以上。 盾构施工技术 SHIELD CONSTRUCTION TECHINQUE