盾构法施工祥解 49页

7.1 概述 盾构法是在盾构保护下修筑软土隧道的一类施工方法。是在盾构的掩护下连续安全地进行开挖与支护工作。 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。盾构机是一种既能支撑土层压力，又能在土层中推进的施工机具。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。 7.1 概述 一、基本原理 先在隧道某段的一端建造竖井或基坑，以供盾构的安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁预留孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另一端竖井或基坑的设计预留孔推进。 盾构推进中所受地层阻力通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装好的预制管片上。 盾构机大多为圆形，外壳由钢筒组成，直径稍大于隧道 衬 砌外径。前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置，中断沿周边安装顶进所需要的千斤顶，尾部安置数环拼成的衬砌环。 在推进过程中不断从开外面排出适量的土方，每推进一环距离就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向衬砌环外围的空隙中压注浆体。 二、主要优缺点 优点： 1 、场地作业少，隐蔽性好，因噪音、振动引起的环境影响小； 2 、施工不受地形、地貌、江河水域等地表环境的限制，不受气候条件的影响； 3 、隧道施工的费用和技术难度基本不受覆土深浅的影响，适宜于建造覆土深的隧道； 4 、穿越河底或海底时，隧道施工不影响航道，也完全不受气候的影响； 5 、穿越地面建筑群和地下管线密集区时，周围可不受施工影响； 6 、自动化程度高、劳动强度低、施工速度较快。 7 、对地层的适应性宽，软土、砂卵石、软岩直至岩层均可； 因此，盾构法已在城市隧道（   水底公路隧道   、地铁区间隧道地铁、   排水污水隧道、   引水隧道等）建造中确定了绝对的统治地位，有人将其称为城市隧道工法。 7.1 概述 二、主要优缺点 缺点： 1 、覆土较浅时，地表沉降较难控制； 2 、用于施工小曲率半径隧道时，掘进较困难； 3 、盾构施工中采用全气压法疏干和稳定地层时，对劳动保护要求高，施工条件差； 4 、盾构施工隧道上方一定范围内地表沉陷尚难完全防止，特别是在饱水和含水松软的土层中； 7.1 概述 三、盾构技术发展简介 始于 1825 年，布鲁诺尔首创英国伦敦的泰晤士河水底隧道，有 180 多年的历史。 该矩形盾构断面去 11.3m*6.7m ，砖砌管片， 1826 年因塌方停工。 1834 年用该进的铸铁框盾构，再次动工，经历 5 此特大洪水之后， 1843 年彻底完工。 1869 年， James Henry Greathead 在泰晤士河建造直径为 2.18m 的行人隧道，衬砌是铸铁管片。 1886 年此人在建造伦敦地铁时首次使用压缩空气盾构。 7.1 概述 国外发展情况： 19 世纪末 20 世纪初，各发达国家都得到推广。 1880-1890 ， 美国 ~ 加拿大之间的圣克莱河建成一条直径 6.4m ，长 1800 多米的水底铁路隧道 。 20 世纪三四十年代，欧美国家已经成功地使用盾构建成内径为 3~9.5m 的多条地下铁道及过河公路隧道。 1994.5 月通车的（ The Channel Tunnel ） ,2 条单线铁路隧道和 1 条辅助隧道，长 51km 平行隧道，海底段 38*3km 。 1998 年竣工的第二条英吉利海峡隧道直径 15m, 采用土压平衡盾构。 7.1 概述 国内发展情况： 始于 1963 年，上海隧道公司在浦东塘桥第四纪软弱含水层进行的直径为 4.2m 的网格挤压式盾构法试验。 1966 年用此法建造了直径为 10.22 的上海第一条黄浦江越江隧道。 1988 年又建成了直径为 11.3m 的延安东路过江隧道。 20 世纪 90 年代以来，上海隧道公司成功掌握了土压平衡盾构和泥水平衡盾构工法。 2004 年 11 月开工的武汉长江隧道，全长 3630m ，设计为左右道隔离双向四车道公路隧道。穿越粉细沙不稳定地层，采用法国 NFM 公司的直径为 11.38m 泥水加压平衡盾构和复合式刀具，长距离不换刀掘进。 目前正在施工的上海长江隧道，双向六车道，采用直径为 15.43m 的泥水加气平衡盾构，该盾构机为目前世界上直径最大的盾构掘进机。 7.1 概述 7.2 盾构的构造 盾构机主要由通用机械（外壳，掘削机构、挡土机构、推进机构、管片拼装机构等）和专用机构组成。 外形：圆、双圆、三远、矩形、马蹄形等、 要求有足够的强度和刚度。对钢板的要求 大型分体式现场拼装 http://v.youku.com/v_show/id_XMjA0MTQ2NTE2.html 7.2 盾构的构造 一 . 盾构壳体及开挖系统 （ 1 ）盾构切口环 位于盾构最前端，装有掘削机械和挡土设备，切口环前端做成均匀刃口，施工时切入地层，掩护开挖作业。切口环部分主要用来容纳施工人员或安装挖掘机械。 切口环的长度取决于盾构正面支承、开挖的方法。机械化盾构取决于各类盾构所需安装的设备。 （ 2 ）盾构支承环 紧接切口环之后，处于盾构中部。所有的地层压力、千斤顶的外力以及切口、盾尾、衬砌拼装时传来的施工荷载均由支承环承担。它的外缘布置盾构千斤顶，在大型的盾构中由于空间较大，所有液压、动力设备、操纵控制部分、排土运输部分、衬砌拼装机等均集中布置在其中； 支承环的长度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切削刀盘的轴承装置、驱动装置和排土装置的空间。 7.2 盾构的构造 （ 3 ）盾构盾尾 外壳延伸构成，作用是掩护衬砌拼装工作； 盾尾厚度应尽量薄，可以减小地层与衬砌间形成的建筑孔隙，从而减小压浆量； 为防止水、土及注浆材料从盾尾与衬砌的间隙中挤入盾构内，要在盾尾与支护之间布置密封装置，密封质量关系到施工质量。 7.2 盾构的构造 2. 盾构机的尺寸 盾构直径： d : 隧道外径 x : 盾尾空隙 t : 盾尾钢板厚度 7.2 盾构的构造 7.2 盾构的构造 把盾壳总长 L 与盾构直径 D 之比 称为盾构的灵敏度。一般直径确定后，灵敏度值有一些经验数据参考： 小直径盾构：（ ), =1.2 ~ 1.5 中直径盾构：（ ）， =0.8~1.2 大直径盾构：（ ）， =0.7~0.8 盾构长度 : 7.2 盾构的构造 ：切口环的长度 ：支承环的长度 ：盾尾的长度 7.2 盾构的构造 ：最大衬砌环宽度 ：组装管片富余量， 200-300mm ，考虑维修千斤顶方便。 ：千斤顶顶块厚度 ：安装尾部封材在内的富余长度 80-200mm 盾尾的构成及尺寸分布状况图 7.2 盾构的构造 二、推进系统 主要是设置在盾构外壳内侧环形中梁上的推进千斤顶群及控制设备，其中千斤顶是使盾构机在土层中向前推进的关键性构件。 设计推力： 2. 设备推力： A ：安全系数，通常取 2. 7.2 盾构的构造 : : 盾构外壳与周围地层的摩阻力 ：盾构推进时的正面推进阻力 千斤顶的选择和配置： （ 1 ）要尽可能轻，直径宜小不宜大，经久耐用，易于维修保养和更换方便。 （ 2 ）使用高压液压系统，使千斤顶紧凑。 （ 3 ）一般应等间距的设置在支承环的内侧，紧靠盾构外壳。 （ 4 ）伸缩方向与盾构隧道轴线平行。 7.2 盾构的构造 千斤顶推力及数量设置：中小口径每只千斤顶的推力为 600 ~ 1500KN, 大的为 2000 ~ 4000KN. 千斤顶数量： 千斤顶推进速度一般取 50 ~ 100mm/min. 7.2 盾构的构造 3. 掘削机构 对人工掘削式，掘削机构即鹤嘴锄、风镐、铁锹等； 对半机械式，铲斗、掘削头； 对机械式（土压式、泥水式）盾构，切削刀盘。 （ 1 ）刀盘的构成及功能 （ 2 ）刀盘与切口环的位置：（内，外突，对齐） （ 3 ）刀盘的形状 （ 4 ）刀盘的支撑形式 7.2 盾构的构造 三、管片拼装系统 杠杆式拼装器 （ 1 ）举重臂 举重臂在一端有夹住管片或砌块装置的杠杆，另一端有一个平衡锤，平衡衬砌构件的重量，从而使举重臂易于转动。举重臂的主要功能是夹牢衬砌构件，将衬砌块送到要安装的位置，把它拼装就位，固定。 7.2 盾构的构造 （ 2 ）真圆保持器 当盾构向前推进时，管片拼装环就从盾尾部脱出，管片受自重和土压的作用会产生横向变形，已成环管片与拼装环在拼装时就会产生高低不平，给安装纵向螺栓带来困难。需要使用真圆保持器是拼装后管环保持正确的位置。 7.2 盾构的构造 一、手掘式盾构 使用时人工全部敞开开挖，也可正面支撑开挖，随开挖随支撑 构造简单，配套设备少，造价低。 优点 正面是敞开的，施工人员可以随时观察地层变化情况，及时采取应付措施； 当在地层中遇到桩，孤石等地下障碍物时，比较容易处理； 可以向需要方向超挖，容易进行盾构纠偏，也便于在隧道的曲线施工； 造价低，结构设备简单，易制造。 缺点： 在含水地层中，开挖面出现渗水、流砂时，必须辅以降水，气压或地层加固等措施； 工作面若发生坍塌，易引起人身及工程安全事故； 劳动强度大，效率低，进度慢。 7.3 盾构的类型及选择 二、挤压式盾构 1 、全挤压式：将手掘式盾构开挖面用胸板封闭起 来，把土层挡在胸板外，没有水，砂涌入及土体 坍塌的危险，并省去了出土工序。由于不排土， 地表有较大隆起变形。 适用范围：孔隙大、塑性大、具有流动状态的淤 泥土层的空旷的地段，或河底，海滩等处。 7.3 盾构的类型及选择 2 、半挤压式： 在封闭胸板上局部开孔，盾构推进时，土体 从孔中挤入盾构，装车外运，省了人工开挖，劳 动条件改善，效率提高。虽然能在城市房屋、街 道下进行，但对地层扰动大，地面变形也难免。 适用条件：仅适用于软、可塑的粘性土层。 7.3 盾构的类型及选择 3 、网格式盾构 网格式盾构介于半挤压与手掘式之间。开挖 面装有开口格栅，盾构向前推进时，土被网格切 成条状，进入盾构后运走，盾构停止推进时，网 格起到挡土作用，有效防止了开挖面坍塌。 适用土层：松软可塑的粘土层，土层含水大时，尚需辅以降水、气压等措施。 7.3 盾构的类型及选择 三、半机械式盾构 在手掘式正面装上挖土机械来代替人工开，据 地层条件，可以安装反铲挖土机或螺旋切削机。 适用条件：跟手掘式基本相同，适用于较好的土层 中掘进，造价低，施工人员劳动强度低，效率较高。 7.3 盾构的类型及选择 四、机械化盾构 在盾构切口环部分装上与平巷掘进机相 仿的全断面旋转切削刀盘连续切土掘进， 并配以一定的运土机械，使土方从开挖到 装车全部实现机械化。 7.3 盾构的类型及选择 1 、局部气压盾构 开胸式盾构的切口环与支承环之间设置密封 金属隔板，开挖面与切口环部分形成一个密封 舱，向该舱内通入压缩空气，使开挖面保持稳定 。能使施工人员不在压缩空气内操作，与全气压 法相比有很大优越性，但至今有许多技术问题尚未解决，未能广泛应用。 7.3 盾构的类型及选择 2 、泥水加压盾构 就是在盾构开挖面的密封舱内注入泥水，用泥水压力 抵挡正面的土压，用管路输送泥浆代替用电机车牵引盛 土车出土，从而完成开挖掘进的过程。 该法是国外发展较快的一种新型盾构。最早起源于英国， 后在日本和德国用于各种隧道施工。 特点： （ 1 ）可在覆土较浅的条件下进行盾构法施工； （ 2 ）用于地下水位高，不稳定软弱地层及江河海底的隧道施工 （ 3 ）安全高效 （ 4 ）设备庞大复杂，造价昂贵，控制技术要求严格。 7.3 盾构的类型及选择 泥水加压盾构中泥水的作用： 泥水的压力和开挖面的水土压力平衡； 泥水作用到地层上后，形成一层不透水的泥皮，使产生一定的有效压力； 加压泥水可以渗透到地层的某一区域，使该区域内的开挖面稳定。 适用范围：广泛，软弱的淤泥质土、松动的砂土层、砂砾层、卵石砂砾层等。 7.3 盾构的类型及选择 3 、土压平衡盾构 头部装有全断面切削刀盘，在切口环与支承环之间 设有密闭隔板，使前面切口环部分形成密封舱。所谓土 压平衡就是密封舱中切削下来的土体和泥水充满该舱， 并具有适当压力与开挖面土压力平衡，以减少对土体 的扰动，控制地表沉降。注意保持挖掘量与螺旋排土机 的排土量要保持平衡； 7.3 盾构的类型及选择 当地层中的含砂量超过某一限度，或在砂质土层中开挖 时，切削土的流动性变差，密封舱内泥土过于充满并固 结时，难以挖掘和排土，迫使推进停止，此时向舱内注 一种具有流动性和不透水性的 “ 做泥材料 ” 然后，用刀盘 后面的搅拌叶片进行搅拌，使土成为具有流动性与不透 水性的视流动土，并将这种土充满开挖面泥土室及从与 之相连的螺旋输入机中排出。 做泥材料：膨润土、粘土、水、高浓度泥水、泥浆材料 等。 7.3 盾构的类型及选择 盾构的安设与拆卸 、 土体开挖与推进 、 衬砌拼装 与防水。 一、盾构的安设与拆卸 出洞、进洞时施工的重要环节； 1. 工作井： 始端、终端、中间检修；都应尽量结合规划线路上的通风井、设备井、地铁车站、立体交叉等来设置。井宽大于盾构直径的 1-2m ，长度要考虑盾构设备的安装余地及出洞施工所需的最小尺寸。 7.4 盾构施工技术 http://www.tudou.com/programs/view/GOjsXm97eCg/ 2. 基座与后座 工作井底板上，用作安装及稳妥地搁置盾构，通过设在基座上的导轨使盾构在施工前获得正确的导向。 刚开始出洞时，推力要靠工作井后井壁来承担，因此在盾构与后井壁之间要有传力设施，被称为后座，常用隧道衬砌管片或专用顶撑做后座。 7.4 盾构施工技术 3. 出洞进洞形式及出洞、进洞 临时基坑法 用板桩或明挖法围成临时基坑，在其内进行盾构安 装和后座安装并进行直运输出门施工，然后基坑部分回 填并拔出板桩，开始盾构施工。适用于浅埋的盾构始发 端。 逐步掘进法 纵坡较大，与地面直接连通的斜隧道时。 工作井法（常用） 在沉井或沉箱上预留洞口及临时封门，等盾构安装 工作完成后可拆除临时封门使盾构进入地层。盾构拆卸 井应满足起吊、拆卸工作的方便，但对其要求比拼装井 低。 7.4 盾构施工技术 二、土体开挖与推进 切口环切入土体 — 开挖土体 — 衬砌拼装 — 壁后压浆 1 、土体开挖方式：敞开式、机械切削开挖、网格式开挖、挤压式开挖 7.4 盾构施工技术 2 、掘进管理 关键是速度的管理 ，封闭式盾构速度控制的核心是土量与工作面压力的平衡关系，控制要点是排土速度和排土量。 a. 泥水平衡式盾构掘进速度管理 正常 2-3cm/min, 遇障碍物时 1cm/min, 盾构启动时速度不宜过大， 千斤顶的推进推力应控制在装备推力的 50% 以下；一环掘进过程中 应保持速度恒定，保证切口水压稳定和排泥管流畅；保证注浆系统 始终处于良好工作状态；正常掘进时的扭矩应小于装备扭矩的 50%-60% ；调整速度的过程中，应始终保持开挖面稳定。 7.4 盾构施工技术 b. 土压平衡式盾构掘进速度管理 通过排土结构的机械控制方式进行的； 速度管理常用： 先设定盾构的推进速度，再根据 密封舱内设置的土压计和切削扭矩数值来调整螺 旋输送机的转速和螺旋式排土机的转速，即将密 封舱内设定土压力 P 和扭矩 T 作为基准，盾构推 进时发生的土压力 P ’ 和 T ’ 的数值做比较，当前者 大于后者时，降低排土机转速，反之，提高排土 机转速。 7.4 盾构施工技术 3. 姿态的控制 盾构偏向的判定（平面、高程偏离设计轴线的数 值超过允许范围） 导致偏向的原因：地质条件、机械设备、施工 操作。 偏向的反映与测定 方向控制方法：调整不同千斤顶的编组 ; 调整千斤顶区域油压 ; 控制纵坡 ; 调整开挖面阻力。 7.4 盾构施工技术 4. 衬砌拼装与防水 多采用预制拼装衬砌形式，少数采用复合衬砌。 管片，由多块弧形预制构件拼装砌成，拼装程序 有 “ 先纵后环 ”“ 先环后纵 ” 两种。 含水土层中施工，钢筋混凝土管片支护除满足强 度要求外，还应解决防水问题，管片拼接缝是防 水关键部位。目前多采用纵缝、环径设防水密封 垫的方式。特种合成橡胶目前应用较多。 7.4 盾构施工技术 5. 壁后压浆 衬砌完成后，盾尾与衬砌间的建筑空隙须及时充填， 通常采用壁后压浆，以防止地表沉降，改善衬砌受力状 态，提高防水能力。 压浆分一次压浆和二次压浆，地层条件差，不稳定， 盾尾空隙一出现就会发生坍塌时，采用一次压注，材料 为水泥，黏土砂浆为主。二次压注是当盾构推进一环 后，先向壁后的空隙注入粒径月 3-5mm 的石英砂或石粒 砂，连续推进 5-8 环后，再把水泥浆注入砂石中，使之 同结。 7.4 盾构施工技术