盾构推进计算

5.1盾构推进力⑴、盾构推力盾构机推进必须确保盾构足够的推力来维持和平衡土压平衡压力T1、开挖阻力T2、盾壳与围岩摩擦阻力T3、后配配套牵引力等等。通常，上述值比盾构推力要低，盾构推进油缸的配置受管片形式的影响，盾构机一般必须保证盾构圆周压力均等（有时盾构底部压力稍高），避免盾构油缸尾部衬垫作用在管片接缝处，为保证这些，一般盾构机都安装了超出正常配置的额外推进油缸，然后降低盾构系统工作压力，该压力在正常推进时采用，只有在艰难地层时才采用额外推力。①计算原理盾构千斤顶应有足够的推力克服盾构推进时所遇到的阻力，这些阻力主要有：a、盾构四周与地层间的摩擦阻力或粘结力F1；b、盾构刀具切入土层产生在切削刀盘上的推进阻力F2；c、开挖面正面作用在切削刀盘上的推进阻力F3d、盾尾处盾尾板与衬砌间的摩擦阻力F4；e、盾构后面台车的牵引力F5；以上各种推进阻力的总和用下式表示，在使用时，须考虑各种盾构机械的具体情况，并留出一定的富裕量，即为盾构千斤顶的总推力。地层所需推力Fb=F水土压力+F摩擦力1+F摩擦力2+F牵引力+F切入力其中：F水土压力—刀盘表面水土压力F摩擦力1—盾构克服上部土体摩擦力所需推力F摩擦力2—盾构克服与围岩间摩擦力所需推力F切入力—开挖所需推力（刀具）切入力F牵引力—后配套牵引推力R—盾构半径（m）D—隧道深度（m）L—盾构长度（m）Fr—盾构与土层间摩擦系数（0.25）Wo—土体比重（20kN/m3）Wt—盾构重量（t）Wb—后配套重量（t）Frb—后配套与管片间摩擦系数At—单把刀具表面积Co—土体粘滞系数Sr—土体内摩擦角1）、作用在盾构上的平均土压力地层所需推力Fb=∑F=F水土压力+F摩擦力1+F摩擦力2+F牵引力+F切入力=941t+706t+100t+161.3=1908.3tF水土压=(R2×∏)×最大土压平衡压力=（3.172×∏）×3kN/m3=9233kN=941tF水土压=D×Wo×L×(2×∏×R÷4)×Fr=20×20kN/m3×7.5×(2×∏×3.7m÷4)×0.25=6933kN=706tF摩擦力2=Wt×Fr=220t×0.25=80tF牵引力=Wb×Frb=100×0.2=20tF切入力=刀具数量×At×(D×Wo×tan2(450+Sr/2)+2×Co×tan(450+Sr/2))=73×0.0094㎡×(30×20kN/m3×tan2(62.50)+2×30kN/m3×tan(62.50))=1596.81kN=161.3tFb=∑F=F水土压力+F摩擦力1+F摩擦力2+F牵引力+F切入力=941t+706t+80t+20t+161.3t=1908.3t实际配备装机推力系统最大压力350bar时：3892t设计准则：最大突破压力大于2.0×所需推力最大操作推力大于1.5×所需推力⑵、刀盘扭矩切削刀盘装备扭矩要考虑围岩条件、盾构要型式、盾构机构造和盾构机直径等因素来确定，总扭矩Nb=N1+N2+N3+N4式中：N1—开挖阻力矩；N2—切削刀盘正面，外围面及后面围岩间的摩擦阻力矩；N3—机械及驱动阻力矩；N4—开挖土砂搅拌混合阻力矩；根据实例可知刀盘装备转矩与盾构机直径大小有很大关系，一般可按下式计算：Nb=D3×2.0式中：D——盾构直径（m）土压平衡连续开挖所需最大扭矩：Nb=D3×2.0=6.343×2.0=509.9tm(约5500kN-m)实际配备装机扭矩：N=593.1tm一般在盾构推进中，盾构机的设计推进都比实际推进要大得多，盾构的实际推进与地表土质、地面载荷、周围环境而密切的关系，当地面周围的环境比较空旷，对地面的沉降要求不高（不在+10～-30）时，在盾构机械性能（最大推进力和最大扭矩范围内）允许的前提下，可适当的提高盾构的推进力，加大施工进度。5.2土仓压力⑴、盾构掘进土仓压力的初步计算与控制一般在软土地层中区间隧道大都采用土压平衡模式掘进，土压平衡是利用盾构机切削的泥土充满密封仓并保持适当的土压力来平衡开挖面的土体，从而达到对盾构正前方开挖面进行支护的目的。平衡压力的设定是土压平衡盾构施工的关键，维持和调整设定的压力值又是盾构推进操作中重要环节，其中包括推力、推进速度和出土量三者的相互关系，对盾构施工轴线和地层变形量的控制起主导作用。因此，盾构推进过程中，要根据不同地质泥土厚度、地面建筑情况并结合地表隆陷监测结果及时调整计算土仓压力。①、土压计算(受力简图6.2.1-1如下)根据土压平衡工况的特点，确定并保持合理的土仓压力是关键因素。因此，土压平衡工况中掘进参数的计算确定是以土仓压力为基准点来考虑，掘进控制程序也应以土仓压力的保持为目的，盾构在掘进过程中据此取得平衡压力的设定值，具体施工时，主要从以下二方面来控制：1）理论计算①土仓压力值P的计算P值应能与地层土压力和静水压力相平衡，设刀盘中心地层静水压力、土压力之和为P0，P0=γ.h（γ—土体的平均重度，h—刀盘中心至地表的垂直距离），则P=K.P0，K—土的侧向静止土压力系数。2）施工状况①千斤顶推进速度控制，一般控制在2～4cm/min。②螺旋排土器转数控制，最大为20rpm。③两者的组合控制。掘进前，按照地质情况、水文情况、隧道的埋深测算出理论土压值，以理论土压值控制土仓内的压力，随着推进时产生的地面沉降、排土状况、刀盘扭距等情况及时修正土压值；根据盾构所在的位置的埋深、土层状况及地表监测结果进行调整。盾构推进过程中地表隆陷与工作面稳定的关系以及相应技术对策见表1表1地表沉降与工作面稳定关系及相应对策地表沉降信息工作面状态P与P0关系措施与对策备注下沉超过基准值工作面坍陷与失水PmaxP0增大P值Pmax、Pmin分别表示P的最隆起超过基准值支撑土压力过大，土仓内水进入地层PminP0减小P值大峰值和最小峰值5.3盾构与隧道上浮6盾构防水施工技术一、防水工程施工为防止隧道内部渗漏，给竣工后隧道的运营管理和维修带来问题，盾构隧道工程的防水可分为两个阶段来进行防水处理。第一阶段：施工阶段防水和管片自身防水。第二阶段：隧道后期防水，上述两个阶段都必须在施工时应严格按设计要求及有关规范要求进行，对涉及到与防水有关的材料、机具、工艺进行严格控制和把关。根据岩土的防水施工经验，除应对管片接缝防水进行重点处理外，还应对隧道底部和进出洞门、旁通道、螺栓孔和注浆孔等局部位置进行特殊处理，以确保建成的隧道不漏水，达到隧道的下列防水设计要求。1）衬砌防水的要求区间隧道防水的设计原则是“以防为主，刚柔结合,多道防线,因地制宜，综合治理”。以结构自防水为主,施工缝,变形缝等薄弱部位为重点，确保隧道整体防水;隧道防水要求是：2）整个标段区间盾构隧道应满足国标二级防水标准，同时满足初步设计技术要求的隧道上半部不允许渗漏水，结构表面偶见湿渍及隧道下半部、洞门及联络通道允许有少量漏水点，不得有线流和漏泥砂，实际渗漏量小于0.1L/m2·d。3）隧道渗水量每昼夜不超过0.06升/平方米；任意100平方米每昼夜渗水量≤10升。隧道顶不允许滴水，侧面允许有少量、偶见湿渍，即隧道内总湿渍面积≤4/1000总表面积，任意100m2隧道内表面的湿渍不超过4点，任一湿渍面积≤0.15平方米。衬砌接头不允许漏泥砂和滴漏，拱底块在嵌缝后不允许有渗水。二、具体的防水措施⑴、洞门衬砌防水构造和施工洞门防水可分为两个部分：洞门衬砌结构防水设计；洞门处的施工临时防水设计。A.洞门衬砌结构防水①保留管片与现浇洞门圈之间的环向接缝嵌缝密封；并在现浇洞门圈与管片之间加设一道水膨胀型止水条。②现浇洞门圈与车站内衬墙之间的施工缝处加设两道水膨胀型止水条。③洞门衬砌施工前应对管片背后进行二次注浆来加强防水，确保洞门施工的干燥作业面。B.洞门处的施工临时防水①洞门环板：在车站内衬墙施工中预埋一环形钢板，其宽度为150mm，内径φ6620mm，外径φ6820mm。环形钢板上加焊72只M20螺母，通过与螺栓结合来固定帘布橡胶板。②洞门环板是洞口防水止浆设计的主要预埋构件，其精度高低将会影响盾构进出洞，施工中应严格控制其定位。③帘布橡胶板：由氯丁橡胶加棉纱线、尼龙线复合而成，通过它和管片的密贴来防止管片背后注浆时的浆液外流。④扇形压板：通过调节扇形压板的位置来压紧帘布橡胶板，保证帘布橡胶板在注浆压力下不翻转。C.管片及洞门衬砌防水施工①除管片自防水外，衬砌环向、纵向缝防水构造均采用弹性橡胶密封垫，材质为三元乙丙橡胶和遇水膨胀橡胶。②所有螺栓均进行防腐镀锌处理，螺孔和回填注浆孔均设置密封圈，其材质为遇水膨胀橡胶。③为防止安装时密封垫角部受损和漏水，在密封垫外角部贴自粘性橡胶薄板。④对密封垫贮存应注意防潮、防水，安装前在密封垫表面涂缓膨胀剂。⑤盾构底部易积聚泥砂和泥水，安装拱底块前应严格清除泥砂，防止密封垫间夹泥砂而影响密封防水效果。⑥封顶块、邻接块纵缝密封垫内设尼龙绳或帆布衬里，以限制插入时橡胶条的延伸。封顶块两侧的密封垫在拼装前表面涂水性润滑剂（粘度300cps），以减低插入时的摩阻力。⑦密封垫与管片间采用单组分氯丁-酚醛胶粘剂粘接。⑵.隧道嵌缝堵漏防水施工在盾构掘进结束后对管片预留的接缝、手孔等处进行沟槽嵌缝、手孔封堵等防水处理。A.嵌缝防水施工①清缝：刷去缝内泥砂和杂物，用清水冲洗干净。②嵌入工字型水膨胀橡胶，嵌好后表面应平整，无歪斜和翘曲。③涂刷双组分YJ-302界面处理剂。④界面处理剂配合比为：甲组∶乙组∶水泥=1∶3∶4，在容器内拌匀并必须在2小时内用完。界面处理剂涂刷范围是缝槽内壁及纵缝两侧15mm、环缝两侧各16mm范围内。⑤加封氯丁胶乳水泥保护层氯丁胶乳水泥配合比为氯丁胶乳∶水泥=0.4∶1，在界面处理剂干燥前进行封填。用配好的氯丁胶乳水泥封堵约1/2孔隙，并用“Ω”型泥刀在嵌缝槽面压出宽50mm、高10mm的“Ω”封口。⑶.手孔填充处理施工①对拼装螺栓外露部分进行防腐处理：对个别螺栓镀锌处理后受损的涂防锈漆，其余清除锈渣和浮锈，然后涂水性防锈漆，再用快凝水泥严密封头，最后套上塑料保护罩。保护罩上应适当钻孔以利水泥粘接。②隧道下半断面的手孔用掺有微膨胀剂的细石混凝土填充，要求表面平整光滑，但整体道床范围内的手孔无此要求。③拱底块上的螺栓外露部分全部涂防腐涂料，其他部分如有锈蚀也需涂防腐涂料。④填充细石混凝土前，必须用配好的界面处理剂涂刷。⑤填充细石混凝土前可留少许高度不填平，用水泥浆抹平，使其平整美观。⑥邻接块上隧道照明灯座支架的手孔在工程结束前拆除灯座，割除支架，填充细石混凝土将孔和残余部分全部封闭，施工时注意采取安全绝缘措施。⑷.局部渗漏水及其他损坏处理方案隧道衬砌从设计方面采取了防水措施，基本能满足隧道防渗漏水的要求，但也可能有局部渗漏水现象发生。对这些部位必须认真处理，确保整个区间满足抗渗要求。防水原则“以防为主、刚柔结合、多道防线、因地制宜、综合治理。”一般处理步骤如下：1).渗漏水调查：内容包括渗漏水位置（里程、部位）；裂缝与破碎情况（长度、宽度、形状、裂缝是否贯通、干湿程度）；渗漏量大小（滴漏、线漏、面漏）；变化发展情况（产生与发生时间，开展过程）；对结构安全的影响（混凝土的侵蚀、钢筋的锈蚀）等。2).施工记录的调查：主要是调查材料、配合比、养护情况、试验数据、地质情况和盾构推进记录。3).根据渗漏水情况和施工记录的调查，结合隧道沉降变形及其影响，分析渗漏水的原因，采取具有针对性措施：①如渗漏水较大、渗漏点较多并集中或裂缝较宽，可采用钻孔注浆（浆液根据渗漏状况选用聚氨脂浆材、水玻璃和水泥浆等），封缝采用工字型加遇水膨胀腻子条加封氯丁胶乳水泥保护层，界面均涂界面处理剂。注意管片打穿时要配相应的橡胶塞密封防注浆孔涌泥问题。②如裂缝为0.15mm以下潮湿或微渗裂纹，可采取涂无机水性高渗密封剂涂刷以封闭裂纹。