盾构法施工

盾构法施工第三部分地下工程系刘勇从它的定义可以看出：盾构施工法由稳定开挖面、盾构机挖掘和衬砌三大部分组成。在闹市区或软弱地层中，盾构法是修建地铁的主要施工方法之一。使用的主要机械就是盾构机。一盾构法施工概念（一）什么是盾构法施工？“使用盾构机在地下掘进，在护盾的保护下，在机内安全的进行开挖和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工方法”。一盾构法施工概念（一）什么是盾构法施工？双护盾盾构机单护盾盾构机一盾构法施工概念（二）盾构法的发展•1825年到1843年英国首次采用盾构法修建了一条河底隧道。•早期盾构法是手掘式或机械开挖式盾构机用压气方法保证开挖面稳定。在地下水较丰富的地区，用注浆法进行止漏，而对软弱地层，则采用掌子面封闭式施工。•现在常用的是泥水平衡式和土压平衡式两种盾构机。将维持掌子面稳定和开挖融为一体，不需要辅助施工措施，能适应地质较广的变化。一盾构法施工概念（二）盾构法的发展•盾构法应用范围不断扩大盾构机断面通常是圆形，但各种断面形式（多圆盾构、椭圆形、矩形）和具有特殊功能的盾构机械(急转变盾构、扩大盾构法、地下对接盾构等)的相继出现，盾构法的应用范围也不断的扩大。一盾构法施工概念（三）盾构法施工的优点•施工作业在地下进行，不影响地面交通；•采用机械开挖，减少了对附近居民的噪音和振动影响；•施工费用不受埋深的影响，有较高的技术经济优越性；•盾构的推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，易于管理，施工人员较少；•穿越江、河、海时，不影响航运；•施工不受风雨等气候条件影响；•隧道内施工环境较好、安全性好，控制地表沉降的效果较好。二盾构机（一）盾构机的种类全开敞式手掘式半机械式机械式半开敞式——挤压式泥水式土压式密封式泥土加压式泥浆式土压式泥土加压式是指在机械开挖式盾构机内设置隔墙，进入刀盘与隔墙土仓的土体，由泥水压力或土压提供足以使开挖面保持稳定的压力。密封式盾构机又分成局部气压式、土压平衡式和泥水平衡式几种。二盾构机（一）盾构机种类-密封式盾构机在机械式盾构支承环的前边装上隔板，使切口环成为一个密封舱，其中充满压缩空气，达到疏干和稳定开挖面土体的作用。(1)局部气压式盾构二盾构机（一）盾构机种类-密封式盾构机(2)土压平衡式盾构前端是全断面切削刀盘；后面有贮留切削土体的密封舱；在中心处或下方装有长筒形的螺旋输送机；在密封舱和螺旋输送机，以及在盾壳四周装设的土压传感装置；还可装设塑流化材料的注入设备——改善切削土体流动性。二盾构机（一）盾构机种类-密封式盾构机①刀盘：用于切削土体，同时将切削下来的土体搅拌混合，以改善切削土体的流动性。根据围岩条件，切削刀盘可以是花板型的、辐条型的和砾石破碎型。在刀盘上装有切削刀具。根据盾构直径的大小，刀盘的主轴可以采用中空轴式、中间支承式和周边支承式。中空轴式中间支撑式周边支撑式刀盘主轴形式二盾构机（一）盾构机种类-密封式盾构机-土压平衡式盾构盾构机刀盘(花板型）盾构机刀盘(辐条型）盾构机刀盘(砾石破碎型）盾构机刀盘(辐条型）标准刮刀超挖刀中心刀滚刀箭型刀先行刀周边刀②密封舱：用于存贮被刀盘切削下来的土体，并加以搅拌使其成为不透水的，具有适当流动性的塑流体，使其能及时充满密封舱和螺旋输送机的全部空间，对开挖面实行密封，以维持开挖面的稳定性，同时，也便于将其排出。二盾构机（一）盾构机种类-密封式盾构机-土压平衡式盾构③螺旋输送机：用来将密封舱内的塑流状土体排出盾构外，并在排土过程中，利用螺旋叶片与土体间的摩擦和土体阻塞所产生的压力损失，使螺旋输送机排土口的泥土压力降至一个大气压力，使其不发生喷漏现象。二盾构机（一）盾构机种类-密封式盾构机-土压平衡式盾构螺旋输送机的工作状态④塑流化材料注入器：用来向密封舱、刀盘和螺旋输送机内注入塑流化添加剂(泥浆材料、化学发泡剂两类)。碴土的塑流性常用螺旋输送机的排土率K来定量判定：二盾构机（一）盾构机种类-密封式盾构机-土压平衡式盾构AVNVKs＝时间理论排土量由推进速度决定的单位的单位时间理论排土量由螺旋输送机转速决定＝式中Vs——螺旋输送机每旋转一周的排土体积；N——螺旋输送机的转速；A——切削断面积；V——推进速度。Ｋ≈１——塑流性良好；柔软而富有流动性的渣土—Ｋ１;Ｋ１——塑流性不好；Ｋ≈0——产生喷涌现象。加注泡沫⑤土压传感器：用于测量密封舱和螺旋输送机内的土压力，密封仓内土压力是判定开挖面是否稳定的依据，螺旋输送机内的土压力用来判断螺旋输送机的排土状态，如喷涌、固结、阻塞等。二盾构机（一）盾构机种类-密封式盾构机-土压平衡式盾构FPFF＞PminF=PFPmaxPmaxQPminQmaxFQmin二盾构机（一）盾构机种类-密封式盾构机-土压平衡式盾构•土压平衡式盾构维持开挖面稳定的原理：是依靠密封舱内塑流状土体作用在开挖面上的压力(P)(它包括泥土自重产生的土压力与盾构推进过程中盾构千斤顶的推力)和盾构前方地层的静止土压力与地下水压力(F)相平衡。控制盾构推进过程中开挖面的稳定，可以用以下两种方法来实现：一是控制螺旋输送机排土量(调节其转速)；二是调节盾构千斤顶的推进速度和螺旋输送机转速，直接控制密封舱内的土压力P。不使开挖面产生影响的渣土压力P的波动范围（即较合理的P值）主动土压力+地下水压力P被动土压力+地下水压力对于花板型刀盘，若刀盘面板开口率为x，刀盘上和密封舱内的碴土压力分别为P1和P2，主动土压力+地下水压力＜P1(1-x)+P2x＜被动土压力＋地下水压力二盾构机（一）盾构机种类-密封式盾构机-土压平衡式盾构二盾构机（一）盾构机种类-密封式盾构机-土压平衡式盾构•土压平衡式盾构适用条件：从理论上讲，通过注入塑流化添加剂和强力搅拌能将各种土质改良成土压平衡式盾构工作所需的塑流体，故这种盾构能适用于各种围岩条件。但在含水的砂层或砾砂层，尤其在高水压的条件下，土压平衡式盾构在稳定开挖面土体、防止和减少地面沉降、避免土体移动和土体流失等方面都较难达到理想的控制。进行地层改良后可采用泥水加压式盾构。(3)泥水加压式盾构泥水加压式盾构的总体构造与土压平衡式盾构相似，仅支护开挖面方法和排碴方式有所不同。二盾构机（一）盾构机种类-密封式盾构机地层刀盘进泥管排泥管泥浆压缩空气连通管压缩空气泥模形成区•支护开挖面方法：密封舱内充满特殊配制的压力泥浆，刀盘(花板型)浸没在泥浆中工作。通常是泥浆压力和刀盘面板共同对开挖面支护，泥浆压力主要是在掘进中起支护作用，刀盘面板主要是在停止掘进时起支护作用。•排碴方式：刀盘切削下的碴土在密封舱内与泥浆混合后，用排泥泵及管道输送至地面处理，处理后的泥浆再由供泥泵和管道送回盾构重复使用。所以，采用泥水加压式盾构时，还需配备一套泥浆处理系统。二盾构机（一）盾构机种类-密封式盾构机-泥水加压式盾构泥水加压式盾构泥浆压力控制方式分为直接控制型(日本型)和间接控制型(德国型)。①直接控制型盾构的泥浆压力控制由一套自动控制泥浆平衡的装置来实现。泥水室大刀盘清水槽泥浆调整槽密度计流量计供浆管排浆管伸缩管VP2P3P4P1二盾构机（一）盾构机种类-密封式盾构机-泥水加压式盾构②间接控制型(德国型)盾构泥浆压力控制由空气和泥水双重系统实现。空气管半隔板气压室内的空气压力，根据开挖面需要的支护泥浆压力而确定的。不论盾构是否掘进或液面位置产生波动，空气压力可以通过空气调节阀保持恒定。在盾构推进时，由于泥浆流失或盾构推进速度变化，进、出泥浆量将会失去平衡，空气和泥浆接触面的位置就会发生上下波动现象。通过液位传感器，即可根据液位变化来控制供泥浆泵的转速和流量，使液位恢复到设定位置，以保持开挖面支护压力的稳定。当液位达到最高极限位置时，供泥浆泵自动停止；当液位达到最低极限位置时，排泥浆泵则自动停止。二盾构机（一）盾构机种类-密封式盾构机-泥水加压式盾构刀盘气压舱泥水舱P2P4P5(二)盾构的组成从纵向可将盾构分为：切口环、支承环和盾尾。切口环：是盾构的前导部分，在其内部和前方可以设置各种类型的开挖和支撑地层的装置；支承环：是盾构的主要承载结构，沿其内周边均匀地安装有推进盾构前进的千斤顶，以及开挖机械的驱动装置和排土装置；盾尾：主要是进行衬砌作业的场所，其内部设置衬砌拼装机，尾部有盾尾密封刷、同步注浆管和盾尾密封油膏注入管等。二盾构机切口环支承环盾尾(三)盾构尺寸盾构外径:取决于管片衬砌外径、保证管片拼装方便的裕量、曲线施工以及修正盾构蛇行时的间隙量、盾尾壳体的厚度等因素，一般可用下式计算：)(20txDDD——盾构外径；D0——管片衬砌外径；t——盾尾壳体的厚度，一般取30~40mm；x——盾尾间隙，x=x1+x2；x1——为拼装管片方便的裕量，一般在20~40mm；x2——曲线施工和修正盾构蛇行所需的间隙。二盾构机)2/(4022DRLxL——盾尾覆盖的衬砌长度；R——曲线半径；盾构长度:应根据围岩条件、隧道平面形状、开挖方法、运转操作、衬砌型式等条件确定，一般按下式计算：rCHlllllH——切口环长度，取决于刀盘和刀盘支承型式；lC——支承环长度，取决于盾构千斤顶的冲程长，即每环管片的宽度；lr——盾尾长度，取决于盾尾需要覆盖几环管片，一般为1.5~2.5环。二盾构机(一)选型依据三盾构机机型选择(1)工程地质与水文地质条件①隧道沿线地层围岩分级、各级围岩的工程特性、不良地质现象和地层中含瓦斯状况；②地下水位，穿越透水层和含水砂砾透镜体的水压力、围岩的渗透系数以及地层在动水压力作用下的流动性。(一)选型依据三盾构机机型选择(2)地层的参数①地层固有特性的参数：颗粒级配、最大土粒粒径、液限WL、塑限WP、塑性指数IP(IP=WL-WP)；②地层状态的参数：含水量W、饱和度Sr、液性指数、孔隙比e、渗透系数K、湿土容重。③地层强度和变形特性的参数：不排水抗剪强度Su、粘结力C、内摩擦角、准贯入度N、压缩系数、压缩模量Es；对于岩层则有：无侧限抗压强度、RQD值等。e(一)选型依据三盾构机机型选择(3)地面环境、地面和地下建(构)筑物对地面沉降的敏感度；(4)隧道尺寸：长度、直径、永久衬砌的厚度；(5)工期；(6)造价；(7)经验：承包商的经验、有无同类工程的经验。e(二)选型方法三盾构机机型选择在综合分析比较的基础上，从技术角度来探讨最适宜的盾构型式，最终的选择仍取决于经济和企业的施工能力。e四盾构法施工（一）盾构法施工的主要步骤(1)在盾构法隧道的起始端和终端各建一个工作竖井；(2)盾构机在始发井内安装就位；(3)依靠盾构千斤顶推力将盾构从始发井的墙壁开孔处（封门）推出。(4)盾构在地层中沿隧道设计轴线推进，同时不断出土和安装衬砌管片；视频1视频2(5)及时向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和固定衬砌环的位置；视频3视频4(6)盾构进入到达井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推进。盾构机安装示意图出洞前破除洞门四盾构法施工（二）盾构的始发和到达1、始发井和接收井盾构工作竖井宜设置在靠近车站的端头处，其结构形式根据地质环境条件，可选用地下连续墙、支护桩及沉井等基座道轨盾构后座管片L2L1Dh2Lsh3h1Ds(Ls+1000)L2L1W0W0DsD后座管片盾构盾构拼装井剖面图盾构拼装井平面图四盾构法施工（二）盾构的始发和到达1、始发井和接收井始发工作井的长度应大于盾构主机长度3m，宽度应大于盾构直径3m；接收工作井的平面内净尺寸应满足盾构接收、解体或整体移位的要求；接收工作井宽应大于盾构直径1.5m，工作井的长度应大于盾构主机长度2.0m始发、接收工作井的井底板宜低于进、出洞洞门底标高700mm四盾构法施工（二）盾构的始发和到达1、始发井和接收井工作井预留洞门直径tan(/cos)SDHDesgH——洞门井壁厚度(m)——隧道轴线与洞门轴线的夹角(°)(采取平面或纵坡夹角的值)；D——盾构的外径(m)；△e——设计规定的始发或接收工作井预留口直径大于盾构外径的差值(m)(通常始发工作井为0.10m，接收工作井为0.20m)；△s——测量误差(m)(通常为0.10m)；