地铁盾构施工技术

城市地铁盾构施工技术二Ｏ一七年十二月目录一、盾构机定义二、盾构法施工及其特点三、盾构隧道的历史及发展四、盾构机分类及型式五、盾构机造型六、典型盾构机介绍七、盾构配套设施八、盾构施工主要工序九、盾构辅助施工工法盾构机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、推进和管片安装等作业，而使隧道一次成型的工作机械。盾构机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。一、盾构机定义二、盾构法施工及其特点盾构机是一种既能支撑地层压力、又能在地层中掘进的施工机具.盾构机头部可以安全地开挖地层,尾部可以装配预制管片或砌块，迅速地拼装成隧道永久衬砌。盾构机推进主要依靠盾构内部设置的千斤顶。以盾构为核心的建造隧道的施工方法称为盾构工法.盾构法施工优点安全性、高效率、危害小、环境影响小、经济性盾构法施工缺点重复利用率低、施工复杂、适用性受限、工作条件差、地表变形不易控制二、盾构法施工及其特点盾构法施工的难点盾构机对地质变化高度敏感，地质适应性要求高。盾构机对维修保养要求高，重要部件更换难度大。在复杂地层，盾构机操作控制难度大。盾构法施工对环境造成的不利影响仍不可避免。二、盾构法施工及其特点三、盾构隧道的历史及发展用盾构法修建隧道开始于1818年，法国工程师布鲁诺尔；1825年在英国泰晤士河下首次用矩形盾构建造隧道；近代，日本盾构法得到了迅速发展，用途越来越广，并研制了大量新型盾构；我国于1957年北京下水道工程中首次出现2.6m小盾构；上海市延安东路过江道路隧道使用11.0m直径的大盾构；2010年开通的南京长江隧道，左右线盾构隧道的总长度为6042米，开挖直径14.96m，采用泥水平衡盾构机；上海长江隧道，2000年通车，隧道全长8.95公里，盾构一次性掘进距离长达7.5公里，盾构直径达15.43米。三、盾构隧道的历史及发展盾构机作为一种安全、快速的隧道掘进设备，归纳起来可以说经历了四个发展阶段：以布鲁诺尔（1818年）盾构为代表的初期盾构；以机械式、气压式、网格式盾构代表的第二代盾构；以闭胸式（土压式、泥水式）盾构为代表的第三代盾构；以异形化、多功能、综合化为各自特色的第四代盾构。盾构技术的发展1.按断面形状分类单圆盾构；复圆盾构（双圆和三圆）；非圆盾构（椭圆形盾构、矩形、马蹄形、半圆形），也称异形盾构。四、盾构机分类双圆和多圆盾构四、盾构机分类异型盾构四、盾构机分类多联盾构四、盾构机分类子母盾构四、盾构机分类转向盾构四、盾构机分类2.按盾构机的尺寸大小分类按盾构机的尺寸大小，盾构机可分为超小型、小型、中型、大型、特大型、超特大型。超小型盾构系指D（直径）≤1m的盾构，小型盾构系指1m＜D≤3.5m的盾构，中型盾构系指3.5m＜D≤6m的盾构，大型盾构系指6m＜D≤14m的盾构，特大型盾构系指14m＜D≤17m的盾构，超特大型盾构系指D＞17m的盾构四、盾构机的分类16四、盾构机的分类盾构机敞开式封闭式土压平衡式泥水平衡式纯土压平衡式加泥型土压平衡式（泡沫、膨润土等3.按掘削面的挡土形式分类TBM和盾构机的具体区别？TBM分敞开式、单护盾式、双护盾式。TBM和盾构机的具体区别？1.适用的工程不一样，TBM用于硬岩，盾构机用于土层的挖掘。2.两者的掘进，平衡，支护系统都不一样。3.TBM比盾构技术更先进，更复杂。其实TBM和盾构除了这些本质的差别外，笼统的来说，都是一样，都是隧道全断面掘进。只是不同的工作环境应用不同的机械构造罢了。盾构机选型主要是确定盾构类型、外形尺寸、驱动形式、铰接方式、推力、扭矩、刀盘、刀具配置、开口率、密封方式、同步注浆配置、螺旋机功率等等。五、盾构机的选型20五、盾构机的选型隧道地质情况、工程要求、环境保护要求、经济比较、地面施工场地大小等因素是盾构选型的基本依据。根据施工要求及地质条件作好盾构选型工作21五、盾构机的选型加泡沫后透水性透水性––10––1––10-1––10-2––10-3––10-4––10-5––10-6––10-7––10-8––10-9––10-10––10-11––10-12卵石粗砾石中等砾石细砾石粗砂中砂细砂砂质、粉砂黏土粉砂黏土土压平衡盾构泥水盾构渗透系数(m/s)加泡沫后透水性透水性––10––1––10-1––10-2––10-3––10-4––10-5––10-6––10-7––10-8––10-9––10-10––10-11––10-12卵石粗砾石中等砾石细砾石粗砂中砂细砂砂质、粉砂黏土粉砂黏土土压平衡盾构泥水盾构渗透系数(m/s)透水性透水性––10––1––10-1––10-2––10-3––10-4––10-5––10-6––10-7––10-8––10-9––10-10––10-11––10-12卵石粗砾石中等砾石细砾石粗砂中砂细砂砂质、粉砂黏土粉砂黏土土压平衡盾构泥水盾构渗透系数(m/s)六、典型盾构介绍目前常用的盾构机可分为泥水加压式和土压平衡式两大类，遇到较复杂的地质情况也可采用混合式盾构机械。泥水平衡盾构土压平衡盾构复合盾构1、土压平衡盾构优点成本低出土效率高适用土质地层范围广掘进中盾构机体的摆动小六、典型盾构介绍—土压平衡盾构机2、土压平衡盾构缺点掘削扭矩大地层沉降大直径不能过大六、典型盾构介绍—土压平衡盾构机通过挖掘下来土料作为稳定开挖面介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土室土料增加，再由螺旋输送机旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输料器出土量(旋转速度)进行调节。土压平衡式盾构机适用于地层稳定性较好，地下水位不高的情况。土压平衡式盾构机原理六、典型盾构介绍—土压平衡盾构26土压平衡盾构机工作原理水土压+压=土仓压力力力⑴刀盘切削系统：位于切口环内，由盘体、切削刀、仿形刀、传动箱、集中润滑系统组成。⑵推进系统：由若干组推进千斤顶组成。⑶加泥与注浆系统：外加泥或水与切削下来的密封舱内土体充分搅拌，使之成为可塑、渗透性极小的泥土，并保持一定的动态平衡压力，控制开挖面土体不塌陷和地面不发生较大沉降。⑷螺旋输送机系统：将切削下来的土体输送到皮带机或编组列车内,是控制密封舱内保持一定土压与开挖面土压和水压平衡的关键管片吊运系统。土压平衡盾构机的主要部件和系统结构介绍六、典型盾构介绍—土压平衡盾构机⑸管片拼装系统：用于隧道管片拼装.由回转盘体、悬臂梁、提升横梁、举重钳，以及千斤顶等组成。⑹盾尾密封系统：是盾构形成密封的关键,结构型式为三排二室钢丝刷等结构形式。⑺皮带运输机系统：用来输送土体。⑻数据采集与监控系统：是盾构工作的控制系统.可对挖掘数据进行采集、数值运算、逻辑控制、故障报警、实时画面显示与数据输出等管理工作。⑼后续台车系统：主要为盾构机各种后配套设备的台车编组。土压平衡盾构机的主要部件和系统结构六、典型盾构介绍—土压平衡盾构机刀盘切削下来的土渣与螺旋输送机向外输送量相平衡平衡；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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。开挖面稳定机理六、典型盾构介绍—土压平衡盾构机六、典型盾构介绍—土压平衡盾构机六、典型盾构介绍—土压平衡盾构机六、典型盾构介绍—土压平衡盾构机33隧道盾构掘进示意图开挖衬砌出土运输土压平衡盾构机(earthpressurebalanceEPB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：板式面和辐条式，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）六、典型盾构介绍—土压平衡盾构机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）六、典型盾构介绍—土压平衡盾构机土压平衡盾构（面板式和辐条式）六、典型盾构介绍—土压平衡盾构机泥水平衡盾构优点对地层的扰动小、沉降小适用于高地下水压，如江底、河底、海底隧道施工适用大直径盾构施工适用土质范围广掘进中盾构机体的摆动小六、典型盾构介绍—泥水平衡盾构机泥水平衡盾构缺点成本高排土效率低地表施工占地面积大，并影响交通和市容不适于在硬粘土层中掘进不适于在砂卵石地层中掘进六、典型盾构介绍—泥水平衡盾构机利用泥水室的泥水压力来平衡切削面的土、水压力，切削下来的土体与泥水室内的泥水充分混合后,由泥水输送系统输送到泥水分离系统进行分离,废弃渣土,泥水经改良后,再次由管路输送回泥水室循环使用。泥水平衡盾构机工作原理六、典型盾构介绍—泥水平衡盾构机40泥水平衡盾构机工作原理水土压+压=切口水压力力与土压平衡盾构机相比，无加泥装置、螺旋输送机及其泥土输送编组列车等系统；但多了泥水分离系统和泥水输送管理系统,其他结构系统基本相同。土压平衡盾构机的主要部件和系统结构六、典型盾构介绍—泥水平衡盾构机采用盾构法掘进长距离隧道，会遇到复杂多变的地质条件，往往用一种类型的盾构难以完成施工任务，因此出现了复合型盾构。所谓复合型盾构，就是在软土盾构的刀盘上安装切削岩层的各式刀具，有的还在盾构内安装碎石机，这种硬岩开挖工具与软土隧道盾相机械相结合，能在硬岩和软土地层交替作业。复合型盾构刀盘上安装的刀具，应根据不同岩层条件而定。软土地层：主要采用割刀，安装在刀盘进土槽口两侧；硬岩地层：主要采用盘式滚刀，对于更坚硬的地层，应安装牙轮形和镶嵌碳化钨珠形的滚轮刀；软硬混合交替夹层：应采用不同形式的刮刀取代滚刀(如撕裂刀)，其开挖方法是刮下块状石块，使其对软塑土层更有效地开挖。上述各种刀具，应能相互调换，以便随岩层的变化进行有效选择。六、典型盾构介绍—复合盾构机⑴泥水加压型复合盾构以泥水加压盾构为基型，与硬岩开挖技术相结合，对大块卵石、块石应在盾构内安装碎石机。当盾构在软土层施工时，可按封闭型泥水加压盾构进行施工；当遇到硬岩地层施工时，在刀盘上安装不同的硬岩切削刀具即能快速转换成敞开型机械盾构施工，而碴土排送仍采用水力管道排送。⑵土压平衡型复合盾构以土压平衡盾构为基型，与硬岩开挖技术相结合，当盾构在软土层施工时，可按封闭型土压平衡盾构进行施工；而当遇到硬岩地层施工时，在刀盘上安装不同的硬岩切削刀具就能快速转换成敞开型机械盾构施工，为了排送尺寸较大的石块，可选用带式螺旋输送机.⑶敞开型复合盾构以普通机械开挖盾构为基型，与硬岩开挖技术相结合，施工时只要根据遇到的不同土层条件，及时转换安装适当的刀具，就能使施工继续进行。复合型盾构主要有以下三种类型：六、典型盾构介绍—复合盾构机地面监控室浆液搅拌站龙门吊管片堆场碴土堆放场水平运输系统隧道通风系统隧道排水系统七、盾构后配套设施盾构后配套设施主要有：配套设施盾构的四大要素：1、开挖面稳定2、掘进及排土3、管片衬砌4、壁后注浆。八、盾构法隧道施工盾构法主要施工程序1、建造盾构工作井2、出洞口土体加固4、初推段掘进施工5、掘进机设备转换6、盾构连续掘进施工8、盾构进入接井7、接收井洞口土体加固3、盾构机安装就位八、盾构法隧道施工1、土压力的平衡（开挖过程控制）2、进尺与出土量的平衡（即时控制）3、注浆量与建筑孔隙量的平衡（填充控制）4、盾构掘进参数变化量的