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2020/3/4第四章地下工程的施工同济大学地下系谢雄耀副教授xiexiongyao@tongji.edu.cn2020/3/4盾构法隧道及非开挖顶管法施工§1盾构机的分类§2盾构法施工工艺§3水平定向钻施工§4顶管法施工技术2020/3/4§1盾构机的分类•盾构法定义•盾构法隧道施工是利用盾构机在软岩和土体中进行隧道掘进，同时完成隧道永久衬砌铺设的一种施工工法。2020/3/4■盾构设计的两种主流思想理念：1、日本的设计思想——主要根据工程需要来进行选型设计，考虑的是设备的经济性；代表有日本三菱、IHI公司等2、欧美的设计思想——主要考虑设备的高可靠性、高效率，代表有美国罗伯特、德国海瑞克公司等。二者量化比较，日本的盾构主要部件运行4000小时无故障，欧美的盾构机主要部件运行10000小时无故障。既要追求产品的高可靠性和适用性,又要达到产品的可维护性及长寿命。设计原则2020/3/4§1盾构机的分类与选型•盾构机的分类2020/3/4§1盾构机的分类与选型•泥水平衡式盾构：在密封舱内通入泥水（泥浆）以平衡盾构前方水土压力。•土压平衡式盾构：利用刀盘切削下来的土充满整个密封舱，并保持一定压力来平衡开挖面的土压力。2020/3/4§1盾构机的分类与选型•2盾构选型•盾构机选型的关键在于地质与环境保护条件、工程规模、经济性。•1）在地下水位低的地区，应优先考虑半机械式盾构；•2)在地下水位高的软土地区•泥水平衡式盾构施工引起的沉降可控制在10mm以内；•土压平衡式盾构施工引起的沉降可控制在20mm以内。2020/3/4§2盾构法施工工艺•盾构法施工的主要施工程序：（1）建造竖井或基坑，作为盾构施工的工作井；（2）盾构掘进机安装就位；（3）盾构出洞口处的土体加固处理；（4）初推段盾构掘进施工，即包括推进、出土、运土、衬砌拼装、盾尾注浆、轴线测量等；（5）盾构掘进机设备转换，即增加装有动力、电器、辅助工艺设备的后车驾；（6）隧道连续掘进施工；（7）盾构接收井洞口的土体加固处理；（8）盾构进入接收井，并运出地面。2020/3/4§2盾构法施工工艺•2.1盾构施工的准备工作•2.2盾构出洞•2.3盾构推进及衬砌的拼装•2.4盾构壁后注浆•2.5盾构施工隧道的防水2020/3/42.1盾构施工的准备工作•包括工作井的制作、盾构基座与导轨的铺设2020/3/42.2盾构出洞•盾构出洞是盾构法施工的重要环节之一。在始发井内，盾构按设计高程及坡度推出预留孔洞，进入正常土层的过程定义为盾构出洞。•盾构出洞涉及到洞门预留块制、四周土体加固、封门的凿除、盾构后座支撑下顶进。一般在出洞50m之后，盾构法隧道施工才进入正常。2020/3/42.2盾构出洞•预留封门在盾构出洞之前必须抵挡洞外土体侧向压力和水压力，保证封门不断裂倒塌，同时不产生大量地下水渗漏。•封门的形式与作法：•现浇钢筋混凝土封门；•钢板封门；•装配式楔体封门。125847369•为防止土体在临空面产生大量的坍塌或涌水，因此对封门外的土体加固是必须的，目前常用的方法有高压旋喷法、深层搅拌法及冻结法。2020/3/42.3盾构推进及衬砌的拼装•盾构推进过程中，导致偏离隧道设计轴线因素分析：•1）土层不均匀；•2）正面四周阻力不一致；•3）千斤顶伸出顶力不一致；•4）盾构重心偏于一侧；•5）盾构下部土体流失过多导致盾构叩头下沉。2020/3/42.3盾构推进及衬砌的拼装•盾构推进过程纠偏•1）千斤顶编组的调整；•如停开偏离方位处的几只千斤顶；•2）纵坡控制；•盾构推进尽量接近隧道纵坡，避免变坡推进；•3）盾构旋转的防止。•通常由大型旋转设备（如切削刀盘、举重壁及转盘旋转）等引起的，简单的方法是在盾构旋转方向的反侧加压重，或经常改变大设备的转向，注意调整拼装左右程序。2020/3/42.3盾构推进及衬砌的拼装•1装配式圆型衬砌构造•结构形式：带肋的箱型管片，不带肋的平板形管片。联结方式：直螺栓，弯螺栓。材料：球墨铸铁，全钢，钢筋混凝土管片•环宽：750-1500mm;厚度：250-600mm；弦长：3-4m•分块：6-8块，分别为数块标准块；两块相邻管片；一块封顶管片组成，封顶管片一般趋向于小封顶；拼装形式有：径向楔入（楔角4-8度）与纵向插入2020/3/42.3盾构推进及衬砌的拼装•拼装形式•通缝拼装：纵缝环环对齐•错缝拼装：纵缝互相错开，相邻圆环环间错开1/2~1/3管片。•优点：能加强圆环接缝刚度，约束接缝变形，使圆形结构可近似地按均匀圆环等刚度考虑。2020/3/42.3盾构推进及衬砌的拼装•2衬砌的拼装•在盾构尾部盾壳保护下，利用举重壁拼装。•1）拼装工序：管片的运送----就位---成环----衬砌的防水•2020/3/42.3盾构推进及衬砌的拼装•2衬砌的拼装•2）拼装方法•（1）先环后纵•优点：环面平整，纵缝拼接质量好。缺点：在易产生盾构后退地段不易采用。•（2）先纵后环•工法：拼块缩回这部分千斤顶，其它千斤顶仍支撑在盾构上，逐块轮流，直至拼装成环。•（3）举重壁拼装顺序•自下而上，左右交叉，最后封顶成环，可以有效防止盾构旋转2020/3/42.4盾构衬砌壁后注浆•向衬砌壁后注浆盾构施工的关键工序，其作用有：•1）防止隧道周围变形；•2）防止地表沉降；•3）改善隧道衬砌的受力状态，使衬砌与周围土体共同变形；•4）注浆在隧道周围形成一圈水泥壳体，能增强衬砌防水功能。2020/3/42.4盾构衬砌壁后注浆•1压浆方法：二次压浆、一次压浆•1）二次压浆•（1）推进一环后，用风动压浆机注入3-5mm的石英砂或卵石。•（2）推进5-8环后，注入水泥浆。•缺点：石英砂难以保证密实，水泥浆也难以充满孔隙，易引起地层变形。•优点：可保护盾尾密封装置。2020/3/42.4盾构衬砌壁后注浆•1压浆方法•2)一次压浆•随着盾尾空隙的出现，立即压注水泥砂浆，并保持一定压力。•隔30m，再次补浆，若出现地表沉降或严重渗漏时，还需补充注浆。2020/3/42.4盾构衬砌壁后注浆•2压浆操作•1）左右对称，从下往上逐步进行，并尽量避免单点超压注浆。•2）衬砌背后空隙未被完全充填之前，不允许中途停止工作。•3）一个孔眼注浆序进行到上一个压浆孔出现灰浆为止。2020/3/42.5盾构施工隧道的防水•从管片生产工艺、衬砌结构设计、接缝防水措施和材料等几个方面综合处理。•1.管片制作精度和抗渗要求•提高管片制作精度关键是提高钢模精度，要求±0.5mm•2020/3/42.5盾构施工隧道的防水•1)施工过程中盾尾的密封•2）接缝防水：弹性条防水，常用材料为氯丁橡胶外包丁基橡胶。•3）螺栓孔防水2020/3/4§3非开挖与顶管施工技术•在城市市政管道和地下通道工程中，普遍采用明挖法施工。但在管道埋深较大、交通干线附近和周围环境对位移、地下水有严格限制的地段则采用非开挖施工法更为安全与经济。常用的非开挖工法有：顶管法、水平定向钻法、箱涵法。2020/3/4§3顶管法施工•顶管法是将管道用大功率的顶推设备顶进至终点来完成铺设任务的施工方法。•顶管法施工过程如下：顶管的工作井----顶管出口孔壁对面侧墙为承压壁，其上安装液压千斤顶和承压垫板----然后以工具管为先导，将预制管节按设计轴线逐节顶入土层中----直到下一工作井的进口孔壁。2020/3/4§3顶管法施工•60年代开始，顶管技术不断得到开发和推广；•70-80年代，先后引进和开发了长距离顶管、中继间、泥浆减阻、计算机控制、激光导向系统等先进技术，管道顶进最大长度已超过千米。•嘉兴污水处理排海顶管工程一次顶进2050m，创造了同类顶管工程的世界记录。•顶管适用土层很广，特别适用于粘性土、粉性土和砂土，也适用于卵石、碎石、风化残积土等非粘性土。•顶管法主要用于管径300-4000㎜的地下管道施工，设备能够平衡地下水压力和土压力，能控制地表的隆起和沉降，具有激光定向功能，顶进速度200-300㎜/min。2020/3/43顶管法施工关键设备工具管•工具管，又叫做机头，它是顶管的关键机具，一般有以下功能：掘进、防坍塌、出泥和导向。不同工具管有不同的特性，所以应当依据工程特点、地质情况和设计要求等选择合适的工具管。•按照功能工具管分类如下：•（1）按掘进功能，可分为：手掘式、挤压式、半机械式、机械式和水力挖掘式工具管。•（2）按防坍塌功能，可分为：机械平衡式、泥水平衡式、土压平衡式、水压平衡式和气压平衡式工具管。•（3）按出泥功能，可分为：干出泥式和泥水出泥式工具管。2020/3/43顶管法施工关键设备•采用中继间技术就是将一条长管道分为多个区段，并在区段之间加入中继环，中继环的作用时分散主战的顶力。而且一般主战的顶力要大于中继环的顶力。中继间顶管的关键设备式工具管，而长距离顶进的关键设备是中继间。距离较长的管道，由于管道四周的摩阻力越来越大，一方面主千斤顶的顶力有限，不可能无限增加，另一方面主千斤顶的顶力也受到管道允许应力和后背墙允许应力的制约。为了解决上述问题就出现了中继间。2020/3/43顶管法施工关键设备•触变泥浆减阻•在顶管中为了减少管壁四周的摩阻力，触变泥浆套的形成依赖于工具管。•在长距离和超常距离顶管中，由于施工工期较长，触变泥浆容易因失水而失去作用，因此在管道沿程，从工具管开始每隔一定距离都需设置注浆孔，及时补充新的触变泥浆。通常在中继环附近设置注浆孔。2020/3/43顶管法施工关键设备•纠偏•纠偏是指工具管偏离设计轴线后，利用工具管的纠偏机构，改变管端的方向，减少偏差的过程。其目的是使管道沿设计轴线顶进。•由于工具管产生的偏差都将全部保留在整条管线上，而且工具管的纠偏也是非常重要的，纠偏的好坏将直接影响顶管施工的质量。2020/3/4水平定向钻导向钻进原理•大多数的导向钻进使用一种射流辅助切削钻头，钻头通常是一个斜面，因此当钻杆不停地回转时，可钻出一个直孔，而当钻头朝着某个方向推进而不转时，钻孔向一方偏向推进。•在钻孔向前推进时，通过追踪安装在钻头内发射器的信号来确定导向钻的深度与方向2020/3/44.2水平定向钻施工前勘察•管道地基岩土分类（需重视砂土、淤泥质粘土）•城市地下障碍物的调查（如杂填物，河道边板桩）•城市已有地下管线的调查•静力触探（注意回填触探孔）•管线仪（适合快速探测金属管线）•地质雷达（可探查障碍物与各类管线）2020/3/44.3水平定向钻工程实例峨眉站排管工程，排管长60米(2*6)，使用的管材为PE管，壁厚12MM，内径160MM，排管需穿越汉阳路和峨眉路，接进原有工井。顶管的最深深度为6.09米。施工完毕后通牛发现部份排管疏通有障碍。在2002年1月21日使用管道探测器对排管进行探测，探测结果有几孔严重变形，排管断面成椭圆形。(详细资料见管道探测联系单)。2020/3/4孔径的严重变形分析原因1、泥浆用量不够，造成护壁不够充份。2、管材的环刚度未达到设计要求，造成在顶管过程中无法承受外部压力而产生变形。3、扩孔不够充分，造成回拖管线与周围摩擦力加大。4、扩孔器和管材之间连接方式不完善。(目前大多采用拖管头固定器对管线进行固定。当其中一根管材受力后发生偏向，其他管材也会一起偏向，造成整体移位。)