盾构法隧道施工概述

盾构法隧道施工概述盾构法隧道施工适用于软土地区埋深大的隧道工程，可穿越江河、湖泊、海底、地面建筑物和地下管线密集区的下部。关于盾构施工方法的种类，一般可以根据断面形状分类、开挖方式分类、头部结构分类等。根据头部的结构（以隔离开挖面和盾尾衬砌作业空间之间隔板的有无）可以分为闭胸式和敞开式。从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。根据开挖面的稳定原理和方法，可以将各种盾构的特征总结如下。（1）闭胸式盾构通过设置于切口环和支承环之间的密封隔板，并在隔板和作业面之间形成压力舱，保持充满泥砂或泥水的压力舱内的压力，以保证作业面的稳定性的机械式盾构型式。根据开挖面稳定机理可以分为土压平衡式盾构和泥水加压式盾构。①土压平衡式盾构将开挖的泥砂进行泥浆化，通过控制泥浆的压力以保证作业面的稳定性。该盾构设置有切削围岩的机械、搅拌开挖土砂使其泥浆化的搅拌机械、切削土的排出机械并有能够保证切削土压力的控制机械的盾构型式。又可根据是否具有促进泥浆化的添加材料的注浆装置分为土压盾构和泥土压盾构。土压平衡式盾构如图所示。a．土压式盾构使用转动刀盘切削围岩，并使作业面和隔板之间充满经过搅拌的土砂。该施工方式通过盾构的推进力给切削土砂加压并使其作用于作业面整体来获取作业面的稳定性，同时通过螺旋式输送器进行排土。b．泥土压式盾构通过一边注入添加材料一边转动刀盘，强制性地搅拌切削土砂和添加材料使其成为塑性流动化状态。与土压盾构相同，该施工方式也为一边保持作业面的稳定性一边通过螺旋输送器进行排土。②泥水加压式盾构该盾构通过给泥浆一定的压力以保持开挖面的稳定性，并通过循环泥浆将切削土砂以流体方式输送运出。该盾构型式设置有切削围岩的开挖机械，泥浆循环设备，给泥浆施加一定压力的送排泥设备，运出泥浆的分离设备，另外有的泥水加压式盾构还具有保证泥浆性能的调泥和泥水处理设备。（2）敞开式盾构敞开式盾构与闭胸式盾构的主要不同就是没有设置隔板，开挖面全部或大部分敞开的盾构型式，以作业面能够自立稳定作为前提。对于不能自立稳定的作业面，要通过辅助施方法，使其能够满足自立稳定条件。①机械式盾构在盾构前部安装有切削刀盘，可用机械连续地开挖土砂的盾构。通过刀盘支撑，可以得到一些挡土效果。②半机械式盾构敞开式盾构中的半机械式盾构是在盾构的原型—人工开挖式盾构上装上开挖机、装载机或开挖装载两用机等的盾构。为了防止开挖面崩塌，可安装可动式切口环、半月形千斤顶。但由于安装了开挖装置，故实际上难以设置前面千斤顶等挡土装置，大多在开挖过程中开挖面敞开得很大，对开挖面的稳定条件需进行研究。标书网在这儿主要介绍以下内容：1.盾构的构造、分类与选型及适用范围；2.盾构隧道衬砌断面的型式与选型、衬砌分类、衬砌防水；3.盾构施工的准备工作，盾构的推进、隧道衬砌的拼装及衬砌壁后的压浆；4.盾构掘进中的辅助施工方法；一、断面形式根据隧道的使用要求、施工技术的可能、外围土层的特性、隧道受力等因素，其断面一般有圆形、矩形、半圆形、马蹄形等多种形式，最常用衬砌的断面形式是圆形。因为圆形隧道衬砌断面有以下优点：（1）可以等同地承受各方向的外部压力。尤其是在饱和含水软土地层中修建地下隧道，由于顶压、侧压较为接近、更可显示出圆形隧道断面的优越性。（2）施工中易于盾构推进。（3）便于管片的制作、拼装。（4）盾构即使发生转动，对断面的利用也毫无妨碍。二、内部使用限界的确定隧道内部轮廓的净尺寸应根据建筑限界或工艺要求并考虑曲线影响及盾构施工偏差和隧道不均匀沉降来决定。对于地铁，为了确保列车安全运行，凡接近地铁线路的各种建筑物（隧道衬砌、站台）及设备、管线，必须与线路保持一定距离。因此，应根据线路上运行的车辆在横断面上所占有的一定空间，正确决定内部使用限界。1.车辆限界车辆限界是在平、直线路上运行中的车辆可能达到的最大运动包迹线，就是车辆在运行中横断面的极限位置，车辆任何部分都不得超出这个限界。2.建筑限界建筑限界是决定隧道内轮廓尺寸的依据，是在车辆限界以外一个形状类似的限界。任何固定的结构、设备、管线都不得侵入这个限界以内。建筑限界是由车辆限界外增加适量安全间隙来求得的，其值一般为150～200mm。三、单双层衬砌的选用应根据隧道的功能、外围土层的特点、隧道受力等条件，分别选用单层装配式衬砌，或在单层装配式衬砌内再浇筑整体式混凝土、钢筋混凝土内衬的双层衬砌。双层衬砌施工周期长，造价贵，且它的止水效果在很大程度上还是取决于外层衬砌的施工质量、渗漏情况，所以只有当隧道功能有特殊要求时，才选用双层衬砌。通常在满足工程使用要求的前提下，应优先选用单层装配式钢筋混凝土衬砌。单层预制装配式钢筋混凝土衬砌的施工工艺简单，工程施工周期短，节省投资。四、衬砌分类1.铸铁管片铸铁管片强度高，易铸成薄壁结构，管片重量轻，搬运安装方便，管片精度高外形准确，防水性能好。但加工设备要求高，造价大。该管片需翻砂成型后用大型金属切削机械加工。2.钢管片主要用型钢或钢板焊接加工而成，其强度高、延性好、运输安装方便，精度稍低于铸铁管片。但在施工应力作用下易变形，在地层内也易锈蚀。3.钢筋混凝土管片该种材料制作而成的管片有一定强度，加工制作比较容易，耐腐蚀，造价低，是最常用的管片形式。但较笨重，在运输、安装施工工程中易损坏。4.挤压混凝土衬砌这是一类新工艺，盾尾后部设有相连接的滑模台车，盾构推进时混凝土泵同时向盾尾连续压注混凝土，形成衬砌，并兼作盾构推进的后座。这类衬砌的施工速度比拼装衬砌快，防水效果更好，造价也低。五、衬砌防水问题1、衬砌管片自身防水管片自身防水主要靠提高混凝土抗渗能力和管片制作精度实现。钢筋混凝土管片的抗渗等级应根据隧道埋深及地下水压力确定，一般要求达到S4～S8，混凝土级配需选用干硬性密实级配，且可掺入塑化剂，调整级配，增加混凝土的和易性，严格控制水灰比，一般不大于0.4。浇筑、养护、堆放和运输中应严格执行质量管理。近年来研制成功的渗透型外防水涂料，可用于改善管片混凝土的抗渗性能。2、拼装接缝防水a.密封垫防水目前已普遍使用弹性密封橡胶条防水，并以粘结力强、延伸性好、耐久、能适应一定量变形的防水材料嵌缝。弹性密封垫防水条由天然橡胶、合成橡胶等制作，近年来又采用了防水性能好的遇水膨胀橡胶。防水条在管片拼装前粘贴于接缝面的预留沟槽内。b.嵌缝防水嵌缝防水作业一般在管片拼装完成和变形已达到相对稳定时进行。管片内弧面边缘留有嵌缝槽，嵌缝材料可选用乳胶水泥、环氧树脂和焦油聚氨酯材料等。最近研制成功的遇水膨胀嵌缝膏是一种较好的嵌缝材料。c.螺栓孔防水管片上的螺栓孔也易渗漏水，需要采取措施加以密封。常见的做法是在螺栓上穿上由合成树脂或合成橡胶类材料制作的圆环形密封垫，然后拧紧螺母，使其充填或覆盖螺孔壁与螺杆之间的空隙，堵塞漏水通道。盾构法施工是在盾构保护下建造隧道的一种施工方法。其特点是掘进地层、出土运输、衬砌拼装、接缝防水和盾尾间隙注浆充填等主要作业都在盾构保护下进行，同时需要随时排除地下水和控制地面沉降，因而盾构法施工是一项施工工艺技术要求高、综合性强的施工方法。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。一、盾构拼装和拆卸的工作井在盾构施工段的始端和终端，要建造竖井或基坑，用以进行盾构安装和拆卸。如果盾构推进线路特别长时，还应设置检修工作井。这些竖井或基坑都应尽量结合隧道规划线路上的通风井、设备井、地铁车站、排水泵房、立体交叉、平面交叉、施工方法转换处等需要来设置。作为拼装和拆卸用的竖井，其建筑尺寸应根据盾构装、拆及施工来确定。盾构拆卸井要满足起吊、拆卸工作的方便，其要求一般比拼装稍低，但应考虑留有进行洞门与隧道外径间空隙充填工作的余地。二、盾构基座盾构基座在井内用作安装及稳妥地搁置盾构，更重要的是通过设在基座上的导轨使盾构在施工前获得正确的导向。因此，导轨需要根据隧道设计、施工要求定出的平面及高程位置进行测量定位。基座可以采用现浇钢筋混凝土或钢结构。导轨一般布置在盾构下部的90o范围内，由两根或多根钢轨组成。基座除受盾构自重外，还应考虑盾构切入地层后，进行纠偏时产生的集中荷载。三、盾构进出洞技术盾构进出洞是盾构法施工的重要环节，涉及到竖井洞门的形式和盾构切口内设备的布置，对地面沉降及隧道的防水都有很大的影响。进出洞问题处理的好，能减少许多后患，保证施工速度和安全。1.盾构进出洞方法a.临时基坑法b.逐步掘进法c.工作井进出洞法2.临时封门的构造形式a.钢结构封门b.砖石或混凝土封门四、盾构后座盾构刚开始掘进时，其推力要靠工作井井壁来承担。因此，在盾构与井壁之间需要传力设施，此设施称为后座。通常采用隧道衬砌管片或专用顶块与顶撑作后座。后座衬砌与后座井壁之间的空隙，一般采用浇筑低标号混凝土来填平，使盾构推力均匀地传给后座壁，将来拆除后座衬砌也较方便。当盾构向前掘进达到一定距离，盾构顶力可由隧道衬砌与地层间摩阻力来承担时，后座即可拆除。一、手掘系统盾构1.手掘式盾构手掘盾构是最原始的一类盾构，其构造简单，配备较少，造价低，目前在地质条件较好的工程中仍广泛使用。盾构顶部有活动前檐以支护上部土体。挖土由人工从上往下进行，每隔2～3m设一作业平台，可适应各种复杂地层，开挖面可根据地质条件全部敞开，也可采用正面支撑，随开挖随支撑。施工人员可观察到地层变化情况，遇到桩、孤石等地下障碍物时，比较容易处理，容易进行盾构纠偏，也便于在曲线段施工。2.挤压式盾构挤压式盾构分为全挤压及半挤压两种，前者将手掘式盾构的开挖工作面用胸板封闭起来，把土层挡在胸板外，没有水土涌入及土体坍塌的危险，并省去了出土工序。后者在封闭胸板上局部开孔，土体从孔中挤入盾构，装车外运，省去了人工开挖，劳动条件比手掘式盾构大为改善，效率也成倍提高。挤压式盾构仅适用于软弱可塑的粘性土层。3.网格式盾构网格式盾构在开挖面装有钢制的开口格栅，当盾构向前推进时，土被网格切成条状，进入盾构后运走，当盾构停止推进时，网格起到挡土的作用，有效地防止开挖面坍塌。这种盾构对土体的挤压作用比挤压式小，因而引起的地表变形也小些。网格式盾构只适用于软弱可塑的粘性土层，当地层含水时，尚需要辅以降水、气压等措施。二、半机械式盾构在手掘式盾构正面装上挖土机械和出土装置，即成为半机械式盾构。挖土装置有铲斗式、切削式和混合式三种形式。铲土式适用于粘土和砂砾混合层，切削式适用于硬粘土和硬砂土层，混合式适用于自立性较好的土层。如遇土质坚硬可安装软岩掘进机的切削头子。其适用范围基本上与手掘式盾构一样。三、机械系统盾构1.机械式盾构在手掘式盾构的切口环部分，安装与盾构直径大小相同的旋转大刀盘，对土体进行全断面开挖的盾构，称为机械式盾构。它适用于各类土层，尤其适用于极易坍塌的砂性土层中的长隧道，可连续掘进挖土。由刀盘切削产生的土经过刀盘上的预留槽口进入土舱，提升和流入漏斗后，再通过传送带运人出土车。这类盾构有作业环境好、省力、省时、省工、效率高、后续设备多、发生偏差时难纠偏、造价高等特点。2.泥水加压盾构泥水加压盾构就是在机械式盾构大刀盘后面设置一道隔板，隔板与刀盘之间作为泥水室，在开挖面和泥水室中充满加压的泥水，通过加压作用，保证开挖面土体的稳定。盾构推进时开挖下来的土体进入泥水室，由搅拌装置进行搅拌，搅拌后的高浓度泥水用流体输送系统送出地面，把送出的浓泥水进行水土分离，然后把分离后的泥水再送入泥水室，不断循环使用，其全部工程均由中央控制台综合管理，可实现施工自动化。其适用于以砂性土为主的洪积地层，也较适用于以粘性土为主的冲击地层，但泥水处理费用较高。3.土压平衡盾构土压平衡盾构前端有一个全断面切削刀盘，盾构的