1盾构施工技术

盾构施工技术长安大学公路学院隧道工程安全研究所第一部分前言1.1盾构的基本概念1.2盾构的发展1.3盾构法施工的原理1.4盾构应用的工程领域1.5盾构法工程实例1.1盾构的基本概念盾构一词的含义在土木工程领域中为遮盖物、保护物。盾构机(简称盾构)是一种独特的施工机具，它是一个既能支撑地层荷载又能在地层中推进，具有圆形或矩形或马蹄形等特殊形状直径略大于隧道衬砌直径的钢筒状结构。钢筒的前面设置有各种类型的支撑和开挖土体的装置；钢筒中段周圈内面安装有顶进所需的千斤顶；钢筒尾部是具有一定空间的壳体，盾尾内可以拼装1～2环预制的隧道衬砌环，并及时向盾尾后面的衬砌环外周的空隙中压注足够的浆体，以防止围岩松弛和地面下沉。在盾构推进中可以从开挖面不断地排出适量的土方。盾构机的所谓盾是指保持开挖面稳定性的刀盘和压力舱、支护围岩的盾构钢壳；所谓构是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体1.2盾构的发展1818年，在英国的法国人布鲁诺尔（M.I.Brunel）在蛀虫钻孔的启示下，最早提出了用于施工地下隧道的掘进机的雏形及施工方法。1825年，他第一次在伦敦泰晤士河下用一个断面高6.8m，宽11.4m的矩形盾构修建了一条隧道。由于初始未能掌握抵制泥水涌入隧道的方法，隧道施工两次被淹，后来在东伦敦地下铁道公司的合作下，经过对盾构施工的改进，用气压辅助施工，于1843年完成了全长458m的第一条盾构法隧道。从此以后，盾构机种类、制造技术及使用范围变得更加广泛。出现了各种型式的盾构机，如土压平衡盾构、泥水平衡盾构等等，以及各种断面型式的盾构机，如圆形、矩形、双圆形等。布鲁诺尔（1769~1849）法国工程师，但由于自1798年起一直侨居并服务于英国，为英国铁路，尤其对盾构法隧道有杰出贡献，是盾构隧道的发明人。早年在美国成为工程师、建筑师，1818年获盾构专利权，这种盾构命名为BrunelShield。1925年在修建伦敦泰晤士河首条水底隧道首次用盾构掘进。1843年建成泰晤士河水底隧道。随着上海多条越黄浦江隧道和崇明越江隧道、武汉长江隧道、南京长江隧道、杭州钱塘江隧道、重庆长江输水隧道、越珠江狮子洋高速铁路隧道，南水北调工程等一大批世界级盾构隧道的开工建设，我国已成为世界上盾构隧道工程总量最多、规模最大、发展最快的国家。我国的盾构发展北京上海天津深圳南京重庆成都沈阳长春杭州西安乌鲁木齐兰州合肥昆明哈尔滨佛山台北香港大连鞍山济南青岛高雄长沙前期工作城市在建设的城市厦门苏州广州已通车的城市武汉盾构分类简介盾构的简单分类大连路隧道上中路隧道1.3盾构法施工原理1.3.1地下建筑物的一般修建方法地下建筑物的修建一般采用明挖法、暗挖法和盾构法，TBM法、沉埋法、顶推法。一般而言，明挖法多采用于平坦地形及埋深小于30m的场合，该方法几乎可以适应各种不同类型的结构形式，使结构空间得到充分而有效的利用。但随着埋深的增加，采用明挖法会使工期和费用显著增加且工期可预见性较差，在大型越江（海）工程中还会因为所面临工程量浩大、影响因素过多而几乎无法实施；隧道暗挖法需要采取较多辅助措施，施工降水等措施所引起的临近地区地下水位降低、地面沉降量增加等问题较为突出，安全隐患严重，且当地基无自承载力或承载力较低、地下水位较高时，隧道将无法开挖通过。自世界上第一条人工开挖的盾构隧道建成以来，盾构法隧道以其显著的特点作为地下空间开发中的核心技术之一，受到了地下工程界的越来越广泛的关注。目前盾构法隧道施工技术已在能源、水利、交通等领域的隧道建设中得到广泛的应用。地下工程逆作法施工明挖法施工顶管施工的基本原理为：从地面开挖两个基坑井，然后管节从工作井安放，通过主顶千斤顶或中继间的顶推机械的顶进，推动管节从工作井预留口穿出，穿越土层到达接收井的预留口边，然后通过接收井的预留口穿出，形成管道的施工。（挤压式）应用工程:上海市市政府地下旁通到工程矩形顶管挤压式施工----矩形顶管应用工程：宁波开明街地下通道工程沉管法隧道是先在隧址以外的预制场制作隧道管段，管段两端用临时封堵密闭，待达到设计强度后拖运到隧址位置。此时，在设计位置上已预先进行了沟槽浚挖，设置了临时支座；然后沉放管段，待沉放完毕后，进行管段水下连接，处理管段接头及基础，而后覆土回填，再进行内部装修及设备安装，以完成隧道。盾构隧道施工是指使用盾构机，一边控制开挖面使围岩不发生坍塌失稳，一边进行隧道掘进、出渣，并同时在机器内部拼装管片形成衬砌环实施壁后注浆，尽量不扰动围岩而修建隧道的方法。采用盾构法修建而成的隧道成为盾构隧道。盾构隧道施工的原理尽可能在不扰动围岩的前提下完成施工，从而最大限度的减少施工对地面和地中建筑物的影响。工程中主要通过主动控制围岩的应力释放和变形以达到消弱施工影响的目的，其措施包括：使压力仓内的泥土或泥水压力以平衡开挖面所承受的前方土、水压力；使用切削刀盘和盾构钢壳对开挖四周进行被动支护；使用壁后注浆及时填充超欠挖及盾尾空隙等。1.3.2盾构施工原理1.3.3盾构隧道施工流程盾构隧道施工流程主要包括如下几个步骤：⑴在修建区间隧道两端修建竖井（或基坑），作为盾构始发和接受井（或始发和接受基坑）。⑵将盾构主机和相应配件分批次吊入始发井（或始发基坑），于设计预留始发掘进位置完成整机组装，调试各项参数以满足施工要求。⑶在始发井（或始发基坑）预留开口处破壁施工，沿隧道设计轴线定推前行。⑷完成设计盾构区间隧道定推施工。施工全过程主要分为几个步骤：①核心土体的开挖：保持盾构开挖面土、水压力略小于压力仓内支护压力以保持掌子面的不断前行。沿盾构机长度方向，受盾构机盾壳刚性支护影响无地应力释放产生，但盾壳外壁与周围土层间的摩擦力将导致围岩扰动和应力重分布。②盾尾管片环拼装：当掌子面顶推单环装配式管片环幅宽长度时，在刚性盾壳保护下完成整环管片拼装。③壁后注浆回填：为避免脱离盾壳庇护的管片环个实际开挖毛洞间所留下的盾尾空隙附近无支护土体坍塌所引起的较大地层损失和地表位移，通过设置在盾尾和管片上的预留注浆孔进行同步和壁后注浆。④重复上述过程，开挖面不断前行，形成连续管片和注浆环直至整条隧道贯通。⑤顶推施工至设计预定接受井（或接受基坑），盾构再次破壁以结束施工，拆卸盾构机并调运完成。盾构掘进动画壁后同步注浆效果图管片注浆孔和螺栓孔管片的预制简介1.3.4盾构工法的优点就本质而言，盾构隧道施工属于暗挖施工方法之一，故其没有明挖施工法的诸多缺点。目前已经开发的盾构施工法不仅适用于软土地层，而且适用于硬质地层和岩层情况(TBM是盾构的一种)。归纳起来，盾构施工具有一下主要优点：⑴施工对环境影响小。主要包括：出土量少，场地附近地层扰动沉降小，对周围建筑物影响小；不影响地表交通，无需切断或者搬迁地下管线等各种地下设施，从而节省了大量的工程附加费用；对周围居民生活和出行影响小；无空气、噪声和震动污染等问题。⑵施工不受地形地貌、江河水域等地表环境条件的限制。⑶地表占地面积小，施工占地和征地费用少。⑷适用于大深度、长距离和高水头等恶劣条件下的施工，施工费用可控性好。⑸施工受天气状况和气候条件影响小。⑹开挖核心土和出土量小，有利于降低工程成本。⑺施工构筑盾构隧道柔度大，抗震性能好。⑻使用范围广，可广泛适用于软土、砂卵石、软岩直至硬岩等各类地层条件。1.3.4盾构工法的缺点盾构隧道虽然优点众多，但仍然存在一些不足之处，主要有：⑴当隧道曲线半径过小时，施工较为困难。⑵修建城市隧道时，若隧道覆土太浅则施工困难较大；水下施工时，若覆土太浅则将导致施工安全性较低。饱和含水地层和水下隧道施工过程中，该施工法所采用的拼装衬砌对达到整体结构防水性的技术要求较高。⑶施工中隧道上方一定范围内的地表沉陷难以完全消除，特别是对于饱和含水松软地层而言，施工中应采取严密的技术措施以将沉降控制在设计要求范围内。⑷只是适合于某一区间的专用设备(指盾构机的专一性)。盾构机是根据施工隧道的特点和地基情况进行设计、制造或改造的。盾构机必须根据施工隧道的断面大小、埋深条件、地基围岩的基本条件进行设计、制造或改造，所以是适合于某一区间的专用设备。当将盾构机转用于其它区段或其它隧道时，必须考虑断面大小、开挖面稳定机理、围岩粒径大小等基本条件是否相同，有差异时要进行改造。⑸对施工精度的要求高。区别于一般的土木工程，盾构施工对精度的要求非常之高。管片的制作精度几乎近似于机械制造的程度。由于断面不能随意调整，对隧道轴线的偏离、管片拼装精度也有很高的要求。⑹盾构施工是不可后退的。盾构施工一旦开始，盾构机就无法后退。由于管片外径小于盾构外径，如要后退必须拆除己拼装的管片，这是非常危险的。另外盾构后退也会引起的开挖面失稳、盾尾止水带损坏等一系列的问题。所以，盾构施工的前期工作是非常重要的，一旦遇到障碍物或刀头磨损等问题只能通过实施辅助施工措施后，打开隔板上设置的出入孔进入压力舱进行处理。城市地下铁道城市市政道路公路隧道水工隧道输油、输气、煤气、电讯管道公用沟1.4盾构应用的工程领域上中路隧道1.5盾构法工程实例1966年5月，上海隧道建设公司用盾构法设计建造中国第一条水底公路隧道－－打浦路隧道。打浦路隧道全长2.7km，车道宽7.07m。隧道的南北两段是用明挖法和连续沉井法施工的，中段长1320m、外径10m隧道是用盾构法建造的。打浦路市政公路隧道大连路市政公路隧道第二部分盾构机介绍2.1盾构的发展趋势2.2机械式盾构机2.3盾构机的组成2.4盾构机拼装2.5盾构施工存在的问题2.1盾构机的发展趋势国际掘进机、盾构机发展趋势是向大、小两头发展掘进机、盾构机技术水平的提高与工业发展和地下工程的实际需要密切相关。西方国家在实现工业化的过程中，逐渐掌握了设计和制造技术，而科学技术的进步和大量地下工程投入建设，使得这些技术日臻成熟。西方国家的企业，在长期从实践到理论、再从理论到实践的反复探索过程中，逐渐形成了一套针对本国地质条件的设备设计理论、模拟试验方法和系统的经验数据，同时也形成了安装和调试的系统技术。现在国外企业已经做到了可以根据不同的地质情况设计出不同的掘进机或盾构机。比如：上海地铁工程的地质软，主要是泥沙，所以盾构机主要是防水；北京的地质条件硬，所以盾构机主要是防坍塌。据介绍，日本企业设计制造小型盾构机水平最高。他们甚至有成熟的塑料管形成技术，可以做到在掘进的同时，完成制造和埋设地下管线。机械式盾构是在盾构切口环部分紧贴开挖面装上与盾构直径相仿的旋转刀盘进行全断面开挖的盾构。①局部气压盾构在开胸机械式盾构的切口环和支撑环之间装有密封隔板，使切口环与此隔板之间形成一个密封舱。舱内通入压缩气体，以平衡开挖面的土压力，达到稳定开挖的作用。但是这种盾构工作条件差，在密封舱，盾尾及管片接缝处容易漏气。目前，已被现代的泥水加压盾构和土压平衡系列盾构所取代。2.2机械式盾构②泥水加压盾构泥水加压盾构法施工，就是在盾构开挖面的密封个苍茫注入泥水，通过泥水加压和外部压力平衡，以保证开挖面土体的稳定。盾构推进时开挖下来的土体进入盾构前部的泥水室，由搅拌机装置进行搅拌，搅拌后的高浓度泥水用泥水泵输送到地面，泥水在地面经过水土分离，然后送入地下盾构的泥水室，不断地排渣净化循环使用。泥水加压盾构在其内部不能直接观察到开挖面，因此要求盾构从推进，排泥到泥水处理全部按系统化作业。通过泥水压力、泥水流量、泥水浓度等测定，计算出开挖土量，全部作业过程中央控制台综合管理。泥水平衡盾构机的工作原理示意图泥水平衡式盾构应用工程:上海合流污水治理9.1标工程北京城建的泥水平衡式盾构应用工程:黑龙江佳木斯地下隧道工程③土压平衡盾构土压平衡盾构是在局部气压及泥水加压盾构基础上发展起来的，适用于含水饱和和软弱地层中施工的新型盾构。其头部装有全断面刀盘，在切口环与支撑环间设有密封隔板形成密封舱。土压系列盾构的基本原理：随着盾构的推进，由旋转刀盘切削下来的土体进入密封舱内，在舱内的土砂中注入一种具有流动性和不透水性的“做浆材料”，经刀盘后的叶片强制搅拌，把土拌成为一种具