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1第五章盾构法施工第一节概述盾构法是暗挖隧道的专用机械在地面以下建造隧道的一种施工方法。盾构是与隧道形状一致的盾构外壳内，装备着推进机构、挡土机构、出土运输机构、安装衬砌机构等部件的隧道开挖专用机械。采用此法建造隧道，其埋设深度可以很深而不受地面建筑物和交通的限制。近年来由于盾构法在施工技术上的不断改进，机械化程度越来越强，对地层的适应性也越来越好。城市市区建筑公用设施密集，交通繁忙，明挖隧道施工对城市生活干扰严重，特别在市中心，若隧道埋深较大，地质又复杂时，用明挖法建造隧道则很难实现。而盾构法施工城市地下铁道、上下水道、电力通讯、市政公用设施等各种隧道具有明显优点。此外，在建造水下公路和铁路隧道或水工隧道中，盾构法也往往以其经济合理而得到采用。盾构法是一项综合性的施工技术。盾构法施工的概貌如图5－1所示。构成盾构法的主要内容是：先在隧道某段的一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁预留孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计预留孔洞推进。盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制衬砌，再传到竖井或基坑的后靠壁上。盾构是一个能支承地层压力，又能在地层中推进的圆形、矩形、马蹄形及其他特殊形状的钢筒结构，其直径稍大于隧道衬砌的直径，在钢筒的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段周圈内安装顶进所需的千斤顶，钢筒尾部是具有一定空间的壳体，在盾尾内可以安置数环拼成的隧道衬砌环。盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向盾尾后面的衬砌环外周的空隙中压注浆体，以防止隧道及地面下沉，在盾构推进过程中不断从开挖面排出适量的土方。盾构是进行土方开挖正面支护和隧道衬砌结构安装的施工机具，它还需要其它施工技术密切配合才能顺利施工。主要有：地下水的降低；稳定地层、防止隧道及地面沉陷的土壤加固措施；隧道衬砌结构的制造；地层的开挖；隧道内的运输；衬砌与地层间的充填；衬砌的防水与堵漏；开挖土方的运输及处理方法；配合施工的测量、监测技术；合理的施工布置等。此外，采用气压法施工时，还涉及到医学上的一些问题和防护措施等。2图5－1盾构法施工概貌示意图（网格盾构）1——盾构；2——盾构千斤顶；3——盾构正面网格；4一一出土转盘；5－一出土皮带运输机；6——管片拼装机；7——管片；8——压浆泵；9－一压浆孔；10——出土机；11——由管片组成的隧道衬砌结构；12——在盾尾空隙中的压浆；13——后盾装置；14——竖井第一节盾构构造、分类及适用范围一、盾构的外形和材料1、盾构的外形盾构的外形就是指盾构的断面形状，有圆形、双圆、三圆、矩形、马蹄形、半圆形或与隧道断面相似的特殊形状等。例如：将人行隧道筑成矩形，最大地利用了挖掘空间；将水利隧道筑成马蹄形，使流体的力学性能达到最佳状态；将穿山隧道筑成半圆形，可以使底边直接与公路连接等等。但是，绝大多数盾构还是采用传统的圆形。2、制造盾构的材料盾构在地下穿越，要承受水平载荷、垂直载荷和水压力，如果地面有构筑物，还要承受这些附加载荷，盾构推进时，还要克服正面阻力，所以，要求盾构具有足够的强度和刚度。盾构主要用钢板单层厚板或多层薄板制成，钢板一般采用A3钢。钢板间连接可采用焊接和铆接两种方法，大型盾构考虑到水平运输和垂直吊装的困难，可制成分体式，到现场进行就位拼装，部件的连接一般采用定位销定位，高强度螺栓联接，最后焊接成型。二、盾构的基本构造盾构的基本构造主要分为盾构壳体、推进系统、拼装系统三大部分，见简单的手掘式盾构的基本构造图5－2。1、盾构壳体从工作面开始可分为切口环、支承环和盾尾三部分。3(1)切口环切口环位于盾构的最前端，起开挖和挡土作用，施工时最先切入地层并掩护开挖作业，部分盾构切口环前端还设有刃口以减少切入地层的扰动。切口环保持工作面的稳定，并作为把开挖下来的土砂向后方运输，因此，采用机械化开挖、土压式、泥水加压式盾构时，应根据开挖下来土砂的状态，确定切口环的形状、尺寸。切口环的长度主要取决于盾构正面支承、开挖的方法，就手掘式盾构而言，考虑到正面施工人员、挖土机具有回旋的余地等。大部分手掘式盾构切口环的顶部比底部长，犹如帽檐，有的还设有千斤顶控制的活动前沿，以增加掩护长度；对于机械化盾构切口环内按盾构种类安装各种机械设备。图5-2盾构基本构造示意图1-切口环2-支承环3-盾尾4-支承千斤顶5-活动平台6-平台千斤顶7-切口8-盾构千斤顶9-盾尾空隙10-管片拼装机11-管片如泥水盾构，在切口环内安置有切削刀盘、搅拌器和吸泥口；土压平衡盾构，安置有切削刀盘、搅拌器和螺旋输送机；网格式盾构，安置有网格、提土转盘和运土机械的进口；棚式盾构，安置有多层活络平台、储土箕斗；水力机械盾构，安置有水枪、吸口和搅拌器。在局部气压、泥水加压、土压平衡等盾构中，因切口内压力高于隧道内，所以在切口环处还需布设密封隔板及人行舱的进出闸门。(2)支承环支承环紧接于切口环，是一个刚性很好的圆形结构。地层压力、千斤顶的反作用力，以及切口入土正面阻力、衬砌拼装时的施工载荷等承受作用于盾构上的全部载荷。在支承环外沿布置有盾构千斤顶，中间布置拼装机及部分液压设备、动力设备、操纵控制台。当切口环压力高于常压时，在支承环内要布置人行加、减压舱。支承环的长度应不小于固定盾构千斤顶所需的长度，对于有刀盘的盾构还要考虑安装切削刀盘的轴承装置、驱动装置和排土装置的空间。(3)盾尾盾尾主要用于掩护管片的安装工作。盾尾末端设有密封装置，以防止水、土及压注材料4从盾尾与衬砌间隙进入盾构内。盾尾密封装置损坏、失效时，在施工中途必须进行修理更换，盾尾长度要满足上述各项工作的进行。盾尾厚度应尽量薄，可以减小地层与衬砌间形成的建筑空隙，从而减少压浆工作量，对地层扰动范围也小有利于施工，但盾尾也需承担土压力，在遇到纠偏及隧道曲线施工时，还有一些难以估计的载荷出现。所以其厚度应综合上述因素来确定。盾尾密封装置要能适应盾尾与衬砌间的空隙，由于施工中纠偏的频率很高，因此，要求密封材料要富有弹性、耐磨、防撕裂等，其最终目的是要能够止水。形式多种，目前常用的是采用多道、可更换的盾尾密封装置，盾尾的道数根据隧道埋深、水位高低来定，一般取2～3道，如图5-3。图5－3盾尾密封示意图1－盾壳；2－弹簧钢板；3－钢丝束；4－密封油脂；5－压板；6－螺栓由于钢丝束内充满了油脂，钢丝又为优质弹簧钢丝，使其成为一个即有塑性又有弹性的整体，油脂保护钢丝免于生锈损坏。采用专用的盾尾油脂泵加注油脂，这种盾尾密封装置使用后效果较佳，一次推进可达500m左右，这主要取决于土质情况，在砂性土中掘进，盾尾损坏较快，而在粘性土中掘进则使用寿命较长。盾尾的长度必须根据管片宽度及盾尾的道数来确定，对于机械化开挖式、土压式、泥水加压式盾构，还要根据盾尾密封的结构来确定，必须保证管片拼装工作的进行；修理盾构千斤顶和在曲线段进行施工等因素，故必需有一些余量。2、推进机构盾构掘进的动力是靠液压系统带动千斤顶的推进机构，它是盾构重要的基本构造之一。(1)盾构千斤顶的选择和配置盾构千斤顶的选择和配置应根据盾构的灵活性、管片的构造、拼装管片的作业条件等来决定。选定盾构千斤顶必须注意以下事项：①千斤顶要尽可能地轻，且经久耐用，易于维修保养和掉换；②采用高液压系统，使千斤顶机构紧凑。目前使用的液压系统压力值为30～40MPa；③千斤顶要均匀地配置在靠近盾构外壳处，使管片受力均匀；④千斤顶应与盾构轴线平行。(2)千斤顶数量千斤顶的数量根据盾构直径、千斤顶推力、管片的结构、隧道轴线的情况综合考虑。一般情况下，中小型盾构每只千斤顶的推力为600～1500kN，在大型盾构中每只千斤顶的推力多为2000～2500kN。(3)千斤顶的行程盾构千斤顶的行程应考虑到盾尾管片拼装及曲线施工等因素，通常取管片宽度加上5100mm～200mm的余量。另外，成环管片有一块封顶块，若采用纵向全插入封顶时，在相应的封顶块位置应布置双节千斤顶，其行程约为其它千斤顶的一倍，以满足拼装成环所需。(4)千斤顶的速度盾构千斤顶的速度必须根据地质条件和盾构形式决定,一般取50mm/min左右，且可无级调速。为了提高工作效率，千斤顶的回缩速度要求越快越好。(5)千斤顶块盾构千斤顶活塞的前端必须安装顶块，顶块必须采用球面接头，以便将推力均匀、分布在管片的环面。其次，还必须在顶块与管片的接触面上安装橡胶或柔性材料的垫板，对管片环面起到保护作用。3、管片拼装机管片拼装机俗称举重臂，是盾构的主要设备之一，常以液压为动力。为了能将管片按照设计所需要的位置，安全、迅速地进行拼装，拼装机在钳捏住管片后，还必须具备沿径向伸缩、前后平移和360o(左右叠加)旋转等功能。拼装机的形式有环形、中空轴形、齿轮齿条形等，一般常用环型拼装机。这种拼装机安装在支承环后部，或者盾构千斤顶撑板附近的盾尾部，它如同一个可自由伸缩的支架，安装在具有支承滚轮的、能够转动的中空圆环上的机械手。该形式中间空间大，便于安装出土设备。4、真圆保持器盾构向前推进时管片就从盾尾部脱出，管片受到自重和土压的作用会产生变形，当该变形量很大时，已成环管片与拼装环在拼装时就会产生高低不平，给安装纵向螺栓带来困难，为了避免管片产生高低不平的现象，就有必要让管片保持真圆，该装置就是真圆保持器。真圆保持器支柱上装有上、下可伸缩的千斤顶和圆弧形的支架，它在动力车架挑出的梁上是可以滑动的。当一环管片拼装成环后，就将真圆保持器移到该管片环内，支柱的千斤顶使支架圆弧面密贴管片后，盾构就可进行下一环的推进。盾构推进后圆环不易产生变形而保持着真圆状态。三、盾构基本参数的选定(一)、盾构直径盾构直径必须根据管片外径、盾尾空隙和盾尾钢板厚度等设计要素确定，而盾尾空隙应根据管片的形状尺寸、隧道的平面形状、纠偏、盾尾密封结构的安装等进行确定。盾构直径是指盾壳的外径，而与刀盘、稳定翼、同步注浆用配管等突出部分无关。所谓盾尾空隙，是指盾壳钢板内表面与管片的外表面的空隙。根据隧道限界和结构尺寸要求，在确定衬砌外径之后，可按施工要求或经验确定盾构直径。下面根据图5-4,介绍两种计算方法。1、D=d+2(x+δ)（5－1）式(5－1)中：D－盾构直径(mm)；d－隧道外径(mm);；6x－盾尾空隙(mm)；δ－盾尾钢板厚度(mm)。图5-4盾构直径计算图为了满足盾构曲线段施工或推进施工时纠偏所需要间隙，盾尾空隙可由下式计算：X＝ML/d(5－2)式(5－2)中：M－盾尾和管片的搭接长度(mm)；L－盾尾内衬砌环顶端能够转动的最大水平距离，也称盾尾最大覆盖衬砌长度(mm)。根据实际经验，盾尾空隙一般取20～30mm。2、D=d内＋2(δ+x+T+T’+e)(5－3)式(5－3)中：d内－隧道内径(mm);T－隧道衬砌厚度(mm)；T’－隧道内衬厚度(mm)；e－最小余量(mm)；D、δ、x意义同前。上面两式中均有一个盾尾钢板厚度δ，此值应通过计算求得，可是计算工作较为复杂，所以通常采用经验公式或类比法相近选取。δ=0.02+0.01(D-4)(5－4)式5－4中D为盾构外径，单位为m。当D4m时，式中的第二项为零。(二)、盾构长度和灵敏度盾构长度主要取决于地质条件、隧道的平面形状、开挖方式、运转操作、衬砌形式和盾构的灵敏度(即盾壳总长L与盾构外径D之比)。一般在盾构直径确定后，灵敏度值有一些经验数据可参考：小型盾构(D=2～3m)(L/D)=1.50中型盾构(D=3～6m)(L/D)=1.00大型盾构(D6m)(L/D)=0.75盾构总长度由切口环、支承环、盾尾三部分组成，它不包括盾构内设备超出盾尾的部分，如后方平台、螺旋输送机等。盾构长度计算公式：L=Lw+Lc+Lt(5－5)71、切口环长度Lw机械化盾构仅考虑能容纳开挖机具即可；在手掘式盾构中要考虑到人工开挖的方便，Lw可以较长些，所以正面土体稳定时Lw最大值为：Lw=D.tgφ或Lw≤2m(5－6)式5－6中：φ－开挖面坡度与水平面的夹角一般取45ｏ；在棚式盾构中，其分层是按人的高度分隔：N=D/H(5－7)式5－7中：