盾构法隧道施工

研究生课程考核试卷科目：隧道工程教师：靳晓光姓名：龙帅学号：20121613155专业：建筑与土木工程类别：专业上课时间：2012年12月至2013年1月考生成绩：卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语：阅卷教师(签名)1盾构法隧道施工龙帅（重庆大学土木工程学院）【摘要】:如果说20世纪是桥梁建设的世纪，那么21世纪就是地下空间开发的世纪。随着城市密集度的提高和高层建筑的不断增加，地面可利用空间越来越少，地下空间的利用开发就越来越受到重视。伴随着地下空间时代的来临，地下工程的施工机械化得到迅速发展。所以，如何更有效利用和创造地下空间已成为当今城市现代化的重要课题，采用盾构法来开发地下空间则是一种最佳选择。【关键字】：地下空间盾构隧道机械化ShieldtunnelingconstructiontechnologyLongShuai（FacultyofCivilEngineering,ChongqingUniversity）【Abstract】:Ifthetwentiethcenturyisthecenturyofbridgeconstruction,thenthe21stcenturyisthecenturyofundergroundspacedevelopment.Withtheimprovementofurbanconcentrationandtheincreaseofthehigh-risebuilding,thespaceofgroundbecomeslessandless,sotheuseofundergroundspacehasbeentakenseriously.Withtheeraofundergroundspace,themechanizationofundergroundengineeringconstructiondevelopsquickly.Therefore,howtomoreeffectivelyuseandcreatetheundergroundspacebecomesanimportantsubjectofthecurrenturbanmodernization,usingshieldmethodtodeveloptheundergroundspaceisabestchoice.【Keywords】:undergroundspaceShieldtunnelingmechanization21、概述1.1盾构法隧道的起源1802年，英国采矿工程师阿贝尔提出修建英吉利海峡隧道的计划，设计从英法两岸用一种有掩体结构的挖掘机修筑隧道，每侧各挖掘18.7km，最后在瓦恩浅滩对接贯通。然而真正的盾构法应用始于1818年，由法国工程师布罗诺尔（MIBrunel）研发并取得专利，至今已有180多年的历史。我国在1957年北京的下水道工程中首次使用盾构法修建地下工程。1.2盾构法隧道基本原理盾构法隧道的基本原理是用一件有形的钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体向前推进。这个钢质组件在初步或最终隧道衬砌建成前，主要其防护开挖出的土提、保证作业人员和机械设备安全的作用。盾构的另一个作用是能够承受来自地层的压力，防止地下水或流沙的入侵。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。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，特别是在市中心，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。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洞推进。盾构推进中所受到的地层阻力，同构盾构千斤顶传至尾部一品装的预制衬砌，再传到竖井或基坑的后靠壁上。盾构是一个技能支撑地层压力，又能在地层中推进圆形、矩形、马蹄形级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类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吨位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他施工技术密切配合才能顺利施工。主要有：地下水的降低，稳定低层，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，地层开挖，隧道内的运输，衬砌与底层间的充填，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，检测技术，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。1.3盾构法隧道优缺点（1）盾构法隧道优点：1）在盾构支护下进行地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件影响，能经济合理地保证隧道安全施工。2）盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实行自动化、智能化和施工远程控制信息化，掘进速度快，施工劳动强度较低。3）地面人文自然景观受到良好的保护，周围环境不受盾构施工干扰；在松3软地层中，开挖埋深较大的长距离、大直径的隧道，具有经济、技术、安全、军事等方面的优越性。（2）盾构法隧道缺点：1）盾构机械造价较昂贵，隧道的衬砌、运输、拼装、机械安装等工艺较复杂；在饱和含水的松砂地层中施工，地表沉陷风险较大。2）需要设备制造、气压设备供应、衬砌管片预制、衬砌结构防水及防堵、施工测量、场地布置、盾构转移等施工技术的配合，系统工程协调复杂。3）建造短于750m的隧道经济性差；对隧道曲线半径过小或隧道埋深较浅时，施工难度较大。2、盾构构造2.1盾构的基本构造盾构种类繁多，就盾构在施工中的功能而言，其基本构造主要分为盾构壳体、推进系统、拼装系统三大系统部分（如图2-1）：2-1盾构基本构造示意图（1）盾构壳体设置盾构外壳的目的是保护掘削、排土、推进、作衬等所有作业设备。装置的安全，故整个外壳用钢板制作，并用环形梁加固支承。一台盾构机的外壳沿纵向从前到后可分为前、中、后三段，通常又把这三段分别称为切口、支承、盾尾三部分。1）切口环该部位装有掘削机械和挡土设备，故又称掘削挡土部。切口环部分是开挖和挡土部分，它位于盾构的最前端，施工时最先切入地层并掩护开挖作业，其前端设有刃口以减少切土时对底层的扰动。切口环保持工作面的稳定，并把开挖下来的土砂向后方运输。切口环的长度主要取决于支撑、开挖方法，就手掘式盾构而言，考虑到正面施工人员的安全和挖土机具工作要有回旋的余地等因素。对于机械化盾构，切口环的长度应由各类盾构所需安装的各种机械设备而定。42）支承环支撑位于中部，是盾构的主体构造部，是承受作用于盾构上全部荷载的骨架。支撑环紧接于切口环，是一个刚性很好的圆形结构。地层压力、所有千斤顶的反作用力以及切口入土正面阻力、衬砌拼接时的施工载荷等均有支撑环来承受。支撑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盘的轴承装置、驱动装置和排水装置的空间。3）盾尾盾尾一般由盾构外壳钢板延伸构成，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，所以盾尾长度要满足上述各项工作的要求。（2）推进机构盾构掘进的动力室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。2)千斤顶的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600~1500N，在大型盾构中每只千斤顶的推力为2000~2500N。3）千斤顶的行程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100~200mm的富余量。4）千斤顶的速度千斤顶的速度必须根据地质条件和盾构形式来定，一般去500mm/min左右，且可无级调速。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。（3）挡土机构挡土机构是为了防止掘削是掘削面地层坍塌和变形，确保掘削面稳定而设置的机构，该机构因盾构种类的不同而不同。就敞开式盾构机而言，挡土机构是挡土千斤顶。对地下水压小、涌水量不大的砂层中掘进的全敞开式而言，可采用顶棚式挡土装置。对半开式网格盾构而言，挡土机构是刀盘面板。对机械式而言，挡土机构是网格式封闭挡土板。（4）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。为了能让管片按照设计所需要的位置，安全、迅速地进行拼装，拼装机在嵌捏住管片后，还必须具备沿径向伸缩、前后平移和360度旋转等功能。（5）真圆保持器盾构向前推进时管片就从盾尾脱出，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，既成环和拼装环拼装式就会产生高低不平，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，5该装置就是真圆保持器。2.2盾构基本参数的选定（1）盾构直径盾构直径必须根据管片外径、盾尾空隙和盾尾钢片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。盾构直径是指盾尾的外径，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。根据隧道界限和结构尺寸要求，在确定衬砌外径之后，可按施工要求或经验确定盾构直径。下面介绍两种方法：1）2()Ddx式中D——盾构直径（mm）；d——隧道直径（mm）；x——盾尾空隙（mm）；——盾尾钢板厚度（mm）。2）'2()DdxTeT内式中d内——盾构内径（mm）；T——隧道衬砌厚度（mm）；'T——盾尾内衬厚度（mm）；e——最小富余量（mm）；D，，x同前。（2）盾构长度和灵敏度盾构长度主要取决与地质条件。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、支撑环、盾尾三部分组成，它不包括盾构内设备超出盾尾的部分，如后台平台、螺旋输送机等。盾构长度计算公式：wctLLLL式中：wL——切口环长度cL——支撑环长度tL——盾尾长度（3）盾构的推力盾构向前行进是靠安装在支撑环周围的千斤顶顶力，各千斤顶顶力之和就是盾构的总推力，在计算推力时，一定要考虑周全，要将盾构施工全过程中可能遇到的阻力都计算在内。61）盾构的总推力和各种阻力的计算公式如下：总推力123456FFFFFFF式中：1F——盾构外壁周边与土体之间的摩擦或粘结力2F——推进中切口插入土壤的贯入阻力3F——工作面正面阻力4F——管片与盾尾之间的摩擦力5F——变向阻力6F——后方台车的牵引力2）盾构总推力可由以上1234FFFF的总和再乘以2来求出；3）也可按经验公式求得：2/4jjFPD式中：jF——盾构的总推力（KN）jP——开挖面单位截面积的推力（KN）a）人工开挖、半机械化开挖盾构，机械化开挖盾构：jP=700~1100kPAb）封闭式盾构、土压力平衡式盾构、泥水加压式盾构：jP=1000~1300kPA2.3盾构的分类盾构是修建隧道的正面支护掘进和衬砌拼装的专用机具，盾构类型的主要区别是盾构正面对土体支护开挖方法的不同。为此，盾构的种类按其结构特点和开挖方法来分，主要分类如下表：头部结构开挖方式闭胸式土压平衡式土压式泥土压式泥水加压式敞开式部分敞开式挤压式全面敞开