盾构施工技术

1盾构施工技术第一节概述一、基本原理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。先在隧道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。●盾构是进行土方开挖、正面支护和隧道衬砌结构安装的施工机具●盾构是一个既能支承地层压力，又能在地层中推进的钢筒结构●钢筒的前面设置各种支撑和挖土装置钢筒的中段周圈内安装顶进千斤顶钢筒的尾部可安置数环隧道衬砌●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。二、国外盾构施工技术发展概述1.人工开挖盾构的发明世界上第一条人工开挖盾构隧道是由MareBrunel和他的儿子—起在伦敦泰晤士河下建成的。该盾构呈矩形（11.6m宽，7m高），总共只有366m长的隧道耗时20年左右，曾经历很大困难，出现过五次以上涌水。1869年，JamesHenryGreathhead采用圆形敞开式盾构在泰晤士河下再建了一条外径为2.18m的行人隧道，该隧道衬砌是铸铁管片，隧道在不透水的粘土层中掘进，无地下水威胁，因此进展相当顺利。1886年，Greathead在建造伦敦地铁时首次使用了压缩空气盾构，解决了在含水地层中修建隧道的问题。2.机械化盾构的问世1876年：第一台机械化盾构的专利出现。第一台机械化盾构的设想是用由几块板构成的半球状刀盘旋转切削土体，然后靠径向转动的土斗将切削下来的土体运到皮带输送机上。1896年，J．Price的专利比第一台盾构有较大改进，刀盘由若干轮辐构成，电动2驱动由长轴传递，其外形也与现代盾构较为接近。早期的盾构技术在英国发明并得到发展并不是偶然的事件，由于19世纪和20世纪上半叶，英国是全球最强盛的工业化国家，而对隧道掘进来讲，伦敦的粘土可说是地球上较理想的土层，因此，由当时最发达的国家率先在较理想的土层中发展盾构技术是合乎技术发展的逻辑的。3.削土密封式压力平衡盾构的出现1965年，日本首先制造了泥水盾构（SlurryShield），其基本原理是用液体(水或加膨润土的水)平衡开挖面的土体。与压缩空气盾构相比，泥水盾构不需要人员在压缩空气条件下工作，但泥水处理系统比较复杂，泥水盾构虽然也可用于粘土地层，但绝大多数情况是在含水砂层中使用。1974年，日本的Satokogyo有限公司发明了土压平衡盾构（EarthPressureBalancedShield）。在此之前，虽然压缩空气盾构和泥水盾构已能克服含水层中的施工问题，但压缩空气对人体的危害和泥水对环境的不利影响促使日本的隧道专家寻找一个更好的解决问题的办法，土压平衡盾构便应运而生了。泥水盾构和土压平衡盾构同属削土密封式压力平衡盾构。日本能够在现代盾构技术的发展中独领风骚也有其客观原因，首先，日本从60年代中期开始步人现代化国家行列，其科学水平已逐步接近欧美国家，这为日本发展现代盾构技术提供了强有力的技术支持。其次，人口众多、土地贫乏、多岛，不得不开发地下空间。再次，一些大城市（如东京）的软弱地层条件又给日本隧道专家带来了很多困难，激励着日本隧道专家寻找理想的隧道建造技术，构成了日本隧道施工技术进步的动力。4.盾构技术的新发展20世纪进入80年代后，盾构技术发展的主流大致从以下两个方面延伸：（1）日本人注重的开发不同几何形状的盾构技术；（近十多年来日本不仅科技水平在世界上处于领先地位，而且城市的地下空间利用率已经达到相当高的程度，如何在有限的地下空间中建造更多的隧道已经摆到了日本地下工程工作者的议事日程上。此外，地面建筑物的高度拥挤又迫使日本人构想诸如竖井隧道一体化的施工模式，从而使日本人研究出了各种类型的盾构）（2）欧洲诸国（特别是德国）致力于研究能适合不同地层的多功能盾构技术（CombinedShields）。欧洲幅员辽阔，地层条件复杂多变，于是就产生了各种各样的多功能盾构。三、中国盾构施工技术发展简述1950年，我国在第一个五年计划期间，辽宁阜新煤矿用直径2.6m盾构及小型混凝土预制块建造了疏水巷道。1957年，在北京下水道工程中也用过直径为2.0m及2.6m的盾构。31963年，上海隧道公司开始系统地开发我国的盾构技术，1964年，隧道公司开发了网格式盾构；1966年，用可封闭式网格盾构建造了直径为l0m的上海第一条黄浦江越江隧道（打浦路隧道）；1970—1973年，大屯煤电公司徐庄风井，首次用盾构（5.1m）施工了表土段（142米），1978年在地铁试验段使用了自己生产的高精度管片；1980年，上海地铁1号线试验段用Φ6.1m的盾构。1984年，上海隧道工程公司用日本进口的φ4.33m小刀盘土压平衡盾构，建造了内径为3.6m的下水道总管；1988年，上海隧道公司设计和使用了加泥式土压平衡盾构。经过工程实践，得到适合上海地层的加泥材料宜为粘土或膨润土类的结论；1990年，上海隧道公司设计了刀盘削土土压平衡盾构；1990年，上海地铁1号线全线开工，用7台盾构机1991年，上海隧道公司使用以法国FCB公司为主制造的土压平衡盾构施工了上海地铁一号线的大部分区间隧道；1995年，上海隧道公司使用以日本为主制造的φ11.22m泥水盾构建造了上海黄浦江下的延安路南线隧道。1998年至今，上海隧道公司掌握了国际最新盾构施工技术，成为一家国际隧道界认可的盾构隧道施工专业公司，标志着20世纪末在总体上代表中国盾构施工技术▲预测：2000—2009年国内种类盾构机的需求量在180台左右(含隧道掘进机)土压平衡盾构的产品化、系列化、国产率化达70%发展既适合软岩且又适合于土层的复合式盾构。(深圳、广州有这种地层)，国内尚无此种盾构异形断面盾构机的研究：椭圆形、矩形、马蹄形等4第二节盾构构造、分类及适用范围一、盾构的外形和材料1.盾构的外形指盾构的断面形状，绝大多数采用传统的圆形，少数采用矩形。2.制造盾构的材料盾构主要用钢板(单层厚板或多层薄板)制成，A3钢。钢板间连接可采用焊接和铆接为运输和吊装方便，可制成分体式，现场拼装二、盾构的基本构造盾构壳体推进系统拼装系统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。▲切口环作用：掩护开挖作业，保持工作面的稳定，把开挖下来的土砂向后方运输长度：主要取决于盾构正面支承、开挖的方法内部装置：土压平衡：有刀盘、搅拌器和螺旋输送机网格式：有网格、提土转盘和运土机械的进口水力机械盾构，安置有水枪、吸口和搅拌器▲支承环5作用：承受于盾构上的全部荷载，结构：紧接于切口环，刚性圆形。外沿布置有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。▲盾尾作用：掩护管片的安装工作。结构：盾尾末端设有密封装置长度：要满足上述各项工作的要求。必须根据管片宽度及盾尾的道数、盾尾密封的结构来确定厚度：应尽量薄，以减小建筑空隙、压浆量、地层扰动范围也小，有利于施工密封材料：要有弹性、耐磨、防撕裂等止水形式：常用的是多道、可更换的盾尾密封装置，道数一般取2～3道。钢丝束加油脂式图6—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2.推进机构－千斤顶▲千斤顶的选择和配置①经久耐用，易于维修保养和掉换②采用高液压系统，机构紧凑③均匀配置，使管片受力均匀▲千斤顶的数量中小型盾构：每只推力600～1500kN，大型盾构：每只推力为2000～2500kN。▲千斤顶的行程通常取管片宽度加上100～200mm的富余量。▲千斤顶的速度一般取50mm／min左右，且可无级调速。6回缩速度要求越快越好。3.管片拼装机俗称举重臂，常以液压为动力。拼装机能沿径向伸缩、前后平移和360°旋转拼装机的形式一般常用环型拼装机。是一个可自由伸缩的支架，能够转动的机械手。三、盾构基本参数（一）盾构直径盾构直径是指盾壳的外径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。第1种确定方法：D=d+2（x+δ）式中D——盾构外直径（mm）；d——隧道外径（mm）；x——盾尾空隙，一般取20～30mm；δ——盾尾钢板厚度（mm）。通常采用经验公式或类比法相近选取。δ=0.02+0.01（D-4），m第2种确定方法：D=d内+2（δ十x十T+T'+e）式中d内——隧道内径（mm）；T——隧道衬砌厚度（mm）；T'——隧道内衬厚度（mm）；e——最小富余量（mm）；δ，x意义同前。（二）盾构灵敏度和长度灵敏度:盾壳总长L与外径D之比.经验数据：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（D＞6m）（L/D）=0.75长度L：L=切口环LW+支承环L0+盾尾Lt1.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2．支承环长度L0取决于千斤顶、刀盘的轴承和驱动装置、排土装置等所需的空间千斤顶的长度：衬砌环宽度+200～300mm3．盾尾长度Lt盾尾长度取决于管片的形状和宽度：7（三）盾构的推力盾构的总推力：F＝F1＋F2＋F3＋F4＋F5＋F61．盾构外壁周边与土体之间的摩擦力或粘结力F1砂性土F1=μ1πDL（Pm+W）（kN）粘性土F1=CπDL（kN）式中μ1——钢与土的摩擦因数；D——盾构直径（m）；L——盾构长度（m）；Pm——作用在盾构上的平均土压（kPa）;W——盾构重量（kN）；C——粘聚力（kPa）。2．推进中切口插入土壤的贯入阻力F2F2=l·t·Kp·Pm（kN）式中l——工作面周边长度（m）；t——刃脚贯人深度（m）；Kp——被动土压力系数；3．工作面正面阻力F3F3=Pt·πD2/4（kN）式中Pt——工作面正面压力（支护千斤顶反力、作用在隔墙上的土压力、泥浆压力等）（kPa）。盾构在人工开挖、半机械化开挖时为工作面支护阻力。盾构采用机械化开挖时，为作用在切削刀盘上的推进阻力。4．管片与盾尾之间的摩擦力F4F4=μ2·G2（kN）式中μ2——钢与钢或混凝土的摩擦因数；G2——管片（成环）重量（KN）；5．变向阻力（曲线施工/纠偏等因素的阻力）F5F5=R·S（kN）式中R——地层抗力（承载力、被动土压力等）（kPa）；S——抵抗板在推进方向的投影面积（m2）。6．后方台车的牵引阻力F6F6=μ3·G1（kN）式中μ3——车轮与钢轨之间的摩擦因数；G1——后方台车重量（KN）；实际使用：Fj＝2（F1＋F2＋F3＋F4）经验公式：Fj=PjπD2/4式中Pj——开挖面单位截面积的推力（kN）。人工开挖、半机械化开挖盾构，机械化开挖盾构：Pj=700～1l00kPa8封闭式盾构、土压平衡式盾构、泥水加压式盾构：Pj=1000～1300kPa四、盾构的分类及其适用范围种类：按结构特点和开挖方法可分为四大类：手掘式挤压式半机械式机械式（一）手掘式盾构开挖面可全部敞开：敞开式或用正面支撑开挖，一面开挖一面支撑：支撑式或将开挖面分为几层：棚式主要优点：（1）可以观测地层变化情况，及时采用应付措施（2）比较容易处理桩、大石块等地下障碍物（3）容易进行盾构纠偏，也便于曲线施工（4）造价低，结构设备简单，易制造，加工周期短。主要缺点：（1）在含水地层中，当开挖面出现渗水、流砂时，必须辅以降水、气压等地层加固措施；（2）工作面若发生塌方时，易引起工程安全事故；（3）劳动强度大、效率低、进度慢，但由于简单易行，在地质条件良好的工程中仍广泛应用。（二）挤压式盾构特点：开挖面用胸板封起来，把土体挡在胸板外，比较安全、可靠，没有塌方的危险。不用人工挖土，劳动强度小，效率高。类型：全挤压、局部挤压式、网格式适用：松软可塑的粘性土层，适用范围较狭窄。对地层扰动较大，地面易隆起变形，只能用在空旷的地区或江河底下、海滩处等区域网格式盾构是一种介于半挤压和手掘之间在开挖面装有钢制的开口格