盾构隧道施工原理及方法课件

盾构隧道施工原理及方法,1. 盾构法的基本含义 盾构施工法是“使用盾构机在地下掘进，在盾壳的保护下，在机内安全的进行开挖和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工方法”。按照这个定义，盾构施工法是由稳定开挖面、盾构机挖掘和衬砌三大部分组成。,一、盾构法施工的原理及方法,盾构法施工的概貌如图5-5-1所示。在隧道的一端建造竖井（出发井、接受井）或基坑，将盾构安装就位，盾构从竖井或基坑的墙壁开孔出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的孔壁推进。,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经拼装好的衬砌管片上。盾构机是这种施工方法中主要的施工机具。,2. 盾构法施工的原理和过程,3. 密封式(平衡)盾构机的组成,盾构机组成,管 片,管片的组装顺序,K管片(封顶块)的嵌入,盾构机是根据每一施工区段设计的专用设备,盾构施工不可退后,对施工的要求精度高,占用的施工场地小,对邻近建筑物的影响小,对周围环境的影响较小,2.盾构施工的特点,初期的盾构法是用手掘式或机械开挖式盾构机，结合使用压气施工方法保证开挖面稳定，进行开挖，在地下水较丰富的地区，用注浆法进行止漏，而对软弱地层，则采用掌子面封闭式施工。经过多年对盾构技术的研究开发和应用，已演变成现在非常盛行的泥水平衡式和土压平衡式两种盾构机。这两种机型的最大优点是在开挖功能中考虑了稳定开挖面的措施，将盾构施工法中的三大要素的前两者联系融为一体，无需辅助施工措施。并通过使用不同类型的刀具，就能适应地质情况变化范围较广的地质条件。,5. 盾构机和盾构法的发展史,砾石、岩石等硬质围岩时的刀头,大砾石、岩石时多采用刀轮式刀头,盾构法施工开挖面稳定技术的历史，是从压气施工法的“气”演变到泥水式的“水”和土压式的“土”。“开挖面稳定”和“盾构开挖”的技术已达到较完善的地步。目前盾构一般指密封式泥水平衡式和土压平衡式盾构。 最近，盾构技术的发展动向是：开发了超大断面的盾构机和MF盾构机以及DOT盾构机等多断面盾构机，加上在衬砌和开挖方面使用了ECL施工法的技术，采用管片自动组装装置，以及采用自动测量技术进行开挖控制，用计算机进行各种施工管理实现管理系统化等的开发研究。对提高盾构施工的安全性、适应性和经济性展示了更为广阔的应用前景。,1. 盾构机的种类 盾构机是盾构法施工的主要施工机械，按开挖面与作业室之间的隔墙构造可分为全开敞式、半开敞式及密封式三种。种类划分如下所示：,二、盾构机的种类和构造,(1)全开敞式 全开敞式盾构机是指没有隔墙、开挖面敞露状态的盾构机。根据开挖方式的不同，又分为手掘式、半机械化式及机械式三种。这种盾构机适用于开挖面自稳性好的围岩。在遇到开挖面不能自稳的地层时，则需进行地层超前加固等辅助施工方法，以防止开挖面坍塌。,a.手掘式盾构机 如图5-5-2所示，手掘式盾构机的正面是开敞的，通常设置防止开挖顶面塌陷的活动前檐及上承千斤顶、工作面千斤顶及防止开挖面塌陷的挡土千斤顶。开挖采用铁锹、镐、碎石机等开挖工具，人工进行。,手掘式盾构机 这种盾构机适应的土质是自稳性强的洪积层压实的砂、砂砾，固结粉砂和粘土。对于开挖面不能自稳的冲积软弱砂层、粉砂和粘土，施工时必须采用稳定开挖面的辅助施工法，如气压施工法、改良地基、降低地下水位等措施。目前手掘式盾构机一般用于开挖断面有障碍物、巨砾石等特殊场合，而且应用逐渐减少。,b.半机械式盾构机 如图5-5-3所示，半机械式盾构机进行开挖及装运石碴都采用专用机械，配备液压铲土机、臂式刀盘等挖掘机械和皮带运输机等出碴机械，或配备具有开挖与出碴双重功能的机械，以图省力。,半机械式盾构机 为防止开挖面顶面塌陷，盾构机内装备了活动前檐和半月形千斤顶。由于安装了挖掘机，再设置工作面千斤顶等支挡设备是较困难的。 与手掘式盾构机一样，应有确保开挖面稳定的措施。适应土质以洪积层的砂、砂砾、固结粉砂和粘土为主。也可用于软弱冲积层，但须同时采用超前加固，或采取降低地下水位、改良地基等辅助措施。,c.机械式盾构机 如图5-5-4所示，机械式盾构机前面装备有旋转式刀盘，增大了盾构机的挖掘能力，开挖的土砂通过旋转铲斗和排土可以连续进行，缩短了工期，减少了作业人员。在开挖自稳性好的围岩时，机械式盾构机适应的土质与手掘式盾构机、半机械式盾构机一样，须采用辅助施工方法。,(2) 半开敞式 是指挤压式盾构机，它是在开放型盾构的切口环与支撑环之间设置胸板，以支挡正面土体，但在胸板上有一些开口，当盾构向前推进时，需要排出的土体将从开口处挤入盾构内，然后装车外运，见图5-5-5。这种盾构适用于软弱粘土层，在推进过程中要引起较大的地面隆起。,(3) 密封式 是指在机械开挖式盾构机内设置隔墙，进入刀盘与隔墙土仓的土体，由泥水压力或土压提供足以使开挖面保持稳定的压力。密封式盾构机又分成局部气压式、泥水平衡式和土压平衡式几种。,局部气压式盾构。 在机械式盾构支承环的前边装上隔板，使切口环成为一个密封舱，其中充满压缩空气，达到疏干和稳定开挖面土体的作用，见图5-5-6。,局部气压式盾构 压缩空气的压力值可根据工作面下1/3点的地下静水压力确定。由于这种盾构是靠压缩空气对开挖面进行密封，故要求地层透水性小，渗透系数K小于110-5m/s，静水压力不大于0.1MPa。另外，这种盾构在密封舱、盾尾及管片接缝处易产生漏气，引起工作面土体坍塌，造成地面降陷。,土压平衡式盾构 土压平衡式盾构又称削土密封式或泥土加压式盾构。它的前端有一个全断面切削刀盘，在它后面有一个贮留切削土体的密封舱，在其中心处或下方装有长筒形的螺旋输送机，在密封舱和螺旋输送机，以及在盾壳四周装设的土压传感装置，根据需要还可装设改善切削土体流动性的塑流化材料的注入设备。,泥水加压式盾构 泥水加压式盾构的总体构造与土压平衡式盾构相似，仅支护开挖面方法和排碴方式有所不同。在泥水加压式盾构的密封舱内充满特殊配制的压力泥浆，刀盘(花板型)浸没在泥浆中工作。对开挖面支护，通常是由泥浆压力和刀盘面板共同承担，前者主要是在掘进中起支护作用，后者主要是在停止掘进时起支护作用。,泥水加压式盾构 对于不透水的粘性土，泥浆压力应保持大于围岩主动土压力。对透水性大的砂性土，泥浆会渗入到土层内一定深度，并在很短时间内，于土层表面形成一层泥膜，有助于改善围岩的自承能力，并使泥浆压力能在全开挖面上发挥有效的支护作用。此时，泥浆压力一般以保持高于地下水压0.2MPa为宜。而刀盘切削下的碴土在密封舱内与泥浆混合后，用排泥泵及管道输送至地面处理，处理后的泥浆再由供泥泵和管道送回盾构重复使用，所以，在采用泥水加压式盾构时，还需配备一套泥浆处理系统。 泥水加压式盾构按泥浆系统压力控制方式可分为直接控制型(日本型)和间接控制型(德国型)两种基本类型。,a直接控制型(日本型) 直接控制型(日本型)泥水加压式盾构的泥浆压力控制由一套自动控制泥浆平衡的装置来实现，见图5-5-10。P1为供泥泵，从泥浆处理厂的泥水调整槽将泥浆压人盾构密封舱，供入泥浆比重在1.051.25之间，在密封舱内与开挖碴土混合后的重泥浆由排泥泵P2、P3、P4排至泥浆处理厂，排出泥浆比重在1.11.4之间。密封舱的泥浆压力是通过调节供浆泵P1的转速或节流阀的开口比值来实现控制的。,直接控制型(日本型) 泥浆管中的泥浆流速，必须保持在临界值以上，否则，泥浆中的颗粒会产生沉淀而堵塞管路，尤其是在排泥管中，堵塞将更为严重。按管道流理论，临界流速VL(m/s)可按Durand公式计算：,式中 FL 流速系数，按颗粒直径和泥浆浓度而定，当颗粒直径大于1mm时，FL1.34；g 重力加速度，g=9.8m/s2；p0 泥浆母液比重，一般p0=1.051.25；p 碴土比重；d 管子内径(m)。,直接控制型(日本型) 在盾构推进时，进、排泥管需不断延长，管阻亦随之增大。为了保证管内的流速恒大于临界流速，排泥浆泵P2的转速应随时调整，故排泥浆泵P2必须是自动调速的。当P2泵达到最大扬程时，再加P3、P4接力泵。 为了保证盾构推进质量、减少地面沉降量，需要严格控制排土量，故应在进、排泥浆管路上分别装设流量计和比重计，根据检测数据即可计算实际排土量 。,b间接控制型(德国型) 间接控制型(德国型)泥水加压式盾构的泥浆压力控制由空气和泥水双重系统实现，见图5-5-11。,混合盾构(Mixshield) 混合盾构是近几年在欧洲发展起来的一种新型盾构。这种盾构本机可以构成一台泥水加压式盾构、气压式盾构或土压平衡式盾构，当地层条件变化时，盾构的机形可以随地层变化而相应改变调整。,多圆盾构(MultiCircularFaceShield) 多圆盾构是近年日本开发的新型盾构，其中的双圆盾构可以用来修建区间隧道，一次开挖完成双线区间隧道，可以比两个单独的圆形隧道降低工程成本工10%，减少开挖面积15%。三圆盾构既可用来修建地铁车站隧道，拆下中间盾构后又成为两个单独盾构，可以修建区间隧道。,2. 土压平衡式盾构机的构造 (1)切削刀盘 通过主轴承支撑和液压马达式电机驱动旋转的刀盘，正面安装土体切削刀并带有碴土进料口，背面安装有碴土搅拌桨。刀盘侧面还装有可伸缩的超挖刀。,刀盘的型式有花板型和辐条型的不同型式(如图5-5-7)，根据地层性质所需要安装刀具大小与数量不同以及进料口面积大小与数量不同，有不同的开口率。一般硬岩刀盘开口率小，软土开口率大。,(2)刀具 刀具的类型有齿刀、刮刀和滚刀等不同型式，齿刀、刮刀用于软土质地层、滚刀用于岩石地层。刀盘上可仅为一种类型的刀具，也可为多种刀具的组合，以适应不同形式的地层。现代盾构机刀盘设计上可进行刀具的更换，可在刀盘背面换刀。,砾石、岩石等硬质围岩时的刀头,大砾石、岩石时多采用刀轮式刀头,(3)密封舱 用于存贮被刀盘切削下来的土体，并加以搅拌使其成为不透水的，具有适当流动性的塑流体，使其能及时充满密封舱和螺旋输送机的全部空间，对开挖面实行密封，以维持开挖面的稳定性，同时，也便于将其排出。在密封舱后隔板上，一般留有进入舱孔，供人员进出入密封舱和进行维修工作。,压力舱(泥土压盾构),(4)螺旋输送机 用来将密封舱内的塑流状土体排出盾构外，并在排土过程中，利用螺旋叶片与土体间的摩擦和土体阻塞所产生的压力损失，使螺旋输送机排土口的泥土压力降至一个大气压力，使其不发生喷漏现象。通过螺旋输送机排碴量的速度来控制和调解碴舱内的土体压力。,(5)塑流化材料注入器 用来向密封舱、刀盘和螺旋输送机内注人添加剂。因为当土体中的含砂量超过一定限度时，由于其内摩擦角大，流动性差，单靠刀盘的旋转搅动很难使这种土体达到足够的塑流性，一旦在密封舱内贮留，极易产生压密固结，无法对开挖面实行有效的密封和排土。此时，就需要向切削土体内注入一种促使其塑流化的添加剂，经刀盘混合和搅拌后能使固结土成为流动性好、不透水的塑流体。,(6)土压传感器 用于测量密封舱和螺旋输送机内的土压力，前者是判定开挖面是否稳定的依据，后者用来判断螺旋输送机的排土状态，喷涌、固结、阻塞等。 土压平衡式盾构维持开挖面稳定的原理是依靠密封舱内塑流状土体作用在开挖面上的压力(P)(它包括泥土自重产生的土压力与盾构推进过程中盾构千斤顶的推力)和盾构前方地层的静止土压力与地下水压力(F)相平衡的方法，见图5-5-9。,由图上可看出：螺旋输送机排土量大时，密封舱内土压力P就减小，当F P时，开挖面可能坍方而引起地面沉降；相反，排土量小时 ，P值就加大，一旦F< Pmax，地面将会隆起。因此，要控制土压平衡式盾构在推进过程中开挖面的稳定，可以用两种方法来实现，其一是控制螺旋输送机排土量(调节其转速)；,但研究表明，对于粘性土来说，开挖面不破坏的排土量波动值必须控制在理论掘进体积的2.8%左右，这就需要量测精度在l%以内的切削土体积的检测系统。其二是用调节盾构千斤顶的推进速度和螺旋输送机转速，直接控制密封舱内的土压力P，一般情况下，不使开挖面产生影响的碴土压力P的波动范围如下：,主动土压力+地下水压力<P<被动土压力