盾构机工作原理及施工工艺简介(最终版)课件

1、,盾构机法隧道施工与验收规范,主讲人：郑 勇 中交二航局工程装备分公司 佛山地铁二号线（一期）TJ1标项目部,Contents,目 录,盾构机分类,由于国家和地区的不同，技术发展的起源不同，盾构的分类也有所不同。目前已经处于技术混合的状态，大致来说分类如下：,挖掘的地质条件分,软土盾构机（软土） 复合式盾构机 全断面硬岩盾构机(TBM),从盾构机的工作机理分,敞开式和密闭式，密闭式分： 土压平衡式盾构机 泥水平衡式盾构机（含气垫式）,从直径的大小分,小型盾构机（一般在5米以下） 大型盾构机（一般在5米以上） 超大型盾构机（一般在14米以上）,Contents,目 录,盾构工法 盾构施工工法是指使用盾构机，一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳，一边进行隧道掘进、出渣、并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆，从而不扰动围岩而修筑隧道的方法。,盾构工法及工作原理,盾构工法及工作原理,盾构隧道（施工期间）,盾构隧道（运营期间）,盾构施工工作原理 盾构施工的主要原理就是尽可能在不扰动围岩的前提下完成施工，从而最大限度地减少对地面建筑物、交通设施及地下管线的影响。为了达到这一目的，除了刀盘和盾构钢壳

2、可以被动地产生支护作用以外，使用压力仓内泥土或泥水压力平衡开挖面上的土压力和水压力；使用壁后注浆及时填充由开挖产生的盾尾空隙，主动地控制围岩应力释放和变形是盾构技术的关键。,盾构工法及工作原理,盾构工法及工作原理,泥水盾构施工原理： 泥水盾构工法是指使用盾构机，按一定要求配制的膨润土或粘土浆液，通过泥浆泵、输浆管以一定的压力从洞外送到开挖工作面，泥浆压力稍高于开挖面土压和水压，泥浆在开挖面上形成不透水的泥膜，与此同时，刀盘从工作面切削下来的渣土与泥浆混为一体，通过泥浆管送外地面的泥渣分离场；经分离后的废渣运出工地，分离后的工作泥浆重复循环利用的一种进行隧道掘进，并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆的修筑隧道的方法。,气垫式泥水平衡盾构是泥水盾构的一种，其基本原理和泥水盾构相同，其主要的区别在于开挖仓的压力可通过送排泥流量和气垫仓压力进行调节，通过气垫仓压力自动平衡系统，能够精准的控制开挖仓压力的稳定，精度可达到+/-1kpa，可更好的确保整个开挖仓压力的稳定。设备上增加了气泡仓系统，如下图所示：,盾构工法及工作原理,气泡仓,气垫式泥水盾构施工原理：,盾构工法及工作原理,将开挖的土体进

3、行泥土化处理，工作面的稳定是通过土体自身和由盾构千斤顶压力控制土仓内泥土压力来维持平衡。与泥水盾构机不同的是，切削下来的土渣由螺旋输送机进行排土。 土压平衡盾构机装备有注入添加剂的机构和强力搅拌添加剂和渣土的机构，对渣土进行改良，以促进开挖渣土流动性；添加剂的种类有膨润土、发泡剂等。,土压盾构施工原理：,Contents,目 录,盾构机的制造,盾 构 机 制 造 现 场 俯 瞰,盾构机组成 盾构机主要由开挖系统、刀盘驱动系统、盾构千斤顶推进系统、排土系统（泥水盾构为环流系统）、管片拼装系统、铰接装置、测量导向系统、注浆系统、注酯系统、操作控制界面、液压、电气、PLC控制系统、后方台车、通风装置、泥水处理设备（泥水盾构）及其他一些重要装置如盾壳、刀盘、尾刷、人闸等组成。 盾构机从前往后依次为盾构本体（刀盘、前体、中体、盾尾三部分）、工作平台、连接桥架、各节台车等。,盾构机的制造,盾构机的制造,单刃滚刀,磨损检测刀,注入口 保护刀,导向刀,保护刀,8连中心滚刀,切削刀,盾 构 刀 盘 刀 具 示 意 图,双刃滚刀,盾构机的制造,盾 构 刀 盘 刀 具 安 装,盾构机的制造,刀 盘 主 驱

4、动,刀盘的驱动力按照电动机减速机小齿轮带齿圈大口径轴承刀盘滚筒中间梁刀盘的顺序进行传递 刀盘主驱动采用中间支承型，采用多台变频电机驱动，可进行无级调速。,盾构机的制造,盾 构 推 进 千 斤 顶,推进千斤顶右多根千斤顶组成，一般最大伸展速度为8cm/min。 设置有4个分区，每个分区一根千斤顶中安装有内置式行程传感器。,盾构机的制造,土 压 盾 构 出 渣 系 统,土压盾构螺旋机,土压盾构皮带输送机,盾构机的制造,泥水 盾 构 出 渣 系 统,泥水环流系统示意图,泥水处理系统,盾构机的制造,管片拼装机,管片拼装机采用环形齿轮结构形式，旋转速度可在0.2-1.5rpm之间无级调速，回转角度220度，可满足宽度1.2m和1.5m管片的拼装要求。,盾构机的制造,铰接系统,被 动 铰 接,主 动 铰 接,为方便盾构曲线施工，设置有铰接油缸，设置有行程传感器，最大铰接角度为左右1.5度，上下0.5度。,盾构机的制造,盾尾密封系统,盾尾密封由2排或3排钢丝刷、1排钢板刷和1排逆流防御板组成。盾尾刷间形成多道腔体，通过盾尾油脂泵供脂填充，以确保盾尾密封压力。,盾构机的制造,后续台车布置,与盾构机相关

5、的操作盘、动力盘、动力单元及油箱等装配在后续车架上，并且排列成便于操作、检查的形式。台车截面为门型。,盾构机的制造,管片及材料搬运系统,一次梁+喂片机组合形式,一次梁+二次梁组合形式,盾构机的制造,同步注浆和二次 注浆系统,分为同步注浆和二次注浆设备。 同步注浆系统的注浆管路在盾尾壳体内，及时对管片衬砌背部和地层间的空隙进行充填，有效地控制地表沉降。填充过程由流量、压力表控制。 二次注浆通过管片注浆孔对管片衬砌背部进行二次补充注浆。,二次注浆设备,同 步 注 浆 设 备,盾构机的制造,导向测量系统,采用专用的自动测量系统和掘进管理系统，能够满足实时连续地检测管片的姿态和坐标；自动测量盾构机中心线与隧道设计轴线的偏差等数据，并能够在隧道掘进机控制室内与地面监控室的监视屏幕上以图形的方式实时显示，同时具备数据的分析、处理、存储、检索、打印等功能。,Contents,目 录,盾 构 施 工 工 艺 流 程 图,盾构施工工艺流程,盾构始发,盾构掘进,盾构接收,盾构始发准备 盾构工作井施工 围护结构 土方开挖与支护体系 主体结构 端头加固,盾构始发,盾构始发准备 盾构临时设施施工 在接收盾构施工

6、场地后开始临时设施的施工，主要包括泥水站（泥水盾构）、渣土坑（土压盾构）、龙门吊轨道梁和搅拌站基础，以及环流管路和电气、通讯线路管沟等。,盾构始发,盾构始发,托架安装 反力架安装,盾构始发,盾构始发,盾构机下井 盾构机组装,下井顺序先后配套，后主机，设备组装完毕后，接通液压管路、动力电缆、控制电缆，最后将水管、风管、气管连接好，一切准备就绪后，开机现场调试设备设计要求的各部件性能参数。,盾构机的调试 空载调试 负载调试 泥浆处理设备及注浆设备的调试 洞门凿除与洞门密封帘板安装 负环管片拼装 盾构始发,盾构始发,洞门密封,掘进模式选择 土压平衡盾构机的掘进模式有三种：1、空仓掘进 2、半仓掘进3、满仓掘进。实际施工过程中根据实际的地质水文条件选择不同的掘进模式。 泥水平衡盾构机掘进模式则较为单一。,盾构掘进,满仓掘进,半仓掘进,空仓掘进,盾构掘进,盾构掘进，掘进参数选择控制 同步注浆/二次注浆 渣土运输 管片、材料运输 管片拼装 管线延伸 下一环盾构掘进,掘进施工主要工作内容,盾构掘进,盾构施工主要技术环节控制,1、盾构推进 盾构总推力控制： 正面土体主动土压力水压总摩擦力盾构总推力正面

7、土体被动土压力水压总摩擦力。 土仓压力控制： 土仓压力控制：水压力+主动土压力土仓压力水压力+被动土压力，一般取值 土仓压力=水压力+静止土压力20KPa 2、盾构姿态 主要是推进坡度、平面方向、自身转角。 盾构前进的轨迹一般为蛇形，要保证按正确方向掘进，就要“勤测勤纠”。盾构姿态控制在50mm范围内，盾构机滚动角控制在1deg以内，超过0.5deg就要及时调整。 （如：在砂性土层或覆土层较薄地层推进，容易上浮，通过调整千斤顶分区压力进行纠正）。 3、土方的挖掘和运输 挖土量的多少是由：切削刀盘的转速、切削扭矩、推进油缸的推力决定。 排土量多少是由：螺旋输送机的转速（或送排泥泵的流量）来调节的。 要使挖土量和排土量保持平衡，才能避免超挖过大并保证土压稳定。,盾构掘进,盾构施工主要技术环节控制,4、管片拼装 管片拼装一般为错缝拼装，拼装时保证环面拼装的平整度，同时保证管片之间及管片和盾尾间的密封性，防止隧道渗漏水。 5、壁后注浆 注浆要做到：及时、量足、浆液体积收缩小。注浆量一般取130%180%，浆液配比要合理，控制还注浆压力。（注浆压力过大，管片外的土层被浆液扰动面造成较大的后期沉降

8、，并容易跑浆。反之：注浆压力过小，浆液填充速度过慢，填充不足，也会使地表变形增大）。,盾构掘进,盾构施工主要施工措施,1、减少地层损失的措施 主要还是对上面所提几条进行控制，地表变形的大小取决于地层和地下水条件、隧道直径、埋深、施工条件。 而具体措施的确定，我们盾构在掘进中有个“试掘进段”，所有参数、调节措施等都在这一段区间内试掘进得出。 2、地层与建筑物隆陷控制措施 掘进前先对周边环境做详细勘查了解，对受影响建构筑物做好相对应保护措施。 地面变形接近+5-20mm时，尽快找出原因采取相应措施，相当于达到报警的要求了。 而地面变形为+10-30mm，是其变形的极限值。 在控制地层与建筑物隆陷中，最主要的措施就是：注浆！ 3、盾构通过上软下硬地段的施工措施 主要是盾构掘进困难，刀盘刀具磨损大，引起地层沉降。 措施主要有三点： 1）合理配置刀具，做好刀盘刀具耐磨检测及保护措施； 2）必要的渣土改良措施； 3）合理控制掘进参数。,盾构掘进,盾构施工主要施工措施,4、盾构穿越河流时的施工措施 1）难度、风险均较大。 2）施工前：河底隔水层的连续性、渗透系数、厚度为地质勘察重点！ 3）准备：盾构

9、机设备检修，添加剂材料、应急物资做好充分准备。 4）控制盾构速度、总推力和土仓压力：速度在小于20mm/min。总推力要严格控制，保持土仓压力稳定，减少对河底扰动。 5）注浆压力要严格控制：压力在0.20.3MPa内，注浆量为空隙的130%180%内。因注浆压力过大会破坏水底隔水层，形成一条涌水通道。 6）盾尾密封：这也是重点。掘进时定时、定量、均匀压注盾尾油脂，有效保护盾尾钢丝密封刷。 5、盾构穿越建（构）筑物的施工措施 和穿越河流相似，关键是监测，还有就是注浆加固。针对特殊建构筑物，在盾构快到建筑物50m时就要开始布点监测。,盾构接收准备 盾构工作井施工 围护结构 土方开挖与支护体系 主体结构 端头加固 盾构临时设施施工 接收架安装 洞门密封安装,盾构接收,盾构施工技术,盾构平衡始发、到达施工技术,平衡始发、到达施工工法原理： 利用玻璃纤维钢筋的特性，在围护结构洞门范围采用玻璃纤维钢筋代替钢筋，刀盘可直接对洞门进行切削；构筑一个相对密闭的空间，利用基坑内外水土压力平衡的原理，先对盾构工作井范围回填砂至盾构筒体以上约1m，再在回填砂顶部浇筑0.2m0.3m的C30素砼，最后对基坑内进行灌水，基坑内水位与基坑外的地下水位齐平。,平衡始发,平衡到达,盾构施工技术,盾构平衡始发施工工艺,黑旋风出渣（砼与GFRP筋）,始发井灌水,浇筑砼压重层,反力墙预留孔洞,反力墙预埋钢环,盾构主体下井、组装,导台,第一环管片与反力墙搭接防渗墙,盾构井回填砂,盾构施工技术,盾构平衡始发施工工艺,安全到达,洞门处管片壁较厚的注浆体,接收井清理完成，洞门干燥,盾构拆机,隔板砼凿除清理,回填砂清理,洞门处管片壁较厚的注浆体,盾构施工技术,盾构平衡始发、到达施工技术,平衡始发、到达施工工法特点： （1）免除洞门凿除和减少端头加固，简化施工工序，缩短工期。使用该材料后，由于盾构机始发时是对洞门直接切削，因此可简化了洞门凿除、端头加固等施工工序，节约了施工成本和工期。 （2）免除洞门的人工凿除洞门，其安全性高，大大降低了人工凿除的危险性，同时也较好地保证了基坑的安全。 （3）对环境影响较少。使用该材料可免除人工凿

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