地下铁路建设 第5章(2).ppt

第五节盾构法施工 盾构施工法是 使用盾构机在地下掘进 在护盾的保护下 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 盾构法施工就是在隧道的一端建造竖井或基坑 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 一 概述 第五节盾构法施工 第五节盾构法施工 二 盾构机的种类 第五节盾构法施工 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 适用范围 适用于开挖面自稳性好的围岩 1 手掘式盾构机 第五节盾构法施工 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 2 半机械式盾构机 第五节盾构法施工 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 3 机械式盾构机 第五节盾构法施工 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 2半开敞式 第五节盾构法施工 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 1 局部气压式盾构 第五节盾构法施工 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 第五节盾构法施工 2 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 第五节盾构法施工 单刀盘土压平衡机 第五节盾构法施工 刀盘 用于切削土体 同时将切削下来的土体搅拌混合 以改善切削土体的流动性 根据围岩条件 切削刀盘可以是花板型的 辐条型的和砾石破碎型 根据盾构直径的大小 刀盘的主轴可以采用中空轴式 中间支承式和周边支承式 第五节盾构法施工 第五节盾构法施工 第五节盾构法施工 第五节盾构法施工 第五节盾构法施工 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 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 第五节盾构法施工 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 关于塑流化添加剂的种类 目前常用的添加剂有两类 泥浆材料 化学发泡剂 式中Vs 螺旋输送机每旋转一周的排土体积 N 螺旋输送机的转速 A 切削断面积 V 推进速度 第五节盾构法施工 常用螺旋输送机的排土率K来定量判定碴土的塑流性 当碴土处于良好的塑流状态时 K为1 0左右 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 第五节盾构法施工 第五节盾构法施工 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 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 主动土压力 地下水压力 P 被动土压力 地下水压力对于花板型刀盘 若刀盘面板开口率为x 刀盘上和密封舱内的碴土压力分别为P1和P2 主动土压力 地下水压力 P1 1 x P2x 被动土压力 地下水压力 第五节盾构法施工 3 泥水加压式盾构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 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 第五节盾构法施工 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 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 第五节盾构法施工 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 FL 1 34 g 重力加速度 g 9 8m s2 p0 泥浆母液比重 一般p0 1 05 1 25 p 碴土比重 d 管子内径 m 第五节盾构法施工 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 第五节盾构法施工 4混合盾构 Mixshield 5多圆盾构 Multi CircularFaceShield 第五节盾构法施工 三 盾构机机型的选择 1 选型的根据 1 工程地质与水文地质条件 隧道沿线地层围岩分类 各类围岩的工程特性 不良地质现象和地层中含沼气状况 地下水位 穿越透水层和含水砂砾透镜体的水压力 围岩的渗透系数以及地层在动水压力作用下的流动性 第五节盾构法施工 2 地层的参数 表示地层固有特性的参数 表示地层状态的参数 表示地层强度和变形特性的参数 3 地面环境 地面和地下建 构 筑物对地面沉降的敏感度 4 隧道尺寸 长度 直径 永久衬砌的厚度 5 工期 6 造价 7 经验 承包商的经验 有无同类工程的经验 第五节盾构法施工 2 选型的方法 四 盾构法施工 1 盾构的始发和到达 1 竖井 封门a 现浇钢筋混凝土封门b 钢板桩封门c 预埋H型钢封门 始发竖井 第五节盾构法施工 第五节盾构法施工 第五节盾构法施工 第五节盾构法施工 到达竖井两条盾构隧道的连接方式有到达竖井连接方式和盾构机与盾构机在地下对接的方式 中间竖井 竖井的施工 2 盾构拼装 第五节盾构法施工 第五节盾构法施工 第五节盾构法施工 3 洞口地层加固常用的加固方法有 注浆 旋喷 深层搅拌 井点降水 冻结法等 加固土体的范围和需要达到的强度 可参照下述方法计算确定 强度验算 将加固土体视为厚度为t的周边自由支承的弹性圆板 在外侧水土压力作用下 板中心处的最大弯曲应力 按弹性力学原理求得 并可写出强度验算公式 第五节盾构法施工 第五节盾构法施工 式中r 工作井端墙开洞的半径 r D 2 t 加固土体的厚度 加固土体的极限抗拉强度 一般可取其极限抗压强度的10 即 K1 安全系数 一般取K 1 5 第五节盾构法施工 w 作用于开洞中心处的侧向水土压力 对于砂性土 水压力和土压力分别计算 对于粘性土 水土压力合算 土压力按静止土压力考虑 土的计算参数按加固前的选用 加固后土体的泊桑比 一般取 0 2 抗剪强度的验算公式 第五节盾构法施工 式中 加固后土体的极限抗剪强度 根据经验 K2 抗剪安全系数 一般取K2 1 5 整体稳定验算洞外加固土体在上部土体和地面堆载P等作用下 可能沿某滑动面向洞内整体滑动 假定滑动面是以端墙开洞外顶点O为圆心 开洞直径D为半径的圆弧面 此时 引起下滑的力矩为 第五节盾构法施工 第五节盾构法施工 M M1 M2 M3式中M1 地面堆载P引起的下滑力矩 M1 PD2 2 M2 上覆土体自重Q上引起的下滑力矩 M3 滑移圆弧线内土体的下滑力矩 为加固后土体的重度 第五节盾构法施工 抵抗下滑的力矩为 式中 滑移圆弧线AB段的抗滑力矩 滑移圆弧线BC段的抗滑力矩 滑移圆弧线CD段的抗滑力矩 第五节盾构法施工 式中 加固前土体地粘结力 加固后土体地粘结力 H 上覆土体的高度 抗滑移的安全系数K2 第五节盾构法施工 2 盾构的掘进 1 盾构千斤顶总推力与刀盘扭矩计算 土压平衡式盾构a 盾构千斤顶总推力推进土压平衡式盾构所需克服的阻力有 a 盾构与地层之间的摩阻力 第五节盾构法施工 式中 地层与钢板的摩擦系数 D L 盾构的直径和长度 P0 盾构拱顶处的匀布围岩竖向压力 一般按全土柱计算 深埋情况下也可按泰沙基公式计算 盾构底部的匀布反力 W为盾构重量 P1 盾构拱顶处的侧向水土压力 P2 盾构底部的侧向水土压力 第五节盾构法施工 b 刀盘正面的侧向土压力 式中Pd 刀盘中心处的侧向土压力 K0 侧压力系数 地层的浮重度 R 盾构的外半径 按泰沙基公式计算的盾构拱顶处的松动围岩压力 第五节盾构法施工 c 刀盘正面的地下水压力 式中 刀盘中心处的地下水压力 d 盾尾内部与管片衬砌之间的摩阻力 式中 管片与钢板之间的摩擦系数 一般取 压在盾尾上的管片衬砌重量 最大可取2 3环管片的自重 第五节盾构法施工 总的阻力F为 则盾构千斤顶所需的总推力T为 T KcF式中Kc 安全系数 一般取Kc 1 5 b 刀盘扭矩 a 刀具切削土体所需的扭矩 第五节盾构法施工 式中h 刀具的穿透深度 h v N v 开挖速度 N 刀盘转速 qu 地层单轴无侧限抗压强度 r0 刀盘的外半径 b 由于刀盘自重所产生的抵抗旋转的扭矩 式中G 刀盘自重 R1 自重抵抗旋转的半径 转动摩擦系数 第五节盾构法施工 c 刀盘正面推力所产生的抵抗旋转的扭矩 式中Wr 刀盘正面的推力 可按下式计算 x 刀盘的开口率 Pd 刀盘中心处的土侧向压力 d2 刀盘上设置刀具的外环直径 d1 刀盘上设置刀具的内环直径 Pw 刀盘中心处的地下水压力 R2 正面推力抵抗旋转的半径 第五节盾构法施工 d 刀盘密封装置抵抗旋转的扭矩 式中 密封材料与钢的摩擦系数 F 密封压力 第1 2道的密封条数 相应的密封装置的平均回转半径 e 刀盘正面的摩擦扭矩 第五节盾构法施工 式中 地层与刀盘的摩擦系数 由于刀盘与地层之间充满含水的碴土 所以 此时的摩擦系数较低 一般取 f 刀盘周边的摩擦扭矩 式中lk 刀盘厚度 Pr 作用在刀盘周边上的平均压力 一般取 第五节盾构法施工 g 刀盘背面的摩擦扭矩 式中 碴土的抗剪强度 因碴土饱和含水 故抗剪强度较低 可近似地取其C 0 01MPa h 刀盘开口处切削碴土所需的扭矩 第五节盾构法施工 i 刀盘在密封舱内搅拌碴土所需的扭矩 式中r1 r2 刀盘梁的内 外半径 l 刀盘梁的长度 驱动切削刀盘所需的总扭矩即为 第五节盾构法施工 泥水加压式盾构 a 千斤顶总推力 可能还要增加一项后方台车的牵引阻力 F5 式中 滚动阻力系数 一般取 0 1 Wb 后方台车的重量 第五节盾构法施工 b 刀盘扭矩 泥水加压式盾构需克服刀盘扭矩 刀具切削土体的抵抗扭矩 T1 刀盘正面推力所产生的抵抗旋转的扭矩 T3 刀盘密封装置与衬砌之间的旋转摩擦阻力扭矩 T4 以及刀盘旋转时所产生的摩擦阻力扭矩 T5 T6 盾构推力和扭矩的控制标准 千斤顶总推力 F 1000 1300kN m2 第五节盾构法施工 刀盘扭矩 式中 刀盘的扭矩系数土压平衡式盾构 14 23 泥水加压式盾构 9 15 D 盾构直径 2 盾构掘进注意事项 正确选择推进千斤顶的个数与配置 以确保所需的推力 第五节盾构法施工 不得破坏开挖面的稳定 不应损害管片等后方结构 尽量防止横向 纵向和转动偏差的发生 3 盾构掘进施工管理3 衬砌 压注 1 一次衬砌一次装配式衬砌的施工是依照组装管片的顺序从下部开始逐次收回千斤顶 管片的环向接头一般均错缝拼装 第五节盾构法施工 第五节盾构法施工 3 二次衬砌 六 ECL施工法 七 盾构法施工地面沉降机理 预测和防治 1 地表沉降的规律在隧道纵轴线上产生的地表变形一般可分为三个阶段 即盾构前方地表隆起或沉降 施工沉降和固结沉降 第五节盾构法施工 2 地表沉降的原因与预测 1 地面沉降原因 地层原始应力状态的变化 地下水位的变化 盾尾空隙充填压浆不足 衬砌变形 受挠动土体的固结 2 地面沉降的预测地面沉降量及影响范围的预测可以分为设计阶段预测和施工阶段预测 第五节盾构法施工 派克横向分布公式为 式中S x 距隧道中线x处的地面沉降量 m S max 隧道中线处 即x 0 的地面沉降量 m x 距隧道中线的距离 m i 沉降槽宽度系数 即沉陷曲线反弯点的横坐标 m 派克并假定横向沉陷曲线为正态分布曲线 第五节盾构法施工 横向沉降槽体积等于地层损失 即V s VL VlV 式中Z 隧道开挖面中心至地面的距离 R 盾构外半径 K n 试验系数 K 0 63 0 82 n 0 36 0 97 第五节盾构法施工 派克纵向沉降分布公式 式中S y 地面沉降量 m y 沉降点至坐标原点的距离 m yi 盾构推进起点处盾构开挖面至坐标原点的距离 m yl 盾构开挖面至坐标原点距离 m 第五节盾构法施工 Z 盾构长度 正态分布函数 横向最大沉降量的估算公式 在砂砾土中 在砂性土中 在粘性土中 第五节盾构法施工 沉降影响范围估算公式 式中Z 地面至开挖面中心距离 m R 隧道外半径 m OFS 简单超载系数 K n 系数 施工阶段的地面沉降大致发生在5个阶段 盾构到达前 盾构到达时 盾构通过后 管片脱出盾尾时及长期变形 第五节盾构法施工 3 地表沉降的监测与控制 1 地表沉降的监测 施工监测的作用a 监测和诊断各种施工因素对地表变形的影响 提供改进施工减少沉降的依据 b 根据观测结果预测下一步地表沉降对周围建筑物及其它设施的影响 进一步确定保护措施 c 监测施工结果是否达到控制地表沉降和隧道沉降的要求 d 研究土囊特性 地下水条件 施工方法与地表沉降的关系 以作为改进设计的依据 第五节盾构法施工 施工监测项目a 监测地下水位的变化b 监测土体变形 a 地表变形观测 b 地下土体沉降观测 c 盾构各个衬砌环脱出盾尾后的沉降观测 d 盾尾空隙中坑道周边向内位移观测 e 对附近建筑物的观测 第五节盾构法施工 2 地表沉降的控制 减少对开挖面地层的挠动a 施工中采取灵活合理的正面支撑或适当的土压值来防止土体坍塌 保持开挖面土体的稳定 b 在盾构掘进时 严格控制开挖面的出土量 防止超挖即使对地层挠动较大的局部挤压盾构 c 控制盾构推进一环的纠偏量 以减少盾构在地层中的摆动和对土体的挠动 同时尽量减少纠偏需要的开挖面局部超挖 d 提高施工速度和连续性 第五节盾构法施工 做好盾尾建筑空隙的充填压浆a 确