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盾构法施工技术 2020 3 27 1 盾构施工技术 2020 3 27 2 目录1 1关于地下建筑空间施工的几个概念1 2TBM和盾构机的具体区别2 1盾构法施工技术2 2盾构机械设备3盾构法隧道施工工艺 2020 3 27 3 1 1关于地下建筑空间施工的几个概念 明挖法 暗挖法 浅埋暗挖法 盾构法 沉井法 沉管法 顶管法 地下连续墙法 TBM法 2020 3 27 4 1 明挖法地下结构施工示意图 2020 3 27 5 2 暗挖法地下结构施工示意图 一般坚硬岩层中的隧道均采用该方法施工 2020 3 27 6 3 浅埋暗挖法地下结构施工示意图 一般用于城市交通繁忙地带 不允许中断交通 且地质条件又较差的地段 武汉市的地下过街通道大多采用该法施工 如武汉广场 武汉会展中心 洪山广场过街通道等 2020 3 27 7 4 盾构法地下结构 隧道 施工示意图 盾构法隧道施工适用于软土地区埋深大的隧道工程 可穿越江河 湖泊 海底 地面建筑物和地下管线密集区的下部 2020 3 27 8 5 沉井法地下结构施工示意图 沉井结构用途十分广泛 主要用于点式地下建筑工程 如自来水厂 电厂和化工厂的水泵房 地下沉淀池和水池 地下热电站 地下油库 地下车间和地下仓库等 此外 也可用作地铁 水底隧道等各种设备井 通风井 盾构拼装井 车间和区间段连续沉井等 2020 3 27 9 6 沉管法地下结构施工示意图1 2020 3 27 10 6 沉管法地下结构施工示意图2 沉管法一般用于水下隧道施工 目前国内已建成的最大的沉管隧道是上海外环越江隧道 总长2880m 沉管段长736m 双向8车道 2020 3 27 11 7 顶管法地下结构施工示意图 顶管法主要用于建造穿越城市交通繁忙地带的地下工程 其长度 断面尺寸均受到较大限制 国内最长的顶管隧道是西气东输工程穿越黄河的隧道 长度近3000m 直径约2m 2020 3 27 12 8 地下连续墙法施工示意图 地下连续墙法可用于点式 条式地下工程的施工 如上海 广州大部分地铁车站均采用该法施工 其特点类似于明挖法 但比明挖法占用场地小 对周围环境影响较小 且造价相对较低 2020 3 27 13 9 TBM法地下结构施工示意图 目前国内 习惯上将用于岩石地层的隧道掘进机称为TBM 将用于软土地层的隧道掘进机称为盾构机 归类还是同在掘进机门下 2020 3 27 14 1 2TBM和盾构机的具体区别 1 适用的工程不一样 TBM用于硬岩 盾构机用于土层的挖掘 2 两者的掘进 平衡 支护系统都不一样 3 TBM比盾构技术更先进 更复杂 4 工作的环境也不一样 TBM是硬岩掘进机 一般用在山岭隧道或大型引水工程 盾构是软土类掘进机 主要是城市地铁 及小型管道 其实TBM和盾构除了这些本质的差别外 笼统的来说 都是一样 都是隧道全断面掘进 只是不同的工作环境应用不同的机械 2020 3 27 15 盾构法施工的定义 盾构 shield 在土木工程领域中原指遮盖物 保护物 在隧道施工中把外形与隧道截面相同 但尺寸比隧道外形稍大的钢筒或框架压入地中构成保护切削机的外壳 该壳及壳内各种作业机械 作业空间的组合体称为盾构机 2020 3 27 16 实际上 盾构是一种既能支撑地层压力 又能在地层中掘进的施工 与其他暗挖法施工相比 盾构施工引起的地表沉降较小 2020 3 27 17 2 1盾构法施工技术 盾构是一种钢制的活动防护装置或活动支撑 是通过软弱含水层 特别是河底 海底 以及城市居民区修建隧道的一种机械 头部可以安全地开挖地层 尾部可以装配预制管片或砌块 迅速地拼装成隧道永久衬砌 盾构推进主要依靠盾构内部设置的千斤顶 概述 2020 3 27 18 适用条件 在松软含水地层中修建隧道 水底隧道及地下铁道时采用各种不同形式的盾构施工最有意义 特别是该施工方法属地表以下暗挖施工 不受地面交通 河道 航运 潮汐 季节等条件的影响 2020 3 27 19 优点 安全性 高效率 危害小 经济性缺点 重复利用率低 施工复杂 适用性受限 工作条件差 地表变形不易控制 盾构优缺点 2020 3 27 20 盾构隧道的历史 用盾构法修建隧道开始于1818年 法国工程师布鲁诺尔 1825年在英国泰晤士河下首次用矩形盾构建造隧道 近代 日本盾构法得到了迅速发展 用途越来越广 并研制了大量新型盾构 我国于1957年北京下水道工程中首次出现2 6m小盾构 上海市延安东路过江道路隧道使用11 0m直径的大盾构 2020 3 27 21 盾构按形状分类 大致有圆形 又称半盾构 矩形 马蹄形等几种 圆形因其抵抗水土压力较理想 衬砌拼装简便 构件可以互换 较为通用 数量最多 开挖方式分为 人工挖掘式 半机械挖掘式 机械挖掘式 2020 3 27 22 一 盾构机定义二 盾构机构造三 盾构机分类及型式四 盾构配套设施 2 2盾构机械设备 2020 3 27 23 盾构机是一种隧道掘进的专用工程机械 现代盾构掘进机集光 机 电 液 传感 信息技术于一体 具有开挖切削土体 输送土碴 同步衬砌注浆 拼装隧道衬砌管片 测量导向纠偏等功能 涉及地质 土木 机械 力学 液压 电气 控制 测量等多门学科技术 而且要按照不同的地质进行 定制式 的设计制造 可靠性要求极高 盾构掘进机已广泛用于地铁 铁路 地下公路 城市市政 水电等隧道工程 一 盾构机定义 2020 3 27 24 二 盾构机构造 盾构机是在钢壳体的保护下 进行地下隧道工程掌子面开挖及衬砌连续作业 并依靠钢壳体内千斤顶的推力向前推进 盾构机主要由切削刀盘 前部盾体 连接桥架 后配套台车等部分组成 切削刀盘根据工程地质情况选择不同型式 配置相应刀具 前部盾体由主驱动系统 推进系统 渣土输送系统 管片拼装系统 同步注浆等系统组成 后配套台车主要为前部盾体内各系统配置动力源以及水 电 气 液 测量与监测等辅助施工系统和人工操作系统 连接桥架是前部盾体和后配套台车的连接桥梁 各系统的动力通过桥架上的管线路从后配套台车提供给前部盾体内的执行元件 25 26 切削刀盘 面板式刀盘 2020 3 27 27 辐条式刀盘 2020 3 27 28 刀盘特性比较 2020 3 27 29 前部盾体 主驱动系统 推进系统 渣土输送系统 管片拼装系统 同步注浆等系统 后配套台车 主要配置盾构机各系统所需的动力源以及水 电 气 液 测量与监测等辅助施工系统以及人工操作等系统 三 盾构机分类及型式 开敞式 土压平衡式 泥水式 泥土加压式 复合式 岩石盾构 盾构机分类 2020 3 27 32 不同型式的盾构机 适应不同工程的需要 圆形盾构 双圆盾构 2020 3 27 33 矩形盾构 椭圆形盾构 2020 3 27 34 球形盾构 2020 3 27 35 异型盾构 2020 3 27 36 多联盾构 2020 3 27 37 子母盾构 2020 3 27 38 转向盾构 2020 3 27 39 浆液搅拌站 盾构配套设施 与盾构机组成完备的施工系统 水平运输系统电机车 垂直运输系统龙门吊 地面监控室 管片生产厂 盾构配套设施 碴土坑 现场管片堆放场 风 水 电 照明 2020 3 27 41 一 盾构法的由来二 盾构分类及其适用范围三 土压平衡盾构法施工工艺 盾构法隧道施工工艺 2020 3 27 42 盾构法于19世纪初起源于欧洲 受启发于蛀虫挖洞 20世纪初日本引进盾构施工技术 并使其得以较大发展 上世纪60年代该技术引入中国 目前 日本及欧洲处于盾构技术的领先地位 随着盾构机制造业的发展和施工工艺的不断改进 逐步形成了比较完善的盾构系列施工工法 近年来随着城市建设的发展 地下空间得到广泛的开发利用 盾构设备的自动化程度越来越高 其适用性得以拓展 能够适用于多种地质条件和复杂环境条件 已在城市地铁 市政管道 地下公路 越江隧道等基础设施建设中得到广泛应用 一 盾构法的由来 2020 3 27 43 盾构分类及其适用范围 1 开放型 人工开掘式 半机械挖掘式全部敞开 随时观察地层变化情况 并配备简便的液压 风动挖掘 机具 人工挖掘 当开挖面难以保持稳定时可以采用气压等人工措施及正面支撑 支撑千斤顶等随挖随撑 2020 3 27 44 盾构分类及其适用范围 2 部分开放型 闭胸式开挖面密闭 在其上设有可调的出土口 开挖时盾构的前部贯入土砂之中 土砂呈塑性流动并从开口排出 2020 3 27 45 盾构分类及其适用范围 封闭型 土压式泥水加压式在切削密闭仓内充满开挖下来的土砂 泥浆 2020 3 27 46 目前在盾构工程中普遍采用的多为闭胸式盾构机 其中以泥水平衡式与土压平衡式盾构机最为普及 而且由于盾构工程大部分位于人口密集的城区 从减少施工污染 降低施工造价等多方面综合考虑 又以土压平衡盾构法施工为主 三 土压平衡盾构法施工工艺 2020 3 27 47 所谓土压平衡 就是盾构密封舱内始终充满了用刀盘切削下来的土 并保持一定压力平衡开挖面的土压力 螺旋输送机靠转速来控制出土量 出土量要密切配合刀盘的切削速度 以保持密封舱内充满泥土而又不致过于饱和 2020 3 27 48 土压平衡盾构法施工工艺流程 盾构施工工艺流程图 一个循环 2020 3 27 49 盾渣构土掘排进出 50 壁后同步注浆 管片拼装 52 53 始发台架图片 2020 3 27 54 折叶式密封环 2020 3 27 55 盾构机现场组装图片 2020 3 27 56 盾构机主体组装过程 2020 3 27 57 操作平台组装 2020 3 27 58 螺旋输送机 整圆器组装 2020 3 27 59 桥架 皮带输送机 单轨梁 反力架的安装 2020 3 27 60 反力架的结构型式 2020 3 27 61 初始掘进 1 洞口土体加固 2 地面配套设施安装施工 3 洞门范围内的钻孔灌注桩凿除 4 始发台架安装 5 盾构始发轨道铺设 6 反力架安装 7 洞门橡胶密封圈安装 8 盾尾密封刷涂满密封油脂 9 盾构机的联动调试满足要求 10 临时管片准备就绪 11 碴土运输准备工作就绪 12 盾构机已准确定位 13 自动导向系统安装 测试完毕 14 初始掘进范围内的地面监测点已布设完毕并获得初始的数据 15 供电系统 含备用电源 给排水系统 通信系统等正常 16 始发反力架和基准环已在始发井地面试拼装 在井下安装时要经过精确定位测量 确保第一环临时管片的准确位置 掘进前的准备工作 2020 3 27 62 1 土压力的平衡 开挖过程控制 2 进尺与出土量的平衡 即时控制 3 注浆量与建筑孔隙量的平衡 填充控制 4 盾构掘进参数变化量的平衡 掘进参数控制 5 盾构与管片两者各项姿态间的平衡 轴线控制 通过盾构施工控制达到五种平衡状态 2020 3 27 63 施工参数和开挖面稳定控制的好坏直接影响地表沉降大小 地下管线和地表建筑物的安全 因此施工中应对开挖面的稳定进行严格控制 为了保证盾构机顺畅排土 需对掘削下来的土砂加泥或加化学泡沫等添加剂以控制土仓内土砂的塑性 流动性处于适当的范围内 以保证盾构机能够顺畅排土 开挖面稳定控制 64 管理重点 不同地层条件下进尺与出土量的平衡 即时控制 及时进行土质状态记录与分析 并及时调整每环总出土量 保证掘进过程中进尺与出土量的对应统一 出碴控制 2020 3 27 65 在施工中实时进行施工数据采集 建立完善的信息化施工模式 1 盾构机掘进参数的采集2 盾构机导向数据的采集3 施工监测系统4 人工控制测量数据 盾构施工类似工厂流水线作业 因此施工中要求各环节紧密衔接 任何一道工序发生滞后 都将直接影响施工工效 或导致施工停止 因此应进行信息化施工管理 收集各阶段的施工参数 通过分析 归纳 在施工中不断对各种参数的设定进行优化 将会提高施工的质量 效率 盾构掘进参数控制 即信息化施工 2020 3 27 66 地表沉降控制是盾构施工的重点 及时的进行壁后注浆是有效控制地表沉降的措施之一 在壁后注浆施工中 由于盾构隧道穿越地层的多样性 注浆量变化幅度较大 因此采取以注入压力控制为主 兼顾注入量的方法进行注浆管理 注浆参数控制 注浆压力及注浆量平衡 2020 3 27 67 注浆材料选用 壁后注浆浆液分为单液砂浆和双液化学浆液 单液砂浆浆液应具备以下性能 1 具有良好的长时间稳定性及流动性 并能保证适当的初凝时间 以适应盾构施工以及远距离输送的要求 2 具有良好的充填性能 3 在满足注浆施工的前提下 尽可能早地获得高于地层的早期强度 4 浆液在地下水环境中 不易产生稀释现象 5 浆液固结后收缩率小 泌水率低 6 原料来源丰富 经济 施工管理方便 并能满足施工自动化技术要求 7 浆液无公害 价格合理 2020 3 27 68 通过施工测量以及盾构设备的自动导向系统 实时取得盾构的当前姿态 再通过盾构操作系统调整掘进控制 使盾构姿态保持在要求的偏差范围内 管片拼装前认真测量已经成环的管片姿态 根据盾构隧道曲线方向 推进千斤顶的行程差 盾尾间隙等条件合理选择管片类型 拼装过程中要注意保证管片的拼装质量满足要求 管理重点 盾构姿态 成环管片姿态 管片选型 隧道轴线控制 1 根据盾构机的贯通姿态及掘进纠偏计划进行推进 纠偏要逐步完成 每一环纠偏量不能过大 2 在盾构机距离端头墙50米时 选择合理的掘进参数 逐渐放慢掘进速度 逐渐降低推力 缓慢均匀地切削洞口土体 以确保到达围护桩和墙体的稳定和防止地层坍塌 3 加强地表沉降监测 及时反馈信息以指导盾构机掘进 4 在拼装的管片进入加固范围后 浆液改为快硬性浆液 提前在加固范围内将泥水堵在加固区外 当最后一环管片拼装完成后 通过管片的二次注浆孔 注入双液浆进行封堵 5 由于盾构到站时推力较小 致洞门附近的管片环与环之间连接不够紧密 因此作好后20环管片的螺栓紧固和复紧工作 防止管片松弛而影响密封防水效果 盾构到达施工技术措施 2020 3 27 70 隧道剖面图 1 进风道 2 进风口 3 排风口 4 排风道 5 路面 下拉杆 6 天棚 上