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盾构法施工 盾构根据挖掘方式盾构可分为手工挖掘和机械挖掘式盾构 根据切削环与工作面的关系可分为开口形与密闭形盾构 盾构法施工具有以下优点 1 因需在顶进的是盾构本身 在同一土层中所需顶力为一常数 不受顶力大小的限制 2 盾构断面形状可以任意选择 而且可以形成曲线走向 3 操作安全 可在盾构设备的掩护下 进行土层一式挖和衬砌 4 施工时不扰民 噪声小 影响交通少 5 盾构法进行水底施工 不影响航道通行 6 严格控制正面超挖 加强衬砌背面空隙的填充 可控制地表沉降 盾构的组成 盾构是用于地下开槽法施工时进行地层开挖及衬砌拼装进起支护作用的施工设备 基本构造由开挖系统 推进系统和衬砌拼装系统三部分组成 开挖系统 盾构壳体形状可任意选择 用于给排水管沟 多采用钢制圆形筒体 由切削环 支撑环 盾尾三部分组成 由外壳钢板连接成一个整体 如图所示 1 切削环部分位于盾构的最前端 它的前端做成刃口 以减少切土时对地层的扰动 切削环也是盾构施工时容纳作业人员挖土或安装挖掘机械的部位 盾构开挖系统均设置于切削环中 根据切削环与工作面的关系 可分开放式和密封两类 当土质不能保持稳定 如松散的粉细砂 液化土等 应采用密闭式盾构 当需要对工作面支撑 可采用气压盾构或泥水压力盾构 这时在切削环与支撑环之间设密封隔板分开 2 支撑环部分位于切削环之后 处于盾构中间部位 它承担地层对盾构的土压力 千斤顶的顶力以及刃口 盾尾 砌块拼装时传来的施工荷载等 它的外沿布置千斤顶 大型盾构将液压 动力设备 操作系统 衬砌拼装机等均集中布置在支撑环中 在中 小型盾构中 可把部分设备放在盾构后面的车架上 3 盾尾部分它的作用主要是掩护衬砌的拼装 并且防止水 土及注浆材料从盾尾间隙进入盾构 盾尾密封装置由于盾构位置千变万化 极易损坏 要求材耐磨 耐拉并富有弹性 曾采用单纯橡胶的 橡胶加弹簧钢板的 充气式的 毛刷型的等多种盾尾密封装置 但至今效果不够理想 一般多采用多道密封及可更换盾尾密封装置 推进系统 推进系统是盾构核心部分 依靠千斤顶将盾构向前移动 千斤顶控制采用油压系统 其组成由高压油泵 操作阀件和千斤顶等设备构成 盾构千斤顶液压回路系统如图所示 图为阀门转换器工作示意图 当滑块2处于左端时 高压油自进油管1流入经分油箱4将千斤顶5出镐 若需回镐时 将滑块2移向右端 高压油从阀门转换器4 推动千斤顶回镐 并将回油管中的油流向分油箱 衬砌拼装系统 盾构顶进后应及时进行衬砌工作 衬砌块作为盾构千斤顶的后背 承受顶力 施工过程中作为支撑结构 施工结束后作为永久性承载结构 砌块采用钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土 砌块状有矩形 梯形 缺形等 砌块尺寸视衬砌方法 如图4 46所示 盾构壳体尺寸的确定 1 盾构的外径盾构的内径D内应大于隧道衬砌的外径 D d 2 式中 D 盾构外径 mm d 衬砌外径 mm 盾构厚度 mm 盾构建筑间隙 mm 根据盾构调整方向的要求 一般盾构建筑为衬砌外径0 8 1 0 左右 其最小值要满足 Ml d式中 l 盾尾内衬砌环上顶点能转动的最大水平距离 通常采用l d 80 M 盾尾掩盖部分的衬砌长度 所以 0 0125M 一般取用30 60mm 盾构尺寸的确定 2 盾构长度盾构全长为前檐 切削环 支撑环和盾尾长度的总和 其大小取决于盾构开挖方法及预制衬砌环的宽度 也与盾构的灵敏度有关系 盾构灵敏度指盾构总和度L与其外径D的比例关系 灵敏度一般采用 小型盾构 D 2 3m L D 1 5左右 中型盾构 D 3 6m L D 1 0左右 大型盾构L D 0 75左右 盾构直径确定后 选择适当灵敏度 即可决定盾构长度 盾构推进时系统顶力计算 盾构的前进是靠千斤顶来推进和调整方向 所以千斤顶应有足够的力量 来克服盾构前进过程中所遇到的各种阻力 一 外壳与周围土层间摩擦阻力F1F1 2 PV Ph L D 式中 PV 盾构顶部的竖向土压力 Ph 水平土压力值 土与钢之间的摩擦系数 一般取 盾构长度 盾构外径 切削环部分刃口切入土层阻力 式中 土的内摩擦角 土的内聚力 其余符合与公式 相同 三 砌块与盾尾之间的摩擦力 L 式中 盾尾与衬砌之间的摩擦系数 一般为 环衬砌重量 L 盾尾中衬砌的环数 盾构自重产生的摩擦阻力F4F4 G 式中 G 盾构自重 钢土之间的摩擦系数 一般为0 2 0 6 五 开挖面支撑阻力F5 应按支撑面上的主动土压力计算 其项阻力 需根据盾构施工时实际情况予以计算 叠加后组成盾构推进的总阻力 由于上述计算均为近似值 实际确定千斤顶总顶力时 尚乘1 5 2 0的安全系数 有的资料提供经验公式确定盾构总顶力为 P 700 1000 D 4 Kn盾构千斤顶的顶力 小型断面用500 600 中型断面用1000 1500 大型断面用 D 10m 用25000 我国使用的千斤顶多数为1500 2000 盾构施工盾构法施工概貌 如图所示 施工准备工作 盾构施工前根据设计提供图纸和有关资料 对施工现场应进行详细勘察 对地上 地下障碍物 地形 土质 地下水和现场条件等诸方面进行了解 根据勘察结果 编制盾构施工方案 盾构施工的准备工作还应包括测量定线 衬块预制 盾构机械组装 降低地下水位 土层加固以及工作坑开挖等 上述这些准备工作视情况选用 并编入施工方案中 其允许偏差见表4 7 盾构法施工的给水排水管道允许偏差注 圆环变形等于圆环水平及垂直直径差值与标准内径的比值 盾构工作坑及始顶 盾构法施工也应当设置工作坑 也称工作室 作为盾构开始 中间 结束井 开始工作坑作为盾构施工起点 将盾构下入工作坑内 结束工作坑作为全线顶进完毕 需要交盾构取出 中间工作坑根据需要设置 如为了减少土方 材料地下运输距离或者中间需要设置检查井 车站等构筑物时而设置中间工作坑 开始工作坑与顶管工作坑相同 其尺寸应满足盾构和其顶进设备尺寸的要求 工作坑周壁应做支撑或采用沉井或连续加固 防止坍塌 同样盾构顶进方向对面做好牢固后背 盾构在工作坑导轨上至盾构完全进入土中的这一段距离 借助外部千斤顶顶进 与顶管方法相同如图所示 当盾构已进入土中以后 在开始工作坑后背与盾构衬砌环 各设置一个木环 其大小尺寸与衬砌环相等 在两个木环之间用圆木支撑 作为始顶段的盾构千斤顶的支撑结构 一般情况下 衬砌环长度达30 50m以后 才能起后背作用 拆除工作坑内圆木支撑 始段开始后 即可起用盾构本身千斤顶 将切削环的刃口切入土中 在切削环掩护下进行掘土 一面出土一面将衬砌块运入盾构内 待千斤顶回镐后 其空隙部分进行砌块拼装 再以衬砌环为后背 启动千斤顶 重复上述操作 盾构便不断前进 衬砌和灌浆 按照设计要求 确定砌块形状和尺寸以及接缝方法 接口有平口 企口和螺栓连接 企口接缝防水性能好 但拼装复杂 螺栓连接整体性好 刚度大 砌块接口涂抹粘结剂 提高防水性能 常用的粘结剂有沥青 玛脂 环氧胶泥等 砌块外壁与土壁间的间隙应用水泥砂浆或豆石混凝土灌注 通常每隔3 5衬砌环有一灌注孔环 此环上设有4 10个灌注孔 灌注孔直径不小于36mm 灌浆作业应及时进行 灌入顺自下而上 左右对称地进行 灌浆时应防止浆液漏入盾构内 在此之前应做好止水 砌块衬砌和缝隙注浆合称为一次衬砌 二次衬砌按照功能要求 在一次衬砌合格后 可进行二次衬砌 二次衬砌浇筑豆石混凝土 喷射混凝土等 1 无注浆钢筋超前锚杆锚杆可采用 22mm螺纹钢筋 长度一般为2 0 2 5m 环向排列 其间距视土壤情况确定 一般为2 0 0 4m 排列至拱脚处为止 锚杆每一循环掘进打入一次 可用风动凿岩机打入拱顶上部 钢锚杆末端要焊接在拱架上 此法适用于拱顶土壤较好情况下 是防止坍塌的一种有效措施 2 注浆小导管当拱顶土层较差 需要注浆加固时 利用导管代替锚杆 导管可采用直径为32mm钢管 长度为3 7m 环向排列间距为0 3m 仰角7 12 导管管壁设有出桨孔 呈梅花状分布 导管可用风动冲击钻机或PZ75型水钻机成孔 然后推入孔内 3 喷射混凝土喷射混凝土上是借助喷射机械 利用压缩空气或其它动力 将按一定配合比的拌合料 通过管道输送并以高速喷射到受喷面上凝结硬化而志的一种混凝土 根据喷射混凝土拌合料的搅拌和运输方式 喷射方式一般分为干式和湿式两种 常采用干式 下图为干式和湿式喷射混凝土工艺流程图 干式射喷是依靠喷射机压送干拌合料 在喷嘴处加水 在国内外应用较为普遍 它的主要优点是设备简单 输送距离长 速凝剂可在进入喷射机前加入 湿式喷射是用喷射机压送湿拌合料 加入拌合水 在喷嘴处加入速凝剂 它的主要优点是拌合均匀 水灰比能准确控制 混凝剂加入也较困难 喷射混凝土材料要求 1 水泥喷射混凝土应选用不小于425号的硅酸盐或普通硅盐水泥 因为这两种水泥的C3s和C3A含量较高 同速凝剂的相容性好 能速凝 快硬 后期强度也较高 当遇有较高可溶性硫酸盐的地层或地下水时 应选用抗硫酸盐类水泥 当结构物要求喷射混凝土早强时 可使用硫铝酸盐水泥或其它早强水泥 2 砂喷射混凝土宜选用中粗砂 一般砂子颗粒级配应满足下表规定 砂子过细 会使干缩增大 砂子过粗 则会增加回弹 砂子中小于0 075mm的颗粒不应大于20 砂的级配限度 3 石子宜选用卵石为好 为了减少回弹 石子最大粒径不宜大于20mm 石子级配应符合下表规定 若掺入速凝剂时 石子中不应含有二氧化硅的石料 以免喷射混凝土开裂 石子级配限度 4 速凝剂使用速凝剂主要是使喷射混凝土速凝快硬 减少回弹损失 防止喷射混凝土因重力作用引起脱落 可适当加大一次喷射厚度等 喷射混凝土拌合料的砂率控制在45 55 为好 水灰比0 4 0 5为宜 4 回填注浆 在暗挖法施工中 在初期支护的拱顶上部 由于喷射混凝土与土层未密贴 拱顶下沉形成空隙 为防止地面下沉 采用水泥浆液回填注浆 这样不仅挤密了拱顶部分的土体 而且加强了土体与初期支护的形体性 有效防止