盾构法隧道技术.doc

盾构法隧道技术目录：1盾构法隧道技术的发展历史1.1盾构法隧道基本概念1.2国外盾构隧道的发展1.3我国盾构法隧道技术的发展2盾构掘进机2.1 盾构掘进机的构造2.2 盾构掘进机的分类3 盾构掘进施工的竖井和配套设备3.1 盾构掘进施工的竖井3.2 出土和运输设备3.3 同步注浆和壁后注浆设备3.4 电力设备4 隧道衬砌4.1 衬砌构造(圆形隧道管片拼装图)4.2 隧道衬砌分类4.3 钢筋混凝土管片制作5.网格挤压盾构工程实例5.1 打浦路越江隧道工程5.2 延安东路隧道工程6. 土压盾构施工技术6.1 土压平衡盾构掘进机的机理和适用地层6.2 我国土压盾构的引进和消化吸收6.3 上海地铁工程6.34m土压盾构掘进施工6.4 广州地铁工程6.14m复合型土压盾构掘进施工6.5 其它城市地铁的土压盾构应用情况6.6 矩形土压盾构研制和应用6.7 双圆形土压盾构的研究和工程应用7泥水盾构施工技术7.1 延安东路隧道工程7.2 大连路隧道和翔殷路隧道工程7.3 复兴路双层隧道工程7.4 上中路双层隧道工程7.5 崇明越江隧道工程 1盾构法隧道技术的发展历史11盾构法隧道基本概念 盾构法是在盾构保护下修筑软土隧道的一类施工方法。这类方法的特点是地层掘进、出土运输、衬砌拼装、接缝防水和盾尾间隙注浆充填等作业都在盾构保护下进行，并需随时排除地下水和控制地面沉降，因而是工艺技术要求高、综合性强的一类施工方法。1.1.1盾构法施工的优点、场地作业少，隐蔽性好，因噪音、振动引起的环境影响小；、隧道施工的费用和技术难度基本不受覆土深浅的影响，适宜于建造覆土深的隧道；、穿越河底或海底时，隧道施工不影响航道，也完全不受气候的影响；、穿越地面建筑群和地下管线密集区时，周围可不受施工影响；、自动化程度高、劳动强度低、施工速度较快。11.2盾构法施工的缺点施工设备费用较高；覆土较浅时，地表沉降较难控制；用于施工小曲率半径隧道时，掘进较困难。11.3施工的适用范围适用于各类软土地层和软岩地层的隧道掘进，尤其适用于城市地下隧道工程。 水底公路隧道； 地铁区间隧道； 排水污水隧道； 引水隧道； 公用管线隧道。11.4盾构隧道的断面形状12国外盾构隧道的发展 * 1818年，英国的布鲁诺从蛀虫钻孔得到启示，提出盾构掘进隧道设想。* 18251843年，布鲁诺在伦敦泰吾士河下用盾构法修建458m长的矩形隧道（11.4m6.8m）。* 1830年，英国的罗德发明“气压法”辅助解决隧道涌水。* 1865年，英国的布朗首次采用圆形盾构和铸铁管片，1869年用圆形盾构在泰吾士河下修建外径2.2m的隧道。* 1874年，英国的占姆斯首创盾尾空隙压浆的辅助工法，并用于伦敦地铁南线内径3.2m隧道施工。* 18801890年，在英国和加拿大间的圣克莱河下用盾构法建成直径6.4m、长1800m的水底铁路隧道。* 1896年，开始应用刀盘式机械掘进盾构。* 20世纪初，美国、英国、德国、苏联、法国等国开始采用盾构法修筑地铁和水底公路隧道。* 1940年后，苏联用直径6.09.5m盾构在莫斯科和列宁格勒修建地铁。* 19391942年，日本首次用盾构施工国铁关门隧道工程（盾构直径7.18m，隧道长度725.8m）。* 1967年，英国开发成功首台泥水加压平衡盾构。* 1974年，日本开发成功首台土压平衡盾构。* 19871991年，英国、法国采用11台盾构掘进深50km长的英法海峡隧道，创造单台盾构连续掘进21km的记录。* 19891996年，日本采用8台世界最大直径14.14m泥水加压盾构，掘进东京湾海峡隧道，2条隧道各长15.1km。13我国盾构法隧道技术的发展* 50年代，东北阜新煤矿首次采用直径2.6m手掘式盾构施工巷道。* 1957年，北京市政工程局采用2台直径2.0m和2.6m手掘式盾构进行城市下水道施工。* 1963年，上海隧道工程股份有限公司在软土地层进行直径4.2m手掘和网格盾构的浅推进和深推进工程试验。* 1965年，上海采用直径10.22m网格挤压盾构掘进国内首条水底公路隧道打浦路隧道掘进长度1322m。* 19851988年，上海采用自行研制的直径11.33m网格型水力出土盾构掘进机延安东路隧道，掘进长度1476m。* 19851986年，上海引进日本川崎重工制造的直径4.33m小刀盘土压平衡盾构掘进芙蓉江路排水隧道1656m。* 19871989年，上海研制了国内首台直径4.35m加泥式土压平衡盾构掘进朵完成穿越黄浦江底的市南站电缆隧道583m。技术成果获国家科技进步一等奖。* 19911993年，上海与法国FCB公司合作设计制造7台直径6.34m土压平衡盾构，完成上海地铁1 号线78km区间隧道掘进施工。* 19951997年，上海引进日本三菱重工直径11.22m泥水加压盾构掘进延安东路隧道南线工程1300m主隧道。* 19961998年，广州引进日本1 台直径6.14m土压平衡盾构和2台直径6.14m泥水加压盾构，完成广州地铁1 号线8.8km区间隧道掘进施工。* 1999年，上海研制国内首台3.8m3.8m组合刀盘型矩形土压平衡盾构，掘进104m地铁2号线陆家嘴车站过街人行地道。* 1999年，北京市政总公司引进日本石川岛播磨直径3.6m土压平衡盾构，完成亮马河排水隧道工程。* 2000年，广州地铁2号线采用改制的直径6.14m复合型土压平衡盾构，进行风化岩地层中的区间隧道掘进施工。*2001年初北京地铁5号线从德国海瑞克公司引进一台6.20m土压平衡盾构，用于雍和宫北新桥站区间隧道工程。*2001年6月南京地铁1号线引进4台6.34m土压平衡盾构，用于区间隧道掘进施工。*2001年7月深圳地铁1号线先后引进4台6.14m复合型土压盾构用于区间掘进施工。*2002年上海地铁8号线引进2台双圆型土压盾构，用于2.5km区间隧道工程。2盾构掘进机2.1盾构掘进机的构造盾壳： 分为切口环、支承环和盾尾三部分；开挖面切削和支护结构：* 敞开式：前瞻千斤顶、支撑千斤顶、平台千斤顶* 网格式：开胸率、折装式和开启式* 刀盘式：面板式和条幅式；小刀盘和大刀盘；泥水 平衡和土压平衡推进千斤顶：盾尾周圈布置，一般单台推力，1000kn2000kn，行程比管片宽度长10cm20cm。管片拼装机：举重臂和真圆保持器2.2 盾构掘进机的分类（1）敞开式手掘盾构（2）网格挤压型盾构（3）半机械盾构（4）机械式盾构（5）土压平衡盾构 泥水加压盾构3 盾构掘进施工的竖井和配套设备3.1 盾构掘进施工的竖井始发工作井: 满足盾构掘进机安装和出洞施工的要求接收工作井: 盾构隧道掘进完成后进入接收井,满足盾 构拆卸或转场吊装移位的工作空间要求竖井施工方法: 沉井法、地下连续墙围护、钢板桩围护3.2 出土和运输设备3.3 同步注浆和壁后注浆设备盾尾建筑空隙 = 盾构外径 - 隧道外径充填盾尾空隙的方法:(1) 同步注浆:在盾构尾部外壳上设26根同步 注浆管, 在盾构推进的同时进行注浆充 填空隙(2) 壁后注浆:在管片上留有注浆孔,随时可进 行壁后注浆注浆材料（应根据施工环境、地层条件选择，并进行配方试验和泵压试验）：(1) 单液惰性浆液：由砂、粉煤灰、膨润土 组成。(2) 单液结硬性浆液：由水泥、砂、粉煤灰、 膨润土组成。(3) 双液结硬性浆液：由水泥、砂、粉煤灰、 水玻璃组成。注浆设备：压浆可用往复活塞泵、单轴螺杆泵等。注浆泵、储浆泵等均放在盾构后车架。3.4 电力设备盾构施工中，需要电力的有： 地面设备 竖井动力设备 隧道动力设备 气压设备 照明设备等供电设备的容量，设计为总需电量的60左右。4 隧道衬砌4.1 衬砌构造(圆形隧道管片拼装图)4.2 隧道衬砌分类4.2.1 按衬砌材料分铸铁管片钢管片钢筋混凝土管片(RC管片)复合管片4.2.2 按施工方法分:拼装式管片压注混凝土衬砌二次衬砌4.2.3 钢筋砼管片分类 箱型管片 平板型管片管片宽度: 一般0.7M1.5M管片厚度: 0.040.06D管片分块: 48块4.3 钢筋混凝土管片制作管片钢筋笼制作高精度管片钢模管片试拼装5.网格挤压盾构工程实例5.1 打浦路越江隧道工程5.2延安东路隧道工程6. 土压盾构施工技术6.1土压平衡盾构掘进机的机理和适用地层土压平衡盾构依靠大刀盘旋转切削开挖面土体，土砂切削后进入刀盘后的密封土舱，并通过土舱下部的螺旋输送机把土砂送至盾构机后部，见图1所示。通过调整刀盘转速、推进速度、螺旋机转速来调整切削土量和出土量并保持土舱压力，使之与开挖面水土压力保持平衡。图1 土压平衡原理图土压平衡盾构适用于各种粘性地层、砂性地层、砂砾土层。对于风化岩地层、软土与软岩的混合地层，可采用复合型的土压平衡盾构。在砂性、砂砾、软岩地层采用土压盾构掘进施工，应在土舱、螺旋机内以及刀盘上注入润滑泥浆或泡沫，以改良土砂的塑流性能。6.2我国土压盾构的引进和消化吸收1985年，上海芙蓉江路排水隧道工程引进日本川崎重工制造的一台4.33m小刀盘土压盾构，盾构前端设有3只小刀盘切削开挖面土体，切削土砂经螺旋输送机运至土箱。开挖面土压平衡，以减小对周围土体的抗压影响。芙蓉江路排水隧道掘进长度1450m，这是我国引进的首台简易式土压盾构用于隧道工程，其施工性能和掘进速度均优于以往的网格挤压型盾构。1987年，上海隧道工程公司在消化吸收国外土压平衡盾构机理和设计制造技术的基础上，研制了国内首台4.3m加泥式土压平衡盾构掘进机，见图2。盾构的主要技术指标见表1。表1 4.35m土压平衡盾构主要工作参数盾构本体外径4350mm盾尾内径4240mm盾构长度6900mm最大推力24000kN推进速度2cm/min切削刀盘扭矩1700kN-m转速0-1r/min螺旋输送机扭矩12.6kN-m排土量73m3/h拼装机回转速度0-1r/min回转角度185提升重量3t提升行程650mm平移行程1100mm4.35m土压平衡盾构用于市南站过江电缆隧道。隧道总长度534m，在黄浦江底掘进，隧道埋深21m30m，穿越土层主要为砂质粉土。隧道掘进顺利解决了高水压情况下的密封和砂性土的加泥塑流技术难题，该台盾构还用于福州路过江电缆隧道、上海污水治理1期工程等多项工程，掘进总长度达4km。1990年以后，上海隧道工程公司又自行陆续设计制造了10余台3.86.34m土压平衡盾构，用于取排水隧道和地铁隧道工程。1993年制造1台6.34m土压盾构，用于南京市夹江排水隧道工程，穿越粉砂地层，掘进长度1294m。6.3 上海地铁工程6.34m土压盾构掘进施工1990年，上海地铁一号线开工建设，双线区间隧道选用土压平衡盾构掘进，经国际招标，7台6.34m土压盾构由法国FCB公司、上海市隧道工程公司、上海市隧道工程设计院、上海沪东造船厂联合体中标，利用法国混合贷款1.32亿法郎。第1台6.34m土压盾构于1991年6月始发推进，7台盾构掘进总长度17.37km，1993年2月全线贯通，掘进施工期仅20个月，每台盾构的月掘进长度达200250m。掘进施工穿越市区建筑群、道路、地下管线等，地面沉降控制达1cm3cm。6.34m土压平衡盾构见图3所示，其主要技术性能见表2。1995年上海地铁二号线24.12km区间隧道开始掘进施工，地铁一号线工程所用的7台6.34m土压盾构经维修以后，继续用于二号线区间隧道掘进，同时又从法国FMT公司和上海的联合体购置2台土压盾构，上海隧道工程股份有限公司制造1台土压盾构，共计10台土压盾构用于隧道施工。于2000年开工兴建的上海地铁明珠线二期工程区间隧道仍使用这10台6.34m土压平衡盾构施工。2001年，向日本三菱重工购置4台6.34m土压平衡盾构，共计14台盾构掘进施工。6.4 广州地铁工程6.14m复合型土压盾构掘进施工1996年，广州地铁一号线工程中有8.825km区间隧道采用3台6.14m盾构掘进施工，其中1台为复合型土压平衡盾构，2台为泥水加压盾构，均为日本川崎重工制造，由青木建设承包施工。烈士陵园站农讲所站公园前站2970m区间隧道采用复合型土压盾构，其刀盘上设置了两种刀具，切削粘土的割刀和切削风化岩石的盘形滚刀。刀盘边缘还将有10cm的超挖刀。盾构为铰接型，由前后两节组成，机身长7.8m，便于转弯纠偏，左右可纠转1.5，上下可纠转0.5。盾构最大推力为32340kN，刀盘扭矩3430kN/m。广州地铁首次采用盾构施工，也是我国在风化岩地层中首次使用盾构，隧道的掘进速度、工程质量、施工安全均优于采用钻爆矿山法施工的地铁隧道。2000年，广州地铁二号线工程海珠广场站至江南新村站3423m区间隧道选用2台由上海隧道工程公司改制的6.14m复合型土压盾构掘进施工。盾构从珠江底穿越，埋深1628m，掘进地层为含水丰富的弱风化岩、强风化岩和中风化岩。为解决因刀盘面板的粘结引起的进土不畅、推进速度慢、刀盘扭矩大的问题，在刀盘上加装了先行刀。2001年，广州地铁工程购置4台6.14m德国海瑞克公司制造的复合型土压盾构，掘进速度8m/d，最快达20m/d。6.5 其它城市地铁的土压盾构应用情况北京地铁五号线于2001年引进1台6.20m的海瑞克公司制造的土压盾构，用于试验段工程，其穿越土层为粘土、砂土、含砾砂土。为解决土砂的塑流，在土舱内添加泡沫剂，掘进速度已达8m/d。南京地铁一号线约16km区间隧道全部采用6.34m土压盾构掘进施工，分别从日本和德国引进3台。目前，由上海隧道工程公司承包钓鱼台站三山街站区间隧道已完成上行线。深圳地铁一号线益田香密湖、罗湖国贸2条区间隧道采用3台从日本三菱重和小松建机引进的6.14m复合型土压盾构掘进施工。益田站香密湖站区间隧道所处的地层为全风化微风化的燕山期花岗和砾盾粘性土。盾构刀盘上装有切削刀、先行刀和盘式滚刀三种刀具。6.6 矩形土压盾构研制和应用常用的盾构隧道掘进机为圆形，主要是圆形结构受力合理，圆形掘进机施工摩阻力小，即使机头旋转也影响小。但是圆形隧道往往断面空间利用率低，尤其在人行地道和在行隧道工程中，矩形、椭圆型、马蹄形、双圆形和多圆形断面更为合理。日本80年代开发应用了矩形隧道，在90年代开发应用了任意截面盾构和多圆盾构，并完成了多项人行隧道、公路隧道、铁路隧道、地铁隧道、排水隧道、市政共同沟隧道等，使异形盾构技术日益成熟，异形断面隧道工程日益增多。我国于1995年开始研究矩形隧道技术，1996年研制1台2.5m2.5m可变网格矩形顶管掘进机，顶进矩形隧道60m，解决了推进轴线控制、纠偏技术、深降控制、隧道结构等技术难题。1999年5月，上海地铁二号线陆家嘴路站62m过街人行地道采用矩形顶管掘进机施工，研制1台3.8m3.8m组合刀盘矩形顶管掘进机，具有全断面切削和土压平衡功能，螺旋输送机出土，掘进机的主要工作参数见表3，矩形顶管掘进机见图4。表3 3.8m3.8m矩形顶管机主要工作参数掘进机本体断面尺寸3828mm3828mm长度3920mm4020mm推进速度0-10cm/min额定推力2104kN纠偏角度1.8切削刀盘转速0-1.6r/min额定扭矩1011kN-m仿形刀行程250mm螺旋输送机转速0-150r/min扭矩21.2kN-m排土量42m3/h主顶进推力2.5104kN行程1450mm6.7 双圆形土压盾构的研究和工程应用日本已开发了双圆形、三圆形、多圆形盾构并用于地铁和其它隧道工程。近年来，上海隧道工程公司研究所也完成了对双圆隧道的可行性研究。并进行了双圆隧道结构的缩尺模拟荷载试验。2002年，上海地铁M8线2区间隧道2.6km采用DOT双圆盾构掘进施工，由上海隧道工程公司中标承建，将引进日本的DOT双圆盾构，于2003年8月始发推进。至今，上海已有双圆盾构5台，完成9区间约8km隧道施工。图3 6.34m土压平衡盾构表2 6.34m土压平衡盾构主要工作参数盾构本体外径6350mm盾尾内径6540mm最大推力3.332104kN推进速度3cm/min切削刀盘最大扭矩4635kN-m转速0-0.8r/min螺旋输送机螺杆直径700cm扭矩015kN-m排土量200m3/h拼装机回转速度0-1.5r/min回转角度210提升重量82kN提升行程650mm平移行程1050mm7泥水盾构施工技术7.1 延安东路隧道工程 1983年，位于上海外滩的延安东路隧道北线工程开工建设，隧道全长2261m，其中1310m为圆形主隧道，采用盾构法施工，隧道外径11m，管片环宽100cm，厚55cm，接缝防水采用氯丁橡胶防水条。 圆形主隧道采用了上海隧道工程公司自行设计研制的11.3m网格型水力出土盾构。在密封舱内采用高压水枪冲切开挖面，挤压进网格的土体，搅拌成泥浆后通过泥浆泵接力输送，实现了掘进、出土运输自动化。盾构最大推力可达1.08105KN。 1995年，上海延安东路隧道南线开工建设，为缩短工期和保护隧道沿线建筑物的需求，引进日本三菱重工制造的11.22m泥水加压盾构掘进施工。延安东路隧道建成，为上海浦东新区的开发开放提供了便捷的越江通道。7.2 大连路隧道和翔殷路隧道工程 上海大连路隧道位于延安东路隧道和杨浦大桥之间，全长2565m，为2来2去的两条双车道隧道，工程总投资16.55亿元。工程于2001年5月25日开工，2003年9月28日建成通车，总工期28个月。其中1258m圆形隧道采用2台11.22m泥水加压盾构同向掘进施工。大连路越江隧道工程平剖面见图4所示。 圆隧道外径11m，内径10.04m，管片宽度 1.5m，管片厚度 0.48m，衬砌分块 8块，错缝拼装，弯螺栓联接。隧道内双车道宽度 3.75m2，净高4.5m， 隧道通风采用轴流风机，见图5所示。江中段2条圆隧道之间设2条联络通道，位于黄浦江底，2条联络通道相距400m， 通道宽通道1.4m、高2.1m。图4 大连路越江隧道工程纵剖面示意图图5 大连路隧道结构图7.3复兴路双层隧道工程为缓解市中心至浦东陆家嘴金融区的过江交通阻塞， 上海市政府于2001年决定在过江交通最繁忙的延安路隧道(4车道)和南浦大桥(6车道)之间建设复兴路隧道。复兴路隧道采用双层式设计，上层双向四条小车专用道，车道宽度3m；下层双向二车道大车通行，车道宽度3.5m，并设置2.5m紧急停车带各一条，见图6 所示。2条隧道之间设4条上下层联络通道，2座江中外置式泵房，4座峒口雨水泵房，2处地下进、排风道及进、排风塔，4个出入口隧道工程全长2785m，其中江中段长1214m，岸边段长1571m（浦西645m、浦东926m），另外在浦西设一座管理中心大楼。图6 复兴路双层隧道结构图 1214m圆形主隧道采用2台11.22m泥水加压盾构掘进施工，2台盾构一先一后同向掘进，工期9个月。隧道衬砌结构与大连路隧道相同，但两侧拱腰的管片带有牛腿，用于上层预制车道板的安装。复兴路双层隧道于2004年9月建成通车，总工期36个月。7.4 上中路双层隧道工程上中路越江隧道为上海中环线南段穿越黄浦江的一个关键节点工程。工程起点为上中路龙川路交叉口东侧，与中环线南段上中路衔接；终点为浦东规划华夏西路公园大道交叉口西侧，工程全长2.8km。浦西段工程沿线主要规划为商住区，浦东段线路北侧为环球影视基地三期规划地块，南侧为规划三林生态公园。上海隧道工程股份有限公司于2004年中标承建上中路越江隧道，工程价为10.2亿元人民币，施工期30个月。本工程为双向八车道规模，设计车速80km/h，车道宽度3.25m2+3.5m2，通行净高4.5m。上中路隧道穿越黄浦江底采用盾构法施工， 黄浦江宽400m，深15m。上中路隧道平、纵剖面见图7。隧道外经14.5 m，江底最浅覆土10 m， 隧道纵坡4.5%。盾构法圆形主隧道长1250 m，两岸各设一座工作井，矩形暗埋段和引道段共长1052m，分别采用地下连续墙和SMW围护桩明挖法施工。图7 上中路隧道土质剖面图隧道衬砌