盾构隧道轴线控制及盾构

1、2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 1 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 2 一、盾构隧道轴线控制 二、盾构机选型 1）盾构机类型 2）刀具形式 3）开挖刀盘形式 4）刀具布置、刀盘形式 5）盾构选型 三、管片制作施工控制 1）施工流程 2）混凝土性能 3）施工注意问题 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 3 在1930年前，盾构隧道使用的管片主要为铸造钢 管片。之后，开始使用预制混凝土管片，应用在英国 的伦敦小直径的下水道（1.5米3米）。直到1965年， 在欧洲国家主要发展和使用预制混凝土管片，应用于 大直径软土的盾构隧道（5米10米），如德国、比 利时、奥地利、

2、法国。同期日本在预制混凝土管片使 用尚尤其显著。 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 4 盾构隧道轴线控制属于掘进管理中的线 形管理。 盾构隧道轴线偏差是在推进器推进长度 差的变化、土质的强度不一、选用管片类型 拼装所形成。因此在一定程度内盾构隧道轴 线将产生蛇行状态。 盾构隧道轴线控制关键需了解管片所固有 的尺寸特性及盾构机外形尺寸，根据尺寸的 特点合理管片选型，使管片形成的轴线与设 计轴线尽量在设计允许偏差范围内。 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 5 设 计 轴 线 施 工 轴 线 允许误差 直 线 管 片 楔 形 管 片 直 线 管 片 短 直 线 施工后隧道中心 施

3、工后隧道中心 设计隧道中心 设计隧道中心 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 6 管片的形状和尺寸，应考虑使用目的，便管片的形状和尺寸，应考虑使用目的，便 于施工和经济等条件来确定。于施工和经济等条件来确定。 决定管片形状、尺寸的主要有下列内容： （1）管片环的外径 （2）管片厚度 （3）管片宽度 （4）管片环的分割 管片从类型上可分为：直线环楔形环和 通用管片 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 7 楔形量除应根据管片宽度、管片环外径、曲线半径及区间使 用的楔形环所占的比例、管片的制造性外，还应根据盾尾空隙量 而定。 圆曲线 管片宽度（L） 2021-7-13 盾构隧道轴线控

4、制及盾构 8 管片的尺寸特性掌握，主要是根据 管片拼装形式决定，关键取决于封顶块 旋转的位置，从而确定了管片形成空间 尺寸，如对轴线偏移量，轴线纠偏量等。 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 9 管片宽度：1200mm，厚度300mm 外径：6000mm，内径5400mm 楔形环管片水平最大宽度：1225.5mm，最小宽度： 1174.5mm，封顶块旋转36度进行错缝拼装。 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 10 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 11 a a Y P A A X K P K Y Z X 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 12 A a X

5、Y Y C A a Co X C Y C X a A A 2 a Y X 36 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 13 a l al l X X cos.2tan 2cos. cos.2sin. 2cos. tan a l al l Y Y cos.2tan 2cos. cos.2sin. 2cos. tan 封顶块位置从顶端偏了a时，楔形环前面的中心点C，（中心点由CC，）移动， 其移动量为COC=5.1mm。移动量分成水平（X）和垂直（Y）： X=5.1cosa Y=-5.1sina 楔形环前端断面的直角方向（C，C“）和SRT的连接面与直角方向（Z轴方向 ）是AA角Z，此角度可

6、分成X（水平-X）与Y（垂直-Y），C，C“的长度 为L，公式如下： 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 14 由于:tan2= tan(0.4870)=8.50010-3 所以: X=tan-1(0.0085cos a ) Y=tan-1(0.0085sin a ) 锥形管片K件在不同位置时X,Y,X,Y其值依次的大小： K件位置宽度最小点a（）XYXY 12：00 05.1000.48700.0 1：00 364.1-3.00.3940-0.2863 2：00 721.6-4.90.1505-0.4632 4：00 108-1.6-4.9-0.1505-0.4632 5：00 14

7、4-4.1-3.0-0.3940-0.2863 6：00 180-5.10.0-0.48700.0 7：00 216（-144）-4.13.0-0.39400.2863 8：00 252（-108）-1.64.9-0.15050.4632 10：00 288（-72）1.64.90.15050.4632 11：00 324（-36）4.13.00.39400.2863 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 15 K件位置a 上下宽度尺寸左右宽度尺寸 XtXbXt-XbXlXrXl-Xr 12:000 1200120001225.51174.551 1:0036 1215118530122

8、1117942 2:0072 12241176481208119216 4:00108 122411764811921208-16 5:00144 121511853011791221-42 6:00180 1200120001174.51225.5-51 7:00216 11851215-3011791221-42 8:00252 11761224-4811921208-16 10:00288 11761224-481208119216 11:00324 11851215-301221117942 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 16 对管片固有尺寸特性掌握后，利用 封顶块不同位

9、置，可计算管片选型拼装 对施工轴线影响及施工过程中对轴线的 纠偏。 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 17 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 18 TBM 环1环2环3环4 # 盾尾与管片外围间隙 盾构推进器（千斤顶） # # 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 19 1.使用楔形环管片； 2.管片的方位角（或俯仰角）与盾构机的方位角 （或俯仰角）不一致； 3.盾构机中心与管片中心不一致平行移动的影 响。 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 20 1.掌握千斤顶使用、计算方法 2.掌握中折系统使用、计算方法 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 21

10、目的：为使盾构机在设计轴线开挖或使 盾构实行施工轴线纠偏，其开挖空间符 合盾构机主体能有效地通过。 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 22 RS RO Lb Lb2 La ST Ca Cw OC A B C O （0，0） 铰接型盾构 X轴 Y轴 铰接角 说明： 1.铰接型盾构超挖量，详细的计算 见EXCEL。 2.不同盾构主体，计算变量将不同。 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 23 1盾构机施工轴线尽可能控制在误差范围内。 2管片的选型拼装尽可能吻合设计轴线。 3当发生轴线纠偏时，须每一环测量盾构的轴线情况及管片与盾尾间隙的 大小，根据测量结果，计算每一环纠偏量，合理安

11、排管片的选型，决不 能一次纠偏到位。同时根据施工轴线偏离状况，计算纠偏的环数，使其 轴线满足设计要求（即构成缓和曲线）。 4施工过程中，要根据轴线控制情况，制定盾构和管片轴线测量频率。根 据测量结果推算隧道及盾构机轴线未来的情况，及时作出调整。 5定期测量管片超前量（使用楔形环管片）初步检测管片隧道与盾构的情 况。 6在拼装管片过程中，尽可能避免出现管片与管片踏步现象。 7合理使用推进千斤顶编组，特别在盾构轴线纠偏过程中，区域油压不能 差异太大，避免管片出现破裂或裂缝。 8须特别注意土层的软硬变化。盾构在比较坚硬的土层中，一旦出现大幅 度的纠偏需注意管片选型排列，尽可能做到既满足设计轴线要求又

12、同时 避免因管片与盾尾接触而产生破裂或出现裂缝。 9在楔形管片设计中，需考虑与设计轴线的吻合，同时需考虑与盾构盾尾 间隙关系，设计楔形管片最佳的楔变量。 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 24 1）盾构机分类 2）开挖刀具形式 1. 盘形刀形式、特点 2. 撕裂刀形式、特点 3. 切削刀形式、特点 3）开挖刀盘形式 4）刀具布置 5）盾构选型 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 25 在地下开挖隧道，地层会出现松动，为控制地层松动，就要 施加支撑，这是早在横向穴居时代的先人就已掌握了的经验。试 图在没有支撑的条件下挖掘隧道，这是盾构施工法的开端。 盾构法是在1818年，由英国

13、人布鲁内尔（M.I.Brunel）在观察 了木船蛀虫在木头上打洞时用自己的分泌物将所打洞穴的周围被 覆起来的现象后联想而研制发明的，当时用于伦敦泰晤士河底下 的隧道工程，是开敞手掘式盾构原形。施工中曾出现过很大的困 难。此后，于1890年，格雷特黑德（T.H.Greathead）成功地开创 了使用气压的盾构施工法，从此盾构法施工开始被正式作为水底 隧道的施工方法而加以使用。 盾构施工法引进到日本是大正（19121926年）初期的事， 当初一直作为水底隧道等的特殊施工方法。但是在最近2030年 间，盾构法作为城市地下土木工程的一种施工方法，已取得飞速 的发展。 我国的盾构掘进机制造和应用始于19

14、63年，上海隧道工程公司 结合上海软土地层对盾构掘进机、预制钢混凝土衬砌、隧道掘进 施工参数、隧道接缝防水进行了系统的试验研究。研制了1台直 径4.2m的手掘式盾构进行浅埋和深埋隧道掘进试验，隧道掘进长 度68m。 1965年，由上海隧道工程设计院设计、江南造船厂制造 的2台直径5.8m的网格挤压型盾构掘进机，掘进了2条地铁区间隧 道，掘进总长度1200m。 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 26 盾构按不同的施工条件分类，一般分为6种或7种形式。选定工艺时， 主要考虑地形、施工长度、隧道线形、周围环境、规划布局、工期、辅 助工艺以及经济等因素。其中地形条件对工艺选定影响最大。 全面

15、开放型 1、人工挖掘式人力 2、半机械式挖土机、旋转挖掘机 3、机械式切削盘 盾构工艺 部分开放型 4、挤压式推进器 （密封型） 5、土压式切削盘 （含气泡式） 6、泥水加压式切削盘 特殊型 7、 （TBM式、微型盾构机） 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 27 开挖刀具形式有： 1.盘形刀：盘形刀分为双轮（多轮）盘形刀和单轮盘形刀。 2.撕裂刀（先行刀）：条状撕裂刀（屋顶形）和壳形撕裂刀。 3.铲刀（T形刀）。 切削刀片材质切削刀片材质 使用 分类 代号 硬度 （洛氏硬 度）A 抗折力 （ Kg/mm2） 化学成分（） 备份 钨钴碳 WCOC E19012087904856 用作煤

16、矿采掘用刀 片和小口径混凝土 空心钻，故不宜用 作盾构切削刀 E289140858951056 E388160888771256 E487170828681356 用作粉砂土、砂土 切削用刀片 E58620030MPa）花岗岩，片麻岩、 硅质砾岩等。并且用于粗粒结构的岩石，也就是用于 不利于刀具向岩石传力的岩体。如泥岩中，虽然其贯 入率大，但不易使岩体破碎。 3.开挖机理：依靠压力对岩体产生破坏。 盘形刀形式观看CAD 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 29 特点： 1.可用于软岩（抗压强度25Kg/mm ； 3.刀片硬度HRA86.5； 4.刀柄材料为34CrNi3Mo 2 133

17、 50 15 3.5 120 117 15 13 117 焊接钢结硬质合金TW60 刀具的化学成分 C 0.370.45 Mn 0.50.8 Si 0.51.5 Cr 4.06.0 Mo 0.81.8 Mo 1.02.0 V 1.02.0 S 0.03 P 0.03 6 刀具的力学性能 1780 1880 bMPa 5 % 105457 0.2MPa%ak(J/cm ) 2 HRC 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 33 外围刀头 壳型刀头 砾石切削刀头砾石分割刀头 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 34 特点： 1.在盘形刀或撕裂刀对土层产生初步破坏的土层进行切 削，或直

18、接将软土层进行切削；主要应用砂，粉砂和 粘性土的软弱围岩。 2.开挖机理：依靠刀具在运动中，对土层产生的剪切力 进行土层破坏。 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 35 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 36 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 37 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 38 刀盘形式：1.条幅型，2.面板型，3.复合型 刀盘形状：如下图所示（a）垂直平面形 （b）圆锥形 （c）中心挖掘形 （d）半球形 （e）倾斜形 （f）刀盘缩小形 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 39 多用于软土地层，直接反映开挖的土压力情况，依靠土压力 稳定开

19、挖面。 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 40 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 41 多用于相对较弱的地层，土压力大部分反映盾构泥仓内的土 压，主要依靠刀盘的面板进行开挖面支护，可用于泥水盾构、土 压平衡盾构及岩石盾构机。刀盘开口率在2040之间。在砾质 粘性土中开挖，容易造成刀盘面板磨损。在土压平衡盾构施工中， 灵敏度小的粘土层中容易造成泥仓堵塞。 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 42 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 43 用于复合形地层，局部反映开挖面土压力，多用于土压平衡盾构， 主要依靠刀盘和部分土压稳定开挖面。刀盘开口率在3550之间，。

20、2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 44 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 45 刀具布置形式应根据土层状况及刀具的开挖机理 进行有序布置。刀盘构造形式，根据施工条件、土质 条件决定 。 对固结粘土，前角及后角应大；对砾石，一般采 用略小的角度；对砾石，需防止尖端缺损和剥离，有 时用滚刀、特殊刀头等；刀头的高度，应根据土质条 件和褶动距离推定的磨耗量、掘进速度和刀头回转数、 设定位置等求出的切入深度等决定。 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 46 盾构选型取决于下列各围岩条件： 1.软弱流动形的粘土； 2.容易坍塌的砂、砂砾层； 3.含水砂层，砾层或互层中的承压含水砂层和砾层； 4.含大砾石的地层； 5.估计埋有漂木和其他物质的地层； 6.包括硬软两中土层的地层。 关键：关键：以稳定开挖面为中心。 详见岩土与盾构选型 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 47 1）管片制作施工流程（见管片施工技术） 2）混凝土性能（见混凝土性能及配制） 3) 施工注意问题 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 48 见管片施工技术 2021-7-13 盾构隧道轴线控制及盾构 49 l普通防水混凝土是在普通混凝土的基础上发展起