盾构法施工方法、加固方案及强度计算

1、盾构法施工方法、加固方案及强度计算 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”。其施工主要步骤为：(1)在盾构法隧道的起始端和终端各建一个工作井；(2)盾构在起始端工作井内安装就位；(3)依靠盾构千斤顶推力将盾构从起始工作井的墙壁开孔处推出。一、概述 (4)盾构在地层中沿设计轴线推进，在推进的同时不断出土和安装衬砌管片；(5)及时的向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和固定衬砌环的位置；(6)盾构进入终端工作井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推进。 车站碴土储舱和料斗龙门吊车泥浆处理设备竖井皮带运输机盾构机螺旋输送机管

2、片运输车泥浆注入车斗车电瓶车盾构施工动画从纵向可将盾构分为：切口环、支承环和盾尾。切口环是盾构的前导部分，在其内部和前方可以设置各种类型的开挖和支撑地层的装置；支承环是盾构的主要承载结构，沿其内周边均匀地安装有推进盾构前进的千斤顶，以及开挖机械的驱动装置和排土装置；盾尾主要是进行衬砌作业的场所，其内部设置衬砌拼装机，尾部有盾尾密封刷、同步注浆管和盾尾密封油膏注入管等。 盾构录像切口环支承环盾尾切口环支承环盾尾盾构外径取决于管片衬砌外径、保证管片拼装方便的裕量、曲线施工以及修正盾构蛇行时的间隙量、盾尾壳体的厚度等因素，一般可用下式计算： D盾构外径；D0管片衬砌外径；t盾尾壳体的厚度，一般取30

3、40mm；x盾尾间隙，x=x1+x2；x1为拼装管片方便的裕量，一般在2040mm；x2曲线施工和修正盾构蛇行所需的间隙。 L盾尾覆盖的衬砌长度；R曲线半径；盾构长度应根据围岩条件、隧道平面形状、开挖方法、运转操作、衬砌型式等条件确定，一般按下式计算：lH切口环长度，取决于刀盘和刀盘支承型式；lC支承环长度，取决于盾构千斤顶的冲程长，即每环管片的宽度；lr盾尾长度，取决于盾尾需要覆盖几环管片，一般为1.52.5环。对于铰接盾构，盾构的长度可表示为lHlC前壳部分长度；lP方向控制千斤顶的行程为零时的前壳和后壳间的空隙；lr盾尾长度。二、盾构机的种类 全开敞式手掘式半机械式机械式半开敞式挤压式泥

4、水式土压式密封式泥土加压式泥浆式土压式泥土加压式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 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 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

5、了工期，减少了作业人员。 2 半开敞式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 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。 (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

6、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。 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。 盾构机刀盘标准刮刀超挖刀中心刀 滚刀箭型刀先行刀 周边刀 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

7、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。 螺旋机塑流化材料注入器：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。 加注泡沫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

8、、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。 FPFFPminF=PFPmaxPmaxQPminQmaxF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

9、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 (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。 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

10、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。 泥水室大刀盘清水槽泥浆调整槽密度计流量计供浆管排浆管伸缩管VP2P3P4P1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，FL1.34； g 重力加速度，g=9.8m/s2； p0 泥浆母液比重，一般p0=1.051.25； p 碴土比重； d 管子内径(m)。 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。空气管半隔板(4) 混合盾构(Mixshield)(5) 多圆盾构(Multi-CircularFaceShield) (6)MF

11、盾构(7)DOT盾构 (8)HV盾构 (9)矩形盾构(10)椭圆形盾构 三、盾构机的构造及机型的选择 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； (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。2选型的方法四、盾构法施工 1施

12、工准备工作 (1)修建盾构始发井和到达井(或称拼装室、拆卸室、工作井)线路中线线路中线盾构始发井平面轨顶面盾构始发井纵剖面现浇钢筋混凝土封门钢板桩封门钢板桩预留口预埋H型钢封门 H型钢连续墙(2)盾构拼装 后配套台车及其它设备下井示意图(2)盾构拼装 盾构机安装示意图(2)盾构拼装 盾构机安装示意图吊运刀盘吊运盾尾(3)洞口地层加固始发前破除洞门出洞前破除洞门常用的加固方法有：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

13、，并可写出强度验算公式： 盾构机始发前的洞门加固WW= Pa+ PWPaPw土压水压Dntnt式中 r 工作井端墙开洞的半径，rD/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K1.5； 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： 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K21.5；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，

14、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： PDCtDBOQxAH MM1+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。 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 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 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

15、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 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。 (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。(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

16、般取 ； 压在盾尾上的管片衬砌重量，最大可取23环管片的自重； 总的阻力F为： 则盾构千斤顶所需的总推力T为： TKcF式中 Kc安全系数，一般取Kc1.5。b刀盘扭矩：(a)刀具切削土体所需的扭矩： 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。(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

17、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。 (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： 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 (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C0.01MPa， 。 (h)刀盘开口处切削碴土所需的扭矩： (i

18、)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： 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。 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=10001300kN/m2 刀盘扭矩： 式中 刀盘的扭矩系数土压平衡式盾构

19、： 1423；泥水加压式盾构： 915； 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。 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)盾构掘进施工管理施工管理的目的就是使盾构在推进中对地层和地面影响最小，表现为地层的强度下降小，受到的扰动小，地面隆沉小，以及衬砌脱开盾尾时的突然沉降小。盾构掘进的施工管理包括：挖掘管理、线形管理、注浆管理、管片拼装管理。 施工中的挖掘管理。施工管理中的线性管理。 盾构自动导向测量约有以下三种类型：激光导向系统；陀螺仪加千斤顶冲程计数器导向系统；普通测量系统等。施工管理中的注浆管理

20、。盾构施工中的注浆作业，根据注入时间，大致分为三种方式：a.同步注浆，即一边推进盾构，一边注浆。 b.即时注浆，即在盾构推进终了后，通过管片上的注浆孔，迅速对口径脱离盾尾的管片环背后间隙注浆。c.后方注浆，即在盾构后方一定距离处，从管片上的注浆孔向衬砌背后注浆，在时间上与盾构掘进无直接联系。 施工管理中的管片拼装管理。 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。 保持衬砌环的真圆度，对确保隧道断面尺寸，提高施工速度及防水效果，减少地表下沉等甚为重要。紧固和再次紧固螺栓，紧固衬砌接头螺栓必须按规定执行，以不损害组装好

21、的管片为准。 (2)回填注浆回填注浆除可以防止围岩松弛和地表下沉之外，还有防止衬砌漏水、漏气，保持衬砌环早期稳定的作用。注浆材料需具有下列特点：不产生材料离析；具有流动性；压注后体积变化小；压注后的强度很快就超过围岩的强度，保证衬砌与周围地层的相互作用，减少地层移动；具有一定的动强度，以满足抗震要求；具有不透水性等。(3)二次衬砌五、ECL施工法 六、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。 2地表沉降的原因与预测 (1)地面沉降原因地面沉降的基本原因是在盾构掘进时所引起的地层损失和隧道

22、周围地层受到扰动或剪切破坏的再固结。 地层损失是指盾构施工中实际开挖的土体体积与竣工隧道体积之差。地层损失率以占理论排土体积的百分比表示:式中：VL盾构隧道单位长度的地层损失量(m3/m)，根据统计，在采用适当技术和良好操作的正常施工条件下，VL(-1.1%11.0%)V，对于黏土可根据其稳定系数N进行估算：式中：V盾构隧道单位长度的理论体积；Cu黏土的不排水抗剪强度；Eu黏土的弹性模量；黏土的泊松比。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。 派克横向分布公式为： 式

23、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x0)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。 横向沉降槽体积等于地层损失，即V(s)= VL= Vl V。 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 =0.630.82；n0.360.97。 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)； Z

24、 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： 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。 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、