盾构隧道轴线控制及盾构课件

1、盾构技术交流地铁建总:郭永顺 10/4/20221盾构技术交流地铁建总:郭永顺 介绍内容 一、盾构隧道轴线控制 1.管片尺寸及类型 2.管片选型及对轴线影响 3.管片与盾尾间隙影响 4.盾构机轴线控制 5.注意问题二、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10/4/20222介绍内容 一、盾构隧道轴线控制9/28/20222管片使用历史 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

2、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、法国。同期日本在预制混凝土管片使用尚尤其显著。10/4/20223管片使用历史 在1930年前，盾构隧道一、盾构隧道轴线控制 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。10/4/20224一、盾构隧道轴线控

3、制 盾构隧道轴线控制属于掘进管理中管片形成轴线与设计轴线模拟10/4/20225管片形成轴线与设计轴线模拟9/28/202251.管片尺寸及类型 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。 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10/4/202261.管片尺寸及类型 管片的形状和尺寸，应考虑使用目的管片环楔形量确定 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。 10/4/20227管片环楔形量

4、确定 楔形量除应根据管片宽度、管管片尺寸特性掌握 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。 10/4/20228管片尺寸特性掌握 管片的尺寸特性掌握，主以1200mm管片为例如何计算掌握管片形成隧道空间尺寸管片宽度：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。10/4/20229以1200mm管片为例如何计算掌握管片形成隧道空间尺寸管片宽管片立面10/4/202210管片立面9/28

5、/202210管片空间尺寸计算模拟图10/4/202211管片空间尺寸计算模拟图9/28/202211管片空间尺寸计算几何立体图10/4/202212管片空间尺寸计算几何立体图9/28/202212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=5.1cosaY=-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，此角度可分成X（水平-X）与Y（垂直-Y），C，C“的长度为L，公式如下： 推导公式10/4/202213封顶块位置从顶端偏了a时，楔形环前面

6、的中心点C，（中心点由由于: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（）XYXY12：0005.1000.48700.01：00364.1-3.00.3940-0.28632：00721.6-4.90.1505-0.46324：00108-1.6-4.9-0.1505-0.46325：00144-4.1-3.0-0.3940-0.28636：00180-5.10.0-0.48700.07：00216（-144）-4

7、.13.0-0.39400.28638：00252（-108）-1.64.9-0.15050.463210：00288（-72）1.64.90.15050.463211：00324（-36）4.13.00.39400.2863推导结果110/4/202214由于:tan2= tan(0.4870)=8.5001推导结果2K件位置a上下宽度尺寸左右宽度尺寸XtXbXt-XbXlXrXl-Xr12:0001200120001225.51174.5511:0036121511853012211179422:0072122411764812081192164:001081224117648119212

8、08-165:00144121511853011791221-426:001801200120001174.51225.5-517:0021611851215-3011791221-428:0025211761224-4811921208-1610:0028811761224-48120811921611:0032411851215-30122111794210/4/202215推导结果2K件位置a上下宽度尺寸左右宽度尺寸XtXbXt- 2.管片选型及对轴线影响 对管片固有尺寸特性掌握后，利用封顶块不同位置，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。10/4/202216 2.

9、管片选型及对轴线影响 对管片选型对轴线影响1.直线区间对轴线影响2.曲线区间对轴线影响10/4/202217管片选型对轴线影响1.直线区间对轴线影响9/28/202213.管片与盾尾间隙影响10/4/2022183.管片与盾尾间隙影响9/28/202218盾尾间隙影响主要因素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。10/4/202219盾尾间隙影响主要因素1.使用楔形环管片； 9/28/20224.盾构机轴线控制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10/4/2022204.盾构机轴

10、线控制1.掌握千斤顶使用、计算方法9/28/20盾构超挖量 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。10/4/202221盾构超挖量 目的：为使盾构机在设计轴线开挖或使盾构实行施计算模式10/4/202222计算模式9/28/2022225.注意问题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

11、）。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

12、佳的楔变量。10/4/2022235.注意问题9/28/202223二、盾构机选型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10/4/202224二、盾构机选型1）盾构机分类9/28/202224盾构历史 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

13、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1963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

14、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。 10/4/202225盾构历史 在地下开挖隧道，地层会出现松动，为1）盾构分类 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。 10/4/2022261）盾构分类 盾构按不同的施工条件分类，一般分为6种或72）开挖刀具形式开挖刀具形式有：1.盘形

15、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WCOCE19012087904856用作煤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E289140858951056E388160888771256E487170828681356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

16、：依靠压力对岩体产生破坏。盘形刀形式观看CAD10/4/2022281.盘形刀形式、特点特点：9/28/2022282.撕裂刀形式、特点特点：1.可用于软岩（抗压强度30MPa)岩岩。2.壳形刀主要用于砾石层，岩层土中，主要用于砂岩、粉砂和粘性土比较软弱围和风华花钢岩等硬质围岩。3.开挖机理：依靠刀具在运动中，对土层产生的剪力进行土层破坏。10/4/2022292.撕裂刀形式、特点特点：9/28/202229条状撕裂刀形式（屋顶形）（1）10/4/202230条状撕裂刀形式（屋顶形）（1）9/28/202230条形撕裂刀形式（2）10/4/202231条形撕裂刀形式（2）9/28/202231

17、壳形撕裂刀具形式（1）10/4/202232壳形撕裂刀具形式（1）9/28/202232壳形撕裂刀具形式（2）10/4/202233壳形撕裂刀具形式（2）9/28/2022333.铲刀形式（T形刀）、特点特点：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。10/4/2022343.铲刀形式（T形刀）、特点特点：9/28/202234铲刀形式（1）10/4/202235铲刀形式（1）9/28/202235铲刀形式（2）10/4/202236铲刀形式（2）9/28/2

18、02236铲刀形式（3）10/4/202237铲刀形式（3）9/28/2022373）开挖刀盘形式、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10/4/2022383）开挖刀盘形式、刀盘形式：1.条幅型，2.面板型，3.复合条幅形刀盘形式、特点 多用于软土地层，直接反映开挖的土压力情况，依靠土压力稳定开挖面。10/4/202239条幅形刀盘形式、特点 多用于软土地层，直接条幅型刀盘形式10/4/202240条幅型刀盘形式9/28/202240面板型刀盘形式、特点 多用于相对较弱的

19、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。10/4/202241面板型刀盘形式、特点 多用于相对较面板型刀盘形式（2）10/4/202242面板型刀盘形式（2）9/28/202242复合型刀盘形式、特点 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，。10/4/202243复合型刀盘形式、特点 用于复合形地层复合型刀盘形式（2

20、）10/4/202244复合型刀盘形式（2）9/28/2022444）刀具布置 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。 10/4/2022454）刀具布置 刀具布置形式应根据土层状况及刀5）盾构选型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

21、；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：以稳定开挖面为中心。详见岩土与盾构选型10/4/2022465）盾构选型盾构选型取决于下列各围岩条件：9/28/2022三、管片制作施工控制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10/4/202247三、管片制作施工控制1）管片制作施工流程（见管片施工技术）91）管片制作施工流程见管片施工技术10/4/2022481）管片制作施工流程见管片施工技术9/28/2022482）混凝土性能普通防水混凝土是在普通混凝土的基础上发展起来的。两者区别在于：普通混凝土是根据所需强度进行配制，主要以石子为骨料，砂子填充石子的空隙，水泥浆