盾构法施工技术、施工设备及施工工艺

盾构法施工技技术、施工设设备及施工工工艺目录1.1关于地下建筑筑空间施工的的几个概念1.2TBM和盾构机的具具体区别2.1盾构法施工技技术2.2盾构机械设备备3盾构法隧道施施工工艺1.1关于地下建筑筑空间施工的的几个概念明挖法：也称挖盖法暗挖法：也称矿山法，，钻爆法等浅埋暗挖法：：盾构法：沉井法：沉管法：顶管法：地下连续墙法法：TBM法：(1)明挖法地下结结构施工示意意图挖建盖（填）(2)暗挖法地下结结构施工示意意图一般坚硬岩层层中的隧道均均采用该方法法施工。挖衬埋深一般大于10m(3)浅埋暗挖法地地下结构施工工示意图初衬二衬超前支护锚杆、管棚或灌浆埋深一般小于5m一般用于城市市交通繁忙地地带，不允许许中断交通，，且地质条件件又较差的地地段，武汉市市的地下过街街通道大多采采用该法施工工。如武汉广广场、武汉会会展中心、洪洪山广场过街街通道等(4)盾构法地下结结构(隧道)施工示意图盾构法隧道施施工适用于软软土地区埋深深大的隧道工工程，可穿越越江河、湖泊泊、海底、地地面建筑物和和地下管线密密集区的下部部。(5)沉井法地下结结构施工示意意图沉井结构用途途十分广泛，，主要用于点点式地下建筑筑工程：如自自来水厂、电电厂和化工厂厂的水泵房、、地下沉淀池池和水池、地地下热电站、、地下油库、、地下车间和和地下仓库等等。此外，也也可用作地铁铁、水底隧道道等各种设备备井、通风井井、盾构拼装装井、车间和和区间段连续续沉井等。(6)沉管法地下结结构施工示意意图1(6)沉管法地下结结构施工示意意图2沉管法一般用用于水下隧道道施工，目前前国内已建成成的最大的沉沉管隧道是上上海外环越江江隧道，总长长2880m（沉管段长736m），双向8车道。(7)顶管法地下结结构施工示意意图顶管法主要用用于建造穿越越城市交通繁繁忙地带的地地下工程，其其长度、断面面尺寸均受到到较大限制。。国内最长的的顶管隧道是是西气东输工工程穿越黄河河的隧道，长长度近3000m，直径约2m。(8)地下连续墙法法施工示意图图地下连续墙法法可用于点式式、条式地下下工程的施工工，如上海、、广州大部分分地铁车站均均采用该法施施工。其特点点类似于明挖挖法，但比明明挖法占用场场地小，对周周围环境影响响较小，且造造价相对较低低。(9)TBM法地下结构施施工示意图目前国内,习惯上将用于于岩石地层的的隧道掘进机机称为TBM,将用于软土地地层的隧道掘掘进机称为盾盾构机。归类类还是同在掘掘进机门下。。1.2TBM和盾构机的具具体区别？1.适用的工程不不一样，TBM用于硬岩，盾盾构机用于土土层的挖掘。。2.两者的掘进，，平衡，支护护系统都不一一样。3.TBM比盾构技术更更先进，更复复杂。4.工作的环境也也不一样，TBM是硬岩掘进机机，一般用在在山岭隧道或或大型引水工工程，盾构是是软土类掘进进机，主要是是城市地铁，，及小型管道道。其实TBM和盾构除了这这些本质的差差别外，笼统统的来说，都都是一样，都都是隧道全断断面掘进。只只是不同的工工作环境应用用不同的机械械罢了。2.1盾构法施工技技术盾构（shield）是一种钢制的活动防护装置或活活动支撑，是通过软弱弱含水层，特特别是河底、、海底，以及及城市居民区区修建隧道的的一种机械。头部可以安全地开开挖地层,尾部可以装配预制制管片或砌块块，迅速地拼拼装成隧道永永久衬砌。盾构推进主要依靠盾构构内部设置的的千斤顶。概述适用条件在松软含水地层层中修建隧道、水水底隧道及地地下铁道时采采用各种不同同形式的盾构构施工最有意意义，特别是是该施工方法法属地表以下下暗挖施工，不不受地面交通、河道、、航运、潮汐汐、季节等条件的影响，优点：安全性、高效效率、危害小小、经济性缺点：重复利用率低低、施工复杂杂、适用性受受限、工作条条件差、地表表变形不易控控制盾构优缺点盾构隧道的历历史用盾构法修建建隧道开始于1818年，法国工工程师布鲁诺诺尔；1825年在英国泰晤晤士河下首次用矩形盾盾构建造隧道；；近代，日本盾构法得到了迅速发发展，用途越越来越广，并并研制了大量量新型盾构；；我国于1957年北京下水道工工程中首次出现2.6m小盾构；上海市延安东路过江道路隧道道使用11.0m直径的大盾构构；盾构按形状分分类大致有圆形（又称半半盾构）、矩矩形、马蹄形形等几种。圆形因其抵抗水土土压力较理想想，衬砌拼装装简便，构件件可以互换，，较为通用，，数量最多。。圆形盾构中，，敞胸盾构和闭闭胸盾构两大类。按开挖方式分分为：人工挖掘式、、半机械挖掘掘式、机械挖挖掘式。一、盾构机定定义二、盾构机构构造三、盾构机分分类及型式四、盾构配套套设施2.2盾构机械设备备盾构机是一种种隧道掘进的的专用工程机机械，现代盾盾构掘进机集集光、机、电电、液、传感感、信息技术术于一体，具具有开挖切削削土体、输送土碴碴、同步衬砌砌注浆、拼装装隧道衬砌管管片、测量导导向纠偏等功功能，涉及地地质、土木、、机械、力学学、液压、电电气、控制、、测量等多门门学科技术，，而且要按照照不同的地质质进行“定制式”的设计制造，，可靠性要求求极高。盾构构掘进机已广广泛用于地铁铁、铁路、地地下公路、城城市市政、水水电等隧道工工程。一、盾构机定定义二、盾构机构构造盾构机是在钢钢壳体的保护护下，进行地地下隧道工程程掌子面开挖挖及衬砌连续续作业，并依依靠钢壳体内内千斤顶的推推力向前推进进。盾构机主主要由切削刀刀盘、前部盾盾体、连接桥桥架、后配套套台车等部分分组成。切削削刀盘根据工工程地质情况况选择不同型型式、配置相相应刀具；前前部盾体由主主驱动系统、、推进系统、、渣土输送系系统、管片拼拼装系统、同同步注浆等系系统组成；后后配套台车主主要为前部盾盾体内各系统统配置动力源源以及水、电电、气、液、、测量与监测测等辅助施工工系统和人工工操作系统；；连接桥架是是前部盾体和和后配套台车车的连接桥梁梁，各系统的的动力通过桥桥架上的管线线路从后配套套台车提供给给前部盾体内内的执行元件件。切削刀盘盘型滚刀重型撕裂刀刮刀钢格栅面板辐条辐条泡沫口中心刀面板式刀盘辐条式刀盘外周强化刀先行撕裂刀刮刀辐条辐条泡沫口中心刀前部盾体主驱动系统、、推进系统、、渣土输送系系统、管片拼拼装系统、同同步注浆等系系统后配套台车主要配置盾构构机各系统所所需的动力源源以及水、电电、气、液、、测量与监测测等辅助施工工系统以及人人工操作等系系统三、盾构机分分类及型式开敞式土压平衡式泥水式泥土加压式复合式岩石盾构盾构机分类不同型式的盾盾构机——适应不同工程程的需要圆形盾构双圆盾构矩形盾构椭圆形盾构球形盾构异型盾构多联盾构子母盾构转向盾构浆液搅拌站盾构配套设施施——与盾构机组成成完备的施工工系统水平运输系统电机车垂直运输系统龙门吊地面监控室管片生产厂盾构配套设施施碴土坑现场管片堆放场风、水、电、照明一、盾构法的的由来二、土压平衡衡盾构法施工工工艺3.1盾构法隧道施施工工艺盾构法于19世纪初起源于于欧洲，受启启发于蛀虫挖挖洞，20世纪初日本引引进盾构施工工技术，并使使其得以较大大发展。上世世纪60年代该技术引引入中国。目目前，日本及及欧洲处于盾盾构技术的领领先地位。随随着盾构机制制造业的发展展和施工工艺艺的不断改进进，逐步形成成了比较完善善的盾构系列列施工工法。。近年来随着城城市建设的发发展，地下空空间得到广泛泛的开发利用用，盾构设备备的自动化程程度越来越高高，其适用性性得以拓展，，能够适用于于多种地质条条件和复杂环环境条件。已已在城市地铁铁、市政管道道、地下公路路、越江隧道道等基础设施施建设中得到到广泛应用。。一、盾构法的的由来目前在盾构工工程中普遍采采用的多为闭闭胸式盾构机机，其中以泥泥水平衡式与与土压平衡式式盾构机最为为普及。而且且由于盾构工工程大部分位位于人口密集集的城区，从从减少施工污污染、降低施施工造价等多多方面综合考考虑，又以土土压平衡盾构构法施工为主主。二、土压平衡衡盾构法施工工工艺土压平衡盾构构法施工工艺艺流程施工准备盾构推进渣土排出管片拼装测量轴线控制盾尾油脂压注施工监测壁后注浆输送浆液制备土方运输开启皮带输送机、螺旋输送机及出土口管片运输管片生产盾构施工工艺艺流程图（一一个循环）盾渣构土掘排进出壁后同步注浆管片拼装始发台架图片片折叶式密封环环盾构机现场组组装图片盾构机主体组组装过程操作平台组装装螺旋输送机、、整圆器组装装桥架、皮带输输送机、单轨轨梁、反力架架的安装反力架的结构构型式初始掘进（1）洞口土体加加固（2）地面配套设设施安装施工工（3）洞门范围内内的钻孔灌注注桩凿除（4）始法台架安安装（5）盾构始发轨轨道铺设（6）反力架安装装（7）洞门橡胶密密封圈安装（8）盾尾密封刷刷涂满密封油油脂（9）盾构机的联联动调试满足足要求（10）临时管片准准备就绪（11）碴土运输准准备工作就绪绪（12）盾构机已准准确定位（13）自动导向系系统安装、测测试完毕（14）初始掘进范范围内的地面面监测点已布布设完毕并获获得初始的数数据（15）供电系统（（含备用电源源）、给排水水系统、通信信系统等正常常（16）始发反力架架和基准环已已在始发井地地面试拼装，，在井下安装装时要经过精精确定位测量量，确保第一一环临时管片片的准确位置置----掘进前的准备备工作1、土压力的平平衡（开挖过过程控制）2、进尺与出土土量的平衡（（即时控制））3、注浆量与建建筑孔隙量的的平衡（填充充控制）4、盾构掘进参参数变化量的的平衡（掘进进参数控制））5、盾构与管片片两者各项姿姿态间的平衡衡（轴线控制制）通过盾构施工控制达到到五种平衡状状态施工参数和开开挖面稳定控控制的好坏直直接影响地表表沉降大小、、地下管线和和地表建筑物物的安全。因因此施工中应应对开挖面的的稳定进行严严格控制。为了保保证盾盾构机机顺畅畅排土土，需需对掘掘削下下来的的土砂砂加泥泥或加加化学学泡沫沫等添添加剂剂以控控制土土仓内内土砂砂的塑塑性、、流动动性处处于适适当的的范围围内，，以保保证盾盾构机机能够够顺畅畅排土土。开挖面面稳定定控制制管理重重点：：不同地地层条条件下下进尺尺与出出土量量的平平衡（（即时时控制制），，及时时进行行土质质状态态记录录与分分析，，并及及时调调整每每环总总出土土量，，保证证掘进进过程程中进进尺与与出土土量的的对应应统一一。出碴控控制在施工工中实实时进进行施施工数数据采采集，，建立立完善善的信信息化化施工工模式式：1、盾构构机掘掘进参参数的的采集集2、盾构构机导导向数数据的的采集集3、施工工监测测系统统4、人工工控制制测量量数据据盾构施施工类类似工工厂流流水线线作业业，因因此施施工中中要求求各环环节紧紧密衔衔接，，任何何一道道工序序发生生滞后后，都都将直直接影影响施施工工工效，，或导导致施施工停停止。。因此此应进进行信信息化化施工工管理理，收收集各各阶段段的施施工参参数，，通过过分析析、归归纳，，在施施工中中不断断对各各种参参数的的设定定进行行优化化，将将会提提高施施工的的质量量、效效率。。盾构掘掘进参参数控控制----即信息息化施施工地表沉沉降控控制是是盾构构施工工的重重点，，及时时的进进行壁壁后注注浆是是有效效控制制地表表沉降降的措措施之之一。。在壁壁后注注浆施施工中中，由由于盾盾构隧隧道穿穿越地地层的的多样样性，，注浆浆量变变化幅幅度较较大，，因此此采取取以注注入压压力控控制为为主，，兼顾顾注入入量的的方法法进行行注浆浆管理理。注浆参参数控控制----注浆压压力及及注浆浆量平平衡注浆材材料选选用壁后注注浆浆浆液分分为单单液砂砂浆和和双液液化学学浆液液，单单液砂砂浆浆浆液应应具备备以下下性能能：1.具有良良好的的长时时间稳稳定性性及流流动性性，并并能保保证适适当的的初凝凝时间间，以以适应应盾构构施工工以及及远距距离输输送的的要求求。2.具有良良好的的充填填性能能。3.在满足足注浆浆施工工的前前提下下，尽尽可能能早地地获得得高于于地层层的早早期强强度。。4.浆液在在地下下水环环境中中，不不易产产生稀稀释现现象。。5.浆液固固结后后收缩缩率小小，泌泌水率率低。。6.原料来来源丰丰富、、经济济，施施工管管理方方便，，并能能满足足施工工自动动化技技术要要求。。7.浆液无无公害害，价价格合合理。。通过施施工测测量以以及盾盾构设设备的的自动动导向向系统统，实实时取取得盾盾构的的当前前姿态态，再再通过过盾构构操作作系统统调整整掘进进控制制，使使盾构构姿态态保持持在要要求的的偏差差范围围内；；管片片拼装装前认认真测测量已已经成成环的的管片片姿态态，根根据盾盾构隧隧道曲曲线方方向、、推进进千斤斤顶的的行程程差、、盾尾尾间隙隙等条条件合合理选选择管管片类类型，，拼装装过程程中要要注意意保证证管片片的拼拼装质质量满满足要要求。。管理重重点：：盾构构姿态态；成成环管管片姿姿态；；管片片选型型。隧道轴轴线控控制CCR盾构掘掘进纠纠偏施施工过过程已建隧隧道设计轴轴线盾构机机纠偏曲曲线盾构方方位纠偏曲曲线隧隧道六、盾盾构机机接收收及解解体盾构接接收施施工流流程图图模拟贯通测量测量结果分析与验证掘进计划洞门部分凿除洞门密封的安装接收托架的安装与固定到达段的掘进洞门剩余部分的凿除碴土的清理贯通后上接收托架1、根据据盾构构机的的贯通通姿态态及掘掘进纠纠偏计计划进进行推推进，，纠偏偏要逐逐步完完成，，每一一环纠纠偏量量不能能过大大。2、在盾盾构机机距离离端头头墙50米时,选择合合理的的掘进进参数数，逐逐渐放放慢掘掘进速速度，，逐渐渐降低低推力力，缓缓慢均均匀地地切削削洞口口土体体，以以确保保到达达围护护桩和和墙体体的稳稳定和和防止止地层层坍塌塌。3、加强地地表沉降降监测，，及时反反馈信息息以指导导盾构机机掘进。。4、在拼装装的管片片进入加加固范围围后，浆浆液改为为快硬性性浆液，，提前在在加固范范围内将将泥水堵堵在加固固区外。。当最后后一环管管片拼装装完成后后，通过过管片的的二次注注浆孔，，注入双双液浆进进行封堵堵。5、由于盾盾构到站站时推力力较小，，致洞门门附近的的管片环环与环之之间连接接不够紧紧密，因因此作好好后20环管片的的螺栓紧紧固和复复紧工作作。防止止管片松松弛而影影响密封封防水效效果。盾构到达达施工技技术措施施隧道剖面面图1-进风道；；2-进风口；；3-排风口；；4-排风道；；5-路面（下下拉杆））6-天棚（上上拉杆））；7-吊杆；8-照明灯；；9-灭火器；；10-消防栓；；11-电缆；12-排水管；；13-给水管；；14-纵向螺栓栓；15-环向螺栓栓盾构的基基本构造造1-1(切口环)；2-2(支承环)；3-3(纵剖面)通常由盾构壳体体、推进进系统、、拼装系系统、出出土系统统等四大部分分组成。。1）盾构壳壳体盾构壳体体由切口口环、支支承环、、盾尾与与竖直隔隔板、水水平隔板板组成，，并由外外壳钢板板连成整整体。切口环：开挖；；上下下宽度可可以等值值、也可可以不等等值，甚甚至是活活动的。。容纳各种种专门的的挖土设设备。支承环：承受荷荷重的核核心部分分，刚性性较好的的圆环结结构。水平隔板板和竖直直隔板：增加盾盾构刚度度，水水平承受受拉力，，竖直承承受压力力。盾尾：掩护工工人在其其内部安安装衬砌砌。2）推进系系统由盾构千千斤顶和和液压设设备组成成，上上下左右右活塞杆杆伸出长长度不同同达到纠纠偏目的的。盾构千斤斤顶一般般是沿支支承环圆圆周均匀匀分布的的；3）拼装系系统衬砌拼装装器又称称举重臂，是拼装装系统的的主要设设备，以以油压系系统为动动力，一一般举重重臂均安装在支支承环上。举重臂能能作旋转转、径向向运动，，还能沿沿隧道中中轴线作作往复运运动。完成这些些运动的的精度应应该保证证待装配配的管片片上的螺螺栓孔能能和已装装配好的的螺栓孔孔对齐，，以便螺栓栓固定。4）出土系系统出土方式式一般有有三种：：（1）有轨运运输：皮皮带运输输机－矿矿车－洞洞口－垂垂直起吊吊至地面面。（2）无轨运运输：自自卸卡车车（3）管道运运输：混混合泥浆浆，压力力输出，，出出土连连续化盾构分类类及其适适用范围围1）人工开开掘式、、半机械械式敞胸胸盾构全部敞开开，随时观观察地层层变化情情况，并并配备简简便的液液压、风风动挖掘掘，机具具、人工工挖掘，，当开挖挖面难以以保持稳稳定时可可以采用用气压等等人工措措施及正正面支撑撑、支撑撑千斤顶顶等随挖随撑撑。1）挤压式式闭胸盾盾构在塑性粘土土及淤泥泥中采用,盾构正面面用胸板板密闭起起来。。厚兰隧道道、林肯肯隧道和和打浦路路隧道都都采用过过半挤压及全挤压推进的闭闭胸盾构构施工.衬砌结构构常发生生椭圆率的现象，，先衬砌砌水平直直径缩小小，竖向向直径增增大，继继之，盾盾构离远远时，竖竖向直径径减小，，水平直直径增大大。主要是隧隧道上方方土壤结结构破坏坏、隆起起，形成成一个卸卸载拱，，而水平平压力仍仍然保持持着初始始数值之之故。3）机械式式闭胸盾盾构（1）局部气气压盾构构（2）泥水加加压式盾盾构（3）土压平平衡式盾盾构盾构几何何尺寸的的选定及及盾构千千斤顶推推力计算算主要指盾盾构外径径D和盾构长长度L、盾构灵灵敏度L/D。最小建筑筑空隙值值xx=mαα=mD=d+2(x+δ)δ=0.02+0.01（D-4）1）盾构长长度LL=L0+L1+L2+L3L0—盾尾长度度；L1—支承环长长度；L2—切口环长长度；L3—前檐长度度。2）盾构灵灵敏度L/D经验数值:小型盾构D=2~3m，L/D=1.5中型盾构D=3~6m,L/D=1.00大型盾构D=6~9m,L/D=0.75特大型盾构D＞12m,L/D=0.45~0.754）盾构千斤顶顶推力计算阻力包括：盾构外表面与与四周地层的的摩阻力；盾尾内壳与衬衬砌结构之间间的摩阻力；；盾构切口部分分刃口切入土土层的阻力；；盾构切口环切切入土层时的的正面阻力；；开挖面正面支支撑阻力；以及盾构自重重引起的阻力力，纠偏时的的阻力，局部部气压或泥水水压力，阻力力板阻力等。。盾构推进及衬衬砌拼装3.1盾构推进已建隧道所采采用过的大直直径盾构，大大部分都属于于手掘式敞胸盾盾构或闭胸挤挤压盾构，或者是两者者兼有的盾构构。技术先进的泥水盾构或土土压平衡盾构构很少采用。。本节将主要介介绍在松软含含水地层中采用手掘式敞敞胸盾构施工工，辅以气压，，人工井点降降水及其它地地层加固措施施，盾构开挖挖掘进时的几几种施工方法法。1）人工井点降降水加

手工工掘式敞胸盾盾构施工人工井点降水水，经济，，适用于漏气气量大的砂性性土。地下水位降低低、疏干地层层，增加土体强度度，以保证开挖面面稳定，盾构构在地下水位位以上通过，，施工场地较较干燥。一般都采用喷射井点，深度曾用到到27m，使埋深为25m的隧道能顺利利开挖。具体过程：：（1）先借助盾构构千斤顶使盾构推进，将切口环部部分切入地层层，然后在切口环保护下下进行土体开开挖与运输，这样对周围围地层扰动较较小。（2）分层开挖，，施工工具为为普通手工工工具或手持式式风动工具。。（3）每环管片可可分数次开挖挖和推进，盾盾构纠偏时可可以利用超挖挖解决。（4）可借助支撑撑千斤顶加撑撑板对开挖面面进行临时支支撑；（5）当用网格式式盾构时，，防止盾构后后退。2）气压加手掘掘式敞胸盾构构施工盾构施工在含含水松软不稳稳定地层中采采用气压来疏干和和支护开挖面面，以防止涌水水、开挖面崩崩坍，增强地地层强度，是是一种极古老老，且行之有有效的施工方方法。（1）气压大小及及耗气量的确确定理论上，每10m水头必须用0.1Mpa的气压力来平平衡。实际上，仅为理论压压力的50%~60%，空气量仅为为理论空气量量的10%~50%。中小型盾构，，压力等于离盾构上端约D/2处的地下水压压力;大直径盾为2/3D处的地下水压压力;顶部均超压，，需有足够的的覆盖层施工时为了防防止空气泄出出，盾构顶部部必须有足够够厚的覆盖层层t即t值过大则直接接影响到隧道道埋置深度，，过小则覆覆盖不足，往往往容易发生生喷发事故。。国外隧道规范范规定；水底隧隧道的最小覆盖层必须大于盾构构直径（日本本）或等于盾构直径，覆盖层宽度应大于或等于于盾构直径的6倍。采用经验公式式计算耗气量量：—土质系数，当当压力大于0.1MPa时，粘性土=3.65；砂性土=7.30。（2）气压盾构施施工气压盾构施工工中闸墙和气闸作用是将作业区与常压作业区隔开。闸墙必须有足足够的强度与气密性.气闸是钢板铆铆接或焊接而而