隧道工程(第7章-3盾构)

《隧道工程》

第7章隧道工程其他施工方法邵鹏spsyc@126.com中国矿业大学力学与建筑工程学院15一月20237.3隧道盾构法施工1.盾构的起源和发展（1）起源英国的布鲁诺尔发现船的木板中，有一种蛀虫钻出孔道，并用它自己分泌的液体覆涂在孔壁上。

1818年，布鲁诺尔在蛀虫钻孔的启示下，最早提出了用盾构法建设隧道的设想，并且在英国取得了该施工法的专利。

1825年，布鲁诺尔用他自己的想法制成盾构，并第一次在泰晤士河施工了水底隧道。（2）发展

1)自Brunel发明盾构后，盾构技术又经过了23年的改进

1869年首次用圆形断面建造泰晤士河的第二条隧道，使用铸铁扇形管片。

1887年南伦敦铁道隧道施工中使用了盾构和气压组合工法获得成功，为现在的盾构工法奠定了基础。

2)1900s末到2000s中传入美、法、德、日、苏联

1892年美国于最先开发封闭式盾构；巴黎使用混凝土管片建造了下水道隧道；

1896年~1899年德国使用钢管片建造了柏林隧道；

1913年德国建造了断面为马蹄形的易北河隧道；7.3隧道盾构法施工1917年日本采用盾构工法建造国铁羽越线；

1931年苏联用英制盾构建造了莫斯科地铁隧道，施工中使用了化学注浆和冻结工法；

1939年日本采用手掘圆形盾构建造了直径7m的关门隧道；

1948年苏联建造了列宁格勒地铁隧道；

1954年中国阜新建造φ2.6m的圆形盾构疏水隧道；

1957年中国北京建造了φ2m、2.6m的盾构下水道隧道；

1957年日本采用封闭式盾构建造东京地铁隧道。总之，在这50~60年的时间里盾构工法虽然也有进步，但这一时期的特点是盾构工法在世界各国得以推广普及。7.3隧道盾构法施工3)20世纪60~80年代盾构工法继续发展完善

1960年美国纽约最先使用油压千斤顶盾构；

1964年日本埼玉隧道中最先使用泥水盾构；

1969年日本在东京首次实施泥水加压盾构施工；

1972年日本开发土压盾构成功；

1975年日本推出泥土加压盾构成功；

1978年日本开发高浓度泥水盾构成功；

1981年日本开发气泡盾构成功；

1982年日本开发ECL工法成功；

1988年日本开发泥水式双圆搭接盾构工法成功；

1989年日本开发注浆盾构工法成功。总之这一时期的特点是开发了多种新型盾构工法，以泥水式、土压式盾构工法为主。4)1990年~至今这一段时间里盾构工法的进步极为显著①盾构隧道长距离化、大直径化

英吉利海峡隧道，日本东京湾隧道，丹麦斯多贝尔特海峡隧道德国易北河第4条隧道，荷兰格累恩哈特隧道，第2条英吉利海峡隧道②盾构多样化

断面形状：出现了多种异圆断面盾构；功能：出现了球体盾构、母子盾构、扩径盾构、变径盾构、分岔盾构、障碍物直接切除盾构等特种盾构。③施工自动化

管片供给、运送、组装自动化装置；盾构方向、姿态自动控制。系统；施工信息化、自动化管理系统及施工故障自诊断系统。7.3隧道盾构法施工1825年盾构机首次使用1830年使用气压的半机械式盾构1840年能够壁后注浆的机械式盾构1865年圆形挤压式盾构1966年泥水加压盾构1974年土压平衡盾构EPB1976年铰接式盾构1981年压注混凝土衬砌工法ECL1986～1988年复圆、多圆断面盾构MF

1993年球体盾构、扩径盾构7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工2.盾构的基本构造及分类（1）盾构的基本构造由盾构壳体、推进系统、拼装系统、出土（泥）系统组成。7.3隧道盾构法施工1）盾构壳体切口环、支承环、水平和竖直隔板、盾尾7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工2）推进系统组成：液压设备、千斤顶。上下左右活塞杆伸出长度不同达到纠偏目的。千斤顶沿支承环圆周均匀分布。7.3隧道盾构法施工3）衬砌拼装系统杠杆式拼装器、回转式拼装机7.3隧道盾构法施工4）出土系统出土方式一般有三种：（1）有轨运输：皮带运输机-矿车-洞口-垂直起吊至地面。（2）无轨运输：自卸卡车（3）管道运输：混合泥浆，压力输出(出土连续化)7.3隧道盾构法施工（2）盾构类型及其适用性1）按平衡开挖面的方式

A、插板式

B、挤压网格式

C、土压平衡式

D、泥水平衡式

E、加泥式

F、加水式7.3隧道盾构法施工2、按机械化程度

A、人工

B、机械化

C、全自动化3、按施工过程中的运输方式

A、皮带传送

B、泥浆泵

C、手工挖小车推7.3隧道盾构法施工4、按掌子面敞开程度

A、全敞口

B、半敞口

C、全封闭（面板式、条幅式、开口率）5、按断面形式

A、单圆

B、双圆

C、三圆

D、矩形

E、球形7.3隧道盾构法施工1）手掘式盾构工作原理：自上而下开挖顺序调换支撑千斤顶下半部出土特点：便于观察和清障，易纠偏，价廉；强度大，效率低；适用各种地层，可与气压、降水、化学注浆等辅助施工法同时使用。7.3隧道盾构法施工2）挤压式盾构工作原理：挤压推进土体挤入盾构土体外运分类：全挤压式、局部挤压式特点：地表变形较大，适用地层取决于地层物理力学性能。7.3隧道盾构法施工日本：按含砂率-内聚力、液性指数-内聚力的关系来确定开口率。（1）含砂率<20%、液性指数>60%、内聚力<0.5kg/cm2时，开口率一般为2～0.8%；（2）极软弱地层中，开口率也有小到的0.3%。

开口率过大，出土量增加，引起地层沉降；反之，会增大盾构的切入阻力，使地面隆起。挤压盾构需注意设置好开口率、控制出土量。7.3隧道盾构法施工3）网格式盾构工作原理:网格破土转盘、皮带运输机、矿车或水力机械出土特点：进土量接近或等于出土量，带有局部挤压性质，钢板网格推进中可切土，停止时可稳定开挖面。7.3隧道盾构法施工4）半机械式盾构工作原理：机械挖土装置前后、左右、上下均能活动和切土。特点：介于手掘式和机械式盾构之间，更接近于手掘式盾构。安装机械挖土和出土装置，代替人工劳动。机械装备形式：适用于开挖面需作支撑的地层适用于开挖面能自立的地层亚粘土与砂砾的夹层固结粘土层、硬质砂土层粘土和砂砾混合层7.3隧道盾构法施工5）局部气压盾构工作原理：在机械盾构支承环前边装上隔板，使切口与隔板间形成密封舱。在密封舱内充满压缩空气，达到稳定开挖面土体作用。特点：在密封舱、盾尾及管片接缝处易产生漏气问题。7.3隧道盾构法施工6）泥水加压盾构工作原理:支承环前设隔板密封舱注入带压泥浆支撑开挖面刀盘切土排泥泵及管道出土。特点：对地层扰动最小，地面沉降也最小，但费用最高。7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工泥水作用：1）用泥水压力平衡开挖面水土压力；

2）形成一层不透水的泥膜，使泥水产生有效的压力；

3）渗透到地层某一区域，使得该区域内的开挖面稳定。泥水管理标准：

（1）容重：1.05～1.25（g/cm3）粘土、膨润土等。（2）粘度：20～40（s），漏斗粘度500/500ml。7.3隧道盾构法施工

泥水加压盾构有日本体系及德国体系。德系的密封舱中设置缓冲气压舱，人工控制泥浆压力，构造较简单；日系的密封舱中全是泥水，需一套自动控制泥水平衡的装置。7.3隧道盾构法施工适用性：适于砂性土为主的洪积层中较为有利；在粘性土为主的冲积层中需较高的泥浆处理费用；在松动的卵石层和坚硬土层中会产生逸水现象，在泥水中应加入一些胶合剂来堵塞漏缝。具体适用性：（1）细粒土含有率在粒径累积曲线的10%以上。（2）砾石含有率在粒径加积曲线的60%以上。（3）自然含水量18%以上。（4）无200～300mm的粗砾石。（5）渗透系数K<10-2cm/s。7.3隧道盾构法施工7）土压平衡式盾构工作原理:刀盘切土泥土进入土腔（工作室），与开挖面压力取得平衡螺旋输送机出土（出土量与推进量平衡，连续出土）。7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工

特点:可节省泥水盾构中必须的泥水平衡及泥水处理装置的大量费用，主要适用于粘性土或有一定粘性的粉砂土。

具体适用性：细粒（粒径0.074mm以下）含有率在粒径加积曲线的7%以上。砾石（粒径2mm以上）含有率在粒径加积曲线的70%以下。粘性土（粘土、粉砂土含有率4%以上）的N值在15以下。自然含水量，砂：18%以上，粘性土：25%以上。渗透系数K＜5×10-2cm/s。7.3隧道盾构法施工（1）盾构选型1）选型依据：土质条件、岩性

开挖面稳定

隧道埋深、地下水位

设计隧道的断面

环境条件、沿线场地

衬砌类型

工期

造价

辅助工法

设计路线、线形、坡度电气等其他设备条件7.3隧道盾构法施工3.盾构的选型及参数2）选型流程7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工方式类型盾构名称开挖面稳定措施适用地层附注手掘式敞胸普通临时挡板、支撑千斤顶稳定或松软需气压、井点降水等加固网格式利用土和钢制网状硌栅的磨擦粘土淤泥闭胸半挤压胸板局部开孔，土砂自然流入软塑粘性土全挤压胸板无孔、不进土淤泥半机械式敞胸反铲式手掘式盾构装上反铲挖土机土质坚硬稳定开挖面能自立辅助措施旋转式同上，装上软岩掘进机软岩机械式敞胸旋转刀盘式单刀盘加面板多刀盘加面板软岩辅助措施闭胸局中气压面板和隔板间加气压多水松软地层不再另设辅助措施泥水加压面板和隔板间加压力泥水含水地层、冲积层、洪积层辅助措施土压平衡（加水、泥）面板和隔板间充满土砂容积产生的压力与开挖面处的地层压力保持平衡淤泥、淤泥混砂辅助措施7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工在高压水地层防喷涌的保压泵7.3隧道盾构法施工辐条式刀盘(无滚刀)7.3隧道盾构法施工装有滚刀的辐条式刀盘7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工（2）盾构参数1）盾构几何尺寸主要指盾构外径D、长度L和灵敏度L/D。

a）外径

D=d+2(x+δ)其中，d为衬砌外径，

δ为盾壳厚度，

x为盾构与衬砌间的建筑空隙，x=0.0125m

（m为盾尾遮掩部分的衬砌长度，一般m取30~60mm）。7.3隧道盾构法施工b）盾构长度L

L=L0+L1+L2+L3式中，L0—盾尾长度，一般为（1.2~2.2）倍衬砌环宽度；

L1—支承环长度，衬砌环宽度＋(0.2m~0.3m)；

L2—切口环长度,一般小于2m；

L3—前檐长度,0.3~0.5m。7.3隧道盾构法施工c）盾构灵敏度定义：盾构长度与直径之比(L/D)称为盾构灵敏度。意义：对盾构操纵的灵活性影响很大,其值越小盾构操作越灵活。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=0.45~0.757.3隧道盾构法施工2）盾构千斤顶推力计算阻力包括：1）盾构外表面与四周地层的摩阻力；

2）盾尾内壳与衬砌结构之间的摩阻力；

3）刃口切入土层的阻力；

4）切口环切入土层的正面阻力；

5）开挖面正面支撑阻力；

6）盾构自重引起的阻力；

7）纠偏时的阻力；

8）局部气压或泥水压力；确定千斤顶总顶力时，一般采用1.5~2.0的安全系数7.3隧道盾构法施工隧道名称直径D(m)长度L(m)灵敏度L/D重量W(t)盾构千斤顶只数(104N)盾壳厚度(mm)荷兰Vehicular9.175.730.6340030600070美国林肯隧道9.634.710.4930428644063美Brooklyn-battery9.634.710.4931528644063美Queen-Midtown9.655.700.59285600比Antwerpen9.505.500.57627532640070Rotherhite9.355.490.586406700原苏联莫斯科地铁9.504.730.5340363500中国上海打浦路隧道10.206.630.65400408000中国上海延安东路隧道11.267.800.694804488007.3隧道盾构法施工（1）盾构工作井（始发井、接收井）施工7.3隧道盾构法施工4.盾构施工技术始发井洞口密封加固（旋喷等）、安装止水帘幕7.3隧道盾构法施工（2）盾构安装7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工（3）盾构始发7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工（4）掘进7.3隧道盾构法施工（5）管片拼装7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工7.3隧道盾构法施工1）管片拼装在盾构尾部壳保护下进行，分通缝拼装和错缝拼装。2）按其程序可分为“先纵后环”和“先环后纵”。3）拼装原则是自下而上，左右交叉，最后封顶成环。7