隧道之五盾构隧道施工

第五章盾构隧道施工盾构定义：盾构是一种钢制活动防护装置或支撑，是通过软弱含水层，特别是河底、海底，以及城市中心区修建隧道的一种机械。盾构法施工的优缺点：盾构法施工的优点：（1）施工作业在盾构设备的掩护下安全进行；（2）施工时振动和噪声小，对周围环境几附近居民几乎没有影响；（3）施工时不影响地表交通和航道通航；（4）不受气候条件影响；（5）施工机械化程度高，施工管理容易。盾构施工法的缺点（1）覆土较浅时，开挖面稳定困难；（2）曲率半径较小的曲线段施工比较困难；（3）在饱和水层中，防水技术要求高；（4）盾构施工地区地表沉降还不能完全防止。第一节盾构构造与分类按形状分：圆形；矩形；椭圆形；马蹄形半圆形；双圆形；三圆形按开挖面的施工方式分：敞胸盾构；闭胸盾构目前主要形式：泥水加压式；土压平衡式盾构

盾构法隧道SHIELD-DRIVENTUNNEL

一盾构的基本构造

盾构壳体、推进系统、出土系统、拼装系统盾构的基本构造简图（一）盾构壳体壳体组成：切口环；支承环；盾尾；竖直隔板；水平隔板（1）切口环切口环长度由开挖方法、开挖工具、人员活动空间和支撑形式来确定。（2）支撑环支撑环承受的力：地层压力、千斤顶的顶力及切口、盾尾、衬砌拼装时传来的施工荷载。（3）盾尾密封装置作用：防止地下水、外层土、衬砌背面压浆之浆液倒流入隧道。盾尾密封材料：橡胶系刷子系盾尾长度：最小限度，能在盾构千斤顶缩回后，达到管片宽度即可，但考虑到要调换损坏的管片、修千斤顶、对到曲线施工等因素，还要增加管片宽度的1/3---1/4余量。盾构盾尾密封形式盾构盾尾构造简图（二）推进系统推进系统组成：由盾构千斤顶和液压设备组成，并利用千斤顶上下左右活塞杆伸出长度不同达到纠偏目的，千斤顶沿支承环均匀分布。能量供应：电能转变为液压能。决定盾构推力的主要因素：（１）盾构壳体与土之间的摩擦力；（２）工作面的推进阻力；（３）推进中切口插入土中的阻力；（４）管片与盾尾的摩擦阻力。１.盾构外围的阻力砂土时：粘土时：作用于盾构外围的土压和水压２.盾构正面阻力作用于盾构正面的土压和水压。３.切口插入阻力：４.管片与盾尾之间摩擦阻力：盾构千斤顶总推力经验公式：（三三）出三土系三统包括三：切削三装置三和运三输装三置１.土体三的切三削装三置（２三）超三挖刀三容易三安装三。刀盘三必须三具备三足够三的扭三矩，三以克三服土三体阻三力、三机械三阻力三及盾三构扭三矩等三，可三以通三过与三盾构三外径三的经三验公三式求三得。适应三条件三：（１三）适三应于三软弱三地层三，切三口环三插入三地层三。刀盘三外围三突出三于切三口环三特点三：超挖三刀容三易安三装，三方向三容易三控制三。刀盘三与切三口环三在同三一位三置垂直三平面三形圆锥三形半球三形切削三刀盘三和开三挖面三的形三状2.土体三的运三输装三置被切三削下三来的三土体三，通三过搅三拌，三必要三时加三入作三浆材三料，三利用三螺旋三输送三机将三土体三运出三。螺旋三输送三机螺旋三输送三机将三土体三运出三后，三在盾三构外三运输三方式三有：（１三）有三轨运三输（２三）无三轨运三输（３三）管三道运三输（1）有三轨运三输矿车三由电三机车三牵引三到洞三口或三工作三井，三再经三垂直三起吊三送至三地面三。缺点三：受一三次通三过矿三车数三量的三限制三，运三输速三度慢三，效三率低三。（2）无三轨运三输大型三自卸三卡车三直接三送到三弃土三场，三效率三高。缺点三：要求三隧道三断面三大，三须先三将洞三口引三道作三好。（3）管三道运三输开挖三下来三的土三体搅三拌成三泥浆三经泥三浆泵三接力三压送三到地三面，三使出三土实三现了三连续三化，三提高三了功三效。三且隧三道内三干净三，实三现了三文明三施工三。缺点三：必须三设置三泥水三循环三系统三和泥三水处三理系三统。（四）拼装系统

管片拼装器具有的四个功能：

（１）夹钳（２）使管片位置伸缩（３）前后滑动（４）旋转杠杆三式拼三装机环式三拼装三机二.盾构三分类（一三）人三工开三挖盾三构１.一般三手掘三式盾三构人工三开挖三盾构三优缺三点优点三：（1）一三般采三用全三敞胸三式，三便于三观察三地层三和清三除障三碍；（2）盾三构推三进在三开挖三面出三现故三障时三，比三较容三易排三除；（3）易三于纠三偏，三也便三于曲三线段三的施三工。缺点三：（1）劳三动强三度大三，效三率低三，如三遇正三面塌三方，三易危三及人三身安三全及三工程三安全三。２.挤压三式盾三构分为三：全三挤压三式盾局部三挤压三式盾三构全挤三压式三盾构三工作三面胸三板全三部封三闭不三出土三，而三将盾三构经三过区三域的三土挤三压向三外部三，因三而会三引起三很大三的地三表隆三起变三形，三一般三只适三用于三空旷三地带三、河三底海三滩等三处。开口三率：开口三大小三与盾三构断三面的三比值三。开口三率过三大时三进土三量增三加，三会引三起周三围地三层沉三降，三反之三，就三会增三大盾三构的三切入三阻力三，使三地面三隆起三。盾构三开口三率一三般为2%三-0三.8三%；在三极软三弱地三层中三，开三口率三也可三小于0.三3%。局部三挤压三式盾三构工三作原三理３.网格三式盾三构网格三式盾三构（二三）半三机械三化盾三构（三三）机三械化三盾构机械三化盾三构：三是在三盾构三切口三环部三分紧三贴开三挖工三作面三装上三与盾三构直三径相三仿的三旋转三刀盘三进行三全断三面开三挖的三盾构三，分三有:单轴三式、三双轴三式、三多轴三式等三。刀盘三分为:敞开三形和三封闭三形。１.局部三气压三盾构支承三环和三切口三环之三间装三密封三隔板三，形三成密三封仓三，通三入压三缩空三气，三以平三衡开三挖面三的土三压力三，达三到稳三定开三挖的三作用三，但三在密三封舱三、盾三尾及三管片三接缝三处容三易漏三气。２.泥水三加压三盾构泥水三加压三就是三在盾三构的三封闭三隔仓三内注三入泥三水，三通过三泥水三加压三和外三部压三力平三衡，三一保三证开三挖面三土体三的稳三定。要求三从盾三构推三进、三排泥三到泥三水的三处理三全部三按系三统化三作业三。通三过泥三水压三力、三泥水三流量三、泥三水浓三度等三测定三，计三算出三开挖三土量三，全三部作三业由三中央三控制三台管三理。泥水三加压三盾构（１三）泥三水加三压盾三构稳三定作三用泥水三加压三盾构三工作三原理泥水三压力水压三力（２三）泥三水循三环和三管理整个三作业三，送三泥排三泥泵三、自三动阀三门、三泥水三处理三设备三以及三盾构三动力三设备三均安三装有三测量三控制三装置三，测三量的三数据三传到三中央三控制三室，三操作三人员三综合三判断三，正三确控三制各三个环三节。３.土压三平衡三盾构适应三条件三：三适用三含水三饱和三软弱三地层三中施三工土压三平衡三盾构三原理三：随着三盾构三的推三进，三由旋三转刀三盘切三削下三来的三土体三进入三密封三舱内三，在三舱内三的土三砂中三注入三一种具有三流动三性和三不透三水性三的“三作浆三材料三”经三搅拌三把土三拌成三一种三具有三一定三流动三性、三又不三透水三的浆三化泥三土，充满三密封三舱及三与之三相连三的螺三旋输三送机三，盾三构推三进时三，浆三化泥三土产三生压三力与三土体三静压三及水三压平三衡，三同时三螺旋三输送三机送三土。１）三土压三平衡三盾构三开挖三面稳三定机三构可采三用两三种稳三定机三构：（１三）适三用于三粘性三土层三中由充三满在三密封三舱内三和螺三旋输三送机三内的三土压三与开三挖面三的土三压达三到平三衡，三同时三输送三机排三土，三使得三开挖三量与三出土三量保三持平三衡，三保持三开挖三面的三稳定三。（２三）砂三质土三层中由于三地下三水丰三富，三土层三透水三系数三高，三仅靠三排土三机构三的机三械控三制使三砂土三开挖三面稳三定就三很困三难，三需要三用水三、膨三润土三、粘三土、三高浓三度泥三水、三泥浆三材料三等的三混合三料向三开挖三面加三压灌三注，三并不三断进三行搅三拌，三改变三切削三下来三土体三的性三质，三保证三土的三流动三性和三止水三性，三以求三的开三挖面三的稳三定。２）三土压三系列三的机三械控三制机三构（１三）切三削土三与地三下水三压力三的控三制机三构：机械三控制三机构三：在螺三旋输三送机三排土三口设三置控三制排三土量三的机三构，三是内三部充三满切三削土三或混三合土三。物性三控制三机构三：在切三削刀三盘前三面，三密封三舱内三或输三送机三排土三口注三入添三加材三料，三改变三土体三性状三。（２三）开三挖面三稳定三控制三装置分类三：土压三力、三土量三、水三压力三和切三削刀三盘负三荷控三制装三置第2节三盾构三隧道三施工三作业一.施工三准备（一三）盾三构拼三装和三拆卸三室（二三）盾三构机三座材料三：钢三筋混三凝土三或钢三结构三；除三受自三重外三还要三考虑三纠偏三产生三的集三中荷三载导轨三：布三置在三盾构三下半三部的三９０三度范三围内三，由三两根三或多三根钢三轨组三成。（三三）盾三构进三出洞三设施在井三壁上三预留三临时三的封三门洞三口，三出洞三时拆三除临三时封三门，三逐步三推进三盾构三进入三地层三，使三盾构三最终三脱离三工作三井。洞口三周围三土体三加固三方法三：注浆三法、三旋喷三法、三冻结三法、三压气三法、托换三基础三法、三承压三板法三等。（四三）盾三构后三座后座三推力三靠工三作井三井壁三承担三，在三盾构三和井三壁之三间设三传力三设施三，缓三冲给三后座三的压三力。后座三衬砌三与后三座井三壁产三生不三等距三的空三隙，三要用三低强三度的三混凝三土填三平补三齐，三使盾三构推三力均三匀传三给井三壁。（五三）盾三构施三工附三属设三施供电三照明三设备三、通三风及三空压三机房三、排三水泵三房、三涂料三棚、三充电三间、三出土三有轨三余数三系统三及工三作井三垂直三运输三系统三等。三在管三道运三输时三还需三要设三置泥三水处三理系三统或三排土三装置三等盾构三出洞三示意三图１－三盾构三拼装三井２三－盾三构后三座管三片３三－盾三构基三座４－三盾构三５－三运输三轨道二.盾构三推进（一三）盾三构的三技术三性能三参数1.盾构三外径为满三足曲三线段三或纠三偏旋三转角a所必三须的三最小三建筑三空隙三值x，可三按几三何关三系求三得：盾构三直径三尺寸三计算三图盾构三外径三：２.盾构三长度盾构三长度三尺寸三计算三图盾构三长度三：３.盾构三灵敏三度灵敏三度：三盾构三长度三与直三径之三比，三即Ｌ三／Ｄ三。国内三外地三下隧三道盾三构性三能特三征表（二三）盾三构推三进１.手掘三式敞三胸盾三构施三工完全三敞胸三式：三纠三偏：三超挖土质三较差三时：三支撑三千斤三顶加三撑板三进行三临时三支护三。辅助三施工三：人三工井三点降三水排三除地三下水三或气三压派三稳定三开挖三面。网格三式盾三构：三纠偏三：千三斤顶２.泥水三加压三盾构三施工３.土压三平衡三盾构三施工三、三盾构三操纵三与纠三偏导致三偏离三隧道三设计三轴线三的因三素：（１三）土三层不三均匀三；（２三）正三面四三周阻三力不三一致三；（３三）千三斤顶三的顶三力不三一致三；（４三）盾三构重三心偏三于一三侧；（５三）衬三砌缝三防水三材料三压密三不一三致等三。目前三盾构三操纵三与纠三偏主三要采三取的三方法三：（１三）调三整千三斤顶三的编三组：三２－三３cm三,避免三引起三拼装三困难三及对三地层三产生三多大三的扰三动．（２三）调三整开三挖面三的阻三力：进土三孔位三，开三孔率三等．（３三）控三制盾三构推三进纵三坡等三：先压三后抬三和先三抬后三压．（４三）盾三构旋三转的三防止旋转三的原三因：盾构三的重三心不三通过三轴线三或有三大型三旋转三设备三引起三．防止三措施三：在反三侧加三压或三在两三侧装三水平三鳍板三．四、盾构隧道衬砌施工

拼装方法：举重臂拼装或拱拖架拼装通缝拼装或错缝拼装拼装方法按其程序可分：“先纵后环法”和“先环后纵法”拼装管片的原则：自下而上，左右交叉最后封顶成环．保证三质量三的措三施：（１三）保证三环面三接封三平整三纵向三通缝三防水三涂料三压密三；（２三）注三意衬三砌的三准圆三度，三避免三出现三外张三和内三张角三。五、三衬砌三后注三浆一次三压注三：随着三盾尾三出现三立即三注水三泥沙三浆，三并保三持一三定的三压力三，３三０米三进行三控制三注浆三，以三便在三强压三下充三衬砌三背后三遗漏三的空三隙。两次三压注三：通过三管片三的注三浆孔三向衬三砌背三后压三注石三英砂三或卵三石，三以防三止地三层塌三陷，三继续三推进三５－三８环三后，三进行三二次三压注三胶结三材料三，充三填空三隙固三结。左右三对称三，从三下向三上，三避免三单点三超压三注浆三。第三三节三盾构三隧道三衬砌三结构三及设三计计三算（一三）衬三砌的三断面三形式三和作三用横断三面：圆形三、矩三形、三半圆三形、三马蹄三形等三。一、三盾构三隧道三衬砌三结构衬砌三的作三用在施三工阶三段：防止三土体三变形三、土三体坍三塌及三泥水三渗入三，承三受盾三构推三进时三千斤三顶顶三力及三其他三施工三荷载三；竣工三后：衬砌三单独三或与三内衬三一起三作为三隧道三的永三久性三支护三结构三，支三撑衬三砌周三围的三水、三土压三力以三及使三用阶三段和三某些三特殊三学要三的荷三载，三同时三防止三泥水三渗入三。（二三）装三配式三衬砌三管片从结三构分三：带肋三的箱三形管三片和三不带三肋的三平板三形管三片；材料三：铸铁三、钢三、钢三筋混三凝土三；钢筋三混凝三土：箱形三和平三板形三。强三度等三级Ｃ三４０三以上三；刚性三连接三：较粗三螺栓三连接三管片三，使三管片三圆环三成为三一个三等刚三度的三整体三结构三－－三－容三易产三生次三应力三；柔性三连接三：是以三少量三的单三排较三细的三螺栓三连接三管片三。带肋三的箱三形管三片铸铁三箱形三管片钢筋三混凝三土箱三形管三片不带三肋的三平板三形钢三筋混三凝土三管片（三三）衬三砌分三块和三拼装管片三最大三弧弦三长度一般三小于三４m厚度三：钢筋三混凝三土：６米三以下三：２三５０三－３三５０６米三以上三直径三：３三５０三－６三００封顶三：大封三顶；三小封三顶封顶三形式三：径向三楔入三；纵三向楔三入纵向三封顶三管片三示意三图（四三）衬三砌管三片的三连接直螺三栓连三接弯螺三栓连三接连接三形式三：纵向三连接三和环三向连三接；三螺栓三连接三和无三螺栓三连接三。球铰三形连三接槽形三连接暗销三形连三接二、三盾构三隧道三衬砌三结构三计算（一三）荷三载计三算分为三：基本三使用三阶段三荷载三、施工三阶段三荷载三和特三殊荷三载１.基本三使用三阶段作用三于每三衬砌三上的三荷载三有：地层三压力三、水三压力三和自三重等作用三在衬三砌结三构上三的荷三载简三图（１三）衬三砌拱三顶竖三向地三层压三力拱顶三部拱背三部（２三）地三面超三载（三根据三实际三情况三和埋三深而三定）三，竖三向压三力为三：（３三）侧三向水三平均三匀土三压力（４三）侧三向三三角形三水平三土压三力（５三）静三水压三力静水三压力三计算三简图（６三）自三重（７三）衬三砌拱三底反三力２.施工三阶段（１三）衬三砌拼三装完三成，三随着三盾构三推进三而脱三出盾三尾，三尚未三注浆三，此三时衬三砌在三自重三作用三下可三自由三变形三，可三按自三由变三形圆三环进三行验三算。衬砌三圆环三计算三简图（２三）盾三构推三进阶三段千斤三顶总三推力三作用三在衬三砌环三缝面三积上三的验三算。（３三）衬三砌建三筑间三隙压三注阶三段建筑三空隙三内压三注浆三液时三，浆三液聚三集在三孔附三近一三定范三围，三压力三集中三、过三大引三起圆三环变三形和三局部三集中三应力三，甚三至导三致封三顶楔三形管三片滑三移。３.特殊三荷载三阶段战备三防护三等级三进行三人防三荷载三演算三；地三震力三验算三．１.衬砌三按自三由变三形圆三环计三算（二三）结三构计三算可以三得衬三砌结三构中三与垂三直轴三成a角的三任一三截面三上的三弯矩三和轴三向力三为：２.假定三土体三介质三有侧三向弹三性抗三力的三圆环三内力三计算第四三节三盾构三隧道三辅助三施工三技术一、三盾构三出洞三、进三铜的三土体三加固三技术（一三）盾三构出三洞土三体加三固气压三法注浆三法高压三喷射三法冻结三法板桩三法结三合注三浆法降水三法洞口三冻结三加固冻结三孔布冻结三加固三体设三计日本三东京三环７三线调三节水三仓隧三道盾三构出三洞土三体加三固（二三）盾三构进三洞土三体加三固盾构三进洞三水平三圆筒三形冻三结冻结三施工三平面三图冻结三加固三结构三体断三面上海三延安三东路三隧道三南线三盾构三进洞三前冻三结加三固施三工（三三）洞三口土三体加三固设三计１.自由三支撑三厚板三计算三方法（１三）工三作井三洞口三底部三水土三压力三：其中三：板块三加固三体及三其受三力模三型（２三）加三固体三厚度（３三）沿三工作三井开三洞口三周边三计算三加固三体的三剪切三应力三，检三验计三算的三厚度三是否三合理三，最三后确三定其三厚度三。计算三剪切三应力三验算三加固三体厚三度（４三）加三固范三围的三确定根据三塑性三松动三圈的三应力三状态三和破三坏条三件建三立塑三性松三动圈三半径三和盾三构半三径及三土体三性质三之间三的关三系：由上三边公三式求三得塑三性圈三半径三Ｒ，三如计三入安三全系三数及三土体三破坏三范围三等因三素，三则在三化学三浆液三加固三条件三下加三固范三围见三下表三及图三：土体三化学三浆液三加固三的最三小厚三度土体三化学三浆液三坚固三范围土体三冻结三加固三范围２.圆筒三形加三固体三计算三方法（１）三当圆三筒形三冻结三加固三体的三壁厚三与其三半径三的比三值小三于十三分之三一时三，截面三上的三应力三分布三大体三均匀三，可三按薄三壁筒三理论三计算三。（２三）当圆三筒形三冻结三加固三体的三壁厚三与其三半径三比值三大于三十分三之一三时，截面三上的三应力三分布三不均三匀。三此时三浅部三的结三构物三一般三按弹三性厚三壁筒三计算三壁厚三，以三其截三面环三内最三大切三向应三力控三制。３.防止三整体三滑移三失稳三的计三算方三法经坚三固后三土体三的平三衡条三件：洞口三每米三宽度三上部三覆盖三土所三产生三的下三滑力三矩：失稳三滑移三线与三加固三体范三围洞口三每米三宽度三土体三滑移三圆弧三线土三体下三划力三矩：三：土体三加固三前抵三抗力三矩：土体三坚固三之后三增加三的抵三抗力三矩：解平三衡方三程得三到：则可三得：二、三地铁三联络三通道三与泵三站加三固技三术日本三东京三都地三铁的三一联三络通三道与三泵站三冻结三施工三、三盾构三隧道三衬砌三防水提高管片材料的自身抗渗性和制作精度；接头的密封接头三面的三密封三：除采三用高三精度三的管三片保三证接三头接三触面三密贴三、均三匀外三，还三有接三头面三的密三封、三灌注三密封三剂、三嵌逢三填料三、二三次衬三砌、三螺孔三防水三、加三强衬三砌内三外层三防水三等。密封三材料三的要三求：（１三）保证三在设三计水三压下三不漏三水，三能承三受千三斤顶三的顶三力、三压浆三的压三力、三拧螺三栓的三扭力三以及三衬砌三使用三阶段三的截三面内三力；（２三）应有三相当三的弹三性，三在承三受往三复压三力后三复原三能力三强；（３三）要有三足够三的粘三结力三和耐三久性三、稳三定性三、抗三老化三性及三对耐三药性三；（４三）施工三方便三，不三影响三管片三拼装三精度三，安三装后三能立三即承三受载三荷。接头三橡胶三底沥三青密三封条１.接头三密封三条２.弹性三密封三垫（１三）硫三化橡三胶类三弹性三密封三垫；（２三）复三合型三弹性三密封三垫；（３三）灌三注密三封剂三；（４三）嵌三缝填三料；（５三）螺三栓孔三防水三；（６三）其三它防三水措三施密封三沟槽密封三垫完全三包裹三式局部三包裹三式双孔三复合三型螺栓三防水三结构三图四、三盾构三施工三地表三变形１.地表三变形三的原三因（１三）隧三道开三挖破三坏了三土层三原来三的平三衡状三态并三使周三围土三体受三到扰三动；（２三）降三低水三位时三井点三四周三形成三漏斗三状曲三面；（３三）开三挖面三土体三受到三扰动三损失三而使三土体三移动三；（４）三盾构三在曲三线段三施工三，纠三偏工三作形三成抬三头推三进或三叩头三推进三对土三体扰三动；（５三）当三向盾三尾后三面隧三道外三围环三形空三隙中三压浆三不及三时或三压浆三不足三等压三浆压三力不三适当三时造三成盾三尾后三隧道三周边三土体三失去三原始三的三三维平三衡状三态。地表三变形三的一三般规三律２.地表三变形三的规三律分为三：盾三构前三方隆三起或三沉降三；施三工沉三降和三固结三沉降３.地表三变形三的控三制（１三）施三工中三采取三合理三的正三面支三撑以三保证三开挖三面土三体的三稳定三；（２三）尽三可能三采用三技术三比较三先进三的机三械盾三构，三不改三变地三下水三位；（３三）盾三构施三工过三程中三，严三格控三制开三挖面三开挖三土量三，防三止超三挖；（４三）隧三道曲三线段三施工三，纠三偏推三进时三，限三制纠三偏量三，同三时尽三量减三小超三挖量三；（５三）减三少盾三构在三地下三施工三中的三停搁三时间三，提三高盾三构施三工速三度；（６三）加三强盾三尾衬三砌后三面环三形间三隙的三充填三措施三；（７三）坚三强地三层勘三测，三加强三地面三观测三，敏三感建三