隧道盾构法施工

1同济大学2018年4月10日盾构法隧道盾构法隧道（ShieldTunnel）1.概述地铁隧道已成为解决城市交通拥挤最有效手段之一。我国经济发达的中心城市相继开展地铁建设。盾构工法已成为城市地下隧道的主要修建方法之一。2.盾构法主要施工工序出发竖井中间竖井接收竖井盾构机2.盾构法主要施工工序1、建造盾构工作井2、盾构掘进机安装就位3、出洞口土体加固4、初推段掘进施工5、掘进机设备转换6、盾构连续掘进施工7、接收井洞口土体加固8、盾构进入接收井，并运出地面盾构吊装就位盾构设备车架盾构设备车架盾构准确进入接收井3.1盾构机基本构造盾构机是一种既能承受地层压力、又能在地层中掘进的施工机具。盾构机由通用机械（外壳、掘削机构、挡土机构、推进机构、管片组装机构等）和专用机构组成（如土压盾构的排土机构、添加材注入机构；泥水盾构的送排泥机构、搅拌机构）。3.盾构机(ShieldMachine)3.1盾构机基本构造3.盾构机(ShieldMachine)面板式辐条式3.2盾构机类型（1）按断面形式分：圆形、椭圆形、马蹄形、矩形、双圆搭接形、三圆搭接形。3.盾构机(ShieldMachine)圆形椭圆马蹄形矩形3.2盾构机类型（1）按断面形式分：圆形、椭圆形、马蹄形、矩形、双圆搭接形、三圆搭接形。3.盾构机(ShieldMachine)三圆搭接双圆形3.2盾构机类型（2）按出土器械的机械化程度分：手掘式、半机械掘削式、机械掘削式。3.盾构机(ShieldMachine)半机械式手掘式机械式3.3常用盾构机类型及其施工原理（3）按掘削面敞开程度分：全部敞开式、部分敞开式（网格式）、封闭式（泥水式、土压式）。3.盾构机(ShieldMachine)土压式敞开式泥水式网格挤压式3.3常用盾构机类型及其施工原理（4）按掘削面加压稳定方式分：气压式、泥水式、土压式，其中以泥水平衡和土压平衡两种最为常用。3.盾构机(ShieldMachine)土压式气压式泥水式3.3常用盾构机类型及其施工原理泥水平衡原理：把水、粘土及添加剂混合制成的泥水，经输送管道压入泥水舱，待泥水充满整个泥水舱后，盾构机的推进系统工作，则推进力经舱内泥水传递到掘削面的土体上，刀盘掘削下来的土砂进入泥水舱，经搅拌后含掘削土砂的高浓度泥水，经泥浆泵送到地表的泥水分离系统。3.盾构机(ShieldMachine)3.3常用盾构机类型及其施工原理土压平衡原理：盾构推进时前端刀盘旋转掘削土体，掘削下来的土体涌入土舱。当掘削土体充满土舱时，由于盾构的推进作用，致使掘削土体即对掘削面加压。当该加压压力与掘削地层的土压+水压相等，随后若能维持螺旋输送机的排土量与刀盘的掘土量相等，把这种稳定的出土状态称为掘削面土压平衡状态。3.盾构机(ShieldMachine)4.1地层变位的影响因素1.地层损失地层损失是指盾构施工过程中实际开挖土体体积与竣工隧道体积之差。（1）开挖面的土体移动。（2）土体挤入盾尾间隙。（3）盾构推进过程中推进方向的改变、盾尾纠偏、曲线推进、仰头推进或叩头推进，实际开挖断面不是圆形而是椭圆形，从而引起地层损失。（4）盾构外壳移动与地层间的摩擦与剪切作用，引起地层损失。（5）在水土压力作用下，隧道衬砌产生变形而引起少量的地层损失。4.盾构法施工引起的地层变位4.1地层变位的影响因素2.受扰动土体的再固结盾构隧道周围土体受到盾构施工扰动后，便在盾构隧道周围形成超孔隙水压力区。当盾构离开该处地层后，由于土体表面的应力释放，隧道周围的孔隙水压力便下降。在孔隙水压下降过程中，孔隙水排出，引起地层移动和地面沉降。地层因孔隙水压力变化而产生的地面沉降，称之为主固结沉降。土体受到扰动后，土体骨架还发生持续很长时间的压缩变形。在此土体蠕变过程中产生的地面沉降称为次固结沉降。4.盾构法施工引起的地层变位4.2地层变位的模式1.地表横向沉降Peck（1969）通过对大量地表沉陷数据及工程资料分析后，首先提出地表沉降槽正态分布的概念，并认为施工引起的地面沉降是在不排水条件下发生的，所以沉降槽的体积应等于地层损失的体积。此法假定地层损失在隧道长度上均匀分布，地面沉降的横向分布似正态分布函数。4.盾构法施工引起的地层变位4.2地层变位的模式1.地表纵向沉降刘建航（1991）在Peck法的基础上，总结了上海地铁隧道纵向沉降分布的一般规律。4.盾构法施工引起的地层变位5.1衬砌结构的作用（1）在施工阶段中，作为施工临时支撑用，并承受盾构千斤顶项力以及其它施工荷重。（2）竣工后作为隧道永久性支撑结构。（3）防止泥、水渗入。（4）内衬具有防水、防钢筋腐蚀、修正施工误差和内部装饰等作用。5.衬砌的形式和构造5.三2衬砌三结构三的选三型（1）依三据隧三道的三使用三目的三，围三岩条三件以三及施三工方三法，合理三选择三衬砌三的强三度、三结构三形式三和种三类等三。（2）根三据隧三道的三车辆三限界三、建三筑限三界以三及使三用要三求选三择合三适的三盾构三隧道三横断三面，三最常三用的三为圆型三与矩三型。（3）在三饱和三含水三软土三地层三中修三建地三下隧三道，三较常三用的三结构三型式三是选三用圆三形结三构。（4）根三据荷三载大三小以三及防三渗漏三要求三确定三是否三需要三二次三衬砌三。5.衬砌三的形三式和三构造5.三3衬砌三的分三类（一三）按三材料三及形三式分三类1.钢筋三混凝三土管三片（1）箱三形管三片一般三用于三较大三直径三的隧三道。三单块三管片三重量三较轻三，管三片本三身强三度不三如平三板形三管片三，特三别在三盾构三顶力三作用三下易三开裂三。5.衬砌三的形三式和三构造5.三3衬砌三的分三类（一三）按三材料三及形三式分三类1.钢筋三混凝三土管三片（2）平三板形三管片用于三较小三直径三的隧三道，三单块三管片三重量三较重三，对三盾构三千斤三顶顶三力具三有较三大的三抵抗三能力三，正三常运三营时三对隧三道通三风阻三力较三小。5.衬砌三的形三式和三构造5.三3衬砌三的分三类（一三）按三材料三及形三式分三类2.铸铁三管片饱和三含水三不稳三定地三层中三修建三隧道三时较三多采三用。管片三较轻三，耐三蚀性三好，三机械三加工三后管三片精三度高三，能三有效三地防三渗抗三漏。金属三消耗三量大三，机三械加三工量三也大三，价三格昂三贵。易脆三性破三坏的三特性三，不三宜用三作承三受冲三击荷三重的三隧道三。5.衬砌三的形三式和三构造河流地表面主要使用DC管片的部位竖井竖井河流铁路民宅道路桥被密封的隧道１．重荷三载部三位：三河流三的横三断面、民房三下面、软弱三地层２．急曲三线部三位３．车站三及特三殊部三位（３连盾三构、Ｄ三ＯＴ三、矩三形盾构等）铸铁三管片三的适三用场三所5.三3衬砌三的分三类（一三）按三材料三及形三式分三类3.钢管三片优点三是重三量轻三、强三度高三。缺点三是刚三度小三、耐三锈蚀三性差三，需三进行三机械三加工三以满三足防三水要三求。成本三昂贵三，金三属消三耗量三大。5.衬砌三的形三式和三构造5.三3衬砌三的分三类（一三）按三材料三及形三式分三类4.复合三管片外壳三采用三钢板三制成三，在三钢壳三内浇三注钢三筋混三凝土三，组三成一三复合三结构三，其三重量三比钢三筋混三凝土三管片三轻，三刚度三比钢三管片三大，三金属三消耗三量比三钢管三片小三。缺点三是钢三板耐三蚀性三差，三加工三复杂三冗繁三。5.衬砌三的形三式和三构造5.三3衬砌三的分三类(二)按结三构型三式分三类1.管片适用三于不三稳定三地层三内各三种直三径的三隧道三内的三。纵向三接缝三间通三过螺三栓予三以连三接，三螺栓三可承三受较三大的三正、三负弯三矩；三环向三接缝三上设三置纵三向螺三检，三具有三抵抗三隧道三纵向三变形三的能三力。管片三拼装三进度三大为三降低三。5.衬砌三的形三式和三构造5.三3衬砌三的分三类(二)按结三构型三式分三类2.砌块一般三适用三于含三水量三较少三的稳三定地三层内三。衬砌三结构三在通三过变三形后(变形三量必三须予三以限三制)地层三介质三对衬三砌环三的约三束使三圆环三得以三稳定三。砌块三由于三在接三缝上三不设三置螺三栓，三施工三拼装三进度三就可三加快三。5.衬砌三的形三式和三构造5.三3衬砌三的分三类(三)按形三成方三式分三类1.装配三式衬三砌由分三块的三预制三管片三在盾三尾拼三装而三成。按照三管片三所在三位置三及拼三装顺三序不三同可三将管三片划三分为三标准三块、三邻接三块和三封顶三块。特点三：工三厂化三生产三、机三械化三安装三；立三即受三荷；三接缝三防水三。5.衬砌三的形三式和三构造封顶三块管三片标准三块管三片5.三3衬砌三的分三类(三)按形三成方三式分三类2.挤压三混凝三土衬三砌在盾三尾刚三浇捣三而未三硬化三的混三凝土三处在三高压三作用三下，三作为三盾尾三推进三的后三座，三盾尾三在推三进的三过程三中，三不产三生建三筑空三隙，三空隙三由注三入的三混凝三土直三接填三充。特点三：自三动化三程度三高；三理想三的受三力、三防水三要求三；钢三纤维三混凝三土能三提高三薄形三衬砌三的抗三裂性三能。5.衬砌三的形三式和三构造5.三3衬砌三的分三类(四)按构三造型三式分三类分为三单层三及双三层衬三砌两三种型三式。饱和三含水三软土三地层三内的三隧道三，外三层是三装配三式衬三砌结三构，三内层三是内三衬混三凝土三或钢三筋混三凝土三层。双层三衬砌三存在三的问三题：三开挖三断面三增大三；施三工工三序复三杂；三逐步三为单三层衬三砌所三代替三。5.衬砌三的形三式和三构造5.三4装配三式钢三筋混三凝土三管片(一)环宽无论三是钢三筋混三凝土三管片三或金三属管三片，三环宽三一般三在30三0～20三00三mm之间三，常三用的三是75三0～90三0m三m。环宽三不易三过大三或过三小。(二)分块单线三地下三铁道三衬砌三一般三可分三成6～8块，三双线三地下三铁道三衬砌三可分三为8～10块；三小断三面隧三道可三分为4～6块。管片三的最三大弧三、弦三长一三般较三少超三过4m，管三片越三薄其三长度三应越三短。5.衬砌三的形三式和三构造5.三4装配三式钢三筋混三凝土三管片(三)封顶三管片三形式趋向三于采三用小三封顶三形式三。封顶三块的三拼装三形式三有两三种，三一为三径向三楔入三，另三一为三纵向三插入三。5.衬砌三的形三式和三构造5.三4装配三式钢三筋混三凝土三管片(四)拼装三形式有通三缝、三错缝三两种三。5.衬砌三的形三式和三构造通缝三拼装三方式错缝三拼装三方式5.三5管片三接头三构造(一)接头三类型纵向三接头三、环三向接三头。从其三力学三特性三可分三为柔三性接三头和三刚性三接头三。(二)接头三结构三形式（1）螺三栓接三头环向三螺栓三根据三接缝三内力三设置三单排三或双三排，三每排2~三3个螺三栓；三纵向三螺栓三按管三片分三块结三构受三力要三求配三置。5.衬砌三的形三