讲义 公路隧道盾构施工技术全

讲义公路隧道盾构施工技术一、盾构法工作原理盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法。它是将盾构机械在地层中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。二、盾构机分类及适用范围盾构机既是一种施工机具，也是一种强有力的临时支撑结构。盾构机外形上看是一个大的钢管机，较隧道部分略大，它是设计用来抵挡外向水压和地层压力的。它包括三部分：前部的切口环、中部的支撑环以及后部的盾尾。大多数盾构的形状为圆形，也有椭圆形、半圆形、马蹄形及箱形等其他形式。盾构机按开挖面是否封闭划分，可分为密闭式和敞开式两类；按平衡开挖面土压与水压的原理不同，密闭式盾构机又可分为土压式和泥水式两种；敞开式盾构机按开挖方式划分，可分为手掘式、半机械式和机械式三种。各类盾构机的适用范围如下：1.手掘式盾构手掘式盾构是最原始的一类盾构，其构造简单，配备较少，造价低。盾构顶部有活动前檐以支护上部土体，挖土由人工从上往下进行，每隔2~3m设一作业平台，可适应各种复杂地层，开挖面可根据地质条件全部敞开，也可采用正面支撑，随开挖随支撑。施工人员可观察到地层变化情况，遇到桩、孤石等地下障碍物时，比较容易处理，容易进行盾构纠偏，也便于在曲线段施工。2.半机械式盾构在手掘式盾构正面装上挖土机械和出土装置，即成为半机械式盾构。挖土装置有铲斗式、切削式和混合式三种形式。铲土式适用于黏土和砂砾混合层，切削式适用于硬黏土和硬砂土层，混合式适用于自立性较好的土层，如遇土质坚硬可安装软岩掘进机的切削头子，其适用范围基本上与手掘式盾构一样。3.机械式盾构在手掘式盾构的切口环部分，安装与盾构直径大小相同的旋转大刀盘，对土体进行全断面开挖的盾构，称为机械式盾构。它适用于各类土层，尤其适用于极易坍塌的砂性土层中的长隧道，可连续掘进挖土。由刀盘切削产生的土经过刀盘上的预留槽口进入土舱，提升和流入漏斗后，再通过传送带运入出土车。这类盾构有作业环境好、省力、省时、省工、效率高、后续设备多、发生偏差时难纠偏、造价高等特点。4.土压平衡盾构土压平衡盾构前端有一个全断面切削刀盘，盾构的中心或下部有长筒形螺旋运输机的进土口，其出土口在密封舱外。所谓土压平衡，就是用刀盘切削下来的土，如同压缩空气或泥水一样充满整个密封舱，并保持一定压力来平衡开挖面的土压力。5.泥水平衡盾构泥水平衡盾构就是在机械式盾构大刀盘后面设置一道隔板，隔板与刀盘之间作为泥水室，在开挖面和泥水室中充满加压的泥水，通过加压作用，保证开挖面土体的稳定。盾构推进时开挖下来的土体进入泥水室，由搅拌装置进行搅拌，搅拌后的高浓度泥水用流体输送系统送出地面，把送出的浓泥水进行水土分离，然后把分离后的泥水再送入泥水室，不断循环使用，其全部工程均由中央控制台综合管理，可实现施工自动化。其中土压平衡盾构和泥水平衡盾构应用较为广泛，土压平衡盾构适用于冲积黏土、洪积黏土、砂质土、砂砾、卵石等土层及其互层。泥水平衡盾构适用于冲积洪积的砂砾、砂、亚黏土、黏土层或多水互层的土层，有涌水工作面不稳定的土层，上部有河川、湖沼、海洋等水压高、水量大的地层。复合盾构适用于地质条件复杂、软硬不均的混合地层。盾构作为一种安全、快速的隧道掘进技术，经历了四个发展阶段：以布鲁诺尔(Brunel,1818)盾构为代表的初期盾构；以机械式、气压式、网格式盾构代表的第二代盾构；以闭胸式盾构为代表(泥水式、土压式)的第三代盾构；以异形化、多功能、综合化为各自特色的第四代盾构，其适用范围也得到了极大拓展。三、盾构施工1.盾构机运输、组装和解体(1)盾构设备运输应满足国家道路运输相关规定要求，施工便道应满足盾构大件运输的空间尺寸和承载力的要求。(2)盾构设备吊装场地应满足设备构件吊装要求，大件吊装作业应由具有专业资质的队伍实施。(3)盾构组装应按照相关作业安全操作规程和组装方案进行，组装完成后应对各系统进行空载调试，然后再进行整机空载调试。盾构机经验收合格后方可始发掘进。(4)盾构机解体应对各种部件进行检査，并应对液压系统和电气系统进行标识，对已拆卸的零部件应做好清理和维护保养工作。2.盾构掘进(1)盾构始发及试掘进阶段应符合的要求：①盾构始发前应验算盾构反力架及其支撑的刚度和强度，反力架应牢固支撑在始发井结构上；盾构反力架整体倾斜度应与盾构基座的安装坡度一致。②应根据工程水文地质条件、盾构机类型、盾构工作井的围护结构形式等因素加固盾构工作井端头地基，承载力应满足始发要求。③应拆除刀盘不能直接破除的洞门围护结构，拆除前始发工作井端头地基加固与止水效果应良好；拆除时，应将洞门围护结构分成多个小块，从上往下逐个依次拆除，拆除作业应迅速连续。④洞门围护结构拆除后，盾构刀盘应及时靠紧开挖面。⑤盾构始发时应在洞口安装密封装置；盾尾通过洞口后，应尽早稳定洞口。⑥盾构始发时，始发基座应稳定，盾构不得扭转；千斤顶应均匀顶进，反力架受力应均匀；负环脱出盾尾后，应立即对管片环向进行加固。⑦盾构应在始发段50~100m进行试掘进，并应根据地质情况、施工监测结果、试掘进经验等因素选用掘进参数。(2)盾构正常掘进阶段应符合的要求：①土压平衡盾构掘进，开挖土体应充满土仓，并应核算排土量和开挖量；泥水平衡盾构掘进，泥浆压力与开挖面水土压力、排土量与开挖量应保持平衡。掘进过程中，应采取防止螺旋输送机发生喷涌的措施。②盾构掘进应随时监测和控制盾构姿态，使隧道轴线控制在设计允许偏差范围内。实施纠偏应逐环、小量纠偏，防止过量纠偏损坏已拼装管片和盾尾密封。③盾构机不宜长时间停机，盾构刀具检查和更换地点应选择地质条件好、地层稳定的地段。在不稳定地层更换刀具时，应采取地层加固或压气法等稳定开挖面措施。维修刀盘应对刀盘前方土体采取加固措施或施作竖井。④盾构设备应在机器停止操作时维修；液压系统维修前，应关闭相关阀门并降压，电气系统维修前，应关闭系统；空气和供水系统维修时，应关闭相应阀门并降压；刀盘、拼装机等旋转设备部件区域维修前，设备应停止运转。(3)盾构到达接收阶段应符合的要求：①盾构到达前应拆除洞门围护结构，拆除前，工作井端头地基承载力、止水应满足要求；拆除时应控制凿除深度，洞口应安装止水密封装置。②盾构距到达接收工作井15m内，应调整掘进速度、开挖压力等参数，减小推力、降低推进速度和刀盘转速，控制出土量并监测土仓内压力。③隧道贯通前10环管片应设置管片纵向拉紧装置，贯通后应快速顶推并迅速拼装管片。同时应加强同步注浆和二次补充注浆，盾尾通过洞口后应及时密封管片环与洞门间隙。3.管片制作与拼装(1)管片制作应符合的要求：①钢筋混凝土管片模具应具有足够的承载能力、刚度、稳定性和良好的密封性能并符合管片精度要求，管片模具应定期进行检校。②管片应先进行试生产，并随机抽取3环管片进行水平拼装检验，合格后方可正式生产。③管片原材料、钢筋加工、混凝土浇筑和养护应符合相关规范和设计要求。钢筋混凝土管片不得有内外贯通裂缝和宽度大于0.2mm的裂缝及混凝土剥落现象。④混凝土管片应进行检漏抽检测试，每生产200环应进行水平拼装检验1次。(2)管片拼装应符合的要求：①应根据上一衬砌环姿态、盾构姿态、盾尾间隙等确定管片排序。②应严格控制盾构机千斤顶的压力和伸缩量，并保持盾构姿态稳定。③应根据拼装要求逐块拼装，并及时连结成环。④管片连接螺栓质量和拧紧度应符合设计要求。⑤拼装管片时应防止管片及防水密封损坏。⑥对已拼装成环的衬砌环应进行椭圆度检查。⑦在曲线段拼装管片时，应使管片环向定位准确，隧道轴线应符合设计要求。⑧盾构管片拼装应设专人指挥；管片拼装和吊运范围内不得有人和障碍物；管片拼装时，拼装设备与管片连接应稳固，拼装完的管片应及时固定。4.壁后注浆盾构机掘进应进行同步注浆作业，为提高背衬注浆层的防水性及密实度，还应在同步注浆结束后进行补充注浆，注浆材料性能应符合设计要求。壁后注浆应根据工程地质条件、地表沉降状况、环境要求、设计要求及设备情况等选择注浆方式和注浆参数。注浆压力应根据地质条件、注浆方式、管片强度、设备性能、浆液特性和隧道埋深等综合因素确定。同步注浆注浆量、充填系数应根据地层条件、施工状态和环境要求确定，充填系数宜为1.30~2.50。注浆速度应根据注浆量、注浆压力和掘进速度确定。补充注浆的注浆量应根据环境条件和沉降监测结果等确定，壁后应充填密实。5.盾构施工运输盾构施工运输应符合下列要求：(1)

皮带输送机机架应坚固、平顺；启动皮带输送机前应发出声光警示，并进行空载试转，各部位运转应正常，皮带应连接牢固、松弛度适中；应在达到额定转速后均匀装料，并设专人检查皮带运转情况。(2)

轨道应平顺，钢轨与轨枕间应牢固，轨