《隧道与地下工程施工》课件-模块五 机械开挖法隧道施工技术-单元1-盾构法施工

《隧道与地下工程施工》模块五

机械开挖法隧道施工技术

单元1盾构法施工——认识盾构法

《隧道工程施工》

盾构的基本概念1盾构的起源与发展2盾构法施工特点3本讲主要内容盾构法施工——认识盾构法01一、盾构的基本概念

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定义：盾构(ShieldMachine)是一种用于隧道暗挖施工，具有金属外壳，壳内装有整

机及辅助设备，在盾壳的掩护下进行土体开挖、土渣运输、整机推进和管片安装等作业，从而使隧道一次成形的隧道施工装备。

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盾构是一种隧道施工专用工程机械，实现了隧道快速、安全、环保施工的工厂化作业现代盾构集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。盾构已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等领域的隧道工程。盾构法施工——认识盾构法01一、盾构的基本概念

国之重器：盾构机盾构法施工——认识盾构法01一、盾构的基本概念

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盾构既是一种施工机具，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。

盾构机组成:

前部的切口环、中部的支撑环以及后部的盾尾。

盾构法施工——认识盾构法01一、盾构的基本概念

盾构形状：

圆形

椭圆形

半圆形

马蹄形

箱形等其他形式盾构法施工——认识盾构法01一、盾构的基本概念

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盾构的工作原理：就是一个钢结构组件沿隧道轴线边向前推进边对土体进行掘进。这个钢结构组件的壳体称“盾壳”，盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道段起着临时支护的作用，承受周围土层的土压、地下水的水压，并将地下水挡在盾壳外面。掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。

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“盾”-“保护”，指盾壳；

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“构”-“构筑”，指隧道开挖与同步构筑隧道主体结构。盾构法施工——认识盾构法01二、盾构的起源与发展

•盾构从1825年问世至今已有近200年的历史，人类第一次利用盾构法修建隧道是1825年。

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盾构的起源是在1806年，法国工程师马克.布律内尔由观察蛀虫在船的木头中钻洞，并从体内排出一种粘液加固洞穴的现象得到启发，在1818年开始研究盾构法施工，并于1825年首次使用盾构法在英国伦敦泰晤士河下，用一个矩形盾构建造世界上第一条水底隧道(宽11.4米、高6.8米)。盾构法施工——认识盾构法01二、盾构的起源与发展

•盾构始于法国，发展于日本、德国。

发展历程可分为四个阶段：（1）以马克布鲁内尔盾构为代表的手掘式盾构；（2）以机械式、气压式盾构为代表的第二代盾构；（3）以闭胸式盾构为代表（泥水盾构、土压平衡盾构）的第三代盾构；（4）以大直径、大推力、大扭矩、高智能化、多样化为特色的第四代盾构。

盾构法施工——认识盾构法01三、盾构法施工特点

1、盾构法概念

定义：盾构法(ShieldMethod)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。

盾构法施工——认识盾构法01

盾构机掘进盾构法施工——认识盾构法01三、盾构法施工特点

1、盾构法概念

与传统地铁隧道施工方法相比较，具有地面作业少、对周围环境影响小、自动化程度高、施工快速、安全、环保等优点。

随着长距离、大直径、大埋深、复杂断面盾构施工技术的发展、成熟，盾构法越来越受到重视和青睐，目前已成为地铁隧道的主要施工方法。盾构法施工——认识盾构法01三、盾构法施工特点

2、盾构法施工主要优点

（1）安全开挖和衬砌，掘进速度快；

（2）盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工劳

动强度低；

（3）不影响地面交通与设施，同时不影响地下管线等设施；

（4）穿越河道时不影响航运，施工中不受季节、风雨等气候条件影响，

施工中没有噪音和扰动；

（5）在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道往往具有技术和经济方面

的优越性。模块五

机械开挖法隧道施工技术

单元1盾构法施工-盾构选型

《隧道工程施工》

盾构选型原则1选型主要方法2本讲主要内容

盾构法施工-盾构选型

01一、盾构选型原则

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盾构机选型不合适或设备参数设计不当，轻则影响施工速度、拖延工期，而且有可能出现开挖面坍塌等问题，从而导致地表沉降和塌陷等，影响地面交通和环境，造成经济损失，重则引起重大工程事故，甚至隧道报废，出现人员伤亡。盾构法施工-盾构选型

01一、盾构选型原则

•盾构选型是盾构法隧道施工安全、环保、优质、经济、快速建成的关键工作之一。

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盾构选型应从安全适应性、技术先进性、经济合理性等方面综合考虑，所选择的盾构机形式要能尽量减少辅助施工法，并确保开挖面稳定和适应围岩条件。

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盾构选型总的原则是地质适应性第一位，以确保盾构法施工的安全可靠；在安全可靠的情况下再考虑技术的先进性，即技术先进性第二位；然后再考虑盾构的价格，即经济合理性第三位。

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盾构施工时，施工沿线的地质条件变化可能较大，在选型时一般选择适合于施工区间大多数围岩的机型。

盾构法施工-盾构选型

01一、盾构选型原则

1、盾构选型主要遵循下列原则:(1)

应对工程地质、水文地质条件有较强的适应性,首先要满足施工安全的要求；(2)

安全适应性、技术先进性与经济合理性相统一,在安全可靠的情况下,考虑技术先进性与经济合理性；(3)

满足隧道外径、长度、埋深、施工场地、周围环境等条件；(4)

满足安全、质量、工期、造价及环保要求；(5)

后配套设备的能力与主机配套,满足生产能力与主机掘进速度相匹配的要求,同时具有施工安全、结构简单、布置合理和易于维护保养的特点；(6)

盾构制造商的知名度、业绩、信誉和技术服务。

盾构法施工-盾构选型

01一、盾构选型原则

2、选型依据

我国幅员辽阔，复杂多样的工程地质、水文地质条件决定了盾构机的选择要有较高的适应性。

盾构机选型应以工程地质、水文地质条件为主要依据，综合考虑周围环境条件、隧道断面尺寸、施工长度、埋深、沿线地形、地面及地下构筑物等环境条件，以及周围环境对地面变形的控制要求、工期、环保等因素。

盾构法施工-盾构选型

01一、盾构选型原则

2011年5月6日凌晨7时30分许，天津地铁2号线建，国道—天津站区间隧道突泥涌水导致2台盾构机被埋

盾构法施工-盾构选型

01一、盾构选型原则

2、选型依据

（1）工程地质、水文地质条件

以Ⅰ、Ⅱ级围岩为主的隧道较适合采用敞开式盾构机施工以Ⅲ、IV级围岩为主的隧道较适合采用双护盾盾构机施工对于以V级围岩为主和地下水位较高的城市浅埋隧道或越江隧道则较适合采用盾构法施工。

盾构选型01一、盾构选型原则

2、选型依据

（1）工程地质、水文地质条件

以Ⅰ、Ⅱ级围岩为主的隧道较适合采用敞开式盾构机施工以Ⅲ、IV级围岩为主的隧道较适合采用双护盾盾构机施工对于以V级围岩为主和地下水位较高的城市浅埋隧道或越江隧道则较适合采用盾构法施工。根据主要穿越地层，粉土、粉质黏土、淤泥质粉土、粉砂层、软岩及软硬不均地层宜选用土压平衡盾构施工，开挖面渣土可直接进入土仓及螺旋输送机内，从而维持开挖面的稳定。

盾构选型01一、盾构选型原则

2、选型依据

（1）工程地质、水文地质条件

冲积形成的砂砾、砂、粉砂、黏土层、弱固结的互层，以及含水率高、开挖面不稳定的地层，洪积形成的砂砾、砂、粉砂、黏土层，宜选用泥水平衡盾构机施工。根据水文地质条件：隧道穿越江、湖、海时，隧道最大外部水压较大，如采用土压平衡盾构机施工，则易导致喷涌情况的发生，故宜选用泥水平衡盾构机施工。

盾构法施工-盾构选型

01一、盾构选型原则

2、选型依据

（2）隧道断面

大断面大直径隧道，且地面沉降控制要求高，均采用泥水平衡盾构机施工

（3）周围环境条件

泥水平衡盾构施工需配置泥水分离系统，占地面积大，影响交通和市容；而土压平衡盾构机占地面积小，对交通影响小。

盾构法施工-盾构选型

01二、盾构机选型方法

对于土压平衡盾构机或泥水平衡盾构机，通常可以根据地层的渗透系数、地层颗粒级配选型、地下水头压力来进行选型。（1）根据地层渗透系数选型

当地层渗透系数小于10-7m／s时，可以选用土压平衡盾构机；

当地层渗透系数在10-7～10-4m／s之间时，既可以选用土压平衡盾构机，也可以选用泥水平衡盾构机；

当地层渗透系数大于10-4m/s时，宜选用泥水平衡盾构机。

盾构法施工-盾构选型

01二、盾构机选型方法

（2）根据地层颗粒级配选型

土压平衡盾构机：主要适用于粉土、粉质黏土、淤泥质粉土、粉砂层等黏性土层的施工；黏土、淤泥质土区，为土压平衡盾构机适用的颗粒级配范围；

泥水平衡盾构机：砾石粗砂区，为泥水平衡盾构机适用的颗粒级配范围；

粗砂、细砂区，可使用泥水平衡盾构机，也可经土质改良后，使用土压平衡盾构机。

盾构法施工-盾构选型

01二、盾构机选型方法

（3)

根据地下水压选型

当地下水压大于0.3MPa时，宜选用泥水平衡盾构机；

当水压大于0.3MPa时，如因地质原因需采用土压平衡盾构机，则需采用以下某一措施或若干措施的组合:①增大螺旋输送机的长度；②采用二级螺旋输送机；③采用保压泵；④通过渣土改良来有效提高渣土的抗渗性。模块五

机械开挖法隧道施工技术

单元1盾构法施工技术-施工准备

《隧道工程施工》

盾构法施工的准备工作1本讲主要内容盾构法施工技术01一、施工准备

盾构法施工的顺序大致可分为：施工准备与掘进施工过程施工准备(1)

施工场地布置(2)

修建竖井(3)

搭建始发支撑体系（反力支架）(4)

盾构机的搬入、组装及启动

掘进施工过程(1)盾构机的推进、操纵、运行(2)掘进中的隧道支护（管片安装）(3)地层与隧道之间的间隙处理（空隙的注浆）(4)盾构机到达终点与后续施工等盾构法施工技术01一、施工准备1.施工场地布置施工前，应根据场地大小、水电接驳、排水设施等方面综合考虑盾构施工阶段的场地布置。盾构法施工技术01一、施工准备

2、修建竖井

始发竖井：在盾构起始位置上要修建一竖井进行盾构的拼装和始发

盾构到达井或盾构拆卸井：在盾构施工的终点位置也要修建竖井，拆卸盾构并将其吊出。盾构法施工技术01一、施工准备

2、修建竖井修建竖井的目的：

为盾构机组装、固定、始发及设置附属设备(始发井)。

作为盾构机掘进中出渣、搬运物资器材的基地。

盾构机到达终点时的吊出(终点竖井)。

当隧道较长，掘进时的出渣、材料的搬运较困难时，需设置中间竖井。

当隧道建成后，这些竖井常常被作为隧道的附属设备而被利用，如作作为通风井、排水井等使用。盾构法施工技术01一、施工准备

2、修建竖井竖井分类：

按竖井的用途，可分为盾构始发竖井和接收竖井，而在竣工后竖井多被用作地铁车站、排水、通风等永久性结构。

始发竖井

接收竖井

中间竖井工作井类型盾构法施工技术01一、施工准备

（1）始发竖井

始发竖井即始发盾构的竖井。从地表将盾构的分解件及附属设备搬入始发竖井，然后在井内组装和调试盾构后，开始按预定方向开始掘进，因此需设置盾构反力装置和盾构始发洞口。

始发竖井的另一个功能是运输存放盾构始发掘削中需要的各种器械及材料的基地。

始发竖井及其周围的场地是一个停放出土设备、起吊设备、管片编组、各种机电设备、背后注浆设备、原材料等的场地。盾构法施工技术01一、施工准备

（1）始发竖井盾构法施工技术01一、施工准备

（2）接收竖井

盾构接收竖井用于接收在土层中已完成了某一阶段推进长度的盾构。盾构进入接收井后，或实施解体，或进行维修保养，为继续推进作准备，或作折返施工。

地铁隧道的盾构始发竖井和接收井的间距为1000m左右，一般利用地铁车站两端，因此统称为端头井。盾构法施工技术01一、施工准备

（3）中间竖井

对长距离隧道来说，因盾构检修、隧道通风、路线中途改变掘进方向等需要设置的竖井，称为中间竖井。由于盾构要在中间竖井内实现到达、始发，所以到达方向的内空尺寸及始发方向的内空尺寸，均应满足作业要求。

此外，按照一些设施的特殊需要，有时也要设置中间竖井，如下水道的合流点、电力线的接合点等，但是这些设施竖井的尺寸完全取决于设施安装的需要。盾构法施工技术01一、施工准备盾构竖井的一般要求

盾构始发竖井是用于组装、调试盾构，隧道施工期间作为管片、其他施工材料、设备、出清的垂直运输及作业人员的出入通道。竖井的平面净尺寸必须满足上述各项的要求。一般情况下在盾构两侧各留1.5m作为盾构安装作业的空间。盾构的前