隧道施工教学课件 13.2 盾构法施工

Tunnelconstruction

隧道施工

项目十二掘进机与盾构任务二盾构机施工学习目标www.islide.cc2知识目标通过本任务的学习，学生应了解盾构的类型、结构组成、适用范围；明确盾构的施工技术特点，理解土压平衡盾构的原理和实施方法；掌握盾构法施工的工序及技术措施。能力目标通过本任务的学习，学生能够具备组织盾构施工能力；具备盾构施工的技术管理能力。盾构机概述盾构，英文名称为“ShieldMachine”，它是一种具有金属外壳的筒状机械，主要用于软土隧道暗挖施工，在金属外壳的掩护下盾构可以同步完成土体开挖、土渣排运、整机推进和管片安装等作业，将隧道一次开挖成形。盾构施工法简称盾构法，就是用盾构修建隧道的方法，是地下暗挖隧道的一种施工方法。它使用盾构在地下掘进，在边防止软基开挖土砂崩塌和保持开挖面稳定的同时，边在机内安全地进行隧道的开挖作业和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工方法。盾构法是由稳定挖面、盾构挖掘和衬砌三大要素组成。盾构施工的主要原理是尽可能在不扰动围岩的前提下完成施工，从而最大限度地减少对地面建筑物及地基内埋设物的影响。（1）对周围环境的影响很小。（2）盾构是根据隧道施工对象“量身定做”的。（3）对施工精度的要求高。（4）盾构施工是不可以倒退的。盾构的特点1806年，法国工程师布鲁诺尔（MareIsambardBrunel）从蛀虫在船板上蛀孔成洞的过程中得到启示，提出了使用盾构掘进隧道的构想，并注册了专利。在1823年制作了世界上第一台盾构机，用于修建伦敦泰晤士河隧道。盾构机的发展1825～1843年，布鲁诺在伦敦泰吾士河下用盾构法修建458m长的矩形隧道（11.3m×6.7m）。布鲁诺尔矩形盾构示意图主体结构：盾体(前盾、中盾、尾盾)、刀盘、人闸后配套设备：台车、连接桥、管片运输设备、出土设备、液压系统、电气系统、注浆系统、监控系统等。盾构机的构造①-盾壳；②-刀盘；③-刀盘驱动马达；④-土仓；⑤-推进油缸；⑥-螺旋输送机；⑦-管片拼装机；⑧-衬砌管片；⑨-皮带输送机盾构机的构造按结构分：主机和后配套。按功能分：控制系统、主驱动系统、推进系统、出碴系统、管片运输及拼装系统、注浆系统、注脂系统、碴土改良系统、供电系统等。1.刀盘；2.主轴承；3.推进油缸；4.人舱；5.螺旋机；6.管片安装机；7.排土闸门；8.管片小车；9.管片吊机；10.皮带机盾构机的构造主要作用：1.开挖功能：切削掌子面土体，渣土通过刀盘开口进入土仓2.稳定功能：支撑掌子面，稳定掌子面3.搅拌功能：刀盘上搅拌器对土仓内渣土进行搅拌，使渣土具有一定的塑性，然后通过螺旋输送机将渣土排出（1）刀盘盾构机的构造

前盾又称切口环，是开挖土仓和挡土的主要部分，位于盾构机的前端，结构为圆筒形，里面主要装有刀盘驱动、人员舱、各种传感器及部件等。⑵前盾盾构机的构造（2）中盾

中盾紧接于前盾，位于盾构中部，通常为一个刚性很好的圆形结构。支承环是盾构的主体，承受着作用于盾构上的全部载荷。中盾内外沿布置推进油缸，内部布设有刀盘驱动装置、排渣装置、管片安装机及人行加压与减压闸室等，中盾的长度应根据上述设备的空间确定，其结构应有足够的刚度。盾构机的构造（3）盾尾

盾尾一般由盾构外壳钢板延伸构成，主要用于掩护隧道管片衬砌的安装工作。其内部设置管片拼装机，尾部有盾尾密封刷、同步压浆管及密封油膏注入管等。盾尾的长度应根据管片宽度、形状、拼装方式及盾尾密封刷的道数来确定，有时还需考虑施工过程中更换密封刷所需的空间。盾构机的构造（4）主驱动系统主驱动与刀盘连接，为刀盘旋转与开挖提供动力。主驱动主要包括法兰盘、主轴承、变速箱、减速机及驱动电机等组成。轴承变速箱减速机动力装置法兰盘盾构机的构造（5）推进系统推进系统主要由液压设备和千斤顶组成，为盾构掘进提供动力。盾构机的构造（6）导向系统导向系统用以掌握与控制盾构掘进过程中的各种参数，由经纬仪、ELS靶、后视棱镜、计算机及数据传输电缆等组成，能连续不断地提供盾构姿态的动态信息，并可将盾构控制在设计隧道线路允许的公差范围内。目前较先进的导向系统是VMT导向系统和PPS导向系统。盾构机的构造（7）管片装运系统

主要由管片拼装机、管片输送车及真圆保持器等组成，其功能是完成管片的输送，并按照设计轴线、位置与形状将管片拼装成环。盾构机的构造（8）壁后注浆系统主要由注浆泵与注浆管等组成，在管片拼装后向管片背后注入浆液，以填充管片背后空隙，固结地层，确保管片的位置与稳定。盾构机的构造（9）出渣系统对于土压平衡式盾构，出渣系统主要包括螺旋输送机、输送带及运输小车等。螺旋输送机是土压平衡式盾构的专用排土装置，其前端与渣土舱底部相连，后端延伸到盾尾末端与输送带相连接，其主要作用是将渣土连续输送给后部的渣土运输设备，同时可以通过调整转速控制出渣速度和出渣量，以保持排土量与切削量的平衡，从而保证土仓内土压的稳定。螺旋输送机皮带输送机盾构机的构造对于泥水平衡式盾构，其出渣依靠泥浆循环系统，所以泥水平衡式盾构的出渣系统主要有送泥管、排泥管、泥浆泵及地面的泥浆处理系统。泥水输送管路泥浆处理系统盾构机的构造后配套系统：包括渣土改良系统、盾尾密封系统、润滑系统、液压控制系统、电气控制系统、工业风系统、水循环系统等。后配套系统与前述各系统共同保证盾构正常掘进与隧道成型。（10）后配套系统盾构机的分类1.按断面形状分类盾构根据其断面形状可分类：单圆盾构、复圆盾构（多圆盾构）、非圆盾构，其中复圆盾构可分为双圆盾构和三圆盾构。非圆盾构可分为椭圆形盾构、矩形盾构、马蹄形盾构、半圆形盾构。复圆盾构和非圆盾构统称为“异形盾构”。

单圆盾构多圆盾构非圆盾构盾构机的分类球形盾构异型盾构盾构机的分类2.按支撑条件分类盾构按支护地层的形式分类，主要分为自然支护式、机械支护式、压缩空气支护式、泥浆支护式，土压平衡支护式五种类型。盾构施工（一）盾构法施工程序盾构法施工的概貌如图所示，其主要施工步骤为：1.在盾构法隧道的起始端和终端各建一个工作井；2.盾构在起始端工作井内安装就位；3.依靠盾构千斤顶推力（作用在已拼装好的衬砌环和工作井后壁上）将盾构从起始工作井的墙壁开孔处推出；4.盾构在地层中沿着设计轴线推进，在推进的同时不断出土和安装衬砌管片；5.及时向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和固定衬砌环位置；6.盾构进入终端工作井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推进。盾构施工（二）盾构掘进1.盾构密封装置和盾构出洞顺序为了增加开挖面的稳定性，需要适当向开挖面注水或注入泥浆，因此洞口要有妥善的密封止水装置，以防止开挖面泥浆流失。盾构施工2.土体开挖与推进土体开挖方式根据土质的稳定状况和选用的盾构类型确定。具体开挖方式有以下几种。（1）敞开式开挖在地质条件好，开挖面在掘进中能维持稳定或采取措施后能维持稳定，用手掘式及半机械式盾构时，均为敞开式开挖。开挖程序一般是从顶部开始逐层向下挖掘。（2）机械切削开挖利用与盾构直径相当的全断面旋转切削刀盘开挖，配合运土机械可使土方从开挖到装运均实现机械化。（3）网格式开挖开挖面用盾构正面的隔板与横撑梁分成格子，盾构推进时，土体从格子里是条状挤入盾构中。这种出土方式效率高，是我国大、中型盾构常用的方式。（4）挤压式开挖挤压式和局部挤压式开挖，由于不出土或部分出土，对地层有较大的扰动，施工中应精心控制出土量，以减小地表变形。a切入土层b土体开挖c衬砌拼装d壁后压浆1切口环2支撑环3盾尾4推进千斤顶5管片6盾尾空隙盾构施工（三）衬砌施工与衬砌防水1.衬砌施工盾构法修筑隧道常用的衬砌方式有：预制管片衬砌、模筑混凝土衬砌、挤压混凝土衬砌、先拼装管片后现浇模筑混凝土的复合式衬砌等类型。管片是借助拼装机实现拼装成环。管片拼装可通缝拼装，亦可错缝拼装。通缝拼装是每环管片的纵向缝环环对齐，错缝拼装是每环管片的纵向缝环环错开1/2～1/3宽度。盾构隧道衬砌通常采用错缝拼装管片，接头则以螺栓连接。盾构施工（三）衬砌施工与衬砌防水2.衬砌防水（1）管片防水管片外防水涂层需根据管片材质而定，对钢筋混凝土管片而言，一般要求：①涂层应能在盾尾密封钢丝刷与钢板的挤压摩擦下不损伤；②当管片弧面的裂缝宽度达0.3mm时，仍能抵抗0.6MPa的水压，长期不渗漏；③涂层应具有良好的抗化学腐蚀性能、抗微生物侵蚀性能和耐久性；④涂层应具有防迷流的功能，其体积电阻率、表面电阻率要高；⑤涂层要有良好的施工季节适应性，施工简便，成本低廉。盾构施工（2）管片接缝防水管片接缝防水包括管片间的弹性密封垫防水，隧道内侧相邻管片间的嵌缝防水以及必要时向接缝内注入聚氨酯药液等。其中弹性密封垫防水最可靠，是接缝防水重点。当然，管片制作精度对接缝防水的影响不可忽视，一般要求接缝宽度不应大于1.5cm。①弹性密封垫防水一般情况下，要求弹性密封垫能承受实际最大水压的3倍。同时，还要求密封垫传给密封槽接触面的应力大于设计水压力。接触面应力是由扭紧连接螺栓、盾构千斤顶推力、密封垫膨胀等因素产生的，此外，当密封垫一侧受压力作用时也会产生一定的接触面应力，即所谓“自封作用”。日本主要普遍采用的密封垫型式如下图所示；德国则采用氯丁橡胶的4孔形密封垫。中国曾经采用过非水膨胀性和水膨胀性的密封垫，下图所示的密封垫可满足A、B型管片的要求。四孔形密封垫国产密封垫日本的密封垫类型盾构施工（四）盾构注浆为了防止隧道周围土体变形，有效控制地面沉降，在盾构施工中应及时对盾尾和管片间的空隙进行压注浆液，以增强隧道结构的整体防水性能，并改善隧道衬砌的受力状态。目前，衬砌背部注浆，一般都采用在衬砌脱出盾尾及盾构掘进时的盾尾同步注浆，且在60min内完成。盾尾注浆装置在盾尾的表面设置了若干块凸板，每个凸板内装置一根同步注浆管，一根备用管，一根为盾尾密封刷的密封油脂注入管。室密封剂泥浆管片泥浆刷式密封1刷式密封3刷式密封2尾部机壳盾构施工（五）盾构法施工地面沉降机理和防治采用盾构法施工时，一般在地表均会有变形，尤其在松软含水地层或其他不稳定地层中尤为显著，即使采用目前先进的盾构技术，要完全消除地面沉降也是不太可能的。地表变形的程度与隧道的埋深、直径地层特性、盾构施工方法、地面建筑物基础形式等有关。1.地表变形的规律盾构法施工时，沿隧道纵向轴线所产生的地表变形，一般在盾构前方约与盾构埋深相等的距离内地表开始产生隆起，在盾构通过以后地表逐渐下沉，其下沉量随着时间的推移由增加而最终趋于稳定，其变形规律如图所示。盾构施工2.导致地面沉降的因素

盾构法施工中，导致地面沉降的主要因素有以下几种：

（1）盾构掘进时，开挖面土体的松动和崩塌，破坏了地层平衡状态，造成土体变形而引起地表变形。

（2）盾构法施工中应采用降水疏干措施时，因地下水浮力消失，土体自重压力增加，地层固结沉降加速，引起地表下沉。

（3）盾构尾部建筑空隙充填不实导致地表下沉。施工纠偏及弯道掘进的局部超挖，均会造成盾构与衬砌间建筑空隙的不规则扩大，而这些扩大量有时难以估计或无法及时充填，给地表下沉带来影响。盾构施工（二）地表变形及隧道沉降的控制盾构法施工中做不到完全防止地表变形，但能够设法减少地表变形并使地表下沉得以控制，可以采取如下措施：1.采用灵活合理的正面支撑结构或适当压力的压缩空气来疏干开挖面土层，以此保持开挖面土体的稳定。2.采用技术上较先进的盾构，如土压平衡式盾构、泥水平衡式盾构、复合式盾构等。基本不改变地下水位，严格控制开挖面的挖土量，防止超挖。3.及时、有效、足量地充填衬砌背后的建筑间隙，必