隧道施工技术 课件 13专家讲座二 盾构施工技术

盾构施工技术主讲人万姜林王超峰中铁隧道集团公司武汉项目部专家讲座二拼装衬砌二十一世纪是隧道及地下空间大发展的世纪

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二十一世纪，是中国地下空间开发的新世纪，随着国家基本建设的迅猛发展，隧道和地下工程的发展已经成为人们关注的焦点。从长大山岭隧道到越江隧道，从人工风钻作业到盾构机施工机械化，中铁隧道集团加速了隧道和地下工程施工机械现代化的进程，实现了从传统机械到隧道掘进机时代的跨越，而且着力于隧道掘进机的研发，努力实现隧道掘进机的国产化，从而为我国隧道和地下工程施工注入了全新的理念。

隧道及地下工程是土木工程的一个重要领域，是人类拓展生存空间的重要方式，与地面建筑相比，由于隧道及地下工程具有节能、环保、节约土地资源、抗震防灾、防御战争损毁等优势，因而在铁路公路、水利水电、能源、城市交通、停车场、商业、仓储、物流、国防等各方面都广泛地采用。据2003年底统计，在铁路、公路、水利水电等领域已建成近万座隧道，总延长达到六千多公里；目前仍以每年新修隧道300公里以上的速度在增加，在北京、上海、天津、广州、深圳、南京等特大城市已建成运营地铁200多公里，在许多城市建成了相当数量的地下商场、地下管廊、停车场、人防洞室等。我国已成为世界上隧道数量最多、建设规模最大、发展速度最快的国家。1、隧道和地下工程在我国的发展状况

随着城市的发展，面临着土地紧张、环境污染、交通拥塞、能源浪费、防灾安全等影响城市持续发展的问题。为突破土地资源不足制约发展的瓶颈，必须科学、合理、有序开发地下空间，走内涵的城市持续发展之路。地下空间开发利用的重点是地铁、越江隧道、地下车库、地下商业街及其步行通道、防洪排涝地下雨水调节池、雨污水地下收集处理设施、各类地下能源存储与供给设施、地下体育设施、科研设施、博物馆等。

（1）开发利用城市空间（2）西部开发将修建大量铁路和公路隧道西部地区多为山地，高等级公路越岭多采用隧道，因而隧道工程将较多，尤其会涌现出一些长隧道和隧道群。云、贵、川、藏铁路，沿江铁路以及南部沿海铁路等，都有大山阻隔，长大隧道和隧道群不可避免。沿海、沿江地区的进一步发展，需要解决大量的穿越江河湖海的交通问题。京沪高速铁路南京过长江的水下隧道、黄河水下隧道和穿越胶州湾、渤海湾、杭州湾、琼州海峡及台湾海峡的海底隧道也已在研究中。中国隧道向超长和水域发展，也将是在所必然。即将实施的南水北调工程，有东、中、西三个方案，尤其是中线、西线方案，实施将会有穿越黄河隧道。（3）越江跨海隧道将要修建

国家能源储备的加快需要建设更多的地下储藏洞室；水利水电资源的开发，将要修建更多的输水（引水）遂洞及地下厂房。

这些充分表明：随着国家经济建设的发展，对隧道和地下工程的需求将会继续大量增加，隧道及地下工程的修建难度将更大，建设的技术标准要求将更高，这对我们隧道及地下工程界是一个不小的挑战。

（4）地下工程在其他领域的发展需求

隧道及地下工程施工技术的现状

隧道及地下工程已在我国基础设施中占有重要比重，为国民经济和社会发展、人民生活的提高以及环境的保护与改善都起到了积极而重大作用。我国工程技术人员不畏艰辛，大胆实践，勤于研究，敢于创新，在隧道和地下工程领域不断提高技术水平、创造新的方法，积极地吸收国外先进技术，推动我国隧道及地下工程事业的不断向前发展，使我国的隧道和地下工程在施工技术上居于世界先进水平的行列。建立了具有中国特色的隧道及地下工程的建造技术体系。

隧道及地下工程施工技术的现状

施工方法介绍现在隧道的修建有几个方法：山岭隧道的施工有两种方法：钻爆法和掘进机法；地铁的两种方法：浅埋暗挖和盾构法；过江过海为沉埋管道法和盾构法。这五种方法是地下工程比较常用的方法。钻爆法的发展过程

钻爆法，它经历了三个历程：50年代的钻爆法为第一阶段，如宝鸡到成都的线路就是人工修的，最长的隧道不能超过2公里，现在从宝鸡到成都的运量一年不超过900万吨；60-70年代为第二个阶段，也就是小型机械化阶段，用风钻打眼木支撑，当时隧道不能超过7公里，成都到昆明的运量是3000万吨。一百多年铁路隧道施工都没有摆脱“木支撑，小断面施工，小机械化”，即以人力或小型机械开挖岩体，以木料作为临时支护，再以模筑混凝土代替木支撑的施工工艺。70年代末，隧道施工技术进入了第三阶段。大瑶山双向隧道新奥法进行施工，成功的采用了新成果—深孔光面爆破、锚喷支护和监控量测等成套工艺，使隧道实现了大断面新奥法安全施工，为大型机械化作业创造了空间，提高了施工进度。被称为我国铁路隧道史的第三个里程碑。掘进机（TBM）施工法(硬岩)

全断面隧道掘进机(TunnelBoringMachine,简写为TBM)是一种专用的开挖设备。它利用机械破碎岩石的原理，完成开挖、出碴及混凝土（钢）管片安装的联合作业，连续不断地进行掘进。全断面岩石掘进机一般分为敞开式和护盾式。敞开式通常用于围岩稳定的隧道（洞）的开挖。若岩石质量指数为50%-100%、节理大于60cm，则首选敞开式。软弱围岩用敞开式掘进机施工时支护量大，并限制了撑靴的支撑能力，影响掘进进度，因此，一般软弱围岩所占长度的比例较大时，可考虑选用护盾式掘进机。对于地质勘察不够准确的工程，用敞开式掘进机更易及时探明前方地质情况和对不良地质进行及时处理。使用敞开式掘进机重点应考虑支护设备的配置，如超前钻机、锚杆钻机、钢拱架安装器、挂网设施、混凝土喷射装置等。而护盾式掘进机需要考虑加大推进系统的推进力，设置辅助推进系统，加强护盾设计和配置衬砌管片安装器等。

90年代，我集团公司在西安线(西安一安康)18.4km秦岭双线铁路隧道I号线使用了TBM(TunnelBoriingMachine隧道掘进机直径8.8m)，标志我国山岭隧道施工机械化水平又上了一个台阶。浅埋暗挖法

浅埋暗挖法是隧道工程和城市地下工程施工的主要方法之一,适用于对城市地面建筑物密集、交通运输繁忙、地下管线密布，且对地面沉降要求严格的地下结构物施工。浅埋暗挖法参考新奥法的基本原理，开挖中采用多种辅助施工措施加固围岩，充分调动围岩的自承能力，开挖后即时支护，封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系，有效地抑制围岩过大变形的一种综合施工技术。其工艺核心是“管超前、严注浆、短进尺、强支护、紧封闭、勤量测”。沉管法施工沉管法隧道主要应用于大江、大河等宽阔水域下构筑隧道。是将隧道管段分段预制，分段两端设置临时止水头部，然后浮运至隧道轴线处，沉放在预先挖好的地槽内，完成管段间的水下连接，移去临时止水头部，回填基槽保护沉管，铺设隧道内部设施，从而形成一个完成的水下通道。盾构工法介绍（详细介绍）盾构施工法是在地面下暗挖隧洞的一种施工方法，它使用盾构机在地下掘进，在防止软基开挖面崩塌或保持开挖面稳定的同时，在机内安全地进行隧洞的开挖和衬砌作业。其施工过程需先在隧洞某段的一端开挖竖井或基坑，将盾构机吊入安装，盾构机从竖井或基坑的墙壁开孔处开始掘进并沿设计洞线推进直至到达洞线中的另一竖井或隧洞的端点。盾构法工作原理

盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时文撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。盾构机施工主要由稳定开挖面、挖掘及排土、衬砌包括壁后灌浆三大要素组成。其中开挖面的稳定方法是其工作原理的主要方面，也是区别于硬岩掘进机或比硬岩掘进机复杂的主要方面。大多数硬岩岩体稳定性较好，不存在开挖面稳定问题。盾构简介

按结构特点和开挖方式分为：手掘式盾构挤压式盾构半机械式盾构机械式盾构手掘式盾构：有敞开式、正面支撑式和棚，须辅以疏干地层措施，适用地层广，特别是地下障碍较多的地层。（中隧集团曾使用过的插刀盾构属此类）挤压式盾构：有全挤压、局部挤压、网格等形式，仅适用于软弱黏性土层。半机械式盾构机械式盾构：

开胸式闭胸式

泥水加压土压平衡复合式

泥水式盾构机是通过加压泥水或泥浆(通常为膨润土悬浮液)来稳定开挖面，其刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间形成泥水室，里面充满了泥浆，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。泥水式盾构3-11人孔闸工作舱工作区开挖舱MixshieldTBMTwobulkheadTBM-Stonecrusher土压平衡式盾构机是把土料(必要时添加泡沫等对土壤进行改良)作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土料增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量(旋转速度)进行调节。土压平衡盾构土压平衡盾构机及其结构1.刀盘

2.主轴承3.推进油缸4.空压仓5.螺旋输送机6.管片安装机7.出料口8.管片倒运车9.管片吊机10.皮带运输机渗透性––10––1––10-1––10-2––10-3––10-4––10-5––10-6––10-7––10-8––10-9––10-10––10-11––10-12卵石粗砂砾中砂砾细砂砾粗砂中砂细砂粉砂,砂性粘土淤泥粘土k(m/s)––10––1––10-1––10-2––10-3––10-4––10-5––10-6––10-7––10-8––10-9––10-10––10-11––10-12k(m/s)土压盾构泥水盾构盾构类型盾构法施工工艺管片预制盾构进、出洞土体加固方案自凝灰浆防水帷幕深井降水管无筋低标号地连墙地基加固降水后地下水位工作井地连墙3-15盾构掘进3-18盾构掘进时主要对切口水压、掘进速度、切削量、泥水指标及盾尾注浆进行控制与管理。切口水压：掘进前计算好切口水压的上下限值，切口实际水压应控制在上下限值之间。掘进速度：正常条件下掘进速度为4cm左右，进出洞及遇到障碍物降低速度。注意实际排泥量与计算值的比较，避免造成严重超挖。泥水处理系统对泥水的比重、粘度、析水率等进行测量。盾尾密封油脂系统通过管道将油脂泵送至盾尾密封系统。油脂为一次性消耗，盾尾密封油脂桶与系统相连接，隧道人员应定时更换空桶。如果密封系统出现故障,将自动停止盾构机隧道掘进。管片拼装当盾构机推进一环距离后，盾构操作手把盾构机由推进模式转换成管片拼装模式。应控制盾构机现有的姿态和倾向，人工测量盾尾顶部、下部、左右两边的间隙，选择正确的管环位置，应特别注意封顶块的管片安装。工艺流程壁后补充压浆在穿越构筑物、地下管线时，二次压浆可弥补同步注浆的不足，大大降