地下空间10-盾构.ppt

1、盾构施工技术：插入盾构法；土压平衡盾构法：泥水盾构法；复合盾构法：顶管法。盾构机由系统1、液压传动系统2、电气控制系统3、集中润滑系统4、同步灌浆系统5、盾尾密封系统6、地面监控系统7、泡沫泥浆添加系统8和油温冷却系统8部分组成。整机的七大支撑技术：1 .土压平衡自动控制技术；2.衬里组件的远程控制技术：3.刀头驱动密封技术；4.油润滑技术；5.盾构姿态控制技术；6.可编程控制器程序控制技术；7.建筑数据管理技术。盾构是一种钢制移动防护装置或移动支架，是一种通过软弱含水层，特别是河底、海床和城市居民区修建隧道的机械。头部可安全开挖地层，尾部可与预制节段或预制块组装，快速组装成隧道永久衬砌。防护

2、罩的推进主要取决于防护罩内设置的千斤顶。适用条件：在软弱含水地层中修建隧道、水下隧道和地下铁路时，采用不同形式的盾构施工最有意义。特别是这种施工方法属于地表下的地下开挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节等条件的影响。盾构隧道的历史，盾构法隧道的建造始于1818年，法国工程师布鲁纳；1825年，该隧道首次在英国泰晤士河下用矩形盾建造；近代以来，日本的盾构法发展迅速，应用越来越广泛，开发了大量的新型盾构；1957年，一个2.6米的小盾首次出现在中国北京的下水道工程中。上海延安东路越江隧道采用直径11.0米的大型盾构。隧道断面，1-进气管；2-进气口；3-空气出口；4-排气管；5-路面(下拉

3、杆)6-天花板(上拉杆)；7-井架；8-照明灯；9-灭火器；10-消防栓；11-电缆；12-排水管；13-供水管；14-纵向螺栓；15-环向螺栓、根据其形状进行分类，包括圆形(也称为半屏蔽)、矩形、马蹄形等。由于圆形衬砌具有理想的抗水和抗土压力能力，因此易于组装，其构件可以互换，这种做法更为普遍，且数量最多。圆形屏蔽有两种类型：开放式屏蔽和封闭式屏蔽。6.2屏蔽结构和分类6.2.1屏蔽的基本结构，1-1(缺口环)；2-2(支撑环)；3-3(纵剖面)通常由盾壳、推进系统、装配系统和挖掘系统组成。1)屏蔽外壳，由缺口环、支撑环、屏蔽尾、垂直隔板和水平隔板组成，由外壳钢板连接成一体。切口环：开挖；上

4、下宽度可以相等或不等，甚至可以移动。容纳各种特殊挖掘设备。支撑环：承载载荷的核心部件，是一种刚性好的环形结构。水平隔板和垂直隔板：增加盾构的刚度，承受水平拉力和垂直压力。盾尾：掩护工人在里面安装衬里。2)推进系统由盾构千斤顶和液压设备组成，上、下、左、右活塞杆的伸出长度不同，以达到纠偏的目的。屏蔽千斤顶通常沿支撑环的圆周均匀分布；3)装配系统，衬里装配机，也称起重臂，是装配系统的主要设备，由油压系统提供动力，起重臂通常安装在支撑环上。举重臂可以旋转和径向移动，也可以沿着隧道的中心轴线往复运动。这些运动的准确性应确保待装配的节段上的螺栓孔能够与装配好的螺栓孔对齐，以便进行螺栓固定。4)开挖系统，

5、一般有三种开挖方法：(1)轨道运输：带式输送机的矿车孔垂直提升至地面。(2)无轨运输：自卸汽车(3)管道运输：混合泥浆，压力输出，连续开挖，6.2.2盾构分类及其适用范围，表6-1。1)人工开挖和半机械敞胸护盾全部打开，c层2.挤密胸围盾用于塑性粘土和淤泥中，盾前用胸板密封。后兰隧道、林肯隧道和大埔公路隧道均采用半挤压和全挤压盾构施工。椭圆形经常出现在衬里结构中。首先，衬砌的水平直径减小，垂直直径增大。然后，当屏蔽远离时，垂直直径减小，水平直径增大。主要原因是隧道上方的土体结构被破坏和抬升，形成卸荷拱，而水平压力仍保持初始值。3)机械封闭式胸部屏蔽，(1)局部气压屏蔽，(2)泥浆压力屏蔽，(3

6、)土压平衡屏蔽，表6-1、6.2.3屏蔽体几何尺寸的选择和屏蔽体千斤顶推力的计算主要是指屏蔽体外径D、屏蔽体长度L和屏蔽体灵敏度L/D。最小建筑间隙值x=m=m d=d 2 (x)=0.020.01 (d-4)，2)屏蔽体长度L，L=L0 L1 L2 L3 L0屏蔽体尾部长度；L1支撑环长度；L2切口环长度；L3前檐长度。3)屏蔽灵敏度L/D，经验值：小屏蔽D=23m米，L/D=1.5中屏蔽D=36m米，L/D=1.00大屏蔽D=69m米，L/D=0.75超大屏蔽D12米，L/D=0.450.75，4)屏蔽尾部内壳与衬砌结构之间的摩擦力：屏蔽切削刃切入土层的阻力；切入土层时盾构切割环的前阻力；

7、开挖面前支撑阻力；以及盾构自重引起的阻力、纠偏时的阻力、局部空气压力或泥水压力、阻力板阻力等。日本盾构总推力经验公式，6盾构衬砌结构，介绍盾构结构及分类，盾构推进及衬砌组装；圆形衬砌结构、内力计算和管片结构设计，了解盾构隧道的功能和适用环境。了解圆形衬砌结构的设计方法和结构要求。表6-2，盾构总推力，6.3盾构推进和衬砌组合，6.3.1盾构推进已建隧道所用的大直径盾构，大部分属于手挖明胸盾构或闭胸挤压盾构，或两者兼有。很少使用先进的泥水盾构或EPB盾构。本节主要介绍在软弱含水地层中人工挖孔扩底盾构施工的几种施工方法，辅以气压、人工井点降水等地层加固措施。1)、人工井点降水和人工挖孔敞胸盾构施工

8、，人工井点降水经济、适用于漏风量大的砂土。地下水位下降，地层排水，土体强度增加，保证开挖面的稳定性。盾构穿越地下水位以上，施工场地相对干燥。一般采用喷射井点，深度为27米，这样埋深为25米的隧道可以顺利开挖。具体过程：(1)首先利用盾构千斤顶推进盾构，将缺口环部分切入地层，然后在缺口环的保护下开挖并运输土壤，对周围地层的扰动较小。(2)分层开挖，施工工具为普通手动工具或手持式气动工具。(3)每个环段可分次开挖和推进，超挖可用于解决盾构纠偏。(4)开挖面可由支撑千斤顶和支撑板临时支撑；(5)使用格栅护罩时，防止护罩后退。2)采用气压和人工开挖的明挖盾构施工，利用气压对松软不稳定的含水地层中的开挖

9、面进行排水和支护，防止涌水、开挖面坍塌，提高地层强度，是一种古老而有效的施工方法。(1)空气压力和空气消耗量的测定理论上，每10m水头必须与0.1兆帕空气压力平衡。实际上，它只是理论压力的50%，空气体积只是理论空气体积的10P%。对于中小型盾构，压力等于距盾构上端约D/2的地下水压力；大直径盾构2/3 D处的地下水压力；顶部超压，所以应有足够的覆盖层。为了防止施工过程中的漏风，盾构顶部必须有足够厚的覆盖层，即如果覆盖层厚度太大，将直接影响隧道的埋深，而如果覆盖层厚度太小，则覆盖层厚度不够外国隧道法规；水下隧道最小覆盖层必须大于或等于盾构直径(日本)，覆盖层宽度应大于或等于盾构直径的6倍。空气

10、消耗量按经验公式计算：土系数，当压力大于0.1兆帕时，粘性土=3.65；沙土=7.30。(2)气压盾构施工，其中闸墙和风门的作用是将作业区与常压作业区分开。门壁必须有足够的强度和气密性。风门是由钢板铆接或焊接而成的圆柱形结构，分为两部分：人行门和外门。人行闸门的管理是气动施工中的一个重要环节，因此必须严格遵守气动操作的工作时间和进出气动闸门的转换时间，以防止减压病。3)泥水加压盾构施工，用泥水加压盾构代替上述气动盾构施工，克服了气动施工的缺点。地面沉降、减压病、覆盖深层土壤时施工气压过高、覆盖浅层土壤时漏气等。泥浆压力盾构是将压力为2m(其中h取2m)的泥浆压入盾构前方的密封仓内，使其压力始终

11、高于地下水压力，从而保持开挖面稳定的基本条件。6.3.2衬砌装配，隧道衬砌装配在由盾尾壳保护的空间内。成分：由铸铁、钢、钢筋混凝土或钢和钢筋混凝土的复合材料制成的段或块。结构应力和使用要求决定了盾构和衬砌的结构形式和组装方法。组装方法、重臂组件或拱形支架组件；通过接缝组装(纵向接缝环对齐的管片)或交错接缝组装；用螺栓或无螺栓块等连接的管段。按照其程序，可分为“先循环后循环”和“后循环”。用提升臂组装管片的原则应该是从下到上，左右交叉，最后形成一个环。6.4装配式圆形衬砌结构，“管片”是隧道竣工后的永久性支护结构，应满足强度要求和使用要求；在施工阶段，应便于组装和更换，并能承受盾构千斤顶的顶力和

12、其他施工荷载。箱形截面、平截面和肋形截面的材料长期以来主要是铸铁(见图6-6c)和钢。环宽和环厚，国内外常用的环宽为750-1000米；曲线段推进时，配有楔形段，楔形段根据隧道曲率半径计算；管片厚度一般为250600毫米。分为6810条大断面隧道和46条小断面隧道。线段的最大弧长一般不超过4米，线段越细，其长度越短。组装式，一般有通缝、错缝组装两种。纵向接缝环对齐称为贯通接缝，适用于拆除管片以建立侧通道或当结构需要相对柔性时，以便于结构处理。纵向节点相互交错，对称交错，其优点是加强了圆形节点的刚度，因此圆形结构可以近似按均匀圆环的刚度来考虑。因此，它们被广泛使用，缺点是错缝容易折断节段。环、纵

13、向螺栓和周向螺栓可根据接头的内力设置成单列或双列。双排：外排螺栓抵抗负弯矩，内排螺栓抵抗正弯矩。纵向螺栓的目的是使隧道衬砌结构具有抵抗隧道纵向变形的能力。一段配有34个螺栓。通常，高强度合金钢和直螺栓被用作螺栓材料。6.5内力计算和管片结构设计，6.5.1设计原则隧道衬砌费用占40P%，安全可靠，经济合理。本节重点介绍预制钢筋混凝土管片。满足结构的强度和刚度：土压力、水压力和特殊荷载，计算内力和位移满足提出的安全质量指标要求：裂缝发展宽度、接缝变形和直径变形允许量、隧道抗渗和防漏指标、结构安全和衬砌内表面平整度，满足使用要求的工作环境，保持隧道内部干燥清洁。内力计算方法，在饱和含水地层中，由于

14、内摩擦角很小，主动土压力和被动土压力几乎相等，结构变形不会产生很大阻力。假设结构可以自由变形，不受地层约束。认为圆环只在外荷载作用下工作，底层反力与之平衡。刚度降低。采用错缝拼装和贯通拼装，接头处的刚度远小于截面处的刚度，这与整体等刚度圆形衬砌有较大区别。根据日本数据，铸铁管片的接头刚度减速系数为0.91.0；钢筋混凝土段=0.50.7。总体而言，饱和含水地层中整体自由变形均质环计算方法的误差是可以接受的。在特殊情况下，当土层良好，变形后衬砌能提供相应的地层抗力时，内力可按弹性抗力的整体均质圆环计算。常用的有日本和苏联的假定抵抗法等。在多铰链环方法中，接头被视为“铰链”，整个环成为多铰链环。基

15、于：连接方式由刚性连接过渡到柔性连接。虽然它是一个不稳定的结构，但周围土层提供的附加约束和多铰环的变形提供了相应的地层阻力，使多铰环仍处于稳定状态。6.5.3荷载计算、多铰环计算方案、基本荷载(基本使用阶段)、临时荷载(施工阶段)和特殊荷载。1)基本荷载：(1)土压力：垂直土压力，水平土压力，(2)水压力：(3)衬砌自重，垂直土压力，拱背土压力，(104N/m)，地面超载，q3=1(104N/m)(日本资料)(当隧道埋深较浅时，水压力：顶部垂直向下的水压力底部垂直向上的水压力横向水平的水压力，水压力的叠加，衬砌自重，(104N/m)，均匀分布底部垂直力，平均拱压力平均垂直土压力：圆形隧道衬砌在

16、达到基本使用阶段之前，在组装时保持其自重产生的应力状态，应力状态与基本阶段产生的内力之和不能超过允许值。 对于自下而上组装的衬环，拱顶截面产生的内力最大：对应于支撑圆弧面的中心角、1米宽衬的自重和衬的内径。(2)管片组装和盾构推进引起的临时集中荷载。组装成环时，管片生产精度不高，端面不平整。拧紧螺栓时，管片通常会在局部产生较大的应力，导致管片开裂。或者由于拼装节段的累积误差，当盾构千斤顶作用在环向结合面上时，特别是偏心作用时，节段会在顶部开裂断裂。铸铁管片，薄壳厚，肋逐渐向法兰变化，承受106牛顿左右的盾构千斤顶顶力。改进方法是合理选择管片类型，提高钢模制作精度和管片混凝土强度。组装管片时提高组装质量。这也是一个更好的方式来使用交错接头组装。某地区管片灌浆局部粘结引起的环变形和集中荷载。荷载难以确定，只能采用附加安全系数来保证衬砌结构的安全。3)在特殊荷载阶段，特殊荷载是一种作用时间短的瞬态动力荷载，往往是控制衬砌结构设计的关键，在某些区域应考虑地震力。一般情况下，结