盾构始发与到达施工技术.ppt

1、盾构始发与到达施工技术,张 兵 二一年十一月,一、引 言 二、盾构始发施工技术 三、盾构到达施工技术 四、思考题,目 录,城市地铁盾构施工具有快速、安全、对地面建筑物影响小等诸多优点，已经被越来越多的人们所认可。随着技术进步、认识提高、综合国力的增强，特别是随着该施工技术所显现的优势，盾构法越来越多地被国内地铁界所接受，北京、上海、广州、南京、深圳、天津、西安、成都、沈阳、杭州等城市都使用这种方法。虽然盾构有许多成功的工程实例，但是使用这种方法也有较大的风险。如盾构在隧道内只能前进，不可后退，一旦盾构本身出现致命的故障，可能就会产生灾难性的后果。而且使用盾构在对洞口进行加固处理的始发时阶段出问

2、题的概率很高，即使是非常有经验的承包商也常会发生类似事故。,一、引言,众所周知，盾构工法属地下水平掘进工法，所以在盾构机迸发前必须先用开挖法挖出一个地下空间，以备盾构机组装、始发作业对场地的需求，该地下空间称为始发基地。盾构机从始发基地出发一直掘进到用同样开挖法构筑的检修盾构，或盾构解体运出的作业基地称为到达基地。通常，这些地下空间(作业基地)是由地表竖直伸延到地中的筒形构造物构成的。该竖直筒形构造物通常称为竖井。 盾构始发和到达一般在竖井内进行。,竖井在盾构工法中有如下两个功能： （1）作为施工作业基地使用，即盾构机的搬入或搬出、组装或解体、始发或到达，管片等隧道构筑原材料、施工设备等物资的

3、运入运出；掘削下来的土沙的运出等作业。 （2）隧道构筑施工结束后，可把竖井空间作为通风井、排水井，入孔收藏地铁车站设备的空间等永久性地下构造物使用。,盾构始发是指在始发竖井内利用临时组装的管片、始发基座、反力架等设备，使始发基座上的盾构向前推进，从井壁上的到达口处贯入地层，并沿着规定路线掘进的一系列作业。盾构到达是指盾构推进到达竖井的井壁处，从井内侧把井壁上的到达口挡土墙拆除，随后盾构推进进入井内接收架上的一系列作业。始发和到达作业是盾构掘进施工中最容易产生事故的两道工序，也是最关键的一道工序。盾构机型不同，竖井井壁始发口、到达口的构造不同，始发、到达的作业也不同。,二、盾构始发施工技术,1.

4、始发工法及设备 2.地层加固方法 3.盾构始发施工 4.工程实例,根据拆除临时挡土墙方法和防止掘削面地层坍塌方法的不同，始发工法有以下几种类型：,1.始发工法及设备 (1) 始发工法,掘削面自稳法，是采取加固措施使掘削地层自稳，随后将盾构机贯入加固过的自稳地层中掘进，加固方法采用较多的当属注浆加固法、高压喷射法、冻结法。,双重钢板桩法，是把始发竖井的钢板桩挡土墙作成两层。拔除内层钢板桩后盾构机掘进，由于外层钢板桩的挡土作用，可以确保外侧土体不会坍塌，即确保盾构稳定掘进。当盾构推进到外层钢板桩前面时，停机拔除外侧钢板桩，由于内、外钢板桩间的加固土体的自稳作用，完全可以维持到外侧钢板桩拔除后的盾构

5、机的继续推进。,开挖回填法，是把始发竖井作成长方形(长度大于2倍盾构机的长度)，井中间设置隔墙(或者构筑两个并列竖井)，一半作盾构机组装始发用，当盾构机推进到另一半井内时回填。由于回填土的隔离支承作用，可以确保拔除终边井壁钢板桩时地层不坍塌，为盾构安全贯入地层提供了可靠的保障。,SMW拔芯法，是用SMW法挡土墙作竖井始发墙体里侧衬里，盾构机始发前拔除芯材工字钢，随后盾构始发掘削没有芯材的井壁。,NOMST(Novel Material Shield-cuttable Tunnel-Wall System)即盾构直接掘削新型材料墙体的方式。因此，把盾构直接掘削新材墙体的始发、到达的施工方法称之为

6、NOMST工法。该工法的优点是始发口墙体材料可用刀具直接掘削，但不损破刀具，可以略去以往必须的盾构始发、到达部位的挡土墙外侧土体的加固(注浆工法、深层搅拌等工法)，具有造价低、施工周期短、安全等优点。,电蚀直接始发、到达工法，也称EW工法，它利用电蚀效应溶蚀竖井挡土墙钢筋芯材，使其芯材劣化达到可用盾构机刀具直接掘削的程度，然后盾构机可顺利的直接掘削井壁，使盾构直接始发到达。该工法由日本学者向谷常松等人提出。,把地下排柱桩连续墙工法(SMW工法)等挡土墙的盾构通过部位的桩芯材(矩形管)作为溶解阳极，再在矩形管的内部贴附上阴极和绝缘材，接通电源经过一段时间后桩芯材即被溶解、劣化成盾构刀具可以直接掘

7、削的状态，即可实现盾构直接始发、到达的目的。,本工法优点如下： 略去人力凿掘井壁的危险作业； 略去或减少辅助工法加固； 由于挡土墙芯材电蚀后刚性无存，故盾构机掘削挡土墙的作业变得容易，由通常的盾构设备即可掘削，无需特殊装置及超前刀具等设备； 因应力材为钢材，故可适应大深度竖井盾构始发。,始发作业，可以单独选用上述的任何一种工法，也可选用其组合工法。具体选用哪种工法，取决于地质、地下水、覆盖层、盾构直径、盾构机型、施工环境等因素，同时还应考虑安全性、施工性、成本、进度等要求。,盾构机始发的设备，包括始发座台、反力座、临时组装管环、入口及密封圈垫等。,(2) 始发设备,1）始发座台 可在其上组装盾

8、构机和支承组装好的盾构机，并且可使盾构机处于理想的预定始发位置(高度、方向)上，且可确保盾构机的始发掘进稳定。通常，始发座台用工字钢和钢轨等材料装配制作。 对始发座台的要求如下： 结构合理(可以确保组装作业的施工性)； 构件刚度好、强度高、不易损坏(承托几百吨重的盾构机)； 与竖井底板固定要牢靠、幌动变位小(确保盾构机位置稳定、确保推进轴线始终与设计轴线重合)。,钢筋混凝土盾构座台； 钢结构座台； 钢筋混凝土与钢结构组合座台。,盾构座台有如下三种形式：,钢筋混凝土盾构座台 通常是多块钢筋混凝土构造物的组合体，有现浇式和预制件拼接式两种，其优点是结构稳定、抗压性能好。,钢结构座台 钢结构始发座台

9、有现场拼接式和平底整体就安装式两种，其优点是加工周期短、适应性强。,钢筋混凝土与钢结构组合座台 这种座台聚集了和两种座台的优点，使用较多。,2）反力设备及临时组装管环 反力设备由反力座和临时组装管环构成，由管片运进和排土空间等条件确定其形状，由正式管片衬砌的起始位置确定临时组装管环、反力座的位置。反力设备针对必须的推力应具有足够的强度及推进时基本无变形的刚度，通常用工字钢安装反力座；临时组装管环使用容易处理的钢或高强度的铸铁管片拼接。临时管片的组装精度影响正式管片的真圆度，故应特别注意。在小断面盾构工程中，也有临时组装管环只组装下半环，上部为开口，不设反力座的例子。,3）始发导口及入口密封垫圈

10、 始发导口，为了确保盾构机出井贯入地层的轴线精度，通常在井内始发口处构筑一个一定宽度、一定厚度、内径略大于盾构机外径的，与盾构机纵断面形状相同的，环断面形状的筒状物。该筒状物与井壁连结到一起即为始发导口。始发导口的作用是限制盾构机的掘削摆动，确保盾构机的位置精度。,导口密封垫圈是填充在导口与盾构机或导口与管环间隙中的垫圈，其作用是止水，以便确保施工的可靠性和安全性。盾构机开始推进后，可对掘削面加压，盾构机尾部通过之后，即可进行背后注浆，尽早稳定导口。特别是泥水盾构始发后，必须保持泥水压力。为了不使导口密封垫圈发生破损和反转，必须周密地考虑盾构机始发口的净空和垫圈的质材、形状及尺寸。,导口衬垫实

11、例,导口密封垫圈，由止水垫圈、防止垫圈反转的压板及固定它们的铁件构成，在构筑混凝土始发导口时被固定在混凝土导口上。压板多为滑动式，但必须可随盾构机的移动随时调整。近年来用铰接结构的压板(翻板式)增多，节省了压板调整工时，提高了在盾构机下部狭窄空间内作业的效率。,地层加固的目的： 消除构筑竖井时造成的周围土体的松动； 防止拆除临时挡土墙时振动的影响； 在盾构机贯入掘削面前或被拉入竖井内前能使地层自稳及防止地下水流入； 降低对入口填塞物的压力； 防止因掘削面压力不足引起的掘削面坍塌； 防止对地表沉陷或对埋设物的影响。,2.地层加固方法,以往盾构工程中，始发、到达部位的地层加固，以注浆工法为主，但近

12、年来随着盾构隧道埋深和断面的增大，迫切需要高强度的加固。此外，由于拆除连续墙等地下墙很费时间，故要求地层加固能长时间稳定。因此，为了使地层达到高强度，能长时间稳定，且能与挡土墙紧密粘接，采用涂层搅拌混合法和冻结法的实例逐渐增多。,加固强度 一双重过滤管法(单相式)；一双重过滤管法(双相式)； 一双层管双栓塞法,（1）注浆加固工法,注浆的加固效果，主要是增强粘聚力，对其它因素影响不太大。,计算模型(注浆施工法),作为惯用的计算方法，是以加固后地层的抗剪阻力对抗拆除临时墙有可能进入竖井的土块的计算模型来进行研究的。,加固断面的大小是通过隧道断面掘削推求隧道周围产生的塑性区，将这一范围作为地层加固范

13、围，确定上部和侧面的厚度。 就施工性而言，从地面、井内均可施工，即施工性好且经济。但地层加固的可靠性低，加固强度有限，所以多用于改善止水特性。注浆工法中，材料和施工方法多种多样，需根据地下水、地质、施工环境等来确定，同时还要考虑所期待的加固效果，包括注浆量过大引起的地层隆起的处理对策等。,高压喷射注浆法可作为混凝土墙之类的一般临时建筑物的施工方法，它通过土质和结构力学计算，确定加固厚度。,（2）高压喷射注浆法,在高压喷射注浆的加固地层，随着始发时临时墙的拆除，主要承受土压和水压力。水平土压力考虑为静态土压力或主动压力，水压以调查结果为主，而在砂质地层多看成是土水分离的荷载，在透水性差的粘土看作

14、是土水一体的荷载进行评价。 若是砂质地层，将加固层看作是用竖井挡土墙支承的圆板来进行结构计算，确定加固宽度；若是粘土地层，则可假定为拆除临时挡土墙时形成的圆弧滑动面来确定加固范围。,计算模型(高压喷射注浆法),高压喷射注浆法采用的是地层土颗粒与固结材料的混合物置换的形态，所以加固地层的设计强度要根据土质和固结材料的品种进行分类。土体容重和内摩擦角取原地层值。安全系数(Fs)一般取1.5。,加固断面的计算与注浆工法相同，可根据挖掘隧道时，断面周围产生的塑性范围进行确定。塑性范围(R)可按隧道上部松动的方法推求，即挖掘地层的情况下，地中土应力失去平衡，在掘削断面的周围将产生附加应力。,采用高压喷射

15、注浆法所形成的直径，随施工地层的性质和施工深度而变化，一般是根据地层的N值进行设定。砂砾地层和粘聚力大的粘土层，有时不能形成满意的加固桩。另外，在施工深度超过40m时，应谨慎设定。,用于始发和到达保护的高压喷射注浆法是在设置竖井后从地面进行竖直施工的，其加固效果好，可靠性高。施工时，需有处理超高压射流切削下来的软泥的排泥坑。,冻结法是将自然状态下不均匀的地层通过冻结变成具有均匀力学性质的冻士，其优点是加固效果好，且冻土墙还能用温度来控制，可以确保长期处于稳定状态。对加固范围等的讨论与高压喷射注浆法一样，按一般临时建筑物来计算。,（3）冻结法,竖井前造成的冻土，是止水性好、强度高的加固层。作用于

16、冻土的垂直荷载按总土、水压力考虑，水平荷载按静态土压和水压考虑。,冻土的强度取决于土质、温度及盐分浓度。在地下水中含盐量较多的海岸沿线和填筑地设计中，应预先调查盐分浓度，然后按相应的强度进行设计。作为设计标准，砂质冻土的抗压强度为6MPa。 该设计标准因使用屈服值或承载力，所以需要设定安全系数。 作承重墙时取安全系数Fs2.0，但需根据其重要程度和有效尺寸，按2Fs3的范围进行设计。冻土墙温度分布不一样，故强度也不一样，但可按壁厚方向的平均温度对应的强度作为均匀结构物来对待。,在冻土圆板模型试验和解析中，若孔径fD/5，则认为满足周围固定条件，但在实际设计中，考虑到竖井墙背面地层扰动，临时墙施

17、工时对竖井墙体有加热影响等，所以对冻土厚度T，取fT/2，冻结长度取f2.5m。,考虑到钻孔直径和施工性冻结管直径采用8.9cm或10cm；埋设间距兼顾到施工性和成本因素一般定为80cm。 用冻结法进行始发保护，多采用从地面竖直冻结的方式。到达处多采用从竖井水平冻结的方式，加固强度大且稳定。存在流动地下水时，因推进速度不可能达到12m/日，因此要注意地下水状况和竖井内的漏水情况。形成冻土需要的时间，因条件而异，一般需4060日。此外，冻土会产生冻胀和解冻沉降，特别是在粘性土层场合下，对此应采取必要的措施也很重要。,由于在始发阶段存在以下几种特殊情况： 1）始发推进前需凿除车站的围护结构，凿除围

18、护结构后的土体在一定的时间段内必须保持自稳，不能有水土流失； 2）始发阶段盾构机主体在始发导轨上不能进行调向； 3）始发阶段的姿态及地面沉降控制比正常推进阶段更困难； 4）始发期间一些设备如管片小车、管片吊机，包括出渣都不能正常使用。有时也会存在盾构机因为车站结构的原因而不能整机始发。,3.盾构始发施工,始发流程图,（1）始发准备作业 采用泥水式盾构时，需配备泥水处理设备、泥水输送设备、背后注浆设备、器材搬运设备等。若为土压式盾构机，需配备出土设备、背后注浆设备、器材搬运设备等。在进行这些作业的同时，还要进行始发准备作业。 始发准备作业，包括始发台的设备、盾构机的组装、导口密封垫圈的安装、反力座的设置、后续设备的设置、盾构机