盾构施工技术

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第五章 盾构施工技术 第四节 盾构尺寸和盾构千斤顶推力的确定 盾构是针对性很强的专用施工机械。 每个盾构法施工的隧道要根据地质水文条件、隧道断面尺寸、建筑限界、衬砌厚度、衬砌拼装方式等专门设计制造专用盾构。 盾构设计内容 ： 1 、盾构的几何尺寸：盾构外径 D 、盾构本体长度 Lm 、盾构灵敏度 Lm/D ； 2 、千斤顶的推力。 一、盾构外径 D 盾构外径 D 根据管片外径、盾尾空隙、盾尾板厚确定。 D=D 0 +2(x+t) 式中 D 0 —— 管片外径； t—— 盾尾钢板厚度，根据经验公式选用 t=0.02+0.01(D-4), 当 D ＜ 4m 时，第二项为 0 ；即当 D ＜ 4m 时， t=20mm ；当 D=10m 时， t=80mm 。 x—— 盾尾空隙。管片组装时富裕量， x=0.01 D 0 ～ 0.008 D 0 ， 根据日本经验， x=20 ～ 30mm 。 二、盾构长度 L 盾构长度 L—— 盾构前端至后端的最大距离， 即全长。 盾构本体长 Lm—— 盾构壳体范围内的盾构长度。 Lm=L H +L G +Lr 式中 L H —— 切口环长度， L H =L 1 +L 2 L 1 —— 切口环前檐长度，取 300 ～ 500mm 。 L 2 —— 开挖所需长度，（能容纳开挖机具） 一般小于 2m 。 L G —— 支撑环长度，取决于千斤顶长度 （与管片宽度 b 有关）； L G =b+(200 ～ 300mm) ， 200 ～ 300mm —— 为便于维修千斤顶的富余量。 Lr —— 盾尾长度， Lr=kb+m+c 式中 k—— 盾尾遮盖衬砌长度系数， 取 1.3 ～ 2.5 ； m—— 千斤顶尾座长度； c—— 管片安装富余量，取 200 ～ 300mm 。 三、盾构灵敏度 Lm/D 盾构灵敏度 —— 从盾构结构上保持或改变掘进方向 的难易程度。采用 Lm/D 表示。 保证盾构灵敏度和推进稳定性的经验数据 （灵敏度） : 小型盾构： D=2 ～ 3m 时， Lm/D =1.5 中型盾构： D=3 ～ 6m 时， Lm/D =1.0 大型盾构： D=6 ～ 9m 时， Lm/D =0.75 特大型盾构： D=9 ～ 12m 时， Lm/D =0.45 ～ 0.75 四、千斤顶推力的确定 千斤顶群推力应足以克服盾构推进所遇阻力。 设计推力 —— 盾构推进所遇各种阻力总和。 装备推力 —— 各种推进阻力总和以及富裕量。 1 、推进阻力主要包括： 1 ）盾构壳体与地层间的摩擦力或粘结力 F 1 ； 2 ）切口环切入土层产生的贯入阻力 F 2 ； 3 ）开挖面正面阻力 F 3 ：对机械化开挖盾构， F 3 为作用于刀盘的推进阻力； 4 ）曲线施工、纠偏时的变向阻力 F 4 ； 5 ）盾尾板与衬砌间的摩擦阻力 F 5 ； 6 ）盾构后面平台车的牵引阻力 F 6 ； 2 、设计推力 盾构千斤顶推进阻力总和∑ F ∑F=F 1 +F 2 +F 3 +F 4 +F 5 +F 6 砂性土； 粘土。 —— 钢与土的摩擦系数； —— 钢与钢或砼的摩擦系数； —— 车轮与钢轨间的摩擦系数； G 1 —— 盾构重量； G 2 —— 衬砌重量； G 3 —— 平台车重量； P m —— 作用在盾构上的平均土压力； P f —— 开挖面正面阻力； C—— 土的粘结力； K p —— 被动土压力系数； R—— 地层抗力； u—— 开挖面周长； t—— 切环刀口贯入深度； S—— 阻力板（与盾构推进方向垂直伸出的板，以控制盾构方向）在推进方向的投影面积。 可用 F 1 +F 3 定义设计推力 因为， F 1 、 F 3 占总推力的 95—99% 。 3 、装备推力 Fe 盾构装备推力必须大于各种推进阻力总和 ( 即设计推力 ) 。 （ 1 ）根据设计推力和安全系数确定 F e F e = A · ∑F A—— 安全系数，通常取 2 。 （ 2 ）经验估算法 根据盾构外经和经验推力估算。 F e =0.25 π D 2 P 式中： P—— 开挖面单位面积经验推力。 P=700KN/m 2 ~1100KN/m 2 ( 人工、半机械化 ) P=1000KN/m 2 ~1300KN/m 2 ( 闭胸式，土压、 泥水加压平衡式 ) 4 、千斤顶数量、每个千斤顶推力 与断面大小有关。 千斤顶数量 N 估算公式 N=(D/0.3)+(2~3) 中小断面： 20~30 台， 600~1500KN/ 台 大断面： 31~40 台， 1600~2500KN/ 台 例 ： （ 1 ） 上海打浦路隧道 D=10.2m ，重量 400t ， 40 台， 2000KN/ 台，总推力 8000t ； （ 2 ） 上海延安东路隧道 D=11.26m ，重量 480t ， 40 台， 2200KN/ 台，总推力 8800t 。 第五节 隧道衬砌 一、 衬砌结构 根据隧道功能、外围土层特点、隧道受力等条件，隧道衬砌结构分为： 11 等分管片拼装图 单层结构 双层结构 1 、单层结构 预制管片装配式，隧道掘进时，随掘随装。 施工工艺简单，施工周期短，投资省。优先采用。 二次衬砌的实例 2 、双层结构 在管片衬砌内再整体套砌一层混凝土（或钢筋混凝土）内衬（二次衬砌）。 多用于管片补强、防蚀、防渗、矫正中心线偏离、防震、使内表面光洁、隧道内部装饰。 按隧道使用要求，二次衬砌分为： 浇注底板混凝土 浇注 120 0 下拱混凝土 浇注 240 0 下拱混凝土 浇注全内衬混凝土。 二、 隧道衬砌管片类型 1 、按管片材料分类 （ 1 ）铸铁管片 —— 成本高、脆。应用少。 （ 2 ）钢管片 —— 成本高、易锈蚀、变形。 做临时衬砌（主隧与旁侧通道相接处）。 （ 3 ）钢筋混凝土管片 (RC 管片 )—— 易加工、耐腐蚀、造价低、运输安装易损坏。广泛应用。 C40 以上。 （ 4 ）复合管片 —— 钢壳混凝土管片 (SSPC) 扁钢加筋混凝土管片 (FBRC) 用于矩形、椭圆形等特殊断面。 （ 5 ）挤压混凝土衬砌 —— 盾尾现浇混凝土衬砌。 施工速度快、防水效果好、造价低。应用少，发展方向。 2 、按管片位置不同分类 标准管片 —— 若干块，两侧直边。 邻接管片 —— 封顶管片两侧各 1 块， 标准管片侧直边，封顶 管片侧斜边 封顶管片 ——1 块，两侧均为斜边 楔形管片 —— 转弯时用 上海地铁隧道外径 6.2m ，环宽 1m ，管片厚 0.35m ，由 6 块管片拼装而成。 平板式管片（标准片） 平板式管片（封顶管片、邻接管片） 3 、按形状分类 （ 1 ）箱型管片 —— 由主肋、接头板或纵向肋构成 的凹形管片。 （ 2 ）平板型管片 —— 具有实心断面的弧板状管片。 三、 钢筋混凝土管片尺寸与制作 1 、管片几何尺寸考虑因素 （ 1 ）运输能力 —— 水平运输、垂直运输 （ 2 ）拼装机举重臂能力 （ 3 ）盾构千斤顶行程大小 2 、管片宽度（衬砌环宽度） B B=750~1500mm ， 1000mm 左右 3 、管片厚度 δ 根据隧道直径、埋深、围岩荷载、施工荷载、材质等因素确定。 一般 δ =0.04 ~0.06D 当 D≤6m 时， δ =250 ~ 350mm 当 D ＞ 6m 时， δ =350 ~ 600mm 4 、管片最大弧弦长度：小于 4m ◢ 管片钢筋笼制作 高精度管片钢模 ◣ ◢ 高精度钢筋 混凝土管片 管片堆放及 防水条、衬垫 ◣ 四、衬砌环管片数量 与隧道直径 D 有关。 小直径 D=3m 左右， 4 块 中直径 D=6m 左右， 6~8 块 大直径 D=10m 左右， 8~10 块 五、管片拼装形式 1 、通缝拼装 —— 施工简单，用于主隧道完工后需建旁侧通道，便于拆卸管片。常用。 2 、错缝拼装 —— 空间刚度好，结构变形小，应优先采用。但应用较少。 上海地铁隧道直缝拼装 南京长江隧道错缝拼装 南京长江隧道错缝拼装 武汉长江隧道错缝拼装 武汉长江隧道错缝拼装 ◢ 管片试拼装 隧道拼装作业 ◣ 9.4 双圆隧道结构试验 第六节 盾尾建筑空隙注浆 盾尾建筑空隙 = 管片和土体之间的建筑空隙 一、注浆的作用 1 、防止和减少地面沉降； 2 、改善衬砌受力状态； 3 、提高衬砌防水抗渗能力。 二、注浆浆液的选择 1 、 壁后注浆主要材料 水泥、石灰膏、黏土、粉煤灰、黄沙、 水玻璃等。 2 、浆液选择考虑的因素 土质条件、工法的种类、施工条件、价格等因素。 应在掌握浆液特性的基础上，按实际条件选用最合适的浆液材料。 （ 1 ）双液型浆液 —— 根据施工经验，在地层不稳定、易塌方的砂砾层和的砂层时，同步注浆， 60% 使用双液型浆液（瞬凝型浆液）； 淤泥层、黏土层中使用双液型浆液的小于 50% ； 砂层、淤泥层，使用砂浆中添加纸浆纤维的浆液比例占 10% （速凝）。 （ 2 ）单液型浆液 —— 土体稳定，无须壁后注浆一定与掘进同时进行。对于砂砾层地下水含量大的地层来说，应选定不易被水稀释的浆液。 目前施工中使用最多的石灰膏浆液材料配合比见表 注浆材料配合比 ( 体积比 ) 序号 石灰膏 黏土 磨细 粉煤灰 黄砂 原状 粉煤灰 水玻璃 1 1 1 ～ 2 3 ～ 4 4 ～ 5 0.04 ～ 0.08 2 1 4 ～ 5 4 ～ 5 3 1 0.6 2.6 2 0.125 三、注入时期和注入方法 1 、壁后注浆的最佳注人时期 应在盾构推进的同时进行注入或者推进后立即注入； 2 、注入的宗旨 必须完全填充空隙； 3 、确定注人工法的先决条件 地层的土质条件。 对易坍塌的均粒系数小的砂质土和含黏性土少的砂、砂砾及软黏土，必须在尾隙产生的同时，对其进行壁后注浆。 当地层土质坚固、尾隙的维持时间较长时，不一定在产生尾隙的同时进行壁后注浆。 四、充填盾尾空隙的注浆方法 1 、 同步注浆 ：在盾构尾部外壳上设 2~6 根同步注浆 管 , 在盾构推进的同时进行注浆充填空隙。 2 、 壁后注浆 ：在管片上留有注浆孔 , 随时可进行壁 后注浆。 自下而上，左右对称，避免单孔超压注浆。 盾尾同步注浆管和壁后注浆孔示意图 五、注入量和注入压力 1 、注入量 —— 使用双液型浆液时，注入量多为理论空隙量的 150% ～ 200% ，也少量有超过 250% 的情况。 注入量原则 —— 必须能很好地填充尾隙。 壁后注入量影响因素 —— 渗漏损失、压力大小、土层性质、超挖、壁后注浆的种类等，这些因素的影响程度目前尚不明确。 施工中如果发现注入量持续增多，必须检查超挖、漏失等因素。而注入量低于预定注入量时可能是注入浆液的配比、注入时期、注入地点、诸如机械不当或出现故障所致，必须认真检查并采用相应的措施。 2 、壁后注浆压力 —— 大致等于地层阻力强度加上 0.1 ～ 0.2Mpa ，一般为 0. 2 ～ 0.4Mpa 。 二次注浆的压力要比先期一次注入的压力大 0.05 ～ 0.1Mpa ，并以此作为压力管理的标准。 地层阻力强度是地层的固有值，它是浆液可以注入地层的压力最小值。地层阻力强度因土层条件及掘削条件的不同而不同，通常在 0.1 ～ 0.2Mpa 以下，但也有高到 0.4Mpa 的情形。 六、二次注浆 需要进行二次注入的情形主要有：①一次注入后未充填到部位的完全充填；②一次注入浆液的体积缩减部分的补充注入；③为了提高抗渗透等施工效果而进行的注入。 七、注浆设备 壁后注浆设备 —— 材料储存设备、计量设备、搅拌机、贮浆槽（料斗、搅拌器）、注浆泵（压送泵、注入泵）、注入输浆管、注入控制装置、记录装置等构成，随注入方式的不同其构成也不同 。 注浆设备： 压浆可用往复活塞泵、单轴螺杆泵等。 注浆泵、储浆泵等均放在盾构后车架。 盾构后车架上的注浆设备 第七节 盾构法施工的出洞进洞技术 出洞 —— 盾构机从始发工作井开始向隧道内推 进时叫出洞； 进洞 —— 盾构机从隧道内到达接收井时叫进洞； 盾构机出洞、进洞是盾构法施工的重要环节。 需确定的技术方案 包括： 工作井设计与施工 工作井洞门的形式 洞门的加固 洞内设备布置等 . 盾构进洞 盾构出洞 一、 盾构机工作井 1 、工作井 为便于进行盾构安装和拆卸，在盾构施工段的始端和终端，建造的竖井或基坑。 始发工作井 在盾构施工的始端，满足盾构掘进机安装和出洞施工的要求，并用于运送人员、管片、材料、设备、出渣。 接收工作井 在盾构施工的终端，盾构隧道掘进完成后进入接收井 , 满足盾构拆卸或转场吊装移位的工作空间要求。 井下安装盾构 盾构推进进洞 2 、工作井建筑尺寸 作为拼装和拆卸用的竖井，其建筑尺寸应根据盾构拼装、拆卸及施工来确定，满足盾构装、拆的施工工艺要求。 始发工作井 井宽 B=D+1.5~2.0 ， D 为盾构直径； 井长 A=(1.5~2.0)Lm ， 主要考虑盾构设备安装余地，以及盾构出洞施工所需最小尺寸（初始出渣等所需空间）。 接收工作井 盾构拆卸井要满足起吊、拆卸工作的方便，其要求一般比拼装井稍低。 3 、盾构基座 位置 —— 置于工作井的底板上。 作用 —— 安装及搁置盾构； 通过基座上的导轨为盾构出洞导向。基座结构 —— 钢筋混凝土 ( 现浇或预制 ) ； 钢结构（常用）。 导轨夹角 —— 一般为 60° ～ 90° 。 钢结构基座 盾构基座布置示意图 4 、盾构后座（后盾） 盾构后座 —— 盾构刚开始向前推进 ( 出洞 ) 时，其推力要靠工作井后井壁来承担，盾构与后井壁之间的传力设施称为后座。 后座形式 —— 通常由隧道衬砌管片或专用顶块和顶撑作后座。 专用工作井的后座形式 —— 由后盾环和细石混凝土组成，盾构掘进的轴向力由其传递至井壁上。 利用地铁车站作为工作井的后座形式 —— 由后盾环、 3 榀 56# 工字钢柱和 609mm 钢管支撑组成，盾构掘进的轴向力由其传递至站台的顶板、底板上。 专用工作井时的后座形式 1-- 工作井井壁； 2— 盾构后座管片； 3-- 盾构基座； 4-- 盾构 利用地铁车站时的盾构后座形式 后座特点 —— 不能是整环，应有开口， 以作垂直运输通口； 开口尺寸由盾构施工的时 进出设备材料尺寸决定； 在第一环 ( 闭口环 ) 上都增加 后盾支撑，确保盾构顶力 传至后井壁。 后座拆除 —— 当盾构向前掘进达到一定距离（一般不小于 200m ），盾构顶力可由隧道衬砌与地层间摩阻力来承担时，后座即可拆除。 二、盾构出洞、进洞方式 临时基坑法、逐步掘进法、工作井法。 1 、临时基坑法 在采用板桩或大开挖施工建成的基坑内，先将盾构安装、后座施工及垂直运输出入通道的构筑完成，然后把基坑全部回填，将盾构埋置回填土中，仅留出垂直运输出入通道口，并拔除原基坑施工的板桩，盾构就在土中进行推进施工。 此种方法没有洞门拆除等问题，一般只适用于埋置较浅的盾构始发端。 2 、逐步掘进法 用盾构法进行纵坡较大的、与地面有直接连通的斜隧道施工时，其后座依靠已建敞开式引道来承担，盾构由浅入深进行掘进，直至盾构全部进入土层。 这种方法并没有盾构出洞、进洞的技术问题， 技术关键 是盾构在逐渐变化深度中，施工的 轴线控制 。 3 、工作井法 在垂直工作井上预留洞口及临时封门，盾构在井内安装就位。所有掘进准备工作结束后，即可拆除临时封门，使盾构进入地层。 目前使用较多。 竖井施工方法 —— 沉井法、地下连续墙围护、钢板桩围护、高压旋喷桩围护、冻结法。 竖井或基坑位置 —— 应尽量结合隧道规划线路上的通风井、设备井、地铁车站、排水泵房、立体交叉、平面交叉、施工方法转换处等需要来设置。 三、临时封门 临时洞门 —— 盾构施工隧道时，为确保洞口暴露后正面土体的稳定和盾构能够准确进洞、出洞，在工作井施工的同时，预留出来的隧道口，叫做临时洞门。 临时封门 —— 临时封闭的洞门。 常用的临时封门形式 按设置位置分有内封门和外封门； 按结构形式分有钢结构形式和砌体形式。 四、洞门土体加固 盾构出洞、进洞门的施工， 合理选用洞门结构形式； 洞外土体加固（直径大、土质差、隧道深）。 洞外土体自立稳定时，可不进行加固，盾构进出洞前拆除封门即可； 洞外土体不稳定时，应提前加固洞口土体，防止泥水涌入。 1 、土体加固方法 土体常用加固方法 —— 深层搅拌桩法、降水法、冻结法和注浆法等。 （ 1 ）搅拌桩法 —— 是软土地基加固和深基坑围护中的常用方法。施工机具简单、操作方便、造价低，尤其适用于施工场地较小的地方。 （ 2 ）注浆法 —— 将水泥浆液或化学浆液注入地层进行加固的方法，对含水丰富的砂土层较为有效。 （ 3 ）降水法 —— 是一种比较有效的、经常采用的加固方法。比较适用于含水丰富的流沙质土体。降水法对地面沉降影响较大，故在地面建筑密集的地方不宜采用。 （ 4 ）冻结法 —— 用冻结法加固盾构进出洞洞口时，一般采用垂直冻结法，即在盾构进出洞口上部的土体内布置一定数量的冻结孔，经冻结后，在洞门处形成板墙状冻土帷幕来抵御盾构进出洞破壁时的水土压力，防止土层塌落和泥水涌入工作井内。 盾构进、出洞冻结加固模拟试验 2 、土体加固范围 应为盾构推进过程中，周围土体受到扰动、易出现塑性松动变形的范围。 加固范围 —— 径向厚度、纵向厚度。 （ 1 ）径向加固厚度 —— 一般为 2 ～ 4m ，根据土层情况和加固方法确定。上海大连路隧道采用冻结法加固，厚度为 2.5m ；化学注浆加固时为 1.5 ～ 2.5m 。 （ 2 ）纵向厚度 —— 根据水土压力进行计算，考虑一定的安全系数。冻结法加固，纵向厚度为 1 ～ 3 m ；注浆加固更厚些；其他方法可根据经验取盾构长度再加长 lm 左右。 土体在深度上的加固范围 —— 全深加固、局部加固。 全深加固 是隧道口上部一直到地面的土层全部加固； 局部加固 是只对盾构周围须穿透的土层进行加固，其他土体不进行加固。 加固深度与加固方法和隧道的埋深有关 降水法和深层搅拌柱法一般为全深加固， 注浆法一般为局部加固， 冻结法可全深加固也可局部加固。 隧道埋深大时可采用局部加固， 埋深较浅的隧道可全深加固。 6 土压平衡盾构工程实例 6.1 Ф4.35M 土压盾构研制及工程应用 Φ5.64M 土压平衡盾构 合流污水治理 6.1 标过江倒虹管隧道工程 6.2 上海地铁隧道工程 地 铁 一, 二 号 线 黄 浦 江 越 江 隧 道 合 流 污 水 治 理 一 期 工 程 与法国 FCB 公司合作设计制作的 Φ6.34M 土压平衡盾构 盾构设备示意图 上海地铁盾构雄姿 环缝构造图 纵缝构造图 地铁二号线穿越地铁一号线运营隧道 地铁盾构穿越污水隧道 6.3 外滩观光隧道工程 三龙过江示意图 6.5 Φ600/Φ800 微型土压盾构 7 泥水平衡盾构工程实例 延安东路隧道南线 Φ11.22M 泥水盾构 延安东路隧道复线工程平面示意图 平衡盾构 8.3 广州地铁二号线复合盾构掘进工程 9 盾构隧道模拟掘进试验 9.1 盾构穿越粉砂地层试验 9.2 盾构进洞冻结加固模拟试验 9.3 隧道衬砌接头试验 9.4 双圆隧道结构试验 10 国外盾构最新技术 10.1 德国大型 复合土压 平衡盾构 10.2 加拿大 LOVAT 公司制造的复合型土压平衡盾构 10.3 日本最新盾构 取排水隧道工程和取排水口垂直顶升工法