盾构施工方法

盾构施工方法

盾 构 施 工 技 术 目录 1.1 关于地下建筑空间施工的几个概念 1.2 TBM 和盾构机的具体区别 2.1 盾构法施工技术 2.2 盾构机械设备 3 盾构法隧道施工工艺 1.1 关于地下建筑空间施工的几个概念 明挖法： 也称挖盖法 暗挖法： 也称矿山法，钻爆法等 浅埋暗挖法： 盾构法： 沉井法： 沉管法： 顶管法： 地下连续墙法： TBM 法： (1) 明挖法地下结构施工示意图 挖 建 盖（填） (2) 暗挖法地下结构施工示意图 一般坚硬岩层中的隧道均采用该方法施工。 挖 衬 埋深一般大于 10m (3) 浅埋暗挖法地下结构施工示意图 初衬 二衬 超前支护锚杆、管棚或灌浆 埋深一般小于 5m 一般用于城市交通繁忙地带，不允许中断交通，且地质条件又较差的地段，武汉市的地下过街通道大多采用该法施工。如武汉广场、武汉会展中心、洪山广场过街通道等 (4) 盾构法地下结构 ( 隧道 ) 施工示意图 盾构法隧道施工适用于软土地区埋深大的隧道工程，可穿越江河、湖泊、海底、地面建筑物和地下管线密集区的下部 。 (5) 沉井法地下结构施工示意图 沉井结构用途十分广泛，主要用于点式地下建筑工程：如自来水厂、电厂和化工厂的水泵房、地下沉淀池和水池、地下热电站、地下油库、地下车间和地下仓库等。此外，也可用作地铁、水底隧道等各种设备井、通风井、盾构拼装井、车间和区间段连续沉井等 。 (6) 沉管法地下结构施工示意图 1 (6) 沉管法地下结构施工示意图 2 沉管法一般用于水下隧道施工，目前国内已建成的最大的沉管隧道是上海外环越江隧道，总长 2880m （沉管段长 736m ），双向 8 车道。 (7) 顶管法地下结构施工示意图 顶管法主要用于建造穿越城市交通繁忙地带的地下工程，其长度、断面尺寸均受到较大限制。国内最长的顶管隧道是西气东输工程穿越黄河的隧道，长度近 3000m ，直径约 2m 。 (8) 地下连续墙法施工示意图 地下连续墙法可用于点式、条式地下工程的施工，如上海、广州大部分地铁车站均采用该法施工。其特点类似于明挖法，但比明挖法占用场地小，对周围环境影响较小，且造价相对较低。 (9)TBM 法地下结构施工示意图 目前国内 , 习惯上将用于岩石地层的隧道掘进机称为 TBM, 将用于软土地层的隧道掘进机称为盾构机。归类还是同在掘进机门下。 1.2 TBM 和盾构机的具体区别？ 1. 适用的工程不一样， TBM 用于硬岩，盾构机用于土层的挖掘。 2. 两者的掘进，平衡，支护系统都不一样。 3.TBM 比盾构技术更先进，更复杂。 4. 工作的环境也不一样， TBM 是硬岩掘进机，一般用在山岭隧道或大型引水工程，盾构是软土类掘进机，主要是城市地铁，及小型管道。 其实 TBM 和盾构除了这些本质的差别外，笼统的来说，都是一样，都是隧道全断面掘进。只是不同的工作环境应用不同的机械罢了。 2.1 盾构法施工技术 盾构（ shield ）是一种 钢制的 活动 防护装置或活动支撑 ，是通过软弱含水层，特别是河底、海底，以及城市居民区修建隧道的 一种机械。 头部 可以安全地开挖地层 , 尾部 可以装配预制管片或砌块，迅速地拼装成隧道永久衬砌。 盾构推进 主要依靠盾构内部设置的千斤顶 。 概述 适用条件 在 松软含水地层中 修建隧道、水底隧道及地下铁道时采用各种不同形式的盾构施工最有意义，特别是该施工方法属地表以下 暗挖施工，不受地面 交通、河道、航运、潮汐、季节等 条件 的影响， 优点： 安全性、高效率、危害小、经济性 缺点： 重复利用率低、施工复杂、适用性受限、工作条件差、地表变形不易控制 盾构优缺点 盾构隧道的历史 用盾构法修建隧道 开始于 1818 年 ，法国工程师布鲁诺尔； 1825 年在英国泰晤士河下 首次用矩形盾构 建造隧道 ； 近代， 日本盾构法 得到了迅速发展，用途越来越广，并研制了大量新型盾构； 我国于 1957 年 北京下水道工程中 首次 出现 2.6m 小盾构 ； 上海市 延安东路 过江道路隧道 使用 11.0 m 直径的大盾构； 盾构按形状分类 大致有 圆形（又称半盾构）、矩形、马蹄形 等几种。 圆形 因其抵抗水土压力较理想，衬砌拼装简便，构件可以互换，较为通用，数量最多。 圆形盾构中， 敞胸盾构和闭胸盾构 两大类。 按开挖方式分为： 人工挖掘式、半机械挖掘式、机械挖掘式。 一、盾构机定义 二、盾构机构造 三、盾构机分类及型式 四、盾构配套设施 2.2 盾构机械设备 盾构机是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土 体、输送土碴、同步衬砌注浆、拼装隧道衬砌管片、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，而且要按照不同的地质进行 “ 定制式 ” 的设计制造，可靠性要求极高。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、地下公路、城市市政、水电等隧道工程。 一、盾构机定义 二、盾构机构造 盾构机是在钢壳体的保护下，进行地下隧道工程掌子面开挖及衬砌连续作业，并依靠钢壳体内千斤顶的推力向前推进。盾构机主要由切削刀盘、前部盾体、连接桥架、后配套台车等部分组成。切削刀盘根据工程地质情况选择不同型式、配置相应刀具；前部盾体由主驱动系统、推进系统、渣土输送系统、管片拼装系统、同步注浆等系统组成；后配套台车主要为前部盾体内各系统配置动力源以及水、电、气、液、测量与监测等辅助施工系统和人工操作系统；连接桥架是前部盾体和后配套台车的连接桥梁，各系统的动力通过桥架上的管线路从后配套台车提供给前部盾体内的执行元件。 切削刀盘 盘型滚刀 重型撕裂刀 刮刀 钢格栅 面板 辐条 辐条 泡沫口 中心刀 面板式刀盘 辐条式刀盘 外周强化刀 先行撕裂刀 刮刀 辐条 辐条 泡沫口 中心刀 前部盾体 主驱动系统、推进系统、渣土输送系统、管片拼装系统、同步注浆等系统 后配套台车 主要配置盾构机各系统所需的动力源以及水、电、气、液、测量与监测等辅助施工系统以及人工操作等系统 三、盾构机分类及型式 开敞式 土压平衡 式 泥水 式 泥土加压 式 复合 式 岩石盾构 盾构机分类 不同型式的盾构机 —— 适应不同工程的需要 圆形盾构 双圆盾构 矩形盾构 椭圆形盾构 球形盾构 异型盾构 多联盾构 子母盾构 转向盾构 浆液 搅拌站 盾构配套设施 —— 与盾构机组成完备的施工系统 水平运输系统 电机车 垂直运输系统 龙门吊 地面监控室 管片生产厂 盾构配套设施 碴土坑 现场管片 堆放场 风、水、电、照明 一、盾构法的由来 二、土压平衡盾构法施工工艺 3.1 盾构法隧道施工工艺 盾构法于 19 世纪初起源于欧洲，受启发于蛀虫挖洞， 20 世纪初日本引进盾构施工技术，并使其得以较大发展。上世纪 60 年代该技术引入中国。目前，日本及欧洲处于盾构技术的领先地位。随着盾构机制造业的发展和施工工艺的不断改进，逐步形成了比较完善的盾构系列施工工法。 近年来随着城市建设的发展，地下空间得到广泛的开发利用，盾构设备的自动化程度越来越高，其适用性得以拓展，能够适用于多种地质条件和复杂环境条件。已在城市地铁、市政管道、地下公路、越江隧道等基础设施建设中得到广泛应用。 一、盾构法的由来 目前在盾构工程中普遍采用的多为闭胸式盾构机，其中以泥水平衡式与土压平衡式盾构机最为普及。而且由于盾构工程大部分位于人口密集的城区，从减少施工污染、降低施工造价等多方面综合考虑，又以土压平衡盾构法施工为主。 二、土压平衡盾构法施工工艺 土压平衡盾构法施工工艺流程 施工准备 盾构推进 渣土排出 管片拼装 测量 轴线控制 盾尾油脂压注 施工监测 壁后注浆 输送 浆液制备 土方运输 开启皮带输送机、螺旋输送机及出土口 管片运输 管片生产 盾构施工工艺流程图（一个循环） 盾渣 构土 掘排 进出 壁 后 同 步 注 浆 管 片 拼 装 始发台架图片 折叶式密封环 盾构机现场组装图片 盾构机主体组装过程 操作平台组装 螺旋输送机、整圆器组装 桥架、皮带输送机、单轨梁、反力架的安装 反力架的结构型式 初始掘进 （ 1 ）洞口土体加固 （ 2 ）地面配套设施安装施工 （ 3 ）洞门范围内的钻孔灌注桩凿除 （ 4 ）始法台架安装 （ 5 ）盾构始发轨道铺设 （ 6 ）反力架安装 （ 7 ）洞门橡胶密封圈安装 （ 8 ）盾尾密封刷涂满密封油脂 （ 9 ）盾构机的联动调试满足要求 （ 10 ）临时管片准备就绪 （ 11 ）碴土运输准备工作就绪 （ 12 ）盾构机已准确定位 （ 13 ）自动导向系统安装、测试完毕 （ 14 ）初始掘进范围内的地面监测点已布设完毕并获得初始的数据 （ 15 ）供电系统（含备用电源）、给排水系统、通信系统等正常 （ 16 ）始发反力架和基准环已在始发井地面试拼装，在井下安装时要经过精确定位测量，确保第一环临时管片的准确位置 ---- 掘进前的准备工作 1 、土压力的平衡（开挖过程控制） 2 、进尺与出土量的平衡（即时控制） 3 、注浆量与建筑孔隙量的平衡（填充控制） 4 、盾构掘进参数变化量的平衡（掘进参数控制） 5 、盾构与管片两者各项姿态间的平衡（轴线控制） 通过盾构 施工控制达到五种平衡状态 施工参数和开挖面稳定控制的好坏直接影响地表沉降大小、地下管线和地表建筑物的安全。因此施工中应对开挖面的稳定进行严格控制。 为了保证盾构机顺畅排土，需对掘削下来的土砂加泥或加化学泡沫等添加剂以控制土仓内土砂的塑性、流动性处于适当的范围内，以保证盾构机能够顺畅排土。 开挖面稳定控制 管理重点： 不同地层条件下进尺与出土量的平衡（即时控制），及时进行土质状态记录与分析，并及时调整每环总出土量，保证掘进过程中进尺与出土量的对应统一。 出碴控制 在施工中实时进行施工数据采集，建立完善的信息化施工模式： 1 、盾构机掘进参数的采集 2 、盾构机导向数据的采集 3 、施工监测系统 4 、人工控制测量数据 盾构施工类似工厂流水线作业，因此施工中要求各环节紧密衔接，任何一道工序发生滞后，都将直接影响施工工效，或导致施工停止。因此应进行信息化施工管理，收集各阶段的施工参数，通过分析、归纳，在施工中不断对各种参数的设定进行优化，将会提高施工的质量、效率。 盾构掘进参数控制 ---- 即信息化施工 地表沉降控制是盾构施工的重点，及时的进行壁后注浆是有效控制地表沉降的措施之一。在壁后注浆施工中，由于盾构隧道穿越地层的多样性，注浆量变化幅度较大，因此采取以注入压力控制为主，兼顾注入量的方法进行注浆管理。 注浆参数控制 ---- 注浆压力及注浆量平衡 注浆材料选用 壁后注浆浆液分为单液砂浆和双液化学浆液，单液砂浆浆液应具备以下性能：        1. 具有良好的长时间稳定性及流动性，并能保证适当的初凝时间，以适应盾构施工以及远距离输送的要求。       2. 具有良好的充填性能。       3. 在满足注浆施工的前提下，尽可能早地获得高于地层的早期强度。       4. 浆液在地下水环境中，不易产生稀释现象。       5. 浆液固结后收缩率小，泌水率低。       6. 原料来源丰富、经济，施工管理方便，并能满足施工自动化技术要求。       7. 浆液无公害，价格合理。 通过施工测量以及盾构设备的自动导向系统，实时取得盾构的当前姿态，再通过盾构操作系统调整掘进控制，使盾构姿态保持在要求的偏差范围内；管片拼装前认真测量已经成环的管片姿态，根据盾构隧道曲线方向、推进千斤顶的行程差、盾尾间隙等条件合理选择管片类型，拼装过程中要注意保证管片的拼装质量满足要求。 管理重点：盾构姿态；成环管片姿态；管片选型。 隧道轴线控制 CCR 盾构掘进纠偏施工过程 已建隧道 设计轴线 盾构机 纠偏曲线 盾构方位 纠偏曲线隧道 六、盾构机接收及解体 盾构接收施工流程图 模拟贯通测量 测量结果分析与验证 掘进计划 洞门部分凿除 洞门密封的安装 接收托架的安装与固定 到达段的掘进 洞门剩余部分的凿除 碴土的清理 贯通后上接收托架 1 、根据盾构机的贯通姿态及掘进纠偏计划进行推进，纠偏要逐步完成，每一环纠偏量不能过大。 2 、在盾构机距离端头墙 50 米时 , 选择合理的掘进参数，逐渐放慢掘进速度，逐渐降低推力，缓慢均匀地切削洞口土体，以确保到达围护桩和墙体的稳定和防止地层坍塌。 3 、加强地表沉降监测，及时反馈信息以指导盾构机掘进。 4 、在拼装的管片进入加固范围后，浆液改为快硬性浆液，提前在加固范围内将泥水堵在加固区外。当最后一环管片拼装完成后，通过管片的二次注浆孔，注入双液浆进行封堵。 5 、由于盾构到站时推力较小，致洞门附近的管片环与环之间连接不够紧密，因此作好后 20 环管片的螺栓紧固和复紧工作。防止管片松弛而影响密封防水效果。 盾构到达施工技术措施 隧道剖面图 1- 进风道； 2- 进风口； 3- 排风口； 4- 排风道； 5- 路面（下拉杆） 6- 天棚（上拉杆）； 7- 吊杆； 8- 照明灯； 9- 灭火器； 10- 消防栓； 11- 电缆； 12- 排水管； 13- 给水管； 14- 纵向螺栓； 15- 环向螺栓 盾构的基本构造 1-1 ( 切口环 ) ； 2-2 ( 支承环 ) ； 3-3 ( 纵剖面 ) 通常由 盾构壳体、推进系统、拼装系统、出土系统 等 四大部分组成。 1 ）盾构壳体 盾构壳体由切口环、支承环、盾尾与竖直隔板、水平隔板组成，并由外壳钢板连成整体。 切口环 ：开挖 ；上下宽度可以等值、也可以不等值，甚至是活动的。 容纳各种专门的挖土设备。 支承环 ：承受荷重的核心部分，刚性较好的圆环结构。 水平隔板和竖直隔板 ：增加盾构刚度 ，水平承受拉力，竖直承受压力。 盾尾 ：掩护工人在其内部安装衬砌。 2 ）推进系统 由盾构千斤顶和液压设备组成 ，上下左右活塞杆伸出长度不同达到纠偏目的。 盾构千斤顶一般是沿支承环圆周均匀分布的 ； 3 ）拼装系统 衬砌拼装器又称 举重臂 ，是拼装系统的主要设备，以油压系统为动力，一般举重臂均 安装在支承环 上。 举重臂能作旋转、径向运动，还能沿隧道中轴线作往复运动。 完成这些运动的精度应该保证待装配的管片上的螺栓孔能和已装配好的螺栓孔对齐， 以便螺栓固定 。 4 ）出土系统 出土方式一般有三种 ： （ 1 ）有轨运输：皮带运输机－矿车－洞口－垂直起吊至地面。 （ 2 ）无轨运输：自卸卡车 （ 3 ）管道运输：混合泥浆，压力输出， 出土连续化 盾构分类及其适用范围 1 ）人工开掘式、半机械式敞胸盾构 全部敞开 ，随时观察地层变化情况，并配备简便的液压、风动挖掘，机具、人工挖掘，当开挖面难以保持稳定时可以采用气压等人工措施及正面支撑、支撑千斤顶等 随挖随撑 。 1 ）挤压式闭胸盾构 在 塑性粘土及淤泥中 采用 , 盾构正面用胸板密闭起来 。 厚兰隧道、林肯隧道和打浦路隧道都采用过 半挤压 及 全挤压 推进的闭胸盾构施工 . 衬砌结构常发生 椭圆率 的现象，先衬砌水平直径缩小，竖向直径增大，继之，盾构离远时，竖向直径减小，水平直径增大。 主要是隧道上方土壤结构破坏、隆起，形成一个卸载拱，而水平压力仍然保持着初始数值之故。 3 ）机械式闭胸盾构 （ 1 ）局部气压盾构 （ 2 ）泥水加压式盾构 （ 3 ）土压平衡式盾构 盾构几何尺寸的选定及盾构千斤顶推力计算 主要指盾构外径 D 和盾构长度 L 、盾构灵敏度 L/D 。 最小建筑空隙值 x x=mα=m D=d+2(x+δ) δ=0.02+0.01 （ D-4 ） 1 ）盾构长度 L L=L 0 +L 1 +L 2 +L 3 L 0 — 盾尾长度； L 1 — 支承环长度； L 2 — 切口环长度； L 3 — 前檐长度。 2 ）盾构灵敏度 L/D 经验数值 : 小型盾构 D=2~3m ， L/D=1.5 中型盾构 D=3~6m, L/D=1.00 大型盾构 D=6~9m, L/D=0.75 特大型盾构 D ＞ 12m, L/D=0.45~0.75 4 ）盾构千斤顶推力计算 阻力包括 ： 盾构外表面与四周地层的摩阻力； 盾尾内壳与衬砌结构之间的摩阻力； 盾构切口部分刃口切入土层的阻力； 盾构切口环切入土层时的正面阻力； 开挖面正面支撑阻力； 以及盾构自重引起的阻力，纠偏时的阻力，局部气压或泥水压力，阻力板阻力等。 盾构推进及衬砌拼装 3.1 盾构推进 已建隧道所采用过的大直径盾构，大部分都属于 手掘式敞胸盾构或闭胸挤压盾构 ，或者是两者兼有的盾构。 技术先进的 泥水盾构或土压平衡盾构 很少采用 。 本节将主要介绍在松软含水地层中 采用手掘式敞胸盾构施工 ，辅以气压，人工井点降水及其它地层加固措施，盾构开挖掘进时的几种施工方法。 1 ）人工井点降水加手工掘式敞胸盾构施工 人工井点降水 ，经济，适用于漏气量大的砂性土。 地下水位降低、疏干地层， 增加土体强度， 以保证开挖面稳定，盾构在地下水位以上通过，施工场地较 干燥。 一般都采用 喷射井点 ，深度曾用到 27 m ，使埋深为 25 m 的隧道能顺利开挖。 具体过程 ： （ 1 ）先借助盾构千斤顶 使盾构推进 ，将切口环部分切入地层，然后在 切口环保护下进行土体开挖与运输 ，这样对周围地层扰动较小。 （ 2 ）分层开挖，施工工具为普通手工工具或手持式风动工具。 （ 3 ）每环管片可分数次开挖和推进，盾构纠偏时可以利用超挖解决。 （ 4 ）可借助支撑千斤顶加撑板对开挖面进行临时支撑 ； （ 5 ）当用网格式盾构时 ，防止盾构后退。 2 ）气压加手掘式敞胸盾构施工 盾构施工在含水松软不稳定地层中采用 气压来疏干和支护开挖面 ，以防止涌水、开挖面崩坍，增强地层强度，是一种极古老，且行之有效的施工方法。 （ 1 ）气压大小及耗气量的确定 理论上 ，每 10m 水头必须用 0.1Mpa 的气压力来平衡。 实际上 ，仅为理论压力的 50%~60% ，空气量仅为理论空气量的 10%~50% 。 中小型盾构，压力等于 离盾构上端 约 D/2 处的地下水压力 ; 大直径盾为 2/3 D 处的地下水压力 ; 顶部均超压，需有足够的覆盖层 施工时为了防止空气泄出，盾构顶部必须有足够厚的覆盖层 t 即 t 值过大则直接影响到隧道埋置深度 ，过小则覆盖不足，往往容易发生喷发事故。 国外隧道规范 规定；水底隧道的 最小覆盖层 必须大于盾构直径（日本）或等于 盾构直径 ，覆盖层 宽度 应大于或等于 盾构直径的 6 倍 。 采用经验公式计算耗气量： — 土质系数，当压力大于 0.1MPa 时，粘性土 =3.65 ；砂性土 =7.30 。 （ 2 ）气压盾构施工 气压盾构施工中 闸墙和气闸 作用是将 作业区 与 常压作业区 隔开 。 闸墙必须有足够的 强度 与 气密性 . 气闸是钢板铆接或焊接而成的圆筒形结构，分 人行闸 和 外闸 两部分。 人行闸 的管理是气压施工的重要环节，要严格遵守气压作业的工作时间及进出气闸的变压时间，以防 减压病 。 3 ）泥水加压盾构施工 用泥水加压盾构代替上述气压盾构施工，克服了气压施工的弊病 。 地面沉降，减压病， 覆土深时 ，气压太高无法施工， 覆土浅 时，漏气等 。 泥水加压盾构是将压力为 的泥水， （式中 H 取 2m ） , 压入盾构前部密封舱内，使其压力始终高于地下水压力 ，这样就保持了开挖面稳定的基本条件。 衬砌拼装 隧道衬砌是在 盾构尾部壳保护下 的空间内进行拼装。 组成： 铸铁、钢、钢筋混凝土或钢与钢筋混凝土的复合材料等制成的管片或砌块。 结构受力及使用要求决定 盾构及衬砌结构形式 并决定其拼装方法。 拼装方法 重臂拼装或拱托架拼装 ； 通缝 拼装（管片的纵缝环对齐）或 错缝 拼装 ； 螺栓联结 的管片或 无螺栓联结 的砌块等。 按其程序可分为 “先纵后环” 和 “先环后纵” 。 采用举重臂拼装管片的原则应是自下而上，左右交叉，最后封顶成环。 装配式圆形衬砌构造 “ 管片 ” 是建成隧道后的 永久性支撑 结构，应满足 强度要求、使用要求 ； 施工阶段须装配简便、 容易替换 、 承受 盾构千斤顶顶力及其它 施工荷载 。 箱形管片 平板形管片 带肋管片的材料长期以来多为铸铁和钢。 环宽与厚度 国内外常用的环宽是 750~1000m ； 曲线段推进时设有楔形管片，按隧道曲率半径计算； 管片厚度一般为 250~600mm 。 分块 大断面隧道可分成 6~8~10 块，小断面可分为 4~6 块。 管片的最大弧长一般不超过 4 m ，管片愈薄其长度应越短。 拼装型式 一般有通缝、错缝拼装两种。 纵缝环环对齐的称 通缝 ，适用于需要拆除管片修建旁侧通道或结构需要比较柔的情况下，以便于进行结构处理。 纵缝互相错开，对称 错缝 ，其优点在于能加强圆环接缝刚度，使圆形结构 可近似地按均质圆环等刚度考虑 ，因此使用 较普遍 的，缺点是错缝拼装容易使管片顶碎。 环、纵向螺栓 环向 螺栓根据接缝内力情况可设置成单排或双排。 双排：外排螺栓抵抗负弯矩，内排螺栓抵抗正弯矩。 纵向螺栓目的是使隧道衬砌结构具有 抵抗隧道纵向变形的能力 ，一块管片设 3~4 个螺栓。 螺栓材料一般采用高强度合金钢，直螺栓 。