盾构隧道施工PPT课件.ppt

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盾构隧道施工,盾构定义：

盾构是一种钢制活动防护装置或支撑，是通过软弱含水层，特别是河底、海底，以及城市中心区修建隧道的一种机械。

盾构法施工的优缺点：

盾构法施工的优点：

（1）施工作业在盾构设备的掩护下安全进行；

（2）施工时振动和噪声小，对周围环境几附近居民几乎没有影响；（3）施工时不影响地表交通和航道通航；（4）不受气候条件影响；（5）施工机械化程度高，施工管理容易。

盾构施工法的缺点

（1）覆土较浅时，开挖面稳定困难；

（2）曲率半径较小的曲线段施工比较困难；（3）在饱和水层中，防水技术要求高；（4）盾构施工地区地表沉降还不能完全防止。

第一节盾构构造与分类,按形状分：

圆形；矩形；椭圆形；马蹄形半圆形；双圆形；三圆形按开挖面的施工方式分：

敞胸盾构；闭胸盾构目前主要形式：

泥水加压式；土压平衡式盾构,

（2）支撑环支撑环承受的力：

地层压力、千斤顶的顶力及切口、盾尾、衬砌拼装时传来的施工荷载。

（3）盾尾密封装置作用：

防止地下水、外层土、衬砌背面压浆之浆液倒流入隧道。

盾尾密封材料：

橡胶系刷子系盾尾长度：

最小限度，能在盾构千斤顶缩回后，达到管片宽度即可，但考虑到要调换损坏的管片、修千斤顶、对到曲线施工等因素，还要增加管片宽度的1/3-1/4余量。

盾构盾尾密封形式,盾构盾尾构造简图,

（二）推进系统推进系统组成：

由盾构千斤顶和液压设备组成，并利用千斤顶上下左右活塞杆伸出长度不同达到纠偏目的，千斤顶沿支承环均匀分布。

能量供应：

电能转变为液压能。

决定盾构推力的主要因素：

（）盾构壳体与土之间的摩擦力；（）工作面的推进阻力；（）推进中切口插入土中的阻力；（）管片与盾尾的摩擦阻力。

.盾构外围的阻力,砂土时：

粘土时：

作用于盾构外围的土压和水压,.盾构正面阻力,作用于盾构正面的土压和水压。

.切口插入阻力：

.管片与盾尾之间摩擦阻力：

盾构千斤顶总推力经验公式：

（三）出土系统包括：

切削装置和运输装置.土体的切削装置（）超挖刀容易安装。

刀盘必须具备足够的扭矩，以克服土体阻力、机械阻力及盾构扭矩等，可以通过与盾构外径的经验公式求得。

适应条件：

（）适应于软弱地层，切口环插入地层。

刀盘外围突出于切口环特点：

超挖刀容易安装，方向容易控制。

刀盘与切口环在同一位置,垂直平面形,圆锥形,半球形,切削刀盘和开挖面的形状,2.土体的运输装置被切削下来的土体，通过搅拌，必要时加入作浆材料，利用螺旋输送机将土体运出。

螺旋输送机,螺旋输送机将土体运出后，在盾构外运输方式有：

（）有轨运输（）无轨运输（）管道运输,

（1）有轨运输矿车由电机车牵引到洞口或工作井，再经垂直起吊送至地面。

缺点：

受一次通过矿车数量的限制，运输速度慢，效率低。

（2）无轨运输大型自卸卡车直接送到弃土场，效率高。

缺点：

要求隧道断面大，须先将洞口引道作好。

（3）管道运输开挖下来的土体搅拌成泥浆经泥浆泵接力压送到地面，使出土实现了连续化，提高了功效。

且隧道内干净，实现了文明施工。

缺点：

必须设置泥水循环系统和泥水处理系统。

杠杆式拼装机,环式拼装机,二.盾构分类,

（一）人工开挖盾构.一般手掘式盾构,人工开挖盾构优缺点优点：

（1）一般采用全敞胸式，便于观察地层和清除障碍；

（2）盾构推进在开挖面出现故障时，比较容易排除；（3）易于纠偏，也便于曲线段的施工。

缺点：

（1）劳动强度大，效率低，如遇正面塌方，易危及人身安全及工程安全。

.挤压式盾构分为：

全挤压式盾局部挤压式盾构全挤压式盾构工作面胸板全部封闭不出土，而将盾构经过区域的土挤压向外部，因而会引起很大的地表隆起变形，一般只适用于空旷地带、河底海滩等处。

开口率：

开口大小与盾构断面的比值。

开口率过大时进土量增加，会引起周围地层沉降，反之，就会增大盾构的切入阻力，使地面隆起。

盾构开口率一般为2%-0.8%；在极软弱地层中，开口率也可小于0.3%。

局部挤压式盾构工作原理,.网格式盾构,网格式盾构,

（二）半机械化盾构（三）机械化盾构机械化盾构：

是在盾构切口环部分紧贴开挖工作面装上与盾构直径相仿的旋转刀盘进行全断面开挖的盾构，分有:

单轴式、双轴式、多轴式等。

刀盘分为:

敞开形和封闭形。

.局部气压盾构支承环和切口环之间装密封隔板，形成密封仓，通入压缩空气，以平衡开挖面的土压力，达到稳定开挖的作用，但在密封舱、盾尾及管片接缝处容易漏气。

.泥水加压盾构泥水加压就是在盾构的封闭隔仓内注入泥水，通过泥水加压和外部压力平衡，一保证开挖面土体的稳定。

要求从盾构推进、排泥到泥水的处理全部按系统化作业。

通过泥水压力、泥水流量、泥水浓度等测定，计算出开挖土量，全部作业由中央控制台管理。

泥水加压盾构,（）泥水加压盾构稳定作用,泥水加压盾构工作原理,泥水压力,水压力,（）泥水循环和管理,整个作业，送泥排泥泵、自动阀门、泥水处理设备以及盾构动力设备均安装有测量控制装置，测量的数据传到中央控制室，操作人员综合判断，正确控制各个环节。

.土压平衡盾构适应条件：

适用含水饱和软弱地层中施工土压平衡盾构原理：

随着盾构的推进，由旋转刀盘切削下来的土体进入密封舱内，在舱内的土砂中注入一种具有流动性和不透水性的“作浆材料”经搅拌把土拌成一种具有一定流动性、又不透水的浆化泥土，充满密封舱及与之相连的螺旋输送机，盾构推进时，浆化泥土产生压力与土体静压及水压平衡，同时螺旋输送机送土。

）土压平衡盾构开挖面稳定机构可采用两种稳定机构：

（）适用于粘性土层中由充满在密封舱内和螺旋输送机内的土压与开挖面的土压达到平衡，同时输送机排土，使得开挖量与出土量保持平衡，保持开挖面的稳定。

（）砂质土层中由于地下水丰富，土层透水系数高，仅靠排土机构的机械控制使砂土开挖面稳定就很困难，需要用水、膨润土、粘土、高浓度泥水、泥浆材料等的混合料向开挖面加压灌注，并不断进行搅拌，改变切削下来土体的性质，保证土的流动性和止水性，以求的开挖面的稳定。

）土压系列的机械控制机构（）切削土与地下水压力的控制机构：

机械控制机构：

在螺旋输送机排土口设置控制排土量的机构，是内部充满切削土或混合土。

物性控制机构：

在切削刀盘前面，密封舱内或输送机排土口注入添加材料，改变土体性状。

（）开挖面稳定控制装置分类：

土压力、土量、水压力和切削刀盘负荷控制装置,第2节盾构隧道施工作业,一.施工准备

（一）盾构拼装和拆卸室

（二）盾构机座材料：

钢筋混凝土或钢结构；除受自重外还要考虑纠偏产生的集中荷载导轨：

布置在盾构下半部的度范围内，由两根或多根钢轨组成。

（三）盾构进出洞设施在井壁上预留临时的封门洞口，出洞时拆除临时封门，逐步推进盾构进入地层，使盾构最终脱离工作井。

洞口周围土体加固方法：

注浆法、旋喷法、冻结法、压气法、托换基础法、承压板法等。

（四）盾构后座后座推力靠工作井井壁承担，在盾构和井壁之间设传力设施，缓冲给后座的压力。

后座衬砌与后座井壁产生不等距的空隙，要用低强度的混凝土填平补齐，使盾构推力均匀传给井壁。

（五）盾构施工附属设施供电照明设备、通风及空压机房、排水泵房、涂料棚、充电间、出土有轨余数系统及工作井垂直运输系统等。

在管道运输时还需要设置泥水处理系统或排土装置等,盾构出洞示意图,盾构拼装井盾构后座管片盾构基座盾构运输轨道,二.盾构推进

（一）盾构的技术性能参数1.盾构外径,为满足曲线段或纠偏旋转角a所必须的最小建筑空隙值x，可按几何关系求得：

盾构直径尺寸计算图,盾构外径：

.盾构长度,盾构长度尺寸计算图,盾构长度：

.盾构灵敏度灵敏度：

盾构长度与直径之比，即。

国内外地下隧道盾构性能特征表,

（二）盾构推进.手掘式敞胸盾构施工完全敞胸式：

纠偏：

超挖土质较差时：

支撑千斤顶加撑板进行临时支护。

辅助施工：

人工井点降水排除地下水或气压派稳定开挖面。

网格式盾构：

纠偏：

千斤顶,.泥水加压盾构施工.土压平衡盾构施工,三、盾构操纵与纠偏导致偏离隧道设计轴线的因素：

（）土层不均匀；（）正面四周阻力不一致；（）千斤顶的顶力不一致；（）盾构重心偏于一侧；（）衬砌缝防水材料压密不一致等。

目前盾构操纵与纠偏主要采取的方法：

（）调整千斤顶的编组：

cm,避免引起拼装困难及对地层产生多大的扰动（）调整开挖面的阻力：

进土孔位，开孔率等（）控制盾构推进纵坡等：

先压后抬和先抬后压,（）盾构旋转的防止旋转的原因：

盾构的重心不通过轴线或有大型旋转设备引起防止措施：

在反侧加压或在两侧装水平鳍板,保证质量的措施：

（）保证环面接封平整纵向通缝防水涂料压密；（）注意衬砌的准圆度，避免出现外张和内张角。

五、衬砌后注浆一次压注：

随着盾尾出现立即注水泥沙浆，并保持一定的压力，米进行控制注浆，以便在强压下充衬砌背后遗漏的空隙。

两次压注：

通过管片的注浆孔向衬砌背后压注石英砂或卵石，以防止地层塌陷，继续推进环后，进行二次压注胶结材料，充填空隙固结。

左右对称，从下向上，避免单点超压注浆。

第三节盾构隧道衬砌结构及设计计算,

（一）衬砌的断面形式和作用,横断面：

圆形、矩形、半圆形、马蹄形等。

一、盾构隧道衬砌结构,衬砌的作用在施工阶段：

防止土体变形、土体坍塌及泥水渗入，承受盾构推进时千斤顶顶力及其他施工荷载；竣工后：

衬砌单独或与内衬一起作为隧道的永久性支护结构，支撑衬砌周围的水、土压力以及使用阶段和某些特殊学要的荷载，同时防止泥水渗入。

（二）装配式衬砌管片从结构分：

带肋的箱形管片和不带肋的平板形管片；材料：

铸铁、钢、钢筋混凝土；钢筋混凝土：

箱形和平板形。

强度等级以上；,刚性连接：

较粗螺栓连接管片，使管片圆环成为一个等刚度的整体结构容易产生次应力；柔性连接：

是以少量的单排较细的螺栓连接管片。

带肋的箱形管片,铸铁箱形管片,钢筋混凝土箱形管片,不带肋的平板形钢筋混凝土管片,（三）衬砌分块和拼装,管片最大弧弦长度一般小于m厚度：

钢筋混凝土：

米以下：

米以上直径：

封顶：

大封顶；小封顶封顶形式：

径向楔入；纵向楔入,纵向封顶管片示意图,（四）衬砌管片的连接,直螺栓连接,弯螺栓连接,连接形式：

纵向连接和环向连接；螺栓连接和无螺栓连接。

球铰形连接,槽形连接,暗销形连接,二、盾构隧道衬砌结构计算

（一）荷载计算分为：

基本使用阶段荷载、施工阶段荷载和特殊荷载.基本使用阶段作用于每衬砌上的荷载有：

地层压力、水压力和自重等,作用在衬砌结构上的荷载简图,（）衬砌拱顶竖向地层压力,拱顶部,拱背部,（）地面超载（根据实际情况和埋深而定），竖向压力为：

（）侧向水平均匀土压力,（）侧向三角形水平土压力,（）静水压力,静水压力计算简图,（）自重,（）衬砌拱底反力,.施工阶段（）衬砌拼装完成，随着盾构推进而脱出盾尾，尚未注浆，此时衬砌在自重作用下可自由变形，可按自由变形圆环进行验算。

衬砌圆环计算简图,（）盾构推进阶段千斤顶总推力作用在衬砌环缝面积上的验算。

（）衬砌建筑间隙压注阶段建筑空隙内压注浆液时，浆液聚集在孔附近一定范围，压力集中、过大引起圆环变形和局部集中应力，甚至导致封顶楔形管片滑移。

.特殊荷载阶段战备防护等级进行人防荷载演算；地震力验算,.衬砌按自由变形圆环计算,

（二）结构计算,可以得衬砌结构中与垂直轴成a角的任一截面上的弯矩和轴向力为：

.假定土体介质有侧向弹性抗力的圆环内力计算,第四节盾构隧道辅助施工技术,一、盾构出洞、进铜的土体加固技术

（一）盾构出洞土体加固,气压法,注浆法,高压喷射法,冻结法,板桩法结合注浆法,降水法,洞口冻结加固,冻结孔布冻结加固体设计,日本东京环线调节水仓隧道盾构出洞土体加固,

（二）盾构进洞土体加固,盾构进洞水平圆筒形冻结,冻结施工平面图,冻结加固结构体断面,上海延安东路隧道南线盾构进洞前冻结加固施工,（三）洞口土体加固设计.自由支撑厚板计算方法（）工作井洞口底部水土压力：

其中：

板块加固体及其受力模型,（）加固体厚度,（）沿工作井开洞口周边计算加固体的剪切应力，检验计算的厚度是否合理，最后确定其厚度。

计算剪切应力验算加固体厚度,（）加固范围的确定,根据塑性松动圈的应力状态和破坏条件建立塑性松动圈半径和盾构半径及土体性质之间的关系：

由上边公式求得塑性圈半径，如计入安全系数及土体破坏范围等因素，则在化学浆液加固条件下加固范围见下表及图：

土体化