盾构法隧道工程监测技术交流Word格式.docx

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尽管国际隧道协会已经将传统意义上的盾构和岩石TBM的称谓仍然会争论一段时间，例如混合式盾构、混合式TBM，泥水盾构、泥水TBM等。

主要讨论传统意义上的盾构和混合式盾构。

图1盾构刀盘及其外部结构图2TBM刀盘及其外部结构

1.2盾构工法

盾构法施工因其具有的自动化程度高、能够适用于各种复杂的工程地质和水文地质条件、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可有效控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响等特点，广泛应用于城市轨道交通工程建设中。

盾构工法简称盾构法，就是以盾构为核心的一整套完整的修建隧道的施工方法的总称，是暗挖隧道的一种有效施工方法，是用盾构在地下一边掘进，防止软基开挖面土砂崩塌和保持开挖面稳定的同时，一边在机内安全地进行隧道的开挖作业和衬砌作业，从而构筑成隧道的有效方法。

通常意义上，盾构工法是由稳定开挖面、盾构开挖和衬砌三大要素组成，盾构工法的主要过程可以分为三个阶段：

盾构的始发与到达、盾构的掘进以及盾构的隧道贯通后联络通道、风道、泵房等辅助设施的施工。

盾构工法是尽可能在不扰动围岩的前提下完成施工，最大限度的减少盾构施工对地面建（构）筑及地基内埋设物的影响。

盾构在推进过程中，通过盾构外壳和管片来支撑四周围岩防止岩土砂崩塌，闭胸式盾构是用泥土加压或泥水加压来抵抗开挖面的土压力和水压力以维持开挖面的稳定性，敞开式盾构是以开挖面自稳为前提，然后借助相关的辅助措施。

盾构工法的开挖施工过程如下：

（1）建造盾构始发竖井和到达竖井，或者车站（始发或到达工作井与车站合建）。

（2）把盾构主机和配件分批吊入始发竖井中，并在预定始发掘进位置上将盾构设备统装成整机，随后调试其性能使之达到设计要求。

（3）盾构从竖井或车站预留洞门处始发，沿着隧道设计轴线掘进。

盾构掘进时靠盾构前部的旋转倔削刀盘切削土体，切削土体过程中必须始终保持开挖面的稳定。

为了满足这个要求必须保证刀盘后面土压舱或泥水舱内对地层的反作用压力大于来自地层的水土压力；

依靠舱内的出土机械出土；

依靠中部的千斤顶推动盾构前进；

由后部的管片安装机拼装管片（也即隧道衬砌）；

随后再由尾部的壁后注浆系统向衬砌与地层间的缝隙中注入填充浆液，以防止隧道和地面的下沉。

（4）盾构掘进到达预定终点的竖井或车站时，盾构进入该竖井或车站接受工作井，掘进过程结束。

随后解体盾构，吊出地面。

1.3盾构法工程特点

用盾构法修建隧道具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、地面沉降量可控，施工对地面建筑物影响小等特点，在隧道较长，埋深较大的情况下用盾构法施工更为经济合理。

（1）盾构法施工的主要技术特点如下。

1）施工对周围环境影响小

除盾构竖井处需要一定的施工场地以外，隧道沿线不需要施工场地，无需进行拆迁，对城市的商业、交通、住居等影响小。

可以在地层深部穿越地上建筑物、河流；

在地下穿过各种埋设构筑物和已有隧道而不对其产生不良影响或产生很小的影响，施工不需要采取地下水降水等措施，产生的环境影响、噪声、振动等施工污染较小。

2）盾构是一种“量身定做”的专用设备

盾构是适合于某一区间隧道的专用设备，必须根据施工隧道的断面大小、埋设条件、围岩的基本情况进行设计、制造或改造。

当将盾构用于其他区间或其他隧道时，必须考虑断面大小、开挖面稳定机理、围岩粒径大小等基本条件是否相同或相近，有差异时要进行有针对性的改造，以适应其他地质条件。

盾构必须以工程为依托，与工程地址紧密联系在一起。

3）对施工精度要求高

区别于一般的土木工程，盾构施工对施工精度的要求非常高。

管片的制作精度几乎近似于机械制造的程度，由于断面不能随意调整，对隧道轴线的偏离、管片拼装精度也有很高的要求。

4）盾构施工不可后退

盾构施工一旦开始，盾构就无法后退。

由于管片内径小于盾构外径，如果要后退必须拆除已拼装好的管片，这是非常危险的，势必会对隧道的整体结构稳定性产生影响。

另外，盾构后退也会引起开挖面失稳、盾构止水带损坏等一系列的问题。

所以，盾构施工的前期工作是非常重要的，一旦遇到障碍物或刀具磨损等问题只能通过实施辅助施工措施后，打开隔板设置的进人闸从压力人舱进入土舱进行处理，或在刀盘前面施工工作竖井进行处理。

我国天津曾经出现过一次盾构人工后退的例子，源自盾构主轴出现问题，且盾构设备还未完全进入土体（实际上盾构的尾盾仍然有3.5m位于始发井内）。

也只有在这种情况下，盾构才有可能实施后退。

（2）盾构法施工主要优缺点。

现代化城市地表建筑物和地下管线布置错综复杂，人口密集，无论从影响城市交通布局还是从保护环境的角度出发，明挖工法已经不太适合运用在城市中心区进行大规模的地下工程建设，越来越多的城市地下隧道工程采用暗挖法施工，盾构法作为一种新型的暗挖施工方法，由于具有机械化程度高，对地层扰动小，掘进速度快，地层适应性强，对周围环境影响小等特点，逐渐成为地铁隧道建设的主要施工方法。

1）主要优点

①对环境影响小。

出土量控制容易，施工过程中对周围地层，建（构）筑物影响小；

不影响地表交通、不影响商店营业、无经济损失；

无需切断、搬迁地下管线等各种地下设置，故可节约搬迁费用；

对周围居民生活、出行影响小；

空气、噪声、振动污染较小。

②施工不受地形、地貌、江河水域等地表环境条件的限制。

③地表占地面积较小，故征地费用少。

④适用于大深度、大地下水压施工，相对而言施工成本低。

⑤施工不受大气条件限制。

⑥挖土、出土量少，有利于降低成本。

⑦盾构法构筑的隧道的抗震性好。

⑧适用地层广，软土、砂软土、软岩直到岩层均可使用。

2）主要缺点

①当工程对象长度规模较小时，工程造价相对较高；

②隧道覆土小于1倍D（D为盾构外径），且盾构在欠固结砂性土为主的地层（河道）内时，开挖面土体稳定控制有困难；

③在正常固结的地层中，隧道覆土小于1倍D时，盾构掘进对地面产生的沉降变化较为敏感；

④不能完全防止盾构施工区域内的地表变形；

⑤当采用气压施工时，有隧道冒顶和施工人员因减压不当而患减压病（沉箱病）的危险，并且工作面周围100m范围有发生缺氧和枯井的情况；

⑥当隧道的曲率半径R小于20D（有中间铰）或30D（D为隧道外径）时，盾构转向比较困难，为避免矛盾，通常需采取必要的措施。

例如，在曲线外侧作辅助施工，管片环宽宜适当减小等。

1.4盾构法基本原理

（1）盾构法施工是以盾构机为隧道掘进设备，以盾构机的盾壳作支护，用前端刀盘切削土体，由千斤顶顶推盾构机前进，以开挖面上拼装预制好的管片作衬砌，从而形成隧道的施工方法。

（2）盾构法的基本原理是利用盾构沿隧道设计轴线开挖土体并向前推进，盾构主要起防护开挖出的土体、保证作业人员和机械设备安全的作业，并承受来自地层的压力，防治地下水或流砂的入侵。

盾构的前端设置有支撑和开挖土体的装置，内部安装有推进所需的千斤顶，而尾部设有拼装预制管片衬砌的机械手。

盾构推进的动力由其内部的千斤顶提供，反力则由衬砌环承担，盾构每推进一环距离，就在盾尾保护下拼装一环管片衬砌，并及时向管片衬砌背后与围岩间的缝隙（盾尾空隙）中注入浆液，以防止因地层塌落而引起地面下沉。

（3）采用盾构法施工时，首先要在隧道的始端和终端开挖基坑或建造竖井，用作盾构及其设备的拼装井（室）和拆卸井（室），特别长的隧道，还应设置中间检修工作井（室）。

工作井是用来拼装和拆卸盾构设备，并根据盾构装拆的施工要求来确定尺寸；

拼装井井壁上设有盾构出洞口，井内设有盾构基座和盾构推进的后座。

（4）盾构机主要由5部分组成：

壳体、推土系统、排土系统、管片拼装系统和辅助注浆系统。

盾构机的壳体由切口环、支撑环和盾尾3部分组成，并与外壳钢板连成一体；

排土系统主要由切削土体的刀盘、泥土仓、螺旋出土器、皮带传送机、泥浆运输电瓶车等部分组成。

1.5盾构的分类

轨道交通线路穿越地层的地质条件千变万化，岩土介质的物理力学性质也异常复杂，采用盾构法施工需根据穿越地层性质选择适宜的盾构机机型，并对盾构机的刀片形式、数量、开口率、盾构施工过程中的刀盘转数、推进转数、推进速度、刀盘扭矩、上部土仓压力、同步注浆压力、同步注浆量等施工参数进行设计。

盾构的分类方法较多，可按盾构刀盘前端掘削断面的形状、盾构掘削面的挡土形式、加压稳定掘削面的形式、盾构断面尺寸大小，盾构适用的地层状况等方法进行分类。

（1）按盾构掘削断面的形式分类

盾构根据其掘削断面形式的不同可分为单圆盾构、双圆盾构、多圆盾构以及非圆盾构。

非圆盾构又可分为矩形盾构、椭圆盾构、马蹄形盾构、半圆形盾构、子母盾构等，一般将双圆盾构、多圆盾构和非圆盾构统称为“异性盾构”，各种怪断面形式的盾构见图3～图8，这些异性盾构一般源于日本。

图3单圆盾构图4双圆盾构

图5三圆盾构图6马蹄形盾构

图7矩形盾构图8多圆组合异形盾构

（2）按盾构掘削面的挡土形式分类

按盾构掘削面的挡土形式，盾构可分为全敞开式、部分敞开式、封闭式三种。

1）全敞开式：

即盾构掘削面全部敞开，并可直接看到掘削面的土体掘削方式。

全敞开式盾构不设隔板，其特点是掘削面全部敞开。

根据盾构掘削土体的形式不同可分为手掘式、半机械式、机械式三种。

这种类型的盾构适用于掘削面自立能力较强的地层。

掘削面缺乏自立性时，可用压气等辅助工法防止掘削面坍落，稳定掘削面，掘削面缺乏自立性时，一般不推荐适用全敞开式盾构。

图9和图10分别为全敞开手掘式盾构和机械式盾构。

图9全敞开手掘式盾构图10全敞开机械式盾构

2）部分敞开式：

即盾构掘削面不完全敞开，而是部分敞开的掘削方式。

部分敞开式盾构，即隔板上开有取出掘削土层出口的盾构，通常又称挤压式盾构。

见图11和图12。

我国上海地区曾经使用过的网络式盾构，就是一种典型的部分敞开式盾构。

图11部分敞开半机械式盾构图12部分敞开挤压式盾构

3）封闭式：

即盾构掘削面封闭，不能直接看到掘削面，而是依靠各种装置间接地掌握掘削面信息的方式。

封闭式盾构是一种设置封闭隔板的机械式盾构。

掘削土体是从位于掘削面和隔板之间的土舱内取出