盾构施工技术专题讲座.ppt

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,李小青博士后/教授/博士生导师Tel：

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7867086562010年6月10日,盾构隧道技术,全断面岩石隧道掘进机（FullFaceRockTunnelBoringMachine，TunnelingBoringMachine简称TBM）TBM是隧道掘进的专用工程机械，是随着现代交通运输、地下工程、矿山开采、水利工程、市政建设以及电气通讯设施的发展而发展起来的。

TBM集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装衬砌、测量导向纠偏等功能。

随着地下空间的开发，掘进机技术已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道及城市共同沟等工程领域。

TBM与盾构,TBM全断面掘进机,盾构（TunnelingShieldmachineorShieldMachine）是指用于隧道暗挖施工，具有金属外壳，壳内装有整机或辅助设备，在外壳掩护下进行土体开挖、土渣排运、整机推进、管片拼装等作业，而使隧道一次成形的机器。

在TBM/盾构的发展史上，曾经有一段时间将盾构定义为开挖土体的机械化设备，将TBM定义为岩石隧道掘进机。

近年来，国际上有一种趋势，统称盾构/TBM为TBM。

盾构机,盾构主要是用来开挖土体的隧道机械，由切口环、支承环及盾尾三部分组盾构成，也称为盾构机械。

盾构法用盾构一边防止土砂的坍塌，一边进行开挖、推进，并在盾尾进行衬砌盾构法作业从而修建隧道的方法。

盾构隧道用盾构法修建的隧道。

隧道曲率半径隧道中心线处的线路半径。

隧道覆土厚度从地表面到衬砌顶端的深度。

基本概念,竖井进行盾构隧道的施工，用来作为盾构运入、运出、转向、组装、解体，出渣，设备材料的运入及运出，施工人员的出入，供电、给排水、通风等的作业坑道。

根据其作用和目的可将竖井分为出发竖井、中间竖井、转向竖井及到达竖井。

壁后注浆是指在盾构隧道的管片和围岩之间的空隙（盾尾空隙）内注入填充材料的施工过程。

衬砌承受盾构隧道周围的土压力、水压力，以确保隧道净空的结构物叫衬砌。

衬砌分为一次衬砌和二次衬砌。

一次衬砌是将管片组装成环形而形成的结构物。

也有直接浇筑混凝土形成一次衬砌（压注混凝土施工法）。

二次衬砌是在一次衬砌内侧修筑，多采用现浇混凝土。

管片是指盾构法所使用的衬砌材料。

一般是由钢筋混凝土或钢材制成。

将分割管片为数个的管片组装成圆形、复圆形等环形结构就可形成衬砌。

1盾构工法概述2盾构施工3盾构进出洞施工技术4竖井（基坑）技术5盾构施工对周围环境的影响6地表建筑物及地下管线的保护,第一部分盾构工法概述,1盾构施工概况,1.1盾构工法盾构是一个能支承地层压力而又能在地层中推进的圆形或矩形或马蹄形等特殊形状的钢筒结构，在钢筒的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段周圈内面安装顶进所需的千斤顶，钢筒尾部是具有一定空间的壳体，在盾尾内可以拼装一至二环预制的隧道衬砌环。

盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向紧靠盾尾后面的开挖坑道周边与衬砌环外周之间的空隙中压注足够的浆体，以防止隧道及地面下沉。

在盾构推进过程中不断从开挖面排出适量的土方。

盾构施工示意图,1.2盾构法的主要优点,

（1）除竖井施工外，施工作业均在地下进行，噪音、振动引起的公害小，既不影响地面交通，又可减少对附近居民的噪音和振动影响。

（2）盾构推进，出土，拼装衬砌等主要工序循环进行，施工易于管理，施工人员也较少，劳动强度低，生产效率高。

（3）土方量外运较少。

（4）穿越河道时不影响航运。

（5）施工不受风雨等气候条件影响。

（1）当隧道曲线半径过小时，施工较为困难。

（2）在陆地建造隧道时，如隧道覆土太浅，开挖面稳定甚为困难，甚至不能施工，而在水下时，如覆土太浅则盾构法施工不够安全，要确保一定厚度的覆土。

（3）竖井中长期有噪声和振动，要有解决的措施（4）盾构施工中采用全气压方法以疏干和稳定地层时，对劳动保护要求较高，施工条件差。

1.3盾构法存在的不足,（5）盾构法隧道上方一定范围内的地表沉陷尚难完全防止，特别在饱和含水松软的土层中，要采取严密的技术措施才能把沉陷限制在很小的限度内，目前还不能完全防止以盾构正上方为中心土层的地表沉降。

（6）在饱和含水地层中，盾构法施工所用的拼装衬砌，对达到整体结构防水性的技术要求较高。

（7）用气压施工时，在周围有发生缺氧和枯井的危险，必须采取相应的办法。

2.1国外盾构法隧道的发展历史盾构施工技术自1823年由布鲁诺尔首创于英国伦敦的泰晤土河的水底隧道工程以来，已有180余年的历史。

在这180余年的风风雨雨中，经过几代人的努力，盾构法已从一种只能在极少数欧美发达国家中才见应用的特殊技术，发展成为在发达国家中极为普通，在发展中国家中亦逐渐得到应用的隧道施工技术。

2盾构隧道的发展历史,1825年，布鲁诺尔用他自己的想法制成盾构，并第一次在泰晤士河施工了水底隧道。

由于隧道的断面（11.4m6.8m）相当大，由于施工中遇到了坍方和水淹，加上隧道的损坏，所以处于难于进展的状态。

由于初始未能掌握控制泥水涌入隧道的方法，隧道施工中两次被淹，后来在东伦敦地下铁道公司的合作下，经过对盾构施工的改进，用气压辅助施工，花了18年的时间才于1843年完成了全长458m的第一条盾构法隧道。

1865年巴尔劳首次采用圆形盾构，并用铸铁管片作为地下隧道衬砌。

1869年，他用圆形盾构在泰晤土河底下建成了外径为2.21m的隧道。

布鲁诺尔注册的专利盾构,在盾构穿越饱和含水地层时，施加压缩空气以防止涌水的气压法最先是在1830年由切兰斯爵士（LordCochrance）发明的。

1874年，在英国伦敦地下铁道南线的粘土和含水砂砾地层中建造内径为3.12m的隧道时，格雷塞德（HenryGreathead）（18441896）综合了以往所有盾构施工和气压法的技术特点，较完整地提出了气压盾构法的施工工艺，并且首创了在盾尾后面的衬砌外围环形空隙中压浆的施工方法，为盾构法发展起了重大的推动作用。

二十世纪初，盾构施工法已在美，英，德，苏，法等国开始推广。

3040年代在这些国家已成功地使用盾构建成内径自3.09.5m的多条地下铁道及过河公路隧道。

仅在美国纽约就采用气压法建成了19条重要的水底隧道，盾构施工的范围很广泛，有公路隧道，地下铁道，上下水道以及其他市政公用设施管道等。

苏联40年代初开始使用直径为6.09.5m的盾构先后在莫斯科、列宁格勒等市修建地下铁道的区间隧道及车站。

18801890年间，在美国和加拿大间的圣克莱河下用盾构法建成一条直径6.4m，长1800余米的水底铁路隧道。

20世纪60年代，盾构法在日本得到迅速发展，除了大量在东京、大阪、名古屋等城市的地下铁道建设中外，更多地是用在下水道等市政管道建设中。

70年代，日本及联邦德国等国针对在城市建设区的松软含水地层中由于盾构施工所引起的地表沉陷，预制高精度钢筋混凝土衬砌和接缝防水等技术问题，研制了各种新型的衬砌和防水技术及局部气压式、泥水加压式和土压平衡式等新型盾构及相应的工艺和配套设备。

值得一提的是日本的盾构发展情况。

日本是欧美国家以外第一个引进盾构施工技术的国家。

1939年的关门隧道是日本首次采用盾构施工技术的隧道工程。

由于战争的缘故，此项技术一直没有得到发展。

直到1957年东京地铁内线采用盾构施工技术修建了一段区间隧道。

1961年名古屋地铁采用此法修建了觉王山区间隧道取得圆满成果之后，盾构施工技术在日本有了飞速的发展。

在短短的20余年之内共制造了2000余台盾构，在世界上处于领先地位。

日本的机械式盾构是和手掘式盾构同时研究发展起来的。

近年来，日本把机械式盾构作了改进，研制出了用加压泥浆稳定开挖面的泥水加压盾构和利用开挖出的土体作平衡开挖面的土压平衡盾构。

英国伦敦泰晤士河隧道似乎并不特别起眼。

相对于其他隧道，泰晤士河隧道只有1300英尺（约合396m）长，75英尺（约合23m）深。

隧道于1843年建成，它是隧道工程史上一个具有重大意义的里程碑。

泰晤士河隧道是世界上第一条水底隧道，它也是第一条采用盾构技术挖掘的隧道。

盾构技术的创始人、法国著名工程师马克-伊萨姆巴德-布鲁内尔甚至曾经在尚未完工的泰晤士河隧道内举办音乐会和宴会。

当时英国维多利亚女王授予布鲁内尔爵士爵位，以表彰他对工程学的伟大贡献。

泰晤士河隧道,英吉利海峡隧道也被称为欧洲隧道，是连接英法两国的英吉利海峡隧道，建成于1994年，长约31英里（约合50公里），造价超过200亿美元。

海底段长37.5km，隧道最深处在海平面下100m。

英吉利海峡隧道成为了隧道工程史上最著名的典范。

英法英吉利海峡隧道,隧道全部采用盾构法施工，英国一侧共用6台盾构，3台施工岸边段，3台施工海底段，施工海底段的盾构要向海峡中单向推进21.2km，与从法国侧向英国方向推来的盾构对接。

法国一侧共用6台盾构，2台施工岸边段，3台施工海底段。

海峡隧道由2条外径8.6m的单线铁路隧道及1条外径为5.6m米的辅助隧道组成。

由于海底段最大深度达100m，因此无论盾构机械还是预制钢筋混凝土管片衬砌结构均要承受10个大气压的水压力，又由于单向推进21.2km，盾构推进速度必须达到月进1000m的速度才能在3年左右的时间内完成，因此盾构的构造及其后续设备均须采用高质量的耐磨耗及腐蚀的材料。

日本川畸的东京湾水隧道长约9英里（约合14.5公里），其中3英里（约合4.8公里）为海上桥梁，6英里（约合9.7公里）为海底盾构隧道。

该隧道开通于1997年。

隧道开通后，往来于川畸和木更津两地的人们每趟行程可以节省大约45分钟。

东京湾水隧道就是这样一个奇特的工程，隧道入口就建造于一个人工岛上。

这个人工岛名为“Umi-Hotaru”，翻译过来意思是“海上荧火虫”。

该人工岛最初是隧道中的一个大型休息区，上面有商店、旅馆和一个观景台。

日本东京湾水隧道,盾构的的形式可以从各个方面进行分类。

（1）按手工和机械划分为：

手掘式，半机械式，机械式三大类。

（2）以工作面挡土方式划分：

敞开式，密闭式。

（3）以气压和泥水加压方式划分：

气压式、泥水加压式、土压平衡式，加水式、高浓度泥水加压式、加泥式。

2.2盾构的分类及适用条件,手掘式盾构是盾构的基本形式。

按不同的地质条件，开挖面可全部敞开人工开挖；也可用全部或部分的正面支撑，根据开挖面土体自立性适当分层开挖，随挖土随支撑。

开挖出来的土从下半部用皮带运输机装入出土车，开挖士方量为全部隧道排土量。

这种盾构便于观察地层和清除障碍，易于纠偏，简易价廉，但劳动强度大，效率低，如遇正面坍方，危及人身及工程安全。

在含水地层中需辅以降水，气压或土壤加固。

采用这种盾构的基本条件是：

开挖面至少要在挖掘阶段无坍塌现象，因为挖掘地层时盾构前方是敞开的。

（1）手掘式盾构,敞开式盾构在地质条件很差的粉砂土质地层，粘土层中施工时，土就会从开挖面流入盾构，引起开挖面坍塌，因而不能继续开挖，这时应在盾构的前面设置胸板来密闭前方，同时在脚板上开出土用的小孔，这种形式的盾构就叫挤压式盾构。

盾构在挤压推进时，土体就会从出土孔如同膏状物从管口挤出那样，挤入盾构。

根据推进速度来确定开口率：

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

（2）挤压式盾构,采用挤压盾构时，对一定的地质条件设置一定的开口率，控制出土量是非常重要的。

挤压盾构是将手掘式盾构胸板封闭，以挡住正面土体。

挤压盾构分为全挤压式或局部挤压式两种，它适用于软弱粘性土层。

盾构全挤压：

向前推进时，封闭全部胸板，不需出土，但要引起相当大的地表变形。

局部挤压式盾构：

要部分打开胸板，将需要排出的土体从开口处挤入盾构内，然后装车外运。

这种盾构施工，地表变形也较大。

挤压式盾构的适用范围取决于地层的物理力学性能。

在日本隧道的规范（盾构篇）及说明书（1977年版）中，它是按含砂率内聚力，液性指数内聚力的关系来确定其适用范围。

根据迄今为止的施工经验，当土体含砂率在20%以下，液性指数在60%以上，内聚力在0.5kg/cm2以下时，盾构的开口率一般为20.8%，在极