第5章盾构隧道施工2.ppt

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第5章盾构隧道施工2.ppt

第五章盾构隧道施工第五章盾构隧道施工盾构定义：

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。

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；）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）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；有影响；（3）施工时不影响地表交通和航道通航；）施工时不影响地表交通和航道通航；（4）不受气候条件影响；）不受气候条件影响；（5）施工机械化程度高，施工管理容易。

）施工机械化程度高，施工管理容易。

盾构施工法的缺点盾构施工法的缺点

（1）覆土较浅时，开挖面稳定困难；）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；）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；）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。

）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第一节盾构构造与分类按形状分：

按形状分：

圆形；矩形；椭圆形；马蹄形圆形；矩形；椭圆形；马蹄形半圆形；双圆形；三圆形半圆形；双圆形；三圆形按开挖面的施工方式分：

按开挖面的施工方式分：

敞胸盾构；闭胸盾构敞胸盾构；闭胸盾构目前主要形式：

目前主要形式：

泥水加压式；土压平衡式盾构泥水加压式；土压平衡式盾构盾构法隧道SHIELD-DRIVENTUNNEL一盾构的基本构造一盾构的基本构造盾构壳体、推进系统、出土系统、拼装系统盾构壳体、推进系统、出土系统、拼装系统盾盾构构的的基基本本构构造造简简图图

（一）盾构壳体

（一）盾构壳体壳体组成：

壳体组成：

切口环；支承环；盾尾；竖直隔板；水平隔板切口环；支承环；盾尾；竖直隔板；水平隔板

（1）切口环）切口环切口环长度由开挖方法、开挖工具、人员活动空切口环长度由开挖方法、开挖工具、人员活动空间和支撑形式来确定。

间和支撑形式来确定。

（2）支撑环）支撑环支撑环承受的力：

支撑环承受的力：

地层压力地层压力、千斤顶的顶力及切口、盾尾、千斤顶的顶力及切口、盾尾、衬砌拼装时传来的施工荷载。

衬砌拼装时传来的施工荷载。

（3）盾尾）盾尾密封装置作用：

密封装置作用：

防止地下水、外层土、衬砌背面压浆之浆液防止地下水、外层土、衬砌背面压浆之浆液倒流入隧道。

倒流入隧道。

盾尾密封材料：

橡胶系橡胶系刷子系刷子系盾尾长度：

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施工等因素，还要增加管片宽度的1/3-1/4余量。

余量。

盾构盾尾密封形式盾构盾尾密封形式盾构盾尾构造简图盾构盾尾构造简图

（二）推进系统

（二）推进系统推进系统组成：

推进系统组成：

由盾构千斤顶和液压设备组成，并利用千斤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。

顶沿支承环均匀分布。

能量供应：

电能转变为液压能。

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

（）管片与盾尾的摩擦阻力。

.盾构外围的阻力盾构外围的阻力砂土时：

砂土时：

粘土时：

作用于盾构外围的土压和水压作用于盾构外围的土压和水压.盾构正面阻力盾构正面阻力作用于盾构作用于盾构正面的土压正面的土压和水压。

和水压。

.切口插入阻力：

切口插入阻力：

.管片与盾尾之间摩擦阻力：

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（三）出土系统包括：

包括：

切削装置和运输装置切削装置和运输装置.土体的切削装置土体的切削装置（）超挖刀容易安装。

（）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。

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刀盘与切口环在同一位置垂直平面形垂直平面形圆锥形圆锥形半球形半球形切削刀盘和开挖面的形状切削刀盘和开挖面的形状2.土体的运输装置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。

材料，利用螺旋输送机将土体运出。

螺旋输送机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：

螺旋输送机将土体运出后，在盾构外运输方式有：

F（）有轨运输（）有轨运输F（）无轨运输（）无轨运输F（）管道运输（）管道运输

（1）有轨运输）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。

至地面。

缺点：

受一次通过矿车数量的限制，运输速度慢，效受一次通过矿车数量的限制，运输速度慢，效率低。

率低。

（2）无轨运输）无轨运输大型自卸卡车直接送到弃土场，效率高。

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）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，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。

了文明施工。

缺点：

必须设置泥水循环系统和泥水处理系统。

（四）拼装系统（四）拼装系统管片拼装器具有的四个功能：

管片拼装器具有的四个功能：

（）夹钳（）夹钳（）使管片位置伸缩（）使管片位置伸缩（）前后滑动（）前后滑动（）旋转（）旋转杠杆式拼装机杠杆式拼装机环式拼装机环式拼装机二二.盾构分类盾构分类

（一）人工开挖盾构

（一）人工开挖盾构.一般手掘式盾构一般手掘式盾构人工开挖盾构优缺点人工开挖盾构优缺点优点：

优点：

（1）一般采用全敞胸式，便于观察地层和清除障碍；）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；）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。

）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）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。

全及工程安全。

.挤压式盾构挤压式盾构分为：

全挤压式盾分为：

全挤压式盾局部挤压式盾构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。

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。

之，就会增大盾构的切入阻力，使地面隆起。

盾构开口率一般为盾构开口率一般为2%-0.8%；在极软弱地层中，开口；在极软弱地层中，开口率也可小于率也可小于0.3%。

局部挤压式盾构工作原理局部挤压式盾构工作原理.网格式盾构网格式盾构网格式盾构网格式盾构

（二）半机械化盾构

（二）半机械化盾构（三）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，分有的盾构，分有:

单轴式、双轴式、多轴式等。

刀盘分为刀盘分为:

敞开形和封闭形。

.局部气压盾构局部气压盾构支承环和切口环之间装密封隔板，形成密封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。

缝处容易漏气。

.泥水加压盾构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。

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。

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（）泥水加压盾构稳定作用（）泥水加压盾构稳定作用泥水加压盾构工作原理泥水加压盾构工作原理泥水压力泥水压力水压力水压力（）泥水循环和管理（）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。

各个环节。

.土压平衡盾构土压平衡盾构适应条件：

适应条件：

适用含水饱和软弱地层中施工适用含水饱和软弱地层中施工土压平衡盾构原理：

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内，在舱内的土砂中注入一种具有流动性和不透水性的具有流动性和不透水性的“作浆材料作浆材料”经搅拌把土拌成一种具有一定流动性、又不透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，水的浆化泥土，充满密封舱及与之相连的螺旋输送机，盾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。

时螺旋输送机送土。

）土压平衡盾构开挖面稳定机构）土压平衡盾构开挖面稳定机构可采用两种稳定机构：

可采用两种稳定机构：

（）适用于粘性土层中（）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。

量保持平衡，保持开挖面的稳定。

（）砂质土层中（）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，以求的开挖面的的性质，保证土的流动性和止水性，以求的开挖面的稳定。

稳定。

）土压系列的机械控制机

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