盾构法及顶管法Word文档下载推荐.docx

1、2管段制作、养护工艺在工厂完成，混凝土管壁可有较好的水密闭性能；3与盾构法隧道相比，接缝大为减少，容易使接缝到达密闭防水要求；4管道纵向受力性能较好，能适应地层的变形；5不需要二次衬砌，工序简单；6内壁光洁，作为输水隧道时，流水阻力减小。第一节 盾构法施工一、盾构机的组成与分类盾构掘进机一般由盾构壳、推进千斤顶、正面支撑机构、挖土及运输组、衬砌拼装机构、液压系统、操作系统、注浆系统和盾尾装置等组成。盾构机的盾壳是由钢板焊接成壳体，在盾壳掩护下，进展土体开挖、衬砌拼装等隧道施工的工序。盾壳可分为切口环、支承环和盾尾三局部，见图2-1。1切口局部。它位于盾构的最前端，施工时切人地层，掩护开挖作业。

2、切口环前端设有刃口，以减少切土时对地层的扰动。切口环的长度主要取决于支撑、开挖方法的挖土机具和操作人员盘旋余地大小。大局部手掘式盾构切口顶部比底部长，就像帽檐一样，有的还设有千斤顶操纵的活动前檐，以增加掩护长度。网格式盾构在切口环上装有钢网格，正面支承千斤顶和活动帽檐，机械式盾构则前端装有刀盘和铲斗。在局部气压、泥水加压和上压平衡式盾构中，其切口局部的压力高于隧道内部的常压，故切口与支撑之间需用密闭隔板分开。2支承环局部。支承环紧接于切口环后，位于盾构的中部，是一个刚性较好的圆形构造。地层土压力、所有千斤顶的顶力以及切口、盾尾、衬砌拼装时传来的施工荷载均由支承环承当。支承环的外沿布置盾构推进千

3、斤顶。拼装机用于拼装管片衬砌，主要设备有举重臂、真圆保护器等。大型盾构占用空间较大，所有液压动力设备、操纵控制台、衬砌拼装器举重器等都往往布置在这里，中小盾构则可把局部设备移至盾构后面的车架上。当切口环内压力高于常压时，在支承环内要布置人行加压和减压闸。3盾尾局部。盾尾一般由盾构外壳钢板延长构成，主要用于掩护隧道衬砌的安装工作。盾尾末端设有密封装置，以防止水、土及注浆材料从盾尾与衬砌之间进人盾构内。盾尾密封装置损坏时，还要在盾尾局部进展更换，因此，盾尾的长度要满足以上各项工作的进展。盾尾厚度从构造上考虑应尽可能减薄，但盾尾除承受上压力外，遇到隧道纠偏及弯道施工时，还有一些难以估计的施工荷载，受

4、力情况复杂，所以其厚度应综合上述因素来确定。4盾壳外径与衬砌外径间的建筑空隙，在满足盾构纠偏要求的前提下应尽量减小。盾尾密封装置要将经常变化的空隙加以密封，因此材料要富有弹性，构造形式要求耐磨损、耐撕裂。以往采用过橡胶板或橡胶板两面加弹簧钢板的复合板，还试用过充气车胎、尼龙毛刷等，但均未取得理想的效果。特别是盾尾压注水泥浆的盾构，密封装置更易损坏。目前除了摸索新的密封形式外，一般采用多道、可更换的盾尾密封装置，如图2-2所示。当前多采用多道弹簧钢板和钢丝刷组成的密封装置，同时在钢丝刷上涂满油膏。油膏在盾构推进中有损耗，需不断补充。盾构机可分为以下四类1手掘式盾构手掘式盾构构造简单，配套设备较少

5、，因而造价低。其开挖面可以根据地质条件全部敞开，也可以采取正面支撑随开挖随支撑。在*些疏散的砂性地层，还可以按照土的摩擦角将开挖面分为几层，这时，就把盾构称为棚式盾构。手掘式盾构的主要优点：1正面是敞开的，施工人员随时可以观察地层变化情况，及时采取应付措施；2当在地层中遇到桩、孤石等地下障碍物时，比拟容易处理；3可以向需要方向超挖，容易进展盾构纠偏，也便于在隧道的曲线段施工；4造价低，构造设备简单，易制造。它的主要缺点有：1在含水地层中，当开挖面出现渗水、流砂时，必须辅以降水、气压或地层加固等措施；2工作面假设发生塌方和沼气爆炸事故时，易引起危及人身及工程平安的事故；3劳动强度大，效率低、进速

6、慢，在大直径盾构中尤为突出。手掘式盾构尽管有上述不少缺点，但由于简单易行，目前在地质条件较好的工程中仍广泛应用。2挤压式盾构挤压式盾构分为全挤压及半挤压两种，前者是将手掘式盾构的开挖工作面用胸板封闭起来，把土层挡在胸板外，这样就比拟平安可靠，没有水、砂涌人及土体坍塌的危险，并省去了出土工序；后者是在封闭上局部开孔，当盾构推进时，土体从孔中挤人盾构，装车外运，劳动条件比手掘式盾构大为改善，效率也成倍提高，见图2-3。挤压式盾构仅适用于软可塑的粘土层，适用*围比拟狭窄。全挤压施工由于有较大隆起变形，只能用于空旷的地段或河底、海滩等处；半挤压施工虽然能在城市房屋、街道下进展，但对地层扰动大，地面变形

7、也很难防止，这是挤压式盾构的缺点。网格式盾构是一种介于半挤压和手掘式之间的盾构形式。这种盾构在开挖面装有钢制的开口格栅，称为网格。当盾构向前推进时，土被网格切成条状，进人盾构后运走如图24。当盾构停顿推进时，网格起到挡土作用，有效地防止了开挖面坍塌。这种盾构对土体的挤压作用比挤压式盾构小些。网格式盾构也只适用于软可塑的粘性土层，地层含水时，尚需辅以降水、气压等措施。3半机械式盾构半机械式盾构系在手掘式盾构正面装上挖土机械来代替人工开挖。根据地层条件，可以安装反铲挖土机或螺旋切削机。如果土质坚硬，可安装软岩掘进机的切削头子。半机械式盾构的适用*围根本上和手掘式一样，其优缺点除可减轻工人劳动强度外

8、，均与手掘式相似。4机械式盾构机械式盾构是手掘式盾构的切口局部，安装与盾构直径同样大小的大刀盘，以实现全断面切削开挖。假设地层能够自立或采取辅助措施后能自立，可用开胸机械式盾构，如果地层较差，则可采用以下几种阔胸机械式盾构。1开胸机械切削盾构。当地层能够自立，或采用辅助措施后能够自立时，在盾构切口局部，安装与盾构直径相适宜的大刀盘，以进展全断面开胸机械切削。星形的刀盘辐条后面没有胸板封闭2局部气压盾构。这种盾构见图25系在开胸机械式盾构的切口环和支承环之间装上隔板，使切口环局部形成一个密封舱，舱中通人压缩空气，以平衡开挖面的土压力代替在隧道内加压的全气压施工。这样衬砌拼装和隧道内其它施工人员就

9、不在气压舱内工作，无疑有很大的优越性。局部气压盾构的一些技术问题，目前尚未很好解决。例如，从密封舱内连续出土的装置，还存在漏气和寿命不长等问题；盾尾密封装置还不能完全阻止气压舱内的压缩空气通过开挖面经外壳从盾尾泄露；管片接缝漏气等，故目前世界各国应用不多。在江、河、海底进展盾构法隧道施工，如果覆盖土层薄，为防止塌顶和地表水涌人，采用压缩空气支撑开挖面常常是必需的。3泥水加压式盾构。局部气压盾构的技术难题是连续出土和压缩空气的泄露问题。地层在同样压力差及同样间隙条件下，漏气量要比漏水量大80倍之多。因此，假设在上述局部气压密封舱内改通入泥水泥浆，既可大大减少盾尾的漏气，同时刀盘切削下来的土，还可

10、利用泥水通过管道输送到地面处理，这就解决了从密封舱内连续出土的问题，这些优点都是显而易见的。但泥水盾构的配套设备多，首先要有一套自动控制和泥水输送的系统，还要有专门的泥水处理系统，所以泥水加压盾构的设备费用较大。以5m直径的中型盾构为例，假定泥水盾构本身的投资为100，则其控制系统的投资也需100，地面泥水处理的投资还需100。设备投资比一般机械化盾构高，这是它的主要缺点。4土压平衡式盾构。这种盾构又称削土密闭式或泥土加压式盾构见图26，是在上述两种机械化盾构的根底上开展起来的。这种盾构的前端也有一个全断面切削刀盘，盾构的中心或下部有长筒形螺旋运输机的进土口，其出土口则在密封舱外。所谓土压平衡

11、，就是用刀盘切削下来的土，如同压缩空气或泥水一样充满整个密封舱，并保持一定压力来平衡开挖面的土压力。螺旋运输机的出土量用它的转速控制要密切配合刀盘的切削速度，以保持密封舱内始终充满泥土，而又不致过于饱满。这种盾构防止了局部气压盾构的主要缺点，也省略了投资较大的泥水盾构所需的输送和处理设备，因此，是一种开展中的最新型盾构。土压平衡式盾构机应用比拟广泛，种类也比拟多。5混合形盾构Mi*sllield。混合形盾构就是把隧道岩石掘进机TBM，Tunnel Boring Machine与软土的盾构机相结合，造出既能用于岩石地层，也可用于软土的新型隧道掘进机，图2-7为有代表性的一种。为了适应软土层的粉细

12、砂、中砂、粗砂、淤泥、粉质粘土、风化砂岩等多变的地层条件，我国*地铁采用了混合型的泥水平衡盾构和混合形土压平衡盾构。即通过改进刀盘的刀具型式、刀具开口进土率、泥土排除外运和别离装置，吸收两种盾构机特点，以适应不同地质和环境条件的影响。图2-7 混合形盾构图2-8 异形盾构（6）异形盾构。*隧道股份*使用国产矩形盾构施工完成了黄浦江行人观光隧道的出人通道，日本东京地铁12号线使用了三心圆泥水盾构。三心圆泥水盾构是由三台圆形盾构机排列组合成一体，中心大刀盘直径为8.846m，两侧盾构机外径为814m，相互交叠后总的高度达17.440m。为适合 R125m弯曲曲线推进，机器装有活动铰接合机构铰的角度

13、2。机身总长11.020m，工作面单位面积推力为179kN，总推力150000kN。有四台电机用于盾构机操作管片的拼装、钢主柱的架设，设备的总重量达2600t。盾构机身和车架总长约275m，中部为137m，主要用于建造乘客在两端进出的车站。站台局部的衬砌由钢管片组成，乘客的通道由柔性的钢筋土管片组成，见图2-8。二、盾构法施工工艺过程使用盾构法施工，施工工艺流程如图2-9。始发工作井建造装修、设备安装图2-9 盾构隧道施工流程一盾构的组装基坑或工作井 在盾构施工段的始端，要布置基坑或井，用以进展盾构的安装工作。假设盾构推进线路特别长时，还应设置检修工作井，这些井和基坑应尽量结合隧道规划线路上的

14、通风井、设备井、地铁车站、排水泵房以及立体穿插、平行穿插、施工方法转换处来设置。作为拼装室用的井，其建筑尺寸应根据盾构装施工要求来确定，其宽度一般应比盾构直径酌情减小，井的长度方向沿推进方向要考虑盾构设备安装的要求。目前，中、小盾构的动力装置、配电设备大局部布置在盾构后面的设备车架上。假设考虑安装全部设备车架，会使工作井尺寸过长。一般盾构可采用临时操纵措施安装局部车架，但确定井的长度时也要考虑将来转换成全套车架的方便。从施工要求考虑，井的宽度具有盾构安装尺寸已够，而长度则要考虑在盾构前面撤除洞门封板和在盾构后面布置后座和垂直运输所需的尺寸。此外，为方便进展洞门与衬砌间空隙的充填、封板工作及临时

15、后座衬砌环与盾构导轨间的填实工作，在盾构下部至少应留有1m左右高度的空间。工作井可以用沉井箱法施工，也可连续墙支护桩排墙支护、锚喷支护明挖法施工，视工程地质和水文地质情况而定。盾构基座 盾构基座在井内用作安装及稳妥地搁置盾构，更重要的是通过设在基座上的导轨使盾构在施工前获得正确的导向。因此，导轨需要根据隧道设计、施工要求定出的平面及高程位置进展测量定位。基座可以采用现浇钢筋混凝土或钢构造，导轨由两根或多根钢轨组成。基座除承受盾构自重外，还应考虑盾构切人地层后，进展纠偏时产生的集中荷载。二盾构开挖盾构开挖方式可分为敞开式、机械切削式、网格式和挤压式等。为了减少盾构施工对地层的扰动，可先借助千斤顶

16、驱动盾构使其切口贯入土层，然后在切口内进展土体开挖与运输，这是软土地层盾构掘进的根本过程。1敞开式开挖手掘式及半机械式盾构均为半敞开式开挖，这种方式适于地质条件好，开挖面在掘进中能维持稳定或在有辅助措施时能维持稳定的情况，其开挖程序一般是从顶部开场逐层向下挖掘。假设土层较差，还可以借助千斤顶加撑板对开挖面进展临时支撑。根据切口长度的不同，每环可分数次开挖和推进。支撑千斤顶常设计成差压式，即在保持支撑力的条件下可以缩回，以确保支撑效能。采用敞开式开挖，处理孤立障碍物、纠偏、超挖均比其他方式容易。为尽量减少对地层的扰动，要适当控制超挖量与暴露时间，土质较差时尤应注意。2机械切削开挖这里主要指与盾构

17、直径相仿的全断面旋转切削刀盘简称大刀盘开挖方式。过去也用过一些由多个小盘组成的所谓行星式刀盘，以及千斤顶操纵的摆动式刀盘，但目前大都采用以液压或电动机作动力的可双向转动切削的大刀盘。根据地质条件的好坏，大刀盘可分为刀架间无封板的及有封板的两种。前者适用于土质较好的条件，如我国黄土高原使用的“DW2.52黄土洞掘进机，即为无封板刀盘形式。大刀盘切削开挖配合运土机械皮带机、刮板机、转盘。螺旋运输机等可使土方从开挖到装车运输部实现机械化。大刀盘开挖方式，在弯道施工或纠偏时不如敞开式便于超挖有些刀盘装有周边超挖刀来弥补其缺乏。此外，去除障碍物也显得困难些，特别是装有封板的大刀盘更显不便。使用大刀盘的盾

18、构机械构造复杂，消耗动力较大，但这种盾构是实现隧道施工机械化、减轻体力劳动的必然方向。目前国内外较先进的泥水加压盾构、土压平衡盾构，均采用这种开挖方式。3网格式开挖采用这种开挖方式时，开挖面由阿格梁与格板分成许多格子。开挖面的支撑作用是由土的粘聚力和网格厚度*围内的阻力与主动土压相等而产生的。当盾构推进时，克制这项阻力，土体就从格子里呈条状挤出来。要根据土的性质，调节网格的开孔面积。格子过大会丧失支撑作用；格子过小则会引起对土层的挤压扰动等不利影响。我国在大面积使用大、中型盾构过程中，曾在网格后面布置提土转盘，把土提到盾构中心的刮板机头部，然后装车外运。实践证明，这种出土方式效率高、效果好。网

19、格式开挖一般不能超前开挖，全靠调整千斤顶编组进展纠偏。采用网格开挖时，在所有千斤顶缩回后，会产生较大的盾构后退现象，导致地表沉降，因此，施工时务必采取有效措施，防止盾构后退。根据施工经历，每环推进完毕后采取维持顶力使盾构不进不推屏压510min，可有效防止盾构后退。此外，拼装管片时，要使一定数量的千斤顶轴对称地轮流维持顶力，以防盾构后退。在确定网格式盾构的推力时，应计及开挖面土体主动上压力引起的阻力以及网格梁、隔板切人土层的阻力。4挤压式开挖全挤压式和局部挤压式开挖，由于不出土或只局部出土，对地层有较大的扰动，在考虑施工轴线时，应尽量避开地面建筑物。局部挤压施工时，要精心控制出土量土质不同，出

20、土量也不同，一般宜作实地试验，以减少和控制地表变形。全挤压施工时，盾构把四周一定*围内的土体挤密实。由于只有上部有自由面，所以大局部上体被挤向地外表，局部土体则挤向盾尾及盾构下部。因此盾尾建筑空隙可以自然得到充填，不需要再进展衬砌壁后注浆。根据施工的观察与测量，挤向盾尾的土体对初出盾尾的衬砌产生的环向荷载是不小的。挤压施工时，由于可以把开挖面全部封闭起来，在盾尾密封效果良好的条件下，可以不采取其他辅助施工措施，而且不出土、不压浆，能在土质塑性大、空隙比拟大、有流动性的地层中到达较高的施工速度。挤压推进时，盾构有明显的上浮趋势，正面又不能超挖，只能凭调整千斤顶编组来纠偏。遇到纠偏困难时，在正面阻

21、力较大处，可以打*板挤出局部土来调整阻力。因此，常在正面封板的各个方位设置可启闭的出土闸门。三隧道衬砌的拼装软土地层盾构施工的隧道衬砌，通常采用预制拼装的形式：对于防护要求甚高的隧道，也有采用整体浇注混凝土的。整体浇注衬砌施工繁琐，进度较慢，目前已逐渐被复合式衬砌取代。复合式衬砌在成洞阶段先采用较薄的预制衬砌，然后再浇注混凝土内衬，以满足防护要求。预制拼装衬砌是由称为“管片的多块弧形预制构件拼装而成。管片可采用铸铁、铸钢、钢筋混凝土等材料制成的各种构件形式。通常，盾构及衬砌构造确定之后，其拼装方法也就大致决定了。管片拼装方法根据构造受力要求，分为通缝拼装和错缝拼装两种。通缝拼装，管片的纵缝要环

22、环对齐，拼装较为方便，易定位，衬砌环施工应力小，但环面不平整的误差容易累积起来，特别是采用较厚的现浇防水材料时，更是如此。假设构造设计需要采用衬砌本身来传递圆环内力时，宜采用错缝拼装，即衬砌圆环的纵缝在相邻圆环环间错开l2l3管片。这种管片的环纵缝可设计成榨形连接，以利拼装。错缝拼装的隧道比通缝拼装的隧道整体性强，但由于环面不平整，常引起较大的施工应力，防水材料也常因压密不够面渗漏水。管片拼装方法按其程序，可分为“先纵后环和“先环后纵两种。先环后纵法是：拼装前将所有盾构千斤顶缩回，管片先拼装成圆环，然后用千斤顶使拼好的圆环纵向靠拢与已成环连接成洞。这种方法拼装的环面较为平整，纵缝拼装质量好，但

23、对易产生后退现象的盾构，不宜采用。先纵后环的拼装方法可以有效地防止盾构后退，即拼装*一块管片时，就只缩回该管片局部的千斤顶，其它千斤顶则轴对称地支撑或升压。这样逐块轮流缩回与伸出局部千斤顶，直至拼装成环。在整个拼装过程中，要求控制盾构位置不变。管片拼装常用举重臂来进展。举重臂可以根据拼装要求完成旋转、径向伸缩、纵向移动等操作，有的还装有可以微动调节的装置。无论是采用先纵后环还是先环后纵的方法，举重臂均能迅速、方便地完成作业，其操作顺序是：自上而下，左右穿插，最后封顶成环。假设采用将衬砌管片纵向插入拼装的方法，举重臂沿隧道轴向的移动距离要加长。四衬砌壁后压浆为防止地表沉降，必须将盾尾和衬砌之间的

24、建筑空隙及时压浆充填。压浆还可以改善隧道衬砌的受力状态，增强衬砌的防水效能，因此，是盾构施工的关键工序。压浆有以下几种方法，主要应根据地层条件选用。1二次压注。这种压注工艺是当盾构推进一环后，立即用风动压注机通过管片的压注孔，向衬砌壁后的建筑空隙注人豆粒砂，以防止地层的坍塌。继续推进数环58环后，再用压浆泵将水泥类浆体灌人砂间空隙，使之团结。二次压注法施工繁琐，压注豆粒砂不易保证密实，尤其是拱顶局部，此外灌注水泥浆时也难填满。地表沉降量略大，后期常需进展补充压浆，但这对保护盾尾密封装置有利。2一次压注。假设地层条件较差，盾尾空隙一出现就会发生坍塌时，则希望盾尾空隙内始终保持一定的压力。在这种情

25、况下宜采用一次压注法，即随着盾尾空隙的出现，立即压注水泥村浆，并保持一定压力。一旦压浆出现故障，盾构也要暂停推进。这种工艺对盾尾密封装置要方较高，易产生盾尾漏浆，必须准备采取有效的堵漏措施。3三次压注。同步压浆填充盾尾间隙，管片脱出盾尾过程中快速压浆；二次压浆在3d后，防止浆液失水、流失，土体压缩变形引起沉降；三次压浆发现明显的地表沉陷趋势或隧道严重渗漏时，可在相应区间进展补充压浆。根据施工经历，压浆数量同注人压力及要求控制的地表沉降有关，一般为理论计算建筑空隙体积的110180。压浆要对称于衬砌环进展，尽量防止单点超压注浆，以减少衬砌环的不均匀施工荷载。注浆压力一般为0.51.OMPa。五盾

26、构法施工的运输、供电、通风和排水1运输。隧道内需运输的材料有开挖的土方、管片、压浆材料，以及隧道延伸所需的枕木、钢轨、走道板、管道等。运输方式分为水平运输和垂直运输。水平运输大都采用轻型窄轨轨距a刀mm，以蓄电池式电机车牵引。在运距长、坡度陡战情况下，可采用内燃机车。隧道内的水平运输线，可通过竖井内的罐笼或货运电梯等垂直运输工具与地面联系。整个运输系统要根据施工现场的具体条件，进展合理的设计与布置。2供电。盾构施工时，除了要重视盾构本身及井下设备的供电外，对地面降水用水泵、气压用空压机等的供电也务必充分保证，否则会因断电招致重大工程事故。供电系统要考虑足够的备用系数，还应采用多路电源供电的方法

27、。供电线路及设备要有良好的平安措施，并经常维修检查。如果外电源供电参数缺乏时，工地上要采取补偿措施，必要时要布置临时发电站，其发电量以保证工程及人身平安为主。例如，维持降水的水泵用电量；气压盾构维持工作面气压的空压机电量；隧道内照明以及维持工程平安的设备用电量，以及保证撤出施工人员的电梯、罐笼、讯号用电量等。这些保证供电工程，要明确地反映到工程的施工组织设计中去。3通风。盾构施工均为独头巷道的形式，为此，应根据工作面实际操作人数，供应新鲜空气，并注意调节工作面的温度与湿度。隧道内使用电焊、气割、化学灌浆堵漏时应加大通风量。一般采用矿用通风机，考虑一定距离的接力，送到开挖面。气压式盾构直接利用加

28、压管路接往开挖面，以保证空气清新。大断面隧道的工作面还可以布置假设干排风扇。气压盾构隧道的排气管宜布置在隧道后部，以利隧道内换气。地层中含有沼气、瓦斯等易燃、易爆气体时，除加强盾构*闭措施外，还应加强通风。对有害气体应进展监测，并降低到可能爆燃的浓度以下。4排水。隧道施工用水、渗漏水以及工作面涌水应迅速排除，以保证盾构机械的平安操作。隧道内积水一般先排人工作井，再用专设的抽水系统排至地面。为减少隧道施工所需的排水设备可将盾构推进的线路设计成上坡推进，使积水能自动流人工作井的集水坑。对于有上下纵坡转换的隧道，要在最低点布置临时水泵，通过管道将水排往工作井的集水坑。使用气压式盾构时，可利用压力差排除气压段积水。假设闸墙处于隧道低端，要在常压段闸墙附近另设排水设施。盾构施工的排水，是保证工程质量和进度的重要环节进展施工组织设计时房必进展周密的筹划和安排。三、盾构法存在的问题盾构法隧道建立对地面干扰小，施工速度快、平安、机构化和自动化程序高等优点是显而易见的，也是今后城市软土地层隧道建立的开展方向。但盾构法隧道也存在一系列的缺点和施工难点，主要表现在：1盾构掘进机引起土体的变形走动、孔隙水压力波动、过大的地面沉降和隆起；2盾构在地下“蛇行前进，方向控制不准，纠偏困难；3超大直径、超小直径、矩形、异形、双圆形、球形盾少见，无法