盾构法隧道施工技术及应用.docx

1、盾构法隧道施工技术及应用1盾构法隧道概论1.1盾构法隧道的起源及发展史1825-1911早期Mare Isambard Brunel构思注册了盾构专利，并在1825-1843伦敦泰晤士河下隧道工程中首次应用1866首次使用shield这一术语1886Janes Heary Greathead创建了压缩空气与盾构掘进相组合使用的格瑞海德盾构法1876第一个机械化盾构专利1896Price机械化盾构首次应用到具体工程1959Elmer C Gardner提出液体泥水支撑隧道工作面1960Schneidereit注册膨润土浆来稳定隧道工作面的专利1963日本Sato Kogyo公司开发了土压平衡盾构

2、方案1964英国申请了泥水加压平衡盾构掘进机原理专利1966中国第一条盾构隧道打浦路隧道1974年第一台土压平衡盾构在东京被采用1978全自动化泥水加压盾构机Thixshield在德国应用1985注册了混合盾构的组合盾构专利1986日本研制世界上第一台双圆泥水加压式盾构1987-1994英法海峡隧道工程1992日本研制第一台三圆泥水加压式盾构机2001年全球最大的隧道直径14.87米，荷兰绿心隧道2003年中国最大的隧道直径11.36米，上海翔殷路隧道1.2盾构法隧道基本原理及特点盾构法隧道的基本原理是用一件有形的钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体而向前推进。这个钢质组件被称为盾构。隧道拱内圈的空

3、洞由盾构本体防护，同时还需要其他辅助措施对工作面进行支护，盾构法隧道主要有以下几种支护土体方法和与之相匹配的盾构类型及盾构掘进机的支护面板：自然支撑、机械支撑、压缩空气支撑、泥浆支撑、土压平衡支撑2盾构分类及选型2.1盾构的构造盾构的形状就是断面形状盾构材料要具有足够的强度和刚度盾构壳体：切口环：盾构的最前端，用于开挖和挡土 支承环：主体结构，承受作用于盾构上全部荷载 盾尾：掩护隧道管片衬砌的安装工作，薄壳体、设有密封装置推进机构：靠液压系统带动若干个千斤顶组成管片拼装机：举重臂或真空吸盘装置真圆保持器：保证既成环不变形盾构的基本参数：盾构直径：管片外径、盾尾空隙、盾尾钢板厚度 盾构长度：切口

4、环、支承环、盾尾组成 盾构灵敏度：盾壳总长与盾构外径支比 盾构的推力：克服盾构外壁周边与土体之间的摩擦力或粘结阻力 推进中切口插入土壤的贯入阻力 工作面正面阻力：支护阻力、刀盘切削推进阻力 管片与盾尾摩擦力 变向阻力：曲线施工、纠偏 后方台车牵引阻力2.2盾构分类 敞口式盾构/普通盾构普通闭胸式盾构/普通挤压式盾构/半机械化盾构机械式闭胸盾构：局部气压盾构、泥水（加压）平衡盾构、（加泥）土压平衡盾构TBM盾构2.3盾构选型盾构掘进机选型程序流程图4.隧道通用施工技术措施4.1常见的门洞结构形式及进出洞土体加固技术盾构的进出洞施工要确保洞口暴露后正面土体的稳定，使洞口处的土体不流失，不坍塌工作井

5、：沉井法施工、地下连续墙、钻孔灌注桩、SMW工法外封门形式：出洞施工内封门形式：进洞施工井内外封门形式：筒套+钢板桩封口，出洞施工SMW工法施工洞口封门：拔出H型钢地下连续墙施工洞口封门钻孔灌注桩施工洞口封门土体稳定施工技术：SMW工法（深层搅拌桩+H型钢）：SMW工法是指通过深层搅拌机器搅拌，使水泥类悬浊液在原地层中与土体反复均匀混合，并根据一定的间隔插入H钢或板桩等作为加强基材，待水泥土固结后，形成复合的连续挡土墙的技术对周围地基影响小、止水性高、环境污染小测量放样、定位清除围护施工区域地下障碍物导墙施工深层搅拌桩机就位、校正水平拌浆机拌浆、压浆泵送浆搅拌桩二喷二搅施工固定H钢插入的定位设

6、备将涂刷过隔离剂的H钢就位将H钢插入刚施工结束的搅拌桩SMW一组桩施工结束结构施工结束后，拔起H钢H钢整形、重复使用高压旋喷桩：利用工程钻机钻孔到设计深度，将一定压力的水泥浆液和空气，通过其端部侧面的特殊喷嘴同时喷射，并强制与喷射出来的浆液混合，胶结硬化。喷射的同时，旋转并以一定速度提升注浆管，即在土体中形成直径明显的拌和加固体钻机就位、钻孔插管、旋喷提升、机具清理深层搅拌桩降水法：轻型井点降水是土层中成孔埋入带有过滤器的井点支管，并在支管四周填砂，然后通过水平集水总管，将所有井点支管和置于地面的抽水机组连通，地下水被抽水机组吸至地面而排除喷射井点降水是在需降水部位四周的土层中成孔，将带有过滤

7、器和喷射器的双层井管放入，并在井管的四周填砂，然后和进回水总管相连接，使机组（高压水泵）输出的高压工作水进入井管喷射器。喷射器所产生的真空，通过滤网将地下水吸入，并和工作水混合后一起进入水箱排出 电渗井点降水就是用电渗原理来进行降低粘土层中的地下水位，一般用轻型井点作阴极，在旁边插入相应的阳极管井井点降水：沿工作面每隔一定距离设置一个管井，每个管井单独使用水泵深井井点降水：将水泵放在井管中，依靠水泵扬程把深处的地下水送到地面上先导隧道排水冻结法：直接冻结（低温液化气）、间接冻结（氨压缩盐水） 水平冻结、垂直冻结4.2管片拼装技术管片自动化拼装：把管片运往供给装置把管片在供给装置上调整把持合适位

8、置旋转、滑移、伸缩偏移、侧倾、俯仰、拱起、旋转微调、滑移微调整体组合：通缝拼装、错缝拼装、通用楔形管拼装盾构有无后退：先环后纵、先纵后环管片拼装顺序：先下后上、先上后下先下后上、左右交叉、纵向插入、封顶成环5.盾构法隧道施工技术5.1网格挤压式盾构网格式水利机械盾构：网格：合适水利冲刷的网格和封板组成切口支承形式 泥水舱：盾构切口后部的隔舱板与网格间，供土体冲刷成泥水 冲刷水枪：用于冲刷开启封板外的土体，或将舱内土块稀释成泥浆 水力输送机具：采用扬水器及渣浆泵将舱内泥水排放至地面 工作压力水水力出土盾构与干出土盾构不同在于出土形式及设置的网格封板。水力出土施工的特殊性在于根据地层土质、盾构推进

9、轴线控制要求及推进出土量，来确定封板所开启的部位及出土开孔面积水力出土地面施工配合设施：水泵房出洞口处理：一般采取洞门外钢板桩封门出洞水力出土机械的过渡转换：由临时的扬水器和管道过渡到正常车架水力出土机械盾构推进与水力出土相互协调关系：多点冲土、面大坑浅、表湿内干、底部待挤、勤冲勤纠 控制推进出土量主要与网格封板开启面积的大小及正面土体的可塑性有关同步注浆：是填充盾壳与管片圆环间的建筑孔隙和减少后期沉降的主要手段二次注浆：主要用于盾构出洞段等特殊地段的土体加固盾构推进轴线控制：通过千斤顶、开启闭合封板变换出土进土部位、水枪冲刷等方法纠偏衬砌拼装：对于水力出土盾构应严格避免衬砌工作区域大量积水5

10、.2土压平衡式盾构土压平衡式盾构机：在刀盘扭矩力和推进油缸顶力的作用下，盾构在土层中利用布置在刀盘上的切割刀对土体进行切削。切削下的土体经刀盘进土槽并进入土舱，通过配备的加泥系统对充满土舱的切削土进行改良，使其具有良好的塑流性，通过可控制转速的螺旋输送机，控制土舱的出土量，使土舱内的改良土保持一定的压力使之与开挖面的土压力保持动态平衡盾构壳体、刀盘及驱动系统、螺旋输送机、管片拼装机、推进系统、皮带输送机、人行闸、液压系统、电气控制系统、集中润滑系统、加泥系统、水冷却系统、盾尾密封系统、衬背注浆系统、车架、单、双梁调运机构一类是在粘性土地层中将开挖下来的土体直接充填在切削腔内，用螺旋输送机调整土

11、压另一类是在砂性土地层中向开挖下来的土砂中加入适量的水和泥浆等，通过搅拌形成后的匀质具有流动性的土体填充土舱螺旋运输机是靠转速控制来掌握出土量，出土量要密切配合刀盘切削速度，以保持密封舱内始终充满泥土而又不致过于饱满初始推进段施工：选定参数：平衡压力、推进速度（千斤顶行程速度）、总推力、刀盘扭矩、出土量地表变形控制：土压力管理：水压力+主动土压力土压力水压力+被动土压力 排土管理：调节螺旋输送机转速和推进速度 泥水管理 注浆管理5.3泥水平衡式盾构泥水平衡式盾构：盾构掘进机 掘进管理系统：自动计测子系统、输送管理子系统、同步注浆管理子系统、泥水管理子系统主要用于调节推进过程中的开挖面稳定；管理

12、盾构推进时的双液注浆量和注浆压力；测定泥水输送系统中的泥水指标和控制盾构姿态当前切口水压、送泥流量、排泥流量、送泥密度、排泥密度、千斤顶速度、刀盘力矩、千斤顶顶力、注浆压力、注浆量、土砂量、干砂量、掘削时间、盾构平面、高程、方位角、转角 泥水处理系统：泥水控制室、沉淀池、贮浆槽、新浆拌制槽、调整槽、剩余槽、清水槽、泥水分离除砂器、清洁器起处理由盾构开挖面排出的泥水和制造新鲜泥水的作用经泥水处理站分离成土砂和泥水，将大颗粒的土砂排弃而回收含有小颗粒的泥水，后者进入调整槽并按施工要求加入新浆进行调整，再输送至盾构工作面实现泥水循环 泥水输送系统 同步注浆系统：双液单系统注浆泥水平衡盾构是通过在支承

13、环前面装置隔板的密封舱中，注入适当压力的泥浆使其在开挖面形成泥膜，支承正面土体，并由安装在正面的大刀盘切削土体表层泥膜，与泥水混合后，形成高密度泥浆，由排泥泵及管道输送至地面处理，整个过程通过建立在地面中央控制室的泥水平衡自动控制系统统一管理泥膜形成的机理与基本要素：达西定律、阻塞桥架效应 最大粒径、颗粒级配、泥水浓度、泥水压力根据泥水加压平衡盾构中对泥水系统的压力控制方式的不同分为直接控制型（日本式）和间接控制型（欧洲式），间接控制型是由空气和泥水双重系统组成隧道抗浮：由于隧道断面相对较大，且泥水易后窜至成环隧道，引发成环隧道上浮5.4复合式盾构复合式土压平衡盾构掘进机：掘进施工具有非土压平

14、衡模式、欠压模式、土压平衡模式三种。 盾构掘进机的刀盘结构具有刀盘（盘刀、滚刀）的可更换性。 配备同步注浆系统、泡沫及膨润土注入系统等复合式盾构掘进机运行系统采用模式识别和智能控制，操作人员可按不同硬岩、软土及复合地层条建设定掘进模式。盾构将自动按设定模式调节系统运行状态，依靠盘型滚刀和标准割刀相结合的刀盘开挖土体。非土压平衡掘进模式：土舱内的空气压力为常压，不需要在开挖舱内建立土压或气压平衡以支撑工作面的土体压力和水压力。具有较强的切削和破碎硬岩的能力欠压（气压平衡）掘进模式：刀盘后的土舱内下半部分是岩渣，上半部分是压缩空气，空气压力与工作面的土压和地下水的压力保持平衡土压平衡掘进模式：掘进

15、过程中始终维持开挖量与排土量的平衡来保持土舱内的土压力，并利用土舱内的压力来维持工作面土体的稳定并防止地下水涌出刀具的合理配置最佳推进模式的选择刀盘泥饼的处理：在具有丰富裂隙水且塑性较大的风化岩中掘进时，若盾构土舱设定压力过高，则经破碎后的风化岩与地层裂隙水混合后并经过刀盘碾压，极易在刀盘正面形成泥饼，从而极大的降低刀盘的切削效率，增大刀盘扭矩、推力，增加设备的故障率5.5双圆加泥式土压平衡盾构双圆加泥式土压平衡盾构机：刀盘同步控制：双圆盾构两刀盘配置在同一平面上，为防止两刀盘间冲突，刀盘旋转速度采用同步控制装置控制。即使两刀盘的荷载发生变化，也能控制刀盘的旋转速度维持相位角的连锁控制方式 拼

16、装机：两台独立操作的拼装机，同时增加了立柱拼装和管片顶托装置 转角修正装置：千斤顶与盾撬双圆盾构工法（DOT工法）是利用安装在盾构最前面的两个辐条式切削刀盘对正面土体进行旋转切削，同时利用盾构本体上的千斤顶将盾构掘进机向前顶进，切削下来的土体进入刀盘后方的土舱内，舱内始终保持适当压力与开挖面水土压力平衡，以减少盾构推进对地层土体的扰动，从而控制地表沉降，土舱内土体由安装在土舱下部的螺旋输送机向排土口连续的将土渣排出，在推进一段距离后，由设在盾构本体上的拼装机将预制钢筋混凝土管片在盾构外壳的保护下拼装成环双圆盾构出洞防水技术：双圆盾构中间海鸥块处形成凹槽，仅依靠常规的帘布橡胶板无法在凹槽处形成较

17、强的握裹力，必须采用帘布橡胶板结合气囊形式，在凹槽部位利用气囊的压力将帘布橡胶板紧贴在盾构壳体，从而起到良好的洞门止水作用。双圆盾构轴线控制技术：平面控制、高程控制偏转控制：由于盾构偏转将造成左右隧道的高低差及立柱的倾斜双圆盾构管片拼装技术：拼装顺序：先下部海鸥形管片两侧标准管片（同步完成，先下后上）上部海鸥形管片中间立柱双圆盾构地层变形控制技术：双圆盾构刀盘为辐条形，无法有效支持正面土体 刀盘辐条在旋转过程中，将在辐条背后形成真空地带 双圆盾构顶部凹槽处易产生背土现象，造成盾构掘进机背部土体整体随盾构机向前运动双圆盾构同步注浆孔设在盾构中心的上下两凹槽处，浆液需填满整环双圆盾构后部建筑空袭所

18、经过的路径相对较长5.6TBM盾构施工TBM（Tunnel Boring Machine）盾构掘进机用来破碎和挖掘非常大的顽石和岩石，在硬质地层使用。圆盘滚刀用于切削破碎顽石和岩石。比较大的破碎岩石和顽石通过带状螺旋排出装置运走。挖掘出的泥石在切削压力舱和带状螺旋排出装置中混入泥渣，其压力、土层压力和地下水压力相平衡，由此维持了掘进工作面的稳定5.7盾构隧道工程实例英法海峡隧道工程时间：1987.12-1993.6长度：49km，英格兰福克斯通法国卡莱规模：直径4.8m服务隧道一条，直径7.8m铁路隧道两条，总长147km，投资128亿美元盾构：11台高度自动化、ZED激光导向盾构掘进机，14

19、00m每月推进速度地质：1958年起研究，英国一侧都在粘土质碳酸盐泥岩的泥灰岩地层中施工 法国一侧穿越多处断层的泥灰岩地层 利用服务隧道对前方渗透度很高的不稳定地层或地带进行超前钻探隧道盾构掘进机：英国一侧6个区间段使用6台通用型盾构掘进机，开启式盾构机械前部设置全断面切削刀盘法国一侧6个区间段使用5台土压平衡式盾构掘进机8.盾构法施工对地层的影响和防治8.1沉降机理分析地面沉降是由于盾构法施工而引起隧道周围土体的松动和沉陷隧道的挖掘土量常常由于超挖或盾构与衬砌间的间隙等原因而比按照隧道断面面积计算出的土量大的多，使隧道与衬砌之间产生空隙，空隙会被周围土壤及时填补，随之而形成：应变变形位移地面

20、沉降所谓地层损失是指盾构施工中实际挖出的土壤体积与理论计算的排土体积之差正常地层损失：归结于施工现场客观条件，一般的可以控制到一定限度，由此而引起的地面沉降槽体积与地层损失量是相等的非正常地层损失：由于盾构施工过程中操作失误而引起的地层损失，存在局部变化的特征，一般可以认为是正常的灾害性地层损失：由于盾构施工中遇到地层中水压大的贮水和透水性强的颗粒状土的透镜体等不良地质条件，开挖面有突发性急剧流动由于盾构推进中的挤压、超挖和盾尾的压浆作用，对地层产生扰动，使隧道周围地层产生正负超孔隙水压力，从而引起地层沉降称为固结沉降。固结沉降可分为主固结沉降和次固结沉降，前者为超孔隙水压力消散引起的土层密实

21、，后者是由于土层骨架蠕动引起的剪切变形沉降。从理论上讲，盾构法施工引起隧道周围地表沉降是指主固结沉降、次固结沉降及施工沉降（瞬时沉降）三者之和初期沉降：指当盾构开挖面到达某一测量位置之前，在盾构推进前方的土体滑裂面以外产生的沉降，由于固结沉降所引起的，包括盾构施工所引起的地下水（孔隙水）的下降开挖面沉降（或隆起）：指开挖面到达某一测量位置时，在它正前方的那部分地面沉降，形成了覆盖层的土压增加或应力释放尾部沉降：指盾构通过时产生的地面沉降，整个盾构推进过程中，受总推力、表面摩擦力、正面土压力三个力作用，由于盾壳与地层之间的摩擦阻力作用，必然会产生一个滑动面，临近滑动面的土层中就会产生剪切应力，当

22、盾构刚通过受剪力破坏的地层时，因受剪切而产生的拉应力导致土壤立刻向盾构后的空隙移动。在推进过程中，盾构所经之处必须压缩一部分土壤，松弛另一部分的土壤。压缩的部分抵挡了盾构的偏离，保持盾构能与隧道轴线一致，而松弛的部分则带来了地面沉降盾尾空隙沉降：盾构通过之后，由于盾构尾部建筑空隙和隧道周围土体被扰动，在土力学上表现为土的应力释放，密实度下降长期延续沉降：指盾构通过后在相当长一段时间内仍延续着的沉降，归结于地基土的徐变特性的塑性变形主观原因：盾构严重超挖（欠挖）引起的地面沉降（隆起） 推进参数设置不合理 注浆量不足或注浆不及时，直接影响“建筑空隙”的充填 盾构“姿态”的纠偏，“仰头”“磕头”现象加剧土体扰动 盾构后退造成开挖面土体稳定失衡，土的内聚力减小