盾構(gòu)隧道施工原理及方法ppt課件

1、盾構(gòu)隧道施工原理及方法,1. 盾構(gòu)法的基本含義 盾構(gòu)施工法是“使用盾構(gòu)機(jī)在地下掘進(jìn)，在盾殼的保護(hù)下，在機(jī)內(nèi)安全的進(jìn)行開挖和襯砌作業(yè)，從而構(gòu)筑成隧道的施工方法”。按照這個定義，盾構(gòu)施工法是由穩(wěn)定開挖面、盾構(gòu)機(jī)挖掘和襯砌三大部分組成,一、盾構(gòu)法施工的原理及方法,盾構(gòu)法施工的概貌如圖5-5-1所示。在隧道的一端建造豎井（出發(fā)井、接受井）或基坑，將盾構(gòu)安裝就位，盾構(gòu)從豎井或基坑的墻壁開孔出發(fā)，在地層中沿著設(shè)計軸線，向另一豎井或基坑的孔壁推進(jìn),盾構(gòu)推進(jìn)中所受到的地層阻力，通過盾構(gòu)千斤頂傳至盾構(gòu)尾部已經(jīng)拼裝好的襯砌管片上。盾構(gòu)機(jī)是這種施工方法中主要的施工機(jī)具,2. 盾構(gòu)法施工的原理和過程,3. 密封式(平

2、衡)盾構(gòu)機(jī)的組成,盾構(gòu)機(jī)組成,管 片,管片的組裝順序,K管片(封頂塊)的嵌入,盾構(gòu)機(jī)是根據(jù)每一施工區(qū)段設(shè)計的專用設(shè)備,盾構(gòu)施工不可退后,對施工的要求精度高,占用的施工場地小,對鄰近建筑物的影響小,對周圍環(huán)境的影響較小,2.盾構(gòu)施工的特點,初期的盾構(gòu)法是用手掘式或機(jī)械開挖式盾構(gòu)機(jī)，結(jié)合使用壓氣施工方法保證開挖面穩(wěn)定，進(jìn)行開挖，在地下水較豐富的地區(qū)，用注漿法進(jìn)行止漏，而對軟弱地層，則采用掌子面封閉式施工。經(jīng)過多年對盾構(gòu)技術(shù)的研究開發(fā)和應(yīng)用，已演變成現(xiàn)在非常盛行的泥水平衡式和土壓平衡式兩種盾構(gòu)機(jī)。這兩種機(jī)型的最大優(yōu)點是在開挖功能中考慮了穩(wěn)定開挖面的措施，將盾構(gòu)施工法中的三大要素的前兩者聯(lián)系融為一體，

3、無需輔助施工措施。并通過使用不同類型的刀具，就能適應(yīng)地質(zhì)情況變化范圍較廣的地質(zhì)條件,5. 盾構(gòu)機(jī)和盾構(gòu)法的發(fā)展史,礫石、巖石等硬質(zhì)圍巖時的刀頭,大礫石、巖石時多采用刀輪式刀頭,盾構(gòu)法施工開挖面穩(wěn)定技術(shù)的歷史，是從壓氣施工法的“氣”演變到泥水式的“水”和土壓式的“土”?！伴_挖面穩(wěn)定”和“盾構(gòu)開挖”的技術(shù)已達(dá)到較完善的地步。目前盾構(gòu)一般指密封式泥水平衡式和土壓平衡式盾構(gòu)。 最近，盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展動向是：開發(fā)了超大斷面的盾構(gòu)機(jī)和MF盾構(gòu)機(jī)以及DOT盾構(gòu)機(jī)等多斷面盾構(gòu)機(jī)，加上在襯砌和開挖方面使用了ECL施工法的技術(shù)，采用管片自動組裝裝置，以及采用自動測量技術(shù)進(jìn)行開挖控制，用計算機(jī)進(jìn)行各種施工管理實現(xiàn)管理

4、系統(tǒng)化等的開發(fā)研究。對提高盾構(gòu)施工的安全性、適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性展示了更為廣闊的應(yīng)用前景,1. 盾構(gòu)機(jī)的種類 盾構(gòu)機(jī)是盾構(gòu)法施工的主要施工機(jī)械，按開挖面與作業(yè)室之間的隔墻構(gòu)造可分為全開敞式、半開敞式及密封式三種。種類劃分如下所示,二、盾構(gòu)機(jī)的種類和構(gòu)造,1)全開敞式 全開敞式盾構(gòu)機(jī)是指沒有隔墻、開挖面敞露狀態(tài)的盾構(gòu)機(jī)。根據(jù)開挖方式的不同，又分為手掘式、半機(jī)械化式及機(jī)械式三種。這種盾構(gòu)機(jī)適用于開挖面自穩(wěn)性好的圍巖。在遇到開挖面不能自穩(wěn)的地層時，則需進(jìn)行地層超前加固等輔助施工方法，以防止開挖面坍塌,a.手掘式盾構(gòu)機(jī) 如圖5-5-2所示，手掘式盾構(gòu)機(jī)的正面是開敞的，通常設(shè)置防止開挖頂面塌陷的活動前檐及上承

5、千斤頂、工作面千斤頂及防止開挖面塌陷的擋土千斤頂。開挖采用鐵鍬、鎬、碎石機(jī)等開挖工具，人工進(jìn)行,手掘式盾構(gòu)機(jī) 這種盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)的土質(zhì)是自穩(wěn)性強(qiáng)的洪積層壓實的砂、砂礫，固結(jié)粉砂和粘土。對于開挖面不能自穩(wěn)的沖積軟弱砂層、粉砂和粘土，施工時必須采用穩(wěn)定開挖面的輔助施工法，如氣壓施工法、改良地基、降低地下水位等措施。目前手掘式盾構(gòu)機(jī)一般用于開挖斷面有障礙物、巨礫石等特殊場合，而且應(yīng)用逐漸減少,b.半機(jī)械式盾構(gòu)機(jī) 如圖5-5-3所示，半機(jī)械式盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行開挖及裝運石碴都采用專用機(jī)械，配備液壓鏟土機(jī)、臂式刀盤等挖掘機(jī)械和皮帶運輸機(jī)等出碴機(jī)械，或配備具有開挖與出碴雙重功能的機(jī)械，以圖省力,半機(jī)械式盾構(gòu)機(jī) 為防止

6、開挖面頂面塌陷，盾構(gòu)機(jī)內(nèi)裝備了活動前檐和半月形千斤頂。由于安裝了挖掘機(jī)，再設(shè)置工作面千斤頂?shù)戎踉O(shè)備是較困難的。 與手掘式盾構(gòu)機(jī)一樣，應(yīng)有確保開挖面穩(wěn)定的措施。適應(yīng)土質(zhì)以洪積層的砂、砂礫、固結(jié)粉砂和粘土為主。也可用于軟弱沖積層，但須同時采用超前加固，或采取降低地下水位、改良地基等輔助措施,c.機(jī)械式盾構(gòu)機(jī) 如圖5-5-4所示，機(jī)械式盾構(gòu)機(jī)前面裝備有旋轉(zhuǎn)式刀盤，增大了盾構(gòu)機(jī)的挖掘能力，開挖的土砂通過旋轉(zhuǎn)鏟斗和排土可以連續(xù)進(jìn)行，縮短了工期，減少了作業(yè)人員。在開挖自穩(wěn)性好的圍巖時，機(jī)械式盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)的土質(zhì)與手掘式盾構(gòu)機(jī)、半機(jī)械式盾構(gòu)機(jī)一樣，須采用輔助施工方法,2) 半開敞式 是指擠壓式盾構(gòu)機(jī)，它是在開

7、放型盾構(gòu)的切口環(huán)與支撐環(huán)之間設(shè)置胸板，以支擋正面土體，但在胸板上有一些開口，當(dāng)盾構(gòu)向前推進(jìn)時，需要排出的土體將從開口處擠入盾構(gòu)內(nèi)，然后裝車外運，見圖5-5-5。這種盾構(gòu)適用于軟弱粘土層，在推進(jìn)過程中要引起較大的地面隆起,3) 密封式 是指在機(jī)械開挖式盾構(gòu)機(jī)內(nèi)設(shè)置隔墻，進(jìn)入刀盤與隔墻土倉的土體，由泥水壓力或土壓提供足以使開挖面保持穩(wěn)定的壓力。密封式盾構(gòu)機(jī)又分成局部氣壓式、泥水平衡式和土壓平衡式幾種,局部氣壓式盾構(gòu)。 在機(jī)械式盾構(gòu)支承環(huán)的前邊裝上隔板，使切口環(huán)成為一個密封艙，其中充滿壓縮空氣，達(dá)到疏干和穩(wěn)定開挖面土體的作用，見圖5-5-6,局部氣壓式盾構(gòu) 壓縮空氣的壓力值可根據(jù)工作面下1/3點的地

8、下靜水壓力確定。由于這種盾構(gòu)是靠壓縮空氣對開挖面進(jìn)行密封，故要求地層透水性小，滲透系數(shù)K小于110-5m/s，靜水壓力不大于0.1MPa。另外，這種盾構(gòu)在密封艙、盾尾及管片接縫處易產(chǎn)生漏氣，引起工作面土體坍塌，造成地面降陷,土壓平衡式盾構(gòu) 土壓平衡式盾構(gòu)又稱削土密封式或泥土加壓式盾構(gòu)。它的前端有一個全斷面切削刀盤，在它后面有一個貯留切削土體的密封艙，在其中心處或下方裝有長筒形的螺旋輸送機(jī)，在密封艙和螺旋輸送機(jī)，以及在盾殼四周裝設(shè)的土壓傳感裝置，根據(jù)需要還可裝設(shè)改善切削土體流動性的塑流化材料的注入設(shè)備,泥水加壓式盾構(gòu) 泥水加壓式盾構(gòu)的總體構(gòu)造與土壓平衡式盾構(gòu)相似，僅支護(hù)開挖面方法和排碴方式有所不

9、同。在泥水加壓式盾構(gòu)的密封艙內(nèi)充滿特殊配制的壓力泥漿，刀盤(花板型)浸沒在泥漿中工作。對開挖面支護(hù)，通常是由泥漿壓力和刀盤面板共同承擔(dān)，前者主要是在掘進(jìn)中起支護(hù)作用，后者主要是在停止掘進(jìn)時起支護(hù)作用,泥水加壓式盾構(gòu) 對于不透水的粘性土，泥漿壓力應(yīng)保持大于圍巖主動土壓力。對透水性大的砂性土，泥漿會滲入到土層內(nèi)一定深度，并在很短時間內(nèi)，于土層表面形成一層泥膜，有助于改善圍巖的自承能力，并使泥漿壓力能在全開挖面上發(fā)揮有效的支護(hù)作用。此時，泥漿壓力一般以保持高于地下水壓0.2MPa為宜。而刀盤切削下的碴土在密封艙內(nèi)與泥漿混合后，用排泥泵及管道輸送至地面處理，處理后的泥漿再由供泥泵和管道送回盾構(gòu)重復(fù)使用

10、，所以，在采用泥水加壓式盾構(gòu)時，還需配備一套泥漿處理系統(tǒng)。 泥水加壓式盾構(gòu)按泥漿系統(tǒng)壓力控制方式可分為直接控制型(日本型)和間接控制型(德國型)兩種基本類型,a直接控制型(日本型) 直接控制型(日本型)泥水加壓式盾構(gòu)的泥漿壓力控制由一套自動控制泥漿平衡的裝置來實現(xiàn)，見圖5-5-10。P1為供泥泵，從泥漿處理廠的泥水調(diào)整槽將泥漿壓人盾構(gòu)密封艙，供入泥漿比重在1.051.25之間，在密封艙內(nèi)與開挖碴土混合后的重泥漿由排泥泵P2、P3、P4排至泥漿處理廠，排出泥漿比重在1.11.4之間。密封艙的泥漿壓力是通過調(diào)節(jié)供漿泵P1的轉(zhuǎn)速或節(jié)流閥的開口比值來實現(xiàn)控制的,直接控制型(日本型) 泥漿管中的泥漿流速

11、，必須保持在臨界值以上，否則，泥漿中的顆粒會產(chǎn)生沉淀而堵塞管路，尤其是在排泥管中，堵塞將更為嚴(yán)重。按管道流理論，臨界流速VL(m/s)可按Durand公式計算,式中 FL 流速系數(shù)，按顆粒直徑和泥漿濃度而定，當(dāng)顆粒直徑大于1mm時，F(xiàn)L1.34；g 重力加速度，g=9.8m/s2；p0 泥漿母液比重，一般p0=1.051.25；p 碴土比重；d 管子內(nèi)徑(m,直接控制型(日本型) 在盾構(gòu)推進(jìn)時，進(jìn)、排泥管需不斷延長，管阻亦隨之增大。為了保證管內(nèi)的流速恒大于臨界流速，排泥漿泵P2的轉(zhuǎn)速應(yīng)隨時調(diào)整，故排泥漿泵P2必須是自動調(diào)速的。當(dāng)P2泵達(dá)到最大揚程時，再加P3、P4接力泵。 為了保證盾構(gòu)推進(jìn)質(zhì)量

12、、減少地面沉降量，需要嚴(yán)格控制排土量，故應(yīng)在進(jìn)、排泥漿管路上分別裝設(shè)流量計和比重計，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)即可計算實際排土量,b間接控制型(德國型) 間接控制型(德國型)泥水加壓式盾構(gòu)的泥漿壓力控制由空氣和泥水雙重系統(tǒng)實現(xiàn)，見圖5-5-11,混合盾構(gòu)(Mixshield) 混合盾構(gòu)是近幾年在歐洲發(fā)展起來的一種新型盾構(gòu)。這種盾構(gòu)本機(jī)可以構(gòu)成一臺泥水加壓式盾構(gòu)、氣壓式盾構(gòu)或土壓平衡式盾構(gòu)，當(dāng)?shù)貙訔l件變化時，盾構(gòu)的機(jī)形可以隨地層變化而相應(yīng)改變調(diào)整,多圓盾構(gòu)(MultiCircularFaceShield) 多圓盾構(gòu)是近年日本開發(fā)的新型盾構(gòu)，其中的雙圓盾構(gòu)可以用來修建區(qū)間隧道，一次開挖完成雙線區(qū)間隧道，可以比兩

13、個單獨的圓形隧道降低工程成本工10%，減少開挖面積15%。三圓盾構(gòu)既可用來修建地鐵車站隧道，拆下中間盾構(gòu)后又成為兩個單獨盾構(gòu)，可以修建區(qū)間隧道,2. 土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造 (1)切削刀盤 通過主軸承支撐和液壓馬達(dá)式電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的刀盤，正面安裝土體切削刀并帶有碴土進(jìn)料口，背面安裝有碴土攪拌槳。刀盤側(cè)面還裝有可伸縮的超挖刀,刀盤的型式有花板型和輻條型的不同型式(如圖5-5-7)，根據(jù)地層性質(zhì)所需要安裝刀具大小與數(shù)量不同以及進(jìn)料口面積大小與數(shù)量不同，有不同的開口率。一般硬巖刀盤開口率小，軟土開口率大,2)刀具 刀具的類型有齒刀、刮刀和滾刀等不同型式，齒刀、刮刀用于軟土質(zhì)地層、滾刀用于巖石地層。刀盤

14、上可僅為一種類型的刀具，也可為多種刀具的組合，以適應(yīng)不同形式的地層?，F(xiàn)代盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計上可進(jìn)行刀具的更換，可在刀盤背面換刀,礫石、巖石等硬質(zhì)圍巖時的刀頭,大礫石、巖石時多采用刀輪式刀頭,3)密封艙 用于存貯被刀盤切削下來的土體，并加以攪拌使其成為不透水的，具有適當(dāng)流動性的塑流體，使其能及時充滿密封艙和螺旋輸送機(jī)的全部空間，對開挖面實行密封，以維持開挖面的穩(wěn)定性，同時，也便于將其排出。在密封艙后隔板上，一般留有進(jìn)入艙孔，供人員進(jìn)出入密封艙和進(jìn)行維修工作,壓力艙(泥土壓盾構(gòu),4)螺旋輸送機(jī) 用來將密封艙內(nèi)的塑流狀土體排出盾構(gòu)外，并在排土過程中，利用螺旋葉片與土體間的摩擦和土體阻塞所產(chǎn)生的壓力損失，

15、使螺旋輸送機(jī)排土口的泥土壓力降至一個大氣壓力，使其不發(fā)生噴漏現(xiàn)象。通過螺旋輸送機(jī)排碴量的速度來控制和調(diào)解碴艙內(nèi)的土體壓力,5)塑流化材料注入器 用來向密封艙、刀盤和螺旋輸送機(jī)內(nèi)注人添加劑。因為當(dāng)土體中的含砂量超過一定限度時，由于其內(nèi)摩擦角大，流動性差，單靠刀盤的旋轉(zhuǎn)攪動很難使這種土體達(dá)到足夠的塑流性，一旦在密封艙內(nèi)貯留，極易產(chǎn)生壓密固結(jié)，無法對開挖面實行有效的密封和排土。此時，就需要向切削土體內(nèi)注入一種促使其塑流化的添加劑，經(jīng)刀盤混合和攪拌后能使固結(jié)土成為流動性好、不透水的塑流體,6)土壓傳感器 用于測量密封艙和螺旋輸送機(jī)內(nèi)的土壓力，前者是判定開挖面是否穩(wěn)定的依據(jù)，后者用來判斷螺旋輸送機(jī)的排土狀態(tài)，噴涌、固結(jié)、阻塞等。 土壓平衡式盾構(gòu)維持開挖面穩(wěn)定的原理是依靠密封艙內(nèi)塑流狀土體作用在開挖面上的壓力(P)(它包括泥土自重產(chǎn)生的土壓力與盾構(gòu)推進(jìn)過程中盾構(gòu)千斤頂?shù)耐屏?和盾構(gòu)前方地層的靜止土壓力與地下水壓力(F)相平衡的方法，見圖5-5-9,由圖上可看出：螺旋輸送機(jī)排土量大時，密封艙內(nèi)土壓力P就減小，當(dāng)F P時，開挖面可能坍方而引起地面沉降；相反，排土量小時 ，P值就加大，一旦F Pmax，地面將會隆起。因此，要控制土壓平衡式盾構(gòu)在推進(jìn)過程中開挖面的穩(wěn)定，可以用兩種方法來實現(xiàn)，其一是控制螺旋輸送機(jī)排土量(調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速,但研究表明，對于粘性土來說，開挖面不破壞的排土量波動值必須控制在理