盾構機工作原理及施工工藝簡介(最終版)ppt課件

1、盾構機法隧道施工與驗收規(guī)范,主講人：鄭 勇 中交二航局工程裝備分公司 佛山地鐵二號線（一期）TJ1標項目部,Contents,目 錄,盾構機分類,由于國家和地區(qū)的不同，技術發(fā)展的起源不同，盾構的分類也有所不同。目前已經(jīng)處于技術混合的狀態(tài)，大致來說分類如下,挖掘的地質條件分,軟土盾構機（軟土） 復合式盾構機 全斷面硬巖盾構機(TBM,從盾構機的工作機理分,敞開式和密閉式，密閉式分： 土壓平衡式盾構機 泥水平衡式盾構機（含氣墊式,從直徑的大小分,小型盾構機（一般在5米以下） 大型盾構機（一般在5米以上） 超大型盾構機（一般在14米以上,Contents,目 錄,盾構工法 盾構施工工法是指使用盾構機

2、，一邊控制開挖面及圍巖不發(fā)生坍塌失穩(wěn)，一邊進行隧道掘進、出渣、并在機內拼裝管片形成襯砌、實施壁后注漿，從而不擾動圍巖而修筑隧道的方法,盾構工法及工作原理,盾構工法及工作原理,盾構隧道（施工期間,盾構隧道（運營期間,盾構施工工作原理 盾構施工的主要原理就是盡可能在不擾動圍巖的前提下完成施工，從而最大限度地減少對地面建筑物、交通設施及地下管線的影響。為了達到這一目的，除了刀盤和盾構鋼殼可以被動地產(chǎn)生支護作用以外，使用壓力倉內泥土或泥水壓力平衡開挖面上的土壓力和水壓力；使用壁后注漿及時填充由開挖產(chǎn)生的盾尾空隙，主動地控制圍巖應力釋放和變形是盾構技術的關鍵,盾構工法及工作原理,盾構工法及工作原理,泥水

3、盾構施工原理： 泥水盾構工法是指使用盾構機，按一定要求配制的膨潤土或粘土漿液，通過泥漿泵、輸漿管以一定的壓力從洞外送到開挖工作面，泥漿壓力稍高于開挖面土壓和水壓，泥漿在開挖面上形成不透水的泥膜，與此同時，刀盤從工作面切削下來的渣土與泥漿混為一體，通過泥漿管送外地面的泥渣分離場；經(jīng)分離后的廢渣運出工地，分離后的工作泥漿重復循環(huán)利用的一種進行隧道掘進，并在機內拼裝管片形成襯砌、實施壁后注漿的修筑隧道的方法,氣墊式泥水平衡盾構是泥水盾構的一種，其基本原理和泥水盾構相同，其主要的區(qū)別在于開挖倉的壓力可通過送排泥流量和氣墊倉壓力進行調節(jié)，通過氣墊倉壓力自動平衡系統(tǒng)，能夠精準的控制開挖倉壓力的穩(wěn)定，精度可

4、達到+/-1kpa，可更好的確保整個開挖倉壓力的穩(wěn)定。設備上增加了氣泡倉系統(tǒng)，如下圖所示,盾構工法及工作原理,氣泡倉,氣墊式泥水盾構施工原理,盾構工法及工作原理,將開挖的土體進行泥土化處理，工作面的穩(wěn)定是通過土體自身和由盾構千斤頂壓力控制土倉內泥土壓力來維持平衡。與泥水盾構機不同的是，切削下來的土渣由螺旋輸送機進行排土。 土壓平衡盾構機裝備有注入添加劑的機構和強力攪拌添加劑和渣土的機構，對渣土進行改良，以促進開挖渣土流動性；添加劑的種類有膨潤土、發(fā)泡劑等,土壓盾構施工原理,Contents,目 錄,盾構機的制造,盾 構 機 制 造 現(xiàn) 場 俯 瞰,盾構機組成 盾構機主要由開挖系統(tǒng)、刀盤驅動系統(tǒng)

5、、盾構千斤頂推進系統(tǒng)、排土系統(tǒng)（泥水盾構為環(huán)流系統(tǒng)）、管片拼裝系統(tǒng)、鉸接裝置、測量導向系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、注酯系統(tǒng)、操作控制界面、液壓、電氣、PLC控制系統(tǒng)、后方臺車、通風裝置、泥水處理設備（泥水盾構）及其他一些重要裝置如盾殼、刀盤、尾刷、人閘等組成。 盾構機從前往后依次為盾構本體（刀盤、前體、中體、盾尾三部分）、工作平臺、連接橋架、各節(jié)臺車等,盾構機的制造,盾構機的制造,單刃滾刀,磨損檢測刀,注入口 保護刀,導向刀,保護刀,8連中心滾刀,切削刀,盾 構 刀 盤 刀 具 示 意 圖,雙刃滾刀,盾構機的制造,盾 構 刀 盤 刀 具 安 裝,盾構機的制造,刀 盤 主 驅 動,刀盤的驅動力按照電動機減速

6、機小齒輪帶齒圈大口徑軸承刀盤滾筒中間梁刀盤的順序進行傳遞 刀盤主驅動采用中間支承型，采用多臺變頻電機驅動，可進行無級調速,盾構機的制造,盾 構 推 進 千 斤 頂,推進千斤頂右多根千斤頂組成，一般最大伸展速度為8cm/min。 設置有4個分區(qū)，每個分區(qū)一根千斤頂中安裝有內置式行程傳感器,盾構機的制造,土 壓 盾 構 出 渣 系 統(tǒng),土壓盾構螺旋機,土壓盾構皮帶輸送機,盾構機的制造,泥水 盾 構 出 渣 系 統(tǒng),泥水環(huán)流系統(tǒng)示意圖,泥水處理系統(tǒng),盾構機的制造,管片拼裝機,管片拼裝機采用環(huán)形齒輪結構形式，旋轉速度可在0.2-1.5rpm之間無級調速，回轉角度220度，可滿足寬度1.2m和1.5m管

7、片的拼裝要求,盾構機的制造,鉸接系統(tǒng),被 動 鉸 接,主 動 鉸 接,為方便盾構曲線施工，設置有鉸接油缸，設置有行程傳感器，最大鉸接角度為左右1.5度，上下0.5度,盾構機的制造,盾尾密封系統(tǒng),盾尾密封由2排或3排鋼絲刷、1排鋼板刷和1排逆流防御板組成。盾尾刷間形成多道腔體，通過盾尾油脂泵供脂填充，以確保盾尾密封壓力,盾構機的制造,后續(xù)臺車布置,與盾構機相關的操作盤、動力盤、動力單元及油箱等裝配在后續(xù)車架上，并且排列成便于操作、檢查的形式。臺車截面為門型,盾構機的制造,管片及材料搬運系統(tǒng),一次梁+喂片機組合形式,一次梁+二次梁組合形式,盾構機的制造,同步注漿和二次 注漿系統(tǒng),分為同步注漿和二次

8、注漿設備。 同步注漿系統(tǒng)的注漿管路在盾尾殼體內，及時對管片襯砌背部和地層間的空隙進行充填，有效地控制地表沉降。填充過程由流量、壓力表控制。 二次注漿通過管片注漿孔對管片襯砌背部進行二次補充注漿,二次注漿設備,同 步 注 漿 設 備,盾構機的制造,導向測量系統(tǒng),采用專用的自動測量系統(tǒng)和掘進管理系統(tǒng)，能夠滿足實時連續(xù)地檢測管片的姿態(tài)和坐標；自動測量盾構機中心線與隧道設計軸線的偏差等數(shù)據(jù)，并能夠在隧道掘進機控制室內與地面監(jiān)控室的監(jiān)視屏幕上以圖形的方式實時顯示，同時具備數(shù)據(jù)的分析、處理、存儲、檢索、打印等功能,Contents,目 錄,盾 構 施 工 工 藝 流 程 圖,盾構施工工藝流程,盾構始發(fā),盾

9、構掘進,盾構接收,盾構始發(fā)準備 盾構工作井施工 圍護結構 土方開挖與支護體系 主體結構 端頭加固,盾構始發(fā),盾構始發(fā)準備 盾構臨時設施施工 在接收盾構施工場地后開始臨時設施的施工，主要包括泥水站（泥水盾構）、渣土坑（土壓盾構）、龍門吊軌道梁和攪拌站基礎，以及環(huán)流管路和電氣、通訊線路管溝等,盾構始發(fā),盾構始發(fā),托架安裝 反力架安裝,盾構始發(fā),盾構始發(fā),盾構機下井 盾構機組裝,下井順序先后配套，后主機，設備組裝完畢后，接通液壓管路、動力電纜、控制電纜，最后將水管、風管、氣管連接好，一切準備就緒后，開機現(xiàn)場調試設備設計要求的各部件性能參數(shù),盾構機的調試 空載調試 負載調試 泥漿處理設備及注漿設備的調

10、試 洞門鑿除與洞門密封簾板安裝 負環(huán)管片拼裝 盾構始發(fā),盾構始發(fā),洞門密封,掘進模式選擇 土壓平衡盾構機的掘進模式有三種：1、空倉掘進 2、半倉掘進3、滿倉掘進。實際施工過程中根據(jù)實際的地質水文條件選擇不同的掘進模式。 泥水平衡盾構機掘進模式則較為單一,盾構掘進,滿倉掘進,半倉掘進,空倉掘進,盾構掘進,盾構掘進，掘進參數(shù)選擇控制 同步注漿/二次注漿 渣土運輸 管片、材料運輸 管片拼裝 管線延伸 下一環(huán)盾構掘進,掘進施工主要工作內容,盾構掘進,盾構施工主要技術環(huán)節(jié)控制,1、盾構推進 盾構總推力控制： 正面土體主動土壓力水壓總摩擦力盾構總推力正面土體被動土壓力水壓總摩擦力。 土倉壓力控制： 土倉壓

11、力控制：水壓力+主動土壓力土倉壓力水壓力+被動土壓力，一般取值 土倉壓力=水壓力+靜止土壓力20KPa 2、盾構姿態(tài) 主要是推進坡度、平面方向、自身轉角。 盾構前進的軌跡一般為蛇形，要保證按正確方向掘進，就要“勤測勤糾”。盾構姿態(tài)控制在50mm范圍內，盾構機滾動角控制在1deg以內，超過0.5deg就要及時調整。 （如：在砂性土層或覆土層較薄地層推進，容易上浮，通過調整千斤頂分區(qū)壓力進行糾正）。 3、土方的挖掘和運輸 挖土量的多少是由：切削刀盤的轉速、切削扭矩、推進油缸的推力決定。 排土量多少是由：螺旋輸送機的轉速（或送排泥泵的流量）來調節(jié)的。 要使挖土量和排土量保持平衡，才能避免超挖過大并保

12、證土壓穩(wěn)定,盾構掘進,盾構施工主要技術環(huán)節(jié)控制,4、管片拼裝 管片拼裝一般為錯縫拼裝，拼裝時保證環(huán)面拼裝的平整度，同時保證管片之間及管片和盾尾間的密封性，防止隧道滲漏水。 5、壁后注漿 注漿要做到：及時、量足、漿液體積收縮小。注漿量一般取130%180%，漿液配比要合理，控制還注漿壓力。（注漿壓力過大，管片外的土層被漿液擾動面造成較大的后期沉降，并容易跑漿。反之：注漿壓力過小，漿液填充速度過慢，填充不足，也會使地表變形增大,盾構掘進,盾構施工主要施工措施,1、減少地層損失的措施 主要還是對上面所提幾條進行控制，地表變形的大小取決于地層和地下水條件、隧道直徑、埋深、施工條件。 而具體措施的確定，

13、我們盾構在掘進中有個“試掘進段”，所有參數(shù)、調節(jié)措施等都在這一段區(qū)間內試掘進得出。 2、地層與建筑物隆陷控制措施 掘進前先對周邊環(huán)境做詳細勘查了解，對受影響建構筑物做好相對應保護措施。 地面變形接近+5-20mm時，盡快找出原因采取相應措施，相當于達到報警的要求了。 而地面變形為+10-30mm，是其變形的極限值。 在控制地層與建筑物隆陷中，最主要的措施就是：注漿！ 3、盾構通過上軟下硬地段的施工措施 主要是盾構掘進困難，刀盤刀具磨損大，引起地層沉降。 措施主要有三點： 1）合理配置刀具，做好刀盤刀具耐磨檢測及保護措施； 2）必要的渣土改良措施； 3）合理控制掘進參數(shù),盾構掘進,盾構施工主要施

14、工措施,4、盾構穿越河流時的施工措施 1）難度、風險均較大。 2）施工前：河底隔水層的連續(xù)性、滲透系數(shù)、厚度為地質勘察重點！ 3）準備：盾構機設備檢修，添加劑材料、應急物資做好充分準備。 4）控制盾構速度、總推力和土倉壓力：速度在小于20mm/min?？偼屏σ獓栏窨刂?，保持土倉壓力穩(wěn)定，減少對河底擾動。 5）注漿壓力要嚴格控制：壓力在0.20.3MPa內，注漿量為空隙的130%180%內。因注漿壓力過大會破壞水底隔水層，形成一條涌水通道。 6）盾尾密封：這也是重點。掘進時定時、定量、均勻壓注盾尾油脂，有效保護盾尾鋼絲密封刷。 5、盾構穿越建（構）筑物的施工措施 和穿越河流相似，關鍵是監(jiān)測，還有

15、就是注漿加固。針對特殊建構筑物，在盾構快到建筑物50m時就要開始布點監(jiān)測,盾構接收準備 盾構工作井施工 圍護結構 土方開挖與支護體系 主體結構 端頭加固 盾構臨時設施施工 接收架安裝 洞門密封安裝,盾構接收,盾構施工技術,盾構平衡始發(fā)、到達施工技術,平衡始發(fā)、到達施工工法原理： 利用玻璃纖維鋼筋的特性，在圍護結構洞門范圍采用玻璃纖維鋼筋代替鋼筋，刀盤可直接對洞門進行切削；構筑一個相對密閉的空間，利用基坑內外水土壓力平衡的原理，先對盾構工作井范圍回填砂至盾構筒體以上約1m，再在回填砂頂部澆筑0.2m0.3m的C30素砼，最后對基坑內進行灌水，基坑內水位與基坑外的地下水位齊平,平衡始發(fā),平衡到達,

16、盾構施工技術,盾構平衡始發(fā)施工工藝,黑旋風出渣（砼與GFRP筋,始發(fā)井灌水,澆筑砼壓重層,反力墻預留孔洞,反力墻預埋鋼環(huán),盾構主體下井、組裝,導臺,第一環(huán)管片與反力墻搭接防滲墻,盾構井回填砂,盾構施工技術,盾構平衡始發(fā)施工工藝,安全到達,洞門處管片壁較厚的注漿體,接收井清理完成，洞門干燥,盾構拆機,隔板砼鑿除清理,回填砂清理,洞門處管片壁較厚的注漿體,盾構施工技術,盾構平衡始發(fā)、到達施工技術,平衡始發(fā)、到達施工工法特點： （1）免除洞門鑿除和減少端頭加固，簡化施工工序，縮短工期。使用該材料后，由于盾構機始發(fā)時是對洞門直接切削，因此可簡化了洞門鑿除、端頭加固等施工工序，節(jié)約了施工成本和工期。 （

17、2）免除洞門的人工鑿除洞門，其安全性高，大大降低了人工鑿除的危險性，同時也較好地保證了基坑的安全。 （3）對環(huán)境影響較少。使用該材料可免除人工鑿除洞門和端頭加固的繁瑣工序，以及該工序施工帶來噪聲及對地面環(huán)境的影響。 （4）玻璃纖維筋被切削能力強、施工進度快。 （5）材料本身抗拉強度大。玻璃纖維筋材料作為圍護結構的一部分，在基坑開挖過程中仍承受土壓力的作用，由于本材料抗拉強度大，可代替鋼筋混凝土起到圍護結構的作用。 （6）回填式平衡始發(fā)、到達工法對于隧道埋深較深的盾構法隧道更適宜,其相對于從地面進行攪拌樁和旋噴樁加固而言,會更經(jīng)濟、更安全、進度更快。因為后者隨著深度加深,其加固效果更差而成本會更

18、高；而本工法則基本不會增加成本,盾構施工技術,先隧后站施工技術,先隧后站施工原理： 接收井或中間風井，在施工至只完成維護結構施工和第一道支撐和冠梁施工的前提下，盾構掘進施工在原狀土中平衡到達的形式，即盾構在未開挖的基坑內進行盾構到達的先隧后站的施工工法,先隧后站盾構到達示意圖,盾構到達時僅土方開挖至冠梁底，為原狀土盾構到達掘進施工,盾構施工技術,盾構正常接收，空推穿越中間風井，二次始發(fā) 采用“先隧后站”施工工法穿越中間風井 中間風井一般較小，可采用盾構平衡接收和始發(fā)施工工法穿越中間風井,盾構穿越中間風井施工技術,Contents,目 錄,盾構施工常見問題及處理措施,盾構施工中常見的問題及處理措

19、施 盾構進/出洞洞門涌水、流砂 原因分析有以下幾點： 端頭加固效果不好 洞門密封裝置失效 掘進面土體失穩(wěn),處理措施： 端頭加固應提高施工質量，保證加固后土體強度和均勻性； 洞門密封圈安裝要準確，在盾構推進的過程中要注意觀察，防止盾構刀盤的周邊刀割傷橡膠密封圈；密封圈可涂牛油增加潤滑性； 控制好掘進參數(shù)，避免掘進參數(shù)變化太大,盾構施工常見問題及處理措施,盾構掘進中盾尾漏漿 原因分析有以下幾點： 密封裝置失去彈性 密封油脂壓注量太少或不均勻 盾尾刷發(fā)生翻卷 密封油脂質量不合格,處理措施： 嚴格控制盾構推進的糾偏量，盡量使管片四周的盾尾空隙均勻一致，減少管片對盾尾密封刷的擠壓程度； 及時、保量、均勻

20、地壓注盾尾油脂； 控制好盾構姿態(tài)，避免緊急糾偏，避免盾構后退，導致盾尾刷損壞； 采用優(yōu)質的盾尾油脂，要求有足夠的粘度、流動性、潤滑性、密封性能,盾構施工常見問題及處理措施,管片接縫滲漏 原因分析有以下幾點： 管片縱縫出現(xiàn)內外張角、前后喇叭（縫隙不均勻，止水條失效） 管片碎裂 密封材料失效,處理措施： 提高管片的拼裝質量，及時糾環(huán)面，拼裝時盡量保證管片的橢圓度和止水條的正常工況，提高縱縫的拼裝質量； 環(huán)面的偏差及時進行糾正，使拼裝完成的管片中心線與設計軸線誤差減少，管片始終能夠在盾尾內居中拼裝； 對破損的管片及時進行修補，運輸過程中造成的損壞應在貼止水條以前修補好；對于因為管片與盾殼相碰而在推進

21、或拼裝過程中被擠壞的管片，也應原地進行修補，以對止水條起保護作用； 控制好盾構姿態(tài)，避免緊急糾偏,盾構施工常見問題及處理措施,同步注漿管堵塞 原因分析有以下幾點： 長時間沒有注漿 注漿管沒有及時清洗 漿液含砂量太高 漿液沉淀凝固,處理措施： 停止推進時定時用漿液打循環(huán)回路，使管路中的漿液不產(chǎn)生沉淀。長期停止推進，應將管路清洗干凈； 拌漿時注意配比準確，攪拌充分； 定期清理漿管，清理后的第一個循環(huán)用膨潤土泥漿壓注，使注漿管路的管壁潤滑良好； 經(jīng)常維修注漿系統(tǒng)的閥門，使它們啟閉靈活,盾構施工常見問題及處理措施,刀盤刀具磨損 原因分析有以下幾點： 遇到障礙物 復合地層或遇孤石、巖脈等特殊地層掘進，刀

22、具出現(xiàn)偏磨 巖石地層掘進，刀具正常磨損,處理措施： 做好地質補勘； 根據(jù)不同地層掘進，配置好相應刀具； 刀盤刀具做好耐磨加固處理，并設置好檢查耐磨裝置； 做好定期檢查換刀計劃,盾構施工常見問題及處理措施,刀盤結泥餅 原因分析有以下幾點： 渣土流動不暢，渣土改良效果差（土壓盾構） 刀盤沖洗孔配備不夠 泥漿濃度比重過大；刀盤土倉清洗不到位（泥水盾構,處理措施： 根據(jù)地層變化及時更換刀具； 土壓盾構增大泡沫等添加劑的用量，減小渣土黏附性，加強渣土改良效果，降低結泥餅概率；必要時螺旋輸送機上加入泡沫，增加渣土流動性，以利于排渣； 泥水盾構降低泥漿的粘度和比重，及時排漿、調漿，加大循環(huán)流量和沖洗刀盤的力

23、度，及時洗倉； 設置刀盤攪拌棒，增加刀盤及隔板的注入口,盾構施工常見問題及處理措施,地面發(fā)生較大沉降 原因分析有以下幾點： 覆土地層軟弱，盾構施工過程發(fā)生震陷 盾構施工發(fā)生土方量超挖過大 盾構施工過程中管片背部填充不充分，空隙較大，導致地面下沉過大,處理措施： 在發(fā)生沉降范圍內，對相應管片加強二次注漿，并加強地面沉降監(jiān)測，增加監(jiān)測頻率，及時根據(jù)監(jiān)測結果進行注漿調整； 合理選擇好盾構掘進參數(shù)，控制好盾構機土倉壓力平衡，控制好盾構姿態(tài)，保證同步注漿壓力和注漿量，土壓盾構則做好渣土改良； 針對軟弱地層進行地面加固； 適當加大同步注漿量及優(yōu)化同步注漿漿液配比，增加早期強度，并檢查確認刀盤適應性，若刀盤

24、開挖面過大，采取更換刀具減小刀盤開挖直徑等措施處理,Contents,目 錄,盾構施工質量控制 主要包括以下幾個方面： 盾構施工過程質量控制 盾構機姿態(tài)控制即成形隧道軸線質量控制與設計軸線50mm 管片拼裝質量控制無較大錯縫、漏水，橢圓度較好 管片背后填充注漿質量控制無空洞，填充密實 盾構施工影響范圍內建構筑物保護控制 地面沉降保護控制,盾構施工質量控制與檢查驗收,盾構施工檢查驗收 主要參見GB50446-2008盾構法隧道施工與驗收規(guī)范 盾構始發(fā)條件驗收 盾構施工過程檢查 盾構接收條件驗收 竣工驗收,盾構施工質量控制與檢查驗收,盾構始發(fā)條件驗收 1、圖紙資料驗收 2、工作井及始發(fā)場地驗收 3

25、、技術方案、技術交底、安全方案及交底資料驗收 4、盾構機進場、安裝調試，現(xiàn)場驗收 5、現(xiàn)場施工人員培訓 6、始發(fā)輔助措施驗收等,盾構施工質量控制與檢查驗收,盾構施工過程檢查 管片拼裝質量 管片拼裝應嚴格按拼裝設計要求進行，管片不得有內外貫穿裂縫和寬度大于0.2mm的裂縫及混泥土剝落現(xiàn)象。 管片拼裝過程中應對隧道軸線和高程進行控制，其允許偏差和檢驗方法應符合表9.4.4的規(guī)定。 管片拼裝管片拼裝允許偏差和檢驗方法見表9.4.5。 管片修補 當管片出現(xiàn)缺棱掉角、混泥土剝落、大于0.2mm寬的裂縫活貫穿性裂縫等缺陷時，必須進行修補。 修補材料強度不應低于管片強度,盾構施工質量控制與檢查驗收,表9.4.4 隧道軸線和高程允許偏差和檢驗方法,表9.4.5 管片拼裝允許偏差和檢驗方法,盾構施工過程檢查 壁后注漿 分同步注漿、即時注漿和二次補強注漿。 同步注漿、即時注漿的注漿量填充系數(shù)應根據(jù)地層條件、施工狀態(tài)和環(huán)境要求確定，填充系數(shù)為1.302.50。 二次補強注漿的注漿量和注漿速度應根據(jù)環(huán)境條件和沉降監(jiān)測結果等確定。 要求：管片與地層間隙應填充密實，并應確保襯砌環(huán)穩(wěn)定，不得漏水。 隧道防水 應滿足環(huán)境保護和設計要求,盾構施工質量控制與檢查驗收,盾構施工過程檢查 施工安全、衛(wèi)生與環(huán)境保護 隧道內作業(yè)場所必須設置照明設施、配備消防設施