地鐵與輕軌課程論文

1、成績評閱人日 期中國礦業(yè)大學力學與建筑工程學院20142015學年度第二學期地鐵與輕軌課程論文學號02120438班級土木工程2012-9班姓名郭曙瑞力學與建筑工程學院教學管理辦公室中國礦業(yè)大學力學與建筑工程學院 第 7 頁地鐵隧道施工中的盾構法 （中國礦業(yè)大學力學與建筑工程學院土木工程2012-9班 郭曙瑞）摘 要：城市公共交通網(wǎng)絡的重要組成部分。泛指城市中再不同形式軌道上運行的大、中運量城市公共交通工具，是當代城市中地鐵、輕軌、單軌鐵路、自動導向、短途磁懸浮等軌道交通的總稱。 本文主要敘述和總結了地鐵隧道施工中常用的工法盾構法的施工過程、技術要領、適用的范圍、盾構的類型和選擇以及盾構施工過

2、程中應做的準備工作，可能遇到的問題和解決方案。文中對盾構法施工的各項工作都做了詳細說明，并在敘述中就一些措施和解決方案提出了自己的觀點以補充和完善工法中的不足之處。關鍵詞：施工過程；掘進機；選型；盾構拼裝；地面沉降1 引言盾構法隧道施工是地鐵建設中應用最為廣泛的施工方法。它是一種先進的隧道機械化施工技術。盾構法作為目前最為安全有效的城市軌道施工工藝，已經(jīng)被絕大多數(shù)市政工程所青睞，在21世紀中國社會、經(jīng)濟高速發(fā)展的時代，全國范圍內(nèi)各大中型城市都傾向于城市地鐵及類似的市政工程的修建，因此盾構法施工在目前國內(nèi)的市場不可估量。盾構法施工結合了傳統(tǒng)和現(xiàn)代的各項技術革新，有著固定的施工工藝流程，包含了諸多

3、施工環(huán)節(jié)，每一個環(huán)節(jié)或工序都必須有技術含量較高的專項方案指導施工，并輔以經(jīng)驗豐富的管理操作人員，才能充分發(fā)揮盾構法施工的優(yōu)越性，實現(xiàn)工程的最大收益。1 盾構施工技術基本原理 盾構施工技術是指使用盾構機,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,并在盾構機內(nèi)拼裝管片形成襯砌、實施壁后注漿,從而在不擾動圍巖的基礎上修筑隧道的方法。 盾構機的“盾”是指保持開挖面穩(wěn)定性的刀盤和壓力艙、支護圍巖的盾型鋼殼?！皹嫛笔侵笜嫵伤淼酪r砌的管片和壁后注漿體1。圖1、圖2分別為土壓平衡和泥水平衡盾構機主體示意圖2.1 盾構法施工的技術要點主要施工過程有：（1）在盾構法隧道的起始端和終結端各建一個工

4、作井，城市地鐵一般利用車站的端頭作為始發(fā)或到達的工作井。（2）盾構在始發(fā)工作井內(nèi)安裝就位。（3）依靠盾構千斤頂推力將盾構從始發(fā)工作井的墻壁開孔處推出。（4）盾構在地層中沿著設計軸線推進，在推進的同時不斷出土和安裝襯砌管片。（5）及時向襯砌背后的空隙注漿，防止地層移動和固定襯砌環(huán)位置。（6）盾構進入到達工作井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推進。在上述施工過程中，保證掘進面穩(wěn)定的措施、盾構機沿設計路線的高精度推進、襯砌作業(yè)的順利進行等三項工作最為關鍵，這三項工作是保證盾構施工成功的重要因素。2.2 盾構法施工的優(yōu)點及適用范圍盾構能適用于各種復雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件。從流動性很大的第

5、四紀淤泥質(zhì)土層到中風化和微風化巖層，它既可用來修建小斷面的區(qū)間隧道，也可用來修建大斷面的車站隧道，而且施工速度快，能有效地控制地面沉降。盾構法的優(yōu)點有：（1） 安全開挖和襯砌，掘進速度快。（2）盾構的推進、出土、拼裝襯砌等全過程可實現(xiàn)自動化作業(yè)，施工勞動強度低。 （3）不影響地面交通與設施，同時不影響地下管線等設施。（4）穿越河道時不影響航運，施工中不受季節(jié)、風雨等氣候條件影響，施工中沒有噪音和擾動。（5）在松軟含水地層中修建埋深較大的長隧道往往具有技術和經(jīng)濟方面的優(yōu)越性。盾構法的適用范圍有：（1） 在松軟含水地層，相對均質(zhì)的地質(zhì)條件。（2）盾構法施工隧道應有足夠的埋深，覆土深度宜不小于6m。

6、隧道覆土太淺，盾構法施工難度較大；在水下修建隧道時，覆土太淺盾構施工安全風險較大。（3）地面上必須有修建用于盾構進出洞和出土進料的工作井位置。（4）隧道之間或隧道與其他建筑物之間所夾土體加固處理的最小厚度為水平方向1.0m，豎直方向1.5m。（5）從經(jīng)濟角度講，連續(xù)的盾構施工長度不宜小于300m。但應指出，盾構法施工需要較長的時間和較高的投資用于質(zhì)構與附屬設備的設計和制造，以及建造端頭工作井等工程設施。同時，盾構法的施工技術方案和施工細節(jié)對圍巖條件的依賴件，較之其他方法尤甚，這就要求事先對沿線的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件做細致的勘探工作，井要根據(jù)圍巖的復雜程度做好各種應變的準備。因此，在地面交通繁

7、忙，地面建筑韌和地下管線密布，對地面沉降要求嚴格的城區(qū)不宣采用明挖法，且地下水發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性差，或隧道很長而又工期要求緊迫，不能采用較為經(jīng)濟的礦山法時，采用盾構法施工才是經(jīng)濟合理的。3 盾構類型及選擇3.1 盾構類型根據(jù)開挖、工作面支護和防護方式，一般可以將盾構分為全面開放型、部分開放型、密封型以及全斷面隧道掘進機4大類：（1）全面開放型盾構不設隔板，其特點是掘削面敞開。這種盾構適于掘削面可以自立的地層中適用。全面開放型盾構按其開挖的方法可分為手掘式、半機械和機械式三種。（2）部分開放型盾構又稱擠壓式盾構。它是在開放型盾構的切口環(huán)和支撐環(huán)之間設置胸板，以支擋正面土體，但在胸板上有一些開口，當

8、盾構向前推進時，需要排除的土體將從開口處擠入盾構內(nèi)，然后裝車外運。這種盾構適用于松軟黏土層，且在推進過程中會引起較大的地面變形。如圖2所示。圖2部分開放型盾構結構（3） 密封型盾構是一種設置封閉隔板的機械式盾構。掘削土砂是從位于掘削面和隔板之間的土艙內(nèi)取出的，利用外加泥水壓或者泥土壓與掘削面上的土壓平衡來維持掘削面的穩(wěn)定，所以封閉式有泥水平衡式和土壓平衡式兩種。進而土壓平衡式又可分為真正的土壓平衡式和加泥平衡式；加泥平衡式又分為加泥和加泥漿兩種平衡方式。 （4）隧道掘進機是用機械破碎巖石、出碴和支護實行連續(xù)作業(yè)的一種綜合設備。按掘進機在工作面上的切削過程，分為全斷面掘進機和部分斷面掘進機。按破

9、碎巖石原理不同，又可分滾壓式掘進機和銑切式掘進機。3.2 盾構選型的依據(jù)和方法根據(jù)不同的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和施工環(huán)境與工期的要求，合理地選擇盾構類型，對保證施工質(zhì)量，保護地面與地下建筑物安全和加快施工進度是至關重要的。因為只有在施工中才能發(fā)現(xiàn)所選用的盾構是否適用，一般不適用的盾構將對工期和造價產(chǎn)生嚴重影響，但此時想更換已經(jīng)不可能了。盾構選型的根據(jù)，按其重要性排列如下：工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、地層的參數(shù)、地面環(huán)境、地面和地下建筑物對地面沉降的敏感度、隧道尺寸、工期、造價、經(jīng)驗。選擇盾構機時，必須綜合考慮以下因素：滿足設計要求、安全可靠、造價低、工期短及對環(huán)境影響小。盾構機機型的選擇正確與否是

10、盾構隧道工程施工成敗的關鍵。因盾構選型欠妥或者不恰當，致使隧道施工過程中出現(xiàn)事故的情況很多。由此可見盾構選型的重要性。盾構選型必須嚴格遵守以下幾項原則：（1) 選用與工程地質(zhì)匹配的盾構機型，確保施工絕對安全。（2)可以輔以合理的輔助工法。（3)盾構的性能應能滿足工程推進的施工長度和線形的要求。（4)選定的盾構機的掘進能力可與后續(xù)設備、始發(fā)基地等施工設備匹配。（5)選擇對周圍環(huán)境影響小的機型。以上原則中以能絕對保證掘削面穩(wěn)定、確保施工安全的機型為最重要。為了選擇合適的盾構機型,除應對土質(zhì)條件、地下水條件進行勘查外，還應對占地環(huán)境作充分的勘察。4 盾構法施工關于盾構施工方法的種類，一般可以根據(jù)斷面

11、形狀分類、開挖方式分類、頭部結構分類等。根據(jù)頭部的結構（以隔離開挖面和盾尾襯砌作業(yè)空間之間隔板的有無）可以分為閉胸式和敞開式。從使用情況來看，閉胸式的使用比較廣泛。敞開式盾構之中有擠壓式盾構、全部敞開式盾構，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再說明。 根據(jù)開挖面的穩(wěn)定原理和方法，可以將各種盾構的特征總結如下。 （1）閉胸式盾構 通過設置于切口環(huán)和支承環(huán)之間的密封隔板，并在隔板和作業(yè)面之間形成壓力艙，保持充滿泥砂或泥水的壓力艙內(nèi)的壓力，以保證作業(yè)面的穩(wěn)定性的機械式盾構型式。根據(jù)開挖面穩(wěn)定機理可以分為土壓平衡式盾構和泥水加壓式盾構。 土壓平衡式盾構 將開挖的泥砂進行泥漿化，通過控制泥

12、漿的壓力以保證作業(yè)面的穩(wěn)定性。該盾構設置有切削圍巖的機械、攪拌開挖土砂使其泥漿化的攪拌機械、切削土的排出機械并有能夠保證切削土壓力的控制機械的盾構型式。又可根據(jù)是否具有促進泥漿化的添加材料的注漿裝置分為土壓盾構和泥土壓盾構。土壓平衡式盾構如圖所示。 a土壓式盾構 使用轉(zhuǎn)動刀盤切削圍巖，并使作業(yè)面和隔板之間充滿經(jīng)過攪拌的土砂。該施工方式通過盾構的推進力給切削土砂加壓并使其作用于作業(yè)面整體來獲取作業(yè)面的穩(wěn)定性，同時通過螺旋式輸送器進行排土。 b泥土壓式盾構 通過一邊注入添加材料一邊轉(zhuǎn)動刀盤，強制性地攪拌切削土砂和添加材料使其成為塑性流動化狀態(tài)。與土壓盾構相同，該施工方式也為一邊保持作業(yè)面的穩(wěn)定性一

13、邊通過螺旋輸送器進行排土。 泥水加壓式盾構 該盾構通過給泥漿一定的壓力以保持開挖面的穩(wěn)定性，并通過循環(huán)泥漿將切削土砂以流體方式輸送運出。該盾構型式設置有切削圍巖的開挖機械，泥漿循環(huán)設備，給泥漿施加一定壓力的送排泥設備，運出泥漿的分離設備，另外有的泥水加壓式盾構還具有保證泥漿性能的調(diào)泥和泥水處理設備。 （2）敞開式盾構 敞開式盾構與閉胸式盾構的主要不同就是沒有設置隔板，開挖面全部或大部分敞開的盾構型式，以作業(yè)面能夠自立穩(wěn)定作為前提。對于不能自立穩(wěn)定的作業(yè)面，要通過輔助施方法，使其能夠滿足自立穩(wěn)定條件。 機械式盾構 在盾構前部安裝有切削刀盤，可用機械連續(xù)地開挖土砂的盾構。通過刀盤支撐，可以得到一些

14、擋土效果。 半機械式盾構敞開式盾構中的半機械式盾構是在盾構的原型人工開挖式盾構上裝上開挖機、裝載機或開挖裝載兩用機等的盾構。為了防止開挖面崩塌，可安裝可動式切口環(huán)、半月形千斤頂。但由于安裝了開挖裝置，故實際上難以設置前面千斤頂?shù)葥跬裂b置，大多在開挖過程中開挖面敞開得很大，對開挖面的穩(wěn)定條件需進行研究。 4.1 施工準備工作采用盾構法施工時，首先要在隧道的始端和終端開挖基坑或建造豎井，用作盾構及其設備的拼裝井和拆卸井，特別長的隧道，還應設置中間檢修工作井。拼裝和拆卸用的工作井，其建筑尺寸應根據(jù)盾構裝拆的施工要求來確定。拼裝井的井壁上設有盾構出洞口，井內(nèi)設有盾構基座和盾構推進的后座。井的寬度一般應

15、比盾構直徑大1.62.0米，以滿足鉚、焊等操作的要求。當采用整體吊裝的小盾構時，井寬可酌量減小。井的長度，除了滿足盾構內(nèi)安裝設備的要求外，還要考慮盾構推進出洞時，拆除洞門封板和在盾構后面設置后座，以及垂直運輸所需的空間。中、小型盾構的拼裝井長度，還要照顧設備車架轉(zhuǎn)換的方便。盾構在拼裝井內(nèi)拼裝就緒，經(jīng)運轉(zhuǎn)調(diào)試后，就可拆除出洞口封板，盾構推出工作井后即開始隧道掘進施工。盾構拆卸井設有盾構進口，井的大小要便于盾構的起吊和拆卸。盾構在拼裝前，先在拼裝室底部鋪設50cm厚的混凝土墊層，其表面與盾構外表面相適應，在墊層內(nèi)埋設鋼軌，軌頂伸出墊層約5cm，可作為盾構推進時的導向軌，并能防止盾構旋轉(zhuǎn)。若拼裝室將

16、來要作他用，則墊層將鑿除，費工費時。此時可改用由型鋼拼裝的盾構支撐平臺，其上亦需要有導向和防止旋轉(zhuǎn)的裝置。 由于起重設備和運輸條件的限制，通常將盾構機拆成切口環(huán)、支承環(huán)、盾尾三節(jié)運到工地，然后用起重機將其逐一放入井下的墊層或支承平臺上。切口環(huán)與支承環(huán)用螺栓連接成整體，并在螺栓連接面外圈加薄層電焊，以保持其密封性。盾尾與支承環(huán)之間則采用對接焊連接。 在拼裝好盾構后面，尚需設置由型鋼拼成的，剛度很大的反力支架和傳力管片。根據(jù)推出盾構要開動的千斤頂數(shù)目和總推力進行反力支架的設計和傳力管片的排列。一般來說，傳力管片都不封閉成環(huán)，故兩側都要將其支撐住，當盾構工作井周圍地層為自穩(wěn)能力差、透水性強的松散砂土

17、或飽和含水粘土時，如不對其進行加固處理，則在工作井圍護結構后必將會有大量的土體和地下水向工作井內(nèi)塌陷導致洞周大面積地表下沉，危及地下管線和附近建筑物。因此在盾構機進出洞前必須對洞門處地層進行加固處理，即進行端頭加固。4.2 盾構掘進為了增加開挖面的穩(wěn)定性，在盾構未進入加固土體前，就需要適當?shù)南蜷_挖面注水或注泥漿，因此洞口要有妥善的密封止水裝置，以防止開挖面泥漿流失。為了使盾構在推進中對地層和地面影響最小，表現(xiàn)為地層的強度下降小，受到的擾動小，超孔隙水壓力小，地面隆沉小以及襯砌脫開盾尾時的突然沉降小，對盾構掘進進行施工管理必不可少。盾構掘進的施工管理構成如表1。表1 盾構掘進施工管理構成項目內(nèi)容

18、挖掘管理開挖面穩(wěn)定泥水加壓時土壓平衡式切削、排土盾構機開挖面泥水壓力保持開挖面土壓力保持，密封艙內(nèi)砂土性態(tài)開挖土量、排土性態(tài)總推力、推進速度、切削扭矩千斤頂推力、攪拌扭矩線形管理盾構機位置、形態(tài)俯仰、旋轉(zhuǎn)、偏移鏈接的相對轉(zhuǎn)角，超挖量、蛇形量注漿管理注入狀況諸如材料注入量，注入壓力稠度、離析性膠凝時間、強度、配比管片拼裝管理拼裝防水位置真圓度、凝螺栓的扭矩漏水、管片缺損、接縫張開蛇形度、垂直度4.3 盾構法施工地面沉降機理、預測和防治盾構施工多少都會擾動地層引起地面沉降，即使采用目前先進的盾構技術，要完全消除地面沉降也是不太可能的。地面沉降量達到某種程度都會危及周圍的管線和建筑物。因而，在設計和施工中通過現(xiàn)場反饋資料，采取相應的防治對策和措施非常必要。盾構隧道施工引起的地層損失和盾構隧道周圍受擾動或受剪切破壞的重塑土的再固結，是地面沉降的基本原因。做好盾構掘進的施工管理是防治地面沉降的基本措施。具體來說就是：（1）保持開挖面的穩(wěn)定性。（2）及時、有效、足量地充填襯砌背后的建筑間隙，保證漿液拌制質(zhì)量和注漿量，必要時還可通過在管片上的注漿孔進行二次加固注漿。（3）嚴格控制盾構施工中的偏差量，盾構施工偏差增大，不但影響地下鐵道線路、界限等使用要求，還會過多擾動地層而導致地面沉降量得增加。5 結語盾構技術作