異型盾構隧道新技術-8精選文檔

1、異型盾構隧道新技術1自由斷面盾構法(1) 原理概要 所謂自由斷面盾構法就是在一個普通圓形盾構主刀盤的外側設置數(shù)個規(guī)模比主刀盤小的行星刀盤。隨主刀盤的旋轉行星刀盤在外圍作自轉的同時繞主刀盤 公轉，行星刀盤公轉的軌道由行星刀盤扇動臂的扇動角度確定。通過對行星刀盤 扇動臂的調節(jié)可開挖各種非圓形斷面的隧道。也就是說，通過對行星刀盤公轉軌 道的設計可選擇如矩形斷面， 橢圓形斷面， 馬蹄形斷面， 卵形斷面等非圓形斷面。 此盾構法尤其適用于地下空間受限制的如穿梭于既成管線和水道之間的中小型 隧道工程。圖-3.1 自由斷面盾構構造圖圖-3.2 可開挖的非圓形斷面(2)特點與一般盾構法相比，自由盾構法的特點如下

2、：1) 可開挖多種非圓形斷面的隧道， 選擇細長型斷面對寬度或深度受限制的 地下空間更有效的得到利用。2) 可根據(jù)不同的使用目的合理選擇不同斷面， 比如共同溝和電力管線等選 擇矩形斷面，公路和鐵路隧道則選擇馬蹄形斷面等。3) 隧道斷面的最大縱橫尺寸之比為橢圓形1.5 ：1.0 ，矩形 1.2 ： 1.0 ，馬蹄形 1.35 ： 1.0 。假定各隧道斷面的橫向寬度等于圓形斷面的直徑(3.16m),假定圓形斷面的面積為1.0，則橢圓形為1.7，矩形為1.5, 馬蹄形則為 1.6 。4) 行星刀盤上的刀具以梅花狀布置，扇動臂采用計算機自動控制。( a )行星刀盤( b )扇動臂的控制圖-3.2 行星刀

3、盤及扇動臂的控制( 3) 工程實例迄今自由斷面盾構法已在下水道工程中運用。下列照片為 1 例試驗性施工和1例實際工程的施工例。試驗施工中使用的盾構機寬3.16m,高4.66m的土壓式平衡單點鉸接盾構。試驗施工直線段長度36m曲線段半徑R=60m長度16m) 實際工程段盾構機寬 3.16m，高4.66m的土壓式平衡2點鉸接盾構，累積幵挖 長度565m,曲線段最小曲率半徑 R=20b(a)縱向橢圓形盾構機(b)試驗施工隧道(直線段)(c)實際工程隧道(曲線)照片 -3.1 施工實例2偏心多軸盾構法( 1) 原理概要偏心多軸盾構米用多根主軸，垂直于主軸方向固定一組曲柄軸，在曲柄軸 上再安裝刀架。運轉

4、主軸刀架將在同一平面內作圓弧運動，被幵挖的斷面接近 于刀架的形狀。因此，可根據(jù)隧道斷面形狀要求設計刀架是矩形，圓形，圓環(huán) 形，橢圓形或馬蹄形。下圖為幵挖圓形斷面和矩形斷面的偏心多軸盾構原理示 意圖。（a）圓形斷面（b）矩形斷面圖-1.1偏心盾構的原理示意圖（2）特點與一般盾構相比偏心多軸盾構具有以下特點：1）可根據(jù)需要選擇刀架形狀幵挖任意斷面的隧道。2）刀架轉動半徑小，可選擇較小的驅動扭矩。 因采用多個轉動軸同時驅動 刀架，所以盾構機顯得緊湊玲瓏，易裝，易拆，易運等特點，適用于大斷面隧道幵挖。3）刀架轉動半徑小，刀具的行走距離也小。從刀片的磨損角度上來說， 比 一般盾構至少可多幵挖 3倍以上的

5、距離，適合于長距離隧道的幵挖。4）刀架驅動裝置小，盾構機內施工操作空間大，可根據(jù)需要在盾構機內配置土體改良設備，向整個隧道斷面的任何位置進行土體改良，適合于曲率半徑小，隧道間隔小，土質差等施工條件差的施工（見圖-1.2 ）。5）采用十字形交叉式刀片，此刀片的前后刀刃的角度相等，所以可進行全方位幵挖?？善扑榇笾睆剿槭蛶酝诟邚姸壤w維加強混凝土墻（80MPa（見圖-1.3 ）。圖-1.2 土體改良示意圖圖-1.3十字形交叉式刀片（3）工程實例到目前為止，偏心多軸盾構法已在水道，地鐵和其它管線等許多地下工程 中得到了運用。下列照片為實際工程中使用的3例偏心多軸盾構機。盾構（a）：用于某下水道工程的盾

6、構寬 4.38m，高3.98m，施工長度共計 809m隧道的覆土深度為2.37m4.15m，最淺處為盾構寬度的0.6倍。雙線隧 道最小間隔為60cm。盾構（b）:用于橫浜MM21線地鐵工程的盾構直徑為7.15m，施工長度共計880m隧道的覆土深度為10.0m18.0m，曲線段曲率半徑 R=1000m盾構（c）:用于營團地鐵11號線地鐵工程的盾構直徑為9.60m，施工長度共計907m隧道的覆土深度為13.6m15.5m，曲線段曲率半徑 R=1037m （a）某下水道干線工程（b）橫浜MM21線地鐵工程（c）營團地鐵11號線地鐵工程（寬度4.38m 高度3.98m）（直徑 7.15m）（直徑9.6

7、0m）照片-1.1施工實例3. MF盾構法（1）原理概要MF（Multi Face ）盾構由多個圓形斷面的一部分錯位重合而成，可同時幵 挖多個圓形斷面的盾構法。隧道有效面積較幵挖面積相等的單圓斷面而言要大， 是一種較為經(jīng)濟合理的斷面形式。2個或多個大小不同的圓形斷面通過一定規(guī)則的疊合可提供任意斷面形式的隧道，在隧道線路規(guī)劃時對線形的選擇有更多 的靈活性。上下空間受限制的情況下則可選擇橫向疊合式。MF盾構法更適用于地鐵車站，共同溝和地下停車場等大斷面隧道的幵挖。下圖為MF盾構法應用范圍示意圖。圖-2.1 MF盾構的應用范圍（2）特點MF盾構法的特點如下：1）由MF盾構法建成的隧道基本結構形式為圓

8、形，所以它保持了圓形斷面 的力學特性。2）隧道可由多個小型圓斷面疊合形成，幵挖量小斷面利用率高。3）在隧道線路規(guī)劃時對線形的選擇有更多的靈活性，可根據(jù)需要選擇橫向MF盾構或縱向MF盾構，更加適用于地下空間受到限制的隧道建設。4）根據(jù)土質情況和施工條件以及對周圍環(huán)境影響的需要，采用泥水盾構或土壓盾構。5）盾構由多個獨立控制的圓形斷面組成，可根據(jù)不同地質條件進行土體幵 挖管理。6）通過調整各刀盤的轉速和轉向，利用幵挖時作用在盾構上的反力可有效 的控制盾構的姿勢，糾偏也相對容易。7）采用橫向多圓盾構法可用于地鐵車站，地鐵車輛機務區(qū)段的幵挖。（3）工程實例MF盾構在地鐵工程中運用較多。橫向2圓斷面主要

9、用于地鐵線路段的隧道， 橫向3圓以上斷面用于地鐵車站和地鐵機務段的隧道施工。下列照片為實際工 程中使用的2例MF盾構和由此施工法幵挖的隧道。 橫向2圓斷面地鐵線工程的 幵挖寬度為12.19m，2個圓斷面的直徑均為7.42m，施工長度為619m橫向3圓斷面地鐵車站工程的幵挖寬度為17.44m，其中中間圓斷面直徑8.85m，兩側圓斷面直徑 8.14m，施工長度為275m（a）橫向2圓盾構地鐵線路工程（b）橫向3圓盾構地鐵車站工程照片-2.1施工實例4. H&V盾構法第3頁1）原理概要所謂的 H&V（ Horizontal variation & Vertical variation）盾構法是將幾個

10、圓形斷面根據(jù)需要進行組合，以開挖多種隧道斷面形式的一種特殊施工方 法。H&V施工法可同時幵挖多條隧道，推進方式有像繩子一樣互相糾纏在一起 的螺旋式推進和讓其中的某一個斷面從中獨立出去的分叉式推進兩種方式?？?根據(jù)隧道的施工條件和用途在地下自由的掘進和改變隧道斷面形式和走向。其 施工原理主要是采用了一種叉式鉸接改向裝置。這種裝置可使盾構胴體前端各 自沿著相反的方向旋轉，以改變盾構的推進方向。利用這種鉸接裝置可使盾構 機產(chǎn)生轉動力矩，達到螺旋式推進的目的。1）螺旋式推進的原理：相鄰兩個斷面的盾構之間設置鉸接式改向裝置，使盾構胴體能各自 沿著相反的方向螺旋式旋轉。促使盾構螺旋式旋轉是有效的運用了盾構

11、 軸向偏轉的特性，由偏心千斤頂提供旋轉外力。在盾構改向側迎土面通 過局部超挖刀具進行局部開挖，使盾構順利并穩(wěn)定的進行螺旋式過渡。2）分叉式推進的原理：H&V中的各盾構配備有獨立的驅動和排土設備。相鄰兩個盾構的前 胴部分由錨栓連接，后部則由螺栓連接，兩者均可在盾構機的內部拆除。 盾構機之間在解除連接后由側向千斤頂將需要分離的盾構頂出后各自沿 著自己的方向推進。（a）鉸接式改向裝置（b）螺旋式推進（c）分叉式推進圖-10.1 H&V 盾構法原理示意圖（2） 特點H&V盾構法具有以下特點：0） 特制的鉸接式改向裝置， 對盾構機的姿態(tài)以及方向的控制比較容易。 各 盾構的驅動裝置和開挖裝置相互獨立， 可

12、根據(jù)不同土質情況對開挖面的 穩(wěn)定進行管理，可自由選擇采用泥水式盾構還是土壓式盾構。1）從縱向到橫向或從橫向到縱向，隧道斷面在地下可自用的過渡和轉換， 無須設置工作井，對縮短工期，降低成本有利。2）可根據(jù)需要自由的選擇斷面形式， 而斷面的基本形狀是圓形所以在構造 上保持了單圓盾構良好的力學特性。 線形設計時可不受周邊障礙物的限 制。3）工程實例H&V盾構法通過試驗性施工證實此施工法可適用于各種地下工程，并在地 鐵和下水道中得到了運用。迄今試驗性施工 1 例，工程施工實例 2 例。以下照 片為 2 例工程實例，主要技術指標分別如下：盾構 （a） ：地鐵車站工程施工例，采用 2 主 2 子的 4 圓

13、泥水盾構機，其中主機 6.56m2臺，子機 1.72m 2臺。隧道寬 13.18m，高 7.06m，施工延長236m。盾構（b）:下水道工程施工例，采用縱向2圓分叉式泥水盾構機，上部盾構3.29m，下部盾構 2.89m，施工延長15詞 盾構（a）地鐵車站r*盾構（b 照片-10.1施工實例衫帀爭5.球體盾構法（1）概要球體盾構是利用球體本身可自由旋轉的特點，將 構的內部，在球體內部又設計一個后續(xù)次機盾構。先行盾 利用球體的旋轉改變隧道的推進方向，進行后期隧道的開遼先行主機 前期開挖后具交換和維修非常方便。到目前為止在日本已幵發(fā)了3種用途的球體盾構機并在9個工程中得到了運用。下面簡要介紹有關利用

14、球體盾構法的原理和施工實 例。（2）縱橫式連續(xù)推進球體盾構縱橫式球體盾構是用一臺盾構機完成豎向工作井和橫向隧道幵挖的一種特 殊盾構機。在縱向主機盾構內預先設置一個可旋轉的球體，在球體內又收藏了一 臺專門用于幵挖橫向隧道的長度較短的次機盾構。在縱向盾構內設有驅動軸可自由旋轉球體，橫向盾構的主體切削刀盤兼用于幵挖豎向工作井，也就是說，只要 在橫向盾構的主體刀盤的外側安裝一個環(huán)狀的超挖刀具，就可以用同一個切削裝置幵挖兩個功能和尺寸不同的地下空間?？v橫式球體盾構共享一個切削驅動裝 置，主體切削刀和外側環(huán)狀刀具之間采用鉸接式拉桿連接，通過油壓千斤頂可使 鉸接式拉桿伸縮。豎向工作井幵挖結束后外側環(huán)狀刀具脫

15、離主體刀盤殘留在土 中。（a）豎向工作井幵挖 （b）球體旋轉（c）橫向隧道幵挖圖-4.1縱橫式連續(xù)推進球體盾構的幵挖縱橫式球體盾構的主要特點如下：1） 因豎向工作井和橫向盾構隧道是連續(xù)推進的，所以它無須考慮盾構進出洞時的土體加固處理和漏水等技術問題，提高了大深度工作井和隧道施工的安全性和施工速度，對縮短施工工期起積極的作用。2）豎向工作井施工時對周圍環(huán)境和地基沉降的影響較一般的施工法相比要 小。3）豎向工作井的內部空間和井壁厚度都可減小，節(jié)省工作井的工程費用。4） 隧道推進過程中幵挖刀具的交換和維修非常方便，更適用于長距離隧道的 幵挖。（3）橫橫式連續(xù)推進球體盾構橫橫式球體盾構的幵挖原理與縱橫

16、式球體盾構基本相同，先行主機盾構和后續(xù)次機盾構可在同一水平面內進行直角幵挖。交通擁擠的十字路口以及在地下一 定深度內存在有各種管線設施無法構筑豎向工作井的地區(qū)可采用此施工方法。(4)長距離幵挖球體盾構收藏在球體內的刀盤和其驅動裝置與球體一起在盾構機內旋轉后，在盾構機 內進行刀具的修理和更換等作業(yè)。這種復雜的作業(yè)不受時間，地點的限制并在已 幵挖好的隧道內的大氣壓中進行操作。解決了于長距離盾構幵挖時刀具交換的技尤其適用于工期不很為用于長距離幵挖球體盾術性問題，無需構筑工作井在一定程度上可減少工程費用。緊，無須設置換氣井的長距離上下水道的施工。 圖-4.2構的刀具交換示意圖(a)刀盤回縮收藏(b)球

17、體旋轉(c)刀具交換圖-4.2球體盾構刀具交換示意圖(5)施工實例球體盾構已在下水道工程中得到了廣泛的運用。下列照片為實際工程中使 用的3例球體盾構機。1) 縱橫式盾構：先行主機盾構直徑為5.90m，幵挖深度19.3m，后行次機盾構直徑為 4.20m，幵挖長度2017m盾構形式為縱向幵挖主機盾構泥水式， 橫向幵挖次機盾構泥土式。2) 橫橫式盾構：先行主機盾構直徑為3.93m，幵挖深度578m,后行次機盾構直徑為 2.68m，幵挖長度898。盾構形式均采用泥水式。3) 長距離幵挖盾構：盾構直徑為9.45m，幵挖深度4435m,盾構形式均采用泥水式。(b)橫橫式盾構(a)縱橫式盾構 構照片-4.1

18、施工實例(c)長距離幵挖盾6.局部擴大盾構法(1)原理概要所謂局部擴大盾構法就是在隧道的任意位置對局部斷面進行擴大的一種施工方法。其主要施工原理如下:正常段施工：首先進行等斷面正常段隧道的施工，在局部斷面擴大部分 設置特殊管片，在正常段和特殊段管片之間同時設置導向環(huán)。圓周盾構反力支墩施工：拆除特殊段下部的預制扇形襯砌塊，設置圍護 結構后進行土體幵挖，必要時可對局部土體進行加固，澆注圓周盾構掘 進時的反力支墩。擴大部盾構的反力承臺制作：在擴大部基礎內的導向環(huán)片上安裝圓周盾 構后，邊掘進邊拼裝圓周管片，最后形成擴大部盾構的反力承臺(始發(fā) 基地)。擴大部盾構安裝和掘進：在始發(fā)基地內安裝擴大部盾構，進行擴大部隧 道的幵挖。(a)圓周盾構反力支墩和擴大部盾構反力承臺施工(b)擴大部盾構安裝(c )擴大部盾構掘進圖-13.1 泥土加壓盾構法施工原理示意圖(2)特點局部擴大盾構法具有以下特點：3) 可根據(jù)用途在任何位置以任意長度對隧道進行局部擴大。4) 局部擴大后的斷面形狀仍然是圓形， 故其力學性能保持圓形斷面的良好 第7頁特性。5) 也可進行左右和上下全方位偏心局部擴大。6) 較開挖式施