盾構(gòu)隧道軸線控制及盾構(gòu)課件

1、盾構(gòu)技術(shù)交流地鐵建總:郭永順 9/25/20221盾構(gòu)技術(shù)交流地鐵建總:郭永順 介紹內(nèi)容 一、盾構(gòu)隧道軸線控制 1.管片尺寸及類型 2.管片選型及對軸線影響 3.管片與盾尾間隙影響 4.盾構(gòu)機(jī)軸線控制 5.注意問題二、盾構(gòu)機(jī)選型 1）盾構(gòu)機(jī)類型 2）刀具形式 3）開挖刀盤形式 4）刀具布置、刀盤形式 5）盾構(gòu)選型三、管片制作施工控制 1）施工流程 2）混凝土性能 3）施工注意問題9/25/20222介紹內(nèi)容 一、盾構(gòu)隧道軸線控制9/24/20222管片使用歷史 在1930年前，盾構(gòu)隧道使用的管片主要為鑄造鋼管片。之后，開始使用預(yù)制混凝土管片，應(yīng)用在英國的倫敦小直徑的下水道（1.5米3米）。直到

2、1965年，在歐洲國家主要發(fā)展和使用預(yù)制混凝土管片，應(yīng)用于大直徑軟土的盾構(gòu)隧道（5米10米），如德國、比利時(shí)、奧地利、法國。同期日本在預(yù)制混凝土管片使用尚尤其顯著。9/25/20223管片使用歷史 在1930年前，盾構(gòu)隧道一、盾構(gòu)隧道軸線控制 盾構(gòu)隧道軸線控制屬于掘進(jìn)管理中的線形管理。 盾構(gòu)隧道軸線偏差是在推進(jìn)器推進(jìn)長度差的變化、土質(zhì)的強(qiáng)度不一、選用管片類型拼裝所形成。因此在一定程度內(nèi)盾構(gòu)隧道軸線將產(chǎn)生蛇行狀態(tài)。 盾構(gòu)隧道軸線控制關(guān)鍵需了解管片所固有的尺寸特性及盾構(gòu)機(jī)外形尺寸，根據(jù)尺寸的特點(diǎn)合理管片選型，使管片形成的軸線與設(shè)計(jì)軸線盡量在設(shè)計(jì)允許偏差范圍內(nèi)。9/25/20224一、盾構(gòu)隧道軸線控

3、制 盾構(gòu)隧道軸線控制屬于掘進(jìn)管理中管片形成軸線與設(shè)計(jì)軸線模擬9/25/20225管片形成軸線與設(shè)計(jì)軸線模擬9/24/202251.管片尺寸及類型 管片的形狀和尺寸，應(yīng)考慮使用目的，便于施工和經(jīng)濟(jì)等條件來確定。 決定管片形狀、尺寸的主要有下列內(nèi)容： （1）管片環(huán)的外徑 （2）管片厚度 （3）管片寬度 （4）管片環(huán)的分割 管片從類型上可分為：直線環(huán)楔形環(huán)和通用管片9/25/202261.管片尺寸及類型 管片的形狀和尺寸，應(yīng)考慮使用目的管片環(huán)楔形量確定 楔形量除應(yīng)根據(jù)管片寬度、管片環(huán)外徑、曲線半徑及區(qū)間使用的楔形環(huán)所占的比例、管片的制造性外，還應(yīng)根據(jù)盾尾空隙量而定。 9/25/20227管片環(huán)楔形量

4、確定 楔形量除應(yīng)根據(jù)管片寬度、管管片尺寸特性掌握 管片的尺寸特性掌握，主要是根據(jù)管片拼裝形式?jīng)Q定，關(guān)鍵取決于封頂塊旋轉(zhuǎn)的位置，從而確定了管片形成空間尺寸，如對軸線偏移量，軸線糾偏量等。 9/25/20228管片尺寸特性掌握 管片的尺寸特性掌握，主以1200mm管片為例如何計(jì)算掌握管片形成隧道空間尺寸管片寬度：1200mm，厚度300mm外徑：6000mm，內(nèi)徑5400mm楔形環(huán)管片水平最大寬度：1225.5mm，最小寬度：1174.5mm，封頂塊旋轉(zhuǎn)36度進(jìn)行錯(cuò)縫拼裝。9/25/20229以1200mm管片為例如何計(jì)算掌握管片形成隧道空間尺寸管片寬管片立面9/25/202210管片立面9/24

5、/202210管片空間尺寸計(jì)算模擬圖9/25/202211管片空間尺寸計(jì)算模擬圖9/24/202211管片空間尺寸計(jì)算幾何立體圖9/25/202212管片空間尺寸計(jì)算幾何立體圖9/24/202212封頂塊位置從頂端偏了a時(shí)，楔形環(huán)前面的中心點(diǎn)C，（中心點(diǎn)由CC，）移動，其移動量為COC=5.1mm。移動量分成水平（X）和垂直（Y）：X=5.1cosaY=-5.1sina楔形環(huán)前端斷面的直角方向（C，C“）和SRT的連接面與直角方向（Z軸方向）是AA角Z，此角度可分成X（水平-X）與Y（垂直-Y），C，C“的長度為L，公式如下： 推導(dǎo)公式9/25/202213封頂塊位置從頂端偏了a時(shí)，楔形環(huán)前面

6、的中心點(diǎn)C，（中心點(diǎn)由由于:tan2= tan(0.4870)=8.50010-3所以: X=tan-1(0.0085cos a ) Y=tan-1(0.0085sin a )錐形管片K件在不同位置時(shí)X,Y,X,Y其值依次的大?。篕件位置寬度最小點(diǎn)a（）XYXY12：0005.1000.48700.01：00364.1-3.00.3940-0.28632：00721.6-4.90.1505-0.46324：00108-1.6-4.9-0.1505-0.46325：00144-4.1-3.0-0.3940-0.28636：00180-5.10.0-0.48700.07：00216（-144）-4

7、.13.0-0.39400.28638：00252（-108）-1.64.9-0.15050.463210：00288（-72）1.64.90.15050.463211：00324（-36）4.13.00.39400.2863推導(dǎo)結(jié)果19/25/202214由于:tan2= tan(0.4870)=8.5001推導(dǎo)結(jié)果2K件位置a上下寬度尺寸左右寬度尺寸XtXbXt-XbXlXrXl-Xr12:0001200120001225.51174.5511:0036121511853012211179422:0072122411764812081192164:001081224117648119212

8、08-165:00144121511853011791221-426:001801200120001174.51225.5-517:0021611851215-3011791221-428:0025211761224-4811921208-1610:0028811761224-48120811921611:0032411851215-3012211179429/25/202215推導(dǎo)結(jié)果2K件位置a上下寬度尺寸左右寬度尺寸XtXbXt- 2.管片選型及對軸線影響 對管片固有尺寸特性掌握后，利用封頂塊不同位置，可計(jì)算管片選型拼裝對施工軸線影響及施工過程中對軸線的糾偏。9/25/202216 2.

9、管片選型及對軸線影響 對管片選型對軸線影響1.直線區(qū)間對軸線影響2.曲線區(qū)間對軸線影響9/25/202217管片選型對軸線影響1.直線區(qū)間對軸線影響9/24/202213.管片與盾尾間隙影響9/25/2022183.管片與盾尾間隙影響9/24/202218盾尾間隙影響主要因素1.使用楔形環(huán)管片； 2.管片的方位角（或俯仰角）與盾構(gòu)機(jī)的方位角（或俯仰角）不一致；3.盾構(gòu)機(jī)中心與管片中心不一致平行移動的影響。9/25/202219盾尾間隙影響主要因素1.使用楔形環(huán)管片； 9/24/20224.盾構(gòu)機(jī)軸線控制1.掌握千斤頂使用、計(jì)算方法2.掌握中折系統(tǒng)使用、計(jì)算方法9/25/2022204.盾構(gòu)機(jī)軸

10、線控制1.掌握千斤頂使用、計(jì)算方法9/24/20盾構(gòu)超挖量 目的：為使盾構(gòu)機(jī)在設(shè)計(jì)軸線開挖或使盾構(gòu)實(shí)行施工軸線糾偏，其開挖空間符合盾構(gòu)機(jī)主體能有效地通過。9/25/202221盾構(gòu)超挖量 目的：為使盾構(gòu)機(jī)在設(shè)計(jì)軸線開挖或使盾構(gòu)實(shí)行施計(jì)算模式9/25/202222計(jì)算模式9/24/2022225.注意問題1盾構(gòu)機(jī)施工軸線盡可能控制在誤差范圍內(nèi)。2管片的選型拼裝盡可能吻合設(shè)計(jì)軸線。3當(dāng)發(fā)生軸線糾偏時(shí)，須每一環(huán)測量盾構(gòu)的軸線情況及管片與盾尾間隙的大小，根據(jù)測量結(jié)果，計(jì)算每一環(huán)糾偏量，合理安排管片的選型，決不能一次糾偏到位。同時(shí)根據(jù)施工軸線偏離狀況，計(jì)算糾偏的環(huán)數(shù)，使其軸線滿足設(shè)計(jì)要求（即構(gòu)成緩和曲線

11、）。4施工過程中，要根據(jù)軸線控制情況，制定盾構(gòu)和管片軸線測量頻率。根據(jù)測量結(jié)果推算隧道及盾構(gòu)機(jī)軸線未來的情況，及時(shí)作出調(diào)整。5定期測量管片超前量（使用楔形環(huán)管片）初步檢測管片隧道與盾構(gòu)的情況。6在拼裝管片過程中，盡可能避免出現(xiàn)管片與管片踏步現(xiàn)象。7合理使用推進(jìn)千斤頂編組，特別在盾構(gòu)軸線糾偏過程中，區(qū)域油壓不能差異太大，避免管片出現(xiàn)破裂或裂縫。8須特別注意土層的軟硬變化。盾構(gòu)在比較堅(jiān)硬的土層中，一旦出現(xiàn)大幅度的糾偏需注意管片選型排列，盡可能做到既滿足設(shè)計(jì)軸線要求又同時(shí)避免因管片與盾尾接觸而產(chǎn)生破裂或出現(xiàn)裂縫。9在楔形管片設(shè)計(jì)中，需考慮與設(shè)計(jì)軸線的吻合，同時(shí)需考慮與盾構(gòu)盾尾間隙關(guān)系，設(shè)計(jì)楔形管片最

12、佳的楔變量。9/25/2022235.注意問題9/24/202223二、盾構(gòu)機(jī)選型1）盾構(gòu)機(jī)分類2）開挖刀具形式1. 盤形刀形式、特點(diǎn)2. 撕裂刀形式、特點(diǎn)3. 切削刀形式、特點(diǎn)3）開挖刀盤形式4）刀具布置5）盾構(gòu)選型9/25/202224二、盾構(gòu)機(jī)選型1）盾構(gòu)機(jī)分類9/24/202224盾構(gòu)歷史 在地下開挖隧道，地層會出現(xiàn)松動，為控制地層松動，就要施加支撐，這是早在橫向穴居時(shí)代的先人就已掌握了的經(jīng)驗(yàn)。試圖在沒有支撐的條件下挖掘隧道，這是盾構(gòu)施工法的開端。 盾構(gòu)法是在1818年，由英國人布魯內(nèi)爾（M.I.Brunel）在觀察了木船蛀蟲在木頭上打洞時(shí)用自己的分泌物將所打洞穴的周圍被覆起來的現(xiàn)象后

13、聯(lián)想而研制發(fā)明的，當(dāng)時(shí)用于倫敦泰晤士河底下的隧道工程，是開敞手掘式盾構(gòu)原形。施工中曾出現(xiàn)過很大的困難。此后，于1890年，格雷特黑德（T.H.Greathead）成功地開創(chuàng)了使用氣壓的盾構(gòu)施工法，從此盾構(gòu)法施工開始被正式作為水底隧道的施工方法而加以使用。 盾構(gòu)施工法引進(jìn)到日本是大正（19121926年）初期的事，當(dāng)初一直作為水底隧道等的特殊施工方法。但是在最近2030年間，盾構(gòu)法作為城市地下土木工程的一種施工方法，已取得飛速的發(fā)展。 我國的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)制造和應(yīng)用始于1963年，上海隧道工程公司結(jié)合上海軟土地層對盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)、預(yù)制鋼混凝土襯砌、隧道掘進(jìn)施工參數(shù)、隧道接縫防水進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。研制

14、了1臺直徑4.2m的手掘式盾構(gòu)進(jìn)行淺埋和深埋隧道掘進(jìn)試驗(yàn)，隧道掘進(jìn)長度68m。 1965年，由上海隧道工程設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)、江南造船廠制造的2臺直徑5.8m的網(wǎng)格擠壓型盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，掘進(jìn)了2條地鐵區(qū)間隧道，掘進(jìn)總長度1200m。 9/25/202225盾構(gòu)歷史 在地下開挖隧道，地層會出現(xiàn)松動，為1）盾構(gòu)分類 盾構(gòu)按不同的施工條件分類，一般分為6種或7種形式。選定工藝時(shí)，主要考慮地形、施工長度、隧道線形、周圍環(huán)境、規(guī)劃布局、工期、輔助工藝以及經(jīng)濟(jì)等因素。其中地形條件對工藝選定影響最大。 9/25/2022261）盾構(gòu)分類 盾構(gòu)按不同的施工條件分類，一般分為6種或72）開挖刀具形式開挖刀具形式有：1.盤形

15、刀：盤形刀分為雙輪（多輪）盤形刀和單輪盤形刀。2.撕裂刀（先行刀）：條狀撕裂刀（屋頂形）和殼形撕裂刀。3.鏟刀（T形刀）。切削刀片材質(zhì)使用分類代號硬度（洛氏硬度）A抗折力（Kg/mm2）化學(xué)成分（）備份鎢鈷碳WCOCE19012087904856用作煤礦采掘用刀片和小口徑混凝土空心鉆，故不宜用作盾構(gòu)切削刀E289140858951056E388160888771256E487170828681356用作粉砂土、砂土切削用刀片E58620030MPa）花崗巖，片麻巖、硅質(zhì)礫巖等。并且用于粗粒結(jié)構(gòu)的巖石，也就是用于不利于刀具向巖石傳力的巖體。如泥巖中，雖然其貫入率大，但不易使巖體破碎。3.開挖機(jī)理

16、：依靠壓力對巖體產(chǎn)生破壞。盤形刀形式觀看CAD9/25/2022281.盤形刀形式、特點(diǎn)特點(diǎn)：9/24/2022282.撕裂刀形式、特點(diǎn)特點(diǎn)：1.可用于軟巖（抗壓強(qiáng)度30MPa)巖巖。2.殼形刀主要用于礫石層，巖層土中，主要用于砂巖、粉砂和粘性土比較軟弱圍和風(fēng)華花鋼巖等硬質(zhì)圍巖。3.開挖機(jī)理：依靠刀具在運(yùn)動中，對土層產(chǎn)生的剪力進(jìn)行土層破壞。9/25/2022292.撕裂刀形式、特點(diǎn)特點(diǎn)：9/24/202229條狀撕裂刀形式（屋頂形）（1）9/25/202230條狀撕裂刀形式（屋頂形）（1）9/24/202230條形撕裂刀形式（2）9/25/202231條形撕裂刀形式（2）9/24/202231

17、殼形撕裂刀具形式（1）9/25/202232殼形撕裂刀具形式（1）9/24/202232殼形撕裂刀具形式（2）9/25/202233殼形撕裂刀具形式（2）9/24/2022333.鏟刀形式（T形刀）、特點(diǎn)特點(diǎn)：1.在盤形刀或撕裂刀對土層產(chǎn)生初步破壞的土層進(jìn)行切削，或直接將軟土層進(jìn)行切削；主要應(yīng)用砂，粉砂和粘性土的軟弱圍巖。2.開挖機(jī)理：依靠刀具在運(yùn)動中，對土層產(chǎn)生的剪切力進(jìn)行土層破壞。9/25/2022343.鏟刀形式（T形刀）、特點(diǎn)特點(diǎn)：9/24/202234鏟刀形式（1）9/25/202235鏟刀形式（1）9/24/202235鏟刀形式（2）9/25/202236鏟刀形式（2）9/24/2

18、02236鏟刀形式（3）9/25/202237鏟刀形式（3）9/24/2022373）開挖刀盤形式、刀盤形式：1.條幅型，2.面板型，3.復(fù)合型 刀盤形狀：如下圖所示（a）垂直平面形 （b）圓錐形 （c）中心挖掘形（d）半球形 （e）傾斜形 （f）刀盤縮小形9/25/2022383）開挖刀盤形式、刀盤形式：1.條幅型，2.面板型，3.復(fù)合條幅形刀盤形式、特點(diǎn) 多用于軟土地層，直接反映開挖的土壓力情況，依靠土壓力穩(wěn)定開挖面。9/25/202239條幅形刀盤形式、特點(diǎn) 多用于軟土地層，直接條幅型刀盤形式9/25/202240條幅型刀盤形式9/24/202240面板型刀盤形式、特點(diǎn) 多用于相對較弱的

19、地層，土壓力大部分反映盾構(gòu)泥倉內(nèi)的土壓，主要依靠刀盤的面板進(jìn)行開挖面支護(hù)，可用于泥水盾構(gòu)、土壓平衡盾構(gòu)及巖石盾構(gòu)機(jī)。刀盤開口率在2040之間。在礫質(zhì)粘性土中開挖，容易造成刀盤面板磨損。在土壓平衡盾構(gòu)施工中，靈敏度小的粘土層中容易造成泥倉堵塞。9/25/202241面板型刀盤形式、特點(diǎn) 多用于相對較面板型刀盤形式（2）9/25/202242面板型刀盤形式（2）9/24/202242復(fù)合型刀盤形式、特點(diǎn) 用于復(fù)合形地層，局部反映開挖面土壓力，多用于土壓平衡盾構(gòu)，主要依靠刀盤和部分土壓穩(wěn)定開挖面。刀盤開口率在3550之間，。9/25/202243復(fù)合型刀盤形式、特點(diǎn) 用于復(fù)合形地層復(fù)合型刀盤形式（2

20、）9/25/202244復(fù)合型刀盤形式（2）9/24/2022444）刀具布置 刀具布置形式應(yīng)根據(jù)土層狀況及刀具的開挖機(jī)理進(jìn)行有序布置。刀盤構(gòu)造形式，根據(jù)施工條件、土質(zhì)條件決定 。 對固結(jié)粘土，前角及后角應(yīng)大；對礫石，一般采用略小的角度；對礫石，需防止尖端缺損和剝離，有時(shí)用滾刀、特殊刀頭等；刀頭的高度，應(yīng)根據(jù)土質(zhì)條件和褶動距離推定的磨耗量、掘進(jìn)速度和刀頭回轉(zhuǎn)數(shù)、設(shè)定位置等求出的切入深度等決定。 9/25/2022454）刀具布置 刀具布置形式應(yīng)根據(jù)土層狀況及刀5）盾構(gòu)選型盾構(gòu)選型取決于下列各圍巖條件：1.軟弱流動形的粘土；2.容易坍塌的砂、砂礫層；3.含水砂層，礫層或互層中的承壓含水砂層和礫層

21、；4.含大礫石的地層；5.估計(jì)埋有漂木和其他物質(zhì)的地層；6.包括硬軟兩中土層的地層。關(guān)鍵：以穩(wěn)定開挖面為中心。詳見巖土與盾構(gòu)選型9/25/2022465）盾構(gòu)選型盾構(gòu)選型取決于下列各圍巖條件：9/24/2022三、管片制作施工控制1）管片制作施工流程（見管片施工技術(shù)）2）混凝土性能（見混凝土性能及配制）3) 施工注意問題9/25/202247三、管片制作施工控制1）管片制作施工流程（見管片施工技術(shù)）91）管片制作施工流程見管片施工技術(shù)9/25/2022481）管片制作施工流程見管片施工技術(shù)9/24/2022482）混凝土性能普通防水混凝土是在普通混凝土的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。兩者區(qū)別在于：普通混凝土是根據(jù)所需強(qiáng)度進(jìn)行配制，主要以石子為骨料，砂子填充石子的空隙，水泥漿