地下鐵路建設-第5章2課件

第五節(jié)盾構法施工

盾構施工法是“使用盾構機在地下掘進，在護盾的保護下，在機內(nèi)安全的進行開挖和襯砌作業(yè)，從而構筑成隧道的施工方法”。盾構法施工就是在隧道的一端建造豎井或基坑，將盾構安裝就位，盾構從豎井或基坑的墻壁開孔出發(fā)，在地層中沿著設計軸線，向另一豎井或基坑的孔壁推進。盾構推進中所受到的地層阻力，通過盾構千斤頂傳至盾構尾部已經(jīng)拼裝好的襯砌管片上。盾構機是這種施工方法中主要的施工機具。一、概述

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車站碴土儲艙和料斗龍門吊車泥漿處理設備豎井皮帶運輸機盾構機螺旋輸送機管片運輸車泥漿注入車斗車電瓶車2ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

二、盾構機的種類

全開敞式手掘式半機械式機械式半開敞式——擠壓式泥水式土壓式密封式泥土加壓式泥漿式土壓式泥土加壓式3ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

1全開敞式全開敞式盾構機是指沒有隔墻、開挖面敞露狀態(tài)的盾構機。根據(jù)開挖方式的不同，又分為手掘式、半機械化式及機械式三種。適用范圍：適用于開挖面自穩(wěn)性好的圍巖。(1)手掘式盾構機4ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

這種盾構機適應的土質是自穩(wěn)性強的洪積層壓實的砂、砂礫，固結粉砂和粘土。(2)半機械式盾構機5ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

半機械式盾構機進行開挖及裝運石碴都采用專用機械，配備液壓鏟土機、臂式刀盤等挖掘機械和皮帶運輸機等出碴機械，或配備具有開挖與出碴雙重功能的機械，以圖省力。(3)機械式盾構機6ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

機械式盾構機前面裝備有旋轉式刀盤，增大了盾構機的挖掘能力，開挖的土砂通過旋轉鏟斗和排土可以連續(xù)進行，縮短了工期，減少了作業(yè)人員。2半開敞式7ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

這種盾構適用于軟弱粘土層，在推進過程中要引起較大的地面隆起。3密封式是指在機械開挖式盾構機內(nèi)設置隔墻，進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。密封式盾構機又分成局部氣壓式、泥水平衡式和土壓平衡式幾種。(1)局部氣壓式盾構8ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

在機械式盾構支承環(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，達到疏干和穩(wěn)定開挖面土體的作用。9ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

(2)土壓平衡式盾構又稱削土密封式或泥土加壓式盾構。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，在密封艙和螺旋輸送機，以及在盾殼四周裝設的土壓傳感裝置，根據(jù)需要還可裝設改善切削土體流動性的塑流化材料的注入設備。10ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

單刀盤土壓平衡機11ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

①刀盤：用于切削土體，同時將切削下來的土體攪拌混合，以改善切削土體的流動性。根據(jù)圍巖條件，切削刀盤可以是花板型的、輻條型的和礫石破碎型。根據(jù)盾構直徑的大小，刀盤的主軸可以采用中空軸式、中間支承式和周邊支承式。12ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

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②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，具有適當流動性的塑流體，使其能及時充滿密封艙和螺旋輸送機的全部空間，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。③螺旋輸送機：用來將密封艙內(nèi)的塑流狀土體排出盾構外，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，使螺旋輸送機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。17ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

④塑流化材料注入器：用來向密封艙、刀盤和螺旋輸送機內(nèi)注人添加劑。關于塑流化添加劑的種類，目前常用的添加劑有兩類：泥漿材料、化學發(fā)泡劑。式中Vs——螺旋輸送機每旋轉一周的排土體積；N——螺旋輸送機的轉速；A——切削斷面積；V——推進速度。

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常用螺旋輸送機的排土率K來定量判定碴土的塑流性。當碴土處于良好的塑流狀態(tài)時，K為1.0左右。⑤土壓傳感器：用于測量密封艙和螺旋輸送機內(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的排土狀態(tài)，噴涌、固結、阻塞等。土壓平衡式盾構維持開挖面穩(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)生的土壓力與盾構推進過程中盾構千斤頂?shù)耐屏?和盾構前方地層的靜止土壓力與地下水壓力(F)相平衡的方法。

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FPFF＞PminF=PF＞PmaxPmaxQPminQmaxF20ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

要控制土壓平衡式盾構在推進過程中開挖面的穩(wěn)定，可以用兩種方法來實現(xiàn)，其一是控制螺旋輸送機排土量(調(diào)節(jié)其轉速)；其二是用調(diào)節(jié)盾構千斤頂?shù)耐七M速度和螺旋輸送機轉速，直接控制密封艙內(nèi)的土壓力P。

主動土壓力+地下水壓力<P<被動土壓力+地下水壓力對于花板型刀盤，若刀盤面板開口率為x，刀盤上和密封艙內(nèi)的碴土壓力分別為P1和P2，

主動土壓力+地下水壓力＜P1(1-x)+P2x＜被動土壓力＋地下水壓力

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(3)泥水加壓式盾構

在泥水加壓式盾構的密封艙內(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，通常是由泥漿壓力和刀盤面板共同承擔，前者主要是在掘進中起支護作用，后者主要是在停止掘進時起支護作用。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重復使用，所以，在采用泥水加壓式盾構時，還需配備一套泥漿處理系統(tǒng)。22ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

泥水加壓式盾構按泥漿系統(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。①直接控制型(日本型)泥水加壓式盾構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)。泥水室大刀盤清水槽泥漿調(diào)整槽密度計流量計供漿管排漿管伸縮管VP2P3P4P123ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

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，當顆粒直徑大于1mm時，F(xiàn)L＝1.34；g——重力加速度，g=9.8m/s2；p0——泥漿母液比重，一般p0=1.05~1.25；p——碴土比重；

d——管子內(nèi)徑(m)。24ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

②間接控制型(德國型)泥水加壓式盾構的泥漿壓力控制由空氣和泥水雙重系統(tǒng)實現(xiàn)?？諝夤馨敫舭?5ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

4混合盾構(Mixshield)5多圓盾構(Multi-CircularFaceShield)

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三、盾構機機型的選擇

1．選型的根據(jù)(1)工程地質與水文地質條件①隧道沿線地層圍巖分類、各類圍巖的工程特性、不良地質現(xiàn)象和地層中含沼氣狀況；②地下水位，穿越透水層和含水砂礫透鏡體的水壓力、圍巖的滲透系數(shù)以及地層在動水壓力作用下的流動性；27ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

(2)地層的參數(shù)①表示地層固有特性的參數(shù)：②表示地層狀態(tài)的參數(shù)：③表示地層強度和變形特性的參數(shù)：(3)地面環(huán)境、地面和地下建(構)筑物對地面沉降的敏感度(4)隧道尺寸：長度、直徑、永久襯砌的厚度(5)工期(6)造價(7)經(jīng)驗：承包商的經(jīng)驗、有無同類工程的經(jīng)驗。28ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

2．選型的方法四、盾構法施工

1．盾構的始發(fā)和到達(1)豎井①封門a．現(xiàn)澆鋼筋混凝土封門b．鋼板樁封門c．預埋H型鋼封門②始發(fā)豎井29ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

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③到達豎井兩條盾構隧道的連接方式有到達豎井連接方式和盾構機與盾構機在地下對接的方式。④中間豎井⑤豎井的施工(2)盾構拼裝

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(3)洞口地層加固常用的加固方法有：注漿、旋噴、深層攪拌、井點降水、凍結法等。加固土體的范圍和需要達到的強度，可參照下述方法計算確定：①強度驗算：將加固土體視為厚度為t的周邊自由支承的彈性圓板，在外側水土壓力作用下，板中心處的最大彎曲應力，按彈性力學原理求得，并可寫出強度驗算公式：36ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

WW=Pa+PWPaPw土壓水壓Dntn′t37ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

式中r——工作井端墻開洞的半徑，r＝D/2；t——加固土體的厚度；——加固土體的極限抗拉強度，一般可取其極限抗壓強度的10％，即；K1——安全系數(shù)，一般取K＝1.5；38ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

w——作用于開洞中心處的側向水土壓力。對于砂性土，水壓力和土壓力分別計算；對于粘性土，水土壓力合算。土壓力按靜止土壓力考慮，土的計算參數(shù)按加固前的選用；——加固后土體的泊桑比，一般?。?.2?？辜魪姸鹊尿炈愎剑?9ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

式中——加固后土體的極限抗剪強度，根據(jù)經(jīng)驗，；

K2——抗剪安全系數(shù)，一般取K2＝1.5；②整體穩(wěn)定驗算洞外加固土體在上部土體和地面堆載P等作用下，可能沿某滑動面向洞內(nèi)整體滑動，假定滑動面是以端墻開洞外頂點O為圓心，開洞直徑D為半徑的圓弧面，此時，引起下滑的力矩為：40ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

PDCtDBOQxAH41ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

M＝M1+M2+M3

式中M1——地面堆載P引起的下滑力矩，

M1=PD2/2；M2——上覆土體自重Q上引起的下滑力矩M3——滑移圓弧線內(nèi)土體的下滑力矩

為加固后土體的重度。

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抵抗下滑的力矩為：式中——滑移圓弧線AB段的抗滑力矩——滑移圓弧線BC段的抗滑力矩——滑移圓弧線CD段的抗滑力矩43ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

式中——加固前土體地粘結力；——加固后土體地粘結力；

H——上覆土體的高度；抗滑移的安全系數(shù)K2

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2．盾構的掘進(1)盾構千斤頂總推力與刀盤扭矩計算

①土壓平衡式盾構a．盾構千斤頂總推力推進土壓平衡式盾構所需克服的阻力有：(a)盾構與地層之間的摩阻力45ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

式中μ——地層與鋼板的摩擦系數(shù)；D、L——盾構的直徑和長度；P0——盾構拱頂處的勻布圍巖豎向壓力，一般按全土柱計算，深埋情況下也可按泰沙基公式計算；

——盾構底部的勻布反力，，W為盾構重量；P1——盾構拱頂處的側向水土壓力；P2——盾構底部的側向水土壓力。46ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

(b)刀盤正面的側向土壓力式中Pd——刀盤中心處的側向土壓力K0——側壓力系數(shù)；——地層的浮重度；R——盾構的外半徑；——按泰沙基公式計算的盾構拱頂處的松動圍巖壓力。47ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

(c)刀盤正面的地下水壓力式中——刀盤中心處的地下水壓力(d)盾尾內(nèi)部與管片襯砌之間的摩阻力式中——管片與鋼板之間的摩擦系數(shù)，一般?。弧獕涸诙芪采系墓芷r砌重量，最大可取2~3環(huán)管片的自重；48ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

總的阻力F為：則盾構千斤頂所需的總推力T為：T＝KcF式中Kc——安全系數(shù)，一般取Kc＝1.5。b．刀盤扭矩：(a)刀具切削土體所需的扭矩：

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式中h——刀具的穿透深度，h=v/N；v——開挖速度；N——刀盤轉速；qu——地層單軸無側限抗壓強度；r0——刀盤的外半徑。(b)由于刀盤自重所產(chǎn)生的抵抗旋轉的扭矩：式中G——刀盤自重；R1——自重抵抗旋轉的半徑；——轉動摩擦系數(shù)。50ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

(c)刀盤正面推力所產(chǎn)生的抵抗旋轉的扭矩：式中Wr——刀盤正面的推力，可按下式計算：x——刀盤的開口率；Pd——刀盤中心處的土側向壓力；d2——刀盤上設置刀具的外環(huán)直徑；d1——刀盤上設置刀具的內(nèi)環(huán)直徑；Pw——刀盤中心處的地下水壓力；R2——正面推力抵抗旋轉的半徑。51ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

(d)刀盤密封裝置抵抗旋轉的扭矩：式中——密封材料與鋼的摩擦系數(shù)；F——密封壓力；

——第1、2道的密封條數(shù)；——相應的密封裝置的平均回轉半徑。(e)刀盤正面的摩擦扭矩：52ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

式中——地層與刀盤的摩擦系數(shù)，由于刀盤與地層之間充滿含水的碴土，所以，此時的摩擦系數(shù)較低，一般取。(f)刀盤周邊的摩擦扭矩：式中l(wèi)k——刀盤厚度；Pr——作用在刀盤周邊上的平均壓力，一般取53ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

(g)刀盤背面的摩擦扭矩：式中——碴土的抗剪強度，因碴土飽和含水，故抗剪強度較低，可近似地取其C＝0.01MPa，。(h)刀盤開口處切削碴土所需的扭矩：54ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

(i)刀盤在密封艙內(nèi)攪拌碴土所需的扭矩：式中r1、r2——刀盤梁的內(nèi)、外半徑；l——刀盤梁的長度。驅動切削刀盤所需的總扭矩即為：55ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

②泥水加壓式盾構a．千斤頂總推力可能還要增加一項后方臺車的牽引阻力(F5)式中——滾動阻力系數(shù)，一般?。?.1；Wb——后方臺車的重量。56ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

b．刀盤扭矩泥水加壓式盾構需克服刀盤扭矩：刀具切削土體的抵抗扭矩(T1)、刀盤正面推力所產(chǎn)生的抵抗旋轉的扭矩(T3)、刀盤密封裝置與襯砌之間的旋轉摩擦阻力扭矩(T4)以及刀盤旋轉時所產(chǎn)生的摩擦阻力扭矩(T5、T6)。盾構推力和扭矩的控制標準：千斤頂總推力：F=1000~1300kN/m2

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刀盤扭矩：

式中——刀盤的扭矩系數(shù)土壓平衡式盾構：＝14~23；泥水加壓式盾構：＝9~15；D——盾構直徑。(2)盾構掘進注意事項

①正確選擇推進千斤頂?shù)膫€數(shù)與配置，以確保所需的推力。58ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

②不得破壞開挖面的穩(wěn)定。③不應損害管片等后方結構。④盡量防止橫向、縱向和轉動偏差的發(fā)生。(3)盾構掘進施工管理3．襯砌、壓注(1)一次襯砌一次裝配式襯砌的施工是依照組裝管片的順序從下部開始逐次收回千斤頂。管片的環(huán)向接頭一般均錯縫拼裝。59ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

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(3)二次襯砌六、ECL施工法

七、盾構法施工地面沉降機理、預測和防治

1．地表沉降的規(guī)律

在隧道縱軸線上產(chǎn)生的地表變形一般可分為三個階段，即盾構前方地表隆起或沉降，施工沉降和固結沉降。61ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

2．地表沉降的原因與預測

(1)地面沉降原因

①地層原始應力狀態(tài)的變化②地下水位的變化③盾尾空隙充填壓漿不足④襯砌變形

⑤受撓動土體的固結(2)地面沉降的預測

地面沉降量及影響范圍的預測可以分為設計階段預測和施工階段預測。62ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

派克橫向分布公式為：式中S(x)——距隧道中線x處的地面沉降量(m)；S(max)——隧道中線處(即x＝0)的地面沉降量(m)；x——距隧道中線的距離(m)；i——沉降槽寬度系數(shù)，即沉陷曲線反彎點的橫坐標(m)，派克并假定橫向沉陷曲線為正態(tài)分布曲線。63ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

橫向沉降槽體積等于地層損失，即V(s)=VL=VlV。式中Z——隧道開挖面中心至地面的距離；R——盾構外半徑；K、n——試驗系數(shù)，K=0.63~0.82；n＝0.36~0.97。64ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

派克縱向沉降分布公式式中S(y)——地面沉降量(m)；y——沉降點至坐標原點的距離(m)；yi——盾構推進起點處盾構開挖面至坐標原點的距離(m)；yl——盾構開挖面至坐標原點距離(m)；65ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

Z——盾構長度；φ——正態(tài)分布函數(shù)。橫向最大沉降量的估算公式：在砂礫土中：在砂性土中：在粘性土中：66ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

沉降影響范圍估算公式：式中Z——地面至開挖面中心距離(m)；R——隧道外半徑(m)；OFS——簡單超載系數(shù)；K、n——系數(shù)。施工階段的地面沉降大致發(fā)生在5個階段：盾構到達前、盾構到達時、盾構通過后、管片脫出盾尾時及長期變形。67ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

3．地表沉降的監(jiān)測與控制(1)地表沉降的監(jiān)測

①施工監(jiān)測的作用a.監(jiān)測和診斷各種施工因素對地表變形的影響，提供改進施工減少沉降的依據(jù)；b.根據(jù)觀測結果預測下一步地表沉降對周圍建筑物及其它設施的影響，進一步確定保護措施；c.監(jiān)測施工結果是否達到控制地表沉降和隧道沉降的要求；d.研究土囊特性、地下水條件、施工方法與地表沉降的關系，以作為改進設計的依據(jù)。68ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

②施工監(jiān)測項目a．監(jiān)測地下水位的變化b．監(jiān)測土體變形(a)地表變形觀測(b)地下土體沉降觀測(c)盾構各個襯砌環(huán)脫出盾尾后的沉降觀測(d)盾尾空隙中坑道周邊向內(nèi)位移觀測(e)對附近建筑物的觀測69ppt精選版第五節(jié)盾構法施工

(2)地表沉降的控制

①