隧道其它施工方法-盾構(gòu)法（隧道工程施工課件）

從它的定義可以看出：盾構(gòu)施工法由穩(wěn)定開挖面、盾構(gòu)機(jī)挖掘和襯砌三大部分組成。在鬧市區(qū)或軟弱地層中，盾構(gòu)法是修建地鐵的主要施工方法之一。使用的主要機(jī)械就是盾構(gòu)機(jī)。一盾構(gòu)法施工概念盾構(gòu)法施工（一）什么是盾構(gòu)法施工？“使用盾構(gòu)機(jī)在地下掘進(jìn)，在護(hù)盾的保護(hù)下，在機(jī)內(nèi)安全的進(jìn)行開挖和襯砌作業(yè)，從而構(gòu)筑成隧道的施工方法”。第1頁一盾構(gòu)法施工概念盾構(gòu)法施工（一）什么是盾構(gòu)法施工？雙護(hù)盾盾構(gòu)機(jī)單護(hù)盾盾構(gòu)機(jī)第2頁一盾構(gòu)法施工概念盾構(gòu)法施工（二）盾構(gòu)法的發(fā)展

?

1825年到1843年英國首次采用盾構(gòu)法修建了一條河底隧道。

?早期盾構(gòu)法是手掘式或機(jī)械開挖式盾構(gòu)機(jī)用壓氣方法保證開挖面穩(wěn)定。

在地下水較豐富的地區(qū)，用注漿法進(jìn)行止漏，而對軟弱地層，則采用掌子面封閉式施工。

?現(xiàn)在常用的是泥水平衡式和土壓平衡式兩種盾構(gòu)機(jī)。將維持掌子面穩(wěn)定和開挖融為一體，不需要輔助施工措施，能適應(yīng)地質(zhì)較廣的變化。第3頁一盾構(gòu)法施工概念盾構(gòu)法施工（二）盾構(gòu)法的發(fā)展

?盾構(gòu)法應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大

盾構(gòu)機(jī)斷面通常是圓形，但各種斷面形式（多圓盾構(gòu)、橢圓形、矩形）和具有特殊功能的盾構(gòu)機(jī)械(急轉(zhuǎn)變盾構(gòu)、擴(kuò)大盾構(gòu)法、地下對接盾構(gòu)等)的相繼出現(xiàn)，盾構(gòu)法的應(yīng)用范圍也不斷的擴(kuò)大。第4頁一盾構(gòu)法施工概念盾構(gòu)法施工（三）盾構(gòu)法施工的優(yōu)點(diǎn)

?施工作業(yè)在地下進(jìn)行，不影響地面交通；

?采用機(jī)械開挖，減少了對附近居民的噪音和振動影響；?施工費(fèi)用不受埋深的影響，有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性；

?盾構(gòu)的推進(jìn)、出土、拼裝襯砌等主要工序循環(huán)進(jìn)行，易于管理，施工人員較少；

?穿越江、河、海時，不影響航運(yùn)；?施工不受風(fēng)雨等氣候條件影響；

?隧道內(nèi)施工環(huán)境較好、安全性好，控制地表沉降的效果較好。

第5頁二盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)法施工（一）盾構(gòu)機(jī)的種類全開敞式手掘式半機(jī)械式機(jī)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第6頁是指在機(jī)械開挖式盾構(gòu)機(jī)內(nèi)設(shè)置隔墻，進(jìn)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(gòu)機(jī)又分成局部氣壓式、土壓平衡式和泥水平衡式幾種。二盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)法施工（一）盾構(gòu)機(jī)種類-密封式盾構(gòu)機(jī)

第7頁在機(jī)械式盾構(gòu)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(dá)到疏干和穩(wěn)定開挖面土體的作用。(1)局部氣壓式盾構(gòu)二盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)法施工（一）盾構(gòu)機(jī)種類-密封式盾構(gòu)機(jī)

第8頁(2)土壓平衡式盾構(gòu)

前端是全斷面切削刀盤；后面有貯留切削土體的密封艙；在中心處或下方裝有長筒形的螺旋輸送機(jī)；在密封艙和螺旋輸送機(jī)，以及在盾殼四周裝設(shè)的土壓傳感裝置；還可裝設(shè)塑流化材料的注入設(shè)備——改善切削土體流動性。二盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)法施工（一）盾構(gòu)機(jī)種類-密封式盾構(gòu)機(jī)

第9頁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。在刀盤上裝有切削刀具。根據(jù)盾構(gòu)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。

中空軸式中間支撐式周邊支撐式刀盤主軸形式二盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)法施工（一）盾構(gòu)機(jī)種類-密封式盾構(gòu)機(jī)-土壓平衡式盾構(gòu)第10頁盾構(gòu)機(jī)刀盤(花板型）第11頁盾構(gòu)機(jī)刀盤(輻條型）第12頁盾構(gòu)機(jī)刀盤(礫石破碎型）第13頁盾構(gòu)機(jī)刀盤(輻條型）第14頁標(biāo)準(zhǔn)刮刀超挖刀中心刀滾刀箭型刀先行刀周邊刀第15頁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(dāng)流動性的塑流體，使其能及時充滿密封艙和螺旋輸送機(jī)的全部空間，對開挖面實(shí)行密封，以維持開挖面的穩(wěn)定性，同時，也便于將其排出。二盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)法施工（一）盾構(gòu)機(jī)種類-密封式盾構(gòu)機(jī)-土壓平衡式盾構(gòu)第16頁③螺旋輸送機(jī)：用來將密封艙內(nèi)的塑流狀土體排出盾構(gòu)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(jī)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。

二盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)法施工（一）盾構(gòu)機(jī)種類-密封式盾構(gòu)機(jī)-土壓平衡式盾構(gòu)第17頁④塑流化材料注入器：用來向密封艙、刀盤和螺旋輸送機(jī)內(nèi)注入塑流化添加劑(泥漿材料、化學(xué)發(fā)泡劑兩類)。碴土的塑流性常用螺旋輸送機(jī)的排土率K來定量判定：二盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)法施工（一）盾構(gòu)機(jī)種類-密封式盾構(gòu)機(jī)-土壓平衡式盾構(gòu)式中Vs——螺旋輸送機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周的排土體積；

N——螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速；

A——切削斷面積；

V——推進(jìn)速度。Ｋ≈１——塑流性良好；柔軟而富有流動性的渣土—Ｋ<１;Ｋ>>１——塑流性不好；Ｋ≈0——產(chǎn)生噴涌現(xiàn)象。第18頁加注泡沫第19頁⑤土壓傳感器：用于測量密封艙和螺旋輸送機(jī)內(nèi)的土壓力，密封倉內(nèi)土壓力是判定開挖面是否穩(wěn)定的依據(jù)，螺旋輸送機(jī)內(nèi)的土壓力用來判斷螺旋輸送機(jī)的排土狀態(tài)，如噴涌、固結(jié)、阻塞等。

二盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)法施工（一）盾構(gòu)機(jī)種類-密封式盾構(gòu)機(jī)-土壓平衡式盾構(gòu)第20頁FPFF＞PminF=PF<PmaxPmaxQPminQmaxFQmin二盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)法施工（一）盾構(gòu)機(jī)種類-密封式盾構(gòu)機(jī)-土壓平衡式盾構(gòu)

?土壓平衡式盾構(gòu)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(gòu)推進(jìn)過程中盾構(gòu)千斤頂?shù)耐屏?和盾構(gòu)前方地層的靜止土壓力與地下水壓力(F)相平衡。第21頁

控制盾構(gòu)推進(jìn)過程中開挖面的穩(wěn)定，可以用以下兩種方法來實(shí)現(xiàn)：

一是控制螺旋輸送機(jī)排土量(調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速)；二是調(diào)節(jié)盾構(gòu)千斤頂?shù)耐七M(jìn)速度和螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速，直接控制密封艙內(nèi)的土壓力P。不使開挖面產(chǎn)生影響的渣土壓力P的波動范圍（即較合理的P值）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＋地下水壓力二盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)法施工（一）盾構(gòu)機(jī)種類-密封式盾構(gòu)機(jī)-土壓平衡式盾構(gòu)第22頁二盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)法施工（一）盾構(gòu)機(jī)種類-密封式盾構(gòu)機(jī)-土壓平衡式盾構(gòu)

?土壓平衡式盾構(gòu)適用條件：從理論上講，通過注入塑流化添加劑和強(qiáng)力攪拌能將各種土質(zhì)改良成土壓平衡式盾構(gòu)工作所需的塑流體，故這種盾構(gòu)能適用于各種圍巖條件。

但在含水的砂層或礫砂層，尤其在高水壓的條件下，土壓平衡式盾構(gòu)在穩(wěn)定開挖面土體、防止和減少地面沉降、避免土體移動和土體流失等方面都較難達(dá)到理想的控制。

進(jìn)行地層改良后可采用泥水加壓式盾構(gòu)。第23頁(3)泥水加壓式盾構(gòu)

泥水加壓式盾構(gòu)的總體構(gòu)造與土壓平衡式盾構(gòu)相似，僅支護(hù)開挖面方法和排碴方式有所不同。二盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)法施工（一）盾構(gòu)機(jī)種類-密封式盾構(gòu)機(jī)

地層刀盤進(jìn)泥管排泥管泥漿壓縮空氣連通管壓縮空氣泥模形成區(qū)第24頁?支護(hù)開挖面方法：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。通常是泥漿壓力和刀盤面板共同對開挖面支護(hù)，泥漿壓力主要是在掘進(jìn)中起支護(hù)作用，刀盤面板主要是在停止掘進(jìn)時起支護(hù)作用。?排碴方式：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(gòu)重復(fù)使用。所以，采用泥水加壓式盾構(gòu)時，還需配備一套泥漿處理系統(tǒng)。二盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)法施工（一）盾構(gòu)機(jī)種類-密封式盾構(gòu)機(jī)-泥水加壓式盾構(gòu)

第25頁

泥水加壓式盾構(gòu)泥漿壓力控制方式分為直接控制型(日本型)和間接控制型(德國型)。

①直接控制型盾構(gòu)的泥漿壓力控制由一套自動控制泥漿平衡的裝置來實(shí)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VP2P3P4P1二盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)法施工（一）盾構(gòu)機(jī)種類-密封式盾構(gòu)機(jī)-泥水加壓式盾構(gòu)

第26頁②間接控制型(德國型)盾構(gòu)泥漿壓力控制由空氣和泥水雙重系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)?？諝夤馨敫舭?/p>

氣壓室內(nèi)的空氣壓力，根據(jù)開挖面需要的支護(hù)泥漿壓力而確定的。不論盾構(gòu)是否掘進(jìn)或液面位置產(chǎn)生波動，空氣壓力可以通過空氣調(diào)節(jié)閥保持恒定。在盾構(gòu)推進(jìn)時，由于泥漿流失或盾構(gòu)推進(jìn)速度變化，進(jìn)、出泥漿量將會失去平衡，空氣和泥漿接觸面的位置就會發(fā)生上下波動現(xiàn)象。通過液位傳感器，即可根據(jù)液位變化來控制供泥漿泵的轉(zhuǎn)速和流量，使液位恢復(fù)到設(shè)定位置，以保持開挖面支護(hù)壓力的穩(wěn)定。當(dāng)液位達(dá)到最高極限位置時，供泥漿泵自動停止；當(dāng)液位達(dá)到最低極限位置時，排泥漿泵則自動停止。二盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)法施工（一）盾構(gòu)機(jī)種類-密封式盾構(gòu)機(jī)-泥水加壓式盾構(gòu)

刀盤氣壓艙泥水艙P(yáng)2P4P5第27頁(二)盾構(gòu)的組成

從縱向可將盾構(gòu)分為：切口環(huán)、支承環(huán)和盾尾。

切口環(huán)：是盾構(gòu)的前導(dǎo)部分，在其內(nèi)部和前方可以設(shè)置各種類型的開挖和支撐地層的裝置；

支承環(huán)：是盾構(gòu)的主要承載結(jié)構(gòu)，沿其內(nèi)周邊均勻地安裝有推進(jìn)盾構(gòu)前進(jìn)的千斤頂，以及開挖機(jī)械的驅(qū)動裝置和排土裝置；

盾尾：主要是進(jìn)行襯砌作業(yè)的場所，其內(nèi)部設(shè)置襯砌拼裝機(jī)，尾部有盾尾密封刷、同步注漿管和盾尾密封油膏注入管等。

二盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)法施工切口環(huán)支承環(huán)盾尾第28頁(三)盾構(gòu)尺寸

盾構(gòu)外徑:取決于管片襯砌外徑、保證管片拼裝方便的裕量、曲線施工以及修正盾構(gòu)蛇行時的間隙量、盾尾殼體的厚度等因素，一般可用下式計算：

D——盾構(gòu)外徑；D0——管片襯砌外徑；t——盾尾殼體的厚度，一般取30~40mm；x——盾尾間隙，x=x1+x2；x1——為拼裝管片方便的裕量，一般在20~40mm；x2——曲線施工和修正盾構(gòu)蛇行所需的間隙。

二盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)法施工L——盾尾覆蓋的襯砌長度；R——曲線半徑；第29頁盾構(gòu)長度:應(yīng)根據(jù)圍巖條件、隧道平面形狀、開挖方法、運(yùn)轉(zhuǎn)操作、襯砌型式等條件確定，一般按下式計算：lH——切口環(huán)長度，取決于刀盤和刀盤支承型式；lC——支承環(huán)長度，取決于盾構(gòu)千斤頂?shù)臎_程長，即每環(huán)管片的寬度；lr——盾尾長度，取決于盾尾需要覆蓋幾環(huán)管片，一般為1.5~2.5環(huán)。二盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)法施工第30頁(一)選型依據(jù)

三盾構(gòu)機(jī)機(jī)型選擇第五節(jié)盾構(gòu)法施工(1)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件①隧道沿線地層圍巖分級、各級圍巖的工程特性、不良地質(zhì)現(xiàn)象和地層中含瓦斯?fàn)顩r；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。第31頁(一)選型依據(jù)

三盾構(gòu)機(jī)機(jī)型選擇盾構(gòu)法施工(2)地層的參數(shù)①地層固有特性的參數(shù)：顆粒級配、最大土粒粒徑、液限WL、塑限WP、塑性指數(shù)IP(IP=WL-WP)；②地層狀態(tài)的參數(shù)：含水量W、飽和度Sr、液性指數(shù)、孔隙比e、滲透系數(shù)K、濕土容重。

③地層強(qiáng)度和變形特性的參數(shù)：不排水抗剪強(qiáng)度Su、粘結(jié)力C、內(nèi)摩擦角、準(zhǔn)貫入度N、壓縮系數(shù)、壓縮模量Es；對于巖層則有：無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、RQD值等。

第32頁(一)選型依據(jù)

三盾構(gòu)機(jī)機(jī)型選擇盾構(gòu)法施工(3)地面環(huán)境、地面和地下建(構(gòu))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(yàn)：承包商的經(jīng)驗(yàn)、有無同類工程的經(jīng)驗(yàn)。

第33頁(二)選型方法

三盾構(gòu)機(jī)機(jī)型選擇盾構(gòu)法施工在綜合分析比較的基礎(chǔ)上，從技術(shù)角度來探討最適宜的盾構(gòu)型式，最終的選擇仍取決于經(jīng)濟(jì)和企業(yè)的施工能力。第34頁四盾構(gòu)法施工盾構(gòu)法施工（一）盾構(gòu)法施工的主要步驟

(1)在盾構(gòu)法隧道的起始端和終端各建一個工作豎井；

(2)盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)井內(nèi)安裝就位；

(3)依靠盾構(gòu)千斤頂推力將盾構(gòu)從始發(fā)井的墻壁開孔處（封門）推出。(4)盾構(gòu)在地層中沿隧道設(shè)計軸線推進(jìn)，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)的位置；

(6)盾構(gòu)進(jìn)入到達(dá)井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推進(jìn)。第35頁四盾構(gòu)法施工盾構(gòu)法施工（二）盾構(gòu)的掘進(jìn)

盾構(gòu)掘進(jìn)時必須根據(jù)圍巖條件，保證工作面的穩(wěn)定，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整千斤頂?shù)男谐毯屯屏?，沿所定路線方向準(zhǔn)確地進(jìn)行掘進(jìn)。

(1)盾構(gòu)千斤頂總推力與刀盤扭矩的計算

土壓平衡式盾構(gòu)和泥水加壓式盾構(gòu)的開挖、支護(hù)方式不盡相同，兩者所需的千斤頂推力和刀盤扭矩的計算方法也不同。

第36頁四盾構(gòu)法施工盾構(gòu)法施工（二）盾構(gòu)的掘進(jìn)盾構(gòu)的各種阻力和計算公式如下：式中，F(xiàn)1—盾構(gòu)與地層之間的摩擦力；F2—刀盤正面的側(cè)向土壓力

；F3—刀盤正面的地下水壓力

；F4—盾尾內(nèi)部與管片襯砌之間的摩阻力；①土壓平衡式盾構(gòu)需要的千斤頂推力第37頁式中μ——地層與鋼板的摩擦系數(shù)；

D、L——盾構(gòu)的直徑和長度；

P0——盾構(gòu)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(gòu)底部的勻布反力，，W為盾構(gòu)重量；

P1——盾構(gòu)拱頂處的側(cè)向水、土壓力；

P2——盾構(gòu)底部的側(cè)向水、土壓力。(a)盾構(gòu)與地層之間的摩擦力四盾構(gòu)法施工盾構(gòu)法施工第38頁(b)刀盤正面的側(cè)向土壓力式中Pd——刀盤中心處的側(cè)向土壓力

K0——側(cè)壓力系數(shù)；

——地層的浮重度；

R——盾構(gòu)的外半徑；

——按泰沙基公式計算的盾構(gòu)拱頂處的松動圍巖壓力。四盾構(gòu)法施工盾構(gòu)法施工第39頁(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?。?/p>

——壓在盾尾上的管片襯砌重量，最大可取2~3環(huán)管片的自重；四盾構(gòu)法施工盾構(gòu)法施工第40頁泥水加壓式盾構(gòu)千斤頂總推力的計算方法與前述的相同，只是在計算刀盤正面?zhèn)认蛲翂毫?F2)時，要增加泥漿充填壓力Q3(＝0.0015MPa)根據(jù)具體情況增加一項(xiàng)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。四盾構(gòu)法施工盾構(gòu)法施工（二）盾構(gòu)的掘進(jìn)②泥水加壓式盾構(gòu)需要的千斤頂推力第41頁四盾構(gòu)法施工盾構(gòu)法施工（二）盾構(gòu)的推進(jìn)③土壓平衡式盾構(gòu)需要的扭矩式中，T1—刀具切削土體所需的扭矩；T2—由于刀盤自重所產(chǎn)生的抵抗旋轉(zhuǎn)的扭矩；

T3—刀盤正面推力所產(chǎn)生的抵抗旋轉(zhuǎn)的扭矩；

T4—刀盤密封裝置抵抗旋轉(zhuǎn)的扭矩；T5—刀盤正面的摩擦扭矩；T6—刀盤周邊的摩擦扭矩；

T7—刀盤背面的摩擦扭矩；

T8—刀盤開口處切削碴土所需的扭矩；

T9—刀盤在密封艙內(nèi)攪拌碴土所需的扭矩。第42頁四盾構(gòu)法施工盾構(gòu)法施工（二）盾構(gòu)的推進(jìn)④泥水加壓式盾構(gòu)需要的扭矩式中，T1—刀具切削土體所需的扭矩；T2—由于刀盤自重所產(chǎn)生的抵抗旋轉(zhuǎn)的扭矩；

T3—刀盤正面推力所產(chǎn)生的抵抗旋轉(zhuǎn)的扭矩；

T4—刀盤密封裝置抵抗旋轉(zhuǎn)的扭矩；

T5—刀盤正面的摩擦扭矩；

T6—刀盤周邊的摩擦扭矩；

T7—刀盤背面的摩擦扭矩；

T8—刀盤開口處切削碴土所需的扭矩；

T9—刀盤在密封艙內(nèi)攪拌碴土所需的扭矩。第43頁四盾構(gòu)法施工盾構(gòu)法施工（二）盾構(gòu)的推進(jìn)⑤盾構(gòu)推力和扭矩的控制標(biāo)準(zhǔn)推薦值千斤頂總推力：

F=1000~1300kN/m2（kN·m）kN/m2kN/m23第44頁四盾構(gòu)法施工盾構(gòu)法施工（二）盾構(gòu)的推進(jìn)

(2)盾構(gòu)掘進(jìn)注意事項(xiàng)

①正確選擇推進(jìn)千斤頂?shù)膫€數(shù)與配置，以確保所