隧道盾構法施工

盾構法施工概述地下工程施工方法明挖法暗挖法盾構法礦井法概述盾構法施工是以盾構作為施工機械在地面以下暗挖修筑隧道的一種施工方法。盾構是一種鋼制的活動防護裝置，或活動支撐；盾構是既可支承地層壓力，又可以在地層中推進的活動鋼制圓形或半圓形裝置。概述在盾構的掩護下，鉆頭可以安全地開挖地層，一次掘進相當于裝配式襯砌一環(huán)的寬度。尾部可以裝配預制管片或砌塊，迅速地拼裝成隧道的永久襯砌，并將襯砌與土層之間的空隙用水泥壓漿填實，防止周圍地層的繼續(xù)變形和圍巖壓力的增長。盾構推進主要依靠盾構內部設置的千斤頂，用千斤頂塊頂在拼成的襯砌環(huán)上，使它推進到已挖好的空間內，然后縮回活塞桿，為下一環(huán)襯砌拼裝創(chuàng)造條件。概述重復上述過程，不斷開挖、不斷推進，借助盾構這種特制施工機械，可用較快的速度完成隧道施工基本作業(yè)循環(huán)，直至隧道建成。盾構施工前，應先修建一豎井，在豎井處安裝盾構。采用盾構開挖出的土體，由豎井通道提升運出地面棄土場處理。盾構施工工藝，見圖所示。1－盾構；2－盾構千斤頂；3－盾構正面網(wǎng)格；4－出土轉盤；5－出土皮帶運輸機；6－管片拼裝機；7－管片；8－壓漿泵；9－壓漿孔；10－出土機；11－管片襯砌；12－盾尾空隙中的壓漿；13－后盾管片；14－豎井

1、盾構施工法優(yōu)點1）該施工方法屬于地下工程暗挖法施工，不受地面交通、河道、航運、潮汐、季節(jié)、氣候等條件的影響，能較經濟合理地保證隧道安全施工，可在盾構支護下安全地開挖、襯砌等；2）盾構的推進、出土、拼裝襯砌等可全部機械化，自動化作業(yè)，施工勞動強度較低，而掘進速度比較快；1、盾構施工法優(yōu)點3）施工中沒有噪聲和振動，對周圍環(huán)境沒有干擾；4）在松軟含水地層中，修筑埋置深度較大的長大隧道，具有經濟、技術、安全等方面的優(yōu)越性。2、盾構施工法存在的缺點1）盾構是一種價格較昂貴、針對性強的專用施工機械，對每一座采用盾構法施工的隧道，均應根據(jù)工程地質、水文地質條件、襯砌結構斷面尺寸的大小進行專門制造、運送、拼裝與拆卸等，且設備較復雜。因此，一般不能隨便將其他隧道施工用的盾構重復使用；2、盾構施工法存在的缺點2）需要有氣壓供應設備、人工井點降水、襯砌管片預制、襯砌結構的防水設施及堵漏、隧道內的運輸、施工測量、場地布置、拼裝與拆卸工作井等施工技術的密切配合才能順利施工。且用氣壓法施工時，涉及到壓縮空氣泄出的危險、減壓病等醫(yī)學上的防護措施；2、盾構施工法存在的缺點3）對于短于750米的隧道，有統(tǒng)計資料顯示，被認為是不經濟的；對隧道曲線半徑過小或隧道埋深較淺時，施工困難較大（對水底隧道當覆蓋土太淺時施工反而不太安全）；2、盾構施工法存在的缺點4）當盾構法施工采用全氣壓方法穩(wěn)定地層時，施工條件較差，因此對勞動保護要求較高，用盾構法施工時，在隧道上方一定范圍內，尤其是飽和含水松軟土層，地表沉陷尚難以防止，拼裝襯砌對襯砌整體防水技術要求很高。上述缺點，有待于在今后采用盾構法施工實踐中，加強科學研究，進一步加以克服和改進。目前，各國采用盾構法施工建水底公路隧道已成為較為常用的模式，隨著交通建設的高速發(fā)展，用大直徑盾構建筑水底公路隧道將會日益增多。第二節(jié)盾構機械分類與構造

一、盾構機械分類盾構是一種集施工開挖、支護、推進、襯砌、出土等多種作業(yè)于一體的大型暗挖隧道施工機械。

盾構類型很多，可按開挖方式、構造類型、盾構的斷面形狀、盾構前部構造和排水與穩(wěn)定開挖面方式等進行分類。一、盾構機械分類按盾構斷面形狀不同可分為圓形、拱形、矩形、馬蹄形四種；圓形因其抵抗地層中的土壓力和水壓力較好，襯砌拼裝簡便，可采用通用構件，易于更換，因而應用較廣泛。一、盾構機械分類按盾構開挖方式不同分為：手工挖掘式、半機械挖掘式和全機械挖掘式三種；按盾構前部構造不同分為：敞胸式和閉胸式兩種；按排除地下水與穩(wěn)定開挖面的方式不同分為：泥水加壓、土壓平衡式的無氣壓盾構，局部氣壓或全氣壓盾構等。隨著科技發(fā)展，盾構機械的種類越來越多，適用性更加廣泛。盾構列表盾構列表二、盾構機械的構造（一）手工挖掘式盾構手工挖掘式盾構是盾構的最基本形式，主要由盾殼、支護結構、推進系統(tǒng)、拼裝機構和附屬設備等五部分組成，適用于開挖面基本能自穩(wěn)的土層中的隧道工程。1、盾構殼體盾殼由切口環(huán)、支承環(huán)和盾尾等組成，并由鋼板焊成圓形殼體，盾殼組成見圖所示。

盾殼

1－切口環(huán)；2－支承環(huán)；3－盾尾；4－縱向加強肋；5－環(huán)狀加強肋（1）切口環(huán)切口環(huán)位于盾構的前部，前端設有刃口，施工時可以切入土層中，在它的掩護下工人可在開挖面上安全地開挖。有一些盾構設有千斤頂操縱的前檐可以向前伸長，以增加掩護長度。一般切口環(huán)不宜過長，否則會使盾構穩(wěn)定性變差，并增大盾構推進阻力。機械化盾構的切口環(huán)中需容納各種專門挖土設備。（2）支承環(huán)支承環(huán)位于盾構的中部，是盾構受力的主要部分，它由外殼、環(huán)狀加強肋和縱向加強肋組成；環(huán)狀加強肋焊在支承環(huán)兩端，縱向加強肋焊在環(huán)狀加強肋之間，盾構千斤頂就布置在此間并將千斤頂推力傳給殼體。在支承環(huán)內安設豎向和水平向隔板形成井字型隔架,以增加盾構剛度及加固支承環(huán),二層水平隔板上設置工作平臺。（3）盾尾盾尾位于盾構尾部，由環(huán)狀外殼與安裝在內側的密封裝置所構成。其作用是支承坑道周邊土體，防止地下水與注漿材料被擠入盾構隧道內，同時也是進行隧道襯砌組裝的地方。（3）盾尾盾構密封材料，一般安裝在盾尾鋼板和管片外表面之間，既具有防止注漿材料和地下水漏入盾構的作用，又具有后面所述泥水加壓盾構和土壓平衡盾構中保持壓力的作用。應根據(jù)盾構外徑、地質條件和施工中是否更換密封材料等條件，決定需要安裝幾段密封材料，才能達到確保密封性。密封材料有橡膠、樹脂、銅環(huán)片、不銹鋼或由它們組合而成。密封材料的形狀有板狀、刷子狀等。密封材料使用壽命和效果與材質、構造、組裝精度等因素有關系。（3）盾尾手工挖掘式盾構的盾尾密封裝置，多采用如圖所示的雙級密封裝置結構。（3）盾尾

盾尾密封裝置1－管片；2－盾尾；3－鋼板；4－合成橡膠；5－氯丁橡膠；6－泡沫尿烷；7－尿烷橡膠2、支護結構支護結構主要由活動前檐、活動工作平臺和支護擋板構成。（1）活動前檐活動前檐由多塊扇形體組成，位于切口環(huán)拱部的滑槽和滾輪滑道內。扇形體前端帶有特制的刃口，后端與千斤頂一端相連，千斤頂?shù)牧硪欢吮还潭ㄔ谥С协h(huán)后部的橫向隔板上。當千斤頂伸出時，推動活動前檐向前伸出，伸出長度為千斤頂?shù)男谐?。?）活動平臺平臺沿著工作平臺內的軌道向前伸出，伸出長度和千斤頂伸出行程相同?；顒悠脚_安置于橫向兩層工作平臺內。后端與固定在工作平臺內的千斤頂相連。當千斤頂伸出時，活動（3）支護擋板另一端固定在盾構的環(huán)形隔板上或縱向隔板上,千斤頂在伸出時，推動框架在支座上滑動,將擋板向前推進,伸出長度同千斤頂行程。由于切口環(huán)為傾斜式，上下兩層支護擋板伸出長度不相同。支護擋板由擋板與其相連的框架和支護千斤頂組成?？蚣芮岸税惭b支護擋板，支護千斤頂一端安裝在框架內，（3）支護擋板可根據(jù)開挖面的情況，每開挖一塊就支護一塊支護擋板。為確保盾構在推進過程中，不影響支護的作用，支護千斤頂?shù)男谐潭急榷軜嬊Ы镯旈L出10～30cm。3、推進系統(tǒng)盾構的推進系統(tǒng)主要由盾構千斤頂和液壓設備組成。并利用千斤頂上下左右活塞桿伸出長度不同達到糾偏目的。盾構千斤頂是沿支承環(huán)圓周均勻分布，千斤頂?shù)呐_數(shù)和每個千斤頂?shù)耐屏σ鶕?jù)盾構外徑、總推力大小、襯砌構造、隧道斷面形狀等條件而定。盾構千斤頂支座一般用鉸接形式與千斤頂端部連接，以使千斤頂推力能均勻分布在襯砌端面上，尤其在曲線段施工時，鉸接支座更加顯得有必要。3、推進系統(tǒng)推進系統(tǒng)的液壓設備主要由液壓泵、驅動馬達、操作控制裝置、油冷卻裝置和輸油管路組成。除操作控制安裝在支承環(huán)工作平臺上外,其余大多數(shù)都安裝在盾構后面的液壓動力臺車上。整個推動系統(tǒng)還設有電力保護裝置等，使高壓油泵及電動機不致超載而損壞。4、拼裝機構

環(huán)形拼裝器1－轉盤；2－支承滾輪；3－徑向伸縮臂；

4－縱向伸縮臂；5－舉重臂；6－爪鉤；7－平衡重4、拼裝機構拼裝機構即為襯砌拼裝器，其主要設備是舉重臂,以液壓為動力。一般舉重臂安裝在支承環(huán)后部。中小型盾構因受空間限制也有的安裝在盾構后部車架或平板臺車上。舉重臂能作旋轉、徑向運動，還能沿隧道中軸線作往復運動。完成這些運動的精度應能保證待裝配的管片的螺栓孔與已拼裝好的管片螺栓孔對好，以便插入螺栓固定。常用襯砌拼裝器有齒輪條式、環(huán)形式和中空軸式三種，采用環(huán)形式拼裝器最多。5、附屬設備手工挖掘式盾構的附屬設備較簡單,主要有液壓動力臺車、排水注漿設備臺車和真圓保持器等。真圓保持器是把襯砌環(huán)組裝在正確位置上設置的調整設備，以頂伸式為最多。5、附屬設備真圓保持器1－扇形頂塊；2－支撐臂；3－伸縮千斤頂；4－支架；5－縱向滑動千斤頂手工挖掘盾構施工過程手工挖掘盾構施工工作過程為：開啟全部或大部分盾構千斤頂，盾構在千斤頂推力作用下向前推進，切口環(huán)切入土層中。如開挖面自穩(wěn)性較好時，開挖作業(yè)即在切口環(huán)的保護下進行。當開挖面自穩(wěn)性較差時，可開啟活動前檐千斤頂使前檐貫入土層中，或同時開啟支護千斤頂與活動平臺一齊頂住開挖面，保證開挖作業(yè)正常進行。手工挖掘盾構施工過程盾構千斤頂不斷伸出，盾構切口環(huán)不斷地切入土層，直到盾構千斤頂伸出全部行程為止，這時盾構向前移動一個襯砌環(huán)的寬度。這時即可用拼裝機進行管片襯砌作業(yè)和其他輔助作業(yè)，完成一個工作循環(huán)。（二）半機械盾構半機械盾構是在手工挖掘式盾構的基礎上發(fā)展起來的一種盾構。它保留了手工挖掘式盾構的優(yōu)點，克服了勞動強度大、效率低的缺點，將下半部的手工開挖改為機械開挖，減輕勞動強度和大大提高了勞動效率。在土質條件適合時，它成為盾構施工的首選。1-挖掘裝置；2-工具管

；3-導向油缸；4-輸土裝置；5-盾尾；6-電動機1-挖掘裝置；2-工具管

；3-導向油缸；4-輸土裝置；5-盾尾；6-電動機（二）半機械盾構半機械化盾構。它具有結構簡單造價較低和施工效率較高等特點。下部的開挖機械，根據(jù)不同地質條件，可采用不同挖掘機。（二）半機械盾構半機械化盾構用的挖掘機

a－刀頭式；b－鏟斗式；c－螺旋式幾種挖掘機的技術特點（三）泥水加壓盾構泥水加壓盾構，以機械式盾構為基礎，它由盾殼、開挖機構、推進系統(tǒng)、送排泥漿系統(tǒng)、拼裝機構和附屬設備等組成,如圖所示。3－轉鼓凸臺；26－切削刀；27－超挖刀；28－主刀梁；29－副刀梁；30－主刀槽；34－刀盤1、泥水加壓盾構的盾殼泥水加壓盾構的盾殼,基本上同手工挖掘式盾構的盾殼相同，但不同之處在于切口環(huán)為平直式，環(huán)口呈內錐形切口。支承環(huán)兩端無井字型支撐架，盾尾密封裝置為多級密封結構，如圖所示。盾尾三級密封裝置

盾尾三級密封裝置1－盾尾；2－鋼絲刷密封；3－鋼板；4－人造橡膠密封；5－防護板2、開挖機構開挖機構由切削刀盤、泥水室、泥水攪拌裝置、刀盤支承密封系統(tǒng)、刀盤驅動系統(tǒng)等部分組成。3、推進系統(tǒng)、拼裝機構及真圓保持器泥水加壓盾構的推進系統(tǒng)、拼裝機構及真圓保持器基本上同手工挖掘式盾構，僅結構尺寸大小、數(shù)量、行程和功率大小不同。4、送排泥機構送排泥機構由送泥水管、排泥漿管、閘門、碎石機、泥漿泵、驅動機構、流量監(jiān)控機構等組成。這些設備大部分設置安裝在盾構后端的后續(xù)臺車上。5、泥水加壓盾構的附屬設備泥水加壓盾構的附屬機構包括：操作控制設備、動力變電設備、后續(xù)臺車設備、泥水處理設備等。泥水加壓盾構施工時的工作過程開啟刀盤驅動液壓馬達，驅動轉鼓并帶動切削刀盤轉動，開啟送泥泵，將一定濃度的泥漿泵入送泥管壓入泥水室中；再開啟盾構千斤頂，使盾構向前推進。此時切削刀盤上的切削刀便切入土層，切下的土塊（土渣、砂土或砂礫土等）與地下水順著刀槽流入泥水室中，砂土經刀盤攪拌而成為濃度較大的泥漿。隨著盾構向前推進，土渣量不斷增加，泥水不斷注入，泥水室內的泥漿形成承壓面，以抵抗地層水壓力及開挖面的土壓力，開挖面就能保持相對穩(wěn)定，防止坍塌方。只要控制進入泥水室的泥水量和砂土量與從泥水室中排出去的泥漿量相平衡，開挖施工就能順利進行。當盾構向前推進到一個襯砌環(huán)寬度后，即可進行拼裝襯砌?？s回千斤頂繼續(xù)伸出，重新推進，進行下一工序。從泥水室排出的濃泥漿，經排泥管及碎石機后，由排泥泵輸送到地面的泥水處理設備，然后進行泥水分離處理。被分離出來的砂礫、土渣運至棄土場，處理后的泥水再送入泥水室繼續(xù)使用。泥水加壓盾構的特點適用范圍較大，多用于含水率較高的砂質、砂礫土層、江河或海底隧道等特殊的超軟弱地層中，并能獲得其他類型盾構難以達到的較小的地表沉陷與隆起。由于開挖面泥漿的作用，使刀具和切削刀盤的使用壽命較長。泥水加壓盾構排出的濃泥漿輸出，泥漿輸送管道較其他盾構排渣設備的結構簡單方便。這種盾構的操作控制較容易，并可實現(xiàn)遠距離遙控操作與控制施工開挖等。其排渣過程始終在密閉狀態(tài)下進行（在切削刀盤后方加設隔板將盾構密閉起來），故施工現(xiàn)場與沿途隧道較干凈而不受泥水、土渣污染，有利于做好環(huán)保工作。這種盾構既能均勻抵抗工作面的土壓力和地下水壓力，又無局部氣壓盾構會產生漏氣及連續(xù)出土困難等，因此也適用于深埋隧道地層施工應用等。泥水加壓盾構的缺點切削刀盤和泥水室泥漿的阻隔，不能直接觀察到開挖面的工作情況，對開挖面的處理和故障排除較困難。另外泥水加壓盾構必須有泥水分離設備配套才能使用，而泥水分離設備結構較復雜、規(guī)模較大，占地面積亦較大，尤其在市內建筑物稠密區(qū)使用較困難。泥水加壓盾構價格為目前各類盾構中最貴的。（四）土壓平衡式盾構土壓平衡盾構是在泥水加壓盾構和局部氣壓盾構的基礎上發(fā)展起來的一種新型盾構。土壓平衡盾構由盾殼、開挖機構、推進系統(tǒng)、拼裝機構和附屬設備等組成。其主要結構如圖所示。1、土壓平衡盾構的盾殼土壓平衡盾構的盾殼結構同泥水加壓盾構。2、土壓平衡盾構的開挖機構開挖機構由切削刀盤、泥土艙、切削刀盤支承系統(tǒng)、切削刀盤驅動系統(tǒng)等部分組成。除泥土艙不同于泥水室外,其余基本上同泥水加壓盾構。所謂土壓平衡,就是用刀盤切削下來的土，如同用壓力泥水一樣充滿整個密封艙，并保持有一定壓力，使切削下來的土與開挖面的土體壓力平衡，開挖面土渣不會從刀盤面處崩潰。2、土壓平衡盾構的開挖機構土壓平衡盾構的泥土艙，是由刀盤、轉鼓、中間隔板所圍成的空間，轉鼓呈內錐形，前端與切削刀盤外緣連成一體，后端與中間隔板相配合。泥土艙與開挖面之間的唯一通道是刀槽，其余處于完全封閉狀態(tài)。3、推進系統(tǒng)、拼裝機構、真圓保持器土壓平衡盾構的推進系統(tǒng)、拼裝機構和真圓保持器同手工挖掘式盾構。4、排土機構土壓平衡盾構的排土機構,由大螺旋輸送機、小螺旋輸送機、排土閘門、閘門滑閥、驅動馬達等組成。排土是靠螺旋輸送機進行,出土量要密切配合刀盤的切削速度,使之盡量相等。密封艙內既充滿泥土，又不致過于飽滿。此外還要控制盾構千斤頂推力、推進速度、螺旋輸送機的速度和閘門千斤頂?shù)拈_口度，使之不斷與開挖面的土壓力保持平衡。排土閘門是土壓平衡盾構的關鍵部位，常用的排土閘門型式如圖7－13所示。排土閘門型式a)活瓣式；b)回轉葉輪式；c)閘門式5、土壓平衡盾構的附屬設備土壓平衡盾構的附屬設備,由操作控制設備、動力變電設備、后續(xù)臺車設備等組成。在操作控制設備中，土壓平衡盾構重點是對土壓的監(jiān)控管理；土壓管理主要是通過電子計算機收集安裝于盾構有關重要部位的土壓計信號，并綜合處理,進行自動調節(jié)，或發(fā)出信號指出有關數(shù)據(jù)進行人工調節(jié)控制。土壓平衡盾構的工作過程開啟液壓馬達。驅動轉鼓帶動切削刀盤旋轉，同時開啟盾構千斤頂，將盾構向前推進。土渣被切割下并順著刀槽進入泥土艙。隨著盾構千斤頂向前推進，切削刀盤不斷的旋轉切削,經刀槽進入泥土艙的土渣不斷增多。這時開啟螺旋輸送機，調整閘門開度，使土渣充滿螺旋輸送機。當泥土艙與螺旋輸送機中的土渣積累到一定數(shù)量時，開挖面被切下的土渣經刀槽進入泥土艙內的阻力加大，當這個阻力足以抵抗土層的土壓力和地下水壓力時，開挖面就能保持相對穩(wěn)定而不致坍塌。這時，只要保持從螺旋輸送機與泥土倉中輸送出的土渣量與切削流入泥土倉中的土渣量相平衡，開挖施工作業(yè)就能順利進行。土壓平衡盾構是通過對土壓管理來保持土壓力或土渣量的相對平衡與穩(wěn)定來進行施工的。土壓平衡盾構的特點是：由于隔板將開挖面封閉，不能直觀開挖面的變化情況，開挖面的處理和故障排除較為困難；切削刀頭、刀盤盤面磨損較大，刀頭壽命較短，要求刀頭的耐磨性較高等。（五）網(wǎng)格擠壓式盾構網(wǎng)格擠壓式盾構是上海隧道工程設計院研制的，它是我國目前應用較為成功和采用數(shù)量最多的一種盾構。上海市穿越黃浦江的打浦路隧道和延安東路隧道及寶鋼的排水隧道等均采用這種網(wǎng)格式盾構。網(wǎng)格式擠壓盾構由盾殼、開挖機械、排土渣機構、拼裝機構等組成，這種盾構最大直徑達11.32m。（五）、網(wǎng)格式擠壓盾構1－網(wǎng)格；2－網(wǎng)格胸板；3－盾殼；4－閘門千斤頂；5－盾構千斤頂；6－豎梁；7－橫梁；8－水槍；9－密封隔艙；10－泥漿系統(tǒng)；11－盾尾密封；12－管片拼裝機；13－操縱臺；14－襯砌管片網(wǎng)格式擠壓盾構，大部分結構與型式和前述幾種盾構的結構型式大同小異，但其中網(wǎng)格式擠壓盾構的開挖較為獨特，在它的切口環(huán)內設置了網(wǎng)格加胸板。網(wǎng)格由網(wǎng)格板和大梁組成。網(wǎng)格板可隨意拆裝組合及改變開口大小。胸板裝在網(wǎng)格大梁上,分大小兩種。大胸板設有可隨意開閉的液壓閘門；小胸板可隨意拆裝,供作觀察與進入開挖面之用。在切口環(huán)與支承環(huán)之間設有隔艙板，使切口環(huán)成為泥水室，高壓水槍裝在隔艙板上并伸入泥水室中。工人可在隔艙板后操作，將進入泥水室中的泥塊沖成泥漿。拼裝機構為中心固定的框架支承式，與齒輪齒條相似。由提升、平移、回轉三套機構組成。整個拼裝機構裝在盾構中心固定框架上，由液壓馬達驅動進行回轉。網(wǎng)格擠壓式盾構在穩(wěn)定的軟土地層中掘進時，一般采取大網(wǎng)格推進，以開口擠壓為主。這時網(wǎng)格板及網(wǎng)格大梁直接插入土中，土體即通