盾构法施工课件(谷风建筑)

盾构法概论盾构法概论1建筑相关2建筑相关3建筑相关4建筑相关地下连续墙的位置地下连续墙的位置5建筑相关盾构法施工概貌盾构法施工概貌盾构盾构盾构千斤顶压浆孔在盾尾空隙中的压浆出土转盘盾构正面网格管片拼装机管片压浆泵 出土机由管片组成的隧道衬砌结构后盾管片竖井盾构法施工概貌盾构法施工概貌 盾构法盾构法是使用所谓的是使用所谓的“盾构盾构”机械，在围岩中推进，机械，在围岩中推进，一边一边防止土砂的崩坍防止土砂的崩坍，一边，一边在其内部进行开挖在其内部进行开挖、衬砌衬砌作业作业修建隧道的方法。修建隧道的方法。6建筑相关发展史：发展史：最早是在最早是在18181818年由年由英国英国工程师工程师布鲁诺尔布鲁诺尔(M.I,(M.I,Brunel)Brunel)发明的，他是从船的木板中，有一种发明的，他是从船的木板中，有一种蛀虫钻蛀虫钻出孔道出孔道，并用它，并用它分泌的粘液加固洞穴分泌的粘液加固洞穴得到启发而研制得到启发而研制出的，并于出的，并于19251925年开始用一个年开始用一个宽宽11.58m11.58m、高、高6.7m6.7m的矩的矩形盾构形盾构，在，在英国伦教英国伦教的泰晤出河下面修建世界第一条的泰晤出河下面修建世界第一条水底隧道。施工中遇到泥水涌入隧道的极大困难，两水底隧道。施工中遇到泥水涌入隧道的极大困难，两次被淹，直至次被淹，直至18351835年对后构作了改良年对后构作了改良.用用压气辅助施压气辅助施工工，才于，才于18431843年完工。隧道全长年完工。隧道全长458m458m。7建筑相关B18881890年间用盾构法在美国和加拿大间的圣克年间用盾构法在美国和加拿大间的圣克莱莱(St,Clair)(St,Clair)河下建成了一条直径为河下建成了一条直径为6.40 m6.40 m，长为，长为1870m1870m的萨尔尼亚的萨尔尼亚(Sarnia)(Sarnia)水底隧道，为盾构法修建水底隧道，为盾构法修建隧道开拓了更为广阔地发展前景。隧道开拓了更为广阔地发展前景。B2020世纪初世纪初，盾构法施工已在，盾构法施工已在美、英、法、俄美、英、法、俄等国等国开始推广，已用在水底公路隧道、地下铁道、上下开始推广，已用在水底公路隧道、地下铁道、上下水道、电力、通讯煤气等市政公用地下设施管道。水道、电力、通讯煤气等市政公用地下设施管道。B19321932年年原苏联原苏联开始用直径为开始用直径为6.69.5m6.69.5m的盾构先后的盾构先后在其斯科、列宁格勒、基辅等城市修建地下铁道的在其斯科、列宁格勒、基辅等城市修建地下铁道的区间隧道及车站。区间隧道及车站。8建筑相关B19221922年年日本日本开始用盾构法修筑开始用盾构法修筑国铁奥羽线折渡隧国铁奥羽线折渡隧道道。B19431943年修建年修建关门水底隧道关门水底隧道直径达直径达6.0m6.0m，长，长11001100多多米。米。B19561956年年在在海州露天矿海州露天矿用直径用直径2.66m2.66m的盾构在的盾构在砂土层砂土层开凿了疏水巷道；开凿了疏水巷道；B19571957年年起起北京北京采用直径采用直径2.0m2.0m、2.6m2.6m的盾构施工的盾构施工下下水道工程水道工程；9建筑相关B19721972年年在在江苏大屯矿江苏大屯矿用用立井盾构立井盾构施工了井筒达施工了井筒达150m150m。B从从19601960年起年起上海上海在在第四纪软弱饱和水土层中第四纪软弱饱和水土层中用不用不同类型盾构完成了一批地铁区同隧道、水底公路隧同类型盾构完成了一批地铁区同隧道、水底公路隧道、地下人防通道、引水隧道、排水隧道、电缆隧道、地下人防通道、引水隧道、排水隧道、电缆隧道等工程。道等工程。10建筑相关B一、盾构法的主要优点一、盾构法的主要优点除竖井施工外，施工作业均在地下进行，噪音、除竖井施工外，施工作业均在地下进行，噪音、振动引起的公害小，既不影响地面交通，又可减少振动引起的公害小，既不影响地面交通，又可减少对附近居民的噪音和振动影响。对附近居民的噪音和振动影响。盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，施工易于管理，施工人员也较少，劳动强度低，生施工易于管理，施工人员也较少，劳动强度低，生产效率高。产效率高。土方量外运较少。土方量外运较少。穿越河道时不影响航运。穿越河道时不影响航运。11建筑相关B一、盾构法的主要优点一、盾构法的主要优点 施工不受风雨等气候条件影响。施工不受风雨等气候条件影响。隧道的施工费用不受覆土量多少影响，适宜于建隧道的施工费用不受覆土量多少影响，适宜于建造覆土较深的隧道。在土质差水位高的地方建设造覆土较深的隧道。在土质差水位高的地方建设埋深较大的隧道，盾构法有较好的技术经济优越埋深较大的隧道，盾构法有较好的技术经济优越性。性。当隧道穿过河底或其他建筑物时，不影响施工。当隧道穿过河底或其他建筑物时，不影响施工。只要设法使盾构的开挖面稳定，则隧道越深、地只要设法使盾构的开挖面稳定，则隧道越深、地基越差、土中影响施工的埋设物等越多，与明挖基越差、土中影响施工的埋设物等越多，与明挖法相比，经济上、施工进度上越有利。法相比，经济上、施工进度上越有利。12建筑相关B二、盾构法存在的不足二、盾构法存在的不足当隧道曲线当隧道曲线半径过小半径过小时，施工较为困难。时，施工较为困难。在陆地在陆地建造隧道时，如建造隧道时，如隧道覆土太浅隧道覆土太浅，开挖面，开挖面稳定甚为困难，甚至不能施工，而稳定甚为困难，甚至不能施工，而在水下时在水下时，如，如覆土太浅覆土太浅则盾构法施工不够安全，要确保一定厚则盾构法施工不够安全，要确保一定厚度的覆土。度的覆土。竖井中长期有噪声和振动竖井中长期有噪声和振动，要有解决的措施。，要有解决的措施。盾构施工中采用全气压方法以疏干和稳定地层盾构施工中采用全气压方法以疏干和稳定地层时，对劳动保护要求较高，施工条件差。时，对劳动保护要求较高，施工条件差。13建筑相关B二、盾构法存在的不足二、盾构法存在的不足盾构法盾构法隧道上方一定范围内的地表沉陷尚难完全隧道上方一定范围内的地表沉陷尚难完全防止防止，特别在饱和含水松软的土层中，要采取严，特别在饱和含水松软的土层中，要采取严密的技术措施才能把沉陷限制在很小的限度内，密的技术措施才能把沉陷限制在很小的限度内，目前还不能完全防止以盾构正上方为中心土层的目前还不能完全防止以盾构正上方为中心土层的地表沉降。地表沉降。在饱和含水地层中在饱和含水地层中，盾构法施工所用的拼装衬，盾构法施工所用的拼装衬砌，对达到砌，对达到整体结构防水性的技术要求较高整体结构防水性的技术要求较高。14建筑相关B三、盾构法施工步骤三、盾构法施工步骤在盾构法隧道的起始端和终端各建一个工作井；在盾构法隧道的起始端和终端各建一个工作井；盾构在起始端工作井内安装就位；盾构在起始端工作井内安装就位；依靠盾构千斤顶推力（作用在新拼装好的衬砌依靠盾构千斤顶推力（作用在新拼装好的衬砌和工作井后壁上）将盾构从起始工作井的壁墙开和工作井后壁上）将盾构从起始工作井的壁墙开孔处推出；孔处推出；盾构在地层中沿着设计轴线推进，在推进的同盾构在地层中沿着设计轴线推进，在推进的同时不断出土和安装衬砌管片；时不断出土和安装衬砌管片；15建筑相关B三、盾构法施工步骤三、盾构法施工步骤及时地向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和及时地向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和固定衬砌环的位置；固定衬砌环的位置；盾构进入终端工作井并被拆除，如施工需要，盾构进入终端工作井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推进。也可穿越工作井再向前推进。16建筑相关盾构的分类方法较多，可按盾构盾构的分类方法较多，可按盾构切削断面的形状切削断面的形状；盾构自身构造的特征、尺寸的大小、功能盾构自身构造的特征、尺寸的大小、功能；挖掘挖掘土体的方式土体的方式；掘削面的挡土形式掘削面的挡土形式；稳定掘削面的稳定掘削面的加压方式加压方式；施工方法施工方法；适用土质的状况适用土质的状况等多种方等多种方式分类。式分类。B四、盾构机的种类四、盾构机的种类17建筑相关1.1.按挖掘土体的方式分类按挖掘土体的方式分类按挖掘土体的方式，盾构可分手掘式盾构、按挖掘土体的方式，盾构可分手掘式盾构、半机械式盾构及机械式盾构三种。半机械式盾构及机械式盾构三种。手掘式盾构手掘式盾构：即掘削和出土均靠人工操：即掘削和出土均靠人工操作进行的方式。作进行的方式。半机械盾构半机械盾构：即大部分掘削和出土作业：即大部分掘削和出土作业由机械装置完成，但另一部分仍靠人工完成。由机械装置完成，但另一部分仍靠人工完成。机械式盾构机械式盾构：即掘削和出土等作业均由：即掘削和出土等作业均由机械装备完成。机械装备完成。B四、盾构机的种类四、盾构机的种类18建筑相关 手掘式盾构机手掘式盾构机 B四、盾构机的种类四、盾构机的种类19建筑相关手掘式盾构工法实例示意图手掘式盾构工法实例示意图 该盾构机对于途中存在障碍物、断面形状特殊及短距离等情形均较适合。该盾构机对于途中存在障碍物、断面形状特殊及短距离等情形均较适合。与封闭式盾构相比，价格便宜与封闭式盾构相比，价格便宜2040%。图。图4.2示出是掘进距离示出是掘进距离70m，有障碍物的人工式盾构工程的施工示意图。有障碍物的人工式盾构工程的施工示意图。B四、盾构机的种类四、盾构机的种类20建筑相关B四、盾构机的种类四、盾构机的种类2.按掘削面的挡土形式分类按掘削面的挡土形式分类按掘削面的挡土形式，盾构可分为开放式、按掘削面的挡土形式，盾构可分为开放式、部分开放式、封闭式三种。部分开放式、封闭式三种。开放式开放式：即掘削面敞开，并可直接看到：即掘削面敞开，并可直接看到掘削面的掘削方式。掘削面的掘削方式。部分开放式部分开放式：即掘削面不完全敞开，而：即掘削面不完全敞开，而是部分敞开的掘削方式。是部分敞开的掘削方式。封闭式封闭式：即掘削面封闭不能直接看到掘：即掘削面封闭不能直接看到掘削面，而是靠各种装置间接地掌握掘削面的方式。削面，而是靠各种装置间接地掌握掘削面的方式。21建筑相关 为了能在极软弱的地层中应用，可采用封闭式盾构施工为了能在极软弱的地层中应用，可采用封闭式盾构施工是在距开挖面稍后一点的地方设置隔墙，在隔墙上设置可是在距开挖面稍后一点的地方设置隔墙，在隔墙上设置可调面积的开口调面积的开口,将被压缩了的土砂排出的一种方法；将被压缩了的土砂排出的一种方法；在砂，粘土未分选的冲积层中最适用。在砂，粘土未分选的冲积层中最适用。由于是从开口处排出压密、凝缩了的土砂，故不适用硬土由于是从开口处排出压密、凝缩了的土砂，故不适用硬土层中。如果含砂率高，有可能推进困难层中。如果含砂率高，有可能推进困难;如果液性指数高，如果液性指数高，土壤将流出，工作面不稳定。土壤将流出，工作面不稳定。但是，由于粒径和颗粒组成的不同，即使含砂率和液但是，由于粒径和颗粒组成的不同，即使含砂率和液性指数相同，有时可以进行施工，有时又不能进行施工。性指数相同，有时可以进行施工，有时又不能进行施工。计算推进力时，应根据土质和开口比确定。计算推进力时，应根据土质和开口比确定。封闭式盾构封闭式盾构22建筑相关B四、盾构机的种类四、盾构机的种类3.3.按加压稳定掘削面的形式分类按加压稳定掘削面的形式分类按加压稳定掘削面的形式，盾构可分为压气式、按加压稳定掘削面的形式，盾构可分为压气式、泥水加压式，削土加压式，加水式，加泥式，泥浆泥水加压式，削土加压式，加水式，加泥式，泥浆式六种。式六种。压气式压气式：即向掘削面：即向掘削面施加压缩空气，用该气施加压缩空气，用该气压压稳定掘削面。稳定掘削面。泥水加压式泥水加压式：即用：即用外加泥水向掘削面加压外加泥水向掘削面加压稳稳定掘削面。定掘削面。削土加压式削土加压式（也称土压平衡式）：即用（也称土压平衡式）：即用掘削掘削下来的土体的土压下来的土体的土压稳定掘削面。稳定掘削面。23建筑相关B四、盾构机的种类四、盾构机的种类3.3.按加压稳定掘削面的形式分类按加压稳定掘削面的形式分类 加水式加水式：即向掘削面：即向掘削面注入高压水，通过该水注入高压水，通过该水压压稳定掘削面。稳定掘削面。泥浆式泥浆式：即向掘削面：即向掘削面注入高浓度泥浆注入高浓度泥浆（1.4g/cm1.4g/cm3 3）靠泥浆压力靠泥浆压力稳定掘削面。稳定掘削面。加泥式加泥式：即向掘削面：即向掘削面注入润滑性泥土注入润滑性泥土，使之使之与掘削下来的砂卵混合，由该混合泥土对掘削面加与掘削下来的砂卵混合，由该混合泥土对掘削面加压压稳定掘削面。稳定掘削面。24建筑相关4.4.按盾构切削断面形状分类按盾构切削断面形状分类 按盾构切削断面形状，盾构可分为按盾构切削断面形状，盾构可分为圆形圆形、非圆形非圆形两大类。圆形又可分为两大类。圆形又可分为单圆形单圆形、半圆形半圆形、双圆搭接双圆搭接形形、三圆搭接形三圆搭接形。非圆形又分为。非圆形又分为马蹄形马蹄形、矩形（矩形（长长方形、正方形、凹、凸矩形）、方形、正方形、凹、凸矩形）、椭圆形椭圆形（纵向椭圆（纵向椭圆形、横向椭圆形）。形、横向椭圆形）。B四、盾构机的种类四、盾构机的种类25建筑相关26建筑相关5.5.按盾构机的尺寸大小分类按盾构机的尺寸大小分类 按盾构机的尺寸大小，盾构机可分为超小型、按盾构机的尺寸大小，盾构机可分为超小型、小型、中型、大型、特大型、超特大型。小型、中型、大型、特大型、超特大型。F超小型盾构超小型盾构系指系指D D（直径）（直径）1m1m的盾构，的盾构，F小型盾构小型盾构系指系指1m1mD3.5mD3.5m的盾构，的盾构，F中型盾构中型盾构系指系指3.5m3.5mD6mD6m的盾构，的盾构，F大型盾构大型盾构系指系指6m6mD14mD14m的盾构，的盾构，F特大型盾构特大型盾构系指系指14m14mD17mD17m的盾构，的盾构，F超特大型盾构超特大型盾构系指系指D D17m17m的盾构的盾构B四、盾构机的种类四、盾构机的种类27建筑相关 设置盾构外壳的目的是保护掘削、设置盾构外壳的目的是保护掘削、排土、推进、施工衬砌等所有作业设排土、推进、施工衬砌等所有作业设备、装置的安全，故整个外壳用钢板备、装置的安全，故整个外壳用钢板制作，并用环形梁加固支承。盾构壳制作，并用环形梁加固支承。盾构壳体从工作面开始可分为体从工作面开始可分为切口环切口环、支承支承环环和和盾尾盾尾三部分。三部分。B五、盾构机的结构五、盾构机的结构28建筑相关B五、盾构机的结构五、盾构机的结构盾构纵剖图盾构纵剖图切口环切口环、支承环支承环、盾尾盾尾三部分组成三部分组成切口环切口环：是盾构的前导部分，在其内部和前方可以设置各种类：是盾构的前导部分，在其内部和前方可以设置各种类型的开挖和支承地层的装置型的开挖和支承地层的装置支承环支承环：是盾构的主要承载结构，沿其内周边均匀地装有推动：是盾构的主要承载结构，沿其内周边均匀地装有推动盾构前进的千斤顶，以及开挖机械的驱动装置和排土装置盾构前进的千斤顶，以及开挖机械的驱动装置和排土装置盾尾盾尾：是衬砌作业的场所，其内部设置衬砌拼装机：是衬砌作业的场所，其内部设置衬砌拼装机29建筑相关掘削机构掘削机构30建筑相关31建筑相关32建筑相关四、密封系统33建筑相关34建筑相关35建筑相关36建筑相关37建筑相关38建筑相关39建筑相关40建筑相关41建筑相关42建筑相关B管片与管片之间可以采用螺栓连接或无螺栓连接形式。管片的拼装管片的拼装螺栓连接螺栓连接无螺栓连接无螺栓连接43建筑相关44建筑相关45建筑相关B六、六、盾构推进系统盾构推进系统(一一)盾构的推力盾构的推力 盾构的前进和方向调整是靠千斤顶推进实现的。因此，盾构的前进和方向调整是靠千斤顶推进实现的。因此，要求盾构千斤顶有足够力可用以克服盾构推进过程中所遇到要求盾构千斤顶有足够力可用以克服盾构推进过程中所遇到的各种阻力。决定盾构的推力主要有如下因素。的各种阻力。决定盾构的推力主要有如下因素。（1 1）盾构壳体与土之间的摩擦力盾构壳体与土之间的摩擦力；（2 2）工作面推进阻力工作面推进阻力；（3 3）推进中切口插入土中的阻力推进中切口插入土中的阻力；（4 4）管片与盾尾摩擦阻力等管片与盾尾摩擦阻力等。除了考虑以上因素外，还有转向、纠偏、防偏转的稳定除了考虑以上因素外，还有转向、纠偏、防偏转的稳定装置，挡板等的阻力和后车架的牵引阻力等。装置，挡板等的阻力和后车架的牵引阻力等。一般来说，把考虑以上因素的计算值再乘以安全系数一般来说，把考虑以上因素的计算值再乘以安全系数2 2所得的数值作为盾构的推力。所得的数值作为盾构的推力。46建筑相关47建筑相关隧道的二次衬砌隧道的二次衬砌B盾构隧道施工时，在盾尾内组装的管片或现浇的混凝土叫盾构隧道施工时，在盾尾内组装的管片或现浇的混凝土叫一次衬砌，而把其后施工的衬砌称二次衬砌或内衬。二次衬一次衬砌，而把其后施工的衬砌称二次衬砌或内衬。二次衬砌多用于管片补强、防蚀、防渗、矫正中心线偏离、防震、砌多用于管片补强、防蚀、防渗、矫正中心线偏离、防震、使内表面光洁和隧道内部装饰等。根据隧道使用要求，可分使内表面光洁和隧道内部装饰等。根据隧道使用要求，可分成：浇筑底板混凝土，浇筑成：浇筑底板混凝土，浇筑120120下拱混凝土，浇筑下拱混凝土，浇筑240240下下拱混凝土和浇筑拱混凝土和浇筑360360全内衬混凝土四种形式全内衬混凝土四种形式 。48建筑相关 盾构隧道全内衬混凝土现在多采用钢模台车结盾构隧道全内衬混凝土现在多采用钢模台车结合泵送混凝土施工，其施工要点有：合泵送混凝土施工，其施工要点有：B全内衬台模定位立模全内衬台模定位立模 B浇筑工艺设备准备浇筑工艺设备准备 B预埋件设置预埋件设置 B上拱顶混凝土浇筑质量的保证措施上拱顶混凝土浇筑质量的保证措施 B拆模、清理、台模移位拆模、清理、台模移位 49建筑相关定义：定义：土压平衡式盾构机用开挖出的土料作为支撑开挖面 稳定的介质，适用条件适用条件：土料具有良好的塑性变形，软稠度，内摩擦角小及渗透率小。由于一般土壤不能完全满足这些特性，所以要进行改良。改良的方法通常为：加水，膨润土，粘土，聚合物和泡沫等，根据土质情况选用。通过这些改良措施，扩大了土压平衡式盾构机的应用范围。土压平衡式盾构50建筑相关土压平衡式盾构土压平衡式盾构机的主要部件土压平衡式盾构机的主要部件土压平衡盾构机的基本装置是切削刀盘，开挖室以及螺旋输送机等。51建筑相关1切削刀盘切削刀盘 切割开挖面上的土壤和在开挖室内搅拌使之变成可塑的泥土浆。切削刀盘前面一般布置有添加土壤改良剂料的灌注口，对开挖面上的土壤进行改良处理。切削刀盘盘面有封闭式和敞开式两种。封闭式切削刀盘是用于开挖面不稳定的土层类型，这样可以避免在开挖面有大量的土壤松动。缺点：是在开挖面上支撑压力的分布不均匀。承压隔板上测得的土压值不一定就是真实值，它还和刀盘的位置和转向有关。敞开式切削刀盘（敞开式星形设计），一般不会发生阻塞，此时开挖面支撑压力分布均匀且送到螺旋输送机上的土料流动稳定。缺点：是由于缺乏机械支撑，进入压缩空气下的开挖室的危险较大。此外，长时间运行时，在覆土浅时易造成沉降，稳定性和刀盘的强度降低。土压平衡式盾构52建筑相关2开挖室（密封舱）开挖室（密封舱）切削刀盘与后面的承压隔板之间所形成的一个空间。用于存储被刀盘削切下来的土体，并加以搅拌使其成为不透水的，具有具有适当流动性的塑流体，使其能及时充满密封舱和螺旋输送机的全部空间，对开挖面进行封闭，以维持开挖面的稳定性，同时也便于将其排出。土压平衡式盾构53建筑相关3 螺旋输送机螺旋输送机功能：功能：用来将密封舱内的塑流状土体排出盾构外，并在排土过程中，利用螺旋桨叶片与土体间的摩擦和土体阻塞所产生的压力损失，将螺旋输送机排出口的泥土压力降至一个大气压，使其不发生喷漏现象。螺旋输送机的圆柱形壳体有一段是可以伸缩的。它伸到开挖室内部,可以改善土料的供应。由于存在摩擦，在壳体内的土料不能旋转，只能作轴向移动。螺旋输送机的安装位置较低时更好用，因为土料是利用其自身重量压入螺旋输送机开口中的。当螺旋输送机位于中心时，必须将在开挖室下部的土料向上压送以克服重力作用。若螺旋输送机位于更低的位置，使用压缩空气将开挖室内的土料向低位压送没什么问题，因此压缩空气气室的位置越高越好。土压平衡式盾构54建筑相关55建筑相关