盾构隧道施工原理及方法课件

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盾构隧道施工原理及方法 石家庄铁道学院土木分院地下工程系 朱 永 全1.盾构法的基本含义盾构法的基本含义 盾构施工法是盾构施工法是“使用盾构机在地下掘进,在护盾使用盾构机在地下掘进,在护盾的保护下,在机内安全的进行开挖和衬砌作业,从而的保护下,在机内安全的进行开挖和衬砌作业,从而构筑成隧道的施工方法构筑成隧道的施工方法”。按照这个定义,盾构施工法是由稳定开挖面、盾按照这个定义,盾构施工法是由稳定开挖面、盾构机掘进和衬砌三大部分组成。构机掘进和衬砌三大部分组成。一、盾构法施工的原理及方法一、盾构法施工的原理及方法 盾构法施工的概貌如图盾构法施工的概貌如图5-5-15-5-1所示。在隧道的一端建所示。在隧道的一端建造竖井或基坑,将盾构安装就位,盾构从竖井或基坑造竖井或基坑,将盾构安装就位,盾构从竖井或基坑的墙壁开孔出发,在地层中沿着设计轴线,向另一竖的墙壁开孔出发,在地层中沿着设计轴线,向另一竖井或基坑的孔壁推进。井或基坑的孔壁推进。图 5-5-1 盾构法施工概貌图车站碴土储舱和料斗龙门吊车泥浆处理设备竖井皮带运输机盾构机螺旋输送机管片运输车泥浆注入车斗车电瓶车2.2.盾构法施工的原理和过程盾构法施工的原理和过程3.3.密封式密封式(平衡平衡)盾构机的组成盾构机的组成盾构机组成(2)压力舱压 力 测试搅拌系统压力控制加浆系统(3)排土、排泥系统排土器排浆管路搅拌装置加浆装置(4)推进装置千斤顶选型和配置工作速度安全锁总推力千斤顶行程压力垫盾 构 机通用装置轴承止水带(1)刀 盘超挖装置刀盘开口旋转速度形 式润滑装置刀 头旋转力矩支承方式(6)附属装置盾尾止水装置壁后注浆装置开挖面崩坏探测装置锁定装置测量装置后方台车接头装置起重臂真圆保护(5)管片组装装置油压机油油压机油压管路(7)油压装置KBBA管 片AAA管片的组装顺序K管片(封顶块)的嵌入半径方向插入型BKKBBB盾构机是根据每一施工区段设计的专用设备盾构机是根据每一施工区段设计的专用设备盾构施工不可退后盾构施工不可退后对施工的要求精度高对施工的要求精度高机械化程度高机械化程度高对周围环境的影响较小对周围环境的影响较小2.盾构施工的特点盾构施工的特点 初期的盾构法是简易护盾下的人工掘进或机械开初期的盾构法是简易护盾下的人工掘进或机械开挖的形式,机械化程度低挖的形式,机械化程度低,不能稳定开挖面。不能稳定开挖面。经过多年对盾构技术的研究开发和应用,已演变经过多年对盾构技术的研究开发和应用,已演变成现在非常盛行的泥水平衡式和土压平衡式两种盾成现在非常盛行的泥水平衡式和土压平衡式两种盾构机。这两种机型的最大优点是在开挖功能中考虑构机。这两种机型的最大优点是在开挖功能中考虑了稳定开挖面的措施,将盾构施工法中的三大要素了稳定开挖面的措施,将盾构施工法中的三大要素的前两者联系融为一体,无需辅助施工措施。并通的前两者联系融为一体,无需辅助施工措施。并通过使用不同类型的过使用不同类型的刀具刀具刀具刀具,就能适应地质情况变化范,就能适应地质情况变化范围较广的地质条件。围较广的地质条件。5.盾构机和盾构法的发展史盾构机和盾构法的发展史 砾石、岩石等硬质围岩时的刀头大砾石、岩石时多采用刀轮式刀头刀头的固定方式焊接螺栓式插入式焊接式 稳稳定定开开挖挖面面技技术术的的历历史史,是是从从“无无”到到“气气”,再再演演变变到到泥泥水水式式的的“水水”和和土土压压式式的的“土土”。“开开挖挖面面稳稳定定”和和“盾盾构构开开挖挖”的的技技术术已已达达到到较较完完善善的的地地步步。目目前前盾盾构构一一般般指指密密封封式式泥泥水水平平衡衡式式和和土土压压平衡式盾构。平衡式盾构。盾构技术的发展动向:超大断面盾构、多圆盾构技术的发展动向:超大断面盾构、多圆盾构、异型盾构,加上在衬砌和开挖方面使用盾构、异型盾构,加上在衬砌和开挖方面使用了挤压混凝土衬砌技术,以及自动测量技术,了挤压混凝土衬砌技术,以及自动测量技术,计算机自动管理系统等。计算机自动管理系统等。1.盾构机的种类盾构机的种类 按开挖面与作业室之按开挖面与作业室之间的隔墙构造分为:全开间的隔墙构造分为:全开敞式、半开敞式及密封式敞式、半开敞式及密封式三种。三种。二、盾构机的种类和构造二、盾构机的种类和构造(1)全开敞式全开敞式 全开敞式盾构机是指没有隔墙、开挖面敞露状态全开敞式盾构机是指没有隔墙、开挖面敞露状态的盾构机。根据开挖方式的不同,又分为手掘式、半的盾构机。根据开挖方式的不同,又分为手掘式、半机械化式及机械式三种。这种盾构机适用于开挖面自机械化式及机械式三种。这种盾构机适用于开挖面自稳性好的围岩。在遇到开挖面不能自稳的地层时,则稳性好的围岩。在遇到开挖面不能自稳的地层时,则需进行地层超前加固等辅助施工方法,以防止开挖面需进行地层超前加固等辅助施工方法,以防止开挖面坍塌。坍塌。a.手掘式盾构机手掘式盾构机 手掘式盾构机的正面是开敞的,通常设置防止开手掘式盾构机的正面是开敞的,通常设置防止开挖顶面塌陷的活动前檐及上承千斤顶、工作面千斤顶挖顶面塌陷的活动前檐及上承千斤顶、工作面千斤顶及防止开挖面塌陷的挡土千斤顶。开挖采用铁锹、镐、及防止开挖面塌陷的挡土千斤顶。开挖采用铁锹、镐、碎石机等开挖工具,人工进行。碎石机等开挖工具,人工进行。图 5-5-2 手掘式盾构构造b.半机械式盾构机半机械式盾构机 半机械式盾构机进行开挖及装运石碴都采用专用半机械式盾构机进行开挖及装运石碴都采用专用机械,配备液压铲土机、臂式刀盘等挖掘机械和皮带机械,配备液压铲土机、臂式刀盘等挖掘机械和皮带运输机等出碴机械,或配备具有开挖与出碴双重功能运输机等出碴机械,或配备具有开挖与出碴双重功能的机械。的机械。图5-5-3 半机械式盾构构造c.机械式盾构机机械式盾构机 机械式盾构机前面装备有旋转式刀盘,增大了盾机械式盾构机前面装备有旋转式刀盘,增大了盾构机的挖掘能力,开挖的土砂通过旋转铲斗和排土可构机的挖掘能力,开挖的土砂通过旋转铲斗和排土可以连续进行,缩短了工期,减少了作业人员。以连续进行,缩短了工期,减少了作业人员。图 5-5-4 机械式盾构构造(2)半开敞式半开敞式 是指挤压式盾构机,它是在开放型盾构的切口环是指挤压式盾构机,它是在开放型盾构的切口环与支撑环之间设置胸板,以支挡正面土体,但在胸板与支撑环之间设置胸板,以支挡正面土体,但在胸板上有一些开口,当盾构向前推进时,需要排出的土体上有一些开口,当盾构向前推进时,需要排出的土体将从开口处挤入盾构内,然后装车外运,见图将从开口处挤入盾构内,然后装车外运,见图5-5-55-5-5。这种盾构适用于软弱粘土层,在推进过程中要引起较这种盾构适用于软弱粘土层,在推进过程中要引起较大的地面隆起。大的地面隆起。图5-5-5 部分开放型盾构构造(3)密封式密封式 是指在机械开挖式盾构机内设置隔墙,进入刀盘是指在机械开挖式盾构机内设置隔墙,进入刀盘与隔墙土仓的土体,由泥水压力或土压提供足以使开与隔墙土仓的土体,由泥水压力或土压提供足以使开挖面保持稳定的压力。密封式盾构机根据仓内压力平挖面保持稳定的压力。密封式盾构机根据仓内压力平很衡的形式又分成局部气压式、泥水平衡和土压平衡很衡的形式又分成局部气压式、泥水平衡和土压平衡式几种。式几种。局部气压式盾构局部气压式盾构 在在机机械械式式盾盾构构支支承承环环的的前前边边装装上上隔隔板板,使使切切口口环环成成为为一一个个密密封封舱舱,其其中中充充满满压压缩缩空空气气,达达到到疏疏干干和和稳稳定定开开挖挖面面土土体体的的作作用用,见图见图5-5-65-5-6。图5-5-6 局部气压式盾构构造 由于这种盾构是靠压缩空气对开挖面进行密封,由于这种盾构是靠压缩空气对开挖面进行密封,故要求地层透水性小,渗透系数故要求地层透水性小,渗透系数K K小于小于110-5m/s110-5m/s。另外,这种盾构在密封舱、盾尾及管片接缝处易另外,这种盾构在密封舱、盾尾及管片接缝处易产生漏气,引起工作面土体坍塌,造成地面降陷。产生漏气,引起工作面土体坍塌,造成地面降陷。土压平衡式盾构土压平衡式盾构 土压平衡式盾构又称削土密封式或泥土加压式盾土压平衡式盾构又称削土密封式或泥土加压式盾构。它的前端有一个全断面切削刀盘,在它后面有一构。它的前端有一个全断面切削刀盘,在它后面有一个贮留切削土体的密封舱,在其中心处或下方装有长个贮留切削土体的密封舱,在其中心处或下方装有长筒形的螺旋输送机,在密封舱和螺旋输送机,以及在筒形的螺旋输送机,在密封舱和螺旋输送机,以及在盾壳四周装设的土压传感装置,根据需要还可装设改盾壳四周装设的土压传感装置,根据需要还可装设改善切削土体流动性的塑流化材料的注入设备。善切削土体流动性的塑流化材料的注入设备。泥水加压式盾构泥水加压式盾构 泥水加压式盾构的总体构造与土压平衡式盾构相泥水加压式盾构的总体构造与土压平衡式盾构相似,仅支护开挖面方法和排碴方式有所不同。在泥水似,仅支护开挖面方法和排碴方式有所不同。在泥水加压式盾构的密封舱内充满特殊配制的压力泥浆,刀加压式盾构的密封舱内充满特殊配制的压力泥浆,刀盘盘(花板型花板型)浸没在泥浆中工作。对开挖面支护,通常浸没在泥浆中工作。对开挖面支护,通常是由泥浆压力和刀盘面板共同承担,前者主要是在掘是由泥浆压力和刀盘面板共同承担,前者主要是在掘进中起支护作用,后者主要是在停止掘进时起支护作进中起支护作用,后者主要是在停止掘进时起支护作用。用。泥水室图5-5-10 直接控制型泥水加压盾构泥浆自动控制输送系统大刀盘清水槽泥浆调整槽密度计流量计供浆管排浆管伸缩管Vp2p3p4p1 在在盾盾构构推推进进时时,进进、排排泥泥管管需需不不断断延延长长,管管阻阻亦亦随随之之增增大大。为为了了保保证证管管内内的的流流速速恒恒大大于于临临界界流流速速,排排泥泥浆浆泵泵P2P2的的转转速速应应随随时时调调整整,故故排排泥泥浆浆泵泵P2P2必必须须是是自自动动调调速速的的。当当P2P2泵达到最大扬程时,再加泵达到最大扬程时,再加P3P3、P4P4接力泵。接力泵。为为了了保保证证盾盾构构推推进进质质量量、减减少少地地面面沉沉降降量量,需需要要严严格格控控制制排排土土量量,故故应应在在进进、排排泥泥浆浆管管路路上上分分别别装装设设流流量量计计和和比比重计,根据检测数据即可计算实际排土量重计,根据检测数据即可计算实际排土量 。空气管半隔板图5-5-11 间接控制型泥水加压盾构泥浆压力控制系统 多圆盾构多圆盾构(MultiCircularFaceShield)多圆盾构是近年日本开发的新型盾构,其中的双圆盾多圆盾构是近年日本开发的新型盾构,其中的双圆盾构可以用来修建区间隧道,一次开挖完成双线区间隧道,构可以用来修建区间隧道,一次开挖完成双线区间隧道,可以比两个单独的圆形隧道降低工程成本工可以比两个单独的圆形隧道降低工程成本工10%10%,减少开,减少开挖面积挖面积15%15%。三圆盾构既可用来修建地铁车站隧道,拆下。三圆盾构既可用来修建地铁车站隧道,拆下中间盾构后又成为两个单独盾构,可以修建区间隧道。中间盾构后又成为两个单独盾构,可以修建区间隧道。2.土压平衡式盾构机的构造土压平衡式盾构机的构造(1)切削刀盘切削刀盘 通过主轴承支撑和液压马达式电机驱动旋转的刀盘,正通过主轴承支撑和液压马达式电机驱动旋转的刀盘,正面安装土体切削刀并带有碴土进料口,背面安装有碴土搅面安装土体切削刀并带有碴土进料口,背面安装有碴土搅拌桨。刀盘侧面还装有可伸缩的超挖刀。拌桨。刀盘侧面还装有可伸缩的超挖刀。刀盘的型式有花板型和刀盘的型式有花板型和辐条型的不同型式;辐条型的不同型式;根据地层性质所需要安根据地层性质所需要安装刀具大小与数量不同;装刀具大小与数量不同;进料口面积不同,有不进料口面积不同,有不同的开口率。同的开口率。图5-5-7 切削刀盘形式花板型辐条型(2)刀具刀具 刀具的类型有齿刀、刮刀和滚刀等不同型式,齿刀、刀具的类型有齿刀、刮刀和滚刀等不同型式,齿刀、刮刀用于软土质地层、滚刀用于岩石地层。刀盘上可仅为刮刀用于软土质地层、滚刀用于岩石地层。刀盘上可仅为一种类型的刀具,也可为多种刀具的组合,以适应不同形一种类型的刀具,也可为多种刀具的组合,以适应不同形式的地层。现代盾构机刀盘设计上可在刀盘背面换刀。式的地层。现代盾构机刀盘设计上可在刀盘背面换刀。砾石、岩石等硬质围岩时的刀头大砾石、岩石时多采用刀轮式刀头刀头的固定方式焊接螺栓式插入式焊接式(3)密封舱密封舱 用于存贮被刀盘切削下来的土体,并加以搅拌使其成用于存贮被刀盘切削下来的土体,并加以搅拌使其成为不透水的,具有适当流动性的塑流体,使其能及时充满为不透水的,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,对开挖面实行密封,以密封舱和螺旋输送机的全部空间,对开挖面实行密封,以维持开挖面的稳定性,同时,也便于将其排出。维持开挖面的稳定性,同时,也便于将其排出。在密封舱后隔板上,一般留有进人舱孔,供人员进出在密封舱后隔板上,一般留有进人舱孔,供人员进出入密封舱和进行维修工作。入密封舱和进行维修工作。压力舱(泥土压盾构)添加材料注入口添加材料注入管搅拌翼搅拌翼独立搅拌翼螺旋排土器(4)螺旋输送机螺旋输送机 用来将密封舱内的塑流状土体排出盾构外,并在排土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,利用螺旋叶片与土体间的摩擦和土体阻塞所产生过程中,利用螺旋叶片与土体间的摩擦和土体阻塞所产生的压力损失,使螺旋输送机排土口的泥土压力降至一个大的压力损失,使螺旋输送机排土口的泥土压力降至一个大气压力,使其不发生喷漏现象。通过螺旋输送机排碴量的气压力,使其不发生喷漏现象。通过螺旋输送机排碴量的速度来控制和调解碴舱内的土体压力。速度来控制和调解碴舱内的土体压力。(5)塑流化材料注入器塑流化材料注入器 用来向密封舱、刀盘和螺旋输送机内注人添加剂。因用来向密封舱、刀盘和螺旋输送机内注人添加剂。因为当土体中的含砂量超过一定限度时,由于其内摩擦角大,为当土体中的含砂量超过一定限度时,由于其内摩擦角大,流动性差,单靠刀盘的旋转搅动很难使这种土体达到足够流动性差,单靠刀盘的旋转搅动很难使这种土体达到足够的塑流性,一旦在密封舱内贮留,极易产生压密固结,无的塑流性,一旦在密封舱内贮留,极易产生压密固结,无法对开挖面实行有效的密封和排土。此时,就需要向切削法对开挖面实行有效的密封和排土。此时,就需要向切削土体内注入一种促使其塑流化的添加剂,经刀盘混合和搅土体内注入一种促使其塑流化的添加剂,经刀盘混合和搅拌后能使固结土成为流动性好、不透水的塑流体。拌后能使固结土成为流动性好、不透水的塑流体。(6)土压传感器土压传感器 用于测量密封舱和螺旋输送机内的土压力,前者是判用于测量密封舱和螺旋输送机内的土压力,前者是判定开挖面是否稳定的依据,后者用来判断螺旋输送机的排定开挖面是否稳定的依据,后者用来判断螺旋输送机的排土状态,喷涌、固结、阻塞等。土状态,喷涌、固结、阻塞等。土压平衡式盾构维持开挖面稳定的原理是依靠密封舱土压平衡式盾构维持开挖面稳定的原理是依靠密封舱内塑流状土体作用在开挖面上的压力内塑流状土体作用在开挖面上的压力(P)(P)(它包括泥土自重它包括泥土自重产生的土压力与盾构推进过程中盾构千斤顶的推力产生的土压力与盾构推进过程中盾构千斤顶的推力)和盾和盾构前方地层的静止土压力与地下水压力构前方地层的静止土压力与地下水压力(F)(F)相平衡的方法,相平衡的方法,见图见图5-5-95-5-9。图5-5-9 土压平衡式盾构维持开挖面稳定示意图FPGLFFPminF=PFPmaxPmaxQPminQmaxF 由图上可看出:螺旋输送机排土量大时,密封舱内土由图上可看出:螺旋输送机排土量大时,密封舱内土压力压力P P就减小,当就减小,当F PF P时,开挖面可能坍方而引起地面沉时,开挖面可能坍方而引起地面沉降;相反,排土量小时降;相反,排土量小时 ,P P值就加大,一旦值就加大,一旦F PmaxF Pmax,地,地面将会隆起。因此,要控制土压平衡式盾构在推进过程中面将会隆起。因此,要控制土压平衡式盾构在推进过程中开挖面的稳定,可以用两种方法来实现,其一是控制螺旋开挖面的稳定,可以用两种方法来实现,其一是控制螺旋输送机排土量输送机排土量(调节其转速调节其转速);但但研研究究表表明明,对对于于粘粘性性土土来来说说,开开挖挖面面不不破破坏坏的的排排土土量量波波动动值值必必须须控控制制在在理理论论掘掘进进体体积积的的2.8%2.8%左左右右,这这就就需需要要量量测测精度在精度在l%l%以内的切削土体积的检测系统。以内的切削土体积的检测系统。其其二二是是用用调调节节盾盾构构千千斤斤顶顶的的推推进进速速度度和和螺螺旋旋输输送送机机转转速速,直直接接控控制制密密封封舱舱内内的的土土压压力力P P,一一般般情情况况下下,不不使使开开挖面产生影响的碴土压力挖面产生影响的碴土压力P P的波动范围如下:的波动范围如下:主动土压力主动土压力+地下水压力地下水压力P被动土压力被动土压力+地下水压力地下水压力提问与解答环节Questions And Answers谢谢聆听 学习就是为了达到一定目的而努力去干,是为一个目标去战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard,Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
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