盾构法隧道概述课件

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,盾构法隧道概述,1 概述,盾构技术发展概况,:,用盾构法修建隧道,开始于1818,年 ，法国工程师布鲁诺尔；,1825,年在英国泰晤士河下,首次用矩形盾构,建造隧道 ；,近代，,日本盾构法,得到了迅速发展，用途越来越广，并研制了大量新型盾构；,我国于1957年,北京下水道工程中,首次,出现2.6m小盾构 ；,上海市,延安东路,过江道路隧道,使用11.0 m直径的大盾构；,盾构隧道优点:,在,松软含水地层中,修建隧道、水底隧道及地下铁道时采用各种不同形式的盾构施工最有意义，特别是该施工方法属地表以下,暗挖施工，不受地面,交通、河道、航运、潮汐、季节等,条件,的影响，完善的施工方法，解决了在软岩、泥土、砂层中施工的技术难题。盾构技术应用于城市地下隧道或海底、河底、穿越断层和地下水位较高的地下隧道施工，具有安全、可靠和进度快、一次推进距离长、对施工场地要求较低、对城市道路交通等环境的影响小等其它方法不可取代的优点。,盾构法隧道的基本原理及特点,目前常用的盾构机主要有土压平衡和泥水平衡盾构机，除了其出土（渣）的方式不同外，其基本的工作原理是一致的。,土压平衡盾构机出土（渣）的工作原理是：刀盘旋转开挖工作面的土体，挖掘下来的土料作为稳定开挖面的介质，土料由螺旋输送机旋转运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输料器出土量(旋转速度)进行调节。,泥水平衡盾构机出土（渣）的工作原理是：利用泥水室的泥水压力来平衡切削面的土、水压力，切削下来的土体与泥水室内的泥水充分混合后,由泥水输送系统输送到泥水分离系统进行分离,废弃渣土,泥水经改良后,再次由管路输送回泥水室循环使用。,盾构构机刀盘上的刀架与刀头，可根据岩土构成情况及其硬度，选择适当的材料和形状。对材料要求坚硬耐磨，便于装卸、更换。如有扩挖要求，还可在刀盘外绕，装配可调节的扩挖刀头。刀盘旋转动力一般为交流市电，有的用电动机带动液压泵驱动旋转。随着刀盘不断切削岩土，在沿圆周布置的若干强力液压千斤顶推力下，盾头不断向前推进。这些液压千斤顶皆以电力带动油泵供油来工作。,当盾构机向前推进一个管片的长度(沿洞轴向)时，便可以用机械手将若干管片依从下而上的顺序拼装为管环，即洞身。一般每环分为 611 片(视洞径而定)，其中顶部有一块楔形片，它的安装使管环呈一挤紧的整体。盾构机上的机械手，有的是机械挂钩，用于插销固定管片；有的是用负压吸盘，将管片吸起。这些均由施工人员现场操作、拼装。随着管环的形成，盾构机立即在盾尾部位进行填充灌浆，沿盾层外周的灌浆管压出水泥砂浆，盾尾末端沿圆周内侧设有 23 道止浆圈，与已成型管片压紧防止漏浆，保持泥浆压力与质量。,2、盾构机的构造,因各种类型的盾构机型其部件和系统结构各有不同，但主要部件及其原理大同小异。因此本文主要介绍目前国际上应用最为广泛的土压平衡、泥水平衡盾构机的主要部件及其相关的结构情况。,2.1、土压平衡盾构机的主要部件和系统结构介绍,其主要组成部分为：,刀盘切削系统：位于切口环内，由盘体、切削刀、仿形刀、传动箱、集中润滑系统组成。,推进系统：由若干组推进千斤顶组成。,加泥与注浆系统：外加泥或水与切削下来的密封舱内土体充分搅拌，使之成为可塑、渗透性极小的泥土，并保持一定的动态平衡压力，控制开挖面土体不塌陷和地面不发生较大沉降。注浆系统分盾尾同步注浆和管片二次注浆,主要是保证地面沉降在允许范围内。,3、盾构法隧道的优缺点,3.1、优点,在盾构支护下进行地下工程的暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节气候等条件的影响，能较经济合理地保证隧道安全施工；,盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实现自动化、智能化和施工远程信息化，掘进进,度快，施工劳动强度低；,地面人文自然景观受到良好的保护，周围的环境不受盾构施工干扰；在松软的地层,中，开挖埋置深度较大的长距离、大直径隧道，具有经济、技术、安全等方面的优越性；,3.2、缺点,盾构机械的造价昂贵，隧道的衬砌、运输、拼装、机械安装等工艺复杂；在饱和和含水的松软地层中施工，地表的沉陷风险较大；,需要设备制造、气压设备供应、衬砌管片预制、衬砌结构防水及堵漏、施工测量场地布置、盾构转移等技术配合，系统工程协调复杂；,建造短隧道时经济性差；对隧道施工半径过小或隧道埋深过浅时，施工难度教大。,泥水加压式盾构机技术,泥水加压盾构是应用封闭型平衡原理进行开挖的新型盾构：用泥浆代替气压支护开挖面土层，施工质量好、效率高、技术先进、安全可靠，是一种全新的盾构技术。,但由于泥水加压盾构，需要一套较复杂的泥水处理设备，投资较大（大概就占了整个泥水盾构系统的三分之一的费用） ；施工占地面积较大，在城市市区施工，有一定困难，然而在某些特定条件下的工程，如在大量含水砂砾层，无粘聚力、极不稳定土层和覆土浅的工程，以及超大直径盾构和对地面变形要求特别高的地区施工，泥水加压盾构就能显示其优越性。另外对某些施工场地较宽敞，有丰富的水源和较好泥浆排放条件或泥浆仅需进行,沉淀处理排放的工程，可大幅度降低施工费用。,图 3-2-5 所示为泥水加压盾构的基本构造简图。主要由盾壳、刀盘、密封泥水舱、盾构干斤项、管片拼装机以及盾尾密封装置等组成。概括地说，泥水加压盾构是在盾构前部增设一道密封隔舱板，把盾构开挖面与盾构后面和隧道空间截然分开，使密封隔舱板与开挖面土层之间形成密封泥水舱，在泥水舱内充以压力泥浆，刀盘浸没在泥水舱中工作，由刀盘开挖下的泥土进入泥水舱后，经刀盘切削搅拌和搅拌机搅拌后形成稠泥浆，通过管道排送到地面，排出的泥浆作分离处理，排除土碴，对余下的浆液进行粘度、比重调整，重新送入盾构密封泥水舱循环使用。,泥水加压盾构构造简图,3 盾构设备分类及选型,1、基本种类及结构型式划分,盾构机根据其适用的土质及工作方式的不同可分为开胸式、压缩空气式、泥水式、土压平衡式、组合式、插板式、多断面式盾构机以及微型盾构机等。,目前国际上常用的盾构机械可分为泥水加压式和土压平衡式两大类，遇到较复杂的地质情况也可采用混合式盾构机械。,开胸式盾构机,它是工作面全部或大部分敞开的结构，用于无地下水的地层开挖，如开挖面不能稳定，,则应采取辅助方法使之稳定。可采用人工、半机械或机械方法开挖。,压缩空气式盾构机,在含水地层施工时，通过压缩空气来保持开挖面稳定，并防止地下水从开挖面涌入。,压缩空气式盾构机还包括局部气压式盾构机。,泥水式盾构机,泥水加压式盾构机又称有压泥浆式盾构机，主要针对无粘聚力的滞水砂层、软塑性、,流动性等特别松软地层中进行隧洞开挖而研制的， 目前较广泛应用于各种软弱地层的施工。,1.4、土压平衡式盾构机,通过挖掘下来的土料作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土室土料增加，再由螺旋输送机旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输料器出土量(旋转速度)进行调节。因此螺旋输送器的取土速度必须调节适度，与切削的速度相适应.,土压平衡式盾构机适用于地层稳定性较好，地下水位不高的情况。,1.5、复合式盾构机（也称混合式盾构机）,在同一条隧洞中，往往由于地质情况差异大，地层变化复杂，施工中遇到不同的问题，这就需要采取多种类型盾构机的相互转换，以适应地质条件对机械的要求。,其工作方式及开挖面稳定方法可根据沿开挖洞线上土质情况的变化而进行转换，因此适应范围较广，如一种组合可根据需要从土压平衡工作方式转换到泥水加压式工作方式，土料输送由螺旋输料器转换到由泥浆泵及管道输送。,1.6、插板式盾构机,也称插刀式盾构机，它由许多插刀组成，可以组合出不同的断面形状和尺寸。其推进靠设在插刀和支承框架之间的液压缸，将插刀以单插刀或成组插刀方式进行组合。当所有插刀都推进到一个行程距离时，所有液压油缸同步收缩，把支承框架向前拖动。,1.7、多断面式盾构机,一般盾构机一次只能开挖一个断面的隧洞，当需要开挖平行相邻且直径相同的两个或多个隧洞时，普通盾构机需施工两次或多次，而用一个大断面来包含以上两个或多个隧洞断面时，盾构机刀盘直径会过大，开挖时也存在浪费，而多断面盾构机，同一盾构机上有两个或多个(目前最多为 3 个)刀盘，两个刀盘之间有一小部分面积是重合的，这样一台盾构机的掘进即可同时挖掘出平行且相通的两个或多个隧道.,1.8、微型盾构机,对于一些输气、供排水和电缆隧道，直径较小，可用微型盾构机施工。微型盾构机从工作方式上也有土压平衡式和泥水式等多种，挖掘方式有机械刀具也有高压射流，由于洞径较小(一般从 0.252.5m左右)，衬砌不象大直径隧洞用管片拼装，而一般用预制管件由设在竖井处的顶管装置顶进，微型盾构机掘进时的推力也来自顶管装置。,2、其他分类,除以上各种盾构机外，还有一些不常用的如刀盘可转向挖掘的盾构机(球体盾构机)，可一次性挖掘有 90拐角的隧洞。再比如可挖掘方形、矩形、椭圆形等非圆形断面隧洞的盾构机，其挖掘过程靠主、辅刀头的配合，从而最终挖出异形断面隧洞。,盾构机的分类还可按直径分为特大、大、中、小及微形盾构机；按控制方式分有地面遥控(微形盾构机)和随机控制的盾构机；按开挖方式分有人工、半机械、机械式开挖的盾构机；按开挖断面分有部分断面开挖和全断面开挖的盾构机等等。,盾构设备的选型,综合盾构掘进机的特性与选型的依据，盾构掘进机选型的一般程序为首先要看该盾构掘进机是否有利于开挖面的稳定，其次才考虑环境、工期、造价等限制因素，同时，还必须将宜用的辅助工法加以考虑。,2.1、根据地质条件选择盾构掘进机类型,砂质土类等自立性能较差的地层，应尽量使用密闭型的盾构施工；若为地下水较丰富且透水性较好的砂质土，则应优先考虑使用泥水平衡盾构；对粘性土，则可首先考虑土压平衡盾构；砂砾和软岩等强度较高的地层自立性能较好，应考虑半机械式或敞口机械式盾构施工。在相同条件下，盾构复杂，操作困难，造价高；反之，盾构简单，制造使用方便，造价低。,2.2、盾构掘进机选型的其他条件,除了地质条件以外，盾构掘进机选型的制约条件还很多，如工期、造价、环境因素、场地条件等。,2.1、工期条件的制约,因为手掘式与半机械式盾构掘进机使用人工较多，机械化程度低，所以施工进度慢。其余各类型盾构掘进机因为都是机械化掘进和运输，平均掘进速度比前者快。,2.2、造价因素的制约,一般敞口式盾构掘进机的造价比密闭式盾构掘进机低，主要原因是敞口式盾构掘进机不像密闭式盾构掘进机那样有复杂的后配套系统。在地质条件允许的情况下，从降低造价考虑拟优先选用敞口式盾构掘进机,2.2.3、环境因素的制约,敞口型的盾构掘进机引起的地表沉降大于网格式盾构，更大于密闭式的盾构掘进机。,2.2.4、场地条件的制约,泥水平衡式的盾构掘进机必须配套大型的泥浆处理和循环系统， 若需使用泥水平衡盾构机就必须有较大的地面空间。,2.2.5、设计路线、平面竖向曲线的制约,若隧道转弯曲率半径太小，就需考虑使用中间铰接的盾构。例如直径为 6m 的盾构，其长度为 67m，如将其分为前后铰接的两段，显然增加了施工中转弯的灵活性。,3、辅助工法的使用,盾构掘进机施工隧道的辅助工法一般有：压气法、降水法、冻结法、注浆法等。前几种属于物理方法，注浆法属于化学方法。这些方法也主要是用于保证隧道开挖面的稳定，注浆法还能减少盾构掘进机开挖过程中引起的地表沉降。一般密闭式盾构掘进机使用最多的是注浆法。盾尾注浆用以填补建筑间隙，以减少地面沉降。在地层自立性能差的情况下，若采用手掘式、半机械式或网格式掘进机施工，就需采用压气法辅助施工，以高气压保证开挖面的稳定，但在这一辅助工法下，施工人员易患气压职业病。当盾构掘进机在砂质土或砂砾层中施工时，可考虑使用降水的方法改变地层的物理力学指标，增加其自立性能，确保开挖面的稳定。冻结法的施工成本较高，一般情况下不采用，而在长距离隧道的盾构对接中使用。,主要型式盾构技术介绍,土压平衡式盾构机技术,土压平衡式盾构机的发展基于挤压式盾构机(闭胸)和泥水式盾构机。它一般通过控制,其排土量等于开挖量即可使开挖面的地层始终保持稳定。适用于城市地下隧道的施工。它具有地面沉降易于控制，对周围环境影响较小等显著的优点。,土压平衡盾构可根据不同的地质条件采取不同的技术措施，设计成不同的类型，能适应从松软粘性土到砂砾土层范围内各种土层施工。,土压平衡盾构简图,1、普通型土压平衡盾构,普通型土压平衡盾构见图 3-1-1，适用于松软粘性土，由刀盘切削下的泥土进入泥土舱，再通过螺旋输送机向后排出。由于泥土经过刀盘切削和扰动后会增加塑流性，在受到刀盘切削和螺旋输送机传送后也会变得更为松软，使泥土舱内的土压能均匀传递。通过调节螺旋机转速或调节盾构推进速度，调节密封泥土舱内的土压并使其接近开挖面静止土压，保持开挖面土层的稳定。,普通型土压平衡盾构一般采用面板式刀盘，进土槽口宽在 200500mm 左右，刀盘开口率约为 20%40%，另外在螺旋输送机排土口装有排土闸门，有利于控制泥土舱内土压和控制排土量。,2、加泥型土压平衡盾构,当泥土含砂量超过一定限度时，土砂激动性差，靠刀盘切削扰动难以使泥土达到足够的塑流状态，有时会压密固结，产生拱效应。当地下水量丰富时，通过螺旋输送机的泥土，就不能起到止水作用，无法进行施工。此时应在普通型土压平衡盾构的基础上增加特殊泥浆压注系统，即形成加泥型土压平衡盾构(图 3-1-2)。,向刀盘面板、泥土舱和螺旋输,送机内注入特殊粘土泥浆材料，,再通过刀盘开挖搅拌作用，使之,与开挖下来的泥土混合，使其转,变为流动性好、不透水性泥土，,符合土压平衡盾构施工要求。,加泥型土压平衡盾构简图,为了降低刀盘传动功率和减小泥土移动阻力，加泥型土压平衡盾构刀盘为有幅条的开放式结构，开口面积接近 100%，并在刀盘背面伸出若干搅拌土砂的叶片，以便对土砂进行强力搅拌，使其变成具有塑流性和不透水性的泥土。,另外，对要求注入浓度、粘性更高的泥浆材料才能改变土砂功能时，往往难以用刀盘搅拌达到目的，这将大大增加刀盘和螺旋输送机的机械负荷，造成盾构施工困难。此时应注入发泡剂代替泥浆材料，因为发泡剂材料比重小、搅拌负荷轻，可使刀盘扭矩降低 50%左右。盾构排出土砂中的泡沫会随时间自然消失，有时在泥土中加入消泡剂，可加速泡沫的消失，保持良好的作业环境。,3、加水型土压平衡盾构,在砂层、砂砾层透水性较大的土层中，还可以采用加水型土压平衡盾构。这种盾构是在普通型土压平衡盾构基础上，在螺旋输送机的排土口接上一个排土调整箱(图 3-1-3)，在排土调整箱中注人压力水，并使其与开挖面土层地下水压保持平衡。经过螺旋输送机将弃土排入调整箱内与压力水混合后形成泥浆，再通过管道向地面排送。开挖面的土压仍由密封泥土舱土压进行平衡。,盾构掘进时，刀盘不停地对土层进行开挖和搅拌，使密封泥土舱内的土砂处于均匀状态；土砂颗粒之间的空隙被水填满，减少了土砂颗粒之间有效应力而增加了流动性，从而能顺畅地通过螺旋输送机送入排土调整箱。在调整箱内通过搅拌混合，向地面处理场排放。,加水型土压平衡盾构的泥水排放系统与泥水加压盾构相似，但注入的主要是清水，无粘粒材料，无需对注入的水进行浓度、比重控制，泥水分离处理设备和工艺也大为简化。这种盾构刀盘一般采用面板式结构，进土槽口尺寸可根据土体中砾石最大尺寸来决定，刀盘开口率一般在 20%60%左右。,4、泥浆型土压平衡盾构,这种盾构适用于土质松软、透水性好、易于崩塌的积水砂砾层或覆土较浅、泥水易喷出地面和易产生地表变形的极差地层的施工。图 3-1-4 是其施工工艺流程图，它具有土压平衡盾构和泥水加压盾构的双重特征。盾构掘进时，应向盾构内注入高浓度泥浆，通过搅拌与土砂混合使其泥土化，并充满泥土舱，支护开挖面。由于从螺旋输送机排出的泥土呈塑化或流化状态，所以在螺旋输送机的排土口装上一个旋转排土器既可保持泥土舱内土压的稳定，又可不断地从压力区向无压区顺利排出。但从排土器排出的泥土呈泥浆状，不能用干土排送方式向地面排送，同时泥浆浓度较高，无法通过管道排出，从螺旋输送机徘出的泥土，是在泥浆槽中经水稀释后再以流体形式通过管道排往地面。,泥水加压式盾构机技术,泥水加压盾构是应用封闭型平衡原理进行开挖的新型盾构：用泥浆代替气压支护开挖面土层，施工质量好、效率高、技术先进、安全可靠，是一种全新的盾构技术。,但由于泥水加压盾构，需要一套较复杂的泥水处理设备，投资较大（大概就占了整个泥水盾构系统的三分之一的费用） ；施工占地面积较大，在城市市区施工，有一定困难，然而在某些特定条件下的工程，如在大量含水砂砾层，无粘聚力、极不稳定土层和覆土浅的工程，以及超大直径盾构和对地面变形要求特别高的地区施工，泥水加压盾构就能显示其优越性。另外对某些施工场地较宽敞，有丰富的水源和较好泥浆排放条件或泥浆仅需进行沉淀处理排放的工程，可大幅度降低施工费用。,基本构造,图 3-2-5 所示为泥水加压盾构的基本构造简图。主要由盾壳、刀盘、密封泥水舱、盾构干斤项、管片拼装机以及盾尾密封装置等组成。概括地说，泥水加压盾构是在盾构前部增设一道密封隔舱板，把盾构开挖面与盾构后面和隧道空间截然分开，使密封隔舱板与开挖面土层之间形成密封泥水舱，在泥水舱内充以压力泥浆，刀盘浸没在泥水舱中工作，由刀盘开挖下的泥土进入泥水舱后，经刀盘切削搅拌和搅拌机搅拌后形成稠泥浆，通过管道排送到地面，排出的泥浆作分离处理，排除土碴，对余下的浆液进行粘度、比重调整，重新送入盾构密封泥水舱循环使用。,泥水加压盾构构造简图,工作原理,泥水加压盾构是利用向密封泥水舱中输入压力泥浆来支护开挖面土层，使盾构施工在开挖面土层十分稳定的条件下向前掘进，从而大大地提高了隧道施工质量和施工效率。泥浆的主要功用为：, 利用泥浆静压力平衡开挖面土层水土压；, 在开挖面土层表面，形成一层不透水泥膜，使泥浆压力发挥有效的支护作用；, 泥浆中细微粘粒在极短时间内渗入土层一定深度，进一步改善土层承压能力。输入盾构的泥浆必须具有适当的粘度和比重，泥浆压力要保持高于土层地下水压 0.02MPa 左右。,机械特征,泥水加压盾构刀盘主要用于开掘土层，同时也起泥浆搅拌作用，当盾构停止掘进时，刀盘亦对开挖面土层进行支护，因而泥水加压盾构的刀盘多采用面板式结构。对在松软、不稳定、易流性土层中开挖，还应设置进土槽口关闭装置，当盾构较长时间停止工作时，不仅通过压力泥浆支护开挖面，而且要关闭进土格口，以防让泥土流入。,为了更好的控制开挖面土层稳定，有时把盾构刀盘设计成可轴向移动，当盾构向前推进时，随着开挖面土压的变化，刀盘可单独与盾构相对自由轴向移动，而且刀架与刀盘相互联动，对进土槽口开度大小进行自动调节，以调节控制进土量，亦即调节控制开挖面土压，当开挖面土压与刀盘设定推力相吻合时，刀盘就会停止移动。这种盾构叫做机械平衡泥水加压盾构。这种盾构施工时，只要调节好输入泥浆压力与土层地下水压的平衡，刀盘始终保持与土层贴合，就能对开挖面进行稳定支护，施工也就更为安全可靠。,泥水系统,泥水分离设备目前在国内尚无成套成熟的生产技术，近年宜昌黑旋风机械厂生产的泥水分离设备可以分离粒径大于 74m 的颗粒，主要对砂土进行分离，对粘土的分离则较困难， 而世界著名的厂商如德国 SUMANBAURG 生产的设备则可分离粒径 30m以上的颗粒，这对进度的控制非常关键。,根据泥水密封舱构造形式和对泥浆压力的控制方式不同，盾构的泥水系统，分为两种基本类型 。,直接控制型,图 3-2-6 是直接控制型(日本型)泥水系统流程图，P1 为供泥浆泵，从地面泥浆调整槽将新鲜泥浆打入盾构泥水舱，与开挖下的泥土进行混合，形成稠泥浆，然后由排泥浆泵 P2 输送到地面泥水处理场，排除土渣，而稀泥浆流向调整槽，再对泥浆比重和浓度进行调整后，重新输入盾构循环使用。,间接控制型,图 3-2-7 所示为间接控制型(德国型)泥水系统流程图， 这种系统的工作特征是由泥浆和空气双重回路组成。在盾构密封泥水舱内插装一道半隔板，在半隔板前充以压力泥浆，在半隔板后面盾构轴心线以上部分充以压缩空气，形成空气缓冲层，气压作用在隔板后面与泥浆接触面上，由于接触面上气、液具有相同压力，因此只要调节空气压力，就可以确定.,复合式盾构机技术,采用盾构法掘进长距离隧道，会遇到复杂多变的地质条件，往往用一种类型的盾构难以完成施工任务，因此出现了复合型盾构。,所谓复合型盾构，就是在软土盾构的刀盘上安装切削岩层的各式刀具，有的还在盾构内安装碎石机，这种硬岩开挖工具与软土隧道盾相机械相结合，能在硬岩和软土地层交替作业。复合型盾构刀盘上安装的刀具，应根据不同岩层条件而定。,软土地层：主要采用割刀，安装在刀盘进土槽口两侧；,硬岩地层：主要采用盘式滚刀，对于更坚硬的地层，应安装牙轮形和镶嵌碳化钨珠形的滚轮刀；,软硬混合交替夹层：应采用不同形式的刮刀取代滚刀(如撕裂刀)，其开挖方法是刮下块状石块，使其对软塑土层更有效地开挖。,上述各种刀具，应能相互调换，以便随岩层的变化进行有效选择。,复合型盾构主要有以下三种类型：, 泥水加压型复合盾构,以泥水加压盾构为基型，与硬岩开挖技术相结合，对大块卵石、块石应在盾构内安装碎石机。当盾构在软土层施工时，可按封闭型泥水加压盾构进行施工；当遇到硬岩地层施工时，在刀盘上安装不同的硬岩切削刀具即能快速转换成敞开型机械盾构施工，而碴土排送仍采用水力管道排送。, 土压平衡型复合盾构,以土压平衡盾构为基型，与硬岩开挖技术相结合，当盾构在软土层施工时，可按封闭型土压平衡盾构进行施工；而当遇到硬岩地层施工时，在刀盘上安装不同的硬岩切削刀具就能快速转换成敞开型机械盾构施工，为了排送尺寸较大的石块，可选用带式螺旋输送机.,敞开型复合盾,以普通机械开挖盾构为基型，与硬岩开挖技术相结合，施工时只要根据遇到的不同土层条件，及时转换安装适当的刀具，就能使施工继续进行。,盾构掘进通用技术,洞门结构型式及进出洞土体加固,常见的洞门结构形式,盾构工作井洞口周围土体加固，一旦土体加固达不到预期效果，或者水下出洞，封门就成了后构进出洞土体稳定的关键。盾构从工作井进入隧道首先穿过的是工作井井壁上的封门。工作井上的封门最初起挡土和防止地下水渗漏的作用，一旦盾构安装调试完毕，盾构前方导向头顶住井壁，要求封门能方便地拆除或打开。根据沉井周壁的地质情况，可以采用不同的封门制作方案及相应的出洞施工技术方法。不管哪一种封门，封门在沉井制作下沉施工时，应能支撑侧向土压力。当前常用的洞门结构形式有外封门形式、内封门形式、特殊封门形式（井内外封门）等。,外封门形式,当工作井采用沉井法施工时，洞口封门一般采用钢板柱(常用槽钢组合)，一种方法是在沉井下沉施工时， 将封门安装在洞口(封门板桩与沉井洞口的固定连接均设于井内的洞圈内，出洞施工时要能方便拆除)，然后与沉井一起下沉到位，封门安置要牢固，不应在沉井下沉施工时遭到破坏；另一种方法是待沉井下沉到位后再紧贴井外壁打入封门板桩，但沉井在沉井下沉施工时须,将预留洞口临时封闭，待洞,门板桩打入后再拆除。,盾构出洞时先进入井壁洞圈内，,安装好推进施工时的洞口密封装,置(图 4-1-1)，然后拔除封门板,桩进入推进施工。,外封门形式一般用于出洞施工，因其受到钢板桩长度、构造及拔桩等影响，当洞口埋深较深时不宜采用。,内封门形式,盾构进洞的封门一般采用内封门形式(图 4-1-2)。封门可用型钢组合(有竖封门及横封门,两种形式)，固定在井内壁洞口处(在沉井下沉施工时，洞圈内用粘土填封密实)，当盾构最前端离封门 50mm,时停止推进施工，拆除,封门，尽快将盾构推入,井内的接收基座上，并,及时封堵管片与洞圈之,间的空隙，防止泥水从,间隙处渗漏。,当洞口埋深较深、洞口处土质较好，自立性能强或洞口土体进行了加固处理，则内封门形式也可用于出洞施工， 但洞圈内必须用粘土夯填密实， 使洞圈内土体起到一个土塞作用，用以平衡井外土体的侧向压力。,管片的拼装技术,隧道是由预制管片逐环连接形成的，管片是在盾壳保护下，并在其空间内进行拼装。管片类型主要有球墨铸铁管片、钢管片、复合管片和钢筋混凝土管片，每环由数块管片组合而成(图 4-2-7)。,钢筋混凝土管片概况图,管片的拼装,通缝拼装,各环管片的纵缝对齐的拼装方法， 这种拼装方法在拼装时定位容易，纵向螺栓容易穿，拼装施工应力小，但容易产生环面不,平，并有较大累计误差，导致环向螺栓难穿，环缝压密量不够。,管片通缝拼装,错缝拼装,错缝拼装即前后环管片的纵缝错开拼装，一般错开1/21/3 块管片弧长，用此法建造的隧道整体性较好，拼装施工应力大，纵向穿螺栓困难，纵缝压密差。但环面较平正，环向螺栓比较容易穿。,管片错缝拼装,管片衬砌背后注浆技术,衬砌背后注浆方式可采用同步注浆或即时注浆。在能自稳的地层中，注浆方式对填充率影响不大，但在不能自稳的地层中，必须采用同步注浆，才能在正常的注浆压力下，保证注浆量，填充建筑间隙，防止地层向隧道方向移动，减小地层损失，控制地表沉降。,同步注浆是通过同步注浆系统及盾尾的注浆管，在盾构向前推进、盾尾空隙形成的同时进行，浆液在盾尾空隙形成的瞬间及时填充，从而使周围岩体及时获得支撑，可有效地防止岩体的坍塌，控制地表的沉降。,钢筋混凝土衬砌管片的设计与制造,盾构隧道一般采用管片衬砌作为永久支护结构，作为永久支护结构的管片的制造、安装技术是隧道建设的关键技术之一。 管片类型基本上分为钢管片,铸铁管片,复合管片,钢筋混凝土预制管片等;管片的连接主要有螺栓连接,销接等连接方式.,钢筋混凝土衬砌管片设计、构造现状,单层、双层衬砌的选择,衬砌的选择上国内隧道很少采用双层衬砌，只在盾构法最初阶段，例如在上海地铁试验段一段区间隧道中采用了双层衬砌，其后皆采用单层衬砌。 根据国内的设计、施工经验和运营情况，单层柔性衬砌结构的受力性能和耐久性等均可控制在预期的要求内，能够满足隧道,的运营要求，且单层衬砌的施工工艺单一、工程实施周期短、投资省、防水效果从施工情况看优于矿山法区间隧道，因此单层衬砌占据主导地位。但是由于国内盾构区间隧道的运营时间还不长，结构的抗震性能、防水性能以及结构的耐久性还有待时间来检验。,结合国外经验进行比较：在欧美盾构隧道以单层衬砌为主，双层衬砌很少使用；在日本双层衬砌和单层衬砌都多有采用。比较双方的差别，这可能主要由于大的地质构造方面的差异，日本一直是一个地震高发带，而欧洲相对比较稳定。国内修建地铁隧道的城市地震烈度,基本为 67度，从这点看，国内更趋向于欧洲的经验。,管片内径的确定,隧道内径的确定主要取决于地下结构的建筑限界，同时还要考虑施工误差、测量误差、线路拟合误差及不均匀沉降等诸多因素。,由于隧道的不同用途，地下结构的建筑限界不同,隧道内径尺寸方面的变化较大,小的输水隧道内径只有 2m 左右,公路隧道直径日益向大的方向发展,如上海大连路公路隧道和延安东路隧道直径均达 11.22m。沪-崇-苏越江公路隧道直径达 15.20m,是目前世界上最大直径的盾构公路隧道;日本东京隧道直径达 14.14m;以及德国易北河盾构公路隧道直径达 14.20m等。,国外隧道内径尺寸的发展情况大体上也是以上特点,主要受地下结构的建筑限界和盾构设备技术进步的影响。,管片结构型式,隧道断面形状可分为圆形、椭圆形、矩形、复合圆形等多种断面。管片的形状根据各种断面的形状来设计。我国地下隧道通常为单圆形、箱行等，因而钢筋混凝土管片结构型式要有：箱型管片和平板型管片。,箱型管片主要用于大直径隧道，手孔较大利于螺栓的穿入和拧紧，同时节省了大量的混凝土材料，减轻了结构自重，但在千斤顶的作用下容易开裂，国内应用很少。在上海穿越黄浦江的两条公路隧道打浦路隧道和延安东路隧道中都采用了直径约 11.22m的箱型管片。,对于中小直径的圆形盾构隧道，国内外普遍采用平板型管片，因其手孔小对管片截面削弱相对较少，对千斤顶推力有较大的抵抗能力，正常运营时对隧道通风阻力也较小。现在国内外很多大直径隧道也采用平板型管片。,箱形管片（图4-13）是指因手孔较大而呈肋板形结构。方便拼装，便于运输和拼装，易开裂。只有金属管片才采用箱形结构。,图4-13 箱形管片,平板形管片（图4-14）是指因螺栓手孔较小或无手孔而呈曲板形结构的管片。对盾构千斤顶推力具有较大的抗力，钢筋混凝土管片多采用平板形结构。,图4-14 平板形管片,管片分块,早期在上海地铁试验段曾进行过四分块的试验，但是，由于管片较大，运输、拼装作业相对不便。而盾构施工的一个发展趋势是快速拼装，因此四分块方案现在已经淘汰。现在在国内的隧道一般采用六分块方案：一块封顶块二块邻接块三块标准块。而且从有利于管片拼装考虑，一般皆采用小封顶块。 这种分块方法也与国外经验相吻合，在国外中等直径的盾构隧道一般采用 57分块方案， 而且封顶块的设计以利于减小千斤顶的行程(减短盾构机长度，增加灵敏性)和管片运输、拼装为前提。随着大型盾构隧道的施工,管片分块也有向大分块形式发展的趋势,先后出现 8、9、10、11 块等分块方案的, 管片外弧长也有所加大。如日本东京湾隧道直径 13.9m,管片分 11 块,最大外弧长约 4m。,若干标准管片(A),两块相邻管片(B),一块封顶管片(K）,见图416；,若干A型管片,一块B型管片,一块K型管片；,封顶块的拼装方式有径向楔入和纵向插入两种；,衬砌环的拼装方式有通缝和错缝两种。,图管片分块方法,管片宽度,宽度可在 1200mm2000mm之间根据具体工程条件进行选择。,管片厚度,管片的厚度一般为管片外径的 5%6%。,上海地铁、南京地铁一号线的管片厚度为350mm，广州地铁一号线、二号线及北京地铁,五号线试验段的厚度皆为 300mm 。按照国内的设计经验，一般在富水的软流塑地层中管片采,用 350mm 的厚度；在地基承载力较高的地层中采用 300mm 的厚度。按照国内地铁区间的埋深和地质情况，软土地层中管片的厚度并不取决于管片的结构受力，主要取决于管片的耐久性要求，若单纯从受力分析，管片厚度有减薄的可能性。,管片连接方式,衬砌环内管片间以及各衬砌环间的连接方式，可分为柔性连接和刚性连接。,实践证明刚性连接不仅拼装麻烦、造价高，而且会在衬砌环中产生较大的次应力，带来不良后果。,因此，目前较为通用的是柔性连接，常用的有以下几种形式：,a.单排螺栓连接按螺栓形状又可分为弯螺栓连接、直螺栓连接和斜螺栓连接三种；,b.销钉连接销钉连接可用于纵向接缝，亦可用于横向接缝；,c.无连接件在稳定的不透水地层中，圆形衬砌的径向接缝也可不用任何连接件连接。,管片连接方式,国内区间隧道的管片连接一般采用螺栓连接，而且螺栓是永久性的。这与欧洲的设计习惯“管片的接缝一般只在管片拼装时采用螺栓，工程竣工后大部分螺栓取消”差异很大。这种情况主要取决于结构计算模式以及设计习惯的差异。在欧洲，管片接缝不考虑螺栓的作用，而是按弹性铰接接头进行整个结构的受力分析；在国内，管片接头基本按与结构等强进行考虑，按匀质圆环进行分析，因此接头设计相对较强。增加管片接头的连接刚度有利于增强结构的整体性和控制结构的变形，但盾构隧道施工和运营期间的一些问题与接头设计有一定的关系，比如曲线施工中管片的开裂和结构后期变形造成的结构的附加应力等。,管片拼装方式,管片的拼装方式有两种：通缝拼装和错缝拼装。,在国内，采用了通缝和错缝拼装。在国外，不管是欧美，还是日本，一般皆采用错缝拼装。错缝拼装可提高管片接头刚度，加强结构的整体性，这点在国内有着统一的认识。,从结构受力分析考虑，采用错缝拼装的管片相对于通缝拼装而言一般结构计算内力要大一些，但管片配筋经常由最小配筋率控制，因此整个结构的配筋量未必会加大。从具体的施工管理看，错缝拼装相对复杂一些，管片的拼装需要按三维进行，环面的平整度以及千斤顶,的行程控制相对难一些。若施工中部分环节控制不当，管片错台会大一些、开裂也相对多一些。但现在管片生产一般采用高精度钢模，盾构机系统配备也很先进，施工技术也日趋完善，错缝拼装的经验越来越丰富。预计在以后的盾构工程中，错缝拼装将是主流趋势。,错缝拼装图例,衬砌环组合形式,区间盾构隧道的线路拟合是通过不同的管片衬砌环组合来实现的。线路的拟合包括平、竖曲线两个方面。一般有三种管片组合方法来模拟线路，这三种管片组合方法应该说都是可行的。采用哪一种方法，一方面取决于设计施工习惯，另一方面取决于区间的线路曲线情况。表 7-1-2 为三种管片组合方法。,三种管片组合方法,Three segment composition methods,管片结构分析,在国内，已建或在建的盾构工程基本来用了荷载结构模型进行结构分析，地层结构模型基本作为计算参考或进行沉降分析使用。 利用荷载结构模型进行分析，国内采用了三种计算方法，且计算方法的采用与工程实践紧密联系在一起。,不考虑地层弹性抗力的自由变形圆环法(上海80,年代之前,）.,采用日本的修正惯用设计法，根据工程经验及试验分析，计算中引入两个参数：圆环刚度折减系数和管片弯矩传递系数。通过系数调节，来考虑管片多接缝造成的管片刚度降低和管片错缝拼装的影响，计算理论是完整的，但参数的取值应综合地层条件和管片接头构造设计进行确定。（,广州地铁,1号线）,自由变形圆环法。（广州地铁二号线、深圳地铁和北京地铁五号线）,设计原则,a.安全可靠经济合理施工方便,b.选用与特点相近的规范和设计方法,c.结构净空尺寸的要求,d.减少对环境的影响,e.极限状态设计法，分项系数,f.按最不利组合进行结构验算,g.防水防腐蚀等要求,盾构隧道设计方法,表4-10列出了国外盾构法隧道的各种设计方法。,国外盾构法隧道设计比较表 表4-10,续上表,续上表,荷载,作用在盾构隧道上的设计荷载如图4-17。,图4-17作用在盾构隧道上的设计荷载,式中：W衬砌纵向每延米重力；,P,c1,垂直作用的地层压力 ；,q,c1,q,c2,水平地层压力；,p,w1,垂直作用的水压力；,q,w1,q,w2,水平作用水压力；,t 衬砌厚度；,R,c,隧道横断面中心线半径。,地面超载P,0,一般取10kN/m,2,;结构自重作用在隧道横断面形心上的竖向荷载为,(4-5),(4-6),a.水位以上取天然容重，以下取水下湿容重；,b.隧道拱顶上的竖向土压按均布荷载考虑，且等于覆土层的压力；,c.若隧道覆土层厚度不小于2D(D为衬砌外径），则按太沙基公式计算折减后的竖向土压力。折减后的覆土层厚度,h,0,按下式计算。,式中：c土体粘聚力；,土体内摩擦角；,土体重度；,R,0,衬砌圆环外半径；,K,0,侧向土压力与竖向图压力的比值，取K,0,1。,(4-7),(4-8),a.水平土压力为作用在衬砌形心线上自拱顶至隧道底部的均匀性变化荷载，其值定义为竖向土压力与侧向土压力系数乘积；,b.粘性土层的侧向地层压力通常按水土合算考虑；,c.侧向土压力系数,0.650.75；砂性土层中可按水土分算考虑，侧向土压力系数按主动土压力系数计算；,d.表4-11给出土体侧压力系数及地基反力系数。,根据标准惯入实验,N,值而定的,和k值 表,4-11,(4-9),(4-10),(4-11),(4-12),(4-13),(4-14),(4-15),(4-16),(4-17),(4-18),(4-19),(4-20),土体的侧向压力系数也可根据土体的物理力学指标计算得到。,(4-21),水压力一般情况下简化为静止水压力作用在衬砌上。为了简化计算，拱顶和拱底处近似按均布竖向水压力处理，其值取为该处的静水压力。侧向水压力为由拱顶至拱底线性变化的水平荷载，如图4-17。,作用在衬砌上的水压力的合力是一种向上的浮力，若拱顶处的竖向土压力和自重的合力小于浮力，隧道将育可能浮起。为此需要采取诸如施作二次衬砌以增加隧道重量或在地面堆载的措施。,按图4-18的静水压力分布曲线，作用在圆环周边任一点静水压力为：,单位长度上隧道管片受到向上浮力：,(4-22),(4-23),图4-18静水压力,若采用竖向均布荷载和水平均布线性变化荷载组合，则：,(4-24),作用在单位长度隧道管片上的竖向浮力，按竖向均布和侧边线性变化组合为：,(4-25),地基的抗力分为与地层位移无关和与地层位移有关的两种情况；,为计算竖向水土压力和自重位移引起得抗力，必须采用诸如管片矫正器之类得设备，以保证在土压力和水土压力作用前衬砌不至因为自重变形，并保持准确的衬砌形状；,拱顶竖向土压力和自重与隧道底竖向土压力平衡，由此确定隧道底的地基反力。这是一类抗力与地层无关的情况。,衬砌较柔土层刚度较大情况下，对于盾构法施工的圆形隧道可以适当考虑一些由地层位移引起的地基抗力。,抗力图形假设呈以等腰三角形，其作用范围为隧道水平直径上下45范围之内。,抗力大小按弹性地基梁基床反力系数法计算：,式中：k地基基床反力系数（MN/m,3,）；,衬砌圆环在水平直径处变形量(m)；,q,k,地基的抗力（MN/m,2,）。,(4-26),构件内力计算,a.自由变形弹性均质圆环法,1)处于软弱地层和饱和软粘土中的整体式圆形衬砌，或接头刚度接近结构本身刚度的装配式圆形衬砌均可采用本方法进行结构内力分析。,2)假定：,a)地层不提供侧向弹性抗力；,b)地基竖向反力按均匀分布考虑，并根据静力平衡条件计算其量值；,c)结构为弹性均质体。,3)弹性均质自由变形圆环,b.弹性地基刚架模型法,1)把每块管片作为一个刚体，相互铰接,2)借助计算机，适合不同的荷载变化情况,3)可以采用法向地基抗力，也可以采用切向抗力,4)地基抗力施加范围可以是全部弹簧支撑刚架模型拱部五抗力刚架模型全部无弹簧支撑刚架模型,c.有限单元法,适用于构筑在软岩或较稳定得地层内得衬砌设计,截面设计,a.装配式衬砌宜选用钢筋混凝土，C40；特殊地段可用复合衬砌；,b.衬砌厚度应根据隧道外径的大小埋深等因素确定，一般为(0.050.06)D；,c.单线地铁直径一般5.56.5m，通常衬砌环分46块，大直径分68块；,d.端肋和环肋的宽度应满足强度和抗裂要求；,e.偏心受压的钢筋混凝土构件；,f.主体结构工程设计使用年限为100年。,管片的预制工艺与技术,Segment stored in Metro of Brescia site.,盾构施工中的其它问题,1盾构施工地面沉降的控制技术,现在对环境控制的要求越来越高，对盾构穿过城市中心重要建筑时的影响要求极为严格 (如上海,广州的多座地铁隧道的建设.一般要求施工时地面沉降控制在+10mm30mm 之内) 。盾构施工不可避免地干扰原土层的平衡状态，虽从理论上可实现无沉降施工，但限于目前工艺和施工手段、操作质量，几乎无法做到地面无沉降或隆起。目前，国内外许多学者从事这一方面的研究，内容包括盾构施工引起的地表沉降、地层沉降以及盾构施工对邻近建筑物(桩基及已建隧道等)的影响等。 研究的方法主要有经验公式法、 离心模型试验和有限元法等。,2 管片结构的防水,衬砌混凝土管片自防水技术措施,接缝防水：弹性密封垫防水,嵌缝防水,注浆防水,