盾构施工规范31

第三章厉构27第三章盾构3.1盾构计划3.1.1适用范围在这里主要出示以圆形断面盾构为基本形状的盾构设计及制造的有关事项。 但是，通过技术性判断也可适用于圆形断面以外的盾构。【说明】虽然根据多种需要最近开发了多圆形、矩形等特殊断面形状的盾构，但这些盾构只是通 常只用于车站等施工空间受到限制时的特殊情况。由于事例较少，故不作为直接的适用对彖 来考虑。然而，对于通用事项，在认真进行技术性研究的基础上，认为适当时，也可引用。3.1.2盾构计划在制订盾构计划时，必须考虑下列事项。（1）围岩条件（2）施工总长（3）隧道线路（4）施工深度【说明】关于（1）隧道工程的难易大多受围岩条件制约。为此，必须根据土质、土压力、水压力等的围岩条件认真研究盾构的耐久性、施工性等 特性。制订盾构计划时，尤其应考虑的土质、土层如下。 灵敏度高的软弱土质 富于透水性的松散土质 高塑性土质 有含水层的土质 有巨砾石大卵石的土质 估计有木块及其它夹杂物的土质 含软、硕两性的土质关于（2）若是长距离施工，则必须认真研究盾构各部位的磨损和耐久性并考虑维护措施。其中包 拾加油、零配件更换等（参照5.6.7长距离施工）。关于（3）如果是急曲线施工，必须研究出能确保线路的施工方法。通过认真研究，尽屋采用超挖少的掘进方法以确保线路（参照566急曲线施工）。关于（4）一般来说，施工深度愈人，施工位置的水压力愈大，愈应认真研究各部位的强度和密封 材料的耐压性（参照565大覆土施工）。3丄3盾构型式的选择选择盾构型式时，除应考虑场地条件、I制岩条件、环境条件、障碍物条件、设计条件等 各种条件外，还要以能够安全而且经济地进行施工为原则选择盾构型式。【说明】（1）盾构型式的分类与特征关于盾构型式的分类，一般有根据断面形状分类、开挖方式分类、头部结构分类的方法。 如说明图3.1.1所示，根据头部的结构（以隔离开挖面和盾尾衬砌作业空间之间隔板的有无） 可以分为闭胸式和敞开式。从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤 压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的铁路隧道中已很少使用，在此不再说明。（头部的结构）（开挖方式）（开挖面稳定方法）L 土压式一开挖土十面板 厂土压平衡式-I开挖土十搅动翼L闭胸式局部敞开式敞开式一全部敞开式匚泥土压式一开挖土十添加剂十面板1开挖土十添加剂十搅动翼泥水加压式泥水十而板泥水十搅动挤压式胸板手掘式1突檐I支护装捏半机械式r 突檐I支护装置机械式r面板搅动翼说明图3.1.1盾构的一般分类根据开挖面的稳定原理和方法，可以将各种盾构的特征总结如下。1）闭胸式盾构通过设置于切II坏和支承坏之间的密封隔板，并在隔板和作业面之间形成压力舱，保持 充满泥砂或泥水的压力舱内的压力，以保证作业面的稳定性的机械式盾构型式。根据开挖面 稳定机理可以分为土压平衡式盾构和泥水加压式盾构。土压平衡式盾构将开挖的泥砂进行泥浆化，通过控制泥浆的压力以保证作业面的稳定性。该盾构设置有 有切削围岩的机械、搅拌开挖土砂使其泥浆化的搅拌机械、切削土的排出机械并有能够保证 切削土压力的控制机械的盾构型式。又可根据是否具有促进泥浆化的添加材料的注浆装置分 为土压盾构和泥土压盾构。a. 土压式盾构使用转动刀盘切削闱岩，并使作业面和隔板之间充满经过搅拌的土砂。该施工方式通过 盾构的推进力给切削土砂加压并使其作用于作业面整体来获取作业面的稳定性，同时通过螺 旋式输送器进行排土。b.泥土压式盾构通过一边注入添加材料一边转动刀盘，强制性地搅拌切削土砂和添加材料使其成为塑性 流动化状态。与土压盾构相同，该施工方式也为一边保持作业面的稳定性一边通过螺旋输送 器进行排土。泥水加压式盾构该盾构通过给泥浆一定的压力以保持开挖面的稳定性，并通过循环泥浆将切削土砂以流 体方式输送运出。该盾构型式设置有切削围岩的开挖机械，泥浆循环设备，给泥浆施加一定 压力的送排泥设备，运出泥浆的分离设备，另外有的泥水加压式盾构还具有保证泥浆性能的 调泥和泥水处理设备。2）敞开式盾构敞开式盾构与闭胸式盾构的主要不同就是没有设置隔板，开挖面全部或大部分敞开的盾 构型式，以作业面能够自立稳定作为前提。对于不能自立稳定的作业面，要通过辅助施方法, 使其能够满足自立稳定条件。 机械式盾构在盾构前部安装有切削刀盘，可用机械连续地开挖土砂的盾构。通过刀盘支撑，可以得 到一些挡土效果。 半机械式盾构敞开式盾构中的半机械式盾构是在盾构的原型一人工开挖式盾构上装上开挖机、装载机 或开挖装载两用机等的盾构。为了防止开挖面崩塌，可安装可动式切II环、半月形斤顶。 但由于安装了开挖装置，故实际上难以设置前面千斤顶等挡土装置，大多在开挖过程中开挖 面敞开得很大，对开挖面的稳定条件需进行研究。（2）盾构型式的选定选择盾构型式时，需按说明图3.1.2的流程进行，认真研究选址条件、围岩条件、坏境条 件、障碍物的施工条件和设计条件等。通过综合评价选择能够安全、经济施工的盾构型式。选择时最需要注意的是要选择可得到开挖面稳定的盾构型式。最近，对于复杂的鬧岩条 件，原则上也不使用辅助施工法，而口渐增多地采用容易维持开挖面稳定的闭胸式盾构。其 中，土压平衡式（泥土压）盾构和泥水加压式盾构占主流（参照说明表3.1.1 ）。尤其是泥土压 式盾构，通过改进添加剂和压力保持装置，采用数量口渐增多。说明表3.1.1铁路隧道上采用的各种盾构型式的数量盾构型式闭胸式敞开式土压平衡式（土压土压平衡式（泥土压）泥水加压式机械式半机械式台数11988601（19S4年1993年十铁滋公团施工（截至199S年”另外，近年来由于竖井用地面积和开挖土处理而影响盾构型式选择的实例有增多的趋势。 铁路公团施工用的盾构型式如参考资料3.1.3所示。对各种盾构型式适用的土质如下所示。盾构型式和土质见说明表3.1.2。1）土压平衡式盾构土压平衡式盾构可分为土压式盾构和泥土压式盾构。对于含水率和土砂的颗粒级配良好、 仅搅拌开挖面的土砂便可确保流动性，土砂可以直接充满压力舱和螺旋排土器，开挖面可保 持稳定的土质，则适合前者；而对于砂成分多、不具备流动性的土质，则适合后者。因后者 通过加入水、泥浆、添加剂等，可更好地抵抗开挖面的土压力。这些土压平衡式盾构由于备有可根据土压力使取土和推进联动的装置，不仅可确保开挖 面的稳定，而且还可减少对周围地基的影响。另一个优点是：原则上不需要辅助施工法，可 不进行地上作业。其中，泥土压式盾构适用于冲枳形成的砂砾、砂、粘土质砂、粘土等粘聚力低的软弱地 基、洪积地基和软硬混杂的互层地基等，从土质的角度看，是适用范闱最广的型式。但对于 水压力高的地基，仅用排土用的螺旋排土器，往往难以应付。需研究安装抵抗水压力的添加 剂、直接连接压力输送泵等装置以改进开挖土的土质性质等事宜。2）泥水加压式盾构泥水加压式盾构是通过施加稍高于开挖面的土水压力的泥浆压力，来保持开挖面的稳定 性。它不仅利用泥浆压力，而且还通过选择泥浆性质，可进一步增加开挖面的稳定性。故较 适宜用于河底、海底等的水压力很高的工程。从地上到开挖面，利用泵通过管道进行送排泥 作业。由于开挖面完全被封闭，其安全性高、施工环境好，且不会给闱岩施加上过人的力， 也不会挤压围岩，对周围地基的影响小。由于原则上不使用辅助施工法，故和土压平衡式一 样，具有不需地上作业的优点。泥水加压式盾构适用于冲枳形成的砂砾、砂、粘土质砂、粘土层或互层地基中的粘聚力 低的软弱地层和含水率高、开挖面不稳定的地层，以及洪积的砂砾、砂、粘土质砂、粘土层 或互相重迭的、多水的、有可能出现渗水引起地基坍塌的地层等等，是一种适用土质范围很 广的盾构型式。但对于透水性高的地基、巨砾地基，有时也会有开挖面难以稳定的情况，此 时需研究辅助施工法。3）机械开挖式盾构机械开挖式盾构装有可对开挖面连续开挖的旋转刀盘。刀盘有面板式和轮辐式两种。前 者适用于人断面，刀盘可确保巨砾、犬卵石上的开挖面的稳定性和开II率。后者适用于开挖 面容易稳定的小断面，尤其当需取进巨砾、人卵石时更为适宜。机械开挖式盾构一般适合开 挖面容易自立的洪枳层，对于难以自立的冲积层则可同时采用压气施工法、地下水位降低施 工法、地基加固施工法等等辅助施工法。该种盾构最近采用的数量不多。4）半机械开挖式盾构半机械开挖式盾构，其前部敞开，对开挖面的软硬和出现砾石、人卵石、障碍物等时， 最容易处理。该施工法人多和压气施工法一起使用，以保证开挖面稳定。但该施工法的基本 原则是开挖面的独立时间要长。对于开挖面有不稳定的土质时，则应釆用化学注浆施工法进 行围岩稳定处理。而对于地卞水位高、渗水造成开挖面不稳定者，需同时采用降低地卞水位 施工法。半机械开挖式盾构主要适用于洪积层的砂砾、砂、凝结粉砂、粘土，对软质冲枳层则不 适用。最近采用数量和机械开挖式一样也比较少。铁路隧道中，敞开式盾构的采用数量少，在后面的说明中不再赘述。11-i也利用状况粋来i+别道路种类，交通状况施工用地的状况河川，湖沼等的状况地层构成1地下水位（头）分布缺氧气体，有害气体的有无-各层的工程性质（强度特性，变形特性，透水性）调査项目成式 性构方 自地支 Ln J论证项目一期工施工措施的论证开挖而的稳定:长距离施工地基变形.-急曲线施工出发到达部的防护| 障碍物周甬建筑物的保护I比较论证开挖而稳定环境保护 地基变形操作环境I严经济衬砌1 厉构-相那施1 -JI综合评价方法的选择L 件1, J【障碍物匕役井旧它 地埋水废其环1地下水污染，枯竭振动，噪声 口照，景观其它障碍物处理开挖土的处理开挖土的搬运施工用地注）选择开挖方式时请参照说明表3.L2肝构形式 与丄质。工 期; 相则昔施 衬砌 I说明图3丄2方法选择流程图例说明表312盾构型式与土质引用土木学会：隧道标准规范（厉构篇）构型式地层闭胸型备注土压平衡式泥水加压式土压式泥土压式土质N值留意点齢生留总点适的留意点冲4腐植土0X地基变形地基变形粉土 粘土02OOO砂质粉土 砂质粘土05OOO510OOO洪积粘土粉质土 粘土10 20切削土砂 引起堵塞OO粉砂质土 砂质粘土15 20切削土砂 引起堵塞OO25以上切削土砂 引起堵塞OO泥岩50以上切削土砂 引起堵塞刀头的 磨耗刀头的 磨耗砂质土混砂粉质 粘土10 15OOO松砂10 30细粒分含 有量OO紧砂30以上细粒分含 有量OO砂砾卵石松砂砾10 40细粒分含 有量OO固结砂砾40以上地下水位0O混卵石 砂砾螺旋传送带规格O刀头规格3巨砾卵石刀头规格J刀头规格P砾的破碑注1）适合性记号的含义如下所示O：适合于土质条件。:使用时需要考虑采用辅助施工、辅助机械。X： 一般来说不适用。2）此表的N值是各种土质的一般值。3）关于留意点，只表明了具有适合性的地基及型式的最主要的问题。主要问题在一个以上时，用糸 来表示其它问题。例如T：刀盘面板的摩损，刀头的规格:*2：螺旋传送带的规格:*3：漏泥措施。4）所谓泥岩是强度比较低的风化泥岩。3.2设计基本方针3.2.1盾构设计盾构必须以能够支承围岩荷载，同时能安全、经济地施工为原则进行设计。【说明】盾构在其施工路段上所遇到的设计条件和施工条件复杂多变，故在设计盾构时，必须根 据这些条件的调查资料进行研究，设计出能充分满足这些条件的结构强度，保证足够的刚性、 耐久性、施工性、安全性、经济性的盾构。3.2.2荷载设计盾构时一般应考虑F列荷载。（1）垂直和侧向土压力（2）水压力3）自重（4）上覆荷载的影响（5）变向荷载（6）开挖面上的作用压力（7）其它【说明】设计盾构时，应研究该盾构的施工路段中最危险的条件并细心地选择荷载。此时，需注 意的是并非是使用管片的设计条件中最为危险的荷载条件来进行盾构的设计。关于（1）垂直和侧向土压力是盾构设计荷载的最主要因素，仅作为静态作用的荷载处理是不妥当 的。这是因为按盾构的开挖方法、超挖程度和曲线施工等因素，将承受周边闱岩的复杂的静 态的或动态的荷载，设计上必须充分注意不要给施工带来重人的妨碍（参照盾构设计标准5.2）。作为变形的土抗力的地基抗力，不考虑者居多。关于（2）水压力一定要考虑（参照盾构设计标准5.3）。关于（3）盾构的自重反力也可用下式计算。DI式中，Ps：盾构的自重反力W：盾构机的重量D：盾构外径/：计算部位长度关于（4）应参照盾构设计标准5.5。关于（5）盾构在曲线施工时或修正方向时，会受到周围围岩与其偏心推力相平衡的地基抗力，这 叫作变向荷载，是设计上重要的复查点之一。变向荷载的人小和分布型式因不同条件而异，但最人值多以单侧受到的相当于被动土压 力的抗力，或在单侧使用半数左右的盾构千斤顶时，以此时产生的地基抗力求取。变向荷载 的计算实例如说明图3.2.1所示，惯用计算法的变向荷载图的实例如说明图3.2.2所示。：垂直土压力水压力的合力E：垂直土压力水压力的反力几：厉构的自重的反力Q：侧向土压力水压力的隧道上端的合力 侧向土压力水压力的隧道下端的合力 q：变向荷载引用土木学会：隧道标准规范（盾构施工法篇）说明图3.2.2惯用计算法的变向荷载的荷载图实例关于（6）开挖面上的作用压力指土压平衡式盾构的土压力；泥水加压式盾构的泥浆压力的反力, 是作用于隔板和钢壳的加固件一一支承环、支柱和加筋板上的力。关于（7）在制造盾构时或在其使用期间，若有特殊荷载作用，则应另行考虑。323结构设计盾构的结构设计必须使设计出的结构能够确保各部位对作用在其上的荷载能安全、充分 的发挥功能。【说明】盾构的结构设计需考虑的问题一般如下。 结构设计的断面内力的最大值应考虑为在全周上产生的。 在结构上，作用于盾构钢壳上的全部荷载，原则上应由支承环支承。 切I I环以隧道轴向的悬臂梁设计，该悬臂梁取支承环端为固定端。另外，隔板和其它 部件作为切口环的加固部件起作用时，也可将此列入考虑之中。 盾尾有时作为坏结构设计，有时则因为盾尾的一端固定在高刚性的支承坏上，故作为 一端固定的筒形薄壳设计。 切I I环和盾尾一旦产生变形和损坏时，由于不能配置加固部件，修补非常困难。设计 时需充分注意。 为确保盾构的轴承密封等的间隙，需研究弹性变形量。 结构设计所用的钢壳和加固杆件等的长期荷载（3.2.2荷载（1）（4）所示的荷载） 下的容许应力见说明表3.2.1o其中，变向荷载等短期荷载的容许应力，应可对说明表 3.2.1之值加成。加成容许应力的最大值取说明表3.2.1的150%或所用杆件的屈服点两 者之中较小的一个值。承受反复荷载和冲击等的杆件需另行慎重研究。 盾构的刀盘部分的杆件，因与土砂摩擦等原因，杆件厚度会减少，故应按土质、施工 总长对杆件厚度考虑一定的富裕量。第三章M构263.2.4盾构重量和重心位置设计盾构时，必须在研究搬运、竖井中的吊运等施工条件和掘进操纵、衬砌的组装等因 素来决定结构各部分的配置和分块方法。同时明确各部分和盾构主机的重量以及重心位置。【说明】类似铁路隧道的大型盾构，由于搬运到现场和吊运到竖井内的需要，盾构不得不分为几 块。此时，制订输送计划、竖井内的吊运计划等时，掌握各部分的重量及其重心位置极为重 要。在软弱地基上推进盾构，需注意盾构重量和重心位置对其运行性能的影响。出于这样的考虑，设计盾构时，必须认真研究搬运道路的条件、道路占用条件、竖井开 II部尺寸、竖井内作业空间等施工条件和掘进的操纵性、衬砌组装的操作等因素，然后决定 结构各部分的配置和分块方法，同时明确各部分和盾构主机的重量和重心位置。计算盾构尺 寸时，一般分为下列各部分进行计算。 盾构钢壳：壳板、支承坏、加劲肋 加固部件：加筋板、隔板 千斤顶：支护千斤顶、盾构千斤顶 管片组装机、形状（真圆）保持装置 开挖装置：刀盘和驱动装置 螺旋排土器、排泥口搅拌翼 动力系统及其它：油压泵配管阀门类、动力系统平板车铁路隧道中的盾构外径和主机重屋的关系如说明图3.2.3所示，盾构的重心位置如说明图 3243.2.5所示。14.0000闭胸式（圆形拆构）12,00010,0008.0006.0004,0002.000567891011厉构外径（m）（1984年1993年十铁路公团施工（截止1998年）说明图323盾构外径和主机重量的关系第三章盾构27口泥水加压式土压平衡式r1 心14空A 闭胸式（圆形厉构）0 800 700 600 500.40厉构主机长度（m）注隧道轴向重心位置-离厉尾的距离/厉构主机长度（19S4年1993年十铁路公团施1：（裁止1998年）说明图324线路方向的重心位置闭胸式（圆形丹构）注）垂直方向的重心位置-离盾构底部的距离/肝构外径（19S4年1993年十铁路公团施工（截止1998年）说明图325垂直方向的重心位置