教案(盾构法施工概述)《城市轨道工程施工》

“盾构法施工概述”教案教学目标：1、了解盾构法施工的历史；2、掌握盾构机的分类方法及代表类型；3、理解盾构机组成及工作原理；4、掌握盾构法施工各开挖方法及其区别、适用性、优缺点。教学重点：1、盾构机的分类方法；2、盾构机的组成及工作原理；3、各盾构开挖方法及其区别、适用性、优缺点。教学难点：1、盾构机的组成及工作原理；（内容较抽象，学生缺乏实践）2、各盾构开挖方法及其区别、适用性、优缺点。（学生刚刚接触到盾构法、对各盾构开挖方法容易混绕）教学方法：讲授法、引用案例法、直观演示法、情景模拟法、讨论法。教学课时：90分钟教学过程：导入新课：导入语：同学们，你们知道目前地铁建设中最常用的施工方法吗？学生回答，老师小结，地铁建设中最常用的施工方法是盾构法；今天就让我们一起学习盾构法施工概述。一、盾构法施工（板书）过渡：请同学们翻到课本72页，阅读第一段，了解一下什么是盾构法？学生回答幻灯片展示盾构法的定义：教师小结：以盾构机作为施工机械在地下暗挖隧道的一种施工方法。那么，什么是盾构机呢，请看视频。观看盾构机工作原理视频（3分钟）1、盾构法的发展历史（板书）老师讲授：盾构机全名为盾构隧道掘进机、是一种隧道掘进的专用工程施工机械，具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可以控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下施工时不影响水面交通等特点，在隧道洞线较长、埋深较大的情况下，盾构法更为经济合理。1818年法国工程师布鲁克诺从食船虫在船身上打洞一事受到启发，提出了盾构施工法，并获得特许，这也就是敞开式手掘盾构机的原型。盾构法最先应用于英国伦敦泰晤士河底隧道，这条隧道全长458米，是世界上第一条采用盾构法施工的隧道。1887年英国人格雷特海德在原有盾构施工基础上进行了改进，组合使用盾构和气压施工法进行施工，奠定了现代盾构施工发展的基础。近几十年，通过对土压平衡式、泥水式盾构中关键技术的探索和研究，使盾构机得到了很大的提高，如德国的盾构机可在施工过程中在保证密封的前提以及高达0.3兆帕气压的更换刀盘上的工具，提高盾构机的一次掘进长度。请同学们阅读本小节最后一段内容（P72第四段），回答，问题：为什么说英吉利海峡隧道、东京湾海底隧道将盾构法隧道施工技术推进了新阶段？学生回答老师小结：通过这两个隧道，大直径、大埋深、超长距离，复杂地质条件、高度自动化的盾构法得到了很好应用。过渡：接下来我们学习盾构机的种类及分类方法。2、盾构机的种类及分类方法（板书）老师讲授：盾构法的种类繁多，按不同的分类方法会有不同的名字。主要的分类方法有四种，如：按工作原理、按开挖方式、按断面形状、按盾构机的功能和用途。按工作原理，盾构机可分为：手掘式盾构机、挤压式式盾构机，半机械式盾构机、机械式盾构机；半机械式又有局部气压式和全局气压式，机械式又分为开胸式盾构、泥水加压盾构、土压平衡盾构、混合型盾构、异形盾构多种。按开挖方式：敞开式、机械切割式、网格式、挤压式。按盾构机的断面形状：圆形、半圆形、椭圆形、马蹄形、多圆搭接型、矩形等，种类较多，而且随着发展还会有新的断面形式出现。按盾构机的功能和用途：垂直相接的直角弯隧道盾构、还有偏心急弯盾构、大坡度盾构、地中对接盾构（又称CID工法）、侧接盾构、分岔盾构、变径盾构、大深度盾构、长距离盾构机、高速掘进盾构机。种类相当多，总之同学们知道按功能和用途分类，理解起来就会相对容易。提问：“机械切削式盾构”是根据哪种分类方法进行命名的？学生回答：按开挖方式老师：很好，只要大家掌握了盾构机的分类方法，就能知道盾构机的类型了，掌握方法才是是根本。过渡：下面，我们学习盾构机的构成。3、盾构机的构成（板书）老师讲授：盾构机按结构分为五大部分：壳体、排土系统、推进系统、衬砌拼装系统和辅助注浆系统。而壳体又包括：切口环、支承环和尾盾。同学们都玩过“贪食蛇”这个游戏，壳体这部分就是整个盾构机的蛇头，现在请同学们阅读教材本节内容（第74页-第75页第一段）去了解其构成。并比较图4-2中盾构外径与管片（衬砌）外径大小，思考这种构造会造出如何影响？学生回答：*******老师小结：会留下建筑间隙，引起地表沉降。引申思考：那么在施工过程中又是如何处理的呢？学生思考老师小结：采用辅助注浆系统对建筑间隙进行注浆填充。过渡：通过上个问题，大家知道了辅助注浆系统的重要性和作用，其实盾构机各个组成部分在盾构法施工过程中都有其独特的作用，下面我们就来学习这几个系统。整个盾构机就像贪食蛇，贪食蛇要前进、就要有推进系统；要将吃到的土体运到尾部并运走，就需要排土系统；要保证整个洞身不塌陷，就需要衬砌拼装系统；要减少洞身上面的地表沉降及渗漏水，就需要辅助注浆系统。下面我们就来学习推进系统、排土系统、衬砌拼装系统和辅助注浆系统。排土系统由切削土体的刀盘、泥土仓，螺旋出土器、皮带传送机、泥浆电瓶运输车等组成。通过这些部件就能将贪食蛇吃到的土体运送到尾部，再通过竖井运至地表。施工时控制螺旋出土器的排土速度和盾构推进速度，可以保持开挖面土体的平衡。思考：为什么说施工时控制螺旋出土器的排土速度和盾构推进速度，可以保持开挖面土体的平衡？学生回答老师小结：通过控制螺旋出土器的排土速度和盾构推进速度，进而控制泥土仓内的泥土量，会对开挖面形成一个土压，从而稳定开挖面。推进系统由液压设备和盾构千斤顶组成，主要设备是设置在盾构壳内侧环形中梁上的推进千斤顶群，推进时顶在已经拼装好的管片衬砌上，就能形成一个反推力，推动盾构机前进。衬砌拼装系统由举重臂（又称机械手）和真圆保持器组成，机械手是拼装设备，真圆保持器则是控制拼装准确的设备。辅助注浆系统包括浆液搅拌机、注浆泵等设备，管片拼装后注浆需及时，填充环形衬砌外的建筑间隙，以减少地面沉降。4、盾构开挖方法（板书）过渡：通过对前面内容的学习，同学们对盾构机的组成和工作原理有了一定的了解，下面我们学习盾构开挖方法，常用的盾构开挖方法有：敞开式开挖、机械切削式开挖、网格式开挖和挤压式开挖等多种工法。老师讲授：手掘式及半机械盾构机均为敞开式开挖，这种方法适用于地质条件较好、开挖面在掘进中能维持稳定或在有辅助措施能维持稳定的情况，其开挖一般是从顶部向下逐层开挖。这种开挖方法在处理孤立障碍物、纠偏、超挖均比其它方法容易，但要适当控制超挖量与开挖面暴露时间，以减少对土层的扰动。提问：敞开式开挖时维持开挖面稳定或在有辅助措施？学生回答老师小结：可借用千斤顶加撑板对开挖面进行临时支撑。机械切削式开挖就是采用旋转螺旋刀盘切割地层的开挖方法，根据地层的好坏，刀盘分为刀架间无封板和有封板两种，无封板的适用于土质较好的地质，施工时开挖面不会滑塌。机械切削式开挖在、纠偏、超挖均、清除障碍物不如敞开式开挖。另外适用刀盘的盾构机动能消耗较大，目前较先进的泥水加压盾构机和土压平衡盾构机均采用这种开挖方法。网格式开挖的开挖面被分成许多格子，开挖面的支撑力是由土的粘聚力和网格厚度范围内的阻力产生的，当盾构推进时，土体就从格子里挤出。根据土的性质来调节网格的开孔面积。因土体是被高压挤出的，在所有千斤顶缩回后，压力被卸载，将会产生较大的盾构后退现象，导致地表沉降。因此开挖时要采取有效措施，防止盾构后退。挤压式开挖分为全挤压式和局部挤压式，由于不出土或部分出土，对地层会有较大的扰动，施工时需尽量避开地面建筑物。当采用局部挤压式时，要精心控制出土量，以减少和控制地表沉降量。通过对各盾构开挖方法的学习，大家现在讨论一下盾构施工法有那些特点？讨论：盾构施工法的特点（优点和不足）学生讨论老师小结：PPT演示优点：（1）、地面交通不受影响、隐蔽性好、噪声、振动对环境影响小。（2）、隧道施工基本不受覆土深度影响，适用于深埋隧道。（3）、穿越河流时不影响通航，也不受气候影响。（4）、在地面建筑群和地下管线密集的区域施工时对周围环境影响小。（5）、自动化程度高，劳动力消耗低，施工速度快。缺点：（1）、施工设备费用高。（国产2500W、日系3500、德系6000万左右）（2）、覆土较浅时，地表沉降难以控制。（3）、施作小半径隧道时掘进比较困难。5、盾构法在我国的应用和发展，（板书）过渡：前面我们学习了盾构法的历史、盾构机的分类、盾构机的组成以及盾构法的开挖方法，现在请同学们阅读本堂课最后一节内容，盾构技术在我国的应用和发展。老师讲授：我国从上世纪50年代才开始引进盾构法修建隧道，虽然起步晚，但由于注意参考和借鉴别国成功的经验和失败的教训，所以发展很快，特别是近20年来随着我国城市地铁建设规模的扩大，盾构技术也得到了广泛的应用和很大的提高。下面我们来了解一下我国盾构法施工的成功案例（通过PPT）PPT演示成功案例提问：我国盾构掘进速度一般是多少米每月；最高月进度达到了多少米每月并说明是哪个工程？学生回答老师小结：我国盾构掘进速度一般为180-200米/月，广州地铁3号线大汉区间最高月掘进长度562.5米，是目前国内采用盾构施工的单月最高速度。6、观看盾构机施工演示视频（青草沙过江隧道）9分钟过渡：通过对本堂课的学习，同学们对盾构法施工有了一定的了解，现在大家一起来观看一段青草沙过江隧道的施工演示视频，结合已学内容进行思考。播放视频（教师做适当解说）情景：如果你是青草沙过江隧道衬砌拼装工序的工作人员，列举你要控制的重点？（引出下堂课的内容）引发学生思考，讨论，对下堂课起到铺垫作用。老师小结：控制重点有：管片的运输、管片的拼装顺序、管片拼装的准确性、管片的连接及防水处理等；下堂课将会本内容对进行讲解，同学们课后可先查看教材下节课内容进行了解。7、课堂总结，过渡：本堂课内容信息量大，覆盖面广，课后同学们复习时要注意以下三个方面。（PPT演示）（1）、盾构机种类繁多，同一种盾构机按不同的分类方法会有不同的名称叫法，只有掌握了盾构机的分类方法，才能理解和掌握盾构机的各个类型。（2）、盾构法施工自动化程度高，只有掌握了盾构机组成及工作原理，才能理解和掌握各个工序意义及内在联系。（3）、只有掌握了各种盾构开挖方法的适用性、优缺点，才能正确理解施工控制重点。主要的分类方法：按工作原理、按开挖方式、按断面形状、按盾构机的功能和用途。盾构机按结构分为五大部分：壳体、排土系统、推进系统、衬砌拼装系统、辅助注浆系统。常用的盾构开挖方法：敞开式开挖、机械切削式开挖、网格式开挖、挤压式开挖布置作业请同学们课后完成以下作业：1、盾构机有哪几种分类法？2、盾构机构造五大组成部分及作用？板书设计（因采用多媒体教学，且大部分为概念理解，因此板书只写出本堂课的题干。）盾构法施工1、盾构法的发展历史2、盾构机的种类及分类方法3、盾构机的构成4、盾构开挖方法5、盾构法在我国的应用和发展，讲课老师：邓华生