关宝树-地下工程PPT-第三章

刘俊新(西南科技大学土木工程与建筑学院)第三篇盾构法修建的地下工程2.1盾构的类型与构造1)类型（一般分为：开放式、部分开放式和封闭式）开放式：手掘式、半机械式、机械式；部分开放式：网格式；封闭式：泥水平衡式、土压平衡式（泥土式、加泥式）第一节盾构法的发展历程第二节盾构法的基本概念第一章盾构法发展历史及基本概念2)构造盾构的标准为园形，也有矩形、椭园形、马蹄形、半园形、双环及多环形等特殊形状，但其基本构造则由：钢壳、推进机系统、衬砌拼装系统三部分构成。盾构钢壳：由切口环、支承环和盾尾三部分组成。盾构推进系统：由液压设备和盾构千斤顶组成。衬砌拼装系统：拼装器－它把管片按设计形状，安全迅速地进行拼装，具有夹钳、使管片位置伸缩、前后滑动、旋转等功能。隧道施工的盾构机大型盾构机椭圆式盾构机盾构施工盾构施工3)盾构工法的选择（1）掌握各种盾构机的特征；（2）了解地层地质情况；（3）了解地上、地下环境情况；（4）考虑工期和成本。4)盾构施工中的衬砌技术在软土地层施工隧道，衬砌支护是非常关键。盾构施工多采用预制拼装衬砌形式，对于防护要求高的隧道也有采用整体浇筑混凝土支护、复合式衬砌等。预制拼装衬砌特点：施工快可立即承受荷载（保证掘进速度）、易于机械化施工易、保证施工质量，并可附加专门的防水装置。。预制拼装衬砌园环一般由标准块、邻接块和封顶块在盾尾拼装而成。标准块是在工厂按设计要求专门加工，一般10m左右大直径隧道，每个衬砌环园采用8~10块标准块；6m左右中直径隧道采用6~8块标准块；3m左右小直径隧道采用4块标准块。园环的拼装形式有通缝和错缝两种，一般采用错缝形式―它具有刚度均匀、接缝变形小、防水性能好等许多优点。圆环衬砌片联结盾构片盾构片填加2.2盾构法施工步骤：①在盾构隧道的始发端和到达端各修建一个竖井。②盾构在始发竖井内安装就位。③依靠千斤顶（作用在已拼装好的衬砌环上），将盾构从始发竖井内始发。④盾构在地层中沿着设计轴线掘进，同时不断出土和安装衬砌管片环，并及时向盾尾空隙内注浆，防止地层下沉。⑤盾构进入到达竖井后拆除。1.盾构法施工的概貌2.盾构法施工的衬砌结构主要解决以下问题：（1）满足结构强度和刚度要求；（2）提高管片自身抗渗性和制作精度；（3）解决接头的密封问题。1.竖井竖井是用于盾构设备的运入、运出、转向、组装、解体，出碴，以及设备、材料的运入运出，施工人员的出入，供电、给排水、通风等的作业坑道。2.衬砌衬砌是承受盾构隧道周围的土压力、水压力以确保隧道净空的结构物。衬砌分为一次衬砌和二次衬砌。在盾构隧道中，一次衬砌通常采用的是装配式管片环，二次衬砌是在一次衬砌内侧现浇的混凝土，一般而言，盾构法隧道中，管片衬砌为隧道的主体结构，用于承受外部荷载，而二次衬砌多用于管片衬砌防蚀、防渗、校正中心线偏离、使表面光洁和隧道内部装饰等。3.壁后注浆壁后注浆是指在盾构隧道的管片衬砌与围岩之间的空隙（盾尾空隙）内注入填充材料的施工过程。壁后注浆的目的为防止地层变形、防止管片漏水确保管片环的早期稳定及防止隧道的蛇行等。4.二次注浆二次注浆是对壁后注浆的补充注浆。有三种情况需要进行二次注浆：一是一次注浆后未完全填充；二是一次注浆的体积缩减部分的补充注入；三是为了提高抗渗透等施工效果而进行的二次注浆。2.3盾构法施工的主要优点是：①除竖井施工外，隧道施工作业均在地下进行，不影响地面交通，可减少对地面环境的影响，包括噪声和振动等。②隧道的施工费用几乎不受埋深的影响。③盾构掘进、出土、拼装管片衬砌等主要工序都靠机械完成，施工人员较少，施工易于管理。④隧道越江、河和海时，采用盾构法施工不影响航道。⑤施工不受风雨等气候条件影响。⑥在地质差和水位高的条件下修建埋深较大的隧道，盾构法有较高的技术经济优越性。⑦适用地层范围广，从软土、砂卵土、软岩直到岩层均可适用。2.4盾构法修建隧道也存在一定的技术问题：①隧道曲线半径过小时，施工较为困难，但从目前的盾构设备来看，曲线半径大于10m的隧道施工已不存在问题。②如隧道埋深太浅，则盾构法施工困难很大，地面沉降很难控制；在水下施工时，如覆土太浅，则盾构法隧道施工不够安全，容易产生渗漏和喷涌现象。③盾构施工中采用全气压方法以疏干和稳定地层时，施工条件差，对施工技术人员的身体影响大，全气压法目前已很少采用。第二章盾构设备类型及其选型第一节盾构设备的组成随着盾构技术发展，盾构设备的种类也越来越多。从主体结构方面讲，盾构设备由盾构外壳、开挖系统、掘进系统、管片拼装系统和控制系统等组成。1.1盾构外壳一台盾构设备的外壳沿纵向从开挖面开始，依次分为切口环、支承环和盾尾三部分。1.切口环切口环可保持开挖面的稳定，在该部位装有切削机械和挡土设备，故又称切削挡土部。在敞开式盾构中，切口环上装有挡土支护装置。通常采用阶梯形、斜承形和垂直形等形状，见图3-2-2。阶梯形和斜承形切口环的上半部分较下半部分突出，呈帽檐状。为了作业的安全，有时需要设置一组可以用千斤顶控制的移动式切口环，一方面可以替代盾构本体顶部突出的部分，另一方面还可以满足因地层条件差需要对固定环加长的要求。切口环的刀口顶端部分加工成刀片状，加强肋部分做成斜坡状。在封闭式盾构中，前端装有切削刀盘，刀盘后方到隔板的空间称为土舱（或泥水舱）。土舱内设有搅拌装置，底部设有进入螺旋出土器的出土口，上部留有添加材料的注入口。2.支承环支承环是承受作用于盾构上全部荷载的主体结构。支承环的前部和后部均设有环状的刚性结构，在大、中断面盾构上，大多采用梁柱进行加固，故支承环板壳的厚度有时会比盾尾和切口环部分设计得稍薄一些。3.盾尾盾尾即盾构的后部结构（图3-2-3），其长度需要根据管片在盾构设备内的组装长度和盾尾止水带的形状及其层数确定。此外，还需考虑由于隧道的曲线施工等因素增加的一些富余量，其厚度是在不产生过大变形的范围内尽可能薄一些，但必须确保盾尾止水带安装所需要的厚度。为了防止地下水和壁后注浆材料渗入盾构设备内，在盾尾板壳和管片之间需设置止水带，即盾尾止水带。其材料常用橡胶、树脂、钢材、不锈钢或其中几种材料的复合体等，常用的形状有刷和板状等。1.2开挖系统不同盾构设备安装有不同的开挖机构，对于手掘式盾构，开挖机构包括鹤嘴锄、风镐和铁锹等。对于半机械式盾构，开挖机构是铲斗和切削头。对于机械式盾构和封闭式盾构，则指的是切削刀盘或刀头。1.刀盘的构成及其功能切削刀盘为可转动或摇动的盘状切削器，具有边旋转、边保持开挖面稳定和边开挖岩体的功能。由切削刀具、稳定开挖面的面板、出土槽口、转动或摇动的驱动机构和轴承机构等组成2.刀盘形状切削刀盘的形状主要有轮辐式和面板式两种，面板式又分为平板型、轴芯型和鼓筒型等。轮辐式的切削刀盘实际负荷扭矩小，容易进土，多用于土压平衡式盾构。面板式的切削刀盘具有开挖面挡土功能，用于土压式和泥水式盾构。鼓筒式的切削刀盘用于开挖面自稳性强的地层，由于砾石和硬质地层对切削刀盘的强度需求高，所以应安装齿轮钻切削刀头，有利于开挖砂砾石地层。3.刀盘扭矩刀盘扭矩需根据围岩条件、盾构形式、盾构结构和盾构直径来确定，一般认为刀盘所需扭矩由下式计算：4.切削刀头切削刀头的形状（图3-2-5）和材料可以根据地层条件来确定，其形状主要是确定其前角和后角，对于胶结粘性土，前角和后角要大些，而砾石则相对小些。常见的切削刀具有齿形刀具、屋顶形刀具、镶嵌形刀具及盘形刀具。其正视图和俯视图如图:刀头的安装高度往往需要根据地层条件和旋转距离推算出其磨损量、掘进速度和切削转速以及根据设定位置求出的切入深度等确定。配置则需根据地层条件、盾构外径、切削转速及施工总长等确定。其安装方法如图:5.刀盘的支承方式切削刀盘的支承方式可分为中心支承式、中间支承式及周边支承式三种。构造示意图如图:各种支承方式的性能及特点如表:由表不难看出，支承方式与盾构直径、土质对象、螺旋出土器、土体粘附状况等多种因素有关。确定支承方式时必须综合考虑表中各种因素的影响，通常多选择中心支承式和中间支承式。6.轴承止水带设置轴承止水带，其目的是为了保护切削轴承，防止土砂、地下水及添加剂等侵入，故要求轴承止水带能够承受压力舱内的泥水压、地下水压、泥土压、添加剂和注入压力及气压等。应根据刀盘支承方式来确定，即支承方式中切削轴承的支承部位就是轴承止水带的安装位置。轴承止水带材料应满足耐压性、耐磨损性、耐油性和耐热性等要求。轴承止水带形状：密封件形状有单唇和多唇形。1.3掘进系统1.总推力的计算盾构的总推力应根据各推进阻力的总和及其所需的富余量决定，其计算表达式如下：2.盾构千斤顶的选型和配置千斤顶选型和配置应根据盾构的操作性及管片组装施工方便性等确定，在其选型与配置时，需注意下列事项：（１）千斤顶选型①应选用结构紧凑的高液压千斤顶。②宜选用重量轻、耐久性好、易于维修和更换的千斤顶。③应充分考虑千斤顶的运转性能。（２）千斤顶配置①千斤顶等间距配置在盾构壳体内侧附近，在管片全周施加均等推力。但是，由于土质的关系，有时也采用不等间距配置。②千斤顶配置时，应使推进轴平行于盾构轴线。为了防止盾构设备转动，有一部分也采用倾斜配置。此时会有弯曲荷载作用于活塞杆上，应予注意。③千斤顶的台数：千斤顶的推力和台数应根据盾构外径、总推力、管片结构和隧道路线等因素确定。一般１台盾构千斤顶的推力，在中小断面盾构上为600-1500kN（60-150t），大截面时则为2000-4000kN（200-400t）。（３）压力垫①千斤顶的活塞杆顶端需设置压力垫，其结构应能保证推力均匀分布在管片的端面上。②为了减小作用于管片上的偏心力，也有的让支座中心偏离千斤顶中心线。③设置压力垫大小时，须遵循不会出现过大的局部力作用在管片上的原则。④根据管片的材质，有时需在压力垫接触面上覆盖橡胶板等，以保护管片端面。3.盾构千斤顶的工作速度盾构千斤顶的工作速度，当采用普通全装备千斤顶时，为50-100mm/min左右。千斤顶回程速度，从提高施工效率来讲，要尽可能快一些。1.4管片拼装系统管片拼装系统设置在盾构的尾部，由管片拼装机械手和真圆保持器构成。1.管片拼装机械手管片拼装机械手是在盾尾内把管片按照所定形状安全、迅速地拼装成环的装置，包括搬运管片的钳夹系统和上举、旋转和拼装系统。①拼装机械手种类常见的拼装机械手有环式、空心轴式和齿条齿轮式三种（如图3-2-10）。因环式是空心的圆形旋转，即使在驱动中也可以确保作业的空间，同时土砂运出作业不受影响，故使用比较多。②钳夹系统该系统随着管片的形状而异，会影响管片组装效率。因此，设计时应以夹具能安全、迅速地夹住管片为目的，夹具有手动螺旋式和液压千斤顶式等。具体如图3-2-11所示。③管片自动拼装机械手出于下列目的，有时会采用管片自动组装机。它具有如下特性：提高组装作业的安全性；提高组装精度（提高质量）；降低作业的劳动强度；提高作业的效率。管片自动拼装机械手由管片供给、夹持、定位和接头紧固等装置组成。采用自动拼装机械手时，应仔细研究管片的形状、洞内环境、机械耐久性和组装空间等。2.真圆保持器当盾构向前掘进时管片拼装环就从盾尾脱出，由于管片接头缝隙、自重力和土压的作用等原因，管片环会产生横向变形，使横断面成为椭圆形。当变形时，前面装好的管片环和现拼的管片环在连接时会出现高低不平（错台），给安装纵向螺栓带来困难。为了避免管片环的高低不平，需要采用真圆保持器。一般可采用下列方法：①利用设置在真圆保持器上的油压千斤顶矫正管片环。②通过加工盾尾内的结构矫正管片环：一般在盾尾内设置管片导轨以防止管片脱降；或设置真圆保持环以抑制管片变形。这些方法可以使管片拼装作业更为容易。但是使用这些方法会使盾尾内径变小，对方向控制等造成影响。图3-2-12所示为上下扩张式和上部扩张式真圆保持器。1.5控制系统盾构控制系统是使各设备可靠地工作，使开挖、掘进、出土等相互关联设备和其他设备能平衡地发挥功能，需要注意下列事项：①自始至终显示出各设备的运行状态，发生异常时，要清楚地显示出相关