67图文详解盾构法隧道施工全套技术(2)(史上最全)

SHIELDO.D.：φ１４１４０ｍｍ東京湾横断道路TUNNEL闭胸式SHIELDSHIELDO.D.：８８４６×１７４４０ｍｍ１９９５年３圆泥水式盾构（３ＭＦ）地下鉄车站部・区间同時施工闭胸式SHIELD盾构选型的基本原则开挖面稳定地层的适应性地下水处理沉降施工适宜性安全性辅助工法环境及公害盾构类型与渗透性的关系––10––1––10-1––10-2––10-3––10-4––10-5––10-6––10-7––10-8––10-9––10-10––10-11––10-12卵石层粗砂砾层中细砂砾层粉细砾层粗砂层中砂层细砂层淤泥质粘土淤泥粘土土压盾构泥水盾构渗透系数(m/s))地层渗透系数泥水、土压盾构盾构类型与渗透性的关系地层渗透系数对于盾构的选型是一个很重要的影响因素。根据欧美和日本的施工经验，当地层的透水系数小于10-7m/s时，可以选用土压平衡盾构；当地层的渗水系数在10-7m/s和10-4m/s之间时，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；当地层的透水系数大于10-4m/s时，宜选用泥水盾构。盾构类型与颗粒级配的关系一般来说，细颗粒含量多，碴土易形成不透水的塑流体，容易充满土仓，在土仓中可以建立压力，平衡开挖面的土体。粗颗粒含量高的碴土塑流性差，实现土压平衡困难。盾构类型与颗粒级配的关系详见下图，图中蓝色区域为淤泥粘土区，为土压平衡盾构适应范围，绿色区域为粗砂、细砂区，即可使用泥水盾构，也可经土质改良后使用土压平衡盾构，黄色区域为卵石砾石粗砂区，为泥水盾构适用的颗粒级配范围。盾构类型与水压的关系•当水压大于0.3MPa时，适宜采用泥水盾构。如采用土压平衡盾构，螺旋输送机难以形成有效的土塞效应，在螺旋输送机排土闸门处易发生碴土喷涌现象，引起土仓中土压力下降，导致开挖面坍塌。•当水压大于0.3MPa时，如因地质原因需采用土压平衡盾构，则需增大螺旋输送机的长度，或采用二级螺旋输送机。我国典型地区盾构选型我国盾构应用较多或较早的地区是上海、广州及北京地区，可以说这三个地区分别代表了我国三大区域的土层特征，盾构特征。上海是软土区域，广州是软弱不均区域，北京是砂卵石地层为特点。1.根据地质条件选择盾构机类型砂质土类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。因在相同条件下，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。针对地下水条件，若其压力值较高（大于0.1MPa），就应优先考虑使用密封型的盾构，以保证工程的安全，条件许可也可采用降水或气压等辅助方法。对于砾径较小的地层，可以考虑各种盾构的使用。若砾径较大，除自立性能较好的地层可考虑采用手掘式或半机械式盾构外，－般应使用土压平衡盾构，若需采用泥水平衡盾构的话，须增加一个鳄式碎石机，在输出泥浆前，先将大石块粉碎。2．盾构机选型的其它条件除了地质条件以外的盾构机选型的制约条件还很多，如工期、造价、环境因素、基地条件等。工期制约条件因为手掘式与半机械式盾构机使用人工较多，机械化程度低，所以施工进度慢。其余各类型盾构机因为都是机械化掘进和运输，平均掘进速度比前者快。造价制约因素一般敞口式盾构机的造价比密闭式盾构机低，主要原因是敞口式盾构机个象密闭式盾构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，宜优先选用敞口式盾构机。环境因素的制约敞口型的盾构机引起的地表沉降大于网格式盾构，更大于密闭式的掘进机。基地条件的制约泥水平衡式的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开挖隧道，就必须具备较大的地面空间。设计线路、平面竖向曲线形状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。将其分为前后铰接的两段，显然增加了施上中转弯的灵活性。3．辅助工法的使用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。前三种属于物理方法，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而的稳定，注浆法还能减少盾构机开挖过程中引起的地表沉降。一般密闭式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，若采用手掘进、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，在这一辅助工法下，施工人员易患气压职业病。当盾构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，但在长隧道的盾构对接中使用。4．盾构工法的选定程序流程图（一）盾构的始发盾构隧道始发技术是盾构法施工技术的关键，也是盾构施工成败的一个标志，必须要全力做好。始发阶段存在以下几种特殊情况：•（1）始发推进前需凿除车站的围护结构（主要是处理钢筋砼结构），凿除围护结构后的土体在一定的时间段内必须保持自稳，不能有水土流失；•（2）始发阶段盾构机主体在始发导轨上不能进行调向；•（3）始发阶段的姿态及地面沉降控制比正常推进阶段更困难；•（4）始发期间一些设备如管片小车、管片吊机，包括出渣都不能正常使用。有时也会存在盾构机因为车站结构的原因而不能整机始发。•综上所述，盾构在初始阶段的施工难度很大。因此，应确保盾构连续正常地从非(泥水)土压平衡工况过渡到(泥水)土压平衡工况，以达到控制地面沉降，保证工程质量等目的。始发技术包括⑴洞口端头处理（软土无自稳能力的地层中）；⑵洞门砼凿除（主要针对钢筋砼围护结构）；⑶盾构始发基座的设计加工、定位安装；⑷始发用反力架的设计加工、就位；⑸支撑系统、洞门环的安设；⑹盾构组装、盾构始发方案；始发洞口的地层处理在盾构始发之前，一般要根据洞口地层的稳定情况评价地层，并采取有针对性的处理措施。地层处理一般采取如“固结灌浆”、“冷冻法”措施进行地层加固处理。选择加固措施的基本条件为加固后的地层要具备最少一周的侧向自稳能力，且不能有地下水的损失。常用的具体处理方法有搅拌桩、旋喷桩、注浆法，SMW工法、冷冻法等。选择哪一种方法要根据地层具体情况而定，并且严格控制整个过程。盾构机始发前的洞门加固反力架、始发台的安装反力架、负环管片位置的确定依据反力架的位置确定主要依据洞口第一环管片的起始位置、盾构的长度以及盾构刀盘在始发前所能到达的最远位置确定。盾构机座的运输盾构机座延伸段盾构机座的加固反力架及负环管片示意图安装反力架及负环管片示意始发洞口维护结构的切除•根据经验，一般在始发前至少一个月开始洞口维护结构的切除。整个施工一般分两次进行，第一次先将围护结构主体凿除，只保留维护结构的钢筋保护层，在盾构始发前将保护层混凝土凿除。•在凿除完最后一层混凝土之后，要及时检查始发洞口的净空尺寸，确保没有钢筋、混凝土侵入设计轮廓范围之内。探孔位置示意图探孔实际位置图在盾构出洞之前要在洞圈内开探测孔，观测槽壁后的土体是否稳定，有无泥水漏出。在盾构出洞之前，需把洞圈封门破除。封门破除分二次，第一次破除其厚度的一半。然后将槽壁剩下的部分分成九块，在盾构将要出洞之前予以割除。洞圈封门分块图破除方法：在洞圈外围打设脚手架，在井上接两台空压机，人工用风镐采取从上到下的顺序进行凿除。第一次封门凿除完毕后，将安装洞圈防水装置。安装顺序：用行车吊着袜套，先从上向下安装。袜套安装完毕后，再安装铰链板。注：在安装铰链板之前，需先对铰链板进行实地放样，实地摆放，编号。铰链板安装从上至下。当安装到最后一块时，如果铰链板长出，需将长出部分割除。防水装置安装流程图组在负环拼装之前需事前将盾尾油脂填满盾尾钢丝束内。盾尾油脂此时负环拼装完毕后，前期盾构出洞准备工作就绪。等待盾构正式出洞前期负环管片拼装完毕在盾构出洞之前，在洞圈内左、右两边各焊接一段导向轨。此导向轨是基座轨道的延长线，但比基座轨道底2cm，以免盾构出洞刀盘旋转碰到此导向轨。此导向轨的作用是为了防止盾构进入洞圈后，盾构磕头，盾尾下沉。盾构出洞时要先将洞门钢筋割除，分九大块，从上向下进行。为保护电焊工的人生安全，防止割除下来的砼块砸伤人，在割除之前先在洞圈上焊接安装倒脚手架。图23倒脚手架图25保护刀盘刀头图24保护防水装置准备工作就绪，开始割除洞门钢筋。采用从下到上的方式分九块上、中、下三部分割除。另外，要在割除块处事先挂上钢丝绳。下方钢筋割除完后，为保证人员安全，电焊工需爬到事先搭设好的脚手架上在割除上方钢筋，以免砼块掉落砸伤人图26开始破槽壁割除钢筋图27电焊工在脚手架上图组28拉除下部三块砼下部砼拉除后，先将第一层脚手架割除，电焊工爬到第二层脚手架上开始割除中部砼块。图29割除脚手架图30拉除第二层槽壁以上述方法类推，直至全部砼分块割除完毕。全部槽壁割除完毕后，要把最上方遗留的脚手架全部尽快割除。将洞圈脏物清理完毕，掉落的砼块吊运到旁边，包括保护刀盘刀头和防水装置的方木。图31环管片下部支撑工作准备就绪，盾构开始推进，向洞圈土体靠拢。在这期间，施工速度一定要快。在保证人员安全的情况下，尽量加快负环管片的拼装速度，配合盾构机以最快的速度靠近洞圈土体，防止土体暴露时间过长导致土体塌方。盾构推进过程中，当负环管片脱离盾尾时，管片和盾构基座间将产生一定间隙。为防止管片下沉导致环缝开口，要在管片与盾构基座间用锥木塞住。另外，此时负环管片是开口环，为开口环管片支撑防止盾构推进导致管片标准块产生外张现象，在管片两边各焊接一支撑柱。盾构出洞是盾构施工中非常重要的环节，也是危险性最大的环节。所以，盾构出洞最关节的是要快。因此在破除洞门之前所有工作都应就绪，保证所有设备运转正常。各施工环节都应配合到位，力保盾构顺利靠上洞门土体。图34以上为盾构出洞工艺的介绍。始发台两侧的加固•由于始发台在盾构始发时要承受纵向、横向的推力以及约束盾构旋转的扭矩。所以在盾构始发之前，必须对始发台两侧进行必要的加固。•负环管片的拼装类型在安装井内的负环管片的拼装类型通常采取通缝拼装，主要是因为盾构井一般只有一个，在施工过程中要利用此井进行出渣、进管片。所以采用通缝拼装可以保证能及时、快速的拆除负环管片。•始发时盾构姿态的控制主要通过盾构机的推油缸行程来控制姿态。•始发时盾构推进参数的控制在保证盾构正常推进的情况下，稍微降低总推力和刀盘扭矩。•洞口注浆在盾尾完全进入洞体后，调整洞口密封，进行洞口注浆。浆液不但要求顺利注入，而且要有早期的强度。•反力架、负环管片的拆除反力架、负环管片的拆除时间根据背衬注浆的砂浆性能参数和盾构的始发掘进推力决定。一般情况下，掘进100M以上（同时前50环完成掘进7日以上），可以根据工序情况和工作整体安排，开始进行反力架、负环管片拆除。盾构始发实况加固效果不好•端头土体加固的效果不好是在始发过程中经常遇到的问题。采取的主要措施是必须根据端头土体情况选择合理的加固方法，而且要加强过程控制，特别是要严格控制一些基本参数。对于加固区与始发井间形成的必然间隙要采取其它方式处理。