第三章-盾构施工技术-第1-3节

山东科技大学土建学院乔卫国教授第三章盾构施工技术第一节概述一、盾构施工法概念盾构施工法——是在钢制筒形壳体（盾构）掩护下，在地层中进行挖土和拼装预制衬砌构件，并以液压千斤顶逐步向前顶进壳体的一种暗挖隧道施工方法。盾构掘进机——shieldmachine特点——在盾构保护下，进行地层掘进、出土运输、衬砌拼装、接缝防水、盾尾间隙注浆充填等作业，并需随时排除地下水和控制地面沉降。是工艺技术要求高、综合性强的一类施工方法。二、盾构法主要施工程序1、建造盾构工作井2、盾构掘进机安装就位4、初推段掘进施工5、掘进机设备转换6、盾构连续掘进施工8、盾构进入接收井，并运出地面7、接收井洞口土体加固3、出洞口土体加固三、盾构法施工的优缺点优点：1、作业场地小，因噪音、振动引起的环境影响小；2、在盾构保护下开挖和衬砌，施工安全；3、隧道施工不影响地面交通或水上航道；4、地下施工不受气候影响；5、自动化程度高、劳动强度低、施工速度快（一般6m/d,最高12m/d）。缺点：1、施工设备费用较高（直径6m土压平衡盾构机约500万美元，直径6m复合盾构机约800万美元）；2、短于750m隧道施工不经济；3、覆土较浅时，地表沉降较难控制；4、衬砌结构防水要求高；5、曲率半径较小的曲线段施工较困难。适用范围：适用于各类软土地层和软岩地层的隧道掘进，尤其适用于城市地下隧道工程。水底公路隧道；地铁区间隧道；排水污水隧道；引水隧道；公用管线隧道。打浦路隧道断面图已建成的地铁人行通道地铁区间隧道市政工程隧道过江电缆隧道三、盾构法隧道技术的发展历史1、国外盾构隧道的发展*1818年，法国的布鲁诺(Brunel)从蛀虫钻孔得到启示，提出盾构掘进隧道设想，并获得发明专利。*1825～1843年，布鲁诺在伦敦泰吾士河下用盾构法修建458m长的矩形隧道（11.3m×6.7m）,世界上第一条盾构隧道。*1830年，英国的罗德发明“气压法”辅助解决隧道涌水。*1869年，英国的巴劳(Barlow)首次采用圆形盾构和铸铁管片，在泰吾士河下修建外径2.2m的隧道。*1874年，英国的格雷塞德(Greathead)较完整提出了气压盾构法施工工艺，首创盾尾空隙压浆的辅助工法，并用于伦敦地铁南线内径3.2m隧道施工。*1880～1890年，在英国和加拿大间的圣克莱河下用盾构法建成直径6.4m、长1800m的水底铁路隧道。*1896年，开始应用刀盘式机械掘进盾构。*20世纪初，美国、英国、德国、苏联、法国等国开始采用盾构法修筑地铁和水底公路隧道。*1940年后，苏联用直径6.0～9.5m盾构在莫斯科和列宁格勒修建地铁。*1939～1942年，日本首次用盾构施工国铁关门隧道工程（盾构直径7.18m，隧道长度725.8m）。*1967年，英国开发成功首台泥水加压平衡盾构。*1974年，日本开发成功首台土压平衡盾构。*1987～1991年，英国、法国采用11台盾构掘进50km长的英法海峡隧道，创造单台盾构连续掘进21km的记录。*1989～1996年，日本采用8台世界最大直径14.14m泥水加压盾构，掘进东京湾海峡隧道，2条隧道各长15.1km。英法海峡隧道示意图2、我国盾构法隧道技术的发展*50年代，东北阜新海州露天煤矿首次采用直径2.6m手掘式盾构在沙土层施工疏水巷道。*1957年，北京市政工程局采用2台直径2.0m和2.6m手掘式盾构进行城市下水道施工。*1963年，上海隧道工程股份有限公司在软土地层进行直径4.2m手掘和网格盾构的浅推进和深推进工程试验。*1965年，上海采用直径10.22m网格挤压盾构掘进国内首条水底公路隧道－打浦路隧道，掘进长度1322m。*1985～1988年，上海采用自行研制的直径11.33m网格型水力出土盾构掘进机施工延安东路隧道，掘进长度1476m。*1985～1986年，上海引进日本川崎重工制造的直径4.33m小刀盘土压平衡盾构掘进芙蓉江路排水隧道1656m。*1987~1989年，上海研制了国内首台直径4.35m土压平衡盾构，掘进完成穿越黄浦江底的市南站电缆隧道583m。技术成果获国家科技进步一等奖。*1991～1993年，上海与法国FCB公司合作设计制造7台直径6.34m土压平衡盾构，完成上海地铁1号线78km区间隧道掘进施工。*1995～1997年，上海引进日本三菱重工直径11.22m泥水加压盾构掘进延安东路隧道南线工程1300m主隧道。*1996～1998年，广州引进日本1台直径6.14m土压平衡盾构和2台直径6.14m泥水加压盾构，完成广州地铁1号线8.8km区间隧道掘进施工。*1999年，上海研制国内首台3.8m×3.8m组合刀盘型矩形土压平衡盾构，掘进104m地铁2号线陆家嘴车站过街人行地道。*1999年，北京市政总公司引进日本石川岛播磨直径3.6m土压平衡盾构，完成亮马河排水隧道工程。•2000年，广州地铁2号线采用改制的直径6.14m复合型土压平衡盾构，进行风化岩地层中的区间隧道掘进施工。•武汉长江隧道，2004年11月—2008年12月试通车。全长3630m，设计为左右道隔离双向4车道公路隧道。采用风格NFM公司生产的11.38m泥水加压平衡盾构和复合刀具，实现长距离不换刀掘进。•上海长江隧道，长江首条公铁隧道。2004年12月28日启动，08年9月6日双线贯通。全长8950m，水域隧道长7500m，双管双向6车道，单管外径15.0m,内径13.7m，采用德国海瑞克公司泥水平衡盾构机，直径15.43m，目前世界上直径最大的盾构机（盾构隧道）。北桥南隧越江工程上海长江隧道上海长江隧道•南京长江隧道，2008年1月开挖，2009年8月22日贯通。双向六车道，长3825m，采用德国海瑞克公司生产的直径14.93m泥水平衡盾构机。南京长江隧道•应用各国盾构隧道中，上下水隧道——70%，地铁和水底隧道15%，煤气、电力、通讯隧道15%。•盾构技术发展方向大埋深、高水压、大直径、长距离、高速度、异园化、机械化、自动化、可视化、智能化。第二节盾构的构造•盾构基本构造：盾构壳体推进系统拼装系统出土系统一、盾构壳体组成____切口环、支承环、盾尾三部分1、切口环（1）位置——盾构最前端，切入土层，掩护开挖作业，长度≤2m；（2）形状——（3）设备——挖土设备（刀盘、挖土机）、排土设施、挡土千斤顶、活动平台等）（4）气压式、泥水平衡式、土压平衡式盾构，在切口环与支承环之间设置密闭隔板。垂直形——刀盘开挖，稳定土层手掘倾斜形——较不稳定土层手掘阶梯形——不稳定土层手掘2、支承环（1）位置——是连接切口环与盾尾的中间部分；（2）结构——盾构结构的主体，较强刚性的圆环结构。设环向、水平、竖直支撑；承受荷载：地层土压力、千斤顶顶力、管片拼装等施工荷载；（3）设备——推进千斤顶（沿结构外沿布置）、操纵控制室、衬砌拼装机；（4）长度——取决于推进千斤顶长度，一般为衬砌环宽加0.2～0.3m。3、盾尾（1）结构——盾构外壳钢板延长，掩护隧道管片拼装；（2）盾尾装置——密封装置，防地下水、加压泥水、衬砌背后注浆浆液从盾尾流入隧道；密封材料性能要求：富弹性、耐磨损、耐撕裂、耐压力、止水好。密封装置类型：橡胶密封：L形、U形钢丝束密封：弹簧钢板、钢丝束、密封油脂二、推进系统组成——液压系统（液压站、控制系统）、千斤顶群。作用——盾构的前进、方向调整(克服推进阻力)千斤顶布置——在支承环周圈布置，单台推力，1000kN～2000kN，行程比管片宽度长10～20cm。推进速度：50—100mm/min油压：30—40MPa(高液压系统)三、拼装系统管片拼装机——把管片按设计位置和形状进行拼装的机械装置；组成——由举重臂和真圆保持器组成；四、出土系统1、皮带输送机用于手掘式或半机械化盾构；2、螺旋输送机用于土压平衡盾构或手掘式、半机械化盾构；3、泥浆泵用于泥水加压平衡盾构。半机械化盾构土压平衡盾构螺旋输送机出土土箱运土井口土箱吊运管片吊运下井◣◢管片水平运输泥水平衡盾构第三节盾构分类盾构分类划分的依据有多种，主要按断面形状和挖掘方法分类。一、按盾构的断面形状分类1.圆形盾构2.半圆形盾构3.马蹄形盾构4.矩形盾构5.眼镜形盾构6.双圆盾构1、圆形盾构应用最广——能承受较大外压、便于推进和管片安装、盾构转动不影响断面利用。2、椭圆形•特殊隧道（铁路隧道）3、矩形断面断面利用率高，但盾构刚度小，受力不佳，纠偏困难，少用。3.8Mｘ3.8M矩形土压盾构及工程应用上海地铁二号线一期工程陆家嘴路车站出入口工程4、双园盾构用于区间隧道修建。双圆盾构隧道技术在上海地铁工程中的应用上海地铁8号线黄兴路～开鲁路2.6km区间隧道采用双圆盾构，上海隧道工程股份有限公司引进了2台ф6300×W10900双圆盾构掘进机，于2003年8月始发推进，于2003年12月底完成866m区间隧道掘进。Ф6300×W10900双圆盾构掘进机的刀盘为辐条式，开口率较大（80％以上）。双圆盾构掘进机盾构尺寸盾构外径6520mm×11120mm盾构内径6540mm盾构机全长3cm/min盾构机千斤顶设备数20台+12台总推力68600KN刀盘装置支持方式中心轴支持式旋转数0.8rpm设备扭矩5046KN-m（常用）7570KN-m（最大）驱动方式电动机驱动设备数2台拼装装置旋转角度左右各220°设备数2台仿形刀设备数2台×2超挖量200mm土压计数隔仓部5个双圆盾构掘进机主要参数2003年8月8日双圆盾构始发推进双圆盾构管片堆放双圆盾构管片拼装双圆盾构管片拼装流程双圆隧道施工双圆管片拼装二、按挖掘方式分为三大类1.手掘式盾构1）一般手掘式在切口环前檐及部分挡土千斤顶保护下，人工开挖盾构前方土层的方法。该方法适用于开挖稳定土层。特点：盾构构造简单；施工操作、管理简单；便于纠偏；但劳动强度大，效率低，人员易受正面塌方危险。2）挤压式盾构•靠强大推力将前方土层全部或部分挤入盾构四周外侧而向前推进。在盾构的前方设置胸板，以挡住正面的土体。分为：全挤压式和局部挤压式（半挤压式）。•a.全挤压式盾构——工作面胸板全部封闭不出土，而将盾构经过区域的土挤入到外部。适用于软塑土质。•b.局部挤压式盾构——要部分打开胸板，部分土体从胸板土孔挤入盾构。3）网格式盾构•盾构正面装有钢板网格。推进时，土层切成条状顺各网格挤入盾构内，通过输送机运走，停止推进时网格起挡土作用。•网格盾构中网格的作用——防止开挖面塌塌，减小地面沉降变形，在土体较稳定的土层中适用。•另外：盾构切口的网格上可布置液压启动闸门，可根据需要随时调节开挖面进土部位和进土量，以控制地面变形和纠偏。打浦路越江隧道工程10.2打浦路隧道断面图延安东路隧道工程Φ11.3m网格水力出土盾构2、半机械化盾构在手掘式盾构的正面装上挖土机械，以代替人工开挖。•适用于良好地地质条件。•特点：半机械式盾构，盾构造价低，效率也较高。3.机械式盾构•在盾构切口环部分部分装上与盾构直径相仿的旋转刀盘进行全断面开挖的盾构。•机械化盾构按稳定开挖面方式不同分：局部气压式；全气压式盾构；泥水加压式盾构；土压平衡式盾构。1）局部气压式盾构•在盾构的切口环和支承环之间装有封闭隔板，使切口环形成一个封闭仓。仓内通入压缩空气，以平衡开挖面的土压力，维护其稳定。•缺点：在封闭仓、盾尾、管片接缝处易漏气。•被泥水加压盾构和土压平衡盾构取代。2）泥水加压盾构•原理——向盾构封闭隔舱里注入调和泥浆，通过泥水压力与外部土压和水压平衡。•排土方式——刀盘切削下来的沙土，进入泥水舱，经搅拌装置搅拌形成高浓度泥浆，通过排泥管道由泥浆泵排出，送至地面进行泥水分离，然后泥浆送入地下盾构泥水室，循环使用。•泥水作用——泥水压力与开挖面水土压力平衡；在地层表面形成一层不透水泥膜，使泥水产生有效压力；加压泥水渗透到地层，可使渗透区域开挖面稳定。•泥水压力——比地下水压高0.2MPa。•泥水容重——1.05~1.25g/cm3。•特点——可抵抗水压，连续排土；对地层适应性广。但是盾尾漏水，开挖向状态不明，需较好的动态控制技术（泥水压