城市地铁隧道盾构施工技术探讨

摘要地下铁道具有运量大、速度快、噪音小、污染轻、能耗低等优点。大城市逐步形成了目前以地下铁道为主体，多种轨道交通类型并存的现代城市轨道交通新格局。盾构法施工具有安全可靠、机械化程度高、工作环境好、土方量少、进度快、施工成本低等优点，尤其在地质条件复杂、地下水位高而隧道埋深较大时，只能依赖盾构。盾构施工的关键之一是确定盾构的类型及其配置。盾构的选型是一项综合性的工作，应根据地质水文情况、工期、经济性、环境保护、安全、可靠等各种因数综合考虑。选择合适的盾构类型，配置合理的辅助设备，才能确保隧道工程施工的顺利完成。本文根据某地铁区间隧道的工程条件、地质情况、进度要求等提出了盾构选型的方法及步骤，并比照类似的工程实例，研究确定某地铁某盾构区间的盾构类型、刀具的型式、刀盘的布局，并阐述泥水盾构的不同工作模式，以及盾构的厂家的确定。盾构机的类型和厂家确定后，为了确保所选盾构机的性能满足工程施工的要求，对所选盾构机的关键参数进行了复核计算，保证盾构性能可靠地满足施工要求。对本工程的盾构施工技术进行了具体研究，就盾构在砂砾层中的掘进、在曲线地段的推进、在推进过程中的蛇形和滚动等特殊问题提出了解决方法。本课题不仅对某市地铁某盾构区段的盾构施工具有实际指导意义，而且对同类工程盾构施工具有很好的指导意义。关键词：盾构盾构选型施工技术目录第1章绪论………………………………………………………………………………11.1课题研究背景与意义................................................11.2盾构技术的发展历史与现状..........................................11.3本文研究的思路及主要内容..........................................2第2章盾构的选型与相应的配置………………………………………………………32.1盾构机的构造......................................................32.1.1盾构壳体..................................................32.1.2推进机构..................................................42.1.3管片拼装机................................................42.1.4真圆保持器................................................52.2盾构机的分类......................................................52.3盾构机的选型......................................................7第3章城市地铁盾构隧道的施工技术…………………………………………………93.1盾构施工过程......................................................93.1.1盾构机的组装与调试........................................93.1.2盾构始发.................................................113.1.3盾构掘进.................................................143.1.4泥水平衡盾构机掘进.......................................153.1.5盾构掘进方向的控制与调整.................................163.1.5掘进过程中的刀具管理和换刀方案...........................163.1.6管片安装.................................................163.1.7同步注浆与二次注浆补偿...................................173.1.8盾构到达.................................................173.1.9泥水平衡盾构机掘进.......................................183.2特殊地段的施工...................................................183.2.1盾构穿过含水砂层时的注意事项.............................183.2.2盾构在砂砾层中的掘进施工技术.............................183.2.3盾构在曲线地段的推进.....................................193.2.4盾构在推进过程中的蛇形和滚动.............................19第4章结论与展望………………………………………………………………………20参考文献…………………………………………………………………………………21致谢……………………………………………………………………………………22华东交通大学毕业论文1第1章绪论1.1课题研究背景与意义20世纪下半叶以来，伴随着世界范围内的城市化进程，伴随着我国城市化进程的加快，城市建设快速发展，城市规模不断扩大，城市人口急剧膨胀，许多城市不同程度上出现了用地紧张，生存空间拥挤，交通堵塞，给城市生活带来了很大的影响，也制约着经济和社会的进一步发展，充分开发地下空间成为现代城市可持续发展的必要手段。盾构隧道开挖是城市地下施工的主要手段，盾构施工是在一个能支撑地层压力而又能在地层中推进的圆形或矩形或马蹄形等特殊形状钢筒结构，在它的掩护下，完成挖掘、出土、隧道支护等工作，它的最大的特点就是整个隧道掘进过程都是在这个被称做护盾的钢结构的掩护下完成的，可以最大限度地避免坍塌和地面塌陷。与传统的隧道掘进技术相比，盾构法施工具有安全可靠、机械化程度高、工作环境好、土方量少、进度快、施工成本低等优点，尤其在地质条件复杂、地下水位高而隧道埋深较大时，只能依赖盾构。随着隧道工程对施工质量和环保要求的逐步提高，现代盾构己演变成为一种高度智能化，集机、电、液、光、计算机技术为一体的大型工程机械装备。在发达国家盾构法施工的隧道已占隧道总量的90%以上。我国在盾构施工隧道的关键设备和施工技术方面与发达国家相比存在着较大的差距，为尽快提高我国盾构掘进水平使我国在先进隧道施工技术方面占世界一席之地，那么对于盾构技术在城市地铁施工中的应用研究就显得尤为重要。1.2盾构技术的发展历史与现状从盾构施工法的定义:使用盾构机在地下掘进，边防止开挖面土砂崩塌，边在机内安全的进行开挖作业和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工法。按照这个定义，盾构施工法是由稳定开挖面、盾构机挖掘和衬砌三大要素组成。那么纵观盾构隧道掘进190来年的发展史看，盾构隧道施工法和盾构掘进机的改进都是在围绕着:①地层稳定和地面沉降控制;②机械化、自动化掘进和掘进速度;③衬砌和隧道质量，这三个要素进行盾构掘进机的改进和施工方法的革命。传统的盾构法是把这三个要素分别独立考虑的，把地层稳定处理作为盾构的辅助方法，主要有降华东交通大学毕业论文2低地下水位法、改良地基法、冻结法及气压法等。在盾构掘进机本身结构上没有考虑对地层稳定的影响或减少和防止地面沉降，盾构一般为敞胸式结构。但是，这样的盾构很难满足在城市内施工时的各种要求，特别是关系到地面建筑安全的地面沉降问题，所以，下一代盾构—闭胸式盾构就应运而生了。现代盾构的一个最为显著的特点就是统筹考虑盾构法的这三个要素，用盾构掘进机设备本身解决工作面稳定的问题。现代盾构掘进机采用了类似机器人的技术，如控制、遥控、传感器、导向、测量、探测、通讯技术等，集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等多种功能。在许多情况下盾构施工的综合施工成本比人工开挖施工低得多，而掘进速度高得多。可以说，盾构掘进机是目前世界上最先进的隧道掘进设备，适用于软土、砾石、硬岩等不同地质构造的隧道暗挖;盾构法施工己是一门很成熟的地下工程施工技术，已成为大多数地下隧道工程施工首选的常规技术。1.3本文研究的思路及主要内容面对21世纪我国城市地下空间的大量开发利用，城市地铁的大规模建设，盾构法施工与传统隧道开挖方法比较，因其具有开挖快、优质、安全、经济、有利于环境保护和降低劳动强度的优点，那么地铁区间隧道施工越越多的采用盾构法无疑是最好的选择。面对近年来我国的盾构隧道工程的社会需求量极大，从业新军(单位、人员)的数量猛增，所以，无论是使我国的盾构技术赶上国际水平还是新军提高业务素质，都表明对于盾构技术在工程实践中的应用的研究很有必要。本文研究的内容是盾构技术在城市地铁隧道施工中的应用。包括:1.盾构的选型与相应的配置:介绍盾构的构造和分类的基础上，探讨盾构选型的依据和选型的原则，并在此基础上确定盾构的相应配置。2.盾构隧道的施工技术:(1)盾构施工过程；(2)特殊地段的施工。华东交通大学毕业论文3第2章盾构的选型与相应的配置2.1盾构机的构造盾构的基本构造主要分为盾构壳体、推进系统、拼装系统三大部分，见简单的手掘式盾构的基本构造图2.1。图2.1盾构基本构造示意图2.1.1盾构壳体从工作面开始可分为切口环、支承环和盾尾三部分。(1)切口环切口环位于盾构的最前端，起开挖和挡土作用，施工时最先切入地层并掩护开挖作业，部分盾构切口环前端还设有刃口以减少切入地层的扰动。切口环保持工作面的稳定，并作为把开挖下来的土砂向后方运输，因此，采用机械化开挖、土压式、泥水加压式盾构时，应根据开挖下来土砂的状态，确定切口环的形状、尺寸。(2)支承环支承环紧接于切口环，是一个刚性很好的圆形结构。地层压力、千斤顶的反作用力，以及切口入土正面阻力、衬砌拼装时的施工载荷等承受作用于盾构上的全部载荷。在支承环外沿布置有盾构千斤顶，中间布置拼装机及部分液压设备、动力设备、操纵控制台。当切口环压力高于常压时，在支承环内要布置人行加、减压舱。支承环的长度应不小于固定盾构千斤顶所需的长度，对于有刀盘的盾构还要考虑安装切削刀盘的轴承装置、驱动装置和排土装置的空间。(3)盾尾华东交通大学毕业论文4盾尾主要用于掩护管片的安装工作。盾尾末端设有密封装置，以防止水、土及压注材料从盾尾与衬砌间隙进入盾构内。盾尾密封装置损坏、失效时，在施工中途必须进行修理更换，盾尾长度要满足上述各项工作的进行。2.1.2推进机构盾构掘进的动力是靠液压系统带动千斤顶的推进机构，它是盾构重要的基本构造之一。(l)盾构千斤顶的选择和配置盾构千斤顶的选择和配置应根据盾构的灵活性、管片的构造、拼装管片的作业条件等来决定。(2)千斤顶数量千斤顶的数量根据盾构直径、千斤顶推力、管片的结构、隧道轴线的情况综合考虑。一般情况下，中小型盾构每只千斤顶的推力为600~1500kN，在大型盾构中每只千斤顶的推力多为2000~2500kN。(3)千斤顶的行程盾构千斤顶的行程应考虑到盾尾管片拼装及曲线施工等因素，通常取管片宽度加上100mm~200mm的余量。另外，成环管片有一块封顶块，若采用纵向全插入封顶时，在相应的封顶块位置应布置双节千斤顶，其行程约为其它千斤顶的一倍，以满足拼装成环所需。(4)千斤顶的速度盾构千斤顶的速度必须根据地质条件和盾构形式决定，一般取50mm/min左右，且可无级调速。为了提高工作效率，千斤顶的回缩速度要求越快越好。(5)千斤顶块盾构千斤顶活塞的前端必须安装顶块，顶块必须采用球面接头，以便将推力均匀、分布在管片的环面。其次，还必须在顶块与管片的接触面上安装橡胶或柔性材料的垫板，