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1、地 下 工 程 设 计 原 理,第06章 盾构衬砌结构,主讲教师 ：胡敏云,本章主要内容,什么是盾构技术？ 盾构构造和分类 盾构尺寸和千斤顶推力 盾构推进及衬砌拼装 装配式圆形衬砌构造 内力计算与管片结构设计 学习要求： 了解盾构隧道的功能和适用环境； 掌握圆形衬砌构造、内力计算与管片结构设计。,盾构法是暗挖隧道的专用机械盾构机在地面以下建造隧道的一种施工方法。 构成盾构法的主要内容是：先在隧道某段的一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁预留孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计预留孔推进。盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制
2、衬砌，再传到竖井或基坑的后靠壁上。,盾构法施工,什么是盾构技术？ 盾构（shield）是一种钢制的活动防护装置或活动支撑，是通过软弱含水层，特别是河底、海底，以及城市居民区修建隧道的一种机械。 头部可以安全地开挖地层 ,尾部可以装配预制管片或砌块，迅速地拼装成隧道永久衬砌。 盾构推进主要依靠盾构内部设置的千斤顶。,适用条件 在松软含水地层中修建隧道、水底隧道及地下铁道时采用各种不同形式的盾构施工最有意义； 暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节等条件的影响。,发展历史 用盾构法修建隧道开始于1818年 ，法国工程师布鲁诺尔； 1825年在英国泰晤士河下首次用矩形盾构建造隧道 ； 近代，
3、日本盾构法得到了迅速发展，用途越来越广，并研制了大量新型盾构； 我国于1957年北京下水道工程中首次出现2.6m小盾构 ； 上海市延安东路过江道路隧道使用11.0 m直径的大盾构；,双圆式盾构：上海轨道交通8号线采用的双圆盾构,双圆式盾构,按形状分类,大致有圆形（又称半盾构）、矩形、马蹄形等几种。 圆形因其抵抗水土压力较理想，衬砌拼装简便，构件可以互换，较为通用，数量最多。 圆形盾构中，敞胸盾构和闭胸盾构两大类。,盾构的构造和分类,盾构壳体 推进系统 拼装系统 出土系统,盾构壳体是由切口环、支承环、盾尾与竖直隔板、水平隔板组成。,主要构件是盾构千斤顶和液压设备。,衬砌管片安装是在盾尾中进行的，
4、主要设备是衬砌拼装器（亦称举重臂），一般安装在支承环上。,可采用有轨、无轨和管道运输的形式； 与盾构挖土系统相匹配。,盾构机类型,盾构机按照工作原理及发展史可将盾构分为如下几种盾构： 密封式盾构：泥水平衡式盾构、土压平衡式盾构 全敞开式盾构：手掘式、半机械式、机械式 半敞开式盾构：挤压式盾构,泥水平衡盾构掘进机结构示意图,泥水平衡盾构机,泥水气压平衡盾构是通过在支承环前面装置隔板的密封舱中，注入适当压力的泥浆使其在开挖面形成泥膜，支承正面土体，通过控制中心泥水液面高度，维持开挖面压力稳定。,泥水盾构掘进机对于隧道面可被泥水加压所支撑的土质条件很理想，适用于应付各种困难地层和控制地表沉降。挖出的
5、土以泥水形式由管道运输，而砾石可压碎后被管道运输或在管道输送中途被移走。,泥水平衡盾构掘进机工法示意图,泥水平衡盾构机工作原理,泥水处理装置,地下水位高、水压大的地层中特别适合使用泥水盾构，因泥水盾构是将水、土及添加剂混合制成的泥水经输送管道压入泥水舱，用泥水压来平衡掌子面的水土压。掘进时刀盘切削下来的土砂进入泥水舱，搅拌后经泥浆泵送到地表的泥水分离系统，待水土分离后再把滤除掘削土砂的泥水重新压送回泥水舱。如此不断循环完成掘削、排土、推进。在盾构中泥水平衡式盾构对地层的扰动最小，地面沉降最小。,泥水平衡盾构适用土层,盾构机示意图,盾构机照片,对于泥水盾构，因其掌子面前方泥水成膜的关系，其刀盘、
6、刀具的耐磨性比土压盾构要好，但在砂砾地层中使用，排泥管的磨耗是比较严重的，需要采取耐磨措施。至于泥水盾构的密封措施，盾尾止水刷需采用将密封材料或润滑脂压入钢丝刷间或用4道密封承受高水压。泥水盾构对地层稳定性的控制较好，但工艺复杂且辅助设备多，尤其是需要泥水处理设备，占地面积大，费用较高。,泥水平衡盾构优缺点,泥水平衡盾构结构示意图,土压平衡盾构机,土压平衡式盾构(EPBS)自1974年在日本首次使用以来，以其独特的优势已广泛用于世界各地的隧道工程中。目前，土压平衡式盾构在全国地铁、市政、能源等工程建设中得到更为广泛的应用。实践证明，土压平衡式盾构因其能较好地控制地表沉降、保护环境、适应在市区和
7、建筑密集处施工等优点，在我国正走向普及。,土压平衡盾构工法示意图,土压平衡盾构法基本原理是用有形钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体而向前推进，这个钢制组件就是盾构，土压平衡盾构是通过盾构土压舱中土压控制平衡刀盘前方土压力和地下水压力，使掘进工作面保持稳定。,土压平衡盾构机工作原理,土压平衡盾构优点： （1）土压平衡盾构可节省泥水处理设备费用，造价比泥水盾构低，对周围环境无污染。通过大量的工程实践，土压平衡盾构已大大地显示出技术经济上的优越性，因而得到了快速的发展和推广，成为当前隧道施工的首选方案。 （2）根据不同的施工条件和地质要求，可采用不同的开挖面稳定装置和排土方式，设计成不同类型的土压平衡盾
8、构，使其能适应从松软粘性土至砂卵石土层范围内的各种土层，较好地稳定开挖面地层，减小和防止地面沉降、变形，提高隧道施工质量。 （3）加泥型土压平衡盾构是在普通型土压平衡盾构的基础上通过盾构配备加泥、泡沫及水装置加入添加剂(膨润土或高效发泡剂)，扩大对地层的适应性，通过刀盘开挖搅拌作用，使注入的添加剂与开挖下的泥土混合，而将泥土转变为具有流动性好和不透水性的泥土，及时充满泥土舱和螺旋输送机体内全部空间，随着盾构的不断推进而顺利地由螺旋输送机排土口排出； 土压平衡盾构缺点： 土压平衡盾构，必须解决的几个关键问题是: （1）刀盘、刀具的耐磨性; （2）如何破碎大粒径漂石; （3）如何防止喷涌以及盾构的
9、密封性能。,土压平衡盾构机优、缺点,敞开式盾构掘削面呈敞露状态，故挖掘状态是干挖态，所以出土效率高。这种形式的盾构可根据其机械化程度的差异，分为人工式、半机械式、机械式三种。 1966年5月，上海隧道建设公司用盾构法设计建造中国第一条水底公路隧道打浦路隧道。打浦路隧道全长2.7km，隧道部分长1320m，外径10m。所用网格盾构有所改进，敞开式施工可转换为闭胸式施工。,敞开式盾构机,打浦路隧道工程施工,直径10.22m盾构掘进机（可转换为闭胸式盾构）,全敞开式盾构用于掘削面自稳性好的地层(如:洪积层压实砂、砂砾、固结粉砂及黏土)。对自稳性差的地层(如:冲积层中的砂层、粉砂层及黏土层)而言，应辅
10、以压气、降水、注浆加固等措施，以便确保掘削面的稳定。敞开式盾构在地层掘进的前提是需沿线大范围的地面降水，同时为了保障施工沿线上方建筑的安全，以及防止开挖掌子面的失稳，采用预注浆和超前管棚等辅助施工措施是必要的。,敞开式盾构适用土层及辅助施工措施,敞开式盾构使用的优点： （1）对盾构设备的要求较低，可实现国产化; （2）可形成多种断面形式，如矩形、马蹄形等; （3）漂石、砂卵石等对开挖的制约小。 敞开式盾构使用的缺点： （1）需要采取强有力的辅助施工措施进行超前地层加固，否则，掌子面土体难以实现自稳，会诱发严重的安全事故。 （2）对地下水生态环境会造成严重破坏。由于需要沿线大范围地面降水，这将在
11、施工地段周围产生很大的降水漏斗，周围的水环境将受到严重的不利影响，甚至会导致地面绿化带的枯死及沉降。同时，当注入有机浆液加固地层时，会使地下水受到污染; （3）敞开式盾构的设备费用和人工开挖费用虽然较低，但加上其辅助加固费用，成本不一定得到降低; （4）采取人工开挖，施工进度缓慢，容易延误工期，会影响整个工程的进度。同时若采用了压气的辅助工法，则当压气气压1.5bar时，操作人员会患高压病，直接威胁人体健康。,敞开式盾构机优缺点,盾构几何尺寸的选定,主要指盾构外径D和盾构长度L、盾构灵敏度L/D。 x：最小建筑空隙值 ：盾尾钢板厚度 =0.02+0.01(D-4),L0盾尾长度； L1支承环长
12、度； L2切口环长度； L3前檐长度。,盾构灵敏度L/D,经验数值 : 小型盾构D=23m，L/D=1.5 中型盾构D=36m, L/D=1.00 大型盾构D=69m, L/D=0.75 特大型盾构D12m, L/D=0.450.75,盾构长度与直径之比(L/D)称为盾构灵敏度。 它对盾构操纵的灵活性有着很大影响，其值越小，盾构操作越灵活。,盾构千斤顶推力计算,盾构千斤顶应有足够的推理克服盾构推进时所遇到的阻力： 盾构外表面与四周地层的摩阻力； 盾尾内壳与衬砌结构之间的摩阻力； 盾构切口部分刃口切入土层的阻力； 盾构切口环切入土层时的正面阻力； 开挖面正面支撑阻力； 以及盾构自重引起的阻力，纠
13、偏时的阻力，局部气压或泥水压力，阻力板阻力等。 手掘式盾构的阻力：,日本盾构总推力经验公式,盾构尺寸和推力参考图,盾构总推力,盾构推进及衬砌拼装,（1）盾构推进 已建隧道所采用过的大直径盾构，大部分都属于手掘式敞胸盾构或闭胸挤压盾构，或者是两者兼有的盾构。 技术先进的泥水盾构或土压平衡盾构很少采用 。 本节将主要介绍在松软含水地层中采用手掘式敞胸盾构施工，辅以气压，人工井点降水及其它地层加固措施，盾构开挖掘进时的几种施工方法。,1）人工井点降水加手工掘进式敞胸盾构施工,人工井点降水 ，经济，适用于漏气量大的砂性土。 地下水位降低、疏干地层，增加土体强度，以保证开挖面稳定，盾构在地下水位以上通过
14、，施工场地较干燥。 一般都采用喷射井点，深度曾用到27 m，使埋深为25 m的隧道能顺利开挖。 具体过程 （1）先借助盾构千斤顶使盾构推进，将切口环部分切入地层，然后在切口环保护下进行土体开挖与运输，这样对周围地层扰动较小。 （2）分层开挖，施工工具为普通手工工具或手持式风动工具。 （3）每环管片可分数次开挖和推进，盾构纠偏时可以利用超挖解决。 （4）可借助支撑千斤顶加撑板对开挖面进行临时支撑 ； （5）当用网格式盾构时 ，防止盾构后退。,2）气压加手掘式敞胸盾构施工,（a）气压大小及耗气量的确定 理论上，每10m水头必须用0.1Mpa的气压力来平衡;实际上 ，仅为理论压力的50%60%，空气
15、量仅为理论空气量的10%50%。 中小型盾构，压力等于离盾构上端约D/2处的地下水压力; 大直径盾构为2/3 D处的地下水压力 ; 顶部均超压，需有足够的覆盖层。,盾构施工在含水松软不稳定地层中采用气压来疏干和支护开挖面，以防止涌水、开挖面崩坍，增强地层强度，是一种极古老，且行之有效的施工方法。,施工时为了防止空气泄出，盾构顶部必须有足够厚的覆盖层t即 t值过大则直接影响到隧道埋置深度 ，过小则覆盖不足，往往容易发生喷发事故。 国外隧道规范规定；水底隧道的最小覆盖层必须大于盾构直径（日本）或等于盾构直径，覆盖层宽度应大于或等于盾构直径的6倍。,采用经验公式计算耗气量： 土质系数，当压力大于0.
16、1MPa时，粘性土=3.65；砂性土=7.30。 D盾构外径。,（2）气压盾构施工,气压盾构施工中闸墙和气闸作用是将作业区与常压作业区隔开 。 闸墙必须有足够的强度与气密性. 气闸是钢板铆接或焊接而成的圆筒形结构，分人行闸和外闸两部分。 人行闸的管理是气压施工的重要环节，要严格遵守气压作业的工作时间及进出气闸的变压时间，以防减压病。,3）泥水加压盾构施工,用泥水加压盾构代替上述气压盾构施工，克服了气压施工的弊病 。 地面沉降，减压病，覆土深时，气压太高无法施工，覆土浅时，漏气等 。 泥水加压盾构是将压力为 的泥水，（式中H取2m）,压入盾构前部密封舱内，使其压力始终高于地下水压力 ，这样就保持了开挖面稳定的基本条件。,（2）衬砌拼装,隧道衬砌是在盾构尾部壳保护下的空间内进行拼装。 组成：铸铁、钢、钢筋混凝土或钢与钢筋混凝土的复合材料等制成的管片或砌块。 结构受力及使用要求决定盾构及衬砌结构形式并决定其拼装方法。 拼装方法 重臂拼装或拱托架拼装 ； 通缝拼装（管片的纵
