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1、盾构法概论,盾构法是使用所谓的“盾构”机械，在围岩中推进，一边防止土砂的崩坍，一边在其内部进行开挖、衬砌作业修建隧道的方法。,发展史：,最早是在1818年由英国工程师布鲁诺尔(M.I , Brunel)发明的，他是从船的木板中，有一种蛀虫钻出孔道，并用它分泌的粘液加固洞穴得到启发而研制出的，并于1925年开始用一个宽11.58m、高6.7m的矩形盾构，在英国伦敦的泰晤士河下面修建世界第一条水底隧道。施工中遇到泥水涌入隧道的极大困难，两次被淹，直至1835年对后构作了改良.用压气辅助施工，才于1843年完工。隧道全长458m。,一、盾构法的主要优点,除竖井施工外，施工作业均在地下进行，噪音、振动
2、引起的公害小，既不影响地面交通，又可减少对附近居民的噪音和振动影响。 盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，施工易于管理，施工人员也较少，劳动强度低，生产效率高。 土方量外运较少。 穿越河道时不影响航运。,一、盾构法的主要优点,施工不受风雨等气候条件影响。 隧道的施工费用不受覆土量多少影响，适宜于建造覆土较深的隧道。在土质差水位高的地方建设埋深较大的隧道，盾构法有较好的技术经济优越性。 当隧道穿过河底或其他建筑物时，不影响施工。 只要设法使盾构的开挖面稳定，则隧道越深、地基越差、土中影响施工的埋设物等越多，与明挖法相比，经济上、施工进度上越有利。,二、盾构法存在的不足,当隧道曲线半径过小
3、时，施工较为困难。 在陆地建造隧道时，如隧道覆土太浅，开挖面稳定甚为困难，甚至不能施工，而在水下时，如覆土太浅则盾构法施工不够安全，要确保一定厚度的覆土。 竖井中长期有噪声和振动，要有解决的措施。 盾构施工中采用全气压方法以疏干和稳定地层时，对劳动保护要求较高，施工条件差。,二、盾构法存在的不足,盾构法隧道上方一定范围内的地表沉陷尚难完全防止，特别在饱和含水松软的土层中，要采取严密的技术措施才能把沉陷限制在很小的限度内，目前还不能完全防止以盾构正上方为中心土层的地表沉降。 在饱和含水地层中，盾构法施工所用的拼装衬砌，对达到整体结构防水性的技术要求较高。,三、盾构法施工步骤,在盾构法隧道的起始端
4、和终端各建一个工作井； 盾构在起始端工作井内安装就位； 依靠盾构千斤顶推力（作用在新拼装好的衬砌和工作井后壁上）将盾构从起始工作井的壁墙开孔处推出； 盾构在地层中沿着设计轴线推进，在推进的同时不断出土和安装衬砌管片；,三、盾构法施工步骤,及时地向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和固定衬砌环的位置； 盾构进入终端工作井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推进。,盾构的分类方法较多，可按盾构切削断面的形状；盾构自身构造的特征、尺寸的大小、功能；挖掘土体的方式；掘削面的挡土形式；稳定掘削面的加压方式；施工方法；适用土质的状况等多种方式分类。,四、盾构机的种类,1. 按挖掘土体的方式分类 按挖掘
5、土体的方式，盾构可分手掘式盾构、半机械式盾构及机械式盾构三种。 手掘式盾构：即掘削和出土均靠人工操作进行的方式。 半机械盾构：即大部分掘削和出土作业由机械装置完成，但另一部分仍靠人工完成。 机械式盾构：即掘削和出土等作业均由机械装备完成。,四、盾构机的种类,手掘式盾构机,四、盾构机的种类,a.手掘式盾构机 如图5-5-2所示，手掘式盾构机的正面是开敞的，通常设置防止开挖顶面塌陷的活动前檐及上承千斤顶、工作面千斤顶及防止开挖面塌陷的挡土千斤顶。开挖采用铁锹、镐、碎石机等开挖工具，人工进行。,手掘式盾构机 这种盾构机适应的土质是自稳性强的洪积层压实的砂、砂砾，固结粉砂和粘土。对于开挖面不能自稳的冲
6、积软弱砂层、粉砂和粘土，施工时必须采用稳定开挖面的辅助施工法，如气压施工法、改良地基、降低地下水位等措施。目前手掘式盾构机一般用于开挖断面有障碍物、巨砾石等特殊场合，而且应用逐渐减少。,b.半机械式盾构机 如图5-5-3所示，半机械式盾构机进行开挖及装运石碴都采用专用机械，配备液压铲土机、臂式刀盘等挖掘机械和皮带运输机等出碴机械，或配备具有开挖与出碴双重功能的机械，以图省力。,1.3.2 机械开挖,1 土方施工机械,单斗挖土机,半机械式盾构机 为防止开挖面顶面塌陷，盾构机内装备了活动前檐和半月形千斤顶。由于安装了挖掘机，再设置工作面千斤顶等支挡设备是较困难的。 与手掘式盾构机一样，应有确保开挖
7、面稳定的措施。适应土质以洪积层的砂、砂砾、固结粉砂和粘土为主。也可用于软弱冲积层，但须同时采用超前加固，或采取降低地下水位、改良地基等辅助措施。,c.机械式盾构机 如图5-5-4所示，机械式盾构机前面装备有旋转式刀盘，增大了盾构机的挖掘能力，开挖的土砂通过旋转铲斗和排土可以连续进行，缩短了工期，减少了作业人员。在开挖自稳性好的围岩时，机械式盾构机适应的土质与手掘式盾构机、半机械式盾构机一样，须采用辅助施工方法。,四、盾构机的种类,2.按掘削面的挡土形式分类 按掘削面的挡土形式，盾构可分为开放式、部分开放式、封闭式三种。 开放式：即掘削面敞开，并可直接看到掘削面的掘削方式。 部分开放式：即掘削面
8、不完全敞开，而是部分敞开的掘削方式。 封闭式：即掘削面封闭不能直接看到掘削面，而是靠各种装置间接地掌握掘削面的方式。,(2) 半开敞式 是指挤压式盾构机，它是在开放型盾构的切口环与支撑环之间设置胸板，以支挡正面土体，但在胸板上有一些开口，当盾构向前推进时，需要排出的土体将从开口处挤入盾构内，然后装车外运，见图5-5-5。这种盾构适用于软弱粘土层，在推进过程中要引起较大的地面隆起。,(3) 密封式 是指在机械开挖式盾构机内设置隔墙，进入刀盘与隔墙土仓的土体，由泥水压力或土压提供足以使开挖面保持稳定的压力。密封式盾构机又分成局部气压式、泥水平衡式和土压平衡式几种。,局部气压式盾构。 在机械式盾构支
9、承环的前边装上隔板，使切口环成为一个密封舱，其中充满压缩空气，达到疏干和稳定开挖面土体的作用，见图5-5-6。,四、盾构机的种类,3.按加压稳定掘削面的形式分类 按加压稳定掘削面的形式，盾构可分为压气式、泥水加压式，削土加压式，加水式，加泥式，泥浆式六种。 压气式：即向掘削面施加压缩空气，用该气压稳定掘削面。 泥水加压式：即用外加泥水向掘削面加压稳定掘削面。 削土加压式（也称土压平衡式）：即用掘削下来的土体的土压稳定掘削面。,四、盾构机的种类,3.按加压稳定掘削面的形式分类 加水式：即向掘削面注入高压水，通过该水压稳定掘削面。 泥浆式：即向掘削面注入高浓度泥浆（1.4g/cm3）靠泥浆压力稳定
10、掘削面。 加泥式：即向掘削面注入润滑性泥土，使之与掘削下来的砂卵混合，由该混合泥土对掘削面加压稳定掘削面。,4. 按盾构切削断面形状分类 按盾构切削断面形状，盾构可分为圆形、非圆形两大类。圆形又可分为单圆形、半圆形、双圆搭接形、三圆搭接形。非圆形又分为马蹄形、矩形（长方形、正方形、凹、凸矩形）、椭圆形（纵向椭圆形、横向椭圆形）。,四、盾构机的种类,5. 按盾构机的尺寸大小分类 按盾构机的尺寸大小，盾构机可分为超小型、小型、中型、大型、特大型、超特大型。 超小型盾构系指D（直径）1m的盾构， 小型盾构系指1mD3.5m的盾构， 中型盾构系指3.5mD6m的盾构， 大型盾构系指6mD14m的盾构，
11、 特大型盾构系指14mD17m的盾构， 超特大型盾构系指D17m的盾构,四、盾构机的种类,设置盾构外壳的目的是保护掘削、排土、推进、施工衬砌等所有作业设备、装置的安全，故整个外壳用钢板制作，并用环形梁加固支承。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。,五、盾构机的结构,五、盾构机的结构,盾构纵剖图,切口环、支承环、盾尾三部分组成 切口环：是盾构的前导部分，在其内部和前方可以设置各种类型的开挖和支承地层的装置 支承环：是盾构的主要承载结构，沿其内周边均匀地装有推动盾构前进的千斤顶，以及开挖机械的驱动装置和排土装置 盾尾：是衬砌作业的场所，其内部设置衬砌拼装机,管片与管片之间可以采用
12、螺栓连接或无螺栓连接形式。,管片的拼装,螺栓连接,无螺栓连接,六、 盾构推进系统,(一)盾构的推力 盾构的前进和方向调整是靠千斤顶推进实现的。因此，要求盾构千斤顶有足够力可用以克服盾构推进过程中所遇到的各种阻力。决定盾构的推力主要有如下因素。 （1）盾构壳体与土之间的摩擦力； （2）工作面推进阻力； （3）推进中切口插入土中的阻力； （4）管片与盾尾摩擦阻力等。 除了考虑以上因素外，还有转向、纠偏、防偏转的稳定装置，挡板等的阻力和后车架的牵引阻力等。 一般来说，把考虑以上因素的计算值再乘以安全系数2所得的数值作为盾构的推力。,隧道的二次衬砌,盾构隧道施工时，在盾尾内组装的管片或现浇的混凝土叫一
13、次衬砌，而把其后施工的衬砌称二次衬砌或内衬。二次衬砌多用于管片补强、防蚀、防渗、矫正中心线偏离、防震、使内表面光洁和隧道内部装饰等。根据隧道使用要求，可分成：浇筑底板混凝土，浇筑120下拱混凝土，浇筑240下拱混凝土和浇筑360全内衬混凝土四种形式 。,盾构隧道全内衬混凝土现在多采用钢模台车结合泵送混凝土施工，其施工要点有： 全内衬台模定位立模 浇筑工艺设备准备 预埋件设置 上拱顶混凝土浇筑质量的保证措施 拆模、清理、台模移位,定义：土压平衡式盾构机用开挖出的土料作为支撑开挖面 稳定的介质， 适用条件：土料具有良好的塑性变形，软稠度，内摩擦角小及渗透率小。 由于一般土壤不能完全满足这些特性，所
14、以要进行改良。改良的方法通常为：加水，膨润土，粘土，聚合物和泡沫等， 根据土质情况选用。通过这些改良措施，扩大了土压平衡式盾构机的应用范围。,土压平衡式盾构,土压平衡式盾构,土压平衡式盾构机的主要部件土压平衡盾构机的基本装置是切削刀盘，开挖室以及螺旋输送机等。,泥水加压式盾构 泥水加压式盾构的总体构造与土压平衡式盾构相似，仅支护开挖面方法和排碴方式有所不同。在泥水加压式盾构的密封舱内充满特殊配制的压力泥浆，刀盘(花板型)浸没在泥浆中工作。对开挖面支护，通常是由泥浆压力和刀盘面板共同承担，前者主要是在掘进中起支护作用，后者主要是在停止掘进时起支护作用。,泥水加压式盾构 对于不透水的粘性土，泥浆压力应保持大于围岩主动土压力。对透水性大的砂性土，泥浆会渗入到土层内一定深度，并在很短时间内，于土层表面形成一层泥膜，有助于改善围岩的自承能力，并使泥浆压力能在全开挖面上发挥有效的支护作用。此时，泥浆压力一般以保持高于地下水压0.2MPa为宜。而刀盘切削下的碴土在密封舱内与泥浆混合后，用排泥泵及管道输送至地面处理，处理后的泥浆再由供泥泵和管道送回盾构重复使用，所以，在采用泥水加压式盾构时，还需配备一套泥浆处理系统。 泥水加压式盾构按泥浆系统压力控制方式可分为直接控制型(日本型)和间接控制型(德国型)两种基本类型。,
