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1、盾构施工技术,主讲人：顾惠斌,一 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1825年开始用一个宽11.58m、高6.7m的矩形盾构，在英国伦教的泰晤出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。,18881890年间用盾构法在美国和加拿大间的圣克莱(St,Clair)河下建成了一条直径为6.40 m，长为1870m的萨尔尼亚(Sarnia)水底隧道，为盾
2、构法修建隧道开拓了更为广阔地发展前景。 20世纪初，盾构法施工已在美、英、法、俄等国开始推广，已用在水底公路隧道、地下铁道、上下水道、电力、通讯煤气等市政公用地下设施管道。 1932年原苏联开始用直径为6.69.5m的盾构先后在其斯科、列宁格勒、基辅等城市修建地下铁道的区间隧道及车站。,1922年日本开始用盾构法修筑国铁奥羽线折渡隧道。 1953年东北阜新煤矿用直径2.6米手掘式盾构修建疏水管道,盾构机主要由壳体 推进系统 拼装系统 出土系统组成 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。 1 ，盾构壳体从工作面开始
3、可分为切口环、支承环和盾尾三部分。,二 盾构机的结构,盾构机,盾构机,盾构纵剖图,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 盾构灵敏度：L/D，越小越灵敏,盾构纵剖图,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 盾构灵敏度
4、：L/D，越小越灵敏,公穿铁箱涵顶进施工,控制室,控制台,2， 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。,螺旋输送机出土,土箱运土,井口土箱吊运,出土,出土,盾构法 是使用所谓的
5、“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。,三 盾构法的主要优缺点,除竖井施工外，施工作业均在地下进行，噪音、振动引起的公害小，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。,中日两国盾构隧道各项成本费用构成,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
6、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。,当隧道曲线半径过小时，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。,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
7、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。,伦敦泰晤士河塔桥,伦敦泰晤士河塔桥,悉尼海港大桥,法国米洛高架桥,江阴大桥,南京长江三桥,大胜关京沪高铁大桥,大胜关京沪高铁大桥,重庆江津长江大桥,上海长江大桥,上海长江大桥,南京赛虹桥立交,上海天目路立交桥,盾构隧道的断面形状一般为圆形，也可采用矩形、马蹄形、椭圆形、双圆形、多圆形等。圆形隧道最大直径已达14.14m。,四 盾构隧道断面形状,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
8、工方法；适用土质的状况等多种方式分类。,五 盾构机的种类,盾构机（Shield）,敞开式盾构,复合盾构,插刀盾构,网格式盾构,全气压盾构,半敞开式盾构,密闭式盾构,土压平衡盾构,泥水平衡盾构,机械开挖盾构,手掘式盾构,（1）土压平衡盾构,土压平衡盾构,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,土压平衡盾构,土压平衡
9、盾构是把土料(必要时添加泡沫等对土壤进行改良)作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土料增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量(旋转速度)进行调节。它又可细分为削土加压盾构、加泥土压盾构和复合土压盾构。,4号线施工地面泡沫,地铁十号线施工地面泡沫,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。,1切削刀盘 切割开挖面上的土壤和在开挖室内搅拌使之变成可塑的泥土浆。切削刀盘前面一般布置有添加土壤改良剂料的灌注口，对开挖面上的土壤进行改良处理。切削刀盘盘面有封闭
10、式和敞开式两种。 封闭式切削刀盘是用于开挖面不稳定的土层类型，这样可以避免在开挖面有大量的土壤松动。 缺点：是在开挖面上支撑压力的分布不均匀。承压隔板上测得的土压值不一定就是真实值，它还和刀盘的位置和转向有关。敞开式切削刀盘（敞开式星形设计），一般不会发生阻塞，此时开挖面支撑压力分布均匀且送到螺旋输送机上的土料流动稳定。 缺点：是由于缺乏机械支撑，进入压缩空气下的开挖室的危险较大。此外，长时间运行时，在覆土浅时易造成沉降，稳定性和刀盘的强度降低。,土压平衡式盾构,2开挖室（密封舱） 切削刀盘与后面的承压隔板之间所形成的一个空间。 用于存储被刀盘削切下来的土体，并加以搅拌使其成为不透水的，具有适
11、当流动性的塑流体，使其能及时充满密封舱和螺旋输送机的全部空间，对开挖面进行封闭，以维持开挖面的稳定性，同时也便于将其排出。,土压平衡式盾构,3 螺旋输送机 功能：用来将密封舱内的塑流状土体排出盾构外，并在排土过程中，利用螺旋桨叶片与土体间的摩擦和土体阻塞所产生的压力损失，将螺旋输送机排出口的泥土压力降至一个大气压，使其不发生喷漏现象。 螺旋输送机的圆柱形壳体有一段是可以伸缩的。它伸到开挖室内部, 可以改善土料的供应。由于存在摩擦，在壳体内的土料不能旋转，只能作轴向移动。螺旋输送机的安装位置较低时更好用，因为土料是利用其自身重量压入螺旋输送机开口中的。当螺旋输送机位于中心时，必须将在开挖室下部的
12、土料向上压送以克服重力作用。若螺旋输送机位于更低的位置，使用压缩空气将开挖室内的土料向低位压送没什么问题，因此压缩空气气室的位置越高越好。,土压平衡式盾构,（2）复合型土压平衡盾构,复合式盾构机,（3）泥水加压盾构,泥水平衡盾构,泥水式盾构机是通过加压泥水或泥浆(通常为膨润土悬浮液)来稳定开挖面，在机械式盾构的刀盘的后侧，其刀盘后面有一个密封隔板，把水、粘土及其添加剂混合制成的泥水，经输送管道压入泥水仓，待泥水充满整个泥水仓，并具有一定压力，形成泥水压力室，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。通过泥水的加压作用和压力保持开挖工作面的稳定。盾构推进时，旋转刀盘切削下
13、来的土砂经搅拌装置搅拌后形成高浓度泥水，用流体输送方式送到地面泥水分离系统，将碴土、水分离后重新送回泥水仓，这就是泥水加压平衡式盾构法的主要特征。因为是泥水压力使掘削面稳定平衡的，故得名泥水加压平衡盾构，简称泥水盾构。,泥水盾构,67,泥浆制备与分离,废弃浆液的处理,68,六 盾构机选型的主要内容,盾构机基本类型的选择 土压盾构、泥水盾构 盾构刀盘与刀具的选择 幅条式刀盘、面板式刀盘 滚刀、切刀、先行刀、超挖刀 主要功能的配置 渣土改良、防沉淀冲刷 主要参数设计 扭矩、推力、排渣能力等等,69,环境因素：建构筑物、场地环境、工程投资 作为控制地层变形能力评判，泥水盾构优于土压盾构；但是由于泥水
14、处理系统的需要，工作场地要求大。 从工程投资角度考虑，一般泥水盾构施工的成本高于土压盾构的1520%；且泥水处理系统会造成噪音污染。,盾构选型的地质与环境适应性,70,选型的原则： “掘得进、排得出、稳得住、耐得久” 地质影响因素：软土地层、岩石地层 一般来说对于土层或淤泥质地层，选择土压平衡盾构；而富水砂层且环境敏感选择泥水盾构；对于岩石地层或复合地层选择土压盾构； 主要因素有：地层的渗透系数、岩土层的颗粒分布与组份、岩石的强度、岩石的RQD指标、地质构造。,盾构选型的地质与环境适应性,71,盾构及TBM是一种特殊的隧道专用设备，一般来讲它是根据某一具体工程 “量体裁衣”设计的大型隧道施工机
15、械，集机、电、液、气一体化，其灵活性较差，不具备通用性，因此在盾构与TBM使用和选择方面应当做到风险分析到位、科学论证充分。,七 盾构和TBM特性机及差异,72,高科技性 盾构涉及多学科、多理论，综合交叉； 主要专业：土木、机械、电气、液压、测量、环控等；,动画来源于“863”计划项目,73,小型盾构约2000万元， 中型盾构约4500万元，TBM约1.2亿元 大型盾构约1.4亿元，TBM约23亿元 超大型盾构约3亿多元。,高投入性,八 盾构施工技术,1、 施工工艺流程,盾构工作井,竖井施工,在盾构法隧道的起始端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
16、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；,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。,盾构法施工步骤,刀盘吊运,(1)端头加固,为了确保盾构始发和到达时施工安全，确保地层稳定，以防端头地层发生坍塌或涌漏水等意外情况，根据各始发和到达端头工程地质、水文地质和端头结构等综合分析与评价，决定是否对洞门端头地层进行加固处理。端头加固有高压旋喷桩、搅拌桩、静压注浆等多种形式。,2、施工工艺,(2)洞门破除,始发前将车站洞门部位的端头围护桩进行凿除，采用油炮+人工施工作方式进行凿除，先沿洞四周凿除采用油炮A部分，再用人工持风镐凿除B部分。凿除时围护桩内层钢筋先不割除，待盾构进洞或出洞时再迅速割除。,2、施工工艺介绍,盾构进洞,(3)始发设施的安装,始发托架的
