盾构法隧道

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1、1,同济大学,2018年4月10日,盾构法隧道,盾构法隧道（Shield Tunnel）,1. 概述 地铁隧道已成为解决城市交通拥挤最有效手段之一 。 我国经济发达的中心城市相继开展地铁建设。 盾构工法已成为城市地下隧道的主要修建方法之一 。,2.盾构法主要施工工序,出发竖井,中间竖井,接收竖井,盾构机,2.盾构法主要施工工序,盾构吊装就位,盾构设备车架,盾构设备车架,盾构准确进入接收井,3.1 盾构机基本构造 盾构机是一种既能承受地层压力、又能在地层中掘进的施工机具。 盾构机由通用机械（外壳、掘削机构、挡土机构、推进机构、管片组装机构等）和专用机构组成（如土压盾构的排土机构、添加材注入机构；

2、泥水盾构的送排泥机构、搅拌机构）。,3.盾构机(Shield Machine),3.1 盾构机基本构造,3.盾构机(Shield Machine),面板式,辐条式,3.2 盾构机类型 （1）按断面形式分：圆形、椭圆形、马蹄形、矩形、双圆搭接形、三圆搭接形。,3.盾构机(Shield Machine),圆形,椭圆,马蹄形,矩形,3.2 盾构机类型 （1）按断面形式分：圆形、椭圆形、马蹄形、矩形、双圆搭接形、三圆搭接形。,3.盾构机(Shield Machine),三圆搭接,双圆形,3.2 盾构机类型 （2）按出土器械的机械化程度分：手掘式、半机械掘削式、机械掘削式。,3.盾构机(Shield M

3、achine),半机械式,手掘式,机械式,3.3 常用盾构机类型及其施工原理 （3）按掘削面敞开程度分：全部敞开式、部分敞开式（网格式）、封闭式（泥水式、土压式）。,3.盾构机(Shield Machine),土压式,敞开式,泥水式,网格挤压式,3.3 常用盾构机类型及其施工原理 （4）按掘削面加压稳定方式分：气压式、泥水式、土压式，其中以泥水平衡和土压平衡两种最为常用。,3.盾构机(Shield Machine),土压式,气压式,泥水式,3.3 常用盾构机类型及其施工原理 泥水平衡原理：把水、粘土及添加剂混合制成的泥水，经输送管道压入泥水舱，待泥水充满整个泥水舱后，盾构机的推进系统工作，则推

4、进力经舱内泥水传递到掘削面 的土体上，刀盘掘削下来的土砂进入泥水舱，经搅拌后含掘削土砂的高浓度泥水，经泥浆泵送到地表的泥水分离系统。,3.盾构机(Shield Machine),3.3 常用盾构机类型及其施工原理 土压平衡原理：盾构推进时前端刀盘旋转掘削土体，掘削下来的土体涌入土舱。当掘削土体充满土舱时，由于盾构的推进作用，致使掘削土体即对掘削面加压。当该加压压力与掘削地层的土压+水压相等，随后若能维持螺旋输送机的排土量与刀盘的掘土量相等，把这种稳定的出土状态称为掘削面土压平衡状态。,3.盾构机(Shield Machine),4.1 地层变位的影响因素 1.地层损失 地层损失是指盾构施工过程

5、中实际开挖土体体积与竣工隧道体积之差。 （1）开挖面的土体移动。 （2）土体挤入盾尾间隙。 （3）盾构推进过程中推进方向的改变、盾尾纠偏、曲线推进、仰头推进或叩头推进，实际开挖断面不是圆形而是椭圆形，从而引起地层损失。 （4）盾构外壳移动与地层间的摩擦与剪切作用，引起地层损失。 （5）在水土压力作用下，隧道衬砌产生变形而引起少量的地层损失。,4.盾构法施工引起的地层变位,4.1 地层变位的影响因素 2.受扰动土体的再固结 盾构隧道周围土体受到盾构施工扰动后，便在盾构隧道周围形成超孔隙水压力区。当盾构离开该处地层后，由于土体表面的应力释放，隧道周围的孔隙水压力便下降。在孔隙水压下降过程中，孔隙水

6、排出，引起地层移动和地面沉降。地层因孔隙水压力变化而产生的地面沉降，称之为主固结沉降。土体受到扰动后，土体骨架还发生持续很长时间的压缩变形。在此土体蠕变过程中产生的地面沉降称为次固结沉降。,4.盾构法施工引起的地层变位,4.2 地层变位的模式 1.地表横向沉降 Peck（1969）通过对大量地表沉陷数据及工程资料分析后，首先提出地表沉降槽正态分布的概念，并认为施工引起的地面沉降是在不排水条件下发生的，所以沉降槽的体积应等于地层损失的体积。此法假定地层损失在隧道长度上均匀分布，地面沉降的横向分布似正态分布函数。,4.盾构法施工引起的地层变位,4.2 地层变位的模式 1.地表纵向沉降 刘建航（19

7、91）在Peck法的基础上，总结了上海地铁隧道纵向沉降分布的一般规律。,4.盾构法施工引起的地层变位,5.1 衬砌结构的作用 （1）在施工阶段中，作为施工临时支撑用，并承受盾构千斤顶项力以及其它施工荷重。 （2）竣工后作为隧道永久性支撑结构。 （3）防止泥、水渗入。 （4）内衬具有防水、防钢筋腐蚀、修正施工误差和内部装饰等作用。,5.衬砌的形式和构造,5.2 衬砌结构的选型 （1）依据隧道的使用目的，围岩条件以及施工方法，合理选择衬砌的强度、结构形式和种类等。 （2）根据隧道的车辆限界、建筑限界以及使用要求选择合适的盾构隧道横断面，最常用的为圆型与矩型。 （3）在饱和含水软土地层中修建地下隧道

8、，较常用的结构型式是选用圆形结构。 （4）根据荷载大小以及防渗漏要求确定是否需要二次衬砌。,5.衬砌的形式和构造,5.3 衬砌的分类 （一）按材料及形式分类 1. 钢筋混凝土管片 （1）箱形管片 一般用于较大直径的隧道。单块管片重量较轻，管片本身强度不如平板形管片，特别在盾构顶力作用下易开裂。,5.衬砌的形式和构造,5.3 衬砌的分类 （一）按材料及形式分类 1. 钢筋混凝土管片 （2）平板形管片 用于较小直径的隧道，单块管片重量较重，对盾构千斤顶顶力具有较大的抵抗能力，正常运营时对隧道通风阻力较小。,5.衬砌的形式和构造,5.3 衬砌的分类 （一）按材料及形式分类 2.铸铁管片 饱和含水不稳

9、定地层中修建隧道时较多采用。 管片较轻，耐蚀性好，机械加工后管片精度高，能有效地防渗抗漏。 金属消耗量大，机械加工量也大，价格昂贵。 易脆性破坏的特性，不宜用作承受冲击荷重的隧道。,5.衬砌的形式和构造,重荷载部位：河流的横断面、民房下面、软弱地层 急曲线部位 车站及特殊部位（连盾构、矩形盾构等）,铸铁管片的适用场所,5.3 衬砌的分类 （一）按材料及形式分类 3.钢管片 优点是重量轻、强度高。 缺点是刚度小、耐锈蚀性差，需进行机械加工以满足防水要求。 成本昂贵，金属消耗量大。,5.衬砌的形式和构造,5.3 衬砌的分类 （一）按材料及形式分类 4.复合管片 外壳采用钢板制成，在钢壳内浇注钢筋混

10、凝土，组成一复合结构，其重量比钢筋混凝土管片轻，刚度比钢管片大，金属消耗量比钢管片小。 缺点是钢板耐蚀性差，加工复杂冗繁。,5.衬砌的形式和构造,5.3 衬砌的分类 (二)按结构型式分类 1.管片 适用于不稳定地层内各种直径的隧道内的。 纵向接缝间通过螺栓予以连接，螺栓可承受较大的正、负弯矩；环向接缝上设置纵向螺检，具有抵抗隧道纵向变形的能力。 管片拼装进度大为降低。,5.衬砌的形式和构造,5.3 衬砌的分类 (二)按结构型式分类 2.砌块 一般适用于含水量较少的稳定地层内。 衬砌结构在通过变形后(变形量必须予以限制)地层介质对衬砌环的约束使圆环得以稳定。 砌块由于在接缝上不设置螺栓，施工拼装

11、进度就可加快。,5.衬砌的形式和构造,5.3 衬砌的分类 (三) 按形成方式分类 1.装配式衬砌 由分块的预制管片在盾尾拼装而成。 按照管片所在位置及拼装顺序不同可将管片划分为标准块、邻接块和封顶块。 特点：工厂化生产、机械化安装；立即受荷；接缝防水。,5.衬砌的形式和构造,封顶块管片,标准块管片,5.3 衬砌的分类 (三) 按形成方式分类 2.挤压混凝土衬砌 在盾尾刚浇捣而未硬化的混凝土处在高压作用下，作为盾尾推进的后座，盾尾在推进的过程中，不产生建筑空隙，空隙由注入的混凝土直接填充。 特点：自动化程度高；理想的受力、防水要求；钢纤维混凝土能提高薄形衬砌的抗裂性能。,5.衬砌的形式和构造,5

12、.3 衬砌的分类 (四)按构造型式分类 分为单层及双层衬砌两种型式。 饱和含水软土地层内的隧道，外层是装配式衬砌结构，内层是内衬混凝土或钢筋混凝土层。 双层衬砌存在的问题：开挖断面增大；施工工序复杂；逐步为单层衬砌所代替。,5.衬砌的形式和构造,5.4 装配式钢筋混凝土管片 (一)环宽 无论是钢筋混凝土管片或金属管片，环宽一般在3002000mm之间，常用的是750900mm。 环宽不易过大或过小。 (二)分块 单线地下铁道衬砌一般可分成68块，双线地下铁道衬砌可分为810块；小断面隧道可分为46块。 管片的最大弧、弦长一般较少超过4m，管片越薄其长度应越短。,5.衬砌的形式和构造,5.4 装

13、配式钢筋混凝土管片 (三)封顶管片形式 趋向于采用小封顶形式。 封顶块的拼装形式有两种，一为径向楔入，另一为纵向插入。,5.衬砌的形式和构造,5.4 装配式钢筋混凝土管片 (四)拼装形式 有通缝、错缝两种。,5.衬砌的形式和构造,通缝拼装方式,错缝拼装方式,5.5 管片接头构造 (一)接头类型 纵向接头、环向接头。 从其力学特性可分为柔性接头和刚性接头。 (二)接头结构形式 （1）螺栓接头 环向螺栓根据接缝内力设置单排或双排，每排23个螺栓；纵向螺栓按管片分块结构受力要求配置。,5.衬砌的形式和构造,弯螺栓联结形式,直螺栓联结形式,斜直螺栓联结形式,5.5 管片接头构造 (二)接头结构形式 （2）铰接头 多铰环的环向接头，几乎不产生弯曲，轴向力占主导，在地基条件良好的英国和俄罗斯广泛应用。 地下水位以下，对防水有要求。 （3）销插入接头 可做环向和纵向接头使用。,5.衬砌的形式和构造,暗销接头,暗销接头,5.5 管片接头构造 (二)接头结构形式 （4）楔形接头 利用楔形作用将管片拉和紧固的接头，以混凝土平板型管片为对象开发使用。,5.衬砌的形式和构造,凸圆弧面球铰接头,凹凸圆弧面球铰接头,5.5 管片接头构造 (二)接头结构形式 （5）榫接头 接头部分设有凹凸，通过凹凸部位的啮合作用进行力的传递，主用作为环向接头使用。,5.衬砌的形式和构造,榫槽式接头,