《隧道施工课程设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《隧道施工课程设计（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、盾构法隧道课程设计1.1 盾构施工原理与特点 图1 盾构机的构成（土压平衡实例）盾构技术基本概念:盾构隧道施工法是指使用盾构机，一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳，一边进行隧道掘进、出渣，并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆，从而不扰动围岩而修筑隧道的方法。盾构机有很多的型式，典型的盾构机(土压平衡式盾构)可示于图1。盾构机的所谓盾是指保持开挖面稳定性的刀盘和压力舱、支护围岩的盾构钢壳。所谓构是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体。由于盾构一般使用于以土为围岩的隧道工程施工中，与岩石围岩不同，土体不具有自立稳定性，所以保持开挖面稳定的系统(盾)就非常重要。 图2 土压平衡是盾构的开挖原理与盾构相
2、似的施工技术还有岩石掘进机(TBM)和顶管法。但是无论在施工方法和适用范围方面这两者都与盾构法有较大的不同。TBM的施工对象是山岭隧道，其围岩多是可以自立稳定的岩石，所以机械上不设置压力舱，其衬砌也很少使用管片。泥水加压式顶管和土压平衡式顶管在掘进及开挖面稳定方面近似于盾构，但衬砌不是装配管片形成，而是使用各种管从洞口顶入，其使用范围也限于直径较小的隧道。（1）盾构施工的主要原理就是尽可能在不扰动围岩的前提下完成施工，从而最大限度地减少对地面建筑物及地基内埋设物的影响。为了达到这一目的，除了刀盘和盾构钢壳可以被动地产生支护作用以外，使用压力舱内泥土或泥水压力平衡开挖面上的作用土压力和水压力；使
3、用壁后注浆及时充填由开挖产生的盾尾空隙，主动地控制围岩应力释放和变形是盾构技术的关键。土压平衡式盾构主要是将开挖土砂通过各种搅拌翼在压力舱内搅拌，使其形成一种塑性流动状态，然后通过千斤顶的推进力和控制螺旋式排土器的排土量调节压力舱内的泥土压力，使其与开挖面上的土压力和水压力进行平衡，见图2所示。泥水加压式盾构是将压力舱内充满泥浆，通过调节泥浆压力与开挖面上的土压力和水压力进行平衡见图3所示。图3 泥水平衡式盾构的开挖原理不同于使用泥土压力的土压平衡式盾构，通过使用液体作为压力控制的媒体，泥水加压式盾构在控制开挖面稳定方面具有较大的优点。因此，国外的大断面隧道以及高水压力隧道多采用泥水加压式盾构
4、进行施工。但是，泥水加压式盾构是通过将稠泥浆从压力舱下部排出的方法进行出渣。这时渣土需经大型的泥浆处理设备处理后才能废弃，所以设备的造价相对较高。 图5 常见的盾构形式 图4 盾尾空隙与壁后注浆 壁后注浆是对盾尾形成的施工空隙进行填充注浆，以减小由于管片四周所出现的空隙而产生的地基应力释放和地基变形，是盾构施工的重要环节之一。如图4所示，盾尾空隙的大小是由盾构钢壳厚度和盾尾操作空间所决定的，一般在510cm左右。如图所示，壁后注浆有通过在盾构钢壳上设置注浆管，在空隙生成的同时进行注浆的同步注浆方式和通过管片上预留的注浆孔进行注浆的及时注浆方式两种，其中同步注浆更有利于地基沉降的控制。盾构的基本
5、型式：盾构的类型一般可根据头部的结构、开挖方式、开挖面稳定原理进行分类，常见的盾构型式示于图5。在盾构使用的早期阶段，没有压力舱的敞开式盾构曾一度广泛的受到使用。但是近10年，由于设置压力舱的闭胸式盾构在控制围岩稳定性方面发挥出的卓越作用，敞开式盾构的使用越来越少，可以将其称为旧式盾构。而我们现在常说的、常用的多为闭胸式盾构，也可将其称为现代盾构。现代盾构主要有两大类，也就是土压平衡式盾构和泥水加压式盾构。在土压平衡式盾构中，又可以根据在开挖面或压力舱内是否添加促进泥土塑性流动化状态的添加剂(泥浆、减水剂、泡沫等)分为土压式和泥土压式两种。（2）盾构隧道施工技术的特点可以归纳为以下几点：对城市
6、的正常功能及周围环境的影响很小。除盾构竖井处需要一定的施工场地以外，隧道沿线不需要施工场地，无需进行拆迁且对城市的商业、交通、住居影响很小。可以在深部穿越地上建筑物、河流；在地下穿过各种埋设物和已有隧道而不对其产生不良影响。施工一般不需要采取地下水降水等措施，也无噪声、振动等施工污染。盾构机是根据施工隧道的特点和地基情况进行设计、制造或改造的。盾构机必须根据施工隧道的断面大小、埋深条件、地基围岩的基本条件进行设计、制造或改造，所以是适合于某一区间的专用设备。当将盾构机转用于其它区段或其它隧道时，必须考虑断面大小、开挖面稳定机理、围岩粒径大小等基本条件是否相同，有差异时要进行改造。对施工精度的要
7、求高。区别于一般的土木工程，盾构施工对精度的要求非常之高。管片的制作精度几乎近似于机械制造的程度。由于断面不能随意调整，对隧道轴线的偏离、管片拼装精度也有很高的要求。盾构施工是不可后退的。盾构施工一旦开始，盾构机就无法后退。由于管片外径小于盾构外径，如要后退必须拆除已拼装的管片，这是非常危险的。另外盾构后退也会引起的开挖面失稳、盾尾止水带损坏等一系列的问题。所以，盾构施工的前期工作是非常重要的，一旦遇到障碍物或刀头磨损等问题只能通过实施辅助施工措施后，打开隔板上设置的出入孔进入压力舱进行处理。1.2 盾构施工主要步骤盾构法施工的概貌如图6所示，盾构法主要施工步骤为：图6 盾构法施工概貌（1）在
8、盾构法隧道的起始端和终端各建一个工作井；（2）盾构在起始端工作井内安装就位；（3）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墙壁开孔处推出；（4）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；（5）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位置；（6）盾构进入终端工作井并被拆除，如果施工需要，也可穿越工作井再向前推进。1.3 施工组织设计1.3.1 工程概况长沙地铁3号线规划自城西南的坪塘、莲花镇附近到城东北的张公塘，全长42.8千米，共设有30个站，其中有8个与轨道交通的换乘站以及3个与城际铁路的换乘站。长沙地铁3号线A标段区间
9、盾构隧道自南二环站北侧端头至清水路站南侧端头，里程为K1+000-K2+800，全长1800m，纵坡均为3%隧道内径为5.4m，外径6m埋深9.6-20.8m。盾构从南二环站出发沿后湖路向北直线推进至清水路站。隧道内用预制混凝土管片衬砌，且随盾构推进后，衬砌拱背外与土体之间的环形间隙要进行同步注浆填充。1.3.2 前期准备工作（1） 施工组织机构在施工开始前，建立以项目经理为核心的项目经理部，统筹长沙地铁3号线A标段区间隧道施工。（2）测量准备工作图7 施工组织构架图尽快和业主、监理办理测量桩点的交接。采用全站仪、水准仪等测量仪器对业主所交桩点进行复测，复测成果上报业主和施工监理审定。根据施工
10、图纸的平面图将线路在地面放样出来，以便进行建筑物、管线的调查和监测点的埋设。做好前期的测量工作，为盾构始发做好准备。前期的测量工作主要包括建立测量控制网、联系测量、洞门精度测量、盾构机导轨测量、反力架测量。在盾构机到达施工现场前，按监测方案要求布设好前200m的监测点，并读取初始值。（3）管片模具的设计和制造、管片预制进行管片模具的设计和制造时，最好派专人到管片模具厂负责现场监造工作，控制生产的每个环节，确保管模精度满足质量要求以及管模如期交付使用。进行管片的预制时，还需注意以下几点：施工前尽早与管片模具生产厂家签定合同，制定管片模具生产计划，提早生产，确保管片模具准备充足。管片模具到达施工现
11、场前，作好管片预制场的场地和养护设施的修整和建造。提前做好接收管片模具的工具和场地的准备，缩短管片模具安装时间，保证按时生产管片。做好管片的原材料的进场检验。确定好混凝土配合比，并上报监理和业主。按计划提前生产1800环管片，确保管片满足盾构掘进的要求。（3）其他准备工作进行沿线的建筑物及地下管线的调查，并实施建筑物保护施工。盾构机的筹备、盾构始发架、反力架、预埋件等设备材料的加工、制作。做好实施性的场地规划和设计，准备临建材料。积极协助设计单位，确保按时拿到施工蓝图。联系好盾构碴土运输单位，主要工程设备及耗材的购买准备。始发端头加固施工。1.3.3 盾构机组装及吊装南二环站-清水路站区间设计
12、采用复合式土压平衡盾构机，盾构机的主要系统和部件包括：开挖系统、推进系统、排土系统、管片拼装系统、液压、电气、控制系统、姿态控制装置、导向系统、壁后注浆装置、后续台车、集中润滑装置、超前钻机及预注浆、铰接装置、通风装置、碴土改良装置及其他装置如盾壳、人闸等。盾构机的组装场地分成三个区：后续台车存放区、主机存放区、吊机存放区；盾构机按后配套拖车、主机依次进场组装。盾构机吊装的主要设备为：履带吊机一台、汽车吊机一台，液压千斤顶两台，小型泵站一台，以及相应的吊具、机具、工具。盾构机的组装及调试流程见图8所示。1.3.4 盾构机掘进施工盾构机始发掘进阶段的技术要点如下：（1）要严格控制始发台、反力架和
13、负环的安装定位精度，确保盾构始发姿态与设计线路基本重合。 (2)第一环负环管片定位时，管片的后端面应与线路中线垂直。负环管片轴线与线路的轴线重合，负环管片采用通缝拼装方式。 (3)盾构机轴线与隧道设计轴线基本保持吊装设备准备组装厂地准备井下轨道准备空载调试安装反力架配套拖车吊装负荷调试安装负环管片主机吊装平行，盾构中线比设计轴线适当抬高23cm。 (4)盾构在始发台上向前推进时，各组推进油缸保持同步。 (5)初始掘进时，盾构机处于始发台上。因此，需要在始发台及盾构机上焊接相对的防扭转支座，为盾构机初始掘进提供反扭矩。图8 盾构机组装及调试流程 (6)始发阶段，设备处于磨合期。要注意推力、扭矩的
14、控制，同时也要注意各部位油脂的有效使用。掘进总推力应控制在反力架承受能力以下，同时确保在此推力下刀具切人地层所产生的扭矩小于始发台提供的反扭矩。 (7)盾构进入洞门前把盾壳上的焊接棱角打平，防止割坏洞门防水帘布。1.3.5 正常掘进及主要施工工艺（1）掘进模式本项目所采用的复合式土压平衡盾构机具有敞开式、半敞开式及土压平衡三种掘进模式。为了获得理想的掘进效果、保证开挖面稳定、有效控制地表沉降及确保地面建筑物安全，必须根据不同的地质条件选择不同的掘进工况。上述三种掘进模式的适应工况分别如下：土压平衡模式适应的工况为：洞身处于云开群花岗片麻岩全风化及以下自稳定性差的地层、当地层可能有较大涌水、断裂
15、、构造破碎带、断层及溶洞等不良地质地段。图9 盾尾同步注浆示意半敞开模式适用的工况为：洞身处于云开群花岗片麻岩强风化地层中、当洞身处于软硬不均地段时、具有一定自稳能力和地下水压力不太高的地层，其防止地下水渗入的效果取决于压缩空气的压力。敞开模式适用的工况为：当洞身处于云开群花岗片麻岩中、微风化地层中、能够自稳、地下水少的地层。（2）盾构同步注浆管片就位管片准备盾构推进油缸缩回二次紧固管片整圆清理盾尾管片就位管片拼装当管片脱离盾尾后，在土体与管片之间会形成一道宽度为95140mm左右的环行空隙。同步注浆的目的是为了尽快填充环形间隙使管片尽早支撑地层，防止地面变形过大而危及周围环境安全，同时作为管片外防水和结构加强层。 图10 管片安装程序壁后注浆装置由注浆泵、清洗泵、储浆槽、管路、阀件等组成，安装在第一节台车上。当盾构掘进时，注浆泵将储浆槽中的浆液泵出，通过四条独立的输浆管道，通到盾尾壳体内的四根同步注浆管，对管片外表面的环行空隙中进行同步注浆，见盾尾同步注浆示意图9所示，在每条输浆管道上都有一个压力传感器，在每个注浆点都有监控设备监视每环的注浆量和注浆压力；而且每条注浆管道上设有两个调整阀，当压力达到最大时，其中一个阀就会使注浆
