城市轨道交通盾构法施工技术探讨.docx

南京铁道职业技术学院毕业论文题目：作 者： 二级学院： 系 ：专业：班级：指导者： 评阅者：城市轨道交通盾构法施工技术探讨学号：动力工程学院铁道工程铁道工程技术铁道工程南京地铁轨道巡检1002魏连峰2023 年 5 月毕业设计 论文 中文摘要城市轨道交通盾构法施工技术探讨摘要 城市轨道交通系统具有运量大、速度快、时间准、污染少、安全舒适、占地少、与城市道路无平面穿插等优点，吸引着大中城市80%以上的客运量。城市轨道交通隧道多承受盾构法施工，盾构法施工之所以被大量承受，除了近代城市地下工程进展的客观需要外，还由于该法开挖速度快，施工的整个过程实现全自动化作业，施工劳动强度低，对地面交通、设施以及地下管线等影响小，并且在穿越河道时不影响航运，施工中不受季节、风雨等气候条件影响，施工中没有噪声和扰动，在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道时具有技术和经济上的双重优势。本文争论的内容是盾构技术在城市轨道交通隧道施工中的应用，包括:1、盾构的根本构造和功能； 2、盾构的分类和选型； 3、盾构隧道的施工技术:(1) 盾构施工工艺，(2)特别地段的施工。文章系统的介绍了地下盾构施工技术，内容全面、贴近实践。关键词 城市轨道交通 盾构施工技术第 1 页共 1 页目次1 绪论12 盾构12.1 盾构的构造12.2 盾构的分类22.3 盾构的选型23 城市轨道交通盾构施工技术33.1 盾构竖井修建33.2 盾构始发33.3 盾构机到达53.4 衬砌拼装和防水73.5 壁后注浆84 特别地段及简单地质条件施工84.1 浅覆土层施工84.2 小半径曲线施工94.3 地下管线段施工94.4 穿越运营隧道施工94.5 穿越江河的隧道盾构施工9结 论10致 谢11参 考 文 献12第 10 页共 12 页1绪论我国是自 20 世纪 50 年月开头引进盾构法修建隧道工程的。虽然起步很晚， 但由于留意参考和借鉴别国成功的阅历和失败的教训，所以进展很快。特别是近十年来我国城市地铁大规模建设，盾构技术得到了一轮进展。随着盾构法应用的增加，工程人员对其技术争论逐步深入，盾构隧道的设计计算、盾构的选型及配套、盾构的使用及施工技术等在我国都得到了快速进展和提高。本文就盾构构造、选型以及施工技术等做具体介绍。2 盾构2.1 盾构的构造 盾构机按构造主要有壳体、排土系统、推动系统、衬砌拼装系统和关心注浆系统五局部组成。2.1.1 壳体盾构机的通用标准外形是圆筒形，整个外壳用钢板制作，其目的是保护掘 削、排土、推动、衬砌等全部作业设备、装置的安全。一台盾构的外壳沿纵向由切口环、支撑环和盾尾三局部组成。盾尾后端安装有盾尾密封。（1） 切口环土部， 施工时切入地层并掩护开挖作业。它位于盾构机的最前端，该部位装有掘削机械和挡土设备，故又称为掘削挡 （2） 支承环性的圆环构造，承受作用于盾构上的全部荷载。支承环连接切口环与盾尾，内部支承环紧接于切口环后，位于盾构机中部，是盾构的主体构造，具有较强刚可安装切削刀盘的驱动装置、排土装置、盾构千斤顶等。大型盾构机中设在支承环位置上的设备有全部的液压，动力设备，操纵掌握系统和衬砌拼装机具等。中小型盾构机可把局部设备转移到盾构机的后部车架上。当正面局部加压盾构机的切口环内压力高于常压时，支承环内要设置人工加压与减压闸室。盾尾一般由盾构机外壳钢板延长构成，主要用于掩护隧道衬砌的安装工作。（3） 盾尾盾尾末端设置有密封装置，为了防止盾构机的盾尾与衬砌之间进入水、土及注浆 材料，盾尾不密封时必需准时予以更换。盾尾的长度需要依据能够满足以上各项工作的进展来确定。排土系统由切削土体的刀盘、泥土仓、螺旋出土器、皮带传送机、泥浆运输2.1.2 排土系统电瓶车等局部组成。掌握螺旋出土器排土的速度和盾构推动速度，可以保持开挖面土体的平衡。2.1.3 推动系统推动系统是通过沿支承环四周布置的千斤顶支撑在已安装好的管片衬砌上所产生的作用力而前进的，推动时，千斤顶既可单独操作，也能分组操作。2.1.4 衬砌拼装系统衬砌拼装就是承受专用拼装设备，随着盾构的推动在盾尾将预制管片一次拼装成环，包括：举重臂和真圆保持器组成，其中举重臂也称衬砌拼装器或机械手是拼装系统的主要设备，常以油压系统为动力。2.1.5 关心注浆系统关心注浆系统包括浆液搅拌机、注浆泵等设备。管片衬砌离开盾尾时，要及时压注浆液充填环形衬砌外的建筑间隙，以削减地面的沉降。2.2 盾构的分类依据盾构的工作原理、挖掘方式、横断面的外形和盾构机的功能、用途等可将盾构机进展一下分类：1依据工作原理划分：手掘式盾构机、挤压式盾构机、半机械式盾构机局部气压、全局气压、机械式盾构机开胸式切削盾构机、气压式盾构、泥水加压盾构、土压平衡盾构、混合型盾构、异性盾构。2依据开挖方式划分：放开式、机械切削式、网格式和挤压式等。3按盾构机横断面的外形划分：半圆形、圆形、椭圆形、马蹄形、双圆塔接形竖双圆形、横双圆形三圆塔接形、矩形矩形、凸字形、凹字形。4按盾构机的功能和用途划分：直角弯隧道盾构、偏心急弯曲线盾构、大坡度盾构、地中对接盾构CID 工法、MSD 工法、侧接盾构、站盾构分岔盾构、路线可变扭曲盾构、竖向掘削盾构上、下掘盾构、扩径盾构、变径盾构、大深度盾构、长距离盾构机、高速掘进盾构机。我国的地铁施工也经受了手掘式、半机械式和机械式盾构机的进展历程。当前，手掘式、半机械式盾构机趋于淘汰，圆形截面的土压平衡盾构使用最为广泛。2.3 盾构的选型2.3.1 依据地层的渗透系数进展选型对于盾构选型一个很重要的因素是地层渗透系数。当该地地层的渗透系数小于 10-7m/s 时，应选用土压平衡式盾构机；当该地地层的渗透系数在 10-710-4m/s 之间时，既可选用泥水式盾构机也可以选用土压平衡式盾构机；当地层渗透系数大于 10-4m/s 时，宜选用泥水式盾构。依据地层渗透系数与盾构类型的关系，假设地层以富水的各种级配砂层、砂砾层为主时，宜选用泥水式盾构；其他地层宜选用土压平衡式盾构。2.3.2 依据地层的颗粒级配进展选型土压平衡式盾构主要适用于粉土、粉质粘土、淤泥质粉土、粉砂层等粘稠土壤的施工。在粘性土层中掘进时，由刀盘切削下来的土体进入土仓后由螺旋机输出，在螺旋机内形成压力梯降，保持土仓压力稳定，使开挖面土层处于稳定。盾构类型与颗粒级配的关系为：粘土、淤泥质土为土压平衡式盾构适用的颗粒级配范围；砾石粗砂为泥水式盾构适用的颗粒级配范围；粗砂、细砂可使用泥水式盾构，也可经土质改进后使用土压平衡式盾构。一般来说，当岩土中的粉粒和黏粒总量到达 40%以上时，通常宜选用土压平衡式盾构，相反的状况选择泥水式盾构比较适宜。2.3.3 依据地下水压进展选型当水压大于 0.3MPa 时，适合选用泥水式盾构，假设因地质缘由需承受土压平衡式盾构，则需增大螺旋输送机的长度或承受二级螺旋输送机，或承受保压泵。3 城市轨道交通盾构施工技术3.1盾构竖井修建盾构施工是在河床或海底面以下肯定深度进展的，在盾构起始开挖位置上要修建一竖井进展盾构的拼装，称为盾构拼装井；另在盾构施工的终点位置还 需拆卸盾构并将其吊出所修建的竖井称为盾构到达井或盾构拆卸井。假设盾构推动长度很长，在隧道中段或隧道弯道半径较小的位置，还应修建盾构检修工作井， 称为盾构法施工中间井。盾构竖井施工中要留意以下问题：（1） 必需对盾构的出口区段地层、进口区段地层和竖井四周实行注浆加固措施，以稳定地层及施工安全。（2） 当地下水较大时，应实行降水措施，防止井内涌水、冒浆及底部隆起；（3） 施工中随着竖井沉入深度的增加，对井底开挖工作要特别留神，以防地下水上涌，造成淹井事故等。3.2 盾构始发盾构始发是指使用安装在竖井内临时组装的管片、反力架等设备，把盾构机 在座架上推动，从动身口处贯入围岩并沿着规定路线开头推动的一系列预备工 作。3.2.1 盾构机动身的施工要点1盾构机的安装所谓安装是指把盾构机组装在竖井内设置的座架上，进入设定位置。设定位置是以设计的中心位置及高度为主，进展假设干修正而求出的。所谓修正，是指在脆弱围岩中盾构机贯入时，考虑到盾构机下沉而需事先留出一些充裕量数厘米左右，以便盾构准确就位。2反力架设备该设备主要是以临时组装的管片和型钢为主材，为保证其能够承受必需的推力，应具有充分的强度和不发生有害变形的刚度。临时组装的管片，需要确保临时安装时的正确位置，以免给其后组装正式管片精度带来不良影响。3始发口由于始发口的开口作业引起围岩坍塌的危急较大，所以，必需小范围分片拆除临时挡土墙体，在盾构机前面准时进展支护。通常，在靠近始发口处需设置入口密封圈或浇筑洞口混凝土，以确保施工的牢靠性和安全性。在设置入口密封圈是，需要充分留意其材质、外形和尺寸是否符合设计要求。4始发方法盾构机始发的方法很多，依据撤除临时挡土墙方法和防止掘削面地层坍塌方法的不同，主要有掘削面自温法、拔桩法和直接掘削井壁法等。3.2.2 盾构始发的施工技术1始发端的地层加固盾构机始发之前，要依据洞口稳定状况评价地层，并实行相应的加固措施。地层加固一般实行“固结灌浆”、“冷冻法”、“插板法”等方法，使加固地层具备至少一周的侧向自稳力量。2始发洞口的破除为保证开挖面稳定，洞门破除分两次进展：第一次先将维护构造主体凿除，只保存围护构造的外排钢筋和保护层；在盾构机始发前进展其次次洞门破除，将洞门剩余局部凿除，并确保洞门范围内无剩余钢筋。洞门破除按先下后上、先中间后两侧的挨次进展，切忌大面积同时破除。其次次破除需要速度快，尽量缩短洞门土体无支撑时间。3洞口密封洞口密封是对起始推动段与盾构机或管片之间的间隙实行的防渗措施，防止地下水和背后所注砂浆外泄，确保施工牢靠和安全。洞口密封的施工分三步：第一步是在始发井构造施工过程中，要做好预埋件的安装工作，特别留意的是预埋件必需与始发井构造钢筋连在一起，保证预埋件的锚固长度；其次步在盾构始发之前完成洞口密封的安装，特别要检查螺栓的紧固程度；第三步在盾尾进入洞门后，壁后注浆开头前，对洞门密封压板上设置防反转装置。4反力架和始发托架的安装反力架后座设计制造必需满足以下几个要求：要有足够的强度和刚度，保证传力的牢靠性。留有足够的空间，使垂直运输和水平运输便利通过，尤其要保证后续台车的通过。保持盾构机推动轴线和后座壁垂直，保证盾构机推动方向的准确。反力架基面要有足够的平坦度，以保证管片的拼装质量。反力架的构造形式要依据始发井的构造形式进展设计，要做到因地制宜。反力架的构造最好做成组装的形式，便于吊运和安装。盾构发托架不仅用作安装和搁置盾构机，更重要的是通过设在托架上的导轨使盾构机进出洞时能获得正确的导向。因此盾构托架除了要满足承受盾构机自重外，还要满足盾构机在导向钢轨上移动时摩擦力引起的位移。5负环管片安装盾构始发时，在始发竖井里盾构机的后端是一个反力支架，盾构机向前推动时需拼装管片环并向后安装到位以给盾构机掘进供给反作用力，从反力架到始发竖井井壁之间安装的管片就是负环管片，负环管片实际上全部在始发竖井中。6盾构的始发在盾构始发之前，对盾构始发前的姿势作复核、检查；预备工作就绪前方可撤除洞口围护构造。盾构始发时应做好盾构的防扭措施和基座两侧的加固工作，防止盾构的旋转。盾构在基座上向前推动时，宜通过掌握推动油缸行程等措施使盾构沿基座向前推动。盾构始发前，必需对盾构基座两侧进展必要的加固。盾构机始发实行小推力、低扭矩向前推动。刀盘进入洞门前，在刀头和铰接密封装置上涂抹油脂，以避开刀盘上刀头损害洞门密封装置。推动过程中，跟踪加固负环管片。在负环管片脱出盾尾后，准时用钢丝拉结和木楔子等进展加固，以保证在传递推力过程中管片不会浮动和下沉变位。7洞口注浆当盾尾完全进入洞体以后，停机调整洞门密封，承受壁后注浆的方式进展洞口注浆。浆液不但要求顺当注入，而且要求尽早具有强度。注浆压力掌握在0.15MPa 以内。3.3 盾构机到达盾构机到达是指在稳定地层的同时，将盾构机沿所定路线推动到竖井边，然后从预定预备好的大开口处将盾构机拉进竖井内，或推动到到达墙的指定位置后停下等待一系列的作业。3.3.1 盾构机到达前的预备工作盾构机到达前必需对到达竖井洞口段预先加固，其方法有：注浆加固、深层搅拌桩、旋喷桩等化学加固方法，还有井点降水疏干土体、冻结等物理加固方法。为确保顺当到达，还应认真争论确定：到达局部四周的地层是否需要预加固及设置出口密封圈；盾构机位置测量方法和隧道内外的联络方法；减慢推动速度，承受微速推动的开头位置；承受泥水加压式盾构时泥水减压的开头位置；竖井到达面的开挖方法及其开头时间；防止从盾构机主体和到达面的空隙土和砂流入或涌入的对策；到达局部四周的壁后注浆方法；到达竖井内的盾构机承台等临时设备。盾构机进出竖井前后 50m 是盾构法施工最困难的地段之一。常常由于地层处理不当引起洞口四周大面积土体的塌陷。在软粘土地质条件下，假设洞口封门材料强度低，抗渗透力量差，则不能起到挡土止水及保证井内工作空间的效果。相反，假设封门材料太硬，洞周土体加固强度过高，又会造成盾构刀盘切削困难。盾构进出井必需解决以下几个问题：封门材料选择和制作，洞周土体的滑移和沉陷，盾构机水平和竖直方向的偏移。3.3.2 盾构机到达的方法盾构机到达方法有两种：一种是盾构机到达后撤除到大竖井的挡土墙再推进；另一种是事先撤除挡土墙，再推动到指定位置。1盾构机到达后撤除挡土墙再推动方法该方法是将盾构机推动到到达竖井的挡土墙外，利用地层加固使地层自稳，同时撤除挡土墙，再将盾构机推动到指定位置。该方法撤除挡土墙时，盾构机刀盘与到达竖井间的间隙很小，故自稳性强。但由于工序少，便于施工，而被广泛用于地层稳定性好的中小断面盾构工程。2盾构机到达前撤除挡土墙再推动方法该方法事先要撤除挡土墙，所以要在撤除前进展高强度的地层加固，在井内构筑易撤除的钢制隔墙，然后从下至上撤除挡土墙，用泥水或贫配比砂浆顺次充填地层及加固体与隔墙间的空隙。待完成换填水泥土后，将盾构机推动到隔墙前，撤除隔墙，完成到达。3.3.3 盾构机到达施工流程图洞门局部凿除洞门密封的安装承受托架的安装与固定掘进参数的调整掘进方向的掌握到达段的掘进洞门剩余局部凿除渣土的清理贯穿后步上承受托架3.4衬砌拼装和防水3.4.1 拼装挨次拼装时，由下部开头，对称安装标准块和邻接块，最终装封顶块。封顶块拼装便利，施工时可先搭接 2/3 环宽径向推上，再进展纵向插入与施工设计有关，一种沿隧道半径方向呈锥角从隧道内侧插入；一种纵向带锥度，沿隧道纵轴插入，另一种将两种方法结合。3.4.2 拼装工艺1管片在作防水处理前必需对其进展清理，然后在进展密封垫的粘贴。2安装过程中彻底去除盾壳安装部位的垃圾，同时必需留意管片的定位精度，尤其第一环要做到居中安放。3管片安装把握好管片环面的平坦度、环面的超前量以及真圆度。4边拼装管片边拧紧纵、环向连接螺栓，待整环管片安装完毕，撑开真圆保持器固定。5在整环管片脱出盾尾后，再次按规定扭矩拧紧全部连接螺栓。6管片应无贯穿裂缝，无大于 0.2mm 宽度的顶裂裂缝，无缺棱掉角现场。7施工阶段管片拼装成环质量允许偏差应符合下表规定：序号工程允许偏差mm检测数量范围数量检验方法1高程±50每 5 环1水准仪2平面±50每 5 环1全站仪3相邻环管片允许高差4每 5 环1尺量4衬砌环直径椭圆度5D每 5 环1测量计算注：D隧道外径mm。3.5 壁后注浆3.5.1 壁后注浆的目的（1） 使管片与四周岩体的环形空隙尽早建立注浆体的支撑体系，防止洞室岩壁坍塌与地下水流失造成地层损失，掌握地面沉降值。（2） 尽快获得注浆体的固结强度，确保管片衬砌的早期稳定性，防止长距离的管片衬砌背后处于无支承力的浆液环境内，使管片发生位移变形。（3） 作为隧道衬砌构造加强层，具有耐久性和肯定强度。防止地下水与管片直接接触，从而到达保护管片，提高管片衬砌的耐久性的效果。3.5.2 注浆与方式（1） 同步注浆承受同步注浆时，要求在注入口的注浆压力大于该点的静水压力和土压力之和，做到尽量填充而不是劈裂。（2） 二次补强注浆管片背后二次补强注浆则是在同步注浆完毕以后，通过管片的吊装孔对管片背后进展补强注浆，以提高同步注浆的效果，补充局部未填充的空腔，提高管片背后土体进展补强注浆，以提高同步注浆的效果，补充局部未充填的空腔，提高管片背后土体的密实度。二次注浆其浆液充填时间滞后于掘进肯定的时间，对围 岩起到加固和止水的作用。（3） 堵水注浆为提高背衬注浆层的防水性及密实性，在富水地区考虑前期注浆受地下水影响以及浆液固结率的影响，必要时在二次注浆完毕后进展堵水注浆。4特别地段及简单地质条件施工4.1 浅覆土层施工压、掘进速度等参数，削减施工对环境的影响。1盾构隧道覆土小于 1 倍盾构直径为浅覆土施工，应掌握盾构开挖面土2应掌握盾构姿势，防止发生抬头和上浮。3当盾构开挖面上部为硬粘土下部为承压水砂性土时，应向粘土层压注泥浆使之软化并加大盾构下部千斤顶顶力，增大对砂性土压力以严防砂性土液化流失而引起盾构磕头隧道下沉。4.2 小半径曲线施工1应防止由于盾构推动反力不均引起的管片环变形、移动、管片错台、管片严峻开裂、渗水等。2使用超挖装置时，应掌握超挖量。3壁后注浆应选择体积变化小、早起强度高、速凝型的注浆材料。4应增加施工测量频率。5应实行措施防止后配套车架脱轨或倾覆。4.3 地下管线段施工1应具体查明地下管线类型、位置、允许变形值等，制定专项方案。2对受施工影响可能产生较大变形的管线，应依据具体状况进展加固或改移。3应依据关心隆沉检测反响准时调整盾构开挖面土压、掘进速度、出渣量等施工参数，削减地层土体的隆沉和变形，确保管线安全。4.4 穿越运营隧道施工1盾构穿越施工引起的地铁隧道变形应小于 5mm。2据运营地铁隧道边缘前后各 6 环为盾构穿越段，在盾构推动至穿越段前 1040 环范围内应设盾构穿越前的试验段，长度宜 2030 环；试验段上沿盾构推动轴线上每个 5 环布置深层沉降监测点，埋深与地铁隧道底点相等，每 3环布置地表沉降监测点，测点埋设在原状土内。3在运营隧道内必需进展沉降实时连续监测，准时分析反响，调整盾构土仓压力，微调掘进速度、出土量、注浆压力等参数。4.5 穿越江河的隧道盾构施工1穿过江河前，应对盾构密封系统做全面检查和处理；必需配备足够的排水设备和设施。2盾构开挖面土压应经计算和阅历设定，并在施工中调整优化，加强盾构掘进参数掌握治理，防止地层坍塌。3应对河床隆沉进展检测，宜承受测量船作业。结论本文主要阐述了盾构法施工流程和质量掌握措施，并通过对盾构法施工的学习和了解，从本质上分析其适用性和优越性，并对具体的工程条件进展分析，选择适宜的盾构机机型，从而防治施工中问题的消灭，削减危急事故的发生。另外，本文还针对了特别地段的盾构施工，分析争论其施工留意事项及实行的相应措施。通过对论文资料的深入查找及学习，以及各种盾构施工具体工程的分析与了解，盾构法施工技术有一整套科学评估方法，并具有相应问题预防和处理措施。这一整套盾构施工是可行的，并会在将来的城市轨道交通建设中被大量选用。盾构法施工技术必定会推动中国建筑行业的进展，特别是对隧道施工进展有极大的推动作用。致谢首先感谢敬重的教师在繁忙的工作之余屡次催促并指导我完成了这次毕业 设计，提出了很多贵重的意见，使这篇论文更加完善和有有用价值。在魏连峰教师的热心指导帮助下，我在不知不觉中也增长了很多的学问，对我今后的工作起 到了推动和提高作用。同时感谢敬重的各位教师，在他们的严格要求和教育帮助 下，我顺当的完成了三年的学业，他们严谨的工作作风将始终影响着我以后的人 生道路。参考 文 献1 张冰.地铁盾构施工M.北京：人民交通出版社，2023.12 杨其，关宝树.地下铁道话题M.成都：西南交大大学出版社，2023.23 姜晨光.地铁工程建筑技术M.北京：化学工业出版社，2023.24 于景臣，张冰，夏芳.城市轨道交通工程M.北京：中国铁道出版社，2023.85 隋修志，高少强，王海彦.隧道工程M.北京：中国铁道出版社，2023.16 毛红梅.地下铁道M.北京：人民交通出版社，2023.87 上海市城乡建设和交通委员会. 地铁隧道工程盾构施工技术标准Z.2023-02-01