盾构隧道施工.pptx

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1、盾构法施工的优缺点：盾构法施工的优点：（1）施工作业在盾构设备的掩护下安全进行；（2）施工时振动和噪声小，对周围环境几附近居民几乎没有影响；（3）施工时不影响地表交通和航道通航；第1页/共157页（4）不受气候条件影响；（5）施工机械化程度高，施工管理容易。盾构施工法的缺点（1）覆土较浅时，开挖面稳定困难；（2）曲率半径较小的曲线段施工比较困难；（3）在饱和水层中，防水技术要求高；（4）盾构施工地区地表沉降还不能完全防止。第2页/共157页第一节盾构构造与分类按形状分：圆形 矩形 椭圆形 马蹄形 半圆形 双圆形 三圆形第3页/共157页按开挖面的施工方式分：敞胸盾构 闭胸盾构目前主要形式：泥水

2、加压式 土压平衡式盾构第4页/共157页 1)盾构壳体盾构壳体一盾构的基本构造一盾构的基本构造 2)推进系统推进系统 3)出土系统出土系统 4)拼装系统拼装系统第5页/共157页盾构的基本构造简图第6页/共157页（一）盾构壳体 壳体组成：切口环 支承环 盾尾 竖直隔板 水平隔板第7页/共157页（1）切口环 切口环长度由开挖方法、开挖工具、人员活动空间和支撑形式来确定。（2）支撑环支撑环承受的力：地层压力、千斤顶的顶力及切口、盾尾、衬砌拼装时传来的施工荷载。第8页/共157页（3）盾尾密封装置作用：防止地下水、外层土、衬砌背面压浆之浆液倒流入隧道。盾尾密封材料：橡胶系 刷子系第9页/共157

3、页盾尾长度：最小限度，能在盾构千斤顶缩回后，达到管片宽度即可，但考虑到要调换损坏的管片、修千斤顶、对到曲线施工等因素，还要增加管片宽度的1/3-1/4余量。第10页/共157页盾构盾尾密封形式第11页/共157页盾构盾尾构造简图第12页/共157页（二）推进系统推进系统组成：由盾构千斤顶和液压设备组成，并利用千斤顶上下左右活塞杆伸出长度不同达到纠偏目的，千斤顶沿支承环均匀分布。能量供应：电能转变为液压能。第13页/共157页 决定盾构推力的主要因素：（）盾构壳体与土之间的摩擦力；（）工作面的推进阻力；（）推进中切口插入土中的阻力；（）管片与盾尾的摩擦阻力。第14页/共157页.盾构外围的阻力砂

4、土时：粘土时：第15页/共157页作用于盾构外围的土压和水压第16页/共157页.盾构正面阻力作用于盾构正面的土压和水压。第17页/共157页.切口插入阻力：.管片与盾尾之间摩擦阻力：盾构千斤顶总推力经验公式：第18页/共157页（三）出土系统包括：切削装置和运输装置.土体的切削装置（）超挖刀容易安装。刀盘必须具备足够的扭矩，以克服土体阻力、机械阻力及盾构扭矩等，可以通过与盾构外径的经验公式求得。第19页/共157页适应条件：（）适应于软弱地层，切口环插入地层。第20页/共157页刀盘外围突出于切口环特点：超挖刀容易安装，方向容易控制。刀盘与切口环在同一位置第21页/共157页垂直平面形圆锥形

5、半球形切削刀盘和开挖面的形状第22页/共157页2.土体的运输装置 被切削下来的土体，通过搅拌，必要时加入作浆材料，利用螺旋输送机将土体运出。第23页/共157页螺旋输送机第24页/共157页螺旋输送机将土体运出后，在盾构外运输方式有：F（）有轨运输F（）无轨运输F（）管道运输第25页/共157页（1）有轨运输 矿车由电机车牵引到洞口或工作井，再经垂直起吊送至地面。缺点：受一次通过矿车数量的限制，运输速度慢，效率低。第26页/共157页（2）无轨运输 大型自卸卡车直接送到弃土场，效率高。缺点：要求隧道断面大，须先将洞口引道作好。第27页/共157页（3）管道运输 开挖下来的土体搅拌成泥浆经泥浆

6、泵接力压送到地面，使出土实现了连续化，提高了功效。且隧道内干净，实现了文明施工。缺点：必须设置泥水循环系统和泥水处理系统。第28页/共157页（四）拼装系统 管片拼装器具有的四个功能：（）夹钳 （）使管片位置伸缩 （）前后滑动 （）旋转第29页/共157页杠杆式拼装机环式拼装机第30页/共157页二.盾构分类第31页/共157页（一）人工开挖盾构.一般手掘式盾构第32页/共157页人工开挖盾构优缺点 优点：（1）一般采用全敞胸式，便于观察地层和清除障碍；（2）盾构推进在开挖面出现故障时，比较容易排除；（3）易于纠偏，也便于曲线段的施工。缺点：（1）劳动强度大，效率低，如遇正面塌方，易危及人身安

7、全及工程安全。第33页/共157页.挤压式盾构 分为：全挤压式盾 局部挤压式盾构 全挤压式盾构工作面胸板全部封闭不出土，而将盾构经过区域的土挤压向外部，因而会引起很大的地表隆起变形，一般只适用于空旷地带、河底海滩等处第34页/共157页开口率：开口大小与盾构断面的比值。开口率过大时进土量增加，会引起周围地层沉降，反之，就会增大盾构的切入阻力，使地面隆起。盾构开口率一般为2%-0.8%；在极软弱地层中，开口率也可小于0.3%。第35页/共157页局部挤压式盾构工作原理第36页/共157页.网格式盾构网格式盾构第37页/共157页（二）半机械化盾构第38页/共157页（三）机械化盾构 机械化盾构：

8、是在盾构切口环部分紧贴开挖工作面装上与盾构直径相仿的旋转刀盘进行全断面开挖的盾构，分有:单轴式、双轴式、多轴式等。刀盘分为:敞开形和封闭形。第39页/共157页.局部气压盾构支承环和切口环之间装密封隔板，形成密封仓，通入压缩空气，以平衡开挖面的土压力，达到稳定开挖的作用，但在密封舱、盾尾及管片接缝处容易漏气。第40页/共157页.泥水加压盾构 泥水加压就是在盾构的封闭隔仓内注入泥水，通过泥水加压和外部压力平衡，一保证开挖面土体的稳定。第41页/共157页要求从盾构推进、排泥到泥水的处理全部按系统化作业。通过泥水压力、泥水流量、泥水浓度等测定，计算出开挖土量，全部作业由中央控制台管理。第42页/

9、共157页泥水加压盾构第43页/共157页（）泥水加压盾构稳定作用泥水加压盾构工作原理泥水压力水压力第44页/共157页（）泥水循环和管理整个作业，送泥排泥泵、自动阀门、泥水处理设备以及盾构动力设备均安装有测量控制装置，测量的数据传到中央控制室，操作人员综合判断，正确控制各个环节。第45页/共157页.土压平衡盾构适应条件：适用含水饱和软弱地层中施工端头部有全断面切削刀盘，在切口环与支撑环间设有密封隔板形成密封舱第46页/共157页土压平衡盾构原理：随着盾构的推进，由旋转刀盘切削下来的土体进入密封舱内，在舱内的土砂中注入一种具有流动性和不透水性的“作浆材料”经搅拌把土拌成一种具有一定流动性、又

10、不透水的浆化泥土，充满密封舱及与之相连的螺旋输送机，盾构推进时，浆化泥土产生压力与土体静压及水压平衡，同时螺旋输送机送土。第47页/共157页土压平衡盾构第48页/共157页）土压平衡盾构开挖面稳定机构 可采用两种稳定机构：（）适用于粘性土层中 由充满在密封舱内和螺旋输送机内的土压与开挖面的土压达到平衡，同时输送机排土，使得开挖量与出土量保持平衡，保持开挖面的稳定。第49页/共157页（）砂质土层中 由于地下水丰富，土层透水系数高，仅靠排土机构的机械控制使砂土开挖面稳定就很困难，需要用水、膨润土、粘土、高浓度泥水、泥浆材料等的混合料向开挖面加压灌注，并不断进行搅拌，改变切削下来土体的性质，保证

11、土的流动性和止水性，以求的开挖面的稳定。第50页/共157页）土压系列的机械控制机构（）切削土与地下水压力的控制机构：机械控制机构：在螺旋输送机排土口设置控制排土量的机构，使内部充满切削土或混合土。物性控制机构：在切削刀盘前面，密封舱内或输送机排土口注入添加材料，改变土体性状。第51页/共157页（）开挖面稳定控制装置 分类：土压力控制装置土量控制装置水压力控制装置切削刀盘负荷控制装置第52页/共157页第2节盾构隧道施工作业一.施工准备 （一）盾构拼装和拆卸室第53页/共157页（二）盾构机座作用：搁置盾构，导向。材料：钢筋混凝土或钢结构；除受自重外还要考虑纠偏产生的集中荷载导轨：布置在盾构

12、下半部的度范围内，由两根或多根钢轨组成。第54页/共157页（三）盾构进出洞设施在井壁上预留临时的封门洞口，出洞时拆除临时封门，逐步推进盾构进入地层，使盾构最终脱离工作井。洞口周围土体加固方法：注浆法、旋喷法、冻结法、压气法、托换基础法、承压板法等。第55页/共157页（四）盾构后座后座推力靠工作井井壁承担，在盾构和井壁之间设传力设施，缓冲给后座的压力。后座衬砌与后座井壁产生不等距的空隙，要用低强度的混凝土填平补齐，使盾构推力均匀传给井壁。第56页/共157页（五）盾构施工附属设施供电照明设备、通风及空压机房、排水泵房、涂料棚、充电间、出土有轨余数系统及工作井垂直运输系统等。在管道运输时还需要

13、设置泥水处理系统或排土装置等第57页/共157页盾构出洞示意图盾构拼装井盾构后座管片盾构基座盾构运输轨道第58页/共157页二.盾构推进 （一）盾构的技术性能参数 1.盾构外径 为满足曲线段或纠偏旋转角a所必须的最小建筑空隙值x，可按几何关系求得：第59页/共157页盾构直径尺寸计算图盾构外径：第60页/共157页.盾构长度F盾构长度尺寸计算图盾构长度：第61页/共157页.盾构灵敏度 灵敏度：盾构长度与直径之比，即。国内外地下隧道盾构性能特征表第62页/共157页（二）盾构推进.手掘式敞胸盾构施工借助千斤顶的推力使盾构推进，将切口环绕切入地层，然后在切口环保护下进行从上而下的分层开挖和运输，

14、并根据衬砌管片宽度和盾构切口长度，每环管片分数次开挖和推进。第63页/共157页完全敞胸式：纠偏：超挖土质较差时：支撑千斤顶加撑板进行临时支护。辅助施工：人工井点降水排除地下水或气压派稳定开挖面。网格式盾构：纠偏：千斤顶第64页/共157页.泥水加压盾构施工优点：出土实现机械化，改善了施工条件，加快进度。缺点：需设置泥水循环系统和采用自然沉淀及药品沉淀相结合的泥水处理系统，污染严重。分粒器一次沉淀池自然沉淀加如药品二次沉淀第65页/共157页.土压平衡盾构施工推进时，依靠盾构前部刀盘进行旋转切削土体，土体进入密封舱，搅拌成浆化泥土。充满在密封舱和螺旋输送机内的浆化泥土，随着盾构的稳步推进和螺旋

15、输送机的排土，实现出土和进土的平衡以及切削工作面的土体平衡。第66页/共157页三、盾构操纵与纠偏导致偏离隧道设计轴线的因素：（）土层不均匀；（）正面四周阻力不一致；（）千斤顶的顶力不一致；（）盾构重心偏于一侧；（）衬砌缝防水材料压密不一致等。第67页/共157页目前盾构操纵与纠偏主要采取的方法：（）调整千斤顶的编组：cm,避免引起拼装困难及对地层产生多大的扰动（）调整开挖面的阻力：进土孔位，开孔率等（）控制盾构推进纵坡等：先压后抬和先抬后压第68页/共157页（）盾构旋转的防止旋转的原因：盾构的重心不通过轴线或有大型旋转设备引起。防止措施：在反侧加压或在两侧装水平鳍板第69页/共157页四、

16、盾构隧道衬砌施工 拼装方法：举重臂拼装或拱拖架拼装 通缝拼装或错缝拼装 拼装方法按其程序可分：“先纵后环法”和“先环后纵法”拼装管片的原则：自下而上，左右交叉最后封顶成环第70页/共157页保证质量的措施：（）保证环面接封平整纵向通缝防水涂料压密；（）注意衬砌的准圆度，避免出现外张和内张角。第71页/共157页五、衬砌后注浆 一次压注：随着盾尾出现立即注水泥沙浆，并保持一定的压力，米进行控制注浆，以便在强压下充衬砌背后遗漏的空隙。第72页/共157页两次压注：通过管片的注浆孔向衬砌背后压注石英砂或卵石，以防止地层塌陷，继续推进环后，进行二次压注胶结材料，充填空隙固结。注意：左右对称，从下向上，

17、避免单点超压注浆。第73页/共157页第三节盾构隧道衬砌结构及设计计算（一）衬砌的断面形式和作用横断面：圆形、矩形、半圆形、马蹄形等。一、盾构隧道衬砌结构第74页/共157页衬砌的作用在施工阶段：防止土体变形、土体坍塌及泥水渗入，承受盾构推进时千斤顶顶力及其他施工荷载；第75页/共157页竣工后：衬砌单独或与内衬一起作为隧道的永久性支护结构，支撑衬砌周围的水、土压力以及使用阶段和某些特殊学要的荷载，同时防止泥水渗入。第76页/共157页（二）装配式衬砌管片 从结构分：带肋的箱形管片和不带肋的平板形管片；材料：铸铁、钢、钢筋混凝土；钢筋混凝土：箱形和平板形。强度等级以上；第77页/共157页刚性

18、连接：较粗螺栓连接管片，使管片圆环成为一个等刚度的整体结构容易产生次应力；柔性连接：是以少量的单排较细的螺栓连接管片。第78页/共157页衬砌分块设计时，应配合结构所处土层的特性、受荷载情况、构造特点、计算模式、运输能力、制作拼装方便等因素综合考虑分块数。米直径分块米直径分块米直径分块管片最大弧弦长度一般小于米。第79页/共157页带肋的箱形管片铸铁箱形管片钢筋混凝土箱形管片第80页/共157页不带肋的平板形钢筋混凝土管片第81页/共157页（三）衬砌分块和拼装衬砌分块设计时，应配合结构所处土层的特性、受荷载情况、构造特点、计算模式、运输能力、制作拼装方便等因素综合考虑分块数。米直径分块米直径

19、分块米直径分块第82页/共157页管片最大弧弦长度一般小于m厚度：钢筋混凝土：米以下：米以上直径：封顶：大封顶；小封顶封顶形式：径向楔入；纵向楔入第83页/共157页纵向封顶管片示意图第84页/共157页（四）衬砌管片的连接直螺栓连接弯螺栓连接连接形式：纵向连接和环向连接；螺栓连接和无螺栓连接。第85页/共157页球铰形连接槽形连接暗销形连接第86页/共157页二、盾构隧道衬砌结构计算 （一）荷载计算 分为：基本使用阶段荷载 施工阶段荷载 特殊荷载第87页/共157页.基本使用阶段 作用于每衬砌上的荷载有：地层压力 水压力 自重第88页/共157页作用在衬砌结构上的荷载简图第89页/共157页

20、（）衬砌拱顶竖向地层压力拱顶部拱背部（）地面超载（根据实际情况和埋深而定），竖向压力为：第90页/共157页（）侧向水平均匀土压力（）侧向三角形水平土压力第91页/共157页（）静水压力静水压力计算简图第92页/共157页（）自重（）衬砌拱底反力第93页/共157页.施工阶段（）衬砌拼装完成，随着盾构推进而脱出盾尾，尚未注浆，此时衬砌在自重作用下可自由变形，可按自由变形圆环进行验算。第94页/共157页衬砌圆环计算简图第95页/共157页（）盾构推进阶段千斤顶总推力作用在衬砌环缝面积上的验算。（）衬砌建筑间隙压注阶段建筑空隙内压注浆液时，浆液聚集在孔附近一定范围，压力集中、过大引起圆环变形和局

21、部集中应力，甚至导致封顶楔形管片滑移。第96页/共157页.特殊荷载阶段战备防护等级进行人防荷载演算；地震力验算第97页/共157页.衬砌按自由变形圆环计算（二）结构计算第98页/共157页可以得衬砌结构中与垂直轴成a角的任一截面上的弯矩和轴向力为：.假定土体介质有侧向弹性抗力的圆环内力计算第99页/共157页第四节盾构隧道辅助施工技术一、盾构出洞、进铜的土体加固技术 （一）盾构出洞土体加固1.工作井附近的土体承受了巨大的水土压力。失稳、坍塌，引起地表下陷，危及附近建筑物和各种管线；.洞口被加固，但强度不均，挖掘困难，引发盾构机鼓掌，影响进度和造价。第100页/共157页气压法注浆法第101页

22、/共157页高压喷射法冻结法第102页/共157页板桩法结合注浆法降水法第103页/共157页洞口冻结加固冻结孔布冻结加固体设计第104页/共157页 日本东京环线调节水仓隧道盾构出洞土体加固第105页/共157页（二）盾构进洞土体加固盾构进洞水平圆筒形冻结第106页/共157页冻结施工平面图冻结加固结构体断面上海延安东路隧道南线盾构进洞前冻结加固施工第107页/共157页（三）洞口土体加固设计 .自由支撑厚板计算方法 （）工作井洞口底部水土压力：其中：第108页/共157页板块加固体及其受力模型第109页/共157页（）加固体厚度（）沿工作井开洞口周边计算加固体的剪切应力，检验计算的厚度是否

23、合理，最后确定其厚度。第110页/共157页计算剪切应力验算加固体厚度第111页/共157页（）加固范围的确定 根据塑性松动圈的应力状态和破坏条件建立塑性松动圈半径和盾构半径及土体性质之间的关系：第112页/共157页 由上边公式求得塑性圈半径，如计入安全系数及土体破坏范围等因素，则在化学浆液加固条件下加固范围见下表及图：土体化学浆液加固的最小厚度第113页/共157页土体化学浆液坚固范围土体冻结加固范围第114页/共157页.圆筒形加固体计算方法（）当圆筒形冻结加固体的壁厚与其半径的比值小于十分之一时，截面上的应力分布大体均匀，可按薄壁筒理论计算。（）当圆筒形冻结加固体的壁厚与其半径比值大于

24、十分之一时，截面上的应力分布不均匀。此时浅部的结构物一般按弹性厚壁筒计算壁厚，以其截面环内最大切向应力控制。第115页/共157页.防止整体滑移失稳的计算方法经坚固后土体的平衡条件：洞口每米宽度上部覆盖土所产生的下滑力矩：第116页/共157页失稳滑移线与加固体范围第117页/共157页洞口每米宽度土体滑移圆弧线土体下划力矩：土体加固前抵抗力矩：第118页/共157页土体坚固之后增加的抵抗力矩：解平衡方程得到：则可得：第119页/共157页二、地铁联络通道与泵站加固技术日本东京都地铁的一联络通道与泵站冻结施工第120页/共157页三、盾构隧道衬砌防水提高管片材料的自身抗渗性和制作精度；接头的密

25、封第121页/共157页接头面的密封：.采用高精度的管片保证接头接触面密贴、均匀.接头面的密封.灌注密封剂.嵌逢填料.二次衬砌.螺孔防水、加强衬砌内外层防水等第122页/共157页密封材料的要求：（）保证在设计水压下不漏水，能承受千斤顶的顶力、压浆的压力、拧螺栓的扭力以及衬砌使用阶段的截面内力；（）应有相当的弹性，在承受往复压力后复原能力强；第123页/共157页（）要有足够的粘结力和耐久性、稳定性、抗老化性及对耐药性；（）施工方便，不影响管片拼装精度，安装后能立即承受载荷。第124页/共157页接头橡胶底沥青密封条.接头密封条第125页/共157页.弹性密封垫（）硫化橡胶类弹性密封垫（）复合

26、型弹性密封垫（）灌注密封剂（）嵌缝填料（）螺栓孔防水（）其它防水措施第126页/共157页密封沟槽密封垫第127页/共157页完全包裹式局部包裹式双孔复合型第128页/共157页螺栓防水结构图第129页/共157页四、盾构施工地表变形 .地表变形的原因（）隧道开挖破坏了土层原来的平衡状态并使周围土体受到扰动；（）降低水位时井点四周形成漏斗状曲面；（）开挖面土体受到扰动损失而使土体移动；第130页/共157页（）盾构在曲线段施工，纠偏工作形成抬头推进或叩头推进对土体扰动；（）当向盾尾后面隧道外围环形空隙中压浆不及时或压浆不足等压浆压力不适当时造成盾尾后隧道周边土体失去原始的三维平衡状态。第131

27、页/共157页地表变形的一般规律.地表变形的规律 分为：盾构前方隆起或沉降；施工沉降和固结沉降第132页/共157页第133页/共157页.地表变形的控制（）施工中采取合理的正面支撑以保证开挖面土体的稳定；（）尽可能采用技术比较先进的机械盾构，不改变地下水位；（）盾构施工过程中，严格控制开挖面开挖土量，防止超挖；第134页/共157页（）隧道曲线段施工，纠偏推进时，限制纠偏量，同时尽量减小超挖量；（）减少盾构在地下施工中的停搁时间，提高盾构施工速度；（）加强盾尾衬砌后面环形间隙的充填措施；（）坚强地层勘测，加强地面观测，敏感建筑加强措施预以保护。第135页/共157页五、盾构隧道沉降 引起沉降

28、的原因：（）盾构掘进时，正面土体失去平衡状态，因而想盾构内产生流动，盾构隧道正面土层的松懈及扰动；（）盾构推进时，盾壳与地层摩擦剪力引起土体扰动，特别是上下，左右纠偏扰动更大；（）盾构外壳与衬砌之间环形空间充填不迷失，特别是隧道底部；第136页/共157页（）地下水位发生变化，空隙水压力减小，土层有效应力增加，加速隧道底部的固结沉降；（）隧道衬砌结构及接缝防水处理不当，或施工质量差而出现隧道的渗漏点，导致底部水土流失，而使隧道产生严重不均匀沉降。第137页/共157页六、盾构地下或海底对接冻结加固 （）长大隧道，特别是深部的长大隧道；（）隧道上方经过繁华、交通繁忙街区，或海底隧道不便开展立井施

29、工；（）为了缩短工期，降低造价，提高施工效率。第138页/共157页第139页/共157页第140页/共157页第141页/共157页七、盾构隧道坍塌的冻结修复第142页/共157页第143页/共157页第144页/共157页第145页/共157页第146页/共157页第147页/共157页第148页/共157页第149页/共157页第150页/共157页第151页/共157页第152页/共157页第153页/共157页长度400多米盾构头9米，上有58个切割头。日掘进速度约40米。第154页/共157页2003年7月1日，上海轨道交通4号线（浦东南路至南浦大桥）区间隧道浦西联络通道发生渗水，随后出现大量流沙涌入，引起地面大幅沉降。地面建筑物中山南路847号8层楼房发生倾斜，其主楼裙房部分倒塌。第155页/共157页第156页/共157页感谢您的观看！第157页/共157页