隧道盾构法施工ppt课件.ppt

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1、盾构法施工概述地下工程施工方法明挖法暗挖法盾构法矿井法概述盾构法施工是以盾构作为施工机械在地面以下暗挖修筑隧道的一种施工方法。盾构是一种钢制的活动防护装置，或活动支撑；盾构是既可支承地层压力，又可以在地层中推进的活动钢制圆形或半圆形装置。概述l 在盾构的掩护下，钻头可以安全地开挖地层，一次掘进相当于装配式衬砌一环的宽度。尾部可以装配预制管片或砌块，迅速地拼装成隧道的永久衬砌，并将衬砌与土层之间的空隙用水泥压浆填实，防止周围地层的继续变形和围岩压力的增长。l 盾构推进主要依靠盾构内部设置的千斤顶，用千斤顶块顶在拼成的衬砌环上，使它推进到已挖好的空间内，然后缩回活塞杆，为下一环衬砌拼装创造条件。概

2、述l 重复上述过程，不断开挖、不断推进，借助盾构这种特制施工机械，可用较快的速度完成隧道施工基本作业循环，直至隧道建成。l 盾构施工前，应先修建一竖井，在竖井处安装盾构。采用盾构开挖出的土体，由竖井通道提升运出地面弃土场处理。盾构施工工艺，见图所示。1盾构；2盾构千斤顶；3盾构正面网格；4出土转盘；5出土皮带运输机；6管片拼装机；7管片；8压浆泵；9压浆孔；10出土机；11管片衬砌；12盾尾空隙中的压浆；13后盾管片；14竖井1、盾构施工法优点l 1）该施工方法属于地下工程暗挖法施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响，能较经济合理地保证隧道安全施工，可在盾构支护下安全地开

3、挖、衬砌等；l 2）盾构的推进、出土、拼装衬砌等可全部机械化，自动化作业，施工劳动强度较低，而掘进速度比较快；1、盾构施工法优点l 3）施工中没有噪声和振动，对周围环境没有干扰；l 4）在松软含水地层中，修筑埋置深度较大的长大隧道，具有经济、技术、安全等方面的优越性。2、盾构施工法存在的缺点l 1）盾构是一种价格较昂贵、针对性强的专用施工机械，对每一座采用盾构法施工的隧道，均应根据工程地质、水文地质条件、衬砌结构断面尺寸的大小进行专门制造、运送、拼装与拆卸等，且设备较复杂。因此，一般不能随便将其他隧道施工用的盾构重复使用；2、盾构施工法存在的缺点l 2）需要有气压供应设备、人工井点降水、衬砌管

4、片预制、衬砌结构的防水设施及堵漏、隧道内的运输、施工测量、场地布置、拼装与拆卸工作井等施工技术的密切配合才能顺利施工。且用气压法施工时，涉及到压缩空气泄出的危险、减压病等医学上的防护措施；2、盾构施工法存在的缺点l 3）对于短于750米的隧道，有统计资料显示，被认为是不经济的；对隧道曲线半径过小或隧道埋深较浅时，施工困难较大（对水底隧道当覆盖土太浅时施工反而不太安全）；2、盾构施工法存在的缺点l 4）当盾构法施工采用全气压方法稳定地层时，施工条件较差，因此对劳动保护要求较高，用盾构法施工时，在隧道上方一定范围内，尤其是饱和含水松软土层，地表沉陷尚难以防止，拼装衬砌对衬砌整体防水技术要求很高。l

5、 上述缺点，有待于在今后采用盾构法施工实践中，加强科学研究，进一步加以克服和改进。目前，各国采用盾构法施工建水底公路隧道已成为较为常用的模式，随着交通建设的高速发展，用大直径盾构建筑水底公路隧道将会日益增多。第二节盾构机械分类与构造一、盾构机械分类盾构是一种集施工开挖、支护、推进、衬砌、出土等多种作业于一体的大型暗挖隧道施工机械。盾构类型很多，可按开挖方式、构造类型、盾构的断面形状、盾构前部构造和排水与稳定开挖面方式等进行分类。一、盾构机械分类按盾构断面形状不同可分为圆形、拱形、矩形、马蹄形四种；圆形因其抵抗地层中的土压力和水压力较好，衬砌拼装简便，可采用通用构件，易于更换，因而应用较广泛。一

6、、盾构机械分类l 按盾构开挖方式不同分为：手工挖掘式、半机械挖掘式和全机械挖掘式三种；l 按盾构前部构造不同分为：敞胸式和闭胸式两种；l 按排除地下水与稳定开挖面的方式不同分为：泥水加压、土压平衡式的无气压盾构，局部气压或全气压盾构等。l 随着科技发展，盾构机械的种类越来越多，适用性更加广泛。盾构列表盾构列表二、盾构机械的构造（一）手工挖掘式盾构手工挖掘式盾构是盾构的最基本形式，主要由盾壳、支护结构、推进系统、拼装机构和附属设备等五部分组成，适用于开挖面基本能自稳的土层中的隧道工程。1、盾构壳体盾壳由切口环、支承环和盾尾等组成，并由钢板焊成圆形壳体，盾壳组成见图所示。盾 盾 壳 壳1切口环；2

7、支承环；3盾尾；4纵向加强肋；5环状加强肋（1）切口环l 切口环位于盾构的前部，前端设有刃口，施工时可以切入土层中，在它的掩护下工人可在开挖面上安全地开挖。有一些盾构设有千斤顶操纵的前檐可以向前伸长，以增加掩护长度。l 一般切口环不宜过长，否则会使盾构稳定性变差，并增大盾构推进阻力。l 机械化盾构的切口环中需容纳各种专门挖土设备。（2）支承环l 支承环位于盾构的中部，是盾构受力的主要部分，它由外壳、环状加强肋和纵向加强肋组成；环状加强肋焊在支承环两端，纵向加强肋焊在环状加强肋之间，盾构千斤顶就布置在此间并将千斤顶推力传给壳体。l 在支承环内安设竖向和水平向隔板形成井字型隔架,以增加盾构刚度及加

8、固支承环,二层水平隔板上设置工作平台。（3）盾尾l 盾尾位于盾构尾部，由环状外壳与安装在内侧的密封装置所构成。l 其作用是支承坑道周边土体，防止地下水与注浆材料被挤入盾构隧道内，同时也是进行隧道衬砌组装的地方。（3）盾尾l 盾构密封材料，一般安装在盾尾钢板和管片外表面之间，既具有防止注浆材料和地下水漏入盾构的作用，又具有后面所述泥水加压盾构和土压平衡盾构中保持压力的作用。应根据盾构外径、地质条件和施工中是否更换密封材料等条件，决定需要安装几段密封材料，才能达到确保密封性。l 密封材料有橡胶、树脂、铜环片、不锈钢或由它们组合而成。密封材料的形状有板状、刷子状等。密封材料使用寿命和效果与材质、构造

9、、组装精度等因素有关系。（3）盾尾l 手工挖掘式盾构的盾尾密封装置，多采用如图所示的双级密封装置结构。（3）盾尾 盾尾密封装置 盾尾密封装置1管片；2盾尾；3钢板；4合成橡胶；5氯丁橡胶；6泡沫尿烷；7尿烷橡胶2、支护结构支护结构主要由活动前檐、活动工作平台和支护挡板构成。（1）活动前檐l 活动前檐由多块扇形体组成，位于切口环拱部的滑槽和滚轮滑道内。扇形体前端带有特制的刃口，后端与千斤顶一端相连，千斤顶的另一端被固定在支承环后部的横向隔板上。当千斤顶伸出时，推动活动前檐向前伸出，伸出长度为千斤顶的行程。（2）活动平台平台沿着工作平台内的轨道向前伸出，伸出长度和千斤顶伸出行程相同。l 活动平台安

10、置于横向两层工作平台内。后端与固定在工作平台内的千斤顶相连。当千斤顶伸出时，活动（3）支护挡板另一端固定在盾构的环形隔板上或纵向隔板上,千斤顶在伸出时，推动框架在支座上滑动,将挡板向前推进,伸出长度同千斤顶行程。由于切口环为倾斜式，上下两层支护挡板伸出长度不相同。l 支护挡板由挡板与其相连的框架和支护千斤顶组成。框架前端安装支护挡板，支护千斤顶一端安装在框架内，（3）支护挡板l 可根据开挖面的情况，每开挖一块就支护一块支护挡板。为确保盾构在推进过程中，不影响支护的作用，支护千斤顶的行程都比盾构千斤顶长出1030cm。3、推进系统l 盾构的推进系统主要由盾构千斤顶和液压设备组成。并利用千斤顶上下

11、左右活塞杆伸出长度不同达到纠偏目的。盾构千斤顶是沿支承环圆周均匀分布，千斤顶的台数和每个千斤顶的推力要根据盾构外径、总推力大小、衬砌构造、隧道断面形状等条件而定。l 盾构千斤顶支座一般用铰接形式与千斤顶端部连接，以使千斤顶推力能均匀分布在衬砌端面上，尤其在曲线段施工时，铰接支座更加显得有必要。3、推进系统l 推进系统的液压设备主要由液压泵、驱动马达、操作控制装置、油冷却装置和输油管路组成。除操作控制安装在支承环工作平台上外,其余大多数都安装在盾构后面的液压动力台车上。l 整个推动系统还设有电力保护装置等，使高压油泵及电动机不致超载而损坏。4、拼装机构 环形拼装器 环形拼装器1转盘；2支承滚轮；

12、3径向伸缩臂；4纵向伸缩臂；5举重臂；6爪钩；7平衡重4、拼装机构l 拼装机构即为衬砌拼装器，其主要设备是举重臂,以液压为动力。一般举重臂安装在支承环后部。中小型盾构因受空间限制也有的安装在盾构后部车架或平板台车上。举重臂能作旋转、径向运动，还能沿隧道中轴线作往复运动。完成这些运动的精度应能保证待装配的管片的螺栓孔与已拼装好的管片螺栓孔对好，以便插入螺栓固定。常用衬砌拼装器有齿轮条式、环形式和中空轴式三种，采用环形式拼装器最多。5、附属设备l 手工挖掘式盾构的附属设备较简单,主要有液压动力台车、排水注浆设备台车和真圆保持器等。真圆保持器是把衬砌环组装在正确位置上设置的调整设备，以顶伸式为最多。

13、5、附属设备真圆保持器1扇形顶块；2支撑臂；3伸缩千斤顶；4支架；5纵向滑动千斤顶手工挖掘盾构施工过程l 手工挖掘盾构施工工作过程为：开启全部或大部分盾构千斤顶，盾构在千斤顶推力作用下向前推进，切口环切入土层中。如开挖面自稳性较好时，开挖作业即在切口环的保护下进行。当开挖面自稳性较差时，可开启活动前檐千斤顶使前檐贯入土层中，或同时开启支护千斤顶与活动平台一齐顶住开挖面，保证开挖作业正常进行。手工挖掘盾构施工过程l 盾构千斤顶不断伸出，盾构切口环不断地切入土层，直到盾构千斤顶伸出全部行程为止，这时盾构向前移动一个衬砌环的宽度。这时即可用拼装机进行管片衬砌作业和其他辅助作业，完成一个工作循环。（二

14、）半机械盾构l 半机械盾构是在手工挖掘式盾构的基础上发展起来的一种盾构。它保留了手工挖掘式盾构的优点，克服了劳动强度大、效率低的缺点，将下半部的手工开挖改为机械开挖，减轻劳动强度和大大提高了劳动效率。在土质条件适合时，它成为盾构施工的首选。1-挖掘装置；2-工具管；3-导向油缸；4-输土装置；5-盾尾；6-电动机1-挖掘装置；2-工具管；3-导向油缸；4-输土装置；5-盾尾；6-电动机（二）半机械盾构l 半机械化盾构。它具有结构简单造价较低和施工效率较高等特点。下部的开挖机械，根据不同地质条件，可采用不同挖掘机。（二）半机械盾构半机械化盾构用的挖掘机a刀头式；b铲斗式；c螺旋式几种挖掘机的技术

15、特点（三）泥水加压盾构l 泥水加压盾构，以机械式盾构为基础，它由盾壳、开挖机构、推进系统、送排泥浆系统、拼装机构和附属设备等组成,如图所示。3转鼓凸台；26切削刀；27超挖刀；28主刀梁；29副刀梁；30主刀槽；34刀盘1、泥水加压盾构的盾壳l 泥水加压盾构的盾壳,基本上同手工挖掘式盾构的盾壳相同，但不同之处在于切口环为平直式，环口呈内锥形切口。支承环两端无井字型支撑架，盾尾密封装置为多级密封结构，如图所示。盾尾三级密封装置盾尾三级密封装置 1盾尾；2钢丝刷密封；3钢板；4人造橡胶密封；5防护板2、开挖机构l 开挖机构由切削刀盘、泥水室、泥水搅拌装置、刀盘支承密封系统、刀盘驱动系统等部分组成。

16、3、推进系统、拼装机构及真圆保持器l 泥水加压盾构的推进系统、拼装机构及真圆保持器基本上同手工挖掘式盾构，仅结构尺寸大小、数量、行程和功率大小不同。4、送排泥机构l 送排泥机构由送泥水管、排泥浆管、闸门、碎石机、泥浆泵、驱动机构、流量监控机构等组成。l 这些设备大部分设置安装在盾构后端的后续台车上。5、泥水加压盾构的附属设备l 泥水加压盾构的附属机构包括：操作控制设备、动力变电设备、后续台车设备、泥水处理设备等。泥水加压盾构施工时的工作过程l 开启刀盘驱动液压马达，驱动转鼓并带动切削刀盘转动，开启送泥泵，将一定浓度的泥浆泵入送泥管压入泥水室中；再开启盾构千斤顶，使盾构向前推进。此时切削刀盘上的

17、切削刀便切入土层，切下的土块（土渣、砂土或砂砾土等）与地下水顺着刀槽流入泥水室中，砂土经刀盘搅拌而成为浓度较大的泥浆。l 随着盾构向前推进，土渣量不断增加，泥水不断注入，泥水室内的泥浆形成承压面，以抵抗地层水压力及开挖面的土压力，开挖面就能保持相对稳定，防止坍塌方。只要控制进入泥水室的泥水量和砂土量与从泥水室中排出去的泥浆量相平衡，开挖施工就能顺利进行。当盾构向前推进到一个衬砌环宽度后，即可进行拼装衬砌。缩回千斤顶继续伸出，重新推进，进行下一工序。l 从泥水室排出的浓泥浆，经排泥管及碎石机后，由排泥泵输送到地面的泥水处理设备，然后进行泥水分离处理。被分离出来的砂砾、土渣运至弃土场，处理后的泥水

18、再送入泥水室继续使用。泥水加压盾构的特点l 适用范围较大，多用于含水率较高的砂质、砂砾土层、江河或海底隧道等特殊的超软弱地层中，并能获得其他类型盾构难以达到的较小的地表沉陷与隆起。由于开挖面泥浆的作用，使刀具和切削刀盘的使用寿命较长。泥水加压盾构排出的浓泥浆输出，泥浆输送管道较其他盾构排渣设备的结构简单方便。这种盾构的操作控制较容易，并可实现远距离遥控操作与控制施工开挖等。l 其排渣过程始终在密闭状态下进行（在切削刀盘后方加设隔板将盾构密闭起来），故施工现场与沿途隧道较干净而不受泥水、土渣污染，有利于做好环保工作。这种盾构既能均匀抵抗工作面的土压力和地下水压力，又无局部气压盾构会产生漏气及连续

19、出土困难等，因此也适用于深埋隧道地层施工应用等。泥水加压盾构的缺点l 切削刀盘和泥水室泥浆的阻隔，不能直接观察到开挖面的工作情况，对开挖面的处理和故障排除较困难。另外泥水加压盾构必须有泥水分离设备配套才能使用，而泥水分离设备结构较复杂、规模较大，占地面积亦较大，尤其在市内建筑物稠密区使用较困难。泥水加压盾构价格为目前各类盾构中最贵的。（四）土压平衡式盾构l 土压平衡盾构是在泥水加压盾构和局部气压盾构的基础上发展起来的一种新型盾构。土压平衡盾构由盾壳、开挖机构、推进系统、拼装机构和附属设备等组成。其主要结构如图所示。1、土压平衡盾构的盾壳l 土压平衡盾构的盾壳结构同泥水加压盾构。2、土压平衡盾构

20、的开挖机构l 开挖机构由切削刀盘、泥土舱、切削刀盘支承系统、切削刀盘驱动系统等部分组成。除泥土舱不同于泥水室外,其余基本上同泥水加压盾构。l 所谓土压平衡,就是用刀盘切削下来的土，如同用压力泥水一样充满整个密封舱，并保持有一定压力，使切削下来的土与开挖面的土体压力平衡，开挖面土渣不会从刀盘面处崩溃。2、土压平衡盾构的开挖机构l 土压平衡盾构的泥土舱，是由刀盘、转鼓、中间隔板所围成的空间，转鼓呈内锥形，前端与切削刀盘外缘连成一体，后端与中间隔板相配合。泥土舱与开挖面之间的唯一通道是刀槽，其余处于完全封闭状态。3、推进系统、拼装机构、真圆保持器l 土压平衡盾构的推进系统、拼装机构和真圆保持器同手工

21、挖掘式盾构。4、排土机构l 土压平衡盾构的排土机构,由大螺旋输送机、小螺旋输送机、排土闸门、闸门滑阀、驱动马达等组成。排土是靠螺旋输送机进行,出土量要密切配合刀盘的切削速度,使之尽量相等。密封舱内既充满泥土，又不致过于饱满。此外还要控制盾构千斤顶推力、推进速度、螺旋输送机的速度和闸门千斤顶的开口度，使之不断与开挖面的土压力保持平衡。l 排土闸门是土压平衡盾构的关键部位，常用的排土闸门型式如图713所示。排土闸门型式a)活瓣式；b)回转叶轮式；c)闸门式5、土压平衡盾构的附属设备l 土压平衡盾构的附属设备,由操作控制设备、动力变电设备、后续台车设备等组成。在操作控制设备中，土压平衡盾构重点是对土

22、压的监控管理；土压管理主要是通过电子计算机收集安装于盾构有关重要部位的土压计信号，并综合处理,进行自动调节，或发出信号指出有关数据进行人工调节控制。土压平衡盾构的工作过程l 开启液压马达。驱动转鼓带动切削刀盘旋转，同时开启盾构千斤顶，将盾构向前推进。土渣被切割下并顺着刀槽进入泥土舱。随着盾构千斤顶向前推进，切削刀盘不断的旋转切削,经刀槽进入泥土舱的土渣不断增多。这时开启螺旋输送机，调整闸门开度，使土渣充满螺旋输送机。l 当泥土舱与螺旋输送机中的土渣积累到一定数量时，开挖面被切下的土渣经刀槽进入泥土舱内的阻力加大，当这个阻力足以抵抗土层的土压力和地下水压力时，开挖面就能保持相对稳定而不致坍塌。l

23、 这时，只要保持从螺旋输送机与泥土仓中输送出的土渣量与切削流入泥土仓中的土渣量相平衡，开挖施工作业就能顺利进行。土压平衡盾构是通过对土压管理来保持土压力或土渣量的相对平衡与稳定来进行施工的。l 土压平衡盾构的特点是：由于隔板将开挖面封闭，不能直观开挖面的变化情况，开挖面的处理和故障排除较为困难；切削刀头、刀盘盘面磨损较大，刀头寿命较短，要求刀头的耐磨性较高等。（五）网格挤压式盾构l 网格挤压式盾构是上海隧道工程设计院研制的，它是我国目前应用较为成功和采用数量最多的一种盾构。上海市穿越黄浦江的打浦路隧道和延安东路隧道及宝钢的排水隧道等均采用这种网格式盾构。l 网格式挤压盾构由盾壳、开挖机械、排土

24、渣机构、拼装机构等组成，这种盾构最大直径达11.32m。（五）、网格式挤压盾构 1网格；2网格胸板；3盾壳；4闸门千斤顶；5盾构千斤顶；6竖梁；7横梁；8水枪；9密封隔舱；10泥浆系统；11盾尾密封；12管片拼装机；13操纵台；14衬砌管片l 网格式挤压盾构，大部分结构与型式和前述几种盾构的结构型式大同小异，但其中网格式挤压盾构的开挖较为独特，在它的切口环内设置了网格加胸板。网格由网格板和大梁组成。网格板可随意拆装组合及改变开口大小。胸板装在网格大梁上,分大小两种。大胸板设有可随意开闭的液压闸门；小胸板可随意拆装,供作观察与进入开挖面之用。l 在切口环与支承环之间设有隔舱板，使切口环成为泥水室

25、，高压水枪装在隔舱板上并伸入泥水室中。工人可在隔舱板后操作，将进入泥水室中的泥块冲成泥浆。l 拼装机构为中心固定的框架支承式，与齿轮齿条相似。由提升、平移、回转三套机构组成。整个拼装机构装在盾构中心固定框架上，由液压马达驱动进行回转。l 网格挤压式盾构在稳定的软土地层中掘进时，一般采取大网格推进，以开口挤压为主。这时网格板及网格大梁直接插入土中，土体即通过网格孔被挤压入盾构内。同时可改变网格板开孔大小，以适应不同土质的需要。只有推进阻力较大时，才用高压水枪冲刷网格边缘，减少推进阻力。挤入泥水室中的泥块在高压水枪的冲刷下变成泥浆，并由泥浆泵经管道输送至地面的泥水处理设备，进行泥水分离。网格挤压盾

26、构的工作过程l 主要环节是进行闭胸挤压开挖时，首先在网格大梁上装上大小胸板，通过调节液压闸门开度，放进部分泥土，减小推进阻力，或根本不进土，将盾构前方的泥土挤向盾构上方或盾构四周。闭胸挤压开挖会引起地层隆起,必须选择使用。网格挤压式盾构的特点l 网格板与胸板可以随意拆装，改变板孔口的大小，使网格挤压式盾构的使用范围增大；它可以敞胸式施工，也可以闭胸式施工；可以采用全挤压施工或者半挤压施工；能根据土质与施工条件的不同，进行相应的措施与结构转换；出渣方式可采用泥浆输送，也可使用皮带输送机和斗车装运；此盾构结构较简单，施工速度较快等。网格挤压式盾构的缺点l 地表沉降与隆起大，施工时，与其他类型盾构相

27、比，需要更加精心操作与科学管理。（六）插刀式盾构l 插刀式盾构主要由盾壳、推进机构、拖拉支承框架、插刀等组成。l 盾构是由许多能够活动的插刀组成，这些插刀可以组合成不同的断面形状和尺寸。l 推进机构是用设在插刀和支承框架之间的液压千斤顶将插刀以单插刀或成组插刀的方式进行，当所有插刀都推进一个行程时，将所有千斤顶收缩，把支承框架向前拖动。插刀推进和拖动支承框架的力，由盾构插刀与围岩间的磨擦力来平衡，故它不需管片环为支承后座。插刀式盾构的特点l 可自由选择衬砌类型，它既可采用预制管片，也可采用喷射混凝土衬砌。l 采用泵送混凝土衬砌的插刀式盾构，是一个带有后续盾构的组合插刀盾构，其插刀尾板搁置在后续盾构上，后续盾构有一盾尾壳，用液压千斤顶与插刀盾构相连接，用伸缩式挖掘机进行挖土。插刀式盾构的特点l 使用插刀工盾构不需在终点设置拆装井，这种盾构可以将框架部分和插刀收拆起来，从已衬砌好的隧道内退出。插刀式盾构是敞口的，它适用在开挖面稳定的土层中进行施工。l