盾构隧道施工原理及方法讲课.ppt

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1、盾构隧道施工原理及方法1.盾构法的基本含义盾构法的基本含义 盾构施工法是盾构施工法是“使用盾构机在地下掘进，在护盾使用盾构机在地下掘进，在护盾的保护下，在机内安全的进行开挖和衬砌作业，从而的保护下，在机内安全的进行开挖和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工方法构筑成隧道的施工方法”。按照这个定义，盾构施工。按照这个定义，盾构施工法是由稳定开挖面、盾构机挖掘和衬砌三大部分组成。法是由稳定开挖面、盾构机挖掘和衬砌三大部分组成。一、盾构法施工的原理及方法一、盾构法施工的原理及方法 盾构法施工的概貌如图盾构法施工的概貌如图5-5-15-5-1所示。在隧道的一端所示。在隧道的一端建造竖井或基坑，将盾构安装就位

2、，盾构从竖井或基建造竖井或基坑，将盾构安装就位，盾构从竖井或基坑的墙壁开孔出发，在地层中沿着设计轴线，向另一坑的墙壁开孔出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的孔壁推进。竖井或基坑的孔壁推进。盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已经拼装好的衬砌管片上。盾构机是这种至盾构尾部已经拼装好的衬砌管片上。盾构机是这种施工方法中主要的施工机具。施工方法中主要的施工机具。图 5-5-1 盾构法施工概貌图车站碴土储舱和料斗龙门吊车泥浆处理设备竖井皮带运输机盾构机螺旋输送机管片运输车泥浆注入车斗车电瓶车2.2.盾构法施工的原理和过程盾构法施工

3、的原理和过程3.3.密封式密封式(平衡平衡)盾构机的组成盾构机的组成盾构机组成(2)压力舱压 力 测试搅拌系统压力控制加浆系统(3)排土、排泥系统排土器排浆管路搅拌装置加浆装置(4)推进装置千斤顶选型和配置工作速度安全锁总推力千斤顶行程压力垫盾 构 机通用装置轴承止水带(1)刀 盘超挖装置刀盘开口旋转速度形 式润滑装置刀 头旋转力矩支承方式(6)附属装置盾尾止水装置壁后注浆装置开挖面崩坏探测装置锁定装置测量装置后方台车接头装置起重臂真圆保护(5)管片组装装置油压机油油压机油压管路(7)油压装置KBBA管 片AAA管片的组装顺序K管片(封顶块)的嵌入半径方向插入型BKKBBB 盾构机是根据每一施

4、工区段设计的专用设备盾构机是根据每一施工区段设计的专用设备 盾构施工不可退后盾构施工不可退后 对施工的要求精度高对施工的要求精度高 占用的施工场地小占用的施工场地小 对邻近建筑物的影响小对邻近建筑物的影响小 对周围环境的影响较小对周围环境的影响较小2.盾构施工的特点盾构施工的特点 初期的盾构法是用手掘式或机械开挖式盾构机，初期的盾构法是用手掘式或机械开挖式盾构机，结合使用压气施工方法保证开挖面稳定，进行开挖，结合使用压气施工方法保证开挖面稳定，进行开挖，在地下水较丰富的地区，用注浆法进行止漏，而对在地下水较丰富的地区，用注浆法进行止漏，而对软弱地层，则采用掌子面封闭式施工。经过多年对软弱地层，

5、则采用掌子面封闭式施工。经过多年对盾构技术的研究开发和应用，已演变成现在非常盛盾构技术的研究开发和应用，已演变成现在非常盛行的泥水平衡式和土压平衡式两种盾构机。这两种行的泥水平衡式和土压平衡式两种盾构机。这两种机型的最大优点是在开挖功能中考虑了稳定开挖面机型的最大优点是在开挖功能中考虑了稳定开挖面的措施，将盾构施工法中的三大要素的前两者联系的措施，将盾构施工法中的三大要素的前两者联系融为一体，无需辅助施工措施。并通过使用不同类融为一体，无需辅助施工措施。并通过使用不同类型的型的，就能适应地质情况变化范围较广的地质，就能适应地质情况变化范围较广的地质条件。条件。5.盾构机和盾构法的发展史盾构机和

6、盾构法的发展史 砾石、岩石等硬质围岩时的刀头大砾石、岩石时多采用刀轮式刀头刀头的固定方式焊接螺栓式插入式焊接式 盾构法施工开挖面稳定技术的历史，是从压气施盾构法施工开挖面稳定技术的历史，是从压气施工法的工法的“气气”演变到泥水式的演变到泥水式的“水水”和土压式的和土压式的“土土”。“开挖面稳定开挖面稳定”和和“盾构开挖盾构开挖”的技术的技术已达到较完善的地步。目前盾构一般指密封式泥已达到较完善的地步。目前盾构一般指密封式泥水平衡式和土压平衡式盾构。水平衡式和土压平衡式盾构。最近，盾构技术的发展动向是：开发了超大断最近，盾构技术的发展动向是：开发了超大断面的盾构机和面的盾构机和MFMF盾构机以及

7、盾构机以及DOTDOT盾构机等多断面盾盾构机等多断面盾构机，加上在衬砌和开挖方面使用了构机，加上在衬砌和开挖方面使用了ECLECL施工法的施工法的技术，采用管片自动组装装置，以及采用自动测技术，采用管片自动组装装置，以及采用自动测量技术进行开挖控制，用计算机进行各种施工管量技术进行开挖控制，用计算机进行各种施工管理实现管理系统化等的开发研究。对提高盾构施理实现管理系统化等的开发研究。对提高盾构施工的安全性、适应性和经济性展示了更为广阔的工的安全性、适应性和经济性展示了更为广阔的应用前景。应用前景。1.盾构机的种类盾构机的种类 盾构机是盾构法施盾构机是盾构法施工的主要施工机械，按工的主要施工机械

8、，按开挖面与作业室之间的开挖面与作业室之间的隔墙构造可分为全开敞隔墙构造可分为全开敞式、半开敞式及密封式式、半开敞式及密封式三种。种类划分如下所三种。种类划分如下所示：示：二、盾构机的种类和构造二、盾构机的种类和构造泥浆式泥浆式泥水加压式泥水加压式泥水加压式泥水加压式土压式土压式土压式土压式泥水式泥水式密封式密封式挤压式挤压式半开敞式半开敞式机械式机械式半机械式半机械式手掘式手掘式全开敞式全开敞式(1)全开敞式全开敞式 全开敞式盾构机是指没有隔墙、开挖面敞露状态全开敞式盾构机是指没有隔墙、开挖面敞露状态的盾构机。根据开挖方式的不同，又分为手掘式、半的盾构机。根据开挖方式的不同，又分为手掘式、半

9、机械化式及机械式三种。这种盾构机适用于开挖面自机械化式及机械式三种。这种盾构机适用于开挖面自稳性好的围岩。在遇到开挖面不能自稳的地层时，则稳性好的围岩。在遇到开挖面不能自稳的地层时，则需进行地层超前加固等辅助施工方法，以防止开挖面需进行地层超前加固等辅助施工方法，以防止开挖面坍塌。坍塌。a.手掘式盾构机手掘式盾构机 如图如图5-5-25-5-2所示，手掘式盾构机的正面是开敞的，所示，手掘式盾构机的正面是开敞的，通常设置防止开挖顶面塌陷的活动前檐及上承千斤顶、通常设置防止开挖顶面塌陷的活动前檐及上承千斤顶、工作面千斤顶及防止开挖面塌陷的挡土千斤顶。开挖工作面千斤顶及防止开挖面塌陷的挡土千斤顶。开

10、挖采用铁锹、镐、碎石机等开挖工具，人工进行。采用铁锹、镐、碎石机等开挖工具，人工进行。图 5-5-2 手掘式盾构构造 手掘式盾构机手掘式盾构机 这种盾构机适应的土质是自稳性强的洪积层压实这种盾构机适应的土质是自稳性强的洪积层压实的砂、砂砾，固结粉砂和粘土。对于开挖面不能自稳的砂、砂砾，固结粉砂和粘土。对于开挖面不能自稳的冲积软弱砂层、粉砂和粘土，施工时必须采用稳定的冲积软弱砂层、粉砂和粘土，施工时必须采用稳定开挖面的辅助施工法，如气压施工法、改良地基、降开挖面的辅助施工法，如气压施工法、改良地基、降低地下水位等措施。目前手掘式盾构机一般用于开挖低地下水位等措施。目前手掘式盾构机一般用于开挖断面

11、有障碍物、巨砾石等特殊场合，而且应用逐渐减断面有障碍物、巨砾石等特殊场合，而且应用逐渐减少。少。b.半机械式盾构机半机械式盾构机 如图如图5-5-35-5-3所示，半机械式盾构机进行开挖及装所示，半机械式盾构机进行开挖及装运石碴都采用专用机械，配备液压铲土机、臂式刀盘运石碴都采用专用机械，配备液压铲土机、臂式刀盘等挖掘机械和皮带运输机等出碴机械，或配备具有开等挖掘机械和皮带运输机等出碴机械，或配备具有开挖与出碴双重功能的机械，以图省力。挖与出碴双重功能的机械，以图省力。图5-5-3 半机械式盾构构造半机械式盾构机半机械式盾构机 为防止开挖面顶面塌陷，盾构机内装备了活动前檐为防止开挖面顶面塌陷，

12、盾构机内装备了活动前檐和半月形千斤顶。由于安装了挖掘机，再设置工作面和半月形千斤顶。由于安装了挖掘机，再设置工作面千斤顶等支挡设备是较困难的。千斤顶等支挡设备是较困难的。与手掘式盾构机一样，应有确保开挖面稳定的措施。与手掘式盾构机一样，应有确保开挖面稳定的措施。适应土质以洪积层的砂、砂砾、固结粉砂和粘土为主。适应土质以洪积层的砂、砂砾、固结粉砂和粘土为主。也可用于软弱冲积层，但须同时采用超前加固，或采也可用于软弱冲积层，但须同时采用超前加固，或采取降低地下水位、改良地基等辅助措施。取降低地下水位、改良地基等辅助措施。c.机械式盾构机机械式盾构机 如图如图5-5-45-5-4所示，机械式盾构机前

13、面装备有旋转所示，机械式盾构机前面装备有旋转式刀盘，增大了盾构机的挖掘能力，开挖的土砂通过式刀盘，增大了盾构机的挖掘能力，开挖的土砂通过旋转铲斗和排土可以连续进行，缩短了工期，减少了旋转铲斗和排土可以连续进行，缩短了工期，减少了作业人员。在开挖自稳性好的围岩时，机械式盾构机作业人员。在开挖自稳性好的围岩时，机械式盾构机适应的土质与手掘式盾构机、半机械式盾构机一样，适应的土质与手掘式盾构机、半机械式盾构机一样，须采用辅助施工方法。须采用辅助施工方法。图 5-5-4 机械式盾构构造(2)半开敞式半开敞式 是指挤压式盾构机，它是在开放型盾构的切口环是指挤压式盾构机，它是在开放型盾构的切口环与支撑环之

14、间设置胸板，以支挡正面土体，但在胸板与支撑环之间设置胸板，以支挡正面土体，但在胸板上有一些开口，当盾构向前推进时，需要排出的土体上有一些开口，当盾构向前推进时，需要排出的土体将从开口处挤入盾构内，然后装车外运，见图将从开口处挤入盾构内，然后装车外运，见图5-5-55-5-5。这种盾构适用于软弱粘土层，在推进过程中要引起较这种盾构适用于软弱粘土层，在推进过程中要引起较大的地面隆起。大的地面隆起。图5-5-5 部分开放型盾构构造(3)密封式密封式 是指在机械开挖式盾构机内设置隔墙，进入刀盘是指在机械开挖式盾构机内设置隔墙，进入刀盘与隔墙土仓的土体，由泥水压力或土压提供足以使开与隔墙土仓的土体，由泥

15、水压力或土压提供足以使开挖面保持稳定的压力。密封式盾构机又分成局部气压挖面保持稳定的压力。密封式盾构机又分成局部气压式、泥水平衡式和土压平衡式几种。式、泥水平衡式和土压平衡式几种。局部气压式盾构。局部气压式盾构。在机械式盾构支承在机械式盾构支承环的前边装上隔板，使环的前边装上隔板，使切口环成为一个密封舱，切口环成为一个密封舱，其中充满压缩空气，达其中充满压缩空气，达到疏干和稳定开挖面土到疏干和稳定开挖面土体的作用，见图体的作用，见图5-5-65-5-6。图5-5-6 局部气压式盾构构造局部气压式盾构局部气压式盾构 压缩空气的压力值可根据工作面下压缩空气的压力值可根据工作面下1/31/3点的地下

16、点的地下静水压力确定。由于这种盾构是靠压缩空气对开挖面静水压力确定。由于这种盾构是靠压缩空气对开挖面进行密封，故要求地层透水性小，渗透系数进行密封，故要求地层透水性小，渗透系数K K小于小于1 110-510-5m/sm/s，静水压力不大于静水压力不大于0.10.1MPaMPa。另外，这种盾另外，这种盾构在密封舱、盾尾及管片接缝处易产生漏气，引起工构在密封舱、盾尾及管片接缝处易产生漏气，引起工作面土体坍塌，造成地面降陷。作面土体坍塌，造成地面降陷。土压平衡式盾构土压平衡式盾构 土压平衡式盾构又称削土密封式或泥土加压式盾土压平衡式盾构又称削土密封式或泥土加压式盾构。它的前端有一个全断面切削刀盘，在它后面有一构。它的前端有一个全断面切削刀盘，在它后面有一个贮留切削土体的密封舱，在其中心处或下方装有长个贮留切削土体的密封舱，在其中心处或下方装有长筒形的螺旋输送机，在密封舱和螺旋输送机，以及在筒形的螺旋输送机，在密封舱和螺旋输送机，以及在盾壳四周装设的土压传感装置，根据需要还可装设改盾壳四周装设的土压传感装置，根据需要还可装设改善切削土体流动性的塑流化材料的注入设备。善切削土体流动性的塑流化材