盾构隧道轴线控制及盾构

1、盾构技术交流地铁建总:郭永顺,介绍内容,一、盾构隧道轴线控制 1.管片尺寸及类型 2.管片选型及对轴线影响 3.管片与盾尾间隙影响 4.盾构机轴线控制 5.注意问题 二、盾构机选型 1）盾构机类型 2）刀具形式 3）开挖刀盘形式 4）刀具布置、刀盘形式 5）盾构选型 三、管片制作施工控制 1）施工流程 2）混凝土性能 3）施工注意问题,管片使用历史,在1930年前，盾构隧道使用的管片主要为铸造钢管片。之后，开始使用预制混凝土管片，应用在英国的伦敦小直径的下水道（1.5米3米）。直到1965年，在欧洲国家主要发展和使用预制混凝土管片，应用于大直径软土的盾构隧道（5米10米），如德国、比利时、奥地

2、利、法国。同期日本在预制混凝土管片使用尚尤其显著,一、盾构隧道轴线控制,盾构隧道轴线控制属于掘进管理中的线形管理。 盾构隧道轴线偏差是在推进器推进长度差的变化、土质的强度不一、选用管片类型拼装所形成。因此在一定程度内盾构隧道轴线将产生蛇行状态。 盾构隧道轴线控制关键需了解管片所固有的尺寸特性及盾构机外形尺寸，根据尺寸的特点合理管片选型，使管片形成的轴线与设计轴线尽量在设计允许偏差范围内,管片形成轴线与设计轴线模拟,1.管片尺寸及类型,管片的形状和尺寸，应考虑使用目的，便于施工和经济等条件来确定。 决定管片形状、尺寸的主要有下列内容： （1）管片环的外径 （2）管片厚度 （3）管片宽度 （4）管

3、片环的分割 管片从类型上可分为：直线环楔形环和通用管片,管片环楔形量确定,楔形量除应根据管片宽度、管片环外径、曲线半径及区间使用的楔形环所占的比例、管片的制造性外，还应根据盾尾空隙量而定,管片尺寸特性掌握,管片的尺寸特性掌握，主要是根据管片拼装形式决定，关键取决于封顶块旋转的位置，从而确定了管片形成空间尺寸，如对轴线偏移量，轴线纠偏量等,以1200mm管片为例如何计算掌握管片形成隧道空间尺寸,管片宽度：1200mm，厚度300mm 外径：6000mm，内径5400mm 楔形环管片水平最大宽度：1225.5mm，最小宽度：1174.5mm，封顶块旋转36度进行错缝拼装,管片立面,管片空间尺寸计算

4、模拟图,管片空间尺寸计算几何立体图,封顶块位置从顶端偏了a时，楔形环前面的中心点C，（中心点由CC，）移动，其移动量为COC=5.1mm。移动量分成水平（X）和垂直（Y）： X=5.1cosa Y=-5.1sina 楔形环前端断面的直角方向（C，C“）和SRT的连接面与直角方向（Z轴方向）是AA角Z，此角度可分成X（水平-X）与Y（垂直-Y），C，C“的长度为L，公式如下,推导公式,由于:tan2= tan(0.4870)=8.50010-3 所以: X=tan-1(0.0085cos a ) Y=tan-1(0.0085sin a ) 锥形管片K件在不同位置时X,Y,X,Y其值依次的大小,推

5、导结果1,推导结果2,2.管片选型及对轴线影响,对管片固有尺寸特性掌握后，利用封顶块不同位置，可计算管片选型拼装对施工轴线影响及施工过程中对轴线的纠偏,管片选型对轴线影响,1.直线区间对轴线影响 2.曲线区间对轴线影响,3.管片与盾尾间隙影响,盾尾间隙影响主要因素,1.使用楔形环管片； 2.管片的方位角（或俯仰角）与盾构机的方位角（或俯仰角）不一致； 3.盾构机中心与管片中心不一致平行移动的影响,4.盾构机轴线控制,1.掌握千斤顶使用、计算方法 2.掌握中折系统使用、计算方法,盾构超挖量,目的：为使盾构机在设计轴线开挖或使盾构实行施工轴线纠偏，其开挖空间符合盾构机主体能有效地通过,计算模式,5

6、.注意问题,1盾构机施工轴线尽可能控制在误差范围内。 2管片的选型拼装尽可能吻合设计轴线。 3当发生轴线纠偏时，须每一环测量盾构的轴线情况及管片与盾尾间隙的大小，根据测量结果，计算每一环纠偏量，合理安排管片的选型，决不能一次纠偏到位。同时根据施工轴线偏离状况，计算纠偏的环数，使其轴线满足设计要求（即构成缓和曲线）。 4施工过程中，要根据轴线控制情况，制定盾构和管片轴线测量频率。根据测量结果推算隧道及盾构机轴线未来的情况，及时作出调整。 5定期测量管片超前量（使用楔形环管片）初步检测管片隧道与盾构的情况。 6在拼装管片过程中，尽可能避免出现管片与管片踏步现象。 7合理使用推进千斤顶编组，特别在盾

7、构轴线纠偏过程中，区域油压不能差异太大，避免管片出现破裂或裂缝。 8须特别注意土层的软硬变化。盾构在比较坚硬的土层中，一旦出现大幅度的纠偏需注意管片选型排列，尽可能做到既满足设计轴线要求又同时避免因管片与盾尾接触而产生破裂或出现裂缝。 9在楔形管片设计中，需考虑与设计轴线的吻合，同时需考虑与盾构盾尾间隙关系，设计楔形管片最佳的楔变量,二、盾构机选型,1）盾构机分类 2）开挖刀具形式 1. 盘形刀形式、特点 2. 撕裂刀形式、特点 3. 切削刀形式、特点 3）开挖刀盘形式 4）刀具布置 5）盾构选型,盾构历史,在地下开挖隧道，地层会出现松动，为控制地层松动，就要施加支撑，这是早在横向穴居时代的先

8、人就已掌握了的经验。试图在没有支撑的条件下挖掘隧道，这是盾构施工法的开端。 盾构法是在1818年，由英国人布鲁内尔（M.I.Brunel）在观察了木船蛀虫在木头上打洞时用自己的分泌物将所打洞穴的周围被覆起来的现象后联想而研制发明的，当时用于伦敦泰晤士河底下的隧道工程，是开敞手掘式盾构原形。施工中曾出现过很大的困难。此后，于1890年，格雷特黑德（T.H.Greathead）成功地开创了使用气压的盾构施工法，从此盾构法施工开始被正式作为水底隧道的施工方法而加以使用。 盾构施工法引进到日本是大正（19121926年）初期的事，当初一直作为水底隧道等的特殊施工方法。但是在最近2030年间，盾构法作为

9、城市地下土木工程的一种施工方法，已取得飞速的发展。 我国的盾构掘进机制造和应用始于1963年，上海隧道工程公司结合上海软土地层对盾构掘进机、预制钢混凝土衬砌、隧道掘进施工参数、隧道接缝防水进行了系统的试验研究。研制了1台直径4.2m的手掘式盾构进行浅埋和深埋隧道掘进试验，隧道掘进长度68m。 1965年，由上海隧道工程设计院设计、江南造船厂制造的2台直径5.8m的网格挤压型盾构掘进机，掘进了2条地铁区间隧道，掘进总长度1200m,1）盾构分类,盾构按不同的施工条件分类，一般分为6种或7种形式。选定工艺时，主要考虑地形、施工长度、隧道线形、周围环境、规划布局、工期、辅助工艺以及经济等因素。其中地

10、形条件对工艺选定影响最大,2）开挖刀具形式,开挖刀具形式有： 1.盘形刀：盘形刀分为双轮（多轮）盘形刀和单轮盘形刀。 2.撕裂刀（先行刀）：条状撕裂刀（屋顶形）和壳形撕裂刀。 3.铲刀（T形刀,切削刀片材质,1.盘形刀形式、特点,特点： 1.贯入率：是岩层是否适用采用盘形刀开挖的一个指标。即用刀盘每旋转一周，刀具切入岩石一定深度并使岩石破碎。 2.适用于硬岩（抗压强度30MPa）花岗岩，片麻岩、硅质砾岩等。并且用于粗粒结构的岩石，也就是用于不利于刀具向岩石传力的岩体。如泥岩中，虽然其贯入率大，但不易使岩体破碎。 3.开挖机理：依靠压力对岩体产生破坏。 盘形刀形式观看CAD,2.撕裂刀形式、特点

11、,特点： 1.可用于软岩（抗压强度30MPa)岩岩。 2.壳形刀主要用于砾石层，岩层土中，主要用于砂岩、粉砂和粘性土比较软弱围和风华花钢岩等硬质围岩。 3.开挖机理：依靠刀具在运动中，对土层产生的剪力进行土层破坏,条状撕裂刀形式（屋顶形）（1,条形撕裂刀形式（2,壳形撕裂刀具形式（1,壳形撕裂刀具形式（2,3.铲刀形式（T形刀）、特点,特点： 1.在盘形刀或撕裂刀对土层产生初步破坏的土层进行切削，或直接将软土层进行切削；主要应用砂，粉砂和粘性土的软弱围岩。 2.开挖机理：依靠刀具在运动中，对土层产生的剪切力进行土层破坏,铲刀形式（1,铲刀形式（2,铲刀形式（3,3）开挖刀盘形式,刀盘形式：1.

12、条幅型，2.面板型，3.复合型 刀盘形状：如下图所示（a）垂直平面形 （b）圆锥形 （c）中心挖掘形 （d）半球形 （e）倾斜形 （f）刀盘缩小形,条幅形刀盘形式、特点,多用于软土地层，直接反映开挖的土压力情况，依靠土压力稳定开挖面,条幅型刀盘形式,面板型刀盘形式、特点,多用于相对较弱的地层，土压力大部分反映盾构泥仓内的土压，主要依靠刀盘的面板进行开挖面支护，可用于泥水盾构、土压平衡盾构及岩石盾构机。刀盘开口率在2040之间。在砾质粘性土中开挖，容易造成刀盘面板磨损。在土压平衡盾构施工中，灵敏度小的粘土层中容易造成泥仓堵塞,面板型刀盘形式（2,复合型刀盘形式、特点,用于复合形地层，局部反映开挖

13、面土压力，多用于土压平衡盾构，主要依靠刀盘和部分土压稳定开挖面。刀盘开口率在3550之间,复合型刀盘形式（2,4）刀具布置,刀具布置形式应根据土层状况及刀具的开挖机理进行有序布置。刀盘构造形式，根据施工条件、土质条件决定 。 对固结粘土，前角及后角应大；对砾石，一般采用略小的角度；对砾石，需防止尖端缺损和剥离，有时用滚刀、特殊刀头等；刀头的高度，应根据土质条件和褶动距离推定的磨耗量、掘进速度和刀头回转数、设定位置等求出的切入深度等决定,5）盾构选型,盾构选型取决于下列各围岩条件： 1.软弱流动形的粘土； 2.容易坍塌的砂、砂砾层； 3.含水砂层，砾层或互层中的承压含水砂层和砾层； 4.含大砾石

14、的地层； 5.估计埋有漂木和其他物质的地层； 6.包括硬软两中土层的地层。 关键：以稳定开挖面为中心。 详见岩土与盾构选型,三、管片制作施工控制,1）管片制作施工流程（见管片施工技术） 2）混凝土性能（见混凝土性能及配制） 3) 施工注意问题,1）管片制作施工流程,见管片施工技术,2）混凝土性能,普通防水混凝土是在普通混凝土的基础上发展起来的。两者区别在于：普通混凝土是根据所需强度进行配制，主要以石子为骨料，砂子填充石子的空隙，水泥浆填充砂子的空隙并将骨料粘结在一起；防水混凝土是根据所需抗渗等级进行配制，同时也满足设计强度的要求，其中水泥砂浆除满足填充、粘结作用外，还要求在石子周围形成一定量和质量（浓度）良好的砂浆包裹层，将粗骨料充分分隔开，有效地阻隔粗骨料间相互连通地渗水孔隙，从而有效提高混凝土地密实性和抗渗性。 配制：在配制防水混凝土时，将砂石混合连续给配简化为普通混凝土地骨料配级，而控制水灰比，适当增加砂率和水泥用量，来提高其密实性和抗渗性,3）施工注意问题,1） 原材料称量偏差:由于水称量波动1时，混凝土强度将相应波动约3；水泥称量波动1时，混凝土强度波动约1.7。若水和水泥称量误差各位+2和-2时，由于水灰比的变化，混凝土强度将降低8.9。 2）经常测量骨料的含水量，及时调整水量及骨料的重量。 3）混凝土搅拌时间不小于2分钟。掺加外加剂时，须