地铁与轻轨课程论文

1、成绩评阅人日 期中国矿业大学力学与建筑工程学院20142015学年度第二学期地铁与轻轨课程论文学号02120438班级土木工程2012-9班姓名郭曙瑞力学与建筑工程学院教学管理办公室中国矿业大学力学与建筑工程学院 第 7 页地铁隧道施工中的盾构法 （中国矿业大学力学与建筑工程学院土木工程2012-9班 郭曙瑞）摘 要：城市公共交通网络的重要组成部分。泛指城市中再不同形式轨道上运行的大、中运量城市公共交通工具，是当代城市中地铁、轻轨、单轨铁路、自动导向、短途磁悬浮等轨道交通的总称。 本文主要叙述和总结了地铁隧道施工中常用的工法盾构法的施工过程、技术要领、适用的范围、盾构的类型和选择以及盾构施工过

2、程中应做的准备工作，可能遇到的问题和解决方案。文中对盾构法施工的各项工作都做了详细说明，并在叙述中就一些措施和解决方案提出了自己的观点以补充和完善工法中的不足之处。关键词：施工过程；掘进机；选型；盾构拼装；地面沉降1 引言盾构法隧道施工是地铁建设中应用最为广泛的施工方法。它是一种先进的隧道机械化施工技术。盾构法作为目前最为安全有效的城市轨道施工工艺，已经被绝大多数市政工程所青睐，在21世纪中国社会、经济高速发展的时代，全国范围内各大中型城市都倾向于城市地铁及类似的市政工程的修建，因此盾构法施工在目前国内的市场不可估量。盾构法施工结合了传统和现代的各项技术革新，有着固定的施工工艺流程，包含了诸多

3、施工环节，每一个环节或工序都必须有技术含量较高的专项方案指导施工，并辅以经验丰富的管理操作人员，才能充分发挥盾构法施工的优越性，实现工程的最大收益。1 盾构施工技术基本原理 盾构施工技术是指使用盾构机,一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳,一边进行隧道掘进、出渣,并在盾构机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆,从而在不扰动围岩的基础上修筑隧道的方法。 盾构机的“盾”是指保持开挖面稳定性的刀盘和压力舱、支护围岩的盾型钢壳。“构”是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体1。图1、图2分别为土压平衡和泥水平衡盾构机主体示意图2.1 盾构法施工的技术要点主要施工过程有：（1）在盾构法隧道的起始端和终结端各建一个工

4、作井，城市地铁一般利用车站的端头作为始发或到达的工作井。（2）盾构在始发工作井内安装就位。（3）依靠盾构千斤顶推力将盾构从始发工作井的墙壁开孔处推出。（4）盾构在地层中沿着设计轴线推进，在推进的同时不断出土和安装衬砌管片。（5）及时向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和固定衬砌环位置。（6）盾构进入到达工作井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推进。在上述施工过程中，保证掘进面稳定的措施、盾构机沿设计路线的高精度推进、衬砌作业的顺利进行等三项工作最为关键，这三项工作是保证盾构施工成功的重要因素。2.2 盾构法施工的优点及适用范围盾构能适用于各种复杂的工程地质和水文地质条件。从流动性很大的第

5、四纪淤泥质土层到中风化和微风化岩层，它既可用来修建小断面的区间隧道，也可用来修建大断面的车站隧道，而且施工速度快，能有效地控制地面沉降。盾构法的优点有：（1） 安全开挖和衬砌，掘进速度快。（2）盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工劳动强度低。 （3）不影响地面交通与设施，同时不影响地下管线等设施。（4）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，施工中没有噪音和扰动。（5）在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道往往具有技术和经济方面的优越性。盾构法的适用范围有：（1） 在松软含水地层，相对均质的地质条件。（2）盾构法施工隧道应有足够的埋深，覆土深度宜不小于6m。

6、隧道覆土太浅，盾构法施工难度较大；在水下修建隧道时，覆土太浅盾构施工安全风险较大。（3）地面上必须有修建用于盾构进出洞和出土进料的工作井位置。（4）隧道之间或隧道与其他建筑物之间所夹土体加固处理的最小厚度为水平方向1.0m，竖直方向1.5m。（5）从经济角度讲，连续的盾构施工长度不宜小于300m。但应指出，盾构法施工需要较长的时间和较高的投资用于质构与附属设备的设计和制造，以及建造端头工作井等工程设施。同时，盾构法的施工技术方案和施工细节对围岩条件的依赖件，较之其他方法尤甚，这就要求事先对沿线的工程地质和水文地质条件做细致的勘探工作，井要根据围岩的复杂程度做好各种应变的准备。因此，在地面交通繁

7、忙，地面建筑韧和地下管线密布，对地面沉降要求严格的城区不宣采用明挖法，且地下水发育，围岩稳定性差，或隧道很长而又工期要求紧迫，不能采用较为经济的矿山法时，采用盾构法施工才是经济合理的。3 盾构类型及选择3.1 盾构类型根据开挖、工作面支护和防护方式，一般可以将盾构分为全面开放型、部分开放型、密封型以及全断面隧道掘进机4大类：（1）全面开放型盾构不设隔板，其特点是掘削面敞开。这种盾构适于掘削面可以自立的地层中适用。全面开放型盾构按其开挖的方法可分为手掘式、半机械和机械式三种。（2）部分开放型盾构又称挤压式盾构。它是在开放型盾构的切口环和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

8、盾构向前推进时，需要排除的土体将从开口处挤入盾构内，然后装车外运。这种盾构适用于松软黏土层，且在推进过程中会引起较大的地面变形。如图2所示。图2部分开放型盾构结构（3） 密封型盾构是一种设置封闭隔板的机械式盾构。掘削土砂是从位于掘削面和隔板之间的土舱内取出的，利用外加泥水压或者泥土压与掘削面上的土压平衡来维持掘削面的稳定，所以封闭式有泥水平衡式和土压平衡式两种。进而土压平衡式又可分为真正的土压平衡式和加泥平衡式；加泥平衡式又分为加泥和加泥浆两种平衡方式。 （4）隧道掘进机是用机械破碎岩石、出碴和支护实行连续作业的一种综合设备。按掘进机在工作面上的切削过程，分为全断面掘进机和部分断面掘进机。按破

9、碎岩石原理不同，又可分滚压式掘进机和铣切式掘进机。3.2 盾构选型的依据和方法根据不同的工程地质、水文地质条件和施工环境与工期的要求，合理地选择盾构类型，对保证施工质量，保护地面与地下建筑物安全和加快施工进度是至关重要的。因为只有在施工中才能发现所选用的盾构是否适用，一般不适用的盾构将对工期和造价产生严重影响，但此时想更换已经不可能了。盾构选型的根据，按其重要性排列如下：工程地质与水文地质条件、地层的参数、地面环境、地面和地下建筑物对地面沉降的敏感度、隧道尺寸、工期、造价、经验。选择盾构机时，必须综合考虑以下因素：满足设计要求、安全可靠、造价低、工期短及对环境影响小。盾构机机型的选择正确与否是

10、盾构隧道工程施工成败的关键。因盾构选型欠妥或者不恰当，致使隧道施工过程中出现事故的情况很多。由此可见盾构选型的重要性。盾构选型必须严格遵守以下几项原则：（1) 选用与工程地质匹配的盾构机型，确保施工绝对安全。（2)可以辅以合理的辅助工法。（3)盾构的性能应能满足工程推进的施工长度和线形的要求。（4)选定的盾构机的掘进能力可与后续设备、始发基地等施工设备匹配。（5)选择对周围环境影响小的机型。以上原则中以能绝对保证掘削面稳定、确保施工安全的机型为最重要。为了选择合适的盾构机型,除应对土质条件、地下水条件进行勘查外，还应对占地环境作充分的勘察。4 盾构法施工关于盾构施工方法的种类，一般可以根据断面

11、形状分类、开挖方式分类、头部结构分类等。根据头部的结构（以隔离开挖面和盾尾衬砌作业空间之间隔板的有无）可以分为闭胸式和敞开式。从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。 根据开挖面的稳定原理和方法，可以将各种盾构的特征总结如下。 （1）闭胸式盾构 通过设置于切口环和支承环之间的密封隔板，并在隔板和作业面之间形成压力舱，保持充满泥砂或泥水的压力舱内的压力，以保证作业面的稳定性的机械式盾构型式。根据开挖面稳定机理可以分为土压平衡式盾构和泥水加压式盾构。 土压平衡式盾构 将开挖的泥砂进行泥浆化，通过控制泥

12、浆的压力以保证作业面的稳定性。该盾构设置有切削围岩的机械、搅拌开挖土砂使其泥浆化的搅拌机械、切削土的排出机械并有能够保证切削土压力的控制机械的盾构型式。又可根据是否具有促进泥浆化的添加材料的注浆装置分为土压盾构和泥土压盾构。土压平衡式盾构如图所示。 a土压式盾构 使用转动刀盘切削围岩，并使作业面和隔板之间充满经过搅拌的土砂。该施工方式通过盾构的推进力给切削土砂加压并使其作用于作业面整体来获取作业面的稳定性，同时通过螺旋式输送器进行排土。 b泥土压式盾构 通过一边注入添加材料一边转动刀盘，强制性地搅拌切削土砂和添加材料使其成为塑性流动化状态。与土压盾构相同，该施工方式也为一边保持作业面的稳定性一

13、边通过螺旋输送器进行排土。 泥水加压式盾构 该盾构通过给泥浆一定的压力以保持开挖面的稳定性，并通过循环泥浆将切削土砂以流体方式输送运出。该盾构型式设置有切削围岩的开挖机械，泥浆循环设备，给泥浆施加一定压力的送排泥设备，运出泥浆的分离设备，另外有的泥水加压式盾构还具有保证泥浆性能的调泥和泥水处理设备。 （2）敞开式盾构 敞开式盾构与闭胸式盾构的主要不同就是没有设置隔板，开挖面全部或大部分敞开的盾构型式，以作业面能够自立稳定作为前提。对于不能自立稳定的作业面，要通过辅助施方法，使其能够满足自立稳定条件。 机械式盾构 在盾构前部安装有切削刀盘，可用机械连续地开挖土砂的盾构。通过刀盘支撑，可以得到一些

14、挡土效果。 半机械式盾构敞开式盾构中的半机械式盾构是在盾构的原型人工开挖式盾构上装上开挖机、装载机或开挖装载两用机等的盾构。为了防止开挖面崩塌，可安装可动式切口环、半月形千斤顶。但由于安装了开挖装置，故实际上难以设置前面千斤顶等挡土装置，大多在开挖过程中开挖面敞开得很大，对开挖面的稳定条件需进行研究。 4.1 施工准备工作采用盾构法施工时，首先要在隧道的始端和终端开挖基坑或建造竖井，用作盾构及其设备的拼装井和拆卸井，特别长的隧道，还应设置中间检修工作井。拼装和拆卸用的工作井，其建筑尺寸应根据盾构装拆的施工要求来确定。拼装井的井壁上设有盾构出洞口，井内设有盾构基座和盾构推进的后座。井的宽度一般应

15、比盾构直径大1.62.0米，以满足铆、焊等操作的要求。当采用整体吊装的小盾构时，井宽可酌量减小。井的长度，除了满足盾构内安装设备的要求外，还要考虑盾构推进出洞时，拆除洞门封板和在盾构后面设置后座，以及垂直运输所需的空间。中、小型盾构的拼装井长度，还要照顾设备车架转换的方便。盾构在拼装井内拼装就绪，经运转调试后，就可拆除出洞口封板，盾构推出工作井后即开始隧道掘进施工。盾构拆卸井设有盾构进口，井的大小要便于盾构的起吊和拆卸。盾构在拼装前，先在拼装室底部铺设50cm厚的混凝土垫层，其表面与盾构外表面相适应，在垫层内埋设钢轨，轨顶伸出垫层约5cm，可作为盾构推进时的导向轨，并能防止盾构旋转。若拼装室将

16、来要作他用，则垫层将凿除，费工费时。此时可改用由型钢拼装的盾构支撑平台，其上亦需要有导向和防止旋转的装置。 由于起重设备和运输条件的限制，通常将盾构机拆成切口环、支承环、盾尾三节运到工地，然后用起重机将其逐一放入井下的垫层或支承平台上。切口环与支承环用螺栓连接成整体，并在螺栓连接面外圈加薄层电焊，以保持其密封性。盾尾与支承环之间则采用对接焊连接。 在拼装好盾构后面，尚需设置由型钢拼成的，刚度很大的反力支架和传力管片。根据推出盾构要开动的千斤顶数目和总推力进行反力支架的设计和传力管片的排列。一般来说，传力管片都不封闭成环，故两侧都要将其支撑住，当盾构工作井周围地层为自稳能力差、透水性强的松散砂土

17、或饱和含水粘土时，如不对其进行加固处理，则在工作井围护结构后必将会有大量的土体和地下水向工作井内塌陷导致洞周大面积地表下沉，危及地下管线和附近建筑物。因此在盾构机进出洞前必须对洞门处地层进行加固处理，即进行端头加固。4.2 盾构掘进为了增加开挖面的稳定性，在盾构未进入加固土体前，就需要适当的向开挖面注水或注泥浆，因此洞口要有妥善的密封止水装置，以防止开挖面泥浆流失。为了使盾构在推进中对地层和地面影响最小，表现为地层的强度下降小，受到的扰动小，超孔隙水压力小，地面隆沉小以及衬砌脱开盾尾时的突然沉降小，对盾构掘进进行施工管理必不可少。盾构掘进的施工管理构成如表1。表1 盾构掘进施工管理构成项目内容

18、挖掘管理开挖面稳定泥水加压时土压平衡式切削、排土盾构机开挖面泥水压力保持开挖面土压力保持，密封舱内砂土性态开挖土量、排土性态总推力、推进速度、切削扭矩千斤顶推力、搅拌扭矩线形管理盾构机位置、形态俯仰、旋转、偏移链接的相对转角，超挖量、蛇形量注浆管理注入状况诸如材料注入量，注入压力稠度、离析性胶凝时间、强度、配比管片拼装管理拼装防水位置真圆度、凝螺栓的扭矩漏水、管片缺损、接缝张开蛇形度、垂直度4.3 盾构法施工地面沉降机理、预测和防治盾构施工多少都会扰动地层引起地面沉降，即使采用目前先进的盾构技术，要完全消除地面沉降也是不太可能的。地面沉降量达到某种程度都会危及周围的管线和建筑物。因而，在设计和施工中通过现场反馈资料，采取相应的防治对策和措施非常必要。盾构隧道施工引起的地层损失和盾构隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结，是地面沉降的基本原因。做好盾构掘进的施工管理是防治地面沉降的基本措施。具体来说就是：（1）保持开挖面的稳定性。（2）及时、有效、足量地充填衬砌背后的建筑间隙，保证浆液拌制质量和注浆量，必要时还可通过在管片上的注浆孔进行二次加固注浆。（3）严格控制盾构施工中的偏差量，盾构施工偏差增大，不但影响地下铁道线路、界限等使用要求，还会过多扰动地层而导致地面沉降量得增加。5 结语盾构技术作