隧道盾构法施工技术

1、隧道盾构法施工技术隧道盾构法施工技术同济大学浙江学院张广兴讲师一、概一、概 述述l1 1、盾构法的概念、盾构法的概念l盾构法是使用盾构机械，在岩土中推进，一边防盾构法是使用盾构机械，在岩土中推进，一边防止土砂崩塌，一边在其内部进行开挖、衬砌作业止土砂崩塌，一边在其内部进行开挖、衬砌作业而修建隧道的方法。而修建隧道的方法。l用盾构法修建的隧道称为盾构法隧道。用盾构法修建的隧道称为盾构法隧道。 盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶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。盾构机是这传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。种

2、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地下连续墙的位置地下连续墙的位置l2 2、盾构法应用范围、盾构法应用范围l盾构法是在闹盾构法是在闹市区软弱地层中市区软弱地层中修建地下工程的最修建地下工程的最好方法之一。好方法之一。l近年来盾构机械设备和施工工艺的不断发展，适近年来盾构机械设备和施工工艺的不断发展，适应大范围的工程地质和水文地质的能力大为提高，应大范围的工程地质和水文地质的能力大为提高，各种断面形式的盾构机械各种断面形式的盾构机械、特殊功能的盾构机械特殊功能的盾构机械(

3、(分离式盾构、扩大盾构、地下对接盾构等分离式盾构、扩大盾构、地下对接盾构等) )的相的相继出现，其应用正在不断扩大，这将为城市地下继出现，其应用正在不断扩大，这将为城市地下空间的利用起到有力的技术支撑作用空间的利用起到有力的技术支撑作用l应用范围：应用范围：水底公路隧道、地下铁道、上下水道、水底公路隧道、地下铁道、上下水道、电力、通讯煤气等市政公用地下设施电力、通讯煤气等市政公用地下设施等。等。双圆、三圆盾构双圆、三圆盾构矩形盾构矩形盾构矩形盾构矩形盾构球形盾构球形盾构球球形形盾盾构构球形盾构球形盾构球球形形盾盾构构对接盾构对接盾构扩大盾构扩大盾构可分离盾构可分离盾构可分离盾构可分离盾构盾构机

4、类型母子盾构机盾构机类型母子盾构机母母子子机机分分离离步步骤骤盾构法的主要优点盾构法的主要优点1 1）施工安全。施工安全。在盾构设备掩护下，于不稳定土层中，在盾构设备掩护下，于不稳定土层中，可安全进行掘砌工作。可安全进行掘砌工作。2 2）暗挖方式。暗挖方式。施工时与地面建筑物及交通互不影响，施工时与地面建筑物及交通互不影响，不受风雨等气候条件影响。不受风雨等气候条件影响。3 3）噪音和振动小，可控制地表沉陷噪音和振动小，可控制地表沉陷，对施工区域环，对施工区域环境影响小。境影响小。4 4、盾构法的特点、盾构法的特点4 4）施工费用受埋深的影响小，有较高的技术）施工费用受埋深的影响小，有较高的技

5、术经济优经济优越性越性。5 5）盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，）盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，施工易于管理，施工人员也较少。施工易于管理，施工人员也较少。6 6）当隧道穿过河底或其他建筑物时，不影响施工。）当隧道穿过河底或其他建筑物时，不影响施工。盾构法存在的不足盾构法存在的不足1 1）当隧道）当隧道曲线半径过小时曲线半径过小时，施工较为困难。，施工较为困难。2 2）在陆地建造隧道时，如隧道覆土太浅，开挖面）在陆地建造隧道时，如隧道覆土太浅，开挖面稳定甚为困难，甚至不能施工，而在水下时，稳定甚为困难，甚至不能施工，而在水下时，如覆土太浅则盾构法施工不够安全，要如覆土

6、太浅则盾构法施工不够安全，要确保一确保一定厚度的覆土定厚度的覆土。3 3）竖井竖井中长期有中长期有噪声和振动噪声和振动，要有解决的措施。，要有解决的措施。4 4）盾构法隧道上方一定范围内的）盾构法隧道上方一定范围内的地表沉陷地表沉陷尚难完尚难完全防止，特别在全防止，特别在饱和含水松软的土层饱和含水松软的土层中，要采中，要采取严密的技术措施才能把沉陷限制在很小的限取严密的技术措施才能把沉陷限制在很小的限度内，目前还不能完全防止以盾构正上方为中度内，目前还不能完全防止以盾构正上方为中心土层的地表沉降。心土层的地表沉降。5 5）在饱和含水地层中，盾构法施工所用的拼装衬）在饱和含水地层中，盾构法施工所

7、用的拼装衬砌，对达到砌，对达到整体结构防水性整体结构防水性的技术要求较高。的技术要求较高。二、二、 盾构的基本构造盾构的基本构造盾构纵剖图盾构纵剖图切口环、支承环、盾尾切口环、支承环、盾尾三部分组成三部分组成切口环：切口环：是盾构的前导部分，在其内部和前方可以设置是盾构的前导部分，在其内部和前方可以设置各种类各种类型的开挖和支承地层的装置型的开挖和支承地层的装置。支承环：支承环：是盾构的是盾构的主要承载结构主要承载结构，沿其内周边均匀地装有推动，沿其内周边均匀地装有推动盾构前进的千斤顶，以及盾构前进的千斤顶，以及开挖机械的驱动装置和排土装置开挖机械的驱动装置和排土装置。盾尾：盾尾：是衬砌作业的

8、场所，其内部设置衬砌拼装机。是衬砌作业的场所，其内部设置衬砌拼装机。l盾构机的基本构造：盾壳、开挖机构、推进盾构机的基本构造：盾壳、开挖机构、推进系统、衬砌拼装装置、盾尾密封装置系统、衬砌拼装装置、盾尾密封装置开挖机构开挖机构推进系统推进系统推进系统推进系统由液压设备和千斤顶构成，千斤顶数量由由液压设备和千斤顶构成，千斤顶数量由设计总推力和千斤顶类型确定，行程应比衬砌管片设计总推力和千斤顶类型确定，行程应比衬砌管片宽度大一些宽度大一些100100200mm200mm。 衬砌拼装系统衬砌拼装系统衬砌拼装系统衬砌拼装系统盾尾密封装置盾尾密封装置盾尾密封装置盾尾密封装置三、三、 盾构的分类盾构的分类

9、 按盾构构造和开挖方法可分为按盾构构造和开挖方法可分为手掘式手掘式盾构、挤压式盾构、机械式盾构盾构、挤压式盾构、机械式盾构三种。三种。式平衡式式泥水加压土压局部气压机械式盾构半挤挤压挤压式挤压式盾构手掘式盾构1 1、手掘式盾构、手掘式盾构 手掘式盾构机的正面是开敞的，通常设置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、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工作面千斤顶及防止开挖面塌陷的挡土千斤顶。开挖采用铁锹、镐、碎石机等开挖工具，人。开挖采用铁锹、镐、碎石机等开挖工具，人工进行。工进行。图 5-5-2 手掘式盾构构造优

10、点：优点：1 1）工作面是敞开的，可以观察地层变化情况，及时采取）工作面是敞开的，可以观察地层变化情况，及时采取应对措施。应对措施。2 2）遇到桩、孤石等地下障碍物时容易处理。）遇到桩、孤石等地下障碍物时容易处理。3 3）可以超挖，容易纠偏，便于在曲线段施工。）可以超挖，容易纠偏，便于在曲线段施工。4 4）造价低，设备简单，易制造。）造价低，设备简单，易制造。缺点：缺点：1 1）在含水地层中开挖面出现渗水、流砂时，必须辅以降）在含水地层中开挖面出现渗水、流砂时，必须辅以降水、气压或地层加固等措施。水、气压或地层加固等措施。2 2）工作面塌方易危及人身或引起工程事故。）工作面塌方易危及人身或引起

11、工程事故。3 3）劳动强度大，效率低，进度慢，大直径盾构尤为突出）劳动强度大，效率低，进度慢，大直径盾构尤为突出。图5-5-3 半机械式盾构构造半机械式盾构构造半机械式盾构构造全开敞式盾构全开敞式盾构半开敞式盾构半开敞式盾构2 2、挤压式盾构、挤压式盾构 分为分为全挤压式盾构和半挤压式盾构全挤压式盾构和半挤压式盾构，适用于软弱可，适用于软弱可塑粘性土层，范围狭窄。塑粘性土层，范围狭窄。 全挤压式盾构：全挤压式盾构： 1）工作面用胸板封闭，没有水土涌入，省去出土工）工作面用胸板封闭，没有水土涌入，省去出土工序，比较安全可靠。序，比较安全可靠。 2）地表有较大的隆起变形。）地表有较大的隆起变形。

12、3）适用于空旷河底、海滩等。）适用于空旷河底、海滩等。 半挤压式盾构：半挤压式盾构： 1）胸板上局部开孔，部分土体从孔中挤入盾构，）胸板上局部开孔，部分土体从孔中挤入盾构，省去人工挖土工序，劳动条件较手掘式盾构大为改善，省去人工挖土工序，劳动条件较手掘式盾构大为改善，效率也成倍提高。效率也成倍提高。 2）能在城市、街区下施工，但对地层扰动大，地）能在城市、街区下施工，但对地层扰动大，地面变形也很难避免。面变形也很难避免。 3 3、网格式盾构、网格式盾构 网格式盾构是网格式盾构是介于半挤压和手掘式盾构间的介于半挤压和手掘式盾构间的盾构形式。盾构形式。 开挖面装有钢制的开口格栅，网格起挡土作开挖面

13、装有钢制的开口格栅，网格起挡土作用，防止开挖面坍塌。用，防止开挖面坍塌。 适用于软弱可塑粘性土层，挤土作用比挤压适用于软弱可塑粘性土层，挤土作用比挤压式盾构小。式盾构小。 在在含水地层中，需辅以降水、气压等措施含水地层中，需辅以降水、气压等措施。挤压网格式盾构挤压网格式盾构4 4、机械式盾构、机械式盾构 机械式盾构机械式盾构切口环处安装旋转大刀盘，全断切口环处安装旋转大刀盘，全断面开挖，连续掘进。适用于各类土层，尤其是极面开挖，连续掘进。适用于各类土层，尤其是极易坍塌的砂性土层，可连续掘进挖土。易坍塌的砂性土层，可连续掘进挖土。 优点：优点：作业环境好、省力、省时、省工、效作业环境好、省力、省

14、时、省工、效率高。率高。 缺点：缺点：后续设备多、纠偏难、造价高。后续设备多、纠偏难、造价高。 机械式盾构机械式盾构又又分为分为局部气压盾构局部气压盾构、泥水加压泥水加压盾构盾构、土压平衡盾构。土压平衡盾构。l局部气压式盾构局部气压式盾构 在机械式在机械式盾构支承环的前边装上隔板盾构支承环的前边装上隔板，使切，使切口环成为一个密封舱，其中充满压缩空气，达到口环成为一个密封舱，其中充满压缩空气，达到疏干和稳定开挖面土体的作用。疏干和稳定开挖面土体的作用。图5-5-6 局部气压式盾构构造l 泥水加压式盾构泥水加压式盾构 在机械式在机械式盾构大刀盘后设置隔板盾构大刀盘后设置隔板，将与大刀盘的空，将与

15、大刀盘的空间作为泥水室，在开挖面和泥水室中充满加压的泥间作为泥水室，在开挖面和泥水室中充满加压的泥水，以保持开挖面土体稳定。水，以保持开挖面土体稳定。 泥水的作用：泥水的作用： 泥水压力与水土压力平衡；泥水能形成不透水泥水压力与水土压力平衡；泥水能形成不透水泥膜，产生有效压力；泥水可渗透土层内，稳定泥膜，产生有效压力；泥水可渗透土层内，稳定开挖面。开挖面。 优点：优点：自动化程度高，采用泥浆方式出土，方便自动化程度高，采用泥浆方式出土，方便,地地表沉降量小。表沉降量小。 缺点缺点：泥水处理费高。：泥水处理费高。泥泥水水式式盾盾构构l土压平衡盾构土压平衡盾构( (削土密闭式或泥土加压式盾削土密闭

16、式或泥土加压式盾构构) ) 设置全断面大刀盘，大刀盘与隔板间为密设置全断面大刀盘，大刀盘与隔板间为密封舱。封舱。 密封舱内充满大刀盘切削下来的土，并保密封舱内充满大刀盘切削下来的土，并保持一定的压力，以平衡开挖面的土压力。持一定的压力，以平衡开挖面的土压力。 螺旋运输机出土。螺旋运输机出土。 适用于变形大的淤泥、含水饱和的软弱粘适用于变形大的淤泥、含水饱和的软弱粘土、粘土、粉质粘土、粉砂和粉细砂等土土、粘土、粉质粘土、粉砂和粉细砂等土层。层。压力舱压力舱(泥土压盾构泥土压盾构)添加材料注入口添加材料注入管搅拌翼搅拌翼独立搅拌翼螺旋排土器土压平衡式土压平衡式全自动土压平衡盾构全自动土压平衡盾构加

17、泥式土压平衡盾构加泥式土压平衡盾构加加泥泥式式土土压压平平衡衡盾盾构构四四 盾构选型盾构选型1、盾构选型基本要素、盾构选型基本要素1 1）施工场地的工程水文地质条件。）施工场地的工程水文地质条件。2 2）地面环境、地面和地下建（构）筑物对地面沉降）地面环境、地面和地下建（构）筑物对地面沉降的敏感度。的敏感度。3 3）隧道尺寸）隧道尺寸长度、直径、永久衬砌的厚度。长度、直径、永久衬砌的厚度。4 4）工期、造价。）工期、造价。5 5）工程经验。）工程经验。 图中右边图中右边紫色区域紫色区域为粘土、淤泥质土为粘土、淤泥质土区，为区，为土压平衡盾土压平衡盾构构适用的颗粒级配适用的颗粒级配范围范围; ;

18、 左边的左边的黄色区域黄色区域为为砾石粗砂区，为砾石粗砂区，为泥泥水盾构水盾构适用的颗粒适用的颗粒级配范围级配范围; ; 中间的中间的绿色区域绿色区域为为细砂区域，两类盾细砂区域，两类盾构都能适用。构都能适用。2、常用的最先进盾构形式、常用的最先进盾构形式1 1）泥水加压盾构：）泥水加压盾构：适用于砂性土为主的洪积地层，适用于砂性土为主的洪积地层，较适用于粘性土为主的冲积地层，泥水处理费较适用于粘性土为主的冲积地层，泥水处理费用较高，地表沉降可控制在用较高，地表沉降可控制在10mm10mm以内。以内。2) 2) 土压平衡盾构：土压平衡盾构：适用于软弱冲积土层，较适用适用于软弱冲积土层，较适用于

19、砂土及砾石土层，地表沉降可控制在于砂土及砾石土层，地表沉降可控制在20mm20mm以以内。内。盾构法施工的主要程序盾构法施工的主要程序1.建造竖井或基坑，作为盾构施工的出发和接收建造竖井或基坑，作为盾构施工的出发和接收工作井或检修井工作井或检修井2.盾构进、出洞口土体加固处理盾构进、出洞口土体加固处理3.安装盾构掘进机安装盾构掘进机4.初推段盾构掘进施工，包括推进、出土、运土、初推段盾构掘进施工，包括推进、出土、运土、衬砌拼装、盾尾注浆、轴线测量衬砌拼装、盾尾注浆、轴线测量5.隧道连续掘进施工隧道连续掘进施工6.盾构进入接收井盾构进入接收井五、盾构法施工五、盾构法施工施工准备施工准备1.盾构出

20、发工作井和接收工作井盾构出发工作井和接收工作井l宽度比盾构大宽度比盾构大1.61.62m2m，整体吊装时可略小。，整体吊装时可略小。l长度要满足盾构设备、车架安装的要求，拆长度要满足盾构设备、车架安装的要求，拆除洞门空间和布置后座及垂直运输要求。除洞门空间和布置后座及垂直运输要求。l深度要满足洞门与衬砌间空隙充填、封板工深度要满足洞门与衬砌间空隙充填、封板工作及临时后座衬砌环与盾构导轨间的填实工作及临时后座衬砌环与盾构导轨间的填实工作，留作，留1m1m左右。左右。2.盾构基座盾构基座3.盾构进、出洞方法盾构进、出洞方法4.临时封门临时封门5.盾构后座盾构后座施工准备施工准备1.盾构拼装井、拆卸

21、井和调头井盾构拼装井、拆卸井和调头井2.盾构基座盾构基座l用作安装和稳妥的搁置盾构，并铺设导轨起用作安装和稳妥的搁置盾构，并铺设导轨起导向作用导向作用l采用钢砼或钢结构采用钢砼或钢结构l承受盾构自重和纠偏时的集中荷载承受盾构自重和纠偏时的集中荷载3.盾构进、出洞方法盾构进、出洞方法4.临时封门临时封门5.盾构后座盾构后座施工准备施工准备1.盾构拼装井、拆卸井和调头井盾构拼装井、拆卸井和调头井2.盾构基座盾构基座3.盾构进、出洞方法盾构进、出洞方法l临时基坑法临时基坑法：先挖后填，仅留垂直运输的进出口，没：先挖后填，仅留垂直运输的进出口，没有洞门拆除问题，适用于浅埋盾构始发端。有洞门拆除问题，适

22、用于浅埋盾构始发端。l逐步掘进法逐步掘进法：利用敞开段作后座，由浅入深掘进，造：利用敞开段作后座，由浅入深掘进，造价高。价高。l工作井进出洞法工作井进出洞法采用沉井、沉箱或基坑方法施工，并预留洞门及临时封门。采用沉井、沉箱或基坑方法施工，并预留洞门及临时封门。采用注浆、替换、冻结或钢板桩等方法进行洞门加固。采用注浆、替换、冻结或钢板桩等方法进行洞门加固。4.临时封门临时封门5.盾构后座盾构后座盾构进洞前凿除封门盾构进洞前凿除封门(地下墙地下墙)盾构进洞盾构进洞盾构进洞盾构进洞盾尾进洞盾尾进洞盾构出洞盾构出洞施工准备施工准备1.盾构拼装井、拆卸井和调头井盾构拼装井、拆卸井和调头井2.盾构基座盾构

23、基座3.盾构进、出洞方法盾构进、出洞方法4.临时封门临时封门l钢板结构封门钢板结构封门l混凝土封门混凝土封门l装配式楔体封门（泡沫混凝土、珍珠岩等）装配式楔体封门（泡沫混凝土、珍珠岩等）5.盾构后座盾构后座盾构工作井及钢封门盾构工作井及钢封门施工准备施工准备1.盾构拼装井、拆卸井和调头井盾构拼装井、拆卸井和调头井2.盾构基座盾构基座3.盾构进、出洞方法盾构进、出洞方法4.临时封门临时封门5.盾构后座盾构后座l盾构开始掘进时，推力由工作井井壁承担盾构开始掘进时，推力由工作井井壁承担l盾构与井壁间的传力设施即后座盾构与井壁间的传力设施即后座l通常采用衬砌管片或专用顶块与顶撑通常采用衬砌管片或专用顶

24、块与顶撑l当盾构掘进至一定距离后，盾构顶力可由衬当盾构掘进至一定距离后，盾构顶力可由衬砌与地层间的摩阻力承担，后座可以拆除砌与地层间的摩阻力承担，后座可以拆除盾构操纵与纠偏盾构操纵与纠偏 每推进一环的纠偏量应有限制，以免引起每推进一环的纠偏量应有限制，以免引起衬砌拼装的困难以及对地层产生过大的扰动衬砌拼装的困难以及对地层产生过大的扰动l导致偏离的因素导致偏离的因素地质条件方面地质条件方面土层不均匀，有孤石或障碍物土层不均匀，有孤石或障碍物机械设备方面机械设备方面千斤顶阻力不一千斤顶阻力不一盾构壳体安装误差盾构壳体安装误差设备中心偏设备中心偏施工操作方面施工操作方面千斤顶作用不均匀千斤顶作用不均

25、匀挤压式盾构的上浮趋势挤压式盾构的上浮趋势盾构下部土体流失盾构下部土体流失盾构操纵与纠偏盾构操纵与纠偏l盾构操纵盾构操纵千斤顶编组的调整千斤顶编组的调整停开的千斤顶数量应尽可能少停开的千斤顶数量应尽可能少盾构纵坡的控制盾构纵坡的控制变坡变坡( (先压后抬或先抬后压先压后抬或先抬后压) )开挖面阻力的调整开挖面阻力的调整敞开式盾构：超挖或欠挖敞开式盾构：超挖或欠挖挤压式盾构：调整开孔位置和开孔率挤压式盾构：调整开孔位置和开孔率大刀盘：超挖刀大刀盘：超挖刀大刀盘：鳍状翼板或阻力板大刀盘：鳍状翼板或阻力板衬砌的拼装衬砌的拼装l衬砌形式衬砌形式预制拼装预制拼装整体现浇整体现浇复合衬砌复合衬砌l管片接缝

26、的形式管片接缝的形式l管片拼装方法管片拼装方法成型钢筋分类堆放成型钢筋分类堆放钢筋笼焊接钢筋笼焊接成型钢筋笼堆放成型钢筋笼堆放模板清理、涂脱模剂模板清理、涂脱模剂合笼后钢模尺寸检查合笼后钢模尺寸检查钢筋笼吊装入模钢筋笼吊装入模钢筋笼入模就位钢筋笼入模就位混凝土浇注混凝土浇注管片浇注、振捣管片浇注、振捣表面压实表面压实表面收光表面收光浇注后的管片静养浇注后的管片静养管片成型车间水平运输管片成型车间水平运输成品管片水平运输成品管片水平运输管片养护水池管片养护水池试块抗压检测试块抗压检测管片入养护池养护管片入养护池养护抗渗检测设备抗渗检测设备管片检漏试验管片检漏试验三环试拼装三环试拼装三环试拼装及接

27、缝测量三环试拼装及接缝测量管片堆场管片堆场管片堆场堆放管片堆场堆放衬砌的拼装衬砌的拼装l衬砌形式衬砌形式l管片接缝的形式管片接缝的形式通缝通缝环环对齐，拼装方便、定位容易，施工应力小。环环对齐，拼装方便、定位容易，施工应力小。易累积环面不平整误差易累积环面不平整误差错缝错缝纵缝在相邻环间错开纵缝在相邻环间错开1/21/21/31/3管片，整体性好，可管片，整体性好，可传递环间内力传递环间内力施工应力大，防水较困难施工应力大，防水较困难l管片拼装方法管片拼装方法通缝拼装隧道通缝拼装隧道错缝拼装隧道错缝拼装隧道衬砌的拼装衬砌的拼装l衬砌形式衬砌形式l管片接缝的形式管片接缝的形式l管片拼装方法管片拼

28、装方法先环后纵先环后纵缩回全部千斤顶，拼装圆环，再纵向靠拢缩回全部千斤顶，拼装圆环，再纵向靠拢优点优点：环面平整，纵缝拼装质量好：环面平整，纵缝拼装质量好缺点缺点：易产生后退现象：易产生后退现象先纵后环先纵后环缩回一块衬砌范围千斤顶，拼装相应衬砌直至成环缩回一块衬砌范围千斤顶，拼装相应衬砌直至成环优点优点：可防止后退现象：可防止后退现象缺点缺点：要求控制盾构位置不变：要求控制盾构位置不变KBBA管管 片片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管片的连接管片的连接螺栓连接螺栓连接无螺栓连接无螺栓连接衬砌壁后注浆衬砌壁后注浆l压浆方法压浆方法二次压浆法：二次压浆法：先立即压入石粒砂，继续推进先立即压入石粒砂，继续推进5 58 8环环后，再压入水泥浆。施工繁琐，石粒砂不易密实，后，再压入水泥浆。施工繁琐，石粒砂不易密实，水泥浆难填满。地面沉降量略大，常需补充注浆。水泥浆难填满。地面沉降量略大，常需补充注浆。对盾尾