PPT盾构施工原理及方法课件

盾构隧隧道施施工原原理及及方法法石家庄庄铁道道学院院土木木分院院地下下工程程系1.盾构法法的基基本含含义盾构施施工法法是““使用用盾构构机在在地下下掘进进，在在护盾盾的保保护下下，在在机内内安全全的进进行开开挖和和衬砌砌作业业，从从而构构筑成成隧道道的施施工方方法””。按按照这这个定定义，，盾构构施工工法是是由稳稳定开开挖面面、盾盾构机机挖掘掘和衬衬砌三三大部部分组组成。。一、盾盾构法法施工工的原原理及及方法法盾构法法施工工的概概貌如如图5-5-1所示。。在隧隧道的的一端端建造造竖井井或基基坑，，将盾盾构安安装就就位，，盾构构从竖竖井或或基坑坑的墙墙壁开开孔出出发，，在地地层中中沿着着设计计轴线线，向向另一一竖井井或基基坑的的孔壁壁推进进。盾构推推进中中所受受到的的地层层阻力力，通通过盾盾构千千斤顶顶传至至盾构构尾部部已经经拼装装好的的衬砌砌管片片上。。盾构构机是是这种种施工工方法法中主主要的的施工工机具具。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.盾构法法施工工的原原理和和过程程3.密封式式(平衡)盾构机机的组组成盾构机机组成成(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管片片AAA管片的的组装装顺序序K管片(封顶块块)的嵌入入半径方向插入型BKKBBB盾构机机是根根据每每一施施工区区段设设计的的专用用设备备盾构施施工不不可退退后对施工工的要要求精精度高高占用的的施工工场地地小对邻近近建筑筑物的的影响响小对周围围环境境的影影响较较小2.盾构施施工的的特点点初期的的盾构构法是是用手手掘式式或机机械开开挖式式盾构构机，，结合合使用用压气气施工工方法法保证证开挖挖面稳稳定，，进行行开挖挖，在在地下下水较较丰富富的地地区，，用注注浆法法进行行止漏漏，而而对软软弱地地层，，则采采用掌掌子面面封闭闭式施施工。。经过过多年年对盾盾构技技术的的研究究开发发和应应用，，已演演变成成现在在非常常盛行行的泥泥水平平衡式式和土土压平平衡式式两种种盾构构机。。这两两种机机型的的最大大优点点是在在开挖挖功能能中考考虑了了稳定定开挖挖面的的措施施，将将盾构构施工工法中中的三三大要要素的的前两两者联联系融融为一一体，，无需需辅助助施工工措施施。并并通过过使用用不同同类型型的刀具，就能能适应应地质质情况况变化化范围围较广广的地地质条条件。。5.盾构机机和盾盾构法法的发发展史史砾石、、岩石石等硬硬质围围岩时时的刀刀头大砾石石、岩岩石时时多采采用刀刀轮式式刀头头刀头的固定方式焊接螺栓式插入式焊接式盾构法法施工工开挖挖面稳稳定技技术的的历史史，是是从压压气施施工法法的““气””演变变到泥泥水式式的““水””和土土压式式的““土””。““开挖挖面稳稳定””和““盾构构开挖挖”的的技术术已达达到较较完善善的地地步。。目前前盾构构一般般指密密封式式泥水水平衡衡式和和土压压平衡衡式盾盾构。。最近，，盾构构技术术的发发展动动向是是：开开发了了超大大断面面的盾盾构机机和MF盾构机机以及及DOT盾构机机等多多断面面盾构构机，，加上上在衬衬砌和和开挖挖方面面使用用了ECL施工法法的技技术，，采用用管片片自动动组装装装置置，以以及采采用自自动测测量技技术进进行开开挖控控制，，用计计算机机进行行各种种施工工管理理实现现管理理系统统化等等的开开发研研究。。对提提高盾盾构施施工的的安全全性、、适应应性和和经济济性展展示了了更为为广阔阔的应应用前前景。。1.盾构机的种种类盾构机是盾盾构法施工工的主要施施工机械，，按开挖面面与作业室室之间的隔隔墙构造可可分为全开开敞式、半半开敞式及及密封式三三种。种类类划分如下下所示：二、盾构机机的种类和和构造(1)全开敞式全开敞式盾盾构机是指指没有隔墙墙、开挖面面敞露状态态的盾构机机。根据开开挖方式的的不同，又又分为手掘掘式、半机机械化式及及机械式三三种。这种种盾构机适适用于开挖挖面自稳性性好的围岩岩。在遇到到开挖面不不能自稳的的地层时，，则需进行行地层超前前加固等辅辅助施工方方法，以防防止开挖面面坍塌。a.手掘式盾构构机如图5-5-2所示，手掘掘式盾构机机的正面是是开敞的，，通常设置置防止开挖挖顶面塌陷陷的活动前前檐及上承承千斤顶、、工作面千千斤顶及防防止开挖面面塌陷的挡挡土千斤顶顶。开挖采采用铁锹、、镐、碎石石机等开挖挖工具，人人工进行。。图5-5-2手掘式盾构构造手掘式盾构构机这种盾构机机适应的土土质是自稳稳性强的洪洪积层压实实的砂、砂砂砾，固结结粉砂和粘粘土。对于于开挖面不不能自稳的的冲积软弱弱砂层、粉粉砂和粘土土，施工时时必须采用用稳定开挖挖面的辅助助施工法，，如气压施施工法、改改良地基、、降低地下下水位等措措施。目前前手掘式盾盾构机一般般用于开挖挖断面有障障碍物、巨巨砾石等特特殊场合，，而且应用用逐渐减少少。b.半机械式盾盾构机如图5-5-3所示，半机机械式盾构构机进行开开挖及装运运石碴都采采用专用机机械，配备备液压铲土土机、臂式式刀盘等挖挖掘机械和和皮带运输输机等出碴碴机械，或或配备具有有开挖与出出碴双重功功能的机械械，以图省省力。图5-5-3半机械式盾构构造半机械式盾盾构机为防止开挖挖面顶面塌塌陷，盾构构机内装备备了活动前前檐和半月月形千斤顶顶。由于安安装了挖掘掘机，再设设置工作面面千斤顶等等支挡设备备是较困难难的。与手掘式盾盾构机一样样，应有确确保开挖面面稳定的措措施。适应应土质以洪洪积层的砂砂、砂砾、、固结粉砂砂和粘土为为主。也可可用于软弱弱冲积层，，但须同时时采用超前前加固，或或采取降低低地下水位位、改良地地基等辅助助措施。c.机械式盾构构机如图5-5-4所示，机械械式盾构机机前面装备备有旋转式式刀盘，增增大了盾构构机的挖掘掘能力，开开挖的土砂砂通过旋转转铲斗和排排土可以连连续进行，，缩短了工工期，减少少了作业人人员。在开开挖自稳性性好的围岩岩时，机械械式盾构机机适应的土土质与手掘掘式盾构机机、半机械械式盾构机机一样，须须采用辅助助施工方法法。图5-5-4机械式盾构构造(2)半开敞式是指挤压式式盾构机，，它是在开开放型盾构构的切口环环与支撑环环之间设置置胸板，以以支挡正面面土体，但但在胸板上上有一些开开口，当盾盾构向前推推进时，需需要排出的的土体将从从开口处挤挤入盾构内内，然后装装车外运，，见图5-5-5。这种盾构构适用于软软弱粘土层层，在推进进过程中要要引起较大大的地面隆隆起。图5-5-5部分开放型盾构构造(3)密封式是指在机机械开挖挖式盾构构机内设设置隔墙墙，进入入刀盘与与隔墙土土仓的土土体，由由泥水压压力或土土压提供供足以使使开挖面面保持稳稳定的压压力。密密封式盾盾构机又又分成局局部气压压式、泥泥水平衡衡式和土土压平衡衡式几种种。①局部气气压式盾盾构。在机械式式盾构支支承环的的前边装装上隔板板，使切切口环成成为一个个密封舱舱，其中中充满压压缩空气气，达到到疏干和和稳定开开挖面土土体的作作用，见见图5-5-6。图5-5-6局部气压式盾构构造局部气压压式盾构构压缩空气气的压力力值可根根据工作作面下1/3点的地下下静水压压力确定定。由于于这种盾盾构是靠靠压缩空空气对开开挖面进进行密封封，故要要求地层层透水性性小，渗渗透系数数K小于1×10-5m/s，静水压力力不大于于0.1MPa。另外，这这种盾构构在密封封舱、盾盾尾及管管片接缝缝处易产产生漏气气，引起起工作面面土体坍坍塌，造造成地面面降陷。。②土压平平衡式盾盾构土压平衡衡式盾构构又称削削土密封封式或泥泥土加压压式盾构构。它的的前端有有一个全全断面切切削刀盘盘，在它它后面有有一个贮贮留切削削土体的的密封舱舱，在其其中心处处或下方方装有长长筒形的的螺旋输输送机，，在密封封舱和螺螺旋输送送机，以以及在盾盾壳四周周装设的的土压传传感装置置，根据据需要还还可装设设改善切切削土体体流动性性的塑流流化材料料的注入入设备。。③泥水加加压式盾盾构泥水加压压式盾构构的总体体构造与与土压平平衡式盾盾构相似似，仅支支护开挖挖面方法法和排碴碴方式有有所不同同。在泥泥水加压压式盾构构的密封封舱内充充满特殊殊配制的的压力泥泥浆，刀刀盘(花板型)浸没在泥泥浆中工工作。对对开挖面面支护，，通常是是由泥浆浆压力和和刀盘面面板共同同承担，，前者主主要是在在掘进中中起支护护作用，，后者主主要是在在停止掘掘进时起起支护作作用。泥水加压压式盾构构对于不透透水的粘粘性土，，泥浆压压力应保保持大于于围岩主主动土压压力。对对透水性性大的砂砂性土，，泥浆会会渗入到到土层内内一定深深度，并并在很短短时间内内，于土土层表面面形成一一层泥膜膜，有助助于改善善围岩的的自承能能力，并并使泥浆浆压力能能在全开开挖面上上发挥有有效的支支护作用用。此时时，泥浆浆压力一一般以保保持高于于地下水水压0.2MPa为宜。而而刀盘切切削下的的碴土在在密封舱舱内与泥泥浆混合合后，用用排泥泵泵及管道道输送至至地面处处理，处处理后的的泥浆再再由供泥泥泵和管管道送回回盾构重重复使用用，所以以，在采采用泥水水加压式式盾构时时，还需需配备一一套泥浆浆处理系系统。泥水加压压式盾构构按泥浆浆系统压压力控制制方式可可分为直直接控制制型(日本型)和间接控控制型(德国型)两种基本本类型。。a．直接控制制型(日本型)直接控制制型(日本型)泥水加压压式盾构构的泥浆浆压力控控制由一一套自动动控制泥泥浆平衡衡的装置置来实现现，见图图5-5-10。P1为供泥泵泵，从泥泥浆处理理厂的泥泥水调整整槽将泥泥浆压人人盾构密密封舱，，供入泥泥浆比重重在1.05~1.25之间，在在密封舱舱内与开开挖碴土土混合后后的重泥泥浆由排排泥泵P2、P3、P4排至泥浆浆处理厂厂，排出出泥浆比比重在1.1~1.4之间。密密封舱的的泥浆压压力是通通过调节节供浆泵泵P1的转速或或节流阀阀的开口口比值来来实现控控制的。。泥水室图5-5-10直接控制型泥水加压盾构泥浆自动控制输送系统大刀盘清水槽泥浆调整槽密度计流量计供浆管排浆管伸缩管Vp2p3p4p1直接控制制型(日本型)泥浆管中中的泥浆浆流速，，必须保保持在临临界值以以上，否否则，泥泥浆中的的颗粒会会产生沉沉淀而堵堵塞管路路，尤其其是在排排泥管中中，堵塞塞将更为为严重。。按管道道流理论论，临界界流速VL(m/s)可按Durand公式计算算：式中FL——流速系数数，按颗颗粒直径径和泥浆浆浓度而而定，当当颗粒直直径大于于1mm时，FL＝1.34；g——重力加速速度，g=9.8m/s2；p0——泥浆母液液比重，，一般p0=1.05~1.25；p——碴土比重重；d——管子内径径(m)。直接控制制型(日本型)在盾构推推进时，，进、排排泥管需需不断延延长，管管阻亦随随之增大大。为了了保证管管内的流流速恒大大于临界界流速，，排泥浆浆泵P2的转速应应随时调调整，故故排泥浆浆泵P2必须是自自动调速速的。当当P2泵达到最最大扬程程时，再再加P3、P4接力泵。。为了保证证盾构推推进质量量、减少少地面沉沉降量，，需要严严格控制制排土量量，故应应在进、、排泥浆浆管路上上分别装装设流量量计和比比重计，，根据检检测数据据即可计计算实际际排土量量。b．间接控制型(德国型)间接控制型(德国型)泥水加压式盾盾构的泥浆压压力控制由空空气和泥水双双重系统实现现，见图5-5-11。空气管半隔板图5-5-11间接控制型泥水加压盾构泥浆压力控制系统④混合盾构(Mixshield)混合盾构是近近几年在欧洲洲发展起来的的一种新型盾盾构。这种盾盾构本机可以以构成一台泥泥水加压式盾盾构、气压式式盾构或土压压平衡式盾构构，当地层条条件变化时，，盾构的机形形可以随地层层变化而相应应改变调整。。⑤多圆盾构(Multi—CircularFaceShield)多圆盾构是近近年日本开发发的新型盾构构，其中的双双圆盾构可以以用来修建区区间隧道，一一次开挖完成成双线区间隧隧道，可以比比两个单独的的圆形隧道降降低工程成本本工10%，减少开挖面面积15%。三圆盾构既既可用来修建建地铁车站隧隧道，拆下中中间盾构后又又成为两个单单独盾构，可可以修建区间间隧道。2.土压平衡式盾盾构机的构造造(1)切削刀盘通过主轴承支支撑和液压马马达式电机驱驱动旋转的刀刀盘，正面安安装土体切削削刀并带有碴碴土进料口，，背面安装有有碴土搅拌桨桨。刀盘侧面面还装有可伸伸缩的超挖刀刀。刀盘的型式有有花板型和辐辐条型的不同同型式(如图5-5-7)，根据地层性性质所需要安安装刀具大小小与数量不同同以及进料口口面积大小与与数量不同，，有不同的开开口率。一般般硬岩刀盘开开口率小，软软土开口率大大。图5-5-7切削刀盘形式花板型辐条型(2)刀具刀具的类型有有齿刀、刮刀刀和滚刀等不不同型式，齿齿刀、刮刀用用于软土质地地层、滚刀用用于岩石地层层。刀盘上可可仅为一种类类型的刀具，，也可为多种种刀具的组合合，以适应不不同形式的地地层。现代盾盾构机刀盘设设计上可进行行刀具的更换换，可在刀盘盘背面换刀。。砾石、岩石等等硬质围岩时时的刀头大砾石、岩石石时多采用刀刀轮式刀头刀头的固定方式焊接螺栓式插入式焊接式(3)密封舱用于存贮被刀刀盘切削下来来的土体，并并加以搅拌使使其成为不透透水的，具有有适当流动性性的塑流体，，使其能及时时充满密封舱舱和螺旋输送送机的全部空空间，对开挖挖面实行密封封，以维持开开挖面的稳定定性，同时，，也便于将其其排出。在密密封舱后隔板板上，一般留留有进入舱孔孔，供人员进进出入密封舱舱和进行维修修工作。压力舱(泥土压盾构构)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(4)螺旋输送机机用来将密封封舱内的塑塑流状土体体排出盾构构外，并在在排土过程程中，利用用螺旋叶片片与土体间间的摩擦和和土体阻塞塞所产生的的压力损失失，使螺旋旋输送机排排土口的泥泥土压力降降至一个大大气压力，，使其不发发生喷漏现现象。通过过螺旋输送送机排碴量量的速度来来控制和调调解碴舱内内的土体压压力。(5)塑流化材料料注入器用来向密封封舱、刀盘盘和螺旋输输送机内注注人添加剂剂。因为当当土体中的的含砂量超超过一定限限度时，由由于其内摩摩擦角大，，流动性差差，单靠刀刀盘的旋转转搅动很难难使这种土土体达到足足够的塑流流性，一旦旦在密封舱舱内贮留，，极易产生生压密固结结，无法对对开挖面实实行有效的的密封和排排土。此时时，就需要要向切削土土体内注入入一种促使使其塑流化化的添加剂剂，经刀盘盘混合和搅搅拌后能使使固结土成成为流动性性好、不透透水的塑流流体。(6)土压传感器器用于测量密密封舱和螺螺旋输送机机内的土压压力，前者者是判定开开挖面是否否稳定的依依据，后者